在全球气候变化的背景下,干旱半干旱区草地作为陆地生态系统中重要且非常脆弱的组分之一,显现出一系列生态问题。探究气候变化及人类活动对于该区草地生态系统净初级生产力(NPP)的影响,对于合理利用自然资源,保持农牧业可持续发展具有重要的意义。施肥作为促进作物生长的一种方式,合理施肥也可以提高退化草地的NPP。基于此,本研究拟以天山北坡沿海拔梯度分布的4种草地类型:高山草甸(AM)、中山森林草甸(MMFM)、低山干草原(LMDG)和平原荒漠草原(PDG)为研究对象,基于反硝化-分解模型(DNDC)分析该区典型草地生态系统净初级生产力对施加不同氮肥的响应,并揭示施肥阈值及最优施肥方式。结果表明:1)适度氮肥添加促进了各个类型草地生态系统NPP的增长,但草地NPP对施肥量的响应存在阈值,且不存在适用于4种草地类型的统一最优施肥方式。LMDG草地生态系统对施氮肥的响应最敏感。2)PDG草地NPP达到最大的施肥方式为一年分两次施加100 kg·hm-2硝酸盐,NPP的最大值为68.72 g C·m-2·a-1。LMDG草地NPP最大的施肥方式为一年分两次施加尿素260 kg·hm-2,NPP的最大值为263.28 g C·m-2·a-1。MMFM草地生态系统达到NPP最大的施肥方式为一年一次施尿素80 kg·hm-2,NPP的最大值为171.22 g C·m-2·a-1。无水氨作为在AM草地中反应最好的氮肥,以最小的施肥量(60 kg·hm-2)达到了NPP的最大值(114.62 g C·m-2·a-1)。3)通过蒙特卡洛不确定分析的结果显示,施肥时间对PDG和LMDG的影响更为明显,施肥量波动对LMDG和MMFM的影响较其他两种草地更为明显。
分枝/分蘖是植物株型的一个重要特征,也是腋芽起始和芽生长的结果,对经济作物的种子产量以及牧草产量均具有决定性作用。多种激素及其互作效应在植物分枝/分蘖的发生和生长发育过程中起着关键的调控作用,且环境因素也是通过改变植物体内激素含量及其平衡调控分枝的。本研究综述了多种激素对植物分枝/分蘖调控机制的多个方面,包括生长素、细胞分裂素、独脚金内酯、油菜素内酯、脱落酸和赤霉素、乙烯、茉莉酸及不同激素信号相互作用形成的复杂调控网络,旨在为利用激素调控机制培育具有理想株型的高产新作物品种奠定基础。同时分析了激素机制调控植物分枝/分蘖的现存问题,并展望了激素调控植物分枝/分蘖的研究方向,以期为通过激素调控改良作物株型提供理论依据。
为获得优良的解钾菌(KSB)并明确其对植物产量和品质的影响,采用硅酸盐细菌培养基从紫花苜蓿根际土壤分离、筛选到2株具有高效解钾能力的菌株。通过细菌形态学、16S rDNA序列分析和生理生化鉴定,确定2株解钾菌分别为巨大芽孢杆菌和耐寒短杆菌,命名为XLT-4和XLT-7。2株菌株均具有产吲哚-3-乙酸(IAA)、铁载体和溶磷能力。接种XLT-4和XLT-7显著提高了紫花苜蓿的株高、根长、地上和地下干鲜重,以及根系活力、叶片的磷、钾和粗蛋白含量,降低了中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的含量。此外,接种2株解钾菌还提高了紫花苜蓿根际土壤酶活性和速效钾含量。本研究获得的2株解钾菌在提高紫花苜蓿产量和品质方面发挥了重要作用,是开发微生物制剂的优质菌株资源。
丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)是一类高度保守的丝氨酸/苏氨酸(Ser/Thr)蛋白激酶,广泛存在于真核生物中级联反应途径。植物MAPK具有相对保守的11个亚结构域,均为Ser/Thr蛋白激酶发挥其催化作用所必需的元件,其表达受活性氧、一氧化氮、激素等调控。MAPK可磷酸化多种底物,包括转录因子、蛋白激酶和细胞骨架相关蛋白等,在调控植物响应逆境(盐分、干旱、极端温度、重金属等)胁迫中起重要作用。本研究对植物MAPK家族的发现、分类与结构、调控机制及其响应各种非生物胁迫等方面的研究成果加以综述,并对未来研究方向进行展望,以期为农作物抗逆性遗传改良提供理论依据和基因资源。
干旱是影响植物生长发育及产量的重要环境因素,PPR(pentatricopeptide repeats)家族蛋白在植物生长发育以及胁迫响应等生理过程中都具有重要作用。本研究在中苜1号紫花苜蓿中克隆到MsPPR1,利用病毒介导的基因沉默技术和烟草异源表达,在中苜1号紫花苜蓿和烟草中验证了MsPPR1在抗旱性中的功能。结果显示,MsPPR1开放阅读框包含3213 bp,编码1070个氨基酸,相对分子量为121.65 kDa,具有多个PPR重复结构域,定位于细胞质,是典型的PPR蛋白家族成员。MsPPR1主要表达在叶中,其次是茎和根,花中最少;其表达量受自然干旱、甘露醇和脱落酸处理的诱导。通过病毒诱导基因沉默技术在紫花苜蓿中降低了MsPPR1的表达,干旱胁迫下,沉默植株更加萎蔫,相对含水量显著降低,相对电解质渗透率显著升高,显著降低了紫花苜蓿的抗旱性。在烟草中异源超表达MsPPR1,显著增强了转基因烟草的抗旱性,干旱胁迫下,丙二醛含量显著降低,脯氨酸含量增加。以上结果均表明MsPPR1是紫花苜蓿抗旱性的正调控因子,本研究为紫花苜蓿抗旱分子育种提供了候选基因。
植物是入侵生物中种类和数量最多的类群,对入侵植物开展经济成本评估可为后续风险管理和相关政策的制定提供参考依据。本研究基于InvaCost数据库评估获得了1970-2017年全球入侵植物的经济成本,研究结果表明:1)入侵植物的保守经济成本为1943.65亿美元,年均40.49亿美元,其中,直接经济损失达1004.68亿美元,占比为51.69%;2)在64个国家和地区中,美国的经济成本最高,其次为澳大利亚,我国208.31亿美元(1407.07亿人民币)排名第三。凤眼莲是全球最昂贵的入侵植物种类,其危害所产生的成本高于排名5~10名的入侵植物成本之和;3)过去的近50年里,入侵植物的经济成本呈上升趋势,模型测算2017年入侵植物的可能成本为34.38亿~104.52亿美元,最高置信值为77.25亿美元。本研究有助于加深对入侵植物危害严重性的客观认识,可为我国开展更为积极的入侵植物治理提供科学依据。
一年生草本植物种群组成荒漠与绿洲生态系统的恒有性植物层片,在防风固沙和保护绿洲生态系统稳定方面具有重要的作用。本研究选取河西走廊荒漠绿洲过渡带人工林下典型5种一年生草本植物虎尾草、狗尾草、白茎盐生草、沙米和雾冰藜为研究对象,采用盆栽试验模拟干旱胁迫及复水,测定5种植物幼苗根系和叶片的生长(株高、根体积、根系平均直径、根系总表面积、根系总长和根系干重)与生理指标(根系活力、光合色素、丙二醛、渗透调节物质和抗氧化酶活性)的变化特征和规律,分析其对干旱环境的适应能力。研究结果表明,轻度干旱胁迫(土壤水分相对于CK减少2%)对5种一年生草本植物生长影响较小,甚至有一定的促进作用;中度(土壤水分相对于CK减少4%)和重度(土壤水分相对于CK减少6%)干旱胁迫下植物生长受到明显抑制。随着干旱胁迫程度的加剧,5种植物根系和叶片的丙二醛、过氧化物酶活性和渗透调节物质含量呈上升趋势;而根系活力呈下降趋势。禾本科一年生草本植物虎尾草和狗尾草根系酶活性(超氧化物歧化酶)随干旱胁迫程度的加剧呈持续增加的趋势;藜科一年生草本植物沙米和雾冰藜随干旱胁迫程度的加剧表现出先增加后下降的趋势。复水处理后,5种植物的生长和生理均得到不同程度的补偿,且根系的恢复能力高于叶片,浅根系植物的恢复能力优于深根系的。5种一年生草本植物的抗旱性具有显著差异,依次为狗尾草>白茎盐生草>雾冰藜>虎尾草>沙米。
植物遗传转化是转基因技术及以此为基础的基因组编辑、功能基因组学研究和分子育种的关键。其中,物种和基因型差异往往是限制遗传转化效率和基因编辑技术广泛应用的主要瓶颈。随着再生芽发生和体胚发生的分子机制被逐渐探明,在愈伤组织形成、增殖和再生过程中涉及生长素和细胞分裂素合成、响应和信号转导的生长及发育调节基因被用于提高遗传转化效率。本研究首先综述了植物遗传转化过程中体细胞再生的不同途径和方式,以及转化细胞以间接的器官发生方式和体胚发生方式再生的分子机制。然后重点讨论了与生长素和细胞分裂素有关的再生促进基因在提高再生效率,缩短转化时间,以及实现执拗型物种和基因型的遗传转化等方面的应用。最后总结了再生促进基因在转基因和基因编辑中的应用潜力和研究方向。
探索南京明城墙绿带草本层自生植物群落类型及其分布情况,确定影响其群落分布的主要环境因子,旨在为构建南京明城墙沿线绿色生态廊道及加强对于明城墙的保护提供理论依据。以南京明城墙绿带内30个样点为研究对象,基于南京明城墙绿带的野外调查数据,以物种重要值为指标,运用α多样性指数分析草本层自生植物的物种多样性特征,采用平均聚合聚类(UPGMA)和典范对应分析(CCA)进行数量分类与排序,研究南京明城墙绿带草本层自生植物群落组成、分布及其与环境因子的关系。结果表明:1)南京明城墙绿带草本层自生植物的物种多样性指数和均匀度指数均较高,且物种分布较为均匀;2)UPGMA聚类将明城墙绿带草本层自生植物分为棕榈-常春藤婆婆纳+中华薹草+黄鹌菜群落、繁缕+紫堇+诸葛菜+阿拉伯婆婆纳群落、常春藤婆婆纳+野芝麻+繁缕+紫堇群落、鹅观草+野芝麻+诸葛菜+紫堇群落、络石-鹅观草+常春藤婆婆纳+加拿大一枝黄花群落、天葵+繁缕+野芝麻+猪殃殃群落、络石-野芝麻+诸葛菜+南赤瓟群落、蓬蘽+络石-渐尖毛蕨+鹅观草群落、野芝麻+鹅观草+求米草+青绿薹草群落、络石-野芝麻+常春藤婆婆纳+诸葛菜群落、野蔷薇+络石+厚萼凌霄-茜草群落11组类型;3)CCA排序结果显示,影响南京明城墙绿带草本层自生植物群落分布的主要环境因子是郁闭度、枯落物厚度、墙体高度及墙面朝向。
草原是我国重要的生态安全屏障、畜牧业基地以及碳库载体,构建以草原保险为核心的风险保障体系对于保护草原生态环境、促进牧区乡村振兴以及实现“双碳”目标具有重要价值。通过文献梳理以及定性比较分析,发现:美国、加拿大、法国等均建立了不同形式的草原保险产品体系,以指数保险为核心转移牧草风险,然而我国草原保险目前正处于探索和试点阶段,尚未建立比较符合我国国情的产品体系,在试点过程中,仍面临着保费筹集困难、推广模式缺乏统一性、产品供给动力不足、费率厘定缺乏理论依据以及定损理赔成本过高等诸多制约因素。因此,我国需要尽快完善草原保险政策制度与产品体系,构建央地保费补贴联动机制;健全多层次灾害风险保障体系,创新“综合保险+指数保险”发展模式;开发多样化草原保险产品,满足投保主体多元风险管理需求;推进草原风险区划与费率厘定,建立差异化动态定价机制;制定统一的查勘定损技术标准,优化完善核保理赔机制;提高草原保险科技水平,提升保险产品创新与服务能力。
近年来全球气候变化异常,极端天气和农业气象灾害频发,突发性低温胁迫已经成为农业生产中最常见的非生物胁迫之一。低温胁迫影响植物生长发育,对植物的生理机能、细胞膜组分及结构可产生直接或间接影响,降低作物产量和品质,严重制约农业生产。合理施用外源脱落酸(ABA)能够缓解低温胁迫对植物理化进程的影响。本综述系统阐述了低温胁迫对植物理化过程的影响,分别从光合生理、逆境生理、细胞膜组分及细胞结构、激素水平及基因表达等方面阐明了植物对低温胁迫的应激反应,分析了外源ABA缓解低温胁迫的积极效应。本课题论述了外源ABA缓解低温胁迫的研究现状和发展趋势,对农业稳产保产具有重要意义,也为今后植物抗冷研究提供理论依据。
香豆素是来源于苯丙烷代谢途径中重要的次级代谢产物,具有多种生物活性,对植物的生长发育及应答逆境胁迫有重要作用。本研究对香豆素生物合成途径以及所涉及的关键酶基因研究进展进行综述,分析了葡萄糖基转移酶基因家族的系统进化,并对香豆素目前研究的问题进行总结以及今后的研究方向进行展望,以期为香豆素生物合成及其后续研究提供借鉴。
丛枝菌根真菌(AMF)和根瘤菌可以影响植物生产力、微生物群落结构和土壤质量,是生态系统可持续发展的重要驱动因子。在长期的进化过程中,AMF和根瘤菌逐步形成了互惠互利共生关系,充分发挥AMF-根瘤菌-植物共生体的生物固氮和养分吸收等作用,对于减少化学肥料的投入,保障农业可持续发展具有重要意义。但也有研究表明AMF和根瘤菌之间存在相互制约的作用,这可能与环境因素密切相关。因此,需要系统总结AMF-根瘤菌与植物共生相互作用的机理及其影响因素。本研究通过文献梳理以及定性比较分析,阐明了植物根系通过根系分泌物刺激根瘤菌和AMF形成结瘤因子和菌根因子,激活后续信号通路,从而使根瘤菌和AMF与植物建立共生关系的过程和机制;概述了AMF-根瘤菌与植物共生的协同增效和拮抗作用;总结了影响AMF和根瘤菌与植物共生及其相互作用的生物和非生物因素。最后,本研究提出AMF-根瘤菌与植物建立共生关系的作用机理目前还不完全明确,微生物菌肥研发缓慢等问题,并从理论、技术和应用等层面对未来研究的重点方向进行了展望,以期为利用AMF和根瘤菌促进农业可持续发展提供新思路和新方法。
基于1982-2015年间GIMMS NDVI3g数据、气象数据和植被类型数据,采用趋势分析、偏相关性分析和残差分析等方法,从不同时空尺度上分析蒙古国植被NDVI空间格局、变化趋势及其主要原因。结果表明,过去34年间蒙古国生长季平均NDVI在空间上由南向北逐渐增加,具有显著的纬度地带性分布特征,并随着海拔的升高而降低。生长季NDVI阶段性变化特征明显,1982-1994年和2007-2015年间呈显著增加趋势,而1994-2007年间呈显著下降。从34年的观测尺度看,NDVI以每年0.0005的速率呈显著增加趋势,其变化趋势与降水量的关系较密切,两者之间的偏相关系数为0.74。在空间分布上,植被显著增加的区域主要分布在西部大湖盆地、杭爱山脉、戈壁阿尔泰山脉和北部森林区,其对气候的响应因季节和地区而异。从季节上看,总体上3个季节NDVI均呈增加趋势,其中夏季NDVI波动与生长季的波动一致,主要受降水量的控制,其主要原因为夏季生产力占全年生产力的比重较高有关。春季和秋季NDVI对温度的响应明显。残差分析表明,人类活动是蒙古国植被NDVI变化的另一重要影响因素,特别是在人口密度较大的地区(蒙古国西部高山地区和中部草原地区),植被NDVI的变化受人类活动影响明显。
草种子是建植人工草地、改良退化草地生态环境、保障草地畜牧业生产潜力的最根本物质基础,种子活力高低将直接影响草业生产和发展。种子活力检测技术研究一直是国内外种子科技领域的重点,然而,其在草种子中的研究还不够深入。目前,草种子活力检测技术包括有损检测和无损检测两类。对草种子活力检测主要技术进行了综述,介绍了基于种子发芽行为、生理生化特性的有损检测技术以及基于光学特性、外观特征的无损检测技术,并对无损检测技术在草种子活力检测中的应用前景与发展趋势进行了展望,以期能够为准确测定草种子活力提供参考。
明晰退化草地土壤有机磷在不同温度下的矿化特征,可为退化草地生态恢复中的土壤磷养分科学调控提供基础数据与理论依据。采用恒温控湿好气培养法研究若尔盖高原未退化草甸(ND)、轻度退化(LD)、中度退化(MD)、重度退化(HD)草甸土壤有机磷矿化特征及温度效应。结果表明,4类草甸土壤5~15 ℃培养下,有机磷矿化速率在前期(0~30 d)无明显变化,中期(30~60 d)快速增加,后期(60~120 d)逐渐趋于稳定。低温(5~10 ℃)时,草甸退化对土壤有机磷矿化无显著影响,但在高温(≥15 ℃)时,草甸自中度退化开始显著降低了土壤有机磷矿化作用。与ND相比,15 ℃时MD和HD土壤有机磷净矿化速率分别显著降低52.8%、56.8%,表征土壤有机磷矿化快慢常数的B0 值分别显著降低29.5%、40.4%。土壤有机磷矿化的温度敏感性随草甸退化程度加剧而逐渐降低,ND土壤有机磷矿化的温度敏感系数y″值分别比MD、HD显著升高221.1%、306.7%。由此可见,高寒草甸退化减小了土壤有机磷的矿化作用和温度敏感性,进而降低了土壤磷素有效性,还可能因全球继续变暖而诱发退化草地生态系统的磷限制问题。
草原是我国最大的陆地生态系统、重要的自然资源、人-草-畜社会生态系统的载体,然而仍有大面积草原存在不同程度的退化,亟待保护修复以提升质量、功能和稳定性。本研究利用生态价值核算作为一种监测和评估草原多重生态功能变化的有效途径,更新并分析了2000-2020年中国草原生态系统功能及其价值的地域分异特征,评价了草原核心生态价值的时空演变态势,并基于核心生态功能及价值变化方向和程度提出了分区分类的草原保护修复优化提升策略。结果表明:1)2020年,中国草原潜在生态价值约24.7万亿元,每km2约760万元,以防风固沙(27.3%)和物种保育(25.8%)为主。2)近20年,超过90%草原的生态价值呈增长趋势,特别是青藏高原东部、黄土高原北部和内蒙古中部东部等。3)省域比较而言,蒙、藏、青、川、新的草原生态价值之和约占全国的67.4%,近20年增长较多的省域为陕西、北京、宁夏、天津与山西,增幅均超过65%。4)按照主导功能及价值动态趋势,可将中国草原区分为3种类别12种类型,应采取差异化的保护、修复或保护修复并重的措施,以实现草原可持续发展目标。
为探究萨福克与河谷型藏绵羊杂交F1代肌肉品质营养特性,测定了背最长肌、臂三头肌、股二头肌的肉色、熟肉率、pH、常规营养指标、矿物元素、胆固醇、维生素A、维生素E、维生素B1、维生素B2、氨基酸和脂肪酸含量。结果表明:杂交F1代3个不同部位肉品质有一定差异,主要表现在肉色、粗蛋白质、锌元素、氨基酸、脂肪酸含量方面。其中,背最长肌、臂三头肌的肉色L*值显著高于股二头肌(P<0.05),背最长肌、股二头肌的肉色a*值显著高于臂三头肌(P<0.05),背最长肌的肉色b*值显著高于臂三头肌、股二头肌(P<0.05);背最长肌的粗蛋白含量显著高于臂三头肌(P<0.05);臂三头肌的锌元素含量显著高于背最长肌、股二头肌(P<0.05);臂三头肌的谷氨酸含量显著高于背最长肌(P<0.05),背最长肌的组氨酸含量显著高于股二头肌、臂三头肌(P<0.05);背最长肌、股二头肌的棕榈酸含量显著高于臂三头肌(P<0.05),臂三头肌的花生四烯酸含量显著高于背最长肌(P<0.05)。综上所述,臂三头肌鲜味类氨基酸含量略高于背最长肌,背最长肌肉品质优于臂三头肌、股二头肌,且3个部分肌肉蛋白营养价值差异不大,均符合人类健康膳食标准。
草地是促进区域经济发展的重要资源载体,也是中国陆地生态环境安全的重要生态屏障。遥感技术快速、高效、成本较低,是大范围草原监测的主流技术手段。利用遥感技术对草地草种进行判别是监测草地种群动态和群落更替的重要途径,有利于及时准确地发现草地生态环境的变化,为草地生态系统科学管理和生态文明建设提供重要参考。本研究围绕草地草种遥感判别问题,厘清草种判别技术流程,从草种判别主要遥感数据源的特点及其获取技术、重要的草种判别特征及其挖掘技术,以及目前常用的草种判别方法与模型等3个方面介绍了最新研究进展及技术难点。本研究认为,高光谱、激光雷达遥感及其融合技术在草种遥感判别中具有一定的应用前景,多维特征深度挖掘及互补特征有效结合可提升草种判别准确率。本研究指出了当前草种遥感判别技术存在的主要问题,对未来通过遥感技术实现草地草种的精确判别提出了展望,为全面了解草地草种遥感识别领域和深入开展草种判别研究提供了理论借鉴。
依托布设在黄土高原雨养农业区的长期田间定位试验,以农田土壤为对照,不同种植年限紫花苜蓿地(L2003,L2005,L2012)土壤为研究对象,采用细菌16S rRNA高通量测序技术探究以上3种土壤细菌群落分布格局与演替特征,并借助冗余分析等方法探讨土壤理化性质与细菌群落结构和多样性的关系,最后利用PICRUSt方法预测了土壤细菌群落生态功能。结果表明,黄绵土区门水平优势菌群为放线菌门(20.34%~32.40%)、变形菌门(18.99%~23.14%)、酸杆菌门(12.50%~13.39%)和绿弯菌门(11.41%~12.55%)。放线菌门、变形菌门和绿弯菌门相对丰度表现为农田土壤高于苜蓿土壤,且放线菌门相对丰度随苜蓿种植时间延长呈降低趋势,变形菌门和绿弯菌门相对丰度随苜蓿种植时间的延长先增加后降低;酸杆菌门相对丰度在农田和苜蓿地无明显差异。黄绵土属水平优势类群包括Gaiella属(1.65%~3.33%)、硝化螺菌属(1.52%~2.34%)、假节杆菌属(1.36%~2.61%)和Solirubrobacter属(1.03%~2.24%)。与农田相比,苜蓿土壤Solirubrobacter属相对丰度显著增加(P<0.05)。冗余分析(RDA)表明,土壤全磷(P=0.002)是影响细菌群落结构变化的主要因子。PICRUSt功能预测表明,黄绵土细菌菌群共有46个子功能,其中代谢为最主要的功能,占比为69.20%~70.22%;苜蓿土壤代谢、生物体系统功能基因丰度均显著高于农田土壤,具体表现在碳水化合物代谢、外源物质降解及代谢、萜类和酮类化合物代谢、内分泌系统、神经系统和物质依赖功能基因中。苜蓿种植年限可影响黄绵土细菌群落结构和代谢功能,该结果可为西部黄土高原紫花苜蓿人工草地的可持续利用和黄绵土细菌代谢潜力及功能预测提供参考。
为探究青藏高原高寒草甸生态系统不同主要功能群适宜生境的空间分布格局、主控气候因子及在气候变化背景下的变化趋势,基于青藏高原第2次科考数据(2019-2021年),利用MaxEnt模型预测川滇高原高寒草甸生态系统主要功能群的4种典型物种(莎草科-矮嵩草;禾本科-垂穗披碱草;杂类草-鹅绒委陵菜;豆科-异叶米口袋)在未来气候变化条件下空间分布格局及影响其分布的主要气候因子。结果表明,矮嵩草、垂穗披碱草、鹅绒委陵菜和异叶米口袋在当前气候条件下的适宜生境面积分别为11.09万、9.23万、17.12万和16.53万km2,主要位于川滇高原中部和北部区域。环境因子贡献率和响应曲线显示,4个物种生境适宜性对生存环境具有相似的生态要求,且影响其分布的主要气候因子均为气温年较差、等温性和年均温等与温度有关的环境因子。在未来气候背景下,4个物种适宜生境面积均呈扩张趋势且平均海拔均升高了100~200 m,但变化速率趋于减缓,高寒草甸生态系统的物种多样性、生物量和稳定性可能随着气候变化而增强。
间作可通过根系互作改变土壤微生物群落结构,影响作物产量。本研究结合Eco-Biolog微平板法和液相色谱-串联质谱法(LC-MS),综合分析了玉米和高粱与大豆两种间作系统中不同年限作物产量、根际土壤理化性状、根际土壤微生物群落变化特征及根际土壤代谢物的差异,旨在探究不同种间互作影响复合作物群体产量的原因。结果表明:间作显著提高作物产量,且较第一年,产量上的间作优势在第二年中表现得更明显。与单作相比,间作能够增加速效养分的积累和吸收;间作玉米根际土壤中速效磷和速效钾、间作高粱根际土壤中碱解氮、速效磷和速效钾、玉米间作大豆中的大豆根际土壤中速效磷和速效钾以及高粱间作大豆中的大豆根际土壤中速效磷和速效钾含量均显著增加。与单作相比,间作条件下玉米、高粱和大豆的微生物量碳氮含量显著升高,根际土壤微生物的活性更强,微生物群落组成更加丰富。通过代谢组分析初步鉴定出不同作物根际土壤中可能影响土壤微生物富集的关键差异代谢组分,其中具有促进作用的差异代谢物在玉米、高粱和大豆中分别鉴定出4、2和1种,具有抑制作用的差异代谢物在玉米、高粱和大豆中各鉴定出1种。综合分析认为,玉米间作大豆和高粱间作大豆可通过种间根系互作改变根际土壤微环境,并重塑其中的微生物群落结构,进而加速根际土壤中速效养分的沉积,促进作物养分的吸收,提高作物产量。
为探讨在低氮胁迫下皮燕麦早期的形态、生理响应以及筛选出耐低氮皮燕麦品种,本研究以18种不同皮燕麦品种为材料,采用水培法,设置全氮(4 mmol·L-1,CK)和1/10 N(0.4 mmol·L-1,LN)两个氮浓度水平,在处理21 d后,对低氮胁迫下皮燕麦的7项形态指标和14项生理指标进行测定和分析;通过相关性分析、主成分降维分析提取影响因子,结合隶属函数分析和聚类分析进行综合评价。结果表明:1)低氮胁迫下不同皮燕麦品种早期的株高、地上部生物量、硝态氮含量、硝酸还原酶活性、谷氨酰胺合成酶活性、谷氨酸脱氢酶活性、可溶性糖含量与可溶性蛋白含量均呈下降趋势;谷氨酸合成酶活性、丙二醛含量、活性氧含量均呈上升趋势;根长、地下部生物量、根冠比变化趋势不尽相同;2)21项生理指标中有12对指标呈极显著相关性,根冠比(RSR)与地下部干重(RDW)呈极显著正相关关系,谷氨酰胺合成酶(GS)与可溶性蛋白(SP)呈极显著负相关;3)低氮胁迫下皮燕麦的生物量、氮代谢因子、光合因子、抗氧化因子、渗透调节因子可作为评价耐低氮性的重要指标;4)18份皮燕麦可划分为3大类,青海甜燕麦和青海444这两份品种耐低氮能力较强,为耐低氮型品种,甜燕2号和青燕2号这两份皮燕麦品种的耐低氮能力较弱,为氮敏感型品种,其余材料耐低氮性居中。
引进国外优质、高产的饲用燕麦品种是促进我国草牧业发展的重要措施,但在使用进口饲用燕麦品种进行大规模商业化连作种植的地区,由禾谷炭疽菌引致的炭疽病呈爆发流行特点。为筛选抗病能力较强的饲用燕麦品种,明确炭疽病造成的危害,本研究选择我国广泛推广种植的15个进口饲用燕麦品种,采用反应型法、病情指数法和聚类分析法评价了其田间抗性,测定了不同发病程度下科纳品种的产量和营养成分含量,分析了对草产量和饲用价值造成的损失。结果表明:3种方法均鉴定出相同的4个抗病品种,分别为太阳神、爱沃、领袖和蒙特;其余品种黑玫克、大富翁、莫妮卡、摄政王、海威、三星、牧乐思和魅力为低感材料,燕王和梦龙为感病材料,科纳为高感材料;科纳品种饲用燕麦病株的叶片干重、茎秆干重、穗干重和株高均随发病程度的增加呈线性下降趋势,草产量损失率(y)为7.5%~28.1%,与病情指数中值(x)的回归方程为y=0.3023x+1.6822(R2=0.9837, P<0.05);与健康植株相比,中度发病植株的粗蛋白、总氨基酸、粗灰分和磷含量分别降低了7.2%、26.5%、9.0%和12.8%(P<0.05),重度发病植株降低了11.1%、44.5%、16.0%、20.8%;与健康植株相比,中度发病植株的酸性洗涤纤维含量显著增加了6.4%(P<0.05),重度发病植株的中性和酸性洗涤纤维含量分别显著增加了11.9%和10.0%(P<0.05);发病植株的饲用价值损失率(y)为3.2%~15.9%,与病情指数中值(x)的回归方程为y=0.1812x+0.5032(R2=0.9963, P<0.05)。建议在使用进口饲用燕麦品种进行大规模商业化种植的地区要高度重视炭疽病的问题,在发病严重的地区优先选择太阳神、爱沃、领袖和蒙特品种种植,及时采取科学有效的防治措施,下一步亟需从我国地方品种中挖掘抗病能力强的优异种质。
狼毒的入侵扩散对青藏高原高寒草甸生态系统的影响和当地畜牧业健康发展的制约日益严重。基于祁连山中段典型样地的群落调查、土壤采样和高精度地形测量数据,采用双向指示种分析(TWINSPAN)、除趋势对应分析(DCA)和冗余分析(RDA)在微观尺度上探讨了退化高寒草甸狼毒群落的分类特征及其对环境因子的响应关系。结果表明:1)TWINSPAN分类将退化草甸狼毒群落划分为3种群丛类型,即Ⅰ)狼毒+紫花针茅+线叶嵩草+披针叶黄华群丛;Ⅱ)狼毒+紫花针茅+委陵菜+美丽风毛菊群丛;Ⅲ)紫花针茅+草玉梅+狼毒+早熟禾群丛。2)RDA分析显示土壤全磷、全钾含量是影响退化草甸狼毒群落分布的主要环境因子,其次是坡向。土壤养分对于狼毒群落空间格局的形成发挥着重要作用,覆盖度高的狼毒群丛对低磷、低钾的土壤环境更敏感。3)随着入侵程度加重,狼毒群丛Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ的物种优势度发生明显更替,禾本科植物(早熟禾、紫花针茅)重要值减小(4.10、3.12、2.10),豆科植物(异叶米口袋、花苜蓿)重要值先增后减(0.28、0.57、0.25),莎草科植物(线叶嵩草、矮生嵩草)重要值增加(0.23、1.18、2.19)、毒杂草(狼毒、草玉梅、披针叶黄华、乳白香青、青海刺参等)重要值明显上升(6.10、5.14、10.08),群落Ⅰ和Ⅱ中狼毒替代紫花针茅成为最重要的建群种,狼毒覆盖度呈规律地梯度增加(5.5%、11.0%、29.7%)。本研究反映了狼毒型退化草甸逆向演替过程中的群落构成和环境因子变化特征,可为草地资源管理、退化草甸修复及狼毒综合治理提供参考和依据。
为了获得优良的固氮菌,并评价其对青贮玉米的促生效果,本研究采用稀释涂布平板法,利用阿须贝氏固体培养基从青贮玉米根际土壤中分离筛选到10株固氮菌,对其固氮能力进行分析,结果表明,菌株ZL-2和ZL-13的固氮能力较强,菌株ZL-2的固氮量为1.07 μg·mL-1,ZL-13的固氮量为0.95 μg·mL-1。通过细菌形态学、16S rDNA序列分析和生理生化特征,确定菌株ZL-2为生癌肠杆菌和ZL-13为成团泛菌。对2株固氮菌的促生特性进行分析,结果表明,2个菌株具有泌铵能力、溶磷能力、产嗜铁素能力和合成吲哚-3-乙酸(IAA)的能力。盆栽试验结果表明,接种固氮菌ZL-2和ZL-13能够显著提高青贮玉米的株高、根长、地上和地下干、鲜重(P<0.05)。田间试验结果表明,2株固氮菌单接种和双接种均能提高青贮玉米的株高、茎粗、产量、粗蛋白含量和全磷含量(P<0.05)。接种2株固氮菌的青贮玉米,其氮代谢和氨同化相关基因(ZmAMT-4、ZmAMTB、ZmGOGAT2和ZmGS1-3)的表达量显著提高(P<0.05)。因此,2株固氮菌具有较好的促生特性,在提高青贮玉米的产量和品质方面发挥了重要作用,是开发微生物菌剂的优质菌种资源。
蒙古国作为我国北部邻国,拥有丰富的草地资源,是世界上将草地畜牧业作为支柱产业的少数几个国家之一。本研究基于文献资料和统计数据,从制度变革、草地资源、畜牧产业发展等多个角度全面分析蒙古国草地农业发展现状,并对比分析了与中国内蒙古自治区的差异。蒙古国草地农业经历了3次制度改革,自1990年进入了转型后的草地畜牧业时期,至今仍保留草地公有、家畜私有的产权制度。在气候变化、不合理利用、农田和城市扩张以及采矿污染等影响下,草地面积不断减少,草地生态退化日趋严重。蒙古国五畜结构维持着相对稳定的状态,但区域差异较大,且家畜总量的增长率远高于内蒙古。近年来,蒙古国畜牧业从业人口老龄化问题尤为显著,畜牧业在产业结构中的地位逐步下降,产业发展体系也亟待完善。最后本研究提出蒙古国草地农业发展的相关对策,并总结了对我国草地农业发展的启示。
灌丛化已经成为草原生态系统中重要的生态问题,而灌丛化草原植被地上生物量(AGB)的精细化估测对于开展区域生态系统碳循环研究有着重要的科学意义。受土壤背景噪声和植被生长结构特征差异的双重影响,现有常见植被指数在灌丛化草原区域构建AGB估算模型时表现极不稳定。针对这一问题,基于Sentinel-2遥感数据,通过优化三角形植被指数(TVI)开展灌丛化草原植被AGB遥感估测方法研究。研究结果表明:1)在以草本植被为主的区域中,基于绿 R 560 、红边 R 705 和近红 R 865 组合形成的TVI与AGB拟合效果最好,R2达到了0.684;而在以灌丛植被为主的区域中,以基于绿 R 560 、红边 R 783 和近红 R 842 组合形成的TVI与AGB拟合效果最好,R2达到了0.368。2)分析现有常用的12种植被指数对土壤的噪声敏感性时,在以草本植被为主的区域中,增强型植被指数(EVI)对土壤噪声表现最为敏感;在以灌丛植被为主的区域中,修正土壤调节植被指数(MSAVI)表现最为敏感。3)在草本植被为主的区域中,相对于TVI,优化后植被指数草地三角形植被指数(GTVI)构建线性估算模型的交叉验证决定系数( R C V 2 )提高了0.153、交叉验证均方根误差( R M S E C V )减小了12.222 g·m-2;在灌丛植被为主的区域中,相对于TVI,优化后植被指数GTVI 构建线性估算模型的 R C V 2 提高了0.029、 R M S E C V 减小了1.684 g·m-2。4)与常用的12种植被指数构建的估测模型相比,无论在草本植被区域还是灌丛植被区域,GTVI构建的估测模型都具有最高的精度。该研究结果以期为采用植被指数法开展灌丛化草原植被地上生物量遥感估算提供科学依据和参考。
为明确高寒草甸退化过程中优势物种改变对根际土壤真菌群落多样性及其稳定性的影响,以青藏高原东缘4个不同退化程度(未退化、轻度退化、中度退化和重度退化)高寒草甸为研究对象,采用ITS rRNA基因测序技术,结合FUNGuild预测和分子生态网络模型方法,分析了高寒草甸退化程度对根际真菌群落结构、功能群和分子生态网络的影响。结果表明:草地退化程度对根际土壤真菌Alpha多样性无显著影响,但显著改变根际土壤真菌的Beta多样性;退化程度仅对根际真菌优势种群的相对丰度产生影响,对真菌优势种群没有影响,4个不同退化程度高寒草甸根际土壤中真菌优势种群均为担子菌门、被孢霉门和子囊菌门;通过线性判别分析发现了29个生物标志物,其中大部分属于担子菌门和子囊菌门;草地退化过程中根际真菌群落主要由共生营养型向腐生营养型转变;网络分析发现,退化高寒草甸根际真菌群落各可操作分类单元(OTU)主要以负相关关系为主,并且退化程度越高负相关程度越强烈。同时结合网络拓扑参数,草地退化程度的加剧将会导致根际真菌结构呈更为松散和不稳定的态势。综上所述,高寒草甸退化程度对优势物种根际真菌群落组成、结构和功能类型产生了显著影响,并降低了真菌群落的稳定性和复杂性。研究结果为深入理解高寒草甸根际微生态的适应性机制提供了科学理论依据。
针对目前匍匐翦股颖草坪病害防治的弊端,引入诱导植物抗病性的概念,从信号传导、基因表达水平、细胞防御结构和生理响应等层面阐述了诱导抗病性后植株体所发生的变化规律;系统揭示了基于SAR和ISR方式的植物抗病性诱导机理。着意综述了诱导植物抗病性理论和研究成果在匍匐翦股颖病害控制中的应用状况,旨在为匍匐翦股颖新型、环保的草坪病害管理实践提供理论指导。
土壤微生物群落特征指示着草地的质量和健康状况。本研究以青海省贵南县的天然草地(NG)、沙化草地(DG)、草本人工恢复草地(AG)和灌木人工恢复草地(AS)4种草地类型为研究对象,采用qPCR和Illumina MiSeq高通量扩增子测序技术研究了土壤细菌群落生物量、多样性及其结构的变化,结合植被和土壤属性剖析了高寒草地土壤细菌群落演变的关键影响因子及其贡献。结果表明:草地沙化显著(P<0.05)降低了土壤细菌群落的生物量和α多样性,人工植被重建则促进了土壤细菌群落生物量和α多样性的恢复,22年后基本达到未退化前的水平。草地沙化显著(P<0.05)增加了芽单胞菌门(Gemmatimonadota)的相对丰度,而变形菌门(Proteobacteria)和浮霉菌门(Planctomycetota)的相对丰度则显著降低(P<0.05);人工植被重建促进了优势细菌门逐渐向NG方向演变,22年后绝大部分优势细菌的相对丰度基本恢复到未退化之前的状态。然而,DG、AG和AS与NG的土壤细菌群落结构相似性不高,而AG和AS的群落结构则高度相似。土壤细菌群落结构与绝大多数植被和土壤理化指标显著 (P<0.05)正相关,植被属性对其群落结构变化的解释度(10.0%)比土壤物理属性(6.3%)和化学属性(1.9%)更高,植被与土壤所有指标共解释了72.0%的土壤细菌群落结构的变化,表明植被和土壤通过相互作用共同决定了高寒草地土壤细菌群落结构的演变。因此,加强对植被和土壤的保护,防止草地退化,并对沙化草地进行人工植被重建,对于保护和恢复青藏高原高寒草地土壤细菌群落具有重要的生态意义,而选择利用灌木或草本进行人工植被重建对表层土壤细菌群落的影响区别不大。
赤红壤是广东省地带性土壤,研究位于该地带性土壤的菜地肥力变化特征,以客观评价耕作施肥管理的科学性,助力耕地质量保护与提升。在广东省珠三角地区广州市、江门市、肇庆市、惠州市惠阳区选取了89个蔬菜常年种植菜地,测定了耕层(0~20 cm)土壤理化指标,利用第二次全国土壤普查养分分级标准和内梅罗综合指数法分析评价土壤肥力状况。珠三角赤红壤常年菜地土壤质地以壤土、砂质壤土、粉壤土为主,分别占比46.1%、23.6%和19.1%;pH 5.83,呈微酸性;有机质含量23.83 g·kg-1,为中等水平;阳离子交换量8.67 cmol(+)·kg-1,为中等偏下水平;全氮(N)、全磷(P)、全钾(K)含量分别为1.19、1.47、12.53 g·kg-1,其中全氮和全磷含量均属中等水平,全钾含量为中等偏下水平;有效态养分中碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为135.24、120.24、222.48 mg·kg-1,属于丰富(碱解氮和速效钾)和极丰富水平(有效磷)。内梅罗综合指数法评价结果显示,珠三角赤红壤常年菜地土壤综合肥力指数为1.69,属良好等级。相比第二次全国土壤普查广东省赤红壤普查结果,土壤全钾含量不同程度降低,pH值、有机质、全氮、碱解氮含量均不同程度提高,增幅分别为16.6%、23.5%、38.4%和62.5%;阳离子交换量、全磷、有效磷和速效钾含量大幅增加,增幅分别达1.29、6.00、65.80和3.07倍,其中土壤有效磷累积较为普遍。全氮和全磷的年均累积量分别为8.46、32.31 mg·kg-1,碱解氮、有效磷和速效钾年均累积量分别为1.20、3.04、4.30 mg·kg-1。总体上,经过近40年耕种,珠三角赤红壤常年菜地肥力水平不同程度改善,土壤pH由酸性改善为微酸性,阳离子交换性能、有机质、全氮含量提升1个等级,碱解氮和有效钾含量提升2个等级,全磷和有效磷含量分别提升3和5个等级。各肥力指标总体上由原来的极度缺乏至中等偏下状态改善为目前的中等偏下至极丰富水平,总体肥力状况良好。在实施蔬菜有机无机肥配施技术基础上,合理施用氮、钾肥,降低磷肥投入量,可以进一步提升珠三角赤红壤区菜地地力水平,维持土壤资源的可持续利用。
灌丛化是影响草地土壤物质循环的重要生态过程。为探究草地灌丛化梯度变化对土壤酶活性的影响,本研究以青藏高原东缘3种典型灌丛高山绣线菊、小叶锦鸡儿、金露梅和未灌丛化草地为研究对象,分析不同灌丛化梯度下(未灌丛化、轻度灌丛化和重度灌丛化),0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm和60~80 cm土壤理化性质及蔗糖酶(sucrase)、脲酶(urease)、多酚氧化酶(polyphenol oxidase)、葡萄糖苷酶(glucosidase)、蛋白酶(protease)和纤维素酶(cellulase)活性。结果表明:灌丛化草地土壤0~20 cm土层中,pH和土壤有机碳(SOC)含量显著高于未灌丛化草地,土壤含水率(SWC)和全氮(TN)显著低于未灌丛化草地(P<0.05);蛋白酶、葡萄糖苷酶、纤维素酶、脲酶和蔗糖酶活性显著低于未灌丛化草地(P<0.05),多酚氧化酶活性在灌丛化与未灌丛化草地间无显著性差异,且不同灌丛化梯度下土壤酶活性随土层加深而降低;土壤酶活性在不同灌丛化梯度下和不同土壤深度发生变异的主要解释因子为SWC,分别可解释各土层土壤酶活性变异的41.2%、50.5%、37.1%、41.5%和26.0%;结构方程模型(SEM)表明,不同灌丛化梯度主要影响SOC、pH和SOC∶TN,对SWC和TN无显著影响,且不同灌丛化梯度可通过影响pH和SOC含量间接影响蔗糖酶、脲酶、葡萄糖苷酶、蛋白酶、多酚氧化酶和纤维素酶活性,灌丛化梯度不直接显著影响SWC(P>0.05),但SWC仍是影响6种酶活性的主要因子,其可直接正向影响该6种酶活性,也可通过负向影响土壤pH或正向影响SOC进一步影响TN,从而影响酶活性。因此,研究区草地灌木侵入导致土壤酶活性降低利于土壤有机碳固存。