本文对内蒙古锡林郭勒草原不同灌丛化阶段(轻度、中度、重度)下小叶锦鸡儿的种群特征及其土壤影响因子进行研究.结果表明:在草原轻度-中度-重度灌丛化的发展过程中,小叶锦鸡儿的密度和高度逐渐增加,两阶段密度和高度分别增长196.0％、34.5％和25.4％、17.6％.小叶锦鸡儿的冠幅、基径、每丛分蘖数和地上生产力均呈先减少后增加的趋势,地上生物量向叶片的分配比例减少.小叶锦鸡儿在中度灌丛化阶段与草本植物之间的竞争最为强烈,其通过减少横向生长如冠幅、基径和每丛分蘖数,增加密度和高度以获取竞争优势.在不同灌丛化阶段小叶锦鸡儿所受到的土壤限制因子明显不同.在轻度灌丛化阶段,土壤因子对小叶锦鸡儿生长的限制作用较小;在中度灌丛化阶段,深层(20～50 cm)土壤水分和土壤pH是限制小叶锦鸡儿密度的关键因素;在重度灌丛化阶段,深层土壤水分和pH限制小叶锦鸡儿纵向生长的主要因素,浅层(0～20 cm)土壤水分和养分是限制灌从横向扩张的主要因素.

草地灌丛化现象在草地生态系统上广泛发生.放牧是人类利用草原的重要方式,通过分析不同载畜率下荒漠草原灌木种群及其邻近土壤养分含量的变化,可研究放牧干扰下不同灌木种群的耐牧特性,对深入了解荒漠草原植物群落演替机制具有重要意义.以荒漠草原灌木小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、半灌木驼绒藜(Ceratoides latens)及小半灌木冷蒿(Artemisia frigida)和木地肤(Kochia prostrata)(下称为"灌木")为研究对象,探究不同载畜率下各个灌木种群的密度、高度、盖度及地上生物量(下称为"数量特征值")及其邻近土壤养分含量.结果表明:冷蒿的数量特征值均随着载畜率的增加而降低,其他植物种群的数量特征值均在CK或LG区出现最大值,且不同灌木邻近土壤养分含量随着土壤深度的增加而下降(P＜0.05).不同灌木邻近土壤全氮含量随着载畜率增加而下降;冷蒿邻近有机碳含量在CK区最高,小叶锦鸡儿邻近速效磷含量在HG区最高,其余灌木邻近有机碳、速效磷含量在LG区最高.灌木种群数量特征与土壤养分的关系为:土壤有机碳与冷蒿和驼绒藜的高度、盖度、地上生物量呈正相关,土壤速效磷与木地肤高度、地上生物量呈显著负相关.因此,载畜率均会对灌木植物种群的数量特征值及其邻近土壤养分含量产生影响.

无定型碳酸钙对植物生长具有重要意义,草原-荒漠过渡区主要建群植物体内无定型碳酸钙含量特征目前尚不明确.本文测定了宁夏哈巴湖国家级自然保护区和宁夏吴忠市红寺堡区主要植物叶片碳酸钙含量.结果表明:草本植物碳酸钙含量之间有显著差异,而灌木碳酸钙含量之间没有差异显著;对于草本植物,演替初期建群植物沙蓬(Agriophyllum squarrosum)和猪毛菜(Salsola collina)、演替中期建群植物赖草(Aneu-rolepidium dasystachys)和白草(Pennisetum centrasiaticum)、演替后期建群植物长芒草(Stipa bungeana)和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa),随进展演替,不同演替阶段植物碳酸钙含量逐渐降低;典型草原演替后期建群种体内碳酸钙含量显著高于荒漠草原演替后期建群种;油蒿(Artemisia ordosica)幼龄阶段叶片碳酸钙含量显著高于成龄和老龄阶段,沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)、小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)和紫穗槐(Amorpha fruticose)3种豆科灌木不同冠层部位叶片碳酸钙含量之间差异不显著.草原-荒漠过渡区不同演替阶段草本植物体内碳酸钙含量的显著变化是植物长期适应环境的结果.

草原灌丛化通过改变物种之间的相互作用深刻影响着群落的结构和功能.然而,当前有关灌木如何影响不同功能群草本植物对矿质元素吸收和累积的研究仍明显不足.在内蒙古草原沿干旱梯度选取了 4 个研究地点,对比分析了小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)灌丛斑块内和斑块外群落中禾草和非禾草功能群植物叶中矿质元素浓度以及地上生物量生产的差异,旨在阐明干旱和灌木对群落草本植物叶元素累积的影响,揭示灌草间相互作用的元素利用特征及其随干旱梯度的变化.结果显示:1)随干旱加剧,灌丛斑块内的非禾草功能群植物地上生物量保持恒定,但叶中的K、Ca、Mg、Fe、Mn和Cu元素浓度显著增加(P<0.05).该结果表明群落中的非禾草功能群植物通过提高叶中的矿质元素水平来抵御和适应干旱胁迫.2)随干旱加剧,灌丛对非禾草功能群植物地上生物量,叶中Ca、Fe、Cu和Zn,禾草功能群植物叶中的P的累积影响从负(RII<0)或中性(RII= 0)转变为正效应(RII>0).该结果与胁迫梯度假说相符,表明灌木对草本植物的促进效应随干旱胁迫加剧而增加.3)灌丛的"沃岛"效应是驱动灌木对草本植物元素累积正效应的主要机制.研究结果揭示了锦鸡儿属灌木的促进效应在维持内蒙古干旱、半干旱草原群落植被物种共存和生态系统功能稳定中的重要性.

以2年生小叶锦鸡儿幼苗为研究对象,采用盆栽控水法,设置适宜水分、轻度、中度和重度胁迫处理(即田间持水量的80％、60％、40％和20％),探讨小叶锦鸡儿幼苗在干旱胁迫历时15、30、45和60 d各器官非结构性碳水化合物(NSC)的响应规律.结果表明:不同干旱胁迫处理程度与时间对小叶锦鸡儿幼苗叶片、茎、粗根和细根可溶性糖、淀粉及总NSC含量均具有显著交互作用.轻度胁迫下,各器官可溶性糖、淀粉及总NSC含量在胁迫30 d时均显著低于适宜水分处理,细根可溶性糖和粗根淀粉含量在胁迫60 d时显著高于适宜水分处理.中度胁迫下,随着胁迫时间延长,茎和粗根可溶性糖含量先低于适宜水分处理,而后逐渐增加;与轻度胁迫处理相比,叶片、茎和细根可溶性糖含量增加,茎和粗根淀粉含量降低.重度胁迫下,各器官淀粉含量在胁迫15 d时显著低于适宜水分处理;在胁迫60d时显著高于适宜水分处理.以上结果说明,小叶锦鸡儿幼苗通过调整各器官NSC积累及分配应对不同干旱环境.

以巴丹吉林、腾格里、乌兰布和及库布齐沙漠的柠条锦鸡儿成熟叶片为研究对象,采用石蜡切片法,观察叶的横切结构,使用Motic Images Plus 2测定叶片厚度、栅栏组织细胞长和上、下表皮厚度等指标,分析比较4个沙漠的柠条锦鸡儿小叶解剖结构差异.结果表明:(1)生长环境不同,柠条锦鸡儿小叶在表皮、叶肉和叶脉结构上都存在差异,以巴丹吉林沙漠与库布齐沙漠的差异性最为显著.(2)干旱环境下,叶片变小、变厚,栅栏组织和维管束组织更为发达,巴丹吉林沙漠最为干旱,叶片最厚,栅栏组织细胞层数最多、细胞最长,导管列数最多;库布齐沙漠水分条件最好,叶片最薄,栅栏组织细胞最短且层数最少,导管列数最少.(3)对柠条锦鸡儿小叶解剖结构的各项指标与环境参数进行相关分析发现,温度和降水是影响柠条锦鸡儿小叶解剖结构变化的主要因素.

通过对典型草原区小叶锦鸡儿灌丛积雪体的调查,研究了灌丛特征(灌丛高度、灌丛迎风侧宽度、灌丛顺风侧长度)对积雪形态(积雪高度、积雪宽度、雪辫长度)的影响.结果表明:小叶锦鸡儿灌丛高度与积雪形态参数呈显著二次多项式函数关系,灌丛迎风侧宽度、灌丛顺风侧长度与积雪形态参数呈显著幂函数关系(指数＜1).灌丛积雪形态和发育特征是灌丛特征参数共同影响和作用的结果,其中,灌丛高度对积雪高度影响最大,灌丛迎风侧宽度对积雪宽度和雪辫长度影响最大.灌丛较小时积雪形态发育较快,随后逐渐趋于稳定.灌丛二维滞雪范围模型直接反映灌丛对风力的干扰范围和积雪的潜在范围,间接反映灌丛的滞雪能力;灌丛三维阻雪体积模型直接反映一定雪源、风况条件下灌丛的阻雪能力.本文建立的灌丛滞雪范围和灌丛阻雪体积模型可为典型草原风吹雪区积雪资源估算和雪害防治提供理论依据.

水分胁迫是干旱半干旱区限制植物生长的主要因素.以干旱半干旱区的3种锦鸡儿属植物为研究对象,从生态适应策略角度来分析3种锦鸡儿植物产生生态分离的原因.对三种锦鸡儿属植物茎干叶片的显微结构、生理功能(导水率、光合速率以及水分利用效率)进行测定,并统计了3种锦鸡儿植株的形态特征,如一、二级枝的直径、长度、末端叶面积.结果表明:三种锦鸡儿属植物都能形成较小的导管直径来适应旱生环境,但是在导水结构上又表现出一定的差异性.中间锦鸡儿的导管直径最小,次脉密度和最大净光合速率最大;柠条锦鸡儿的导管直径、叶片厚度和比叶重(LMA)最大.小叶锦鸡儿在导水率下降50％时的水势(P50)最大,水分胁迫时极易发生栓塞,但正是由于导管的栓塞降低了水分运输效率,使其在旱生环境中能够通过减少水分的供应来降低水分的丧失,从而保证自身生长的水分需求;而中间锦鸡儿则主要通过减小导管直径来适应旱生环境;柠条锦鸡儿的水分利用效率最高,抗栓塞能力最强,抗旱性最好,同时柠条锦鸡儿可以通过减少蒸腾面积来减少水分的丧失.植物的导管直径大小、叶片厚度、LMA、叶脉密度对植物导水速率、光合速率等生理功能都有一定的影响.

以神东矿区用于植被恢复的小叶锦鸡儿、沙柳、沙棘为对象,研究侧根分支处极限抗折力学特性及受力受损后生长指标、力学特性的自修复能力,以明确半干旱采煤沉陷区灌木侧根分支处在遭受外力损伤后的可持续固土能力.结果表明:3种灌木生长季初期侧根分支处极限抗折力和抗折强度均存在显著差异,种间变化均表现为小叶锦鸡儿＞沙柳＞沙棘.小叶锦鸡儿和沙柳侧根分支处抗折强度与纤维素、木质素及棕纤维素含量呈显著正相关,沙棘抗折强度与纤维素和木质素含量呈显著负相关,与棕纤维素含量呈显著正相关.沉陷区形成的折力损伤显著破坏灌木侧根分支处的正常生长和力学特性,即使通过3个月的自修复也不能恢复到未受损水平.生长指标自修复能力越强,抗折力自修复程度越高,修复率种间变化为沙棘(91.2％)＞沙柳(82.0％)＞小叶锦鸡儿(73.9％),抗折力修复率种间变化为沙棘(41.4％)＞沙柳(37.1％)＞小叶锦鸡儿(30.0％).3种灌木侧根分支处可持续固土指数分别为小叶锦鸡儿(2.2084)＞沙柳(0.2009)＞沙棘(-2.4093),说明在半干旱采煤沉陷区小叶锦鸡儿可持续固土能力最强,沙柳次之,沙棘最弱.

土壤氮素形态的转换主要由相关微生物驱动完成,其中由氨氧化细菌(AOB)主导的氨氧化过程是硝化作用的限速步骤.在土地沙漠化正逆过程中,植被和土壤条件的变化也会对土壤微生物群落产生显著影响.本研究在科尔沁沙地典型地区选择小叶锦鸡儿天然群落、30年生小叶锦鸡儿人工固沙群落和流动沙丘为对象,以amoA基因为标记,采用克隆文库和Q-PCR技术,研究了沙地小叶锦鸡儿群落土壤氨氧化细菌多样性和菌群结构及其变化特征.结果表明:小叶锦鸡儿群落土壤氨氧化细菌多样性较低,均为亚硝化螺菌属(Nitrosospira);在土地沙化正逆过程中,土壤氨氧化菌群结构的变化主要体现在数量上,而基本组分变化不大;流动沙丘上重建小叶锦鸡儿植被可恢复土壤氨氧化菌群结构;土壤全氮和全磷是影响AOB群落结构的主要环境因子.