地衣,特别是枝状和叶状等大型地衣,在北极种类丰富要点

北极新奥尔松地区地衣群落光合活性的研究

所属项目：特殊低等植物抗逆基因的开发与利用[经费：80万]

所属学科：微生物学

所在队次：中国2011年北极科学考察队观测平台：黄河站

1. 项目相关人员

负责人：

魏江春中国科学院微生物研究所

现场执行人

周启明中国科学院微生物研究所

张涛中国科学院微生物研究所

2. 考察背景、目的和意义

(1) 考察背景

地衣是全球陆地生态系统的重要组成部分，占据了地表约8%的面积，其在北极陆地生态系统中占据主导地位，包括生物量和物种多样性，其中就物种多样性而言，北极地衣为世界地衣的6.5%。此外，地衣在北极自然生态系统和人类社会生活中均发挥着关键性作用：它是控制物质和能量转移的重要介质、影响维管束植物定植生长、巨大的生物量促进北极碳汇进而对全球碳循环产生影响，此外，大型地衣种类（例如，Cladonia sylvatica, C. mitis, C. rangiferina, Cetraria cucullata和C. nivalis）是北极驯鹿冬季的主要食物来源，而北极驯鹿在北极地区的人类文化和经济生活中地位不可替代。

IPCC（the Intergovernmental Panel on Climate Change 2001）预计从1990年到2100年全球地表平均气温将增加1.4至5.8℃，在北半球高纬度地区尤其明显。由于北极生态系统十分脆弱，对气候变暖十分敏感，气候变暖必然引起北极地区生物物种组成和地表盖度的变化，从而影响到北极地表能量和水分的平衡。此外，一直以来，北极地区发挥着重要的碳汇作用，气候变化必然对北极碳库（包括地表上植被和地表下土壤）产生直接或间接的影响，问题在于“气候变暖究竟是促使北极地区继续发挥碳汇作用，还是导致其转向发挥碳源作用？”，这一问题值得深入研究。

鉴于地衣是北极陆地生态系统中的主要生物类群，且是北极碳循环的重要一环，测定地衣群落的光合和呼吸作用，分析地衣群落的固碳量（生产力），进而评估其对于北极碳循环的影响十分必要。目前，国外对于北极地衣光合作用研究主要是进行实验室内测量，其缺陷

之处在于人工灯光的光谱范围不同于自然光，且不能确定研究材料在转移至室内后是否改变或失去活力，而通过野外实地测量可以解决上述问题。

在前期的考察研究中，我实验室已确定新奥尔松地区地衣物种组成，本次考察研究拟在测定自然环境因素对新奥尔松地区地衣群落碳循环的影响；同时，基于气象数据构建北极地衣群落年固碳量的模型，估计北极地衣群落的年生产力。

此外，地衣的光合和呼吸作用的测定，不仅适合于衡量地衣的固碳量（生产力），而且可用于衡量地衣对环境因素的适应性，地衣光合活性的最适温度往往在0℃以上，而某些极地地衣（例如Umbilicaria aprina及Xanthoria elegans等）在0°C以下时仍具有光合活性，其光合活性的最低温度甚至可以低达-10～-15°C，因此测定分析北极地衣在低温条件下（0℃以下）的光合生理活性，将有助于深入了解地衣抗寒机制。

(2) 目的与意义

地衣是北极陆地生态系统中的主要生产者，在北极生态的物质和能量转移中发挥着不可替代的作用。深入了解地衣物种的光合活性及碳代谢，有助于深入了解北极陆地生态系统的碳循环过程，对于监测全球气候变化也有积极意义。此外，北极地衣的抗逆生理学的相关研究，为揭示地衣的低温抗逆性及发现相关抗寒基因奠定了基础。

3. 实施计划具体内容、方法和手段及支持条件

(1) 具体内容

a.以地衣种群为单位，利用光合仪原位测定地衣的光合作用和呼吸作用等生理活动进行定期、定时观测，根据野外测定的数据推断北极地衣的年生产力，同时分析气温、光照强度、空气湿度对地衣光合生理的影响，确定影响地衣光合活性的环境因素；

b.采集地衣标本，并详细记录地衣微生境的光照、湿度、温度、微地貌和基物类型等生态数据，对所采集的标本进行分类学鉴定，观察地衣体、子实体、子囊孢子等形态特征，并对次生代谢产物的定性分析；

c.针对采集的地衣标本，在实验室的可控条件下，利用光合仪测定与净光合作用及碳代谢相关的参数；

d.实验室内进行地衣共生菌、藻的分离培养，进一步扩充地衣共生菌、藻资源种库。

(2) 方法和手段：

a.地衣净光合作用的测定

以北极地衣种群为单位（见表1），设立观测位点（见表2），使用CI-340便携式光合仪对其与光合作用及碳代谢相关的参数进行测定，详细记录数据，分析地衣光合生理的日变化和月变化，并现场记录气温、光照强度、空气湿度等环境因子；对地衣的环境特征进行拍摄，并选定具有不同组分的地衣群落，对于比较典型的地衣群落，也进行采集，带回实验室进行进一步的测定分析。

表1. 北极新奥尔松地区地衣种群组成

序号属名类型基物分布频率盖度(%)

1 Acarospora壳状石生较常见<10

2 Aspicilia壳状石生较常见<10

3 Buellia壳状石生较常见<10

4 Caloplaca壳状石生较常见<10

5 Candelariella壳状石生较常见<10

6 Cetraria枝状苔生/土生常见<100

7 Cladina枝状土生较常见<10

8 Cladonia枝状土生/枯木生常见<50

9 Collema叶状石生不常见<10

10 Lecanora壳状石生较常见<10

11 Lecidea壳状石生较常见<10

12 Melanelia叶状石生较常见<10

13 Ochrolechia枝状苔生/土生常见<50

14 Parmelia叶状石生不常见<10

15 Peltigera叶状土生不常见<50

16 Phaeophyscia叶状石生不常见<10

17 Physcia叶状石生不常见<10

18 Porpidia壳状石生较常见<10

19 Rhizocarpon壳状石生常见<100

20 Sphaerophorus枝状土生不常见<10

21 Stereocaulon枝状石生常见<50

22 Thamnolia枝状土生不常见<10

23 Umbilicaria叶状石生常见<50

24 Usnea枝状石生不常见<10

25 Xanthoria叶状石生较常见<50

表2 北极新奥尔松地区地衣光合测定地点和采集地点

序号纬度（N）经度（E）海拔（m）

1 78.92012°011.93496°59.3

2 78.93652°011.84751°30.5

3 78.94479°011.87186°35.7

4 78.91271°011.95186°86.7