生态学前沿讲座-全球变化生态学.ppt

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1、第三讲第三讲 全球变化生态学全球变化生态学n1.全球变化对植物生理生态的影响全球变化对植物生理生态的影响n2.生物入侵与全球变化的相互作用生物入侵与全球变化的相互作用n3.陆地生态系统与全球变化的相互作用陆地生态系统与全球变化的相互作用1.全球变化对植物生理生态的影响全球变化对植物生理生态的影响n实验手段实验手段n植物对植物对CO2浓度升高的生理反应浓度升高的生理反应n辐射环境变化对植物生理生态的影响辐射环境变化对植物生理生态的影响实验手段实验手段n控制环境实验：野外，用透明材料如玻璃、塑料薄膜罩住，控制环境实验：野外，用透明材料如玻璃、塑料薄膜罩住，封闭，水分、封闭，水分、CO2浓度等内部环

2、境可控，植物环境长期稳浓度等内部环境可控，植物环境长期稳定。简单，易设重复。但气温、风速及地下环境难控。定。简单，易设重复。但气温、风速及地下环境难控。n开顶式同化箱：把某一空间内自然生长的植物群落从四周开顶式同化箱：把某一空间内自然生长的植物群落从四周包围，只让顶部和大气相通，包围，只让顶部和大气相通，“注射注射”CO2气体控制气体控制CO2浓度。隔离导致光照、风速、病虫害状况的改变。浓度。隔离导致光照、风速、病虫害状况的改变。n自由自由CO2施肥：在自然状态下直接通入高浓度的施肥：在自然状态下直接通入高浓度的CO2，成，成本高。本高。n移地实验：原状土体和植物移入具不同温度、降水或其他移地

3、实验：原状土体和植物移入具不同温度、降水或其他环境因子的地方，研究植物对气候变化的响应。环境因子的地方，研究植物对气候变化的响应。植物对植物对CO2浓度升高的生理反应：浓度升高的生理反应：光合作用光合作用n光合作用的第一步，由光合作用的第一步，由1,5-二磷酸核酮糖羧化酶二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）固定）固定CO2，故，故Rubisco与与CO2的结合能力或亲的结合能力或亲和力是制约光合作用对和力是制约光合作用对CO2浓度变化响应的第一要素。浓度变化响应的第一要素。n但现在的大气但现在的大气CO2浓度不足以使浓度不足以使Rubisco饱和，饱和，CO2浓度浓度升高时升高时Rubisco

4、不会成为限制光合速率增加的主要因子。不会成为限制光合速率增加的主要因子。nCO2升高时，光合作用的其他生化反应如光合磷酸化中升高时，光合作用的其他生化反应如光合磷酸化中Pi（磷酸根离子）的再生能力可成为光合作用的限制因子。（磷酸根离子）的再生能力可成为光合作用的限制因子。nCO2 浓度上升对植物将起着肥效作用，大部分人工控制环浓度上升对植物将起着肥效作用，大部分人工控制环境下的模拟实验表明境下的模拟实验表明，植物生长加快。，植物生长加快。CO2浓度升高，光浓度升高，光合色素叶绿素和类合色素叶绿素和类胡萝卜素含量提高，胡萝卜素含量提高，捕获光能的能力增捕获光能的能力增强。强。叶绿素叶绿素a/b比

5、值降低，有利比值降低，有利于形成叶绿素于形成叶绿素b和捕光色和捕光色素蛋白复合体，增强对光素蛋白复合体，增强对光能的吸收；还能降低荧光能的吸收；还能降低荧光非光化学猝灭系数，减少非光化学猝灭系数，减少不能参与光反应的非辐射不能参与光反应的非辐射能量的耗散，有利于光能能量的耗散，有利于光能的有效利用。的有效利用。光系统活性及其原初光能转化效率和潜光系统活性及其原初光能转化效率和潜在光合作用量子转化效率提高，有助于在光合作用量子转化效率提高，有助于光能有效转化为生物化学能。光能有效转化为生物化学能。光合光合作用作用对对CO2的的光合驯化光合驯化n高浓度高浓度CO2下，短期内许多植物的光合速率提高幅

6、度较大，下，短期内许多植物的光合速率提高幅度较大，长时期则会产生适应性下降，提高幅度减小，有的甚至下长时期则会产生适应性下降，提高幅度减小，有的甚至下降，回到原来降，回到原来CO2浓度下的水平。浓度下的水平。n通过对通过对光合速率与光合速率与CO2浓度的反应曲线（浓度的反应曲线（A/Ci曲线），判曲线），判断是否出现断是否出现对对CO2的的光合驯化，显著标志是光合驯化，显著标志是A/Ci曲线斜率曲线斜率降低，并常伴随降低，并常伴随Rubisco含量及活性的下降、光合蛋白的含量及活性的下降、光合蛋白的变化及基因水平的调节。变化及基因水平的调节。n不同光合途径植物的响应：不同光合途径植物的响应：C

7、3植物植物CO2补偿点低、光呼吸弱，净补偿点低、光呼吸弱，净光合速率提高幅度较大；光合速率提高幅度较大；C4植物植物CO2补偿点高、光呼吸强，净光补偿点高、光呼吸强，净光合速率提高幅度较小。因此合速率提高幅度较小。因此CO2浓度升高，浓度升高，C3植物首先表现出较植物首先表现出较强的光合速率升高。强的光合速率升高。植物对植物对CO2浓度升高的生理反应：浓度升高的生理反应：呼吸作用呼吸作用n短期：短期：19世纪就已清楚，世纪就已清楚，CO2浓度升高，保卫细胞收缩、气孔关浓度升高，保卫细胞收缩、气孔关闭、细胞内氧分压降低、闭、细胞内氧分压降低、CO2分压提高，抑制呼吸作用；但分压提高，抑制呼吸作用

8、；但一些一些植物的呼吸速率随植物的呼吸速率随CO2浓度升高而增加或不变，这和白天积累了浓度升高而增加或不变，这和白天积累了较多光合产物有关。较多光合产物有关。n如生物圈如生物圈2号内长期较高浓度号内长期较高浓度CO2下的下的10种植物中，种植物中，C3植物呼吸植物呼吸速率上升，速率上升，C4植物呼吸速率变化不明显；低温植物呼吸速率变化不明显；低温(15-20)下呼吸下呼吸速率变化不明显，高温速率变化不明显，高温(30-35)下，多数呼吸速率显著增强。下，多数呼吸速率显著增强。CO2浓度升高使介质浓度升高使介质pH值下降、温度上升，影响呼吸酶活性。值下降、温度上升，影响呼吸酶活性。n长期：单位面

9、积的呼吸量会随长期：单位面积的呼吸量会随CO2浓度升高而提高，而按单位生浓度升高而提高，而按单位生物量计则可能比对照环境下的植物减少。物量计则可能比对照环境下的植物减少。植物对植物对CO2浓度升高的生理反应：浓度升高的生理反应：气孔气孔导度导度n现象：环境现象：环境CO2浓度（浓度（Ca）升高导致胞间）升高导致胞间CO2浓度（浓度（Ci）增加，植物有维持增加，植物有维持Ci低于低于Ca而导致气孔张开度缩小或部分而导致气孔张开度缩小或部分关闭的倾向，气孔导度降低。关闭的倾向，气孔导度降低。n生理机制：高浓度生理机制：高浓度CO2下植物的光合产物增加，保卫细胞下植物的光合产物增加，保卫细胞内多糖浓

10、度随之提高，细胞水势增加，吸水膨胀，从而使内多糖浓度随之提高，细胞水势增加，吸水膨胀，从而使气孔关闭、气孔导度降低。气孔关闭、气孔导度降低。n高高CO2浓度下气孔密度减少，也导致气孔导度降低。浓度下气孔密度减少，也导致气孔导度降低。植物对植物对CO2浓度升高的生理反应：浓度升高的生理反应：水分利用效率水分利用效率n如果气孔导度随如果气孔导度随CO2浓度升高而降低，而光合作用提高的浓度升高而降低，而光合作用提高的话，植物对水分的利用即话，植物对水分的利用即水分利用效率（水分利用效率（WUE，为，为净光合净光合速率与蒸腾速率的比值速率与蒸腾速率的比值）将增加。）将增加。n机理：机理：气孔导度降低的

11、直接影响是增加水分的扩散阻力，气孔导度降低的直接影响是增加水分的扩散阻力，减少蒸腾量；而高浓度减少蒸腾量；而高浓度CO2环境会增加细胞内外环境会增加细胞内外CO2浓度浓度差，通常会增加光合速率，结果导致差，通常会增加光合速率，结果导致WUE提高。提高。n不同类型的植物反应有差异。不同类型的植物反应有差异。植物对植物对CO2浓度升高的生理反应：浓度升高的生理反应：植物化学成分植物化学成分植物植物植物植物化学化学化学化学N和可溶性蛋白质含和可溶性蛋白质含量下降，可溶性糖、量下降，可溶性糖、某些维生素、某些维生素、K和和P等等含量降低，淀粉、单含量降低，淀粉、单宁的含量上升。宁的含量上升。地上部分地

12、上部分C/N值增加，值增加，地下部分地下部分C/N值降低。值降低。也影响次生代谢物质的形也影响次生代谢物质的形成和分泌，其影响是多方成和分泌，其影响是多方面的，且具有种间特异性。面的，且具有种间特异性。植物对植物对CO2浓度升高的生理反应：浓度升高的生理反应：形态形态n植物的冠幅、高度增大；植物的冠幅、高度增大；n茎干中次生木质部的生长轮加宽，材积增大；茎干中次生木质部的生长轮加宽，材积增大；n节间数、叶片数增多；节间数、叶片数增多；n叶片厚度增加，栅栏组织层数增加，叶片厚度增加，栅栏组织层数增加，单位面积内表皮细胞单位面积内表皮细胞和气孔数量减少；和气孔数量减少；n根系数量增多，根幅扩大；根

13、系数量增多，根幅扩大；n果实种子增大。果实种子增大。植物对植物对CO2浓度升高的生理反应：浓度升高的生理反应：水热和营养环境改变的影响水热和营养环境改变的影响nCO2与温度的复合作用：与温度的复合作用：CO2浓度升高伴随着温度升高。高浓度升高伴随着温度升高。高CO2浓度下，叶温升高导致光合对浓度下，叶温升高导致光合对CO2和和O2不敏感，将发生对光合作不敏感，将发生对光合作用的反馈机制。用的反馈机制。n干旱与干旱与CO2浓度升高的复合影响：浓度升高的复合影响：CO2浓度升高的影响在干旱区浓度升高的影响在干旱区表现的正效应更大。表现的正效应更大。n不同营养水平下对不同营养水平下对CO2的响应：的

14、响应：N供应不足可通过产物积累，降供应不足可通过产物积累，降低光合作用有关酶的表达及限制蛋白质合成导致光合适应现象。低光合作用有关酶的表达及限制蛋白质合成导致光合适应现象。n光抑制环境与高光抑制环境与高CO2浓度下的响应：如果光合色素吸收的光能超浓度下的响应：如果光合色素吸收的光能超过正常光化学途径及以热能和荧光的形式散失的能量，就会发生过正常光化学途径及以热能和荧光的形式散失的能量，就会发生光抑制。高光抑制。高CO2浓度不会降低电子传递的光能利用效率，甚至减浓度不会降低电子传递的光能利用效率，甚至减缓田间植物光抑制。缓田间植物光抑制。辐射环境变化对植物生理生态的影响：辐射环境变化对植物生理生

15、态的影响：光合辐射光合辐射减少减少n全球变化中，可见光部分的太阳辐射可能减少，全球变化中，可见光部分的太阳辐射可能减少，如大气污染物质、烟雾、气溶胶都可减少到达地如大气污染物质、烟雾、气溶胶都可减少到达地面的可见光。面的可见光。n光合有效辐射减少，碳同化量减少，生长速度减光合有效辐射减少，碳同化量减少，生长速度减慢，尤其是林下植物；蒸腾作用减弱，这对干旱慢，尤其是林下植物；蒸腾作用减弱，这对干旱地区的植物可能有利，但同时意味着植物体内的地区的植物可能有利，但同时意味着植物体内的运输受到抑制。运输受到抑制。辐射环境变化对植物生理生态的影响：辐射环境变化对植物生理生态的影响：紫外辐射增强紫外辐射增

16、强n近年来广泛开展了近年来广泛开展了UVB增强增强增强增强对植物影响的研究。对植物影响的研究。n n紫外辐射增强对植物的生态效应：紫外辐射增强对植物的生态效应：紫外辐射增强对植物的生态效应：紫外辐射增强对植物的生态效应：产量品质、开产量品质、开产量品质、开产量品质、开花结实、生长、种群结构、能量积累与流动、环花结实、生长、种群结构、能量积累与流动、环花结实、生长、种群结构、能量积累与流动、环花结实、生长、种群结构、能量积累与流动、环境境境境n n紫外辐射增强对植物的生理效应：紫外辐射增强对植物的生理效应：紫外辐射增强对植物的生理效应：紫外辐射增强对植物的生理效应：光合作用、水光合作用、水光合作

17、用、水光合作用、水分代谢、根系活力及分代谢、根系活力及分代谢、根系活力及分代谢、根系活力及NRNR（硝酸还原酶）活性、细（硝酸还原酶）活性、细（硝酸还原酶）活性、细（硝酸还原酶）活性、细胞膜结构胞膜结构胞膜结构胞膜结构紫外辐射增强紫外辐射增强对对植物植物产量品质的影响产量品质的影响nTeramura研究了研究了200余种植物对紫外辐射增强的反应，发余种植物对紫外辐射增强的反应，发现其中三分之二的生物量及经济产量有不同程度下降。现其中三分之二的生物量及经济产量有不同程度下降。n李元等的春小麦实验除验证了前者的观点外，还进一步发李元等的春小麦实验除验证了前者的观点外，还进一步发现，紫外辐射增强对春

18、小麦品质具有明显影响：籽粒总糖现，紫外辐射增强对春小麦品质具有明显影响：籽粒总糖含量增加，粗蛋白、总氨基酸和含量增加，粗蛋白、总氨基酸和15 种氨基酸含量明显偏离种氨基酸含量明显偏离对照植株同类生化物质的正常指标，其中，蛋氨酸、酪氨对照植株同类生化物质的正常指标，其中，蛋氨酸、酪氨酸、脯氨酸和胱氨酸的降幅达酸、脯氨酸和胱氨酸的降幅达12.4%90%。n紫外辐射增强胁迫下，植物体内上述生化物质变化是被动紫外辐射增强胁迫下，植物体内上述生化物质变化是被动损伤的结果还是积极主动的适应呢损伤的结果还是积极主动的适应呢?其生态学含义尚不明其生态学含义尚不明晰。晰。紫外辐射增强紫外辐射增强对对植物开花结实

19、植物开花结实的影响的影响n在构成植物产量的诸要素中，开花、结实无疑是两个重要在构成植物产量的诸要素中，开花、结实无疑是两个重要参数。参数。n对小麦的研究表明，与对照植株相比，对小麦的研究表明，与对照植株相比，在紫外辐射增强胁在紫外辐射增强胁迫下，小麦每穗粒数下降迫下，小麦每穗粒数下降 20.72%，开花延迟，每日开花，开花延迟，每日开花数量、可孕小花数量（降低数量、可孕小花数量（降低26.2%）均大幅下降，最终造）均大幅下降，最终造成小麦每公顷经济产量比对照组下降成小麦每公顷经济产量比对照组下降24%。n一般而言，高产优质的物种，在种间竞争中往往占据较大一般而言，高产优质的物种，在种间竞争中往

20、往占据较大的竞的竞 争优势。所以，紫外辐射胁迫除对植物产量、品质构争优势。所以，紫外辐射胁迫除对植物产量、品质构成直接成直接 伤害外，还对物种间竞争平衡产生间接的伤害效应。伤害外，还对物种间竞争平衡产生间接的伤害效应。紫外辐射增强紫外辐射增强对对植物生长植物生长的影响的影响n研究表明，紫外辐射增强胁迫下，小麦、野燕麦的株高、研究表明，紫外辐射增强胁迫下，小麦、野燕麦的株高、冠幅受到明显抑制，水稻株高较对照下降冠幅受到明显抑制，水稻株高较对照下降22.8%，大豆株，大豆株高、叶面积比对照降低高、叶面积比对照降低18.1%和和23.6%；春小麦根长、根；春小麦根长、根系数量、根体积、株高、叶片数、

21、叶面积等生长指标皆低系数量、根体积、株高、叶片数、叶面积等生长指标皆低于对照植株，降幅达于对照植株，降幅达28.6%36.1%。n显然，植物地上与地下器官生长的衰减，使植物地上、地显然，植物地上与地下器官生长的衰减，使植物地上、地下两个层面的营养（空气营养、矿质营养）摄取减少。下两个层面的营养（空气营养、矿质营养）摄取减少。紫外辐射增强紫外辐射增强对对植物植物种群结构种群结构的影响的影响n叶面积指数（叶面积指数（LAI）和叶面积垂直分布决定了种群光合作）和叶面积垂直分布决定了种群光合作用面积与光能利用率，是表征种群空间结构优劣的指标。用面积与光能利用率，是表征种群空间结构优劣的指标。n研究发现

22、，在孕穗期研究发现，在孕穗期开花期给予紫外辐射增强胁迫，小开花期给予紫外辐射增强胁迫，小麦种群的叶面积指数较对照下降麦种群的叶面积指数较对照下降19.1%和和11.6%。n紫外辐射增强对小麦种群叶面积垂直分布的影响表现为，紫外辐射增强对小麦种群叶面积垂直分布的影响表现为，叶面积的垂直分布向下偏移，即叶面积的垂直分布向下偏移，即LAI重心下移，上层重心下移，上层LAI 占总占总LAI 的比例比对照种群降低的比例比对照种群降低10%15%，中层不变，中层不变，下层下层LAI 增加增加10%15%。n由于种群上层叶片光合效率高，由于种群上层叶片光合效率高，LAI 重心下移引起的种群重心下移引起的种群

23、空间结构趋劣，可能是引起种群生物量下降的一个重要原空间结构趋劣，可能是引起种群生物量下降的一个重要原因。因。紫外辐射增强对紫外辐射增强对能量积累与流动能量积累与流动的影响的影响n紫外辐射增强使处于分蘖、拔节、扬花、成熟四期的春小紫外辐射增强使处于分蘖、拔节、扬花、成熟四期的春小麦种群的根、茎、叶、穗各器官的生物量及总生物量均显麦种群的根、茎、叶、穗各器官的生物量及总生物量均显著降低，其中总生物量分别较对照小麦种群下降著降低，其中总生物量分别较对照小麦种群下降42.66%、33.86%、40.62%和和45.37%。n同样，上述四期春小麦根、茎、叶、穗各器官的能量累积同样，上述四期春小麦根、茎、

24、叶、穗各器官的能量累积（能量累积（能量累积=热值热值生物量）和总能量累积也明显降低。生物量）和总能量累积也明显降低。其中总能量累积分别比对照小麦种群下降了其中总能量累积分别比对照小麦种群下降了41.03%、30.77%、35.34%和和45.47%。n紫外辐射胁迫增强降低春小麦种群能量积累，势必造成麦紫外辐射胁迫增强降低春小麦种群能量积累，势必造成麦田生态系统中生产者的能量输出减少，最终导致麦田生态田生态系统中生产者的能量输出减少，最终导致麦田生态系统能量流动功能下降。系统能量流动功能下降。紫外辐射增强紫外辐射增强对对植物植物环境环境的影响的影响(1)对矿质营养影响对矿质营养影响(2)对水分亏

25、缺的影响对水分亏缺的影响(3)对重金属污染影响对重金属污染影响(4)对对CO2 倍增的影响倍增的影响(5)对土壤微生物影响对土壤微生物影响(1)对矿质营养影响n氮、磷、铁是植物正常生长发育的必需元素。研究证实，氮、磷、铁是植物正常生长发育的必需元素。研究证实，紫外辐射增强对这紫外辐射增强对这3种元素在植物体内的积累及在植物种元素在植物体内的积累及在植物-土土壤系统中的迁移均有影响。壤系统中的迁移均有影响。n在增强紫外辐射照射情况下，春小麦氮、磷元素总累积量在增强紫外辐射照射情况下，春小麦氮、磷元素总累积量较对照植株下降较对照植株下降17.68%和和28.89%，同时降低春小麦的氮、，同时降低春

26、小麦的氮、磷元素的输出。由于植物磷元素的输出。由于植物-土壤系统中输入土壤系统中输入/输出平衡破坏，输出平衡破坏，氮、磷循环功能下降。氮、磷循环功能下降。n紫外辐射增强对铁元素积累、迁移的影响同前述相似，虽紫外辐射增强对铁元素积累、迁移的影响同前述相似，虽然在春小麦的不同生育期、不同部位的变化趋势不尽一致，然在春小麦的不同生育期、不同部位的变化趋势不尽一致，但其植株总积累量随紫外辐射增加而下降，降幅约为但其植株总积累量随紫外辐射增加而下降，降幅约为40.54%，其结果同样是铁循环失衡。，其结果同样是铁循环失衡。(2)对水分亏缺的影响n水分亏缺是影响植物生存的又一环境障碍，且水分亏缺的水分亏缺是

27、影响植物生存的又一环境障碍，且水分亏缺的地域往往伴随较强的紫外辐射。地域往往伴随较强的紫外辐射。n对大豆的研究表明，植物在水分亏缺情况下，同时给予紫对大豆的研究表明，植物在水分亏缺情况下，同时给予紫外辐射胁迫，其株高、叶面积、干物重三项指标的降幅为外辐射胁迫，其株高、叶面积、干物重三项指标的降幅为18.1%、23.6%、34.8%，低于正常水分与紫外辐射胁迫，低于正常水分与紫外辐射胁迫组合的处理（降幅为组合的处理（降幅为20.2%、32.7%和和41.7%）。）。n说明紫外辐射增加对水分亏缺胁迫无促进作用，相反水分说明紫外辐射增加对水分亏缺胁迫无促进作用，相反水分亏缺降低了紫外辐射对植物的伤害

28、，两者表现为拮抗作用。亏缺降低了紫外辐射对植物的伤害，两者表现为拮抗作用。n类似的实验结果也出现在黄瓜、萝卜以及木本植物地中海类似的实验结果也出现在黄瓜、萝卜以及木本植物地中海松和意大利伞松上。松和意大利伞松上。这是否同植物在逆境胁迫下产生的交这是否同植物在逆境胁迫下产生的交叉抗逆反应有关，尚需再作深入研究。叉抗逆反应有关，尚需再作深入研究。(3)对重金属污染影响n重金属污染是胁迫植物生存的又一环境障碍。重金属污染是胁迫植物生存的又一环境障碍。nRai等研究了紫外辐射与铜、铅相互作用对鱼腥藻生长的等研究了紫外辐射与铜、铅相互作用对鱼腥藻生长的影响。结果表明，紫外辐射增强，使鱼腥藻细胞质膜透性影

29、响。结果表明，紫外辐射增强，使鱼腥藻细胞质膜透性上升，促进了铜、铅向藻体内迁移，进而抑制光合作用及上升，促进了铜、铅向藻体内迁移，进而抑制光合作用及氮、磷等元素的吸收与代谢。氮、磷等元素的吸收与代谢。nLarson 等发现，蔓菁在紫外辐射与镉相互作用下，光合作等发现，蔓菁在紫外辐射与镉相互作用下，光合作用的非光化学淬灭降低，叶片中铁、镁、铜、磷、钙、钾、用的非光化学淬灭降低，叶片中铁、镁、铜、磷、钙、钾、硫、锌的积累增加，锰含量降低，暗示这同镉不可逆竞争硫、锌的积累增加，锰含量降低，暗示这同镉不可逆竞争金属元素在酶中的结合位点及提高细胞膜脂过氧化反应有金属元素在酶中的结合位点及提高细胞膜脂过氧

30、化反应有关。其最终结果是抑制植物生长。关。其最终结果是抑制植物生长。(4)对CO2 倍增的影响nTeramura 等报道，大气中等报道，大气中CO2 浓度上升浓度上升(680 mol/L)，可使玉米、大豆的生物量和种子产量增加，而紫外辐射增可使玉米、大豆的生物量和种子产量增加，而紫外辐射增强则逆转了强则逆转了CO2 倍增的效果，两者间的作用可以相互抵消。倍增的效果，两者间的作用可以相互抵消。nBjorn 等人在瑞典北部等人在瑞典北部Abisco 生态定位站对石楠灌丛进行生态定位站对石楠灌丛进行了连续三年的定位观测研究，其结果否定了前者的观点。了连续三年的定位观测研究，其结果否定了前者的观点。他

31、们认为，紫外辐射增强与他们认为，紫外辐射增强与CO2 倍增的相互作用对植物并倍增的相互作用对植物并不明显。不明显。n这究竟是实验物种间的差异，还是实验手段的不同，抑或这究竟是实验物种间的差异，还是实验手段的不同，抑或两者兼而有之？仍需继续探究。两者兼而有之？仍需继续探究。(5)对土壤微生物影响n紫外辐射增强，使小麦根际的细菌、防线菌、真菌、好氧紫外辐射增强，使小麦根际的细菌、防线菌、真菌、好氧性自生固氮菌、亚硝酸细菌、反硝化细菌、好氧性纤维素性自生固氮菌、亚硝酸细菌、反硝化细菌、好氧性纤维素分解菌、解磷细菌的种群数量明显偏离对照的同类微生物分解菌、解磷细菌的种群数量明显偏离对照的同类微生物种群

32、的数量，并因此引起土壤中有效氮、速效磷、速效铁、种群的数量，并因此引起土壤中有效氮、速效磷、速效铁、交换性镁、速效锌等营养元素含量的变化。交换性镁、速效锌等营养元素含量的变化。n考虑到紫外辐射对土壤的穿透能力很弱，上述微生物种群考虑到紫外辐射对土壤的穿透能力很弱，上述微生物种群及土壤中营养元素含量的变化与其说是紫外辐射增强的直及土壤中营养元素含量的变化与其说是紫外辐射增强的直接效应，不如视为紫外辐射影响植物地上与地下部生长、接效应，不如视为紫外辐射影响植物地上与地下部生长、代谢及分泌物数量的间接结果。代谢及分泌物数量的间接结果。紫外辐射增强对植物的生理效应：紫外辐射增强对植物的生理效应：抑制植

33、物光合作用抑制植物光合作用nVan 等实验发现，植物经紫外辐射增强胁迫后，光合速率等实验发现，植物经紫外辐射增强胁迫后，光合速率与光合产物积累同步下降。与光合产物积累同步下降。n紫外辐射使光系统紫外辐射使光系统反应中心失活，电子传递链功能下降，反应中心失活，电子传递链功能下降，电子传导速率的光饱和值降低，光能利用率下降；在光合电子传导速率的光饱和值降低，光能利用率下降；在光合作用光反应受抑的同时，叶绿体中参与碳素还原（暗反应）作用光反应受抑的同时，叶绿体中参与碳素还原（暗反应）的关键酶的关键酶1,5-二磷酸核酮糖羧化酶羧化速率的光饱和值也二磷酸核酮糖羧化酶羧化速率的光饱和值也同步降低，羧化速率

34、下降、光合产物合成明显受抑。同步降低，羧化速率下降、光合产物合成明显受抑。n在紫外辐射胁迫下，叶绿素含量下降；叶片气孔阻力增大在紫外辐射胁迫下，叶绿素含量下降；叶片气孔阻力增大或气孔关闭；叶绿体膜上镁或气孔关闭；叶绿体膜上镁-腺苷三磷酸酶活性下降导致腺苷三磷酸酶活性下降导致叶绿体基质叶绿体基质pH降低；叶绿体膜组分改变，不饱和脂肪酸降低；叶绿体膜组分改变，不饱和脂肪酸（亚麻酸）含量下降，饱和脂肪酸（棕榈酸、硬脂酸）含（亚麻酸）含量下降，饱和脂肪酸（棕榈酸、硬脂酸）含量上升，造成膜流动性降低等。量上升，造成膜流动性降低等。紫外辐射增强对植物的生理效应：紫外辐射增强对植物的生理效应：影响植物水分代

35、谢影响植物水分代谢n植物根系生长所需的有机物与叶片生长所需的矿物质等是植物根系生长所需的有机物与叶片生长所需的矿物质等是靠水分运输实现的，这意味着紫外辐射增强对植物生长的靠水分运输实现的，这意味着紫外辐射增强对植物生长的影响同水分代谢有关。影响同水分代谢有关。n研究表明，在紫外辐射增强胁迫下，大豆与春小麦叶片的研究表明，在紫外辐射增强胁迫下，大豆与春小麦叶片的水分蒸腾速率及气孔传导率，分别较对照下降水分蒸腾速率及气孔传导率，分别较对照下降18.1%和和22.4%、23.4%与与37.2%，大豆叶片含水量较对照植株减少，大豆叶片含水量较对照植株减少22.5%30%，类似的结果也显现在黄瓜、萝卜的

36、实验中。，类似的结果也显现在黄瓜、萝卜的实验中。n紫外辐射增强影响植物水分代谢的机制在于：减小叶片气紫外辐射增强影响植物水分代谢的机制在于：减小叶片气孔开度，增大气孔阻力。其深层原因是：抑制植物细胞内孔开度，增大气孔阻力。其深层原因是：抑制植物细胞内液胞膜上钾液胞膜上钾-腺苷三磷酸酶活性，促进钾离子从保卫细胞腺苷三磷酸酶活性，促进钾离子从保卫细胞中流出；诱导细胞内源激素脱落酸的生物合成，后者继而中流出；诱导细胞内源激素脱落酸的生物合成，后者继而对气孔行使调节作用。对气孔行使调节作用。紫外辐射增强对植物的生理效应：紫外辐射增强对植物的生理效应：影响根系活力及影响根系活力及硝酸还原酶硝酸还原酶活性

37、活性n根系活力之高低影响根系功能的发挥与地上部器官正常生根系活力之高低影响根系功能的发挥与地上部器官正常生长。硝酸还原酶是植物氮素营养代谢中的一个关键酶，其长。硝酸还原酶是植物氮素营养代谢中的一个关键酶，其活性高低既影响植物生物量积累，也影响其品质形成。活性高低既影响植物生物量积累，也影响其品质形成。n研究表明，黄瓜幼苗在紫外辐射增强胁迫下，研究表明，黄瓜幼苗在紫外辐射增强胁迫下，7 d、16 d 后根系活力分别比对照下降后根系活力分别比对照下降17.9%和和21.9%，说明紫外辐，说明紫外辐射对植物根系活力的抑制随紫外辐射时间的延长而增强，射对植物根系活力的抑制随紫外辐射时间的延长而增强，根

38、系活力下降对地上与地下部的物质分配和生理信号传导根系活力下降对地上与地下部的物质分配和生理信号传导皆产生不利影响。皆产生不利影响。n研究发现，紫外辐射增强对大豆植株硝酸还原酶活性的抑研究发现，紫外辐射增强对大豆植株硝酸还原酶活性的抑制效应，因温度不同而异：制效应，因温度不同而异：15 时，处理植株的时，处理植株的NR 活性活性比对照下降比对照下降47.4%；30 时，则骤降时，则骤降75.4%。该实验从底。该实验从底物水平上证实了物水平上证实了紫外辐射紫外辐射增强增强阻碍植物吸收氮素的结论。阻碍植物吸收氮素的结论。紫外辐射增强对植物的生理效应：紫外辐射增强对植物的生理效应：损伤植物细胞膜结构损

39、伤植物细胞膜结构n细胞生物膜系统是紫外辐射胁迫伤害的靶位。细胞生物膜系统是紫外辐射胁迫伤害的靶位。n对水稻的研究发现：在紫外辐射增强胁迫下，水稻叶片中对水稻的研究发现：在紫外辐射增强胁迫下，水稻叶片中的活性氧清除系统的活性氧清除系统-超氧物歧化酶（超氧物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（）、过氧化物酶（POD）的活性随胁迫时间延长而）的活性随胁迫时间延长而降低，清除活性氧（降低，清除活性氧（O，OH，H2O2）的能力下降，活）的能力下降，活性氧代谢失衡。性氧代谢失衡。多余的活性氧攻击细胞膜系统中的不饱和多余的活性氧攻击细胞膜系统中的不饱和脂肪酸，引发膜系统自氧化

40、链式反应发生，膜脂过氧化产脂肪酸，引发膜系统自氧化链式反应发生，膜脂过氧化产物丙二醛物丙二醛(MDA)含量骤增，膜结构受损、透性上升，细胞含量骤增，膜结构受损、透性上升，细胞内生物电位与内生物电位与pH 偏离正常范围，代谢紊乱。偏离正常范围，代谢紊乱。n研究进一步发现，植物细胞内源抗氧化物质抗坏血酸研究进一步发现，植物细胞内源抗氧化物质抗坏血酸（AsA）、类胡萝卜素（）、类胡萝卜素（Car）的含量，随紫外辐射胁迫）的含量，随紫外辐射胁迫时间的延长而下降，是活性氧代谢失衡的又一佐证。时间的延长而下降，是活性氧代谢失衡的又一佐证。紫外紫外辐射增射增强保保护酶(SOD、CAT、POD)活性降低活性降

41、低活性氧活性氧(O、OH、H2O2)集聚集聚膜脂膜脂过氧化作用增氧化作用增强丙二丙二醛(MDA)含量含量骤增增膜膜结构完整性破坏构完整性破坏膜膜选择透性透性丧失失细胞内胞内环境境趋劣劣(生物生物电位、位、pH 异常异常)细胞胞结构或功能受构或功能受损代谢紊乱或细胞死亡胞死亡2.生物入侵与全球变化的相互作用生物入侵与全球变化的相互作用nCO2浓度升高与生物入侵浓度升高与生物入侵n紫外辐射增强与生物入侵紫外辐射增强与生物入侵n环境污染与生物入侵环境污染与生物入侵n土地利用变化和生境破碎与生物入侵土地利用变化和生境破碎与生物入侵n干扰体系的变迁与生物入侵干扰体系的变迁与生物入侵n气候变化与生物入侵气

42、候变化与生物入侵CO2浓度升高与生物入侵浓度升高与生物入侵nCO2浓度升高时，不同固碳途径的植物之间的竞争关系会发浓度升高时，不同固碳途径的植物之间的竞争关系会发生变化。生变化。大多数研究表明，大多数研究表明，C3植物在单独生长或共生竞争植物在单独生长或共生竞争时都比时都比C4植物更受益于植物更受益于CO2浓度升高。因此，浓度升高。因此，C3杂草会在杂草会在C4作物种群中更有竞争力，而作物种群中更有竞争力，而C4杂草对杂草对C3作物的影响减少，作物的影响减少，即即C4植物为优势种群的群落更易被植物为优势种群的群落更易被C3植物入侵。植物入侵。nCO2浓度升高时，光合作用增加，藤本植物依赖其他植

43、物支浓度升高时，光合作用增加，藤本植物依赖其他植物支持，不用把增加的碳素分配给支撑组织，因此，纵向生长和持，不用把增加的碳素分配给支撑组织，因此，纵向生长和新叶生长均快于其他植物。故利于这类入侵者的入侵。新叶生长均快于其他植物。故利于这类入侵者的入侵。n不同物种反应的程度不同。不同物种反应的程度不同。紫外辐射增强与生物入侵紫外辐射增强与生物入侵n紫外辐射会在全球增强，尤其是温带。紫外辐射会在全球增强，尤其是温带。n紫外辐射增强对某些植物的生长有负面影响，同紫外辐射增强对某些植物的生长有负面影响，同时对自然群落的竞争和生态过程有重要的间接效时对自然群落的竞争和生态过程有重要的间接效应。应。nUV

44、-B的升高会刺激植物（尤其是单子叶植物）的的升高会刺激植物（尤其是单子叶植物）的形态和叶伸展的变化，因而可能会对单、双子叶形态和叶伸展的变化，因而可能会对单、双子叶混合的群落内的竞争有强烈作用。混合的群落内的竞争有强烈作用。环境污染与生物入侵环境污染与生物入侵n硫酸盐对硫酸盐对C3植物的正常伤害会受到高浓度植物的正常伤害会受到高浓度CO2的的补偿。因此，硫沉降也许会放大在补偿。因此，硫沉降也许会放大在CO2升高条件升高条件下下C3对对C4植物的优势。植物的优势。n酸沉降可改变土壤酸沉降可改变土壤pH，从而改变物种组成。当酸，从而改变物种组成。当酸沉降超出碱性土壤中的缓冲能力时，本地植物也沉降超

45、出碱性土壤中的缓冲能力时，本地植物也许将面临适应性更广的外来种的竞争。许将面临适应性更广的外来种的竞争。n氮沉降增加土壤肥力，导致慢生植物为速生植物氮沉降增加土壤肥力，导致慢生植物为速生植物特别是禾草和其他杂草所取代。特别是禾草和其他杂草所取代。土地利用变化和生境破碎与生物入侵土地利用变化和生境破碎与生物入侵n将自然生态系统转化为人类为主的系统或使用后荒弃，将自然生态系统转化为人类为主的系统或使用后荒弃，与生物入侵有诸多联系。与生物入侵有诸多联系。n景观异质性促进入侵：生境的斑块化产生边界，可能景观异质性促进入侵：生境的斑块化产生边界，可能为外来种提供适宜的环境。道路或其他与斑块化相联为外来种

46、提供适宜的环境。道路或其他与斑块化相联的交通廊道可成为杂草入侵的渠道。公路和铁路是入的交通廊道可成为杂草入侵的渠道。公路和铁路是入侵种移殖的主要途径，而港口和主要农业中心是许多侵种移殖的主要途径，而港口和主要农业中心是许多有害植物的突破口。有害植物的突破口。干扰体系的变迁与生物入侵干扰体系的变迁与生物入侵n火是人类影响自然干扰模式最显著的例子。加州火是人类影响自然干扰模式最显著的例子。加州赖火性（赖火性（fire-dependent）群落的个别本地种由于）群落的个别本地种由于对火的压制而濒危；但火灾频度的提高导致生物对火的压制而濒危；但火灾频度的提高导致生物入侵的危害更大。入侵的危害更大。n水

47、文体系的改变（如农业灌溉系统和水坝）对本水文体系的改变（如农业灌溉系统和水坝）对本地河滨植物产生负面影响，或许会促进生物入侵。地河滨植物产生负面影响，或许会促进生物入侵。气候变化与生物入侵气候变化与生物入侵n气候变化和随之而来的气候带的迁移将面临外来气候变化和随之而来的气候带的迁移将面临外来种或至少是陌生的相邻物种种群的影响。种或至少是陌生的相邻物种种群的影响。n温度是物种分布的限制因子之一。如，有些多年温度是物种分布的限制因子之一。如，有些多年生杂草的越冬能力与冬季最低温有关，气候变暖生杂草的越冬能力与冬季最低温有关，气候变暖导致北部地区的暖冬将会导致它们向北扩散。导致北部地区的暖冬将会导致

48、它们向北扩散。3.陆地生态系统与全球变化的相互作用陆地生态系统与全球变化的相互作用n研究手段研究手段n全球变化对陆地生态系统功能的影响全球变化对陆地生态系统功能的影响n全球变化对陆地生态系统结构的影响全球变化对陆地生态系统结构的影响n陆地生态系统对全球变化的反馈作用陆地生态系统对全球变化的反馈作用研究手段研究手段n模拟实验：建立人工生态系统，如生物圈模拟实验：建立人工生态系统，如生物圈2号号n定位观测和台站网络：长期记录环境条件、生产者、消费者和定位观测和台站网络：长期记录环境条件、生产者、消费者和分解者的组成与动态。分解者的组成与动态。n样带研究：在研究陆地生态系统对全球变化的响应及其对策以

49、样带研究：在研究陆地生态系统对全球变化的响应及其对策以及全球变化的驱动因素的梯度分析方面，样带研究是非常有效及全球变化的驱动因素的梯度分析方面，样带研究是非常有效的途径。一般穿越在地理空间上具有连续性的环境梯度如水分的途径。一般穿越在地理空间上具有连续性的环境梯度如水分梯度、温度梯度。达到预测未来全球变化背景下该因子的变化梯度、温度梯度。达到预测未来全球变化背景下该因子的变化引起的生态系统过程的相应变化。必须包括一定的定位观测和引起的生态系统过程的相应变化。必须包括一定的定位观测和野外实验地点，宽度上必须满足遥感影像幅宽的要求，同时保野外实验地点，宽度上必须满足遥感影像幅宽的要求，同时保证在全

50、球尺度模型中包含若干个像元。证在全球尺度模型中包含若干个像元。n模型研究：林窗模型（空间尺度小）、经验模型（基于植被模型研究：林窗模型（空间尺度小）、经验模型（基于植被-气候间的统计关系，机理分析不足）和过渡模型。气候间的统计关系，机理分析不足）和过渡模型。全球变化对陆地生态系统功能的影响：全球变化对陆地生态系统功能的影响：CO2浓度升高和气候变化的影响浓度升高和气候变化的影响n初级生产力：不同地理区域增幅不同初级生产力：不同地理区域增幅不同n凋落物分解：分解速度加快（温度、凋落物分解：分解速度加快（温度、C/N增加）增加）n水分有效性：增加水分有效性：增加n碳汇功能：碳汇功能：CO2浓度升高