微生物在镉污染土壤修复中的应用及其作用机理

土壤中镉（Cd）含量的超标导致了土壤生态系统的恶性发展,微生物作为土壤中的常见组分之一在缓解土壤镉污染中展现出巨大潜力。本文总结了微生物、微生物-植物和微生物-生物炭在镉污染土壤修复中的应用并阐述了相关的作用机理。芽孢杆菌（Bacillus）、不动杆菌（Acinetobacter）、荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescence）、丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi,AMF）等微生物可以通过吸附、矿化、沉淀、溶解等方式改变镉的生物有效性,从而达到缓解镉污染的目的。pH值、温度、微生物生物量、镉初始浓度以及时间等对微生物降低镉的生物有效性方面有着显著的影响。假单胞菌、伯克霍尔德菌（Burkholderia）、黄杆菌（flavobacterium）等微生物可以通过促生、活化等作用促进超富集植物对Cd²⁺的吸收。生物炭作为一种土壤改良剂,其独有的理化性质可以作为微生物的庇护所。微生物-生物炭联合使用与单用生物炭相比可以进一步促进镉的残渣态的增加,降低土壤中有效态的比例。     

神农架常绿落叶阔叶混交林凋落物养分特征

凋落物是联结陆地生态系统植物与土壤养分的重要媒介,了解凋落物养分特征有助于理解陆地生态系统物质循环的机理。该研究于2015年收集了神农架地区常绿落叶阔叶混交林的新鲜凋落物及现存凋落物,测定其不同器官中大量元素(C、N、P、K、Ca、Mg)的含量,据此分析其养分含量、养分归还量、养分储量及化学计量比的特征。结果发现:该常绿落叶阔叶混交林新鲜凋落物的C、K养分含量显著高于现存凋落物,N、P、Ca、Mg养分含量显著低于现存凋落物;其凋落物大量元素的养分归还量及养分储量大小顺序均为C Ca N Mg K P,分别为1569.84、52.44、34.82、6.24、5.24、1.30 kg hm~(-2) a~(-1)及1835.29、87.87、51.17、12.12、3.90、1.95 kg hm~(-2) a~(-1);其新鲜凋落物及现存凋落物的C∶N∶P分别为1307.33∶27.73∶1及976.48∶26.77∶1,新鲜凋落物的C∶N、C∶P显著高于现存凋落物,N∶P无显著区别。研究表明,新鲜凋落物与现存凋落物养分含量之间的差异与不同元素在分解过程中的可淋溶性及生物固持等因素有关。该地区常绿落叶阔叶混交林凋落物养分归还量及养分储量相对于亚热带阔叶林平均水平较低;且显著低于喀斯特地区同类型森林,主要与其凋落物产量、降水量及植被类型有关。该森林生态系统新鲜凋落叶与中国及全球范围内阔叶树种凋落叶相比C∶N较低,C∶P、N∶P较高,这可能是由于该地区N沉降及P限制现象较为严重所致。     

固定化脂肪酶ANL非水催化合成L-抗坏血酸棕榈酸酯

为提高酶促合成L-抗坏血酸棕榈酸酯的效果,采用物理吸附法,将黑曲霉脂肪酶(Aspergillus niger lipase,ANL)固定在瓶壁、脱脂棉上,制得固定化酶(器壁-ANL、脱脂棉-ANL),并催化L-抗坏血酸(Vc)与棕榈酸酯化反应合成Vc棕榈酸酯。结果发现,在37℃、转速160 r/min、Vc和棕榈酸摩尔比1∶3、反应24 h、丙酮为溶剂的条件下,器壁-ANL和脱脂棉-ANL催化反应的摩尔转化率分别为87.3%和90.4%。同样条件下,酶粉催化反应转化率不足36%。底物摩尔比为1∶1,器壁-ANL、脱脂棉-ANL催化反应的转化率分别为51.5%和62.2%。从生产的角度来看,脱脂棉-ANL催化,丙酮为溶剂、底物等摩尔比的反应体系具有低碳、环保和产物易提纯的特性,通过进一步提高转化率,更具工业应用价值。     

神农架常绿落叶阔叶混交林凋落物动态及影响因素

凋落物是陆地生态系统的重要组成部分, 凋落物动态特征可以反映出生态系统的存在状况以及环境对植被的影响作用。为探究北亚热带常绿落叶阔叶混交林凋落物产量及现存量的动态及其影响因素, 该研究观测了神农架地区一处典型植被2009-2015年的凋落物产量及现存量, 据此分析其动态特征及其与气象因素的关系。研究结果表明: 该森林凋落物平均年产量及现存量分别为5.94 t·hm ^-2和10.46 t·hm ^-2, 2009至2014年均无明显年际变化趋势, 但在2015年均显著降低, 且当年倒春寒天数显著高于其他年份; 季节动态变化呈现双峰型, 峰值分别出现在3-5月和10月; 凋落物月产量与当月的前第1-4个月的月平均气温正相关, 与当月的前第8-10个月的月平均气温负相关, 且与当月的前第6-7及第10个月的月平均相对湿度负相关; 凋落物产量季节性指数平均值为0.032, 与年平均气温显著正相关。可见, 长时间倒春寒现象会显著影响凋落物年产量及现存量, 月平均气温和相对湿度对凋落物产量季节动态的影响有明显的滞后性, 且年平均气温对北亚热带主要森林类型的凋落物产量季节性指数有显著影响。     

开通机场和列入世界遗产对神农架游客增长的影响

神农架机场是新开通的国内旅游支线机场,神农架也于2016 年7 月正式列入了世界遗产。利用神农架机场开通2 年来的航班数据及神农架近年来的游客数量,分析神农架机场开通对神农架游客增长的影响,并结合列入世界遗产对当地游客增长影响的相关研究和分析方法,对神农架游客增长进行了预测,进一步分析讨论了游客增长与旅游环境容量的关系。结果表明,神农架机场航班执行率较低,月均航班执行率仅为65.79%,而且客座利用率也很低,月均仅为30.8%;实际进出港人数仅为2.29 万人次,仅占神农架2014 年游客数(55.58 万人次)的2.06%。可见,机场开通对神农架旅游的增长作用不大。结合国内世界自然遗产游客增长趋势,预测神农架游客2022 年可超过249 万人次,并超过其旅游环境容量。为应对列入世界遗产后可能的旅游增长,并且可能突破旅游环境容量,建议政府加强政策和制度保障,增加人员和资源配置,提高旅游管理和服务的质量和效率,并采取积极有效的游客管控措施,通过游客分流和游客数量调控,减缓游客增长对遗产地的压力,达到遗产资源有效保护和旅游资源的可持续利用。     

神农架世界自然遗产地陆生脊椎动物多样性

动物名录整理是一项基础性工作, 对生物多样性的认识和保护计划的制订具有重要意义。通过对中国科学院神农架生物多样性定位站近20 年的监测数据和历史文献资料的整理, 对神农架世界自然遗产地的陆生脊椎动物进行了较为详实的汇总、分析与研究, 并结合近年来国内外各陆生脊椎动物类群的分类系统发育研究结果, 确定物种有效性和分类归属。神农架遗产地共有陆生脊椎动物29 目110 科312 属577 种, 占湖北省和全国脊椎动物物种种数的80.70%和19.81%。其中, 小黑领噪鹛(Garrulax monileger)、白眉林鸲(Tarsiger indicus)、褐冠山雀(Parus dichrous)和淡绿鵙鹛(Pteruthius xanthochlorus)为我们近期调查中发现的湖北省新纪录物种。在动物地理区划上, 东洋界分布的物种数(61.35%)是古北界分布物种数(30.68%)的两倍, 广域分布的物种仅占7.97%, 表明遗产地内东洋区动物占一定优势,兼有古北区的区系成分渗透其间, 反映出东洋界与古北界物种在遗产地交融汇集的特征。神农架遗产地共分布有中国特有陆生脊椎动物物种57 种, 分别占神农架陆生脊椎动物总数和全国特有陆生脊椎动物总数的9.88%和8.89%。对神农架遗产地陆生脊椎动物的汇总研究, 可为神农架世界自然遗产地履行世界遗产中心的要求, 进一步开展神农架遗产的监测与保护提供依据。近年来关于神农架脊椎动物新记录种的不断报道表明遗产地的物种多样性仍然存在被低估的可能, 暗示着遗产地这方面的工作仍需进一步扩大和深入。     

神农架世界自然遗产地旅游环境容量研究

旅游环境容量是景区调控游客规模, 实现景区经济、社会、生态效益的协调和可持续发展必不可少的依据。以生物多样性热点区神农架世界自然遗产地为研究对象, 通过实地调查法, 运用旅游环境容量静态模型分析了神农架世界自然遗产地的生态环境容量、旅游空间容量、旅游设施容量、旅游管理容量和旅游心理容量5 个分量指标。研究结果表明: (1)自然遗产地的旅游空间容量、旅游设施容量、旅游管理容量和旅游心理容量的最佳值分别为1.74 万人·d^-1、1.42 万人·d^-1、2.15 万人·d^-1、1.16 万人·d^-1; (2) 由于神农架水质和空气质量优良, 所有的生活污水都必须经处理达标后才能排放, 景区内垃圾日产日清, 并运输至景区外进行统一处理, 所以生态环境容量暂不是旅游环境容量的限制因子; (3) 根据“木桶原理”, 选择最小分量作为最佳旅游环境容量, 得到日旅游环境容量的最佳值为1.16 万人, 年旅游环境容量最佳值为208.37 万人。以上结果可为遗产地游客人数及分流、接待设施存量、旅游产品设计及开发的控制和管理提供依据。     

北亚热带地带性森林土壤温室气体通量对土地利用方式改变和降水减少的响应

弄清土地利用和降水变化对林地土壤主要温室气体(CO₂、CH₄和N₂O)排放通量变化的影响, 是准确评估森林土壤温室气体排放能力的重要基础。该研究以常绿落叶阔叶混交林原始林、桦木(Betula luminifera)次生林和马尾松(Pinus massoniana)人工林为对象, 采用静态箱-气相色谱法研究了3种土地利用方式(常绿落叶阔叶混交林原始林、桦木次生林和马尾松人工林)和降水减少处理状况下森林土壤CO₂、CH₄和N₂O通量排放特征, 并探讨了其环境驱动机制。研究结果表明: 原始林土壤CH₄吸收通量显著高于次生林和人工林, 次生林CH₄吸收通量显著高于人工林土壤。人工林土壤CO₂排放通量显著高于原始林和次生林土壤。次生林土壤N₂O排放通量高于原始林和人工林, 但三者间差异不显著。降水减半显著抑制了3种不同土地利用方式下林地土壤CH₄吸收通量; 降水减半处理对原始林和次生林土壤CO₂排放通量均具有显著的促进作用, 而对人工林土壤CO₂排放通量具有显著的抑制作用; 降水减半处理促进了原始林和人工林林地土壤N₂O排放而抑制了次生林林地土壤N₂O排放。原始林和次生林林地土壤CH₄吸收通量随土壤温度升高显著增加, CH₄吸收通量与土壤温度均呈显著相关关系; 原始林、次生林和人工林土壤CO₂和N₂O排放通量与土壤温度均呈显著正相关关系; 土壤湿度抑制了次生林和人工林土壤CH₄吸收通量, 其CH₄吸收通量随土壤湿度增加显著减少; 原始林土壤CO₂排放通量与土壤湿度呈显著正相关关系。自然状态下, 原始林土壤N₂O排放通量与土壤湿度呈显著正相关关系, 原始林和次生林土壤N₂O排放通量与硝态氮含量呈显著相关关系。研究结果表明全球气候变化(如降水变化)和土地利用方式的转变将对北亚热带森林林地土壤温室气体排放通量产生显著的影响。     

基于SPOT-VEGETATION数据的神农架林区1998-2013年植被覆盖度格局变化

基于1998-2013年的SPOT-VEGETATION归一化植被指数（normalized differential vegetation index,NDVI）数据,利用二分模型法、相关性分析和空间分析的方法,结合同期降水量和平均温度数据,估算了神农架林区及神农架国家级自然保护区的植被覆盖度,并分析了空间格局及植被覆盖度变化的影响因素。结果表明,1998-2013年间,神农架林区平均植被覆盖度为66.8%,年最大植被覆盖度为93.8%,保护区内最大植被覆盖度显著高于保护区外;林区植被覆盖度变化率为1.45%,保护区植被覆盖度变化率为2.26%,植被整体呈增加的趋势,保护区保护效果较好。温度、降水量、年最低气温、距道路和居民地距离的远近是影响植被覆盖度变化的重要因子,而海拔对植被覆盖度变化无影响。     

神农架植物物种空间周转的驱动因素

揭示区域物种组成随环境梯度的变化规律, 掌握物种多样性的周转过程及其与环境的耦合关系, 是理解物种多样性形成的生态过程的核心, 也是生物多样性保护和保护地网络构建的科学基础。神农架是众多古老、孑遗和特有植物的关键栖息地, 也是全球落叶木本植物最丰富的地区之一。然而, 我们对影响神农架植物物种周转并形成镶嵌格局的驱动因素知之甚少。本研究基于对神农架长期系统的植物群落物种调查数据, 通过广义相异模型(GDM)和偏回归分析等方法, 分析了气候差异、地理距离、人为干扰等因素对神农架植物物种周转的驱动效应。结果表明, 随着年均温(MAT)、≥ 0℃积温、≥ 10℃积温差异和地理距离增大, 植物β多样性显著增加, 而年均降水量(MAP)、距离道路距离及森林破碎化等人为干扰因素对植物β多样性无显著影响。地理距离、气候差异和人为干扰分别解释了物种相异性变异的28.75%、34.56%和12.55%, 其交互作用解释了变异的8.52%。地理距离、气候差异和人为干扰共同解释了物种相异性变异的43.47%。综上, 地理距离和温度分异是驱动神农架植物物种空间周转过程的关键因素。保护海拔梯度上植被的垂直带谱及复杂多样的地貌异质性, 是维持神农架物种周转生态过程的关键, 也是神农架国家公园建设乃至鄂西北保护地网络构建应关注的重点。