黄土高原现代植物-土壤氮同位素组成及对环境变化的响应

由于土壤氮同位素组成被认为是气候环境变化和自然生态系统氮循环过程的可能指示, 开展全球不同区域、不同生态系统氮同位素组成的研究将有助于对这个可能性的认识. 对中国黄土高原中西部不同环境条件下的现代植物和相应的土壤氮同位素进行了调查, 氮同位素组成变化范围分别为: 植物根: -5.1‰ ~ 1.9‰; 植物残体: -6.6‰ ~ 2.9‰; 土壤: -1.2‰ ~ 5.8‰. 结果表明: (1) 土壤与植物有相近的变化趋势, 但土壤的氮同位素组成较植物根的氮同位素要偏正, 其Δδ¹⁵N值变化范围为: 0.3‰ ~ 7.2‰, 平均值为: 4.1‰, 表明植物分解过程氮同位素存在分馏; (2) 该地区现代生态系统的氮同位素对降水和温度变化有明显的响应, 沿西北到东南方向, 年平均降水每增加100 mm可能导致土壤氮同位素组成偏负约1.31‰, 随温度的增加, 土壤氮同位素也趋向偏负; (3) 在降水和温度共同增加的影响下, 植物根系、植物残体和土壤的氮同位素偏负, 这个现象可能归因于降水是该地区植物-土壤氮同位素变化的主要控制因素. 尽管目前对植物-土壤氮同位素组成变化与降水和温度关系的机制尚不清楚, 但初步的研究结果表明土壤的氮同位素组成可能为黄土高原环境变化示踪提供指示.     

水稻低磷胁迫基因表达谱分析

磷是植物生长发育所需的大量营养元素之一, 当周围环境中磷缺乏时, 植物往往通过扩大根系范围来增加对土壤中磷的吸收, 同时调节一些生化代谢途径, 增加磷酸酶、有机酸等物质的分泌从而活化土壤中固定的难溶性磷. 本研究利用水稻全基因组寡核苷酸芯片对水稻中早18分别在正常营养条件和低磷胁迫处理条件下6, 24, 72 h 3个时间点的根部和地上部材料进行基因表达谱分析. 研究结果共鉴定出低磷胁迫差异表达基因1207个, 其中根部差异表达基因795个, 地上部差异表达基因450个, 根部和地上部共同出现的差异表达基因38个. 功能分析表明, 这些差异表达基因包括了代谢调节离子转运、信号传导、转录调节、和逆境应答等方面的基因. 同时发现水稻在低磷胁迫后大量转座子基因在转录水平上发生了变化. 这些研究结果为进一步揭示植物磷代谢调控机理的研究提供了有用的信息.     

玉米/花生间作改善花生铁营养的生理及分子机制

间作是农田生态系统资源高效利用和生产可持续发展的重要种植模式之一.华北平原广泛实行的玉米/花生间作明显减轻花生的缺铁黄化症状并能提高植株铁含量和籽粒产量,近十多年系统和深入的研究揭示了这一具有传统特色的中国农业生产体系背后蕴含的科学规律.从生理生化水平而言,根际互作的生态优势能够明显地影响间作花生根系对铁的吸收和体内运输,并在分子水平调节各过程中所对应的基因表达及其功能.位于花生根表皮细胞调控吸收麦根酸铁复合物的AhYSL1基因,能够专一性地吸收转运麦根酸铁,表明机理Ⅰ植物花生可能直接吸收利用间作机理Ⅱ植物玉米所产生的麦根酸铁.在石灰性土壤,将两种不同铁吸收机理的作物间作既能提高两种作物对环境胁迫的抗逆性,又能改善机理Ⅰ植物的铁营养,利用间作根际效应提高作物矿质元素富集也是一种潜在的"生物强化"途径,对改善人体微量营养元素具有重要意义.玉米/花生根际互作的机理研究与生产实践紧密结合,从分子、生理和生态层面理解利用不同植物生物学特性的互惠作用为改善根际生态环境、活化和提高作物铁营养和资源高效利用的效应与机制提供重要的理论和技术依据.     

植物-微生物共生系统功能强化及其在降污固碳中的作用

植物不仅为细菌等土壤微生物提供了丰富的生态位,还通过光合作用等固碳途径和合成代谢过程最终转化为土壤有机质,成为微生物可利用的碳源.相反,土壤微生物可以作为去除污染物的生物催化剂,也能帮助植物吸收氮、磷等营养物质.因此,植物-微生物共生系统具有降污固碳双重作用.本文围绕植物-微生物共生系统降解污染物和固定二氧化碳的两大生态功能,系统梳理了共生系统三个要素之间的相互作用关系.从植物、微生物和二者共生关系三个角度归纳了共生系统的污染修复途径,总结了植物和微生物的固碳机制.同时也分析了土壤中重金属和有机污染物对植物固碳过程造成的不利影响.本文最后对未来植物和土壤微生物在降污和固碳方面的研究进行了展望,旨在促进土壤污染的研究与治理,改善土壤生态系统的固碳功能.     

食用蔬菜能吸收和积累微塑料

微塑料(100 nm～5 mm)作为一种新型环境污染物,具有潜在的动植物和人体健康风险,其污染已成为高度关注的全球环境问题.当前已有不少关于微塑料在水生生物体内积累的报道,但对于陆地生态系统的研究则相对匮乏,高等植物对微塑料的吸收和积累更未见报道.本文基于室内培养实验报道了微塑料在生菜(Lactuca sativa)体内的吸收、传输及分布.通过激光扫描共聚焦荧光显微镜和扫描电子显微镜观察发现,聚苯乙烯微球(0.2μm)可被生菜根部大量吸收和富集,并从根部迁移到地上部,积累和分布在可被直接食用的茎叶之中.研究结果为开展土壤-植物系统中微塑料积累机制及食物链传递与健康风险研究提供了新依据.     

稳定同位素在陆地生态系统动－植物相互关系研究中的应用

稳定同位素(stable isotope)作为一种天然的示踪物,已广泛应用于植物生理学、生态学和环境科学研究中。近年来,动物生态学家也开始将稳定同位素技术应用于动-植物相互关系研究中。动物同位素组成总是与其生活环境中植物同位素组成相一致,而且还反映了一段时间内(几小时到几年甚至更长时间)动物所采食的所有食物同位素组成的综合特征;当动物栖息环境发生变化或动物迁移到一个新的生境中,动物组织同位素组成又会向新环境的同位素特征转变。这样,动物组织同位素组成能真实地反映一段时期内动物的食物来源、栖息环境、分布格局及其迁移活动等信息,是动物生存状况理想的指示者。而且,分析不同时间尺度上动物组织同位素组成还可以深入了解动物对环境变化的适应等过程。此外,动物吸收利用营养过程中存在的同位素分馏效应,为研究动物食物网和群落结构提供了理想工具。稳定同位素技术可以连续地测出食物网和群落中动物所处的营养级位置,从本质上揭示动物间捕食与被捕食关系及其在整个生态系统物质平衡和能量流动中的作用,从而使其成为动-植物相互关系研究中十分重要的、有效的研究工具。本文主要综述稳定同位素在动-植物相互关系研究方面的最新进展,评价其应用上的优缺点,并进一步提出未来研究方     

大陆俯冲带流体活动和元素迁移:大别-苏鲁超高压变质岩和变质脉的研究

大别-苏鲁超高压变质岩和变质脉的岩石学及地球化学研究表明,在大陆俯冲带流体-岩石反应过程中,伴随着显著的元素迁移和同位素分馏.大别-苏鲁造山带高压脉中单矿物(如金红石和多硅白云母)具有明显的生长环带,指示变质脉是流体-岩石相互作用的结果.较高的流体/岩石比和强烈的二者相互作用是导致Nb-Ta迁移和分异的主导因素.对中国大陆科学钻探主孔石榴橄榄岩、榴辉岩和变质脉的Li和B同位素地球化学研究,表明在陆壳深俯冲和折返过程中Li和B发生了明显的分馏且表现出不同的地球化学行为.富集Si,Al,Na,LILE(如Rb,Ba和Sr)和HFSE(如Nb,Ta和Ti)的高压变质脉的存在以及不同岩性接触带高度变化的地球化学特征指示,在峰期超高压变质条件下可能形成了超临界流体,它对微量元素的迁移起到了非常重要的作用.     

胞质磷酸盐浓度调控水稻液泡磷转运蛋白OsSPX-MFS的分选与转运的分子机制

<正>磷是植物生长发育所必需的大量元素,参与光合、呼吸、氧化还原平衡维持和能量代谢等诸多生理过程,同时也是核酸、磷脂及多种辅酶等重要分子的组分^[1].植物主要通过根部吸收土壤中的游离磷酸盐,即H₂PO₄^–和HPO₄^2–,其主要转运方式为H⁺/H₂PO₄^–协同转运,再通过共质体途径转运至木质部,     

砷超富集植物蜈蚣草及其对砷的富集特征

通过野外调查和栽培实验,在中国境内发现砷超富集植物--蜈蚣草(Pterts vittata L).野外调查表明,蜈蚣草对砷具有很强的富集作用,其砷的分布规律与普通植物也明显不同.蜈蚣草不同部位的含砷量为:羽片＞叶柄＞根系;蜈蚣草地上部的生物富集系数随着土壤含砷量的增加而呈幂函数下降.在含砷9 mg/kg的正常土壤中,蜈蚣草地下部和地上部对砷的生物富集系数分别高达71和80.从矿区采集砷污染土壤进行室内栽培实验发现,室内栽培时蜈蚣草羽片的含砷量比野外生长条件下(同一种土壤)增加1倍多,其羽片含砷量可高达5070 mg/kg;随着种植时间的延长,蜈蚣草羽片含砷量不断增加.蜈蚣草不仅对砷有很强的忍耐能力和富集能力,而且生长快、生物量大、地理分布广、适应性强.因此在砷污染环境的修复方面具有良好的应用前景,对于研究植物中砷的吸收、运转和解毒机理等生理生化特性也具有重要学术价值.     

砷超富集植物中元素的微区分布及其与砷富集的关系

通过同步辐射X射线荧光方法(SRXRF)研究As超富集植物大叶井口边草(Pteris Cretica L var nervosa Thu)根、叶柄和叶片(羽片)中As及其他10种元素的微区分布和As的吸收及转运特点. 结果表明, As在根部具有向维管柱转运的趋势, 在叶脉中具有向近轴皮层转运的趋势, 但是在叶柄中却被限制在维管柱中. 在羽叶中As主要富集在叶肉组织中, 叶表皮细胞的As含量相对较低. 在羽叶、叶脉和叶柄中, As的微区分布与K, Ca, Mn, Fe, Cu和Zn等阳离子元素分布规律非常相似, 它们在转运过程中很可能存在协同作用, 但是在羽叶中As与Cl和Br存在显著的竞争关系或拮抗作用.     

早期维管植物辐射演化与长时间尺度水循环的耦合关系

志留纪-泥盆纪陆地革命以早期维管植物的起源和辐射演化为标志.早期维管植物的繁盛导致形成全新的土壤-植物-大气连续体(soil-plant-atmosphere continuum, SPAC).早期植物在根系、输导组织、气孔、叶片、个体大小和构型等方面的一系列演化革新,深刻改变了SPAC中的水分传输过程与机制.由于根系的进化及其诱导的化学风化作用增强,泥盆纪以来的古土壤厚度逐渐增大、分层结构复杂化、组成成熟度增加、类型多样化.伴随着早期维管植物的演化, SPAC的空间范围极大扩展,生物可利用水资源增多,水分在SPAC中的循环过程更为复杂、高效.早期维管植物的辐射增强了植被-地貌-水循环之间的反馈机制.志留纪晚期以来,植被与水文、地貌、生物地球化学等物理和化学要素相互作用,维管植物型陆-海水文连续体(land-ocean hydrologic continuum, LOHC)形成并逐步发展,内陆水体流域至滨岸体系的地貌稳定性增强,由陆到海的生物地球化学循环、物质供给和迁移体系产生变革.早期维管植物通过SPAC、LOHC系统及其内部过程与全球水、碳循环耦合,表现为稳定的低地生境增多,植物残...     

干旱区荒漠无机固碳能力及土壤碳同化途径

干旱区荒漠的非生物固碳能力一些学者至今怀疑,关键在于地上通量观测到的CO_2吸收结果是否在土壤碳库得到体现.本研究在我国西北干旱区,将荒漠划分为砾质荒漠(戈壁)、沙质荒漠(沙漠)和壤质荒漠三大类,从颗粒组成、总含盐量、有机碳和无机碳含量等方面测定分析,研究不同类型荒漠土壤有机碳和无机碳(soil inorganic carbon,SIC)密度和储量变化,并与高寒生态系统进行比较.结果表明,不同类型荒漠平均0~30 cm表土层和1 m深土壤SIC密度分别为2.8和10.1 kg C m~(-2).相比较,壤质荒漠的SIC密度最高,1 m深土壤达到12.1 kg C m~(-2).针对土壤对CO_2的吸收和无机固定,提出土壤碳同化(soil carbon assimilation)概念.荒漠生态系统固碳是植物碳同化与土壤碳同化,即有机和无机过程的结合,荒漠土壤无机碳密度和储量是有机碳的5倍.土壤碳同化途径分为3个阶段:CO_2与H_2O反应阶段、CO_2或弱碳酸与土壤溶液阳离子反应阶段、生成溶解碳酸盐与沉淀碳酸盐附着于土壤颗粒和向下沉积阶段.土壤碳同化能力随着土壤有机碳含量、含盐量、水分、粉粒和黏粒含量的增加而提高.     

褐帘石稀土活化对离子吸附型稀土矿床成矿的指示

古城矿床为华南地区新发现的一个同时富含轻重稀土的离子吸附型稀土矿床,矿体位于粗粒黑云母花岗岩风化壳中.褐帘石是粗粒黑云母花岗岩中一种重要的副矿物(占比约为0.09%(vol)), U-Pb年龄分析结果显示其结晶年龄为102.8±4.3 Ma.化学成分分析结果显示原生褐帘石具有富轻稀土的特征,其轻稀土、重稀土和轻稀土/重稀土比值分别为179778～189429、2165～4595 ppm(1 ppm=10–6m3/m3)和41～84.这些原生褐帘石轻稀土含量约占全岩轻稀土总量的97%,为古城矿区轻稀土元素的主要来源.褐帘石结构与成分分析指示,稀土元素的存在会导致其晶体结构中稀土元素与氧原子构成的化学键键长增加而键强减弱.在被岩浆-热液流体交代时,这些化学键发生破裂,进而导致轻稀土元素会被淋滤出来并进入到热液流体中,并在随后主要进入了氟碳钙铈矿中.综上,褐帘石被交代后形成氟碳钙铈矿的过程中轻稀土元素发生了活化、迁移和富集,且在该过程中轻稀土元素之间发生了分馏.本研究表明,原生褐帘石被热液流体交代有利于轻稀土元素的富集成矿,但对重稀土矿化的贡献较小.     

土壤碳酸盐是一个重要的大气CO2 汇吗?

风化碳汇概念被提出至今已有18 年(Berner, 1992). 而今, 我们可以用最新的数据对其地质含义进行重新评估. 近来, Ryskov 等人以碳同位素的分析数据为基础认为: 在过去5000 年干旱时期的成土过程中, 俄罗斯的土壤以土壤碳酸盐的形式将大气中的CO₂ 固定下来, 其中黑钙土的固碳速率为2.2 kg C m^-2 a^-1、深栗钙土为1.13 kg C m^-2 a^-1、浅栗钙土为0.86 kg C m^-2 a^-1. 然而, 他们对数据的解释却是间接而缺乏说服力的, 因此, 其观点很可能误导读者. Dart 等人则持有相反的观点, 他们的研究表明, 澳大利亚风化层碳酸盐形成并没有吸收任何额外的CO₂, 而仅是在库与库之间进行简单迁移的结果. 本文从以下两个问题对上述观点及其解释进行评述: (1) 土壤碳酸盐的成因: 硅酸盐风化和碳酸盐风化的比较; (2) 用碳同位素示踪土壤碳酸盐来源存在的问题. 得出的结论是: 土壤碳酸盐可能根本不是一个重要的大气CO₂ 汇, 也即是说, 碳酸盐风化成因的土壤碳酸盐没有吸收任何额外的CO₂; 另一方面, 由于硅酸盐风化过程相当缓慢, 其形成的土壤碳酸盐在短时间尺度内对大气CO₂ 汇的能力很弱.     

禾本科/豆科间作促进豆科共生固氮机理研究进展

综述以往研究发现,大多数禾本科/豆科间作都会显著增加豆科作物的固氮比例(%Ndfa),并认为这种增加是由于禾本科作物对豆科作物根际氮素的耗竭作用引发的.但豆科作物体内通常会在氮磷之间保持稳定的化学计量关系,豆科作物共生固氮的增加会使作物生长受到磷的限制.在这种磷素限制条件下豆科作物会被激发出潜在的磷吸收策略,即通过根系分泌物或丛枝菌根真菌增加对土壤磷素的获取满足其自身固氮对磷素的大量需求,进而增强豆科作物自身的结瘤及固氮.此外,随着分子生物学技术的发展,新近研究发现禾本科作物根系分泌物能上调豆科根部关键结瘤基因NODL4, ENODL2, ENOD93,固氮基因FixI3,查尔酮-黄酮异构酶CFI基因和生长素响应基因GH3.1的表达,这些基因超量表达可促进豆科作物类黄酮物质的分泌、根毛卷曲、结瘤并促进豆科作物固氮.间作作物间通过根际氮素耗竭作用、磷素活化作用以及固氮基因分子调控等三个层面上互相偶联来促进间作系统氮素吸收、优化氮素利用效率和提升作物产量,这些研究对促进和发展禾本科/豆科间作固氮理论体系具有重要指导意义.     

秸秆还田影响汞污染地区“稻田汞”环境行为的研究进展

秸秆还田是一项正大力推广的农业措施,既可避免秸秆焚烧导致的空气污染,又可通过提升土壤肥力、改善土壤性质而促进作物生长.与此同时,秸秆还田对农田重金属生态风险的影响值得关注.已有不少研究报道了秸秆还田导致铜、镉、锌等重金属生物有效性下降,然而秸秆还田对土壤中汞环境行为与风险的影响却鲜有报道.本文综述了近年来秸秆还田影响汞污染地区"稻田汞"行为与风险的研究进展.近期研究揭示秸秆还田可显著提升"稻田汞"的生态风险:秸秆还田可影响"稻田汞"的地球化学相态分布、汞的微生物甲基化、汞的生物有效性,以及汞的植物累积,并讨论了这些影响可能的内在机制(如微生物活性上升、秸秆产生溶解性有机质导致汞活性上升等).本文所阐述的信息,有助于从机理层面理解陆生系统中汞的行为与风险,并有助于汞污染地区有关秸秆处理方式的决策.     

石笋铀同位素组成对土壤环境变化的指示

通过测定南京葫芦洞两支石笋41个样品的铀、钍同位素组成,发现距今 75～18 ka期间洞穴石笋238U和δ234U0的变化与33°N夏季太阳辐射曲线、石笋δ18O曲线具良好的对比关系.洞穴上覆土壤带有机质丰度变化是控制石笋238U含量变化的主要因素,由此解释了石笋238U变化曲线与δ18O,同纬度太阳辐射曲线之间相位一致的原因,但水-土-岩之间238U迁移富集过程的复杂性导致238U与气候曲线在振幅上不完全一致;δ234U0指示了洞穴上覆土壤剖面成壤作用强度变化,较敏感地反映了本区下蜀黄土成壤作用与风成堆积过程.因此,洞穴石笋铀浓度及其同位素比率可作为新的洞穴气候环境替代指标.     

功能农业关键科学问题研究进展与“十四五”发展建议

功能农业是赵其国院士在2008年提出的农业新概念,主要是指农产品的营养化、功能化,旨在解决全球性的“隐性饥饿”问题,并重点满足消费者“吃出健康”的新需求.香山科学会议第669次学术讨论会与会专家认为,历经13年的探索,功能农业已初步形成了独特的学科和科技创新体系,实现了从“0”到“1”的突破.本文扼要阐述了9个方面关键科学问题及其相关研究进展:(1)通过对全国及区域土壤中矿物质的时空分布特征,反映母质和成土过程对土壤矿物质的含量影响;(2)土壤与作物间矿物质的吸收、转化,如人工根系实验系统(ARE系统)的建立、土壤中矿物质生物有效性的评价方法,以及植物中功能成分的转化机理等;(3)矿物质和重金属密切相关的超富集植物研究;(4)功能农业生产中功能成分对生物和环境影响评价;(5)功能农业长期科学试验站的研究成果;(6)功能农产品所制备的食物在蒸、炒、煮等烹调过程中以及其他加工技术下的功能成分形态变化的相关研究;(7)在健康效应评价方面,对功能性产品对人体健康的影响及其机理,以及相关功能农产品的干预研究;(8)天然富硒营养强化项目的研究;(9)基准物质的研制情况.在功能农业新技术研发方面,概...     

禾本科作物小麦能吸收和积累聚苯乙烯塑料微球

农用地土壤中微塑料的积累及分布已有报道,食用蔬菜在溶液培养下能吸收微塑料也已被发现,但微塑料能否在固相培养条件下进入禾本科作物中并在体内传递积累尚未被证实.本研究选用小麦作为模式植物,以0.2μm荧光标记聚苯乙烯微球为供试微塑料材料,采用真实河砂盆栽培养实验,结合激光共聚焦荧光显微和扫描电子显微技术,发现小麦幼苗在砂培条件下能吸收和传输0.2μm聚苯乙烯微球.小麦幼苗在含有荧光标记微球的河砂中生长21 d后,其根部维管柱和外皮层细胞壁间隙组织中呈现较强的荧光分布,表明这种亚微米级塑料微球能被小麦吸收进入根部外皮层质外体空间和维管组织.塑料微球进入根部维管柱后,可通过维管组织运输到地上部的茎部维管束和叶片的脉管组织中.研究结果为进一步认知土壤-作物系统中微塑料的传递与积累机制提供了方法学和科学依据.     

放牧对草地生态系统磷循环调控机制的研究进展与展望

放牧是全球范围内草地生态系统最主要和最直接的利用方式.磷(P)是植物生长所必需的大量元素,同时也是草地初级生产力的关键限制性养分元素,广泛参与植物的光合、呼吸等重要代谢过程.放牧通过直接和间接作用影响草地植物和土壤各组分的P含量和P库,进而通过正负两种反馈影响生态系统的P循环.目前,国内外有关放牧对草地P循环的影响机制,特别是P循环的生物学过程和机制尚不十分清楚.本文总结了有关放牧对植物和土壤各组分P含量及P库的影响及其机制,并对该领域的几个重要研究方向和亟待回答的科学问题进行了展望.未来研究中需要重点关注的问题包括:(1)土壤微生物量P组成沿不同放牧强度的变化,以及放牧对土壤微生物P源和汇的影响机制;(2)放牧如何影响土壤磷酸酶的活性(磷酸单酯酶、磷酸二酯酶、三磷酸单酯水解酶等)进而调控土壤中P的矿化过程;(3)放牧如何调控P在植物-土壤-微生物系统中的转化过程;(4)采用分子生物学和组学的手段,揭示土壤微生物在P循环及生态系统功能中的作用,以及放牧如何影响植物和根际微生物,进而调控生态系统P循环;(5)不同放牧强度如何影响植物多样性、菌根真菌多样性及两者之间的关系,进而影响植物对P的吸收和利用,以及地上和地下生物量P库;(6)不同家畜种类的食性差异及其对磷循环的影响机制;(7)其他植食动物(野生食草动物、植食昆虫、啮齿动物、蚯蚓、植食性线虫等)在草地生态系统P循环中的作用;(8)不同放牧强度如何调控生态系统各营养级组分的N:P化学计量关系,进而影响N、P循环之间的耦合关系.