长春南湖芦苇(Phragmites australis)茎、叶植硅体随生长期和生境的变化特征

对于不同生长期、不同湿度条件下芦苇(Phragmites australis)茎、叶中多种类型植硅体含量变化的探讨,能够为植硅体形成机理研究和探讨植硅体对气候变化的响应提供理论依据.选取长春市南湖为实验样点,于5—10月在3种不同生境(旱生、季节性水生和水生生境)采集芦苇样品,并分别统计芦苇茎、叶植硅体形态和数量.实验结果显示:首先,茎、叶植硅体组合特征存在明显差异,茎中帽型及个体较大的尖型等植硅体多于叶中,而叶中硅化气孔含量明显高于茎中.其次,随着植株的生长,芦苇茎中硅化气孔含量先增加后减少,鞍型植硅体含量变化较小而帽型植硅体含量先减少后增加,棒型植硅体含量逐渐增加、尖型植硅体含量先增加后减少;芦苇叶中硅化气孔含量持续增加,鞍型、帽型等短细胞植硅体含量下降,尖型、扇型等个体较大的植硅体含量逐渐增加.最后,不同植硅体类型的含量在3种生境中的变化情况较为复杂,茎中植硅体的数量变化没有明显规律,而芦苇叶中硅化气孔含量由旱生生境向水生生境逐渐增加,可见叶中硅化气孔含量的增加可以指示相对湿润的生境条件.总之,芦苇茎、叶内不同类型植硅体的数量对植株生长及不同湿度环境有不同程度的响应,对芦苇植硅体的研究也有助于理解湿生植物植硅体与环境因子的关系,进而为探讨植硅体对古环境、古气候的响应提供理论基础.

东北森林区与草原区草本植物群落植硅体组合特征的对比研究

明确植物群落植硅体组合之间的差异,是进行区域古植被、古气候恢复工作的必要前提。对东北地区森林区和草原区内26个草本植物群落内的植物植硅体进行了分析,从组合类型和相同类型植硅体数量两个方面对森林区和草原区的草本植物群落植硅体进行了详尽对比。根据森林区与草原区草本植物植硅体的形态特征,进行定性分析,将植硅体类型分为15种,包括鞍型、齿型、帽型、哑铃型、棒型、毛发状、尖型、硅质突起、块状、扇型、边缘弯曲扁平状、硅化气孔、硅化导管、"表面硅质突起的球型"、"絮状长条型"植硅体;并从方差分析和聚类分析两个角度对草本植物群落相同类型植硅体的数量进行定量分析。研究发现,森林区与草原区可产生部分相同类型植硅体,但边缘弯曲扁平状等植硅体仅见于森林区,十字型植硅体仅见于草原区。此外,森林区与草原区相同类型植硅体的数量也存在差别。通过对26个群落的植硅体组合进行单因素方差分析,发现硅化导管等植硅体的平均百分含量在森林区和草原区相差不多,但硅质突起和硅化组织的平均百分含量在森林区和草原区有显著差异,短细胞植硅体有极显著差异。通过对26个群落植硅体组合进行聚类分析,发现森林区和草原区各自内部的群落具有一定相似性,但两区彼此之间存在一定差异性。根据Ic指数所指示的环境意义,森林区草本植物群落生境有较草原区草本植物群落更为寒冷的特征。值得注意的是,研究中还在森林区发现了与前人工作中描述不同的表面带有硅质突起的球型植硅体,还见到了尚未在文献中发现的"絮状长条型"植硅体。

科尔沁沙地不同类型沙丘表土有机质与粒度特征差异分析

围封禁牧是退化沙地植被恢复的重要措施之一,追踪沙地植被修复对土壤的影响,对保护沙地生态系统具有重要意义。该文分析了科尔沁沙地围封禁牧后固定沙丘、半固定沙丘、半流动沙丘和流动沙丘表土的有机质含量和粒度特征。结果表明:依据植被盖度而划分的4种类型沙丘之间的有机质含量呈显著差异(P<0.05),而盖度与沙丘中值粒径的关系极弱,相关系数r=0.163。利用不同类型沙丘表土的有机质含量和粒度特征参数作聚类分析和主成分分析,发现植被盖度是影响沙丘固定程度最重要的因素,其次是土壤有机质,沙粒粒径与沙丘的固定程度关系极弱,地表植被对沙丘表土的水土保持作用较弱,科尔沁沙地植被恢复还未达到植被-土壤生态系统的良性循环,须继续实施围封禁牧政策。沙丘粒径均以中粒、细粒为主,同一沙丘迎风坡及其坡顶比背风坡颗粒偏粗,分选偏好,峰态偏宽,土壤风蚀作用更严重。因此,在植被重建时可适当采取人工措施,可以流动、半流动沙丘迎风坡的坡顶部分为重点恢复区。

不同增温方式下芦苇植硅体大小变化特征的对比研究

在松嫩草原分别采用开顶式气室(Open Top Chamber,OTC)和红外线辐射器(Infrared Radiator,IR)两种不同的增温方式模拟增温,分别设置3个不同温度梯度的增温处理和一个对照处理,提取芦苇中的植硅体,对比分析了不同增温方式下芦苇植硅体大小对增温的响应规律,研究了芦苇植硅体大小与温度因子之间的关系.结果表明:OTC增温方式下芦苇植硅体大小普遍比IR的大,且芦苇植硅体大小主要受控于土壤有效硅的含量;在不同增温方式下,增温对不同类型植硅体大小的影响存在差异,对于鞍型植硅体来说,在OTC增温方式下,增温后导致鞍型植硅体的各个参数均变小,在IR增温方式下,增温后鞍型植硅体的长变小而宽变大;对于尖型植硅体来说,不同增温方式下增温均导致尖型植硅体的长变大,但宽减小;对于硅化气孔来说,在不同增温方式下,增温后硅化气孔的长和宽均变大.不同类型植硅体的大小对温度升高的响应比较敏感,两种增温方式下增温后同种类型植硅体大小的变化规律也存在差异.

松嫩草原典型群落对应表土植硅体组合特征

植硅体在草原古植被重建中具有重要意义和巨大潜力。对松嫩草原的57个表土样品植硅体从形态类型、组合两方面进行分析，通过DCA（Detrended Correspondence Analysis）排序确定各形态类型的生态意义，判别分析实现了较精细水平上的群落类型判别。研究结果表明：松嫩草原典型群落对应表土植硅体组合多以平顶帽型为优势类型；弱齿型和多齿型指示相对湿润的环境，针茅哑铃型能够指示针茅群落，简单哑铃型能够指示较干旱的环境且对应于羊草、冰草等群落，较高含量的硅质突起指示苔草属群落。判别分析结果将57个表土样品划分为4组：灌丛群落、非禾草草本植物群落、C3禾草群落以及C4禾草群落，各自的正确率分别为85.7%、89.5%、79.2%和85.7%，总正确率为84.2%。本项研究对理解松嫩草原植硅体的环境意义，为恢复区域古植被提供了现代过程依据，以期在日后通过沉积物植硅体分析得到稍高精度的古植被重建结果。

植硅体形态的研究进展

植硅体作为古环境的代用指标是以植硅体形态分类研究为基础的,植硅体分类研究程度将直接影响到植硅体应用的精度及深度。从植硅体的植物母体来源分析和讨论,分别总结和比较多种植物(21科的草本植物及20科的木本植物)科、属乃至种级水平上的典型植硅体类型,植硅体组合特征及同一类型植硅体的细微差别。综合多位学者的认识,以期能够完善植硅体形态学研究,为植硅体在现代植物分类、重建古环境、环境考古等领域提供有意义的证据和资料。

东北地区芦苇植硅体分形特征初步研究

为了找到更加精细描述植硅体形态的定量化指标，本文在东北地区选择了10个样点，采集了6月份和9月份的72份芦苇样品，并进行21600粒植硅体分形维数的测量。结果表明：1）利用分形维数可以将不同类型植硅体进行区分，其中各类植硅体分形维数大小排列顺序为：棒型植硅体〈短细胞植硅体〈尖型植硅体〈扇型植硅体，并且以植硅体分形维数为指标，可以将本研究10个样点进行有效地聚类分析；2）在不同的降水条件下，芦苇短细胞植硅体、扇型植硅体及棒型植硅体分形维数没有显著差异，而硅化气孔（P=0．041）和尖型（P=0．036）植硅体的分形维数存在显著差异，湿润地区和半干旱地区的硅化气孔分形维数显著大于半湿润地区，而半干旱地区尖型植硅体分形维数显著大于湿润地区和半湿润地区；3）芦苇植硅体组合的分形维数主要受到降水条件的影响，6月份湿润地区和半干旱地区的植硅体组合的分形维数显著大于半湿润地区，9月份湿润地区植硅体组合的分形维数显著大于半湿润地区和半干旱地区（P〈0．05）。但是不同温度条件下植硅体组合的分形维数不存在显著差异（P〉0．05）；4）随着生境由岸边向水中心的逐渐变化，芦苇植硅体的分形维数而呈现减小的趋势，体现了生境因素对于植硅体形态的影响。以上研究对于定量刻画植硅体形态以及提高植硅体的古环境重建精度具有一定参考意义。

唐代正定古城址形成时期的环境背景与人类活动

唐代是中国历史上的重要文化繁盛时期,也是正定古城开始形成并逐渐繁荣的时期。正定开元寺南遗址唐代地层出露厚度较厚,存在多个连续的文化层,成为研究唐代正定地区环境变化与人类活动关系较理想地点。本研究基于AMS-14C测年与考古定年,通过孢粉分析,结合炭屑、粒度、植硅体,揭示了唐代正定古城址形成的环境背景及其与人类活动的关系。结果表明,正定开元寺南遗址周边地区由于受人类活动影响较早,开发历史悠久,植被已受到破坏,使得本地植被总体上以草本植物为主,多高于80%,但不同阶段存在较大变化:1)唐代前期(680~760 A.D.)本地人口大量增加,人类活动强度显著增强,使得研究区在此阶段森林覆盖度大幅下降,乔木花粉含量明显降低,而草本植物花粉含量明显上升,特别是农作物(禾本科≥30μm)花粉含量明显增加,同时粒度分析显示这一时期沉积物粒度最细,反映整体上水动力条件相对较弱,沉积环境相对稳定,给正定古城的发展创造了条件;唐代后期(760 A.D.之后)受战乱和人口迁移影响,本地人口大量减少,人类活动减弱,使植被有一定程度的恢复,乔木花粉含量回升,伴人植物和农作物花粉含量降低,炭屑浓度也急剧下降,粒度方面砂含量明显增加,粒径变粗,表明水动力条件较强,可能有大规模洪水发生,给城镇发展带来影响。2)植硅体分析表明,农作物中粟相对含量最高,其次为黍,再次为麦,由此可见唐代时期正定地区粮食作物种植以粟为主,辅以黍和麦。

东北地区湿度梯度下的表土植硅体的空间分布规律

植硅体的现代过程研究是恢复古环境的基础,探讨表土植硅体分布及组合特征对环境因子的响应尤为重要。沿中国东北地区年均温为4 ℃等温线采集70块表土样品,研究了单一温度因素控制下表土植硅体的空间分布规律,以期获得不同类型植硅体对降水的响应。研究结果表明:所有表土样品中植硅体丰富且数量较多,主要有棒型、尖型、块状、扇型、扁平状、短鞍型、帽型、哑铃型、齿型、三棱柱型、导管型、硅质突起、硅化气孔、弓型和多面表皮植硅体;且主要以短细胞、棒型、尖型为主,其平均百分含量之和高达80.77%,块状、扁平状、扇型次之,其他类型的植硅体含量较少。方差分析结果表明:棒型、三棱柱型、硅质突起、哑铃型和扁平状在大兴安岭、松嫩平原和长白山之间存在显著性差异,且棒型、三棱柱型、硅质突起的百分含量与年降水量具有极显著的正相关性,哑铃型的百分含量与年降水量具有极显著的负相关性。总之,年均温为4 ℃等温线上70块表土样品中植硅体类型基本相同,但不同类型植硅体的百分含量存在差异,说明本研究区域内表土植硅体组合特征对降水的响应较为敏感。

中国东北森林区和草原区表土植硅体的植物群落代表性研究

文章系统研究了东北地区东部森林区和西部草原区41个样点表土植硅体及相应植物群落植硅体的关系,并据此定量校正了表土植硅体与植被、气候的数量关系。结果表明,不同植物群落下表土植硅体的组合特征与其地上植物群落间存在密切关联,依据表土植硅体可明显区分森林区木本群落和草原区草本群落。但表土中不同植硅体类型对地上植物群落的代表性不同。表土中帽型、哑铃型、尖型、扁平状、块状和扇型的含量高估了其在对应植物群落中的含量,在土壤中保存较好;毛发状、硅质突起型、硅化气孔、表皮植硅体对植物群落的代表性刚好与此相反;鞍型、齿型和棒型能够较准确地反映地上植物群落的信息,在土壤中保存较好。同时,东部森林区和西部草原区不同植物群落下表土中同一植硅体类型对地上植物群落的代表性也有所差别。东部森林区表土中帽型的含量高估了其在对应群落中的含量,棒型、块状和扇型可准确指示地上植物群落的信息,但西部草原区却与此刚好相反。基于此,依据植硅体的R值(表土植硅体含量与地上植物群落植硅体含量之比)校正了表土植硅体的含量,校正后的表土植硅体特征和干旱指数对地上植物群落特征和区域降水的响应更为敏感,表土植硅体组合特征能够更好地指示地上植物群落和气候信息的变化。因此,利用植硅体记录重建古植被、古气候时,需参考表土植硅体对地上植物群落的代表性校正沉积物植硅体,以提高植硅体-古环境重建的精度。

全新世以来长白山区孤山屯泥炭地炭屑记录与古火演化历史

长白山拥有亚洲目前保存较为完好的温带山地森林生态系统,由于近年来无火事件发生而积累了大量可燃物,火灾隐患逐年增加,重建古火历史找出火事件发生规律有助于现代火灾的有效防控。本文以长白山区孤山屯泥炭剖面的68个样品为研究载体,选取炭屑作为主要指标反演了长白山全新世以来的火事件演化历史;并结合前人利用孢粉、植硅体等代用指标重建的古环境、古气候特征,分析了火事件的成因机制。在11 686-10 883 cal aBP、7 336-2 624 cal aBP、2 624-1 189 cal aBP,炭屑浓度较高,古火事件发生频繁,强度较大;在10 883-7 336 cal aBP、1 189 cal aBP至今,炭屑浓度较低,古火事件发生频率较小,强度相对较弱。气候和植被对于火事件的影响贯穿了整个全新世时期,火事件多发生在寒冷干燥气候时期且以区域性火事件为主;近千年以来,人类活动与火山喷发对火事件的影响显著,局域性火事件比例逐渐增多。

松嫩草原典型群落植硅体碳汇

植硅体碳汇是草原碳汇的重要部分。本研究选取松嫩草原中禾本科群落、莎草科群落、菊科群落为对象,通过湿式灰化法提取植硅体,并通过碱溶分光光度法对植硅体碳量进行测定。根据植硅体含碳量估算了松嫩草原的植硅体碳封存速率,探讨了禾本科群落、莎草科群落、菊科群落植硅体碳封存能力的差异。结果表明:松嫩草原的植硅体碳封存速率为1.67 kg CO2·hm^-2·a^-1。群落植硅体含碳量与植硅体含量之间有显著的负相关关系(P<0.05,R^2=0.94)。不同群落植硅体碳封存能力存在显著的差异,群落植硅体碳封存速率分别为:莎草科群落(2.151 kg CO2·hm^-2·a^-1)、禾本科群落(1.716 kg CO2·hm^-2·a^-1)、菊科群落(1.218 kg CO2·hm^-2·a^-1)。群落植硅体碳封存能力受到群落组成、地上净初级生产力、植硅体形成过程的影响。以上结果可为完善草原碳循环研究提供依据。

松嫩草原典型群落植硅体固碳与植硅体类型关系研究

探讨植硅体固碳能力与植硅体形态间关系,可以更精确估算群落植硅体固碳量,同时为植硅体固碳机制解释提供依据。本文在松嫩草原选取28个群落样方进行研究,按优势植物分为禾本科、莎草科、菊科三种群落类型,采用植硅体碳含量来指示植硅体自身的固碳潜力,植硅体碳占干物质含量指示群落长时间固碳能力(以下简称群落固碳能力),植硅体百分含量与固碳有关指标间的相关性来指示不同植硅体类型的固碳贡献量。研究发现:与非短细胞植硅体相比,短细胞植硅体的百分含量与植硅体碳含量、植硅体碳占干物质含量间的相关性更显著,因而其对植硅体固碳的贡献相对更大。究其原因,本文认为这可能主要与松嫩草原的短细胞植硅体的产量大以及短细胞植硅体的形成过程有关。

温带地区表土植硅体对温度的响应

植硅体的现代过程研究是利用植硅体这一指标精准恢复区域古植被、古气候的前提和关键环节,探讨表土植硅体组合的空间分布特征及其对环境因子的响应尤为重要。本研究在东北地区沿着年降水量为600 mm等降水线采集54块表土样品,研究单一温度控制下表土植硅体的空间分布规律,以期寻找对温度比较敏感的植硅体类型。结果表明:54块表土样品中植硅体类型相同,共鉴定出15类,分别是棒型、尖型、块状、扇型、扁平状、帽型、鞍型、哑铃型、齿型、三棱柱型、硅化气孔、导管型、硅质突起、弓型、椎骨状,且主要以棒型、尖型为主,短细胞、块状、扁平状次之,其他类型植硅体的平均百分含量不足1.0%。小兴安岭、松辽平原和辽西低山丘陵3个区域的表土植硅体组合特征存在差异,判别分析结果能够将3个区域样点有效区分开,总的判别正确率为94.4%,其中棒型、尖型、三棱柱型的平均含量在小兴安岭最大,在辽西低山丘陵最小;而鞍型、哑铃型、硅质突起与之相反;块状、扁平状、扇型则主要是在松辽平原最大,且棒型、尖型、三棱柱型、鞍型、哑铃型、硅质突起、块状、扁平状和扇型的百分含量在3个区域之间存在显著差异。棒型、尖型、三棱柱型的百分含量与年均温之间存在显著负相关,块状、扁平状、扇型、哑铃型、硅质突起的百分含量与年均温呈显著正相关,而鞍型、帽型、齿型的百分含量与年均温没有显著相关性。

中国东北自然土壤剖面中植硅体的垂直分布规律

本研究利用湿式灰化法提取了东北地区23个自然土壤剖面的植硅体,分析、探讨了植硅体在土壤剖面中的垂直分布规律及其影响因素。首先,东北地区自然土壤剖面中植硅体的垂直分布大体呈表层(腐殖质层)富集,但由于土壤理化性质的差异,仍可进一步大体划分为表层相对聚积型(如黑钙土和白浆土)和均匀分布型(如暗棕壤、黑土和冲积土)。其次,土壤原始成土过程、土壤pH等显著影响着土壤剖面中植硅体的分布。我们的研究发现:①基于土壤原始成土过程的分析,推测在土壤剖面(尤其是母质为岩石风化物的土壤)母质层中植硅体可能是不存在的;②土壤有机质影响了土壤剖面中植硅体的多少,依据土壤植硅体浓度-有机质方程得出的土壤剖面特定深度的模拟植硅体总浓度均明显小于其实测值;③土壤pH是影响土壤中植硅体分布的重要因素之一,剖面下层pH较高,保存程度较差的植硅体所占比例却较大;④不同土壤发生层植硅体的大小组成不同,越向深处,小型植硅体所占比例越大。总之,自然土壤剖面中不同土壤发生层植硅体的组成和含量存在差异,推测自然土壤剖面中可能存在植硅体的垂向迁移,但仍需进一步验证。