代谢异速生长理论及其在微生物生态学领域的应用

新陈代谢是生物的基本生理过程,影响生物在不同环境中参与物质循环和能量转化的过程。代谢速率作为生物体重要的生命过程指标,几乎影响所有的生物活性速率,且在很多研究中均表现出异速生长现象。所谓代谢异速是指生物体代谢速率与其个体大小(或质量)之间存在的幂函数关系。代谢异速生长理论的提出,从机制模型角度解释了代谢异速关系这一普遍存在的生命现象。该理论利用分形几何学及流体动力学等原理,从生物能量学角度阐释了异速生长规律的机理,证实了3/4权度指数的存在;但同时有研究表明,权度指数因环境因素等影响处于2/3—1范围之间而非定值。随着研究工作的深入,代谢异速生长理论研究从起初的宏观动植物领域拓展到了微生物领域,在研究微生物的代谢异速生长理论时,可将微生物的可操作分类单元(Operational taxonomic unit,OTU)或具有特定功能的功能群视为一个微生物个体,基于其遗传多样性和功能多样性特征进行表征,以便于将微生物群落多样性与其生态功能性联系起来,使该理论在微生物生态学领域得到有效的补充和完善。尽管细菌具有独特的生物学特性,但与宏观生物系统中观测到的现象表现出明显的一致性。有研究表明,3个农田土壤细菌基于遗传多样性的OTU数的平均周转率分别为0.71、0.80和0.84,介于2/3与1之间,可能与生物代谢异速指数有一定关联,为微生物代谢异速指数的研究提出了一个参考解决方案。鉴于微生物个体特征和生物学特性,在分析代谢速率与个体大小关系中,从微生物单位个体的定义、个体大小表征到计量单位的统一,仍需更多的理论支持。分析了代谢异速生长理论在微生物与生态系统功能关系研究中的可能应用,延伸了该理论的应用范围,并对尚待加强的研究问题进行了评述和展望。

基于异速生长理论的准噶尔盆地荒漠灌丛形态研究

为了揭示荒漠灌丛形态的发生发展机制并认识其在荒漠生态系统中的功能,从形态和结构决定功能的原理出发,对生长在准噶尔荒漠东南部的岛状灌丛进行了形态学调查。依据Malthusian方程微分形式,根据异速生长理论,建立了冠幅与株高生长、灌丛表面积与体积生长的数学关系式,利用植被调查数据进行了验证,并最终得出不同灌丛在不同株高时的情景示意图。结果表明:1)将荒漠灌丛形态假设成半三轴椭球体是合理的;2)虽然灌丛形态发展趋势可以是扁平、近半球和竖直3种类型,但是形态建成后,一般维持在扁平和近半球两种类型;3)18类荒漠灌丛的体积和表面积的数量关系具有一定的一致性,可能与同处于相同环境条件下的水分利用效率相近有关。

城市城区面积——城市人口异速生长关系研究

本文将生物学里的异速生长理论应用人文地理领域,构建了城市城区面积——城市人口异速生长模型,然后以武汉市为实例研究了武汉市城区面积和城市人口的异速生长关系。在此基础上,最后探讨了城区面积——城市人口生长模型在城市化研究及土地集约利用研究方面的应用。

吉林蛟河针阔混交林12个树种生物量分配规律

研究生物量分配是了解植物结构与功能的有效手段,对陆地森林生态系统碳循环研究起着重要作用。本文以吉林省蛟河林业实验区管理局天然次生混交林内12个优势树种为研究对象,探讨了各树种生物量器官（叶、枝、干、根）分配特征及其与个体大小的关系。结果表明：1）12个树种各器官的相对生长遵循异速生长理论,相对生长关系并不一致。枝与干（1.091~1.254）、枝与根（1.012~1.158）、根与干（1.015~1.202）以及地下与地上部分（0.991~1.070）近于等速生长,叶与枝（0.655~0.757）、叶与干（0.777~0.931）和叶与根（0.718~0.859）呈现为异速生长。2）12个树种各器官生物量分配遵循异速生长分配理论,叶、枝、干和根生物量分配比例的范围依次为1.80%~6.54%、13.87%~27.09%、51.12%~65.03%和15.76%~25.52%,各器官生物量分配比例的均值大小表现为：干（57.09%）〉根（21.46%）〉枝（18.59%）〉叶（2.86%）。根茎比（R/S）范围为0.189~0.355,均值为0.279。3）各器官生物量分配比例以及R/S均与树种有关,不同树种各器官生物量分配比例以及树种间R/S存在显著差异（P0.05）,其他各器官分配比例均与个体大小呈显著相关关系（P〈0.05）。具体表现为随个体增大,叶和干生物量分配比例显著降低、枝生物量分配比例显著增加（P〈0.05）的趋势。研究表明：植物各器官在其生长过程中并非都是等速生长,异速生长广泛存在于各器官的生长过程中,同时各器官的生物量分配遵循异速生长分配理论。为了获得更多的空间和营养,植物在生长过程中遵循最优化分配理论,将更多的资源分配给有利于提高自身竞争力的器官,以达到具有更强竞争力和生产力的目的。