基于野外台站的“自然地理学”实践教学探索与实践:以兰州大学草业科学专业为例

利用野外台站建设的优势开展“自然地理学”实践教学,培养学生的实践能力和科技创新能力、提升教学效果,是当前“自然地理学”实践教学探索的重点方向。本文以兰州大学草业科学专业为例,从野外台站的选择、实践内容的设计与优化、新教学模式的探索等方面,系统论述了基于野外台站的实践教学在“自然地理学”教学中的应用,总结分析了实践教学在“自然地理学”教学中的成效,并提出了改进方向,为今后“自然地理学”课程实践教学的应用和改进提供了参考。

放牧强度对高寒草地土壤团聚体稳定性及有机碳含量影响

土壤团聚体与土壤有机碳固存密切相关。本研究依托青藏高原高寒草地家畜系统适应性管理技术平台,系统研究了0~30 cm土层不同放牧强度对土壤团聚体稳定性和有机碳含量影响。结果表明,与禁牧对照相比,中度放牧处理下0~10 cm土层(表层)土壤大团聚体质量分数和平均重量直径(Mean weight diameter,MWD)分别提高了13.43%和12.50%。所有放牧处理均降低了10~30 cm土层(亚表层)土壤大团聚体质量分数和MWD。与对照相比,中度放牧下表层土壤大团聚体有机碳含量显著降低了8.02%;中度和重度放牧处理下,亚表层土壤大团聚体有机碳贡献率分别降低了29.85%和32.75%。MWD与大团聚体质量分数和有机碳贡献率呈显著正相关,与微团聚体和粉粘粒团聚体质量分数及有机碳贡献率呈显著负相关。该研究表明放牧强度对亚表层土壤团聚体特征的影响高于表层土壤,这为探究放牧管理对高寒草地土壤质量和结构影响提供理论基础。

基于CCI-LC数据的甘南和川西北地区土地覆盖类型时空动态分布及草地面积变化驱动力研究

土地覆盖变化是评价生态系统健康的关键,并对可持续发展有重要意义。遥感技术是实现快速动态监测大面积土地覆盖变化的有效方法。结合野外实测土地类型数据和Landsat 8 OLI影像,对欧空局全球土地覆盖产品(CCI-LC)在甘南和川西北地区分类精度评价的基础上,分析了研究区1992-2015年土地覆盖类型的时空动态变化特征,并从自然和人为两方面因素出发,研究了该地区草地面积变化的驱动力。结果表明:1)CCI-LC产品在甘南和川西北地区的总体精度为76.79%,在六大土地覆盖类型中(草地、林地、裸地、水体、永久冰雪和人类占用地),草地的用户精度最高(94.88%)。2)在1992-2015年,草地面积整体上呈减少趋势,且在1994-2001年发生了较大的变化,减少了6760.53 km2,动态度为-0.53%·年-1。3)1992-2000年研究区主要发生草地、林地和人类占用地三者之间的相互转化,其中草地以转出为主;2000-2010年研究区土地覆盖类型的变化多样,草地仍以转出为主,但转出面积较上一时间段大幅度减少;2010-2015年间研究区地物类型的转换关系更加复杂,其中草地以转入为主,转入来源仅为林地和人类占用地。4)农业GDP和牧业GDP是甘南和川西北地区草地面积变化的主要驱动因素,且两者均与草地面积呈负相关关系。提供了一种宏观、快速、低成本分析长时间序列土地覆盖类型动态变化的遥感监测方法。

甘南和川西北地区草地植被NDVI变化及其驱动因素研究

草地是甘南和川西北地区最主要的植被覆盖类型,约占研究区面积的43.91%。为探明该地区草地的生长状况变化及其驱动因素,基于MOD13A3数据,采用趋势分析、变异系数、偏相关分析和残差分析,对研究区草地归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)时空动态变化和稳定性进行分析,并研究了气象因素和人类活动对草地NDVI变化的影响。结果表明:2000-2018年甘南和川西北地区草地生长期NDVI呈上升趋势的面积占比为74.17%,其中17.15%通过显著性验证;研究区草地NDVI整体较高(均值为0.7096),在19年间全区和各类型草地NDVI均呈波动上升趋势,生长状况稳定,仅有6.08%的草地波动幅度较大;温度和降水对研究区草地NDVI的变化主要呈正向驱动,且NDVI与温度呈正相关的面积(70.19%)大于降水(62.63%),人类活动在2000-2005年对草地NDVI呈负向影响,2006-2017年呈正向影响。

青藏高原退化草地的恢复潜势研究

近年来青藏高原高寒草地生态系统整体上呈现改善的状态,但仍有部分草地存在不同程度的退化,对青藏高原草地现状及恢复潜势进行评估对于青藏高原退化草地恢复政策的制定具有重要意义。基于2001-2019年气象数据与MODIS遥感影像,选用CASA模型和Thornthwaite Memorial模型分别计算了青藏高原现实净初级生产力(actual net primary productivity,NPP)和潜在净初级生产力(potential net primary productivity,PNPP),并以其差值评估草地恢复潜势,主要结论如下:1)2001-2019年青藏高原NPP呈现东南部高,西北部低的分布特征;青藏高原草地持续恢复区域占40.98%,持续稳定区域占12.72%,而持续退化区域仅占3.47%,青藏高原草地整体以可持续的恢复状态为主。2)2001-2019年青藏高原潜在净初级生产力最大值(maximum potential net primary productivity,PNPP_(m))呈现明显东南与西南部高,北部偏低的空间分布格局。各草地类型PNPPm多在1000 g C·m^(-2)左右。3)2001-2019年青藏高原草地恢复潜势呈现西南与东南部较高,北部偏低的分布情况。由此可见日喀则地区、阿里南部地区、阿坝藏族羌族自治州以及甘南藏族自治州等地的草地具有较高的恢复价值,在这些地区开展草地恢复的前景更好。研究结果为青藏高原退化草地恢复政策的制定提供科学与理论支撑,对指导青藏高原草地保护与生态系统恢复具有重要意义。

基于MODIS数据与机器学习的青藏高原草地地上生物量研究

青藏高原位于我国西部,又被称为“世界第三极”,对我国和世界的生态以及气候变化影响显著。为了评估2000-2020年青藏高原草地地上生物量(aboveground biomass,AGB)的变化情况,本研究采用多种机器学习方法结合MCD43A4产品数据模拟了草地地上生物量,并对该区域草地地上生物量的时空特征进行分析。结果表明:1)构建的机器学习模型中,Rborist模型精度最高,基于筛选后变量的R2达到0.6484。“prec_05”、“prec_06”、“tp_12”、“NDPI”、“prec_04”、“tmax_01”、“prec_08”、“prec_12”这8个变量与生物量相关;2)青藏高原东南部的生物量要高于西北部,呈现由东南向西北递减趋势;3)2000-2020年间青藏高原草地生物量稳步增长,整体向好发展。青藏高原61.38%的草地变化趋势不具有可持续性,4.67%的草地持续性轻微恶化,持续性明显恶化的区域占比1.19%,呈稳定或恢复趋势的区域占比32.76%。

放牧对天然草地昆虫群落的研究现状及进展

放牧是天然草地的主要利用方式,也是草地管理的基本手段。昆虫是草地生态系统中生物多样性的重要组成部分,但有关放牧对昆虫多样性影响的相关研究还较少。本文基于Web of Science和中国知网两个文献数据库平台,对近40年来国内外有关放牧与昆虫多样性的文献进行检索,总结了放牧对草地昆虫多样性影响的已有研究成果,分析了昆虫多样性在不同放牧条件下的变化趋势,讨论了放牧影响昆虫多样性的途径。最后,针对当前放牧对昆虫多样性影响的研究的不足,提出了放牧条件下草地昆虫学今后的研究重点。

放牧强度对高寒草地土壤微生物胞外酶化学计量的影响

土壤微生物是土壤养分释放或固持的重要调节者。本实验以青藏高原高寒草原为研究对象,以藏羊放牧强度控制实验为平台(对照(CK,0),轻度放牧(LG,2 sheep·hm^(-2)),中度放牧(MG,4 sheep·hm^(-2)),重度放牧(HG,6 sheep·hm^(-2))),开展不同放牧强度下高寒草地土壤和微生物养分变化特征及其对土壤微生物养分代谢的影响研究。结果显示:总体上,土壤碳氮磷含量在放牧干扰下呈减少趋势,而微生物碳氮磷含量及其化学计量的变化幅度较小;重牧的碳获取酶(β-葡萄糖苷酶)活性及化学计量显著高于其余处理。此外,中牧和重牧的C∶P不平衡和N∶P不平衡高于CK,而C∶N不平衡低于CK,这表示在中度或重度放牧下高寒草地主要受到碳、磷的限制。当面对自身与资源之间的养分不匹配时,高寒草地土壤微生物主要通过增加碳获取酶的分泌,来缓解在重牧下的养分限制。

黄土高原丘陵沟壑区放牧补饲和舍饲肉羊的屠宰与肉质性能比较研究

栽培草地生产系统肉羊舍饲生产利弊共存。本研究通过对比舍饲与放牧补饲条件下的肉羊屠宰及肉质性能,旨在探究肉羊优质高效生产的模式。选取80只体况相当的6月龄育肥小尾寒羊,随机分为两组(全舍饲组和放牧补饲组),每组40只。其中舍饲组(HF)于圈舍内以全混合颗粒饲料饲喂,剩料10%的方式进行饲养。放牧补饲组(GS)白天于红豆草草地进行放牧,夜晚归牧后于圈舍进行补饲,补饲饲料与舍饲组相同。在90 d育肥试验结束后,从每个试验组选取6只接近该组平均体重的试验羊用于屠宰试验。研究发现不同饲养方式下,小尾寒羊的宰前活重、胴体重和滴水损失率均无显著差异(P>0.05)。GS组背最长肌肌纤维直径和肌纤维面积均极显著高于HF组(P<0.01);GS组与HF组相比总不饱和脂肪酸(TUFA)、总饱和脂肪酸(SFA)含量并无显著差异(P>0.05)。GS组γ-亚麻酸(C18:3n-6)含量高于HF组(P<0.05)。HF组小尾寒羊背最长肌中缬氨酸含量低于GS组(P<0.05),其余氨基酸含量则无显著差异(P>0.05)。由此可见,相较于全舍饲,放牧补饲可提升小尾寒羊肉营养品质,农区放牧补饲绵羊生产兼具生态与经济效益,应进行推广。

不同栽培基质对无芒隐子草种子萌发和幼苗生长的影响

【目的】无芒隐子草(Cleistogenes songorica)是一种抗旱能力较强的草种,但因其种子有休眠现象,成苗周期长,导致无芒隐子草在田间种植的出苗率和存活率不高,本研究旨在解决这一问题。【方法】采用基质栽培技术,选择来源广泛易获得的7种基质(泥炭、锯末、细砂、菇渣、蛭石、珍珠岩、陶粒)对无芒隐子草进行培育,并测定了各基质的理化性质以及无芒隐子草的萌发指标和生长指标。【结果】细砂、泥炭、锯末以及蛭石培育的无芒隐子草在发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数以及苗长等指标上均优于其他3种基质,其中锯末、细砂、泥炭和蛭石培育的无芒隐子草发芽率分别比菇渣提高了6.4倍、6.3倍、5.9倍和5.8倍。【结论】通过隶属函数法对各基质进行综合评价,排序为锯末>蛭石>细砂>珍珠岩>泥炭>菇渣>陶粒,推荐使用细砂、泥炭、锯末和蛭石作为无土栽培基质培育无芒隐子草。

重要牧草组学数据图形可视化展示工具的构建及应用

随着高通量测序技术的快速发展,多种牧草的基因组和转录组的测序数据相继公布,生物科学已经进入了后基因组时代;基因组学的研究重心也从基因组的结构转向基因功能的挖掘和验证层次,而基因在不同组织的表达量对基因功能挖掘具有重要指导作用。在先前的研究中,育种科学家经常通过柱状图、表格或普通热图等形式对不同组织间的表达量数据进行展示。但这些展示方法形式较为单一,且结果不够美观,读者难以快速有效地获取相关信息。为了更加直观、美观、全面地展示组学数据,本研究以TBtools软件为基础,以紫花苜蓿、蒺藜苜蓿、羊草、黄花草木樨等10种重要牧草为研究对象,结合Adobe Illustrator绘制的SVG文件,构建了一套牧草组学数据可视化工作流程,并以紫花苜蓿中MsSAP基因的表达模式以及不同逆境胁迫下基因的表达模式等为例,从数据获取、热图绘制以及结果展示等方面进行详细介绍。通过与传统的图形展示方式相比较,结果发现,利用本研究提供的牧草SVG图形文件以及可视化流程对多组学数据进行可视化,科研人员能够更快速、高效、美观地展示自己的多组学研究结果,从而为后续深入挖掘功能基因及功能验证提供指导。

分离自羊茅属植物的内生真菌菌株在不同培养基上的生长速度多样性

为进一步开发利用羊茅属(Festuca)内生真菌,筛选适于内生真菌生长的培养基并比较不同菌株的生长速度,本研究设置了不同的生长培养基,包括不同pH(4、5、6、7、8、9、10),不同碳源(葡萄糖、麦芽糖、乳糖、D-木糖、D-山梨糖醇、可溶性淀粉),不同氮源(蛋白胨、胰蛋白胨、硝酸钠、硝酸铵、尿素、草酸铵、硝酸钾)和不同培养基[马铃薯葡萄糖琼脂培养基(PDA)、马铃薯蔗糖琼脂培养基(PSA)、察氏培养基(Czapek agar)、玉米粉琼脂培养基(CMA)和水琼脂培养基(WA)],选择11株从羊茅属植物分离的香柱菌属(Epichloë)内生真菌(G1、G2、G3、G4、291-4、291-14A、1、2、9、57A、84F)在这些培养基上进行培养,探究上述菌株在不同培养条件下生长速度的差异。结果表明,培养基种类和pH对内生真菌的生长速度和产孢速度均有显著影响(P<0.05),内生真菌的最适生长pH为4~7,利用能力最强的碳源为D-山梨糖醇,氮源为蛋白胨,菌丝生长较适宜的培养基为PDA和PSA培养基,其中生长速度最快的是菌株1和2,生长速度最慢的菌株是291-4和291-14A。

EDTA对重金属胁迫下匍匐翦股颖种子萌发的影响

【目的】研究外源EDTA对重金属胁迫下匍匐翦股颖(Agrostis stolonifera)种子萌发的影响。【方法】以匍匐翦股颖品种潘威为试验材料,对不同浓度Cu、Cd、Pb胁迫下的匍匐剪股颖进行EDTA处理,并测定匍匐翦股颖种子发芽率、发芽势、发芽指数、幼苗叶片及根系相关指标。【结果】匍匐翦股颖对Pb的耐受能力最强,Cu次之,Cd最差。施加3 mmol/L EDTA对中、重度重金属胁迫下匍匐翦股颖的发芽指标、叶片指标和根系指标均较优,其中,中度Cu、轻度Cd、中度Pb胁迫下施用3 mmol/L EDTA的匍匐翦股颖种子的发芽率分别较对照增加了16.67%、3.36%、8.72%,叶片长度分别增加了30.99%、30.60%、1.63%,根系长度分别增加了35.93%、0.37%、29.80%。【结论】通过隶属函数法对各处理进行综合排序,发现施用3 mmol/L EDTA匍匐翦股颖对重金属胁迫的缓解效果最优,对3种重金属的缓解效果排序为Pb>Cu>Cd。

Epichloe内生真菌对禾草种子萌发影响研究进展

种子是农业生产实践中最基本的生产资料,其萌发对植物物种的生存和繁衍起着决定性作用,但此过程易受到环境因素的影响,提高种子在胁迫环境下的萌发质量对禾草建植具有重要意义。Epichloe内生真菌与禾草形成互惠共生关系,可促进共生体种子萌发并提高对环境胁迫抗性,使其在植物群落中占据优势生态位,因此对动植物及微生物生态系统产生广泛影响。将国内外关于Epichloe属内生真菌在不同生境及处理下对宿主禾草种子萌发的影响进行综述,重点探讨Epichloe属内生真菌对宿主禾草种子在正常生长条件和胁迫环境下的萌发及化感效应等方面的作用,发现内生真菌在正常萌发条件和胁迫环境中均能促进种子萌发,而在化感作用下萌发响应不一致,同时,内生真菌的侵染能显著缓解贮藏时间对种子萌发的负效应。通过对前人研究的总结,建议今后应加强对Epichloe内生真菌促进禾草种子萌发及提高抗性生理生化等方面的研究,揭示内生真菌与禾草共生对种子萌发的影响机制,从而筛选出优良内生真菌菌株,以期利用内生真菌资源为禾草种质资源的创制开辟新途径。

禾草-内生真菌人工接种技术研究进展

内生真菌侵染禾草既可提高宿主植物在群落中的竞争力,又可引起家畜中毒,因其特殊的双重特性而受到国内外学术界的广泛关注。由于禾草内生真菌具有宿主特异性使其资源的利用开发受到限制。随着分子生物学和基因组学的发展与应用,越来越多优良的内生真菌被发现,禾草组织培养再生体系也已逐步建立,对禾草内生真菌人工接种技术的传统方法有一定程度的改进。筛选具有优良特性的内生真菌菌株,通过人工接种的方法建立既对家畜无毒又能提高宿主品质及抗性的共生体是当前和今后研究的方向与热点。对现有的禾草内生真菌人工接种技术进行了综述,发现目前主要的接种方法有:无菌苗接种法、注射接种法、愈伤组织接种法、种子接种法和成株接种法。其中无菌苗接种法技术趋于成熟而应用广泛,但该方法与注射接种法均对植物有所伤害,增加了幼苗死亡率;愈伤组织接种法潜在成功率较高,但目前成熟的组织培养再生体系建立不完全而应用较少;种子切口接种法是新的接种方法的尝试,该方法操作简便,但目前并无成功接入的范例;种子浸菌接种法对植物组织造成的物理伤害小,幼苗存活率高,能够有效提高接种成功率。通过对现有人工接种技术的研究与探讨,以期借鉴开发其他微生物人工接种方法,同时探索新的接种成功率更高、相容性更好的接种手段,拓展内生真菌在禾草的共生范围,获得更多具有优良性状的共生体。

弋江籽紫云英种带真菌对种子发芽的影响及分离鉴定

【目的】明确紫云英(Astragalus sinicus)种带真菌区系及该真菌对种子萌发的影响。【方法】通过常规分离培养方法。【结果】从弋江籽紫云英中共分离得到6属7种真菌,分别为细极链格孢(Al-ternaria tenuissima)、黑曲霉(Aspergillus niger)、近缘弯孢霉(Curvularia affinis)、膝曲弯孢菌(Curvu-laria geniculata)、雪霉微座孢(Microdochium nivale)、纸皮思霉(Pithomyces chartarum)和囊状匍柄霉(Stemphylium vesicarium)。所分离的种带真菌可不同程度的降低紫云英种子的发芽率,降低种子活力指数,影响生长。种带真菌降低紫云英种子发芽率1.69%~76.27%,降低种子发芽势16.00%~42.00%,活力指数降低2.25%~79.48%,均以膝曲弯孢菌影响最大,纸皮思霉影响最小(P<0.05);胚芽长降低1.06%~34.39%,胚根长降低3.49%~43.02%,出苗率降低15.79%~52.63%。【结论】种带真菌对紫云英种子的发芽率、发芽势、种子活力具有抑制作用,其中膝曲弯孢菌、雪霉微座孢的影响最为显著。

青藏高原东部高寒沼泽湿地动态变化及其驱动因素研究

20世纪中后期以来,在全球气候变化和人类活动的影响下,青藏高原湿地生态系统变的极其敏感和脆弱。运用遥感与地理信息系统技术,以Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像为主要数据源,解译了青藏高原东部甘南和川西北地区1991、2000、2010和2016年4个时期的沼泽湿地;利用转移矩阵和湿地动态度,分析了沼泽湿地的空间变化、转移方向和变化速率;采用景观指数,分析了沼泽湿地景观格局变化;结合气象数据和相关统计资料并利用灰色关联度法,分析了沼泽湿地变化的驱动因素。结果表明:1)研究区沼泽湿地主要分布在东北部,1991-2016年4个时期的面积分别为6739.89、6231.39、5849.59和5649.35 km^2,处于持续减少的状态,26年间面积共减少了1090.54 km^2。2)26年来,研究区沼泽湿地的动态度从-7.54%减小至-3.42%,面积变化速率持续减慢,高寒草地是沼泽湿地转出和转入的主要类型。3)沼泽湿地的斑块数量先增加后减少,斑块密度持续增大,反映了沼泽湿地的破碎程度增高;最大斑块指数先降低后小幅升高,斑块形状指数先升高后小幅下降,反映了沼泽湿地的优势度降低,景观形状趋于复杂化;分离度指数先增大后小幅减小,聚集度持续降低,反映了沼泽湿地从单独紧凑的状态趋向离散化发展。4)人为因素是影响青藏高原东部沼泽湿地面积变化的首要原因,其次受到气候因素的影响,各因子影响力大小依次是牧业生产总值>国民生产总值(GDP)>人口数量>温度>蒸发量。沼泽湿地面积与各因子呈明显的负相关关系,面积随牧业生产总值、GDP、人口数量、温度和蒸发量的增加而减小。

施氮和利用方式对黄土高原禾豆混播草地产量、品质和水分利用的影响

本研究设置紫花苜蓿(Medicago sativa L.,A)、无芒雀麦(Bromus inermis L.,B)单播及两者混播(AB)3种草地类型,每种类型下设3个施氮水平(N1:0 kg·hm^-2;N2:80 kg·hm^-2;N3:160 kg·hm^-2)和2种利用方式(G:放牧;M:刈割),以探究施氮与利用方式对栽培草地产量、品质和水分利用的影响。结果表明:AB处理的粗蛋白和鲜干草产量及水分利用效率(Water use efficiency,WUE)显著高于A和B;A和AB处理与B相比,显著提高粗蛋白、粗脂肪和粗灰分含量,显著降低中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber,NDF)含量,进而提高相对饲用价值(Relative feeding value,RFV);N3处理的粗蛋白含量和鲜干草产量及WUE显著高于N1和N2,且N3处理与N1相比,显著提高牧草粗蛋白、粗脂肪、粗灰分含量和相对饲用价值,降低NDF和酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber,ADF)含量;放牧下的粗蛋白和鲜干草产量及WUE显著高于刈割。因此,紫花苜蓿和无芒雀麦混播草地进行放牧且施氮160 kg·hm^-2是一种适宜黄土高原栽培草地的管理措施。

基于随机森林的高寒草地地上生物量高光谱估算

草地地上生物量(Aboveground biomass,AGB)是衡量草地生产力的关键因素,准确测定草地AGB具有重要意义。高光谱因具有时效性强、不破坏草地等特点被广泛用于草地生理生态指标的测定。本研究提取和计算了海北试验站高寒草地冠层的原始光谱(Original spectrum,OR)反射率、一阶微分光谱(First derivative spectrum,FD)反射率、光谱位置面积参数(Spectral parameters of spectral position and area,PA)和植被指数(Vegetation indices,VI)4种不同类型的特征变量,使用连续投影算法(Successive projections algorithm,SPA)和递归特征消除算法(Recursive feature elimination,RFE)进行特征选择,采用随机森林算法(Random forest,RF)构建草地AGB估测模型。结果表明:在由4种特征变量分别构建的草地AGB估测模型中,基于VI的RF模型精度最高(测试集R2=0.70,RMSE=557.87 kg·ha^(-1)),实测AGB与估测AGB的线性R2达到0.72;不同类型特征变量组合构建的草地AGB估测模型中,PA+VI组合的RF模型精度最高(R2=0.71,RMSE=548.97 kg·ha^(-1)),实测AGB和估测AGB的线性R2达到0.73。

青藏高原退化高寒草地恢复对不同措施响应的Meta分析

为定量评估不同退化程度高寒草地的植物生产力、植物多样性与土壤质量对不同恢复措施的综合响应,本研究基于92篇文献,通过荟萃分析(Meta分析),对2478组恢复实验数据进行综合分析。结果表明:在未退化草地上,自然恢复显著提高植被生产力和植物多样性,且不会使土壤质量下降;在轻度退化草地上,自然和人工辅助恢复均显著提高植被生产力和土壤质量;但人工辅助恢复显著降低植物多样性,而自然恢复则相反。具体措施以中期围栏封育恢复效果最好;在中度退化草地上,人工辅助恢复比自然恢复效果好。具体措施以短期施肥以及短期和中期补播恢复效果较好;在重度退化草地上,人工建植效果最好,但人工建植恢复植物多样性以及土壤质量所需年限较长。