土壤动物的作用

土壤看起来总是黑黢黢,静悄悄,似乎没有生机,然而事实却并非如此,土壤中潜伏着不可计数的生命体,土壤动物和微生物。土壤微生物肉眼无法看到,我们并不熟悉,然而对于土壤动物,我们就再熟悉不过了,忙忙碌碌分工明确的蚂蚁、数年潜伏一夏欢歌的知了,潮湿天气分外活跃的蚯蚓。那么,这些小动物们生存于土壤中,对土壤有些什么样的作用呢?

参与物质循环  提高土壤肥力

土壤动物隶属于五大成土因素之一的土壤生物,它与土壤微生物一起参与了土壤分化后土壤中的多种物理、化学和生物的作用过程,对土壤有效养分的增加作用明显。土壤动物是生态系统的分解者,同时也是养分的创造者。它们将落在地面上的枯枝落叶和埋藏在地下的植物根茎,以及各类生物尸体和粪便进行粉碎,然后与微生物共同将各类碎片进一步分解,成为能利用的营养物质,与土壤混合后形成肥沃的腐殖质。与此同时,土壤动物本身也会通过排泄产生大量的营养物质。以大型动物蚯蚓为例,每天尿素的排泄量占自身鲜重的6.2%-7.6%,而蚓粪和经蚯蚓加工过的土壤有机质、全氮、有效氮、磷、钾、钙、镁等均提高。

改变土壤物理结构

大型土壤动物可以创造三种土壤结构:排泄在土表和土内的粪便,用来居住的洞穴,在土内活动留下的孔道。土壤动物的粪便由于富集了粘粒、有机质和高价阳离子,因此有利于形成更多、更稳定的团聚体,蚯蚓就常常被用于改善土壤团粒结构,肥沃土壤中蚯蚓的粪便可达30吨/公顷。土壤洞穴、孔道由于深入地下,会改变土壤的入渗率,有研究认为蚯蚓洞穴可提高导水率80%,提高入渗率6倍以上。虽然这会增加土壤的持水性,但是有时也会带来不好的后果,例如表施的化学肥料、农药等流入土壤深层,污染地下水。

改变土壤微生物组成以及酶活性

土壤动物通过改善微环境、提高有机物的表面积、直接取食、携带传播微生物等方式影响土壤微生物群落的数量、活性、组成和功能。有研究发现,食物经蚯蚓消化道后,细菌、放线菌数量增加了1000倍。

土壤动物消化道内存在多种酶。同样以蚯蚓为例,在种植黑麦草的土壤中引入蚯蚓,转化酶、淀粉酶、磷酸酶升高。

抑制植物病虫害

很多土壤动物以土壤中的真菌菌丝或腐烂的植物体为食,而真菌和腐烂植物体是病虫害传播的重要介质。因而控制病害发生。另外,捕食性土壤动物是土壤害虫的天敌,是进行生物防治的天然材料。例如白符跳可以捕食根结线虫,一种广泛分布的严重危害农作物的农业害虫。

土壤动物

指示环境污染与净化环境

土壤动物对环境变化反应敏感,物种组成和生存密度会随着环境的变化而改变。因此可以利用土壤动物的组成和数量作为监测环境质量的手段,例如符跳虫在酸化和重金属离子累积的环境中数量和丰富度增加,可以作为指示重金属污染的指示物种。大多数种类的土壤动物是生态系统的分解者,是自然环境的清道夫。有些种类的土壤动物在毒物物质,例如农药、重金属等的降解、浓缩和转化方面起着重要作用,而用土壤作为净化污水已是很成熟的做法。

其他方面的利用

有些土壤动物可以作为食品,例如蚂蚁、蚯蚓;有些可入药,例如地鳖虫、蝎、蜈蚣等;有些可以作为害虫的天敌或家禽家畜的饲料等。

总之,土壤动物对土壤质量及功能的保持和提高具有重要作用,保护和合理开发利用土壤资源意义重大。

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土壤自净作用

我们脚下的土壤厚重沉静,看似朴实简单,其实暗藏玄机。土壤是一个运动的、平衡的、总是处于半稳定状态的复杂物质体系。当外来物质进入土壤时,它通过各种作用努力保持自身性质的稳定,我们将之称为土壤自净作用。土壤自净作用缘何而来,它是否有其极限,如何对土壤自净作用加以利用,这都是值得探讨的问题。

土壤自净作用是指进入土壤的污染物,在土壤矿物质、有机质和土壤微生物的作用下,经过一系列的物理、化学及生物化学反应过程,降低其浓度或改变其形态,从而降低或消除污染物毒性的现象。土壤自净作用据自净原理可以分为物理自净、物理化学自净、化学自净和生物自净。

土壤污染

土壤污染

物理自净:需要依赖日光、温度、风力等使污染物挥发扩散;依赖机械阻等使污染物难以流动;通过淋溶使污染物脱离生物循环体系等,例如曾风靡一时的六六六主要靠挥发作用散失。

物理化学自净:土壤颗粒表面具有很大的吸附作用,能吸附溶于土壤水中的气体、胶体微粒及其他物质,并将它们聚集或浓缩在土壤颗粒表面。

化学自净:污染物进入土壤后,发生凝聚与沉淀反应、氧化还原反应、络合-螯合反应、酸碱中和反应、水解、分解化合反应,或者发生由太阳辐射能和紫外线等引起的光化学降解作用等,从而降低毒性。例如铜在碱性条件下生成难溶性的氢氧化铜,生物活性下降。

Cu2+  2OH–  =  Cu(OH)2

生物自净:土壤中存在大量依靠有机物生存的微生物,它们具有氧化分解有机物的巨大能力。有机污染物在各种土壤微生物(细菌、真菌、放线菌)的作用下,将复杂的有机物质逐步无机化或腐殖质化。(1)病原体的死灭:病原体进入土壤后,受日光的照射,土壤中不适宜病原微生物生存的环境条件,微生物间的拮抗作用,噬菌体作用,以及植物根系分泌的杀菌素等许多不利因素的作用下而死亡。(2)有机物的净化:土壤中的有机污染物在微生物的作用下,使有机物逐步无机化或腐殖质化。有机物无机化使得有机物转化为无害的无机物质,例如脂肪水解最终转化为水和二氧化碳,含氮有机物转化为硝酸盐。有机物腐殖质化后形成的腐殖质,不但无害,还可向植物提供养料,改善土壤物理性质,促进微生物活动。

氨基酸的水解脱氨反应

氨基酸的水解脱氨反应

由于土壤具有自净作用,所以向土壤中投入一定量的污染物是被允许的,然而土壤的自净作用是有限的,超过了限度就会造成危害,因此量的把握是极其重要的。当污染物的数量或污染速度超过了土壤的净化能力时,便会破坏土壤本身的自然动态平衡,使污染物的积累过程逐渐占优势,从而导致土壤正常功能失调,土壤质量下降。

土壤的净化速度是比较缓慢的,净化能力也是有限的,必须充分合理地利用和保护土壤的自净能力。

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湿地——地球最美皮肤之一

地球上有三大生态系统,即:森林、海洋、湿地。湿地以其良好生态环境和多样化湿地景观吸引着越来越多的游客,近几年来各种天然和人工的生态型主题湿地公园如雨后春笋般涌现出来,供人们旅游观光、休闲娱乐。湿地公园不仅能供人们休闲旅游,更重要的是具有湿地保护与利用、科普教育、湿地研究等多种功能。

什么是湿地

湿地指天然或人工形成的沼泽地、泥炭地或水域地带、静止或流动水体的成片浅水区,还包括在低潮时水深不超过6米的水域。湿地在世界各地分布广泛,是地球上生物多样性丰富和生产力较高的生态系统。湿地有多种类型,如珊瑚礁、滩涂、红树林、湖泊、河流、河口、沼泽、水库、池塘和水稻田等。

湿地的作用

湿地是地球上一种重要的、独特的、多功能的生态系统,它在全球生态平衡中扮演着极其重要的角色,具有不可替代的生态功能。湿地覆盖地球表面仅有6%,却为地球上20%的已知物种提供了生存环境,是世界上生产力最高的环境之一。湿地是陆地上的天然蓄水库,无数的动植物种依靠湿地提供的水和初级生产力而生存。湿地养育了高度集中的鸟类、哺乳类、爬行类、两栖类、鱼类和无脊椎物种,是植物遗传物质的重要储存地,又是很多珍稀水禽的繁殖和越冬的栖息地。湿地也是人类最宝贵的环境资本之一,它不但具有丰富的资源,还有巨大的环境调节功能和生态效益。各类湿地在提供水资源、调节气候、涵养水源,均化洪水、促淤造陆、降解污染物,保护生物多样性和为人类提供生产、生活资源方面发挥了重要作用。因此,湿地也享有“生命的摇篮”、“地球之肾”和“鸟类的乐园”的美誉。

中国的湿地

我国是世界上湿地类型齐全、数量丰富的国家之一。拥有湿地面积6600多万公顷,约占世界湿地面积的10%,居亚洲第一位,世界第四位。青海湖的鸟岛、湖南洞庭湖、香港米埔、黑龙江省兴凯湖等30处湿地已被列入国际重要湿地名录。

在中国境内,从寒温带到热带、从沿海到内陆、从平原到高原山区都有湿地分布,有的一个地区内有多种湿地类型,有的一种湿地类型分布于多个地区,构成了丰富多样的湿地组合类型。中国东部地区多为河流湿地,东北部地区沼泽湿地多,而西部干旱地区湿地相对偏少,长江中下游地区和青藏高原湖泊湿地多,青藏高原具有世界海拔最高的大面积高原沼泽和湖群,形成了独特的生态环境。而海南岛到福建北部的沿海地区分布着独特的红树林和亚热带和热带地区人工湿地。

湿地

中国的湿地不仅类型众多,其间生长着多种多样的生物物种,有很多是中国所特有物种。据初步统计,中国湿地植被约有101科,其中维管束植物约有94科,中国湿地的高等植物中属濒危种类的有100多种。中国海岸带湿地生物种类约有8200种,其中植物5000种,动物3200种。中国的内陆湿地高等植物约1548种、高等动物1500多种。中国有淡水鱼类770多种或亚种,其中包括许多洄游鱼类,它们借助湿地系统提供的特殊环境产卵繁殖。中国湿地的鸟类种类繁多,在亚洲57种濒危鸟类中,中国湿地内就有31种,占54%;全世界雁鸭类有166种,中国湿地就有50种,占30%;全世界鹤类有15种,中国仅记录到的就有9种;此外,还有许多是属于跨国迁徙的鸟类。在中国湿地中,有的是世界某些鸟类唯一的越冬地或迁徙的必经之地,如:在鄱阳湖越冬的白鹤占世界总数的95%以上。

保护湿地的重要意义

湿地是地球上最美丽的皮肤之一,但是湿地的重要性却很晚才被社会所认识。由于城市区域的扩展,湿地变成了居住区;持续大量开垦和不合理开发湿地,使自然湿地面积急剧减少;湿地水资源的不合理利用与水环境恶化,盲目排干湿地、过度取水调水、排污等,导致湿地功能退化;掠夺性开发利用湿地野生生物资源,引起湿地生物多样性衰退加速;湿地上游地区的水土流失严重,淤积造成湿地防洪蓄水能力降低。

保护、发展和建设湿地公园,既有利于调动社会力量参与湿地保护与可持续利用,又有利于充分发挥湿地的生态效益、经济效益和社会效益,同时又可满足公众需求和社会经济发展的要求。通过社会的参与和科学的经营管理,达到保护湿地生态系统、维持湿地多种功能效益持续发挥的目标。对改善区域生态状况,促进经济社会可持续发展,实现人与自然和谐共处都具有十分重要的意义。

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寻找大自然中神秘的绿光

尽管五彩缤纷的世界里到处都能看到绿色,但是植物的绿色又属于反射光,植物本身并不是绿光源。仔细想想才猛然发现,生活中真的几乎看不到自然界的绿色光源。

为什么在生活中看不到绿色光源呢?自然界中的光源有几大类,最常见的一类,在我们的日常经验里确实是偏红偏黄的,比如篝火、蜡烛、太阳、白炽灯等等。这类光源有个共同特点,都通过高温使得物体发光。这种发光基本都近似于黑体辐射。我们知道,黑体辐射的能量分布是与温度有关的,温度低的就偏红,温度高的偏蓝。下图中标有温度的曲线即为色度图中的黑体辐射轨迹线,图中右上角为轨迹线区域的放大。

光谱

在我们日常能接触到的物体中,各种火焰(比如篝火、蜡烛)温度只有几百度,白炽灯温度超过2000度,太阳温度也不过五六千度。所以火焰的颜色都是通红的,白炽灯就是昏黄的,而太阳就是带一点点黄色的白了。对照上图不难发现,即使是加热到超过1万度,那么看到的颜色将是偏蓝色的,而非绿色。也就是说,如果依靠加热物体来发光,那么无论如何都不会看到绿色的光线的。这也是为什么我们生活中接触到的光源绝大多数都是偏红偏黄的原因了。

不过肯定有人提出异议,火焰也有五颜六色的呀,我们节日里看到的焰火是各种颜色都有的。是的没错,不过这里的光就不是黑体辐射的光了,而是焰色反应,各种金属在高温灼烧下,其离子被激发,从而发出特定颜色的光来。不同的金属有不同的焰色反应,比如钠的明亮黄色,铜的明亮绿色等,都是很有特征的。

焰色反应

焰色反应是物质原子受激发之后发出的光,与极光有些许相通之处。极光的发光是由于来自太阳的高能粒子与大气层中的空气分子相撞,将空气分子激发后发出光线。不同的空气分子发出的光线也不一样,比如氧分子受激发后发出绿色和红色的光,氮分子会发出蓝色紫色暗红色等光线。人们还利用这一点制造出了色彩斑斓的霓虹灯。下图便是梦幻般美丽的极光。

极光

还有一类光源,就是生物发光。比如萤火虫,比如发光水母,比如鮟鱇鱼。这些由于生物体内的酶催化了一些生物反应,从而发出的光线。这些光源都是冷光源,是生物蛋白质受到激发后发光,没有剧烈的温度变化,通常光的颜色是绿色或者蓝色的,偶尔也有红色出现。中国古代就有囊萤夜读的佳话,将萤火虫作为光源在夜间读书,这里的光源就是绿白色的了。下图是日本海岸的发光水母。

发光水母

还有一类发光的现象是是荧光物质的荧光,在白天接受太阳照射后受到激发,在晚上或者暗处就能发出微弱的荧光。比如有一种矿物叫萤石,就有这样的特性,其名称也正是反映了这种特征。这一类荧光多是绿色的。

当然还有其他一些更加特殊的光源,比如核反应堆冷却池里蓝幽幽的切连科夫辐射,它是高速荷电粒子在介质中穿行,粒子速度大于介质中的光速时,所产生一种特殊辐射。

粒子加速器

最后,来一个不正经的,别拿钢铁侠不当核反应堆(下图中胸口的淡蓝光圈便是)。

钢铁侠

其实,大自然中并非没有绿光,只是自然界大部分光源是依靠高温使物体发光,发光原理是黑体辐射,这一类光源是不可能有绿色的光的。并且就我们日常接触到的光源来说,基本都是偏红偏黄的光。

总结一下,自然中的绿光大致分为金属离子受激发发光(铜离子焰色反应)、气体分子受激发发光(极光)、生物蛋白在酶的作用下发光、荧光矿质发光以及其他更加神奇的光源。

当这些美妙光源尽收眼底时,我们不得不为大自然的神奇而赞叹。

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你知道我们生活中的竹类植物吗?

竹类植物是极其重要的非木质可再生林业资源。一首古老的民歌《弹歌》唱道:“断竹、续竹、飞土、逐肉。”说明早在7000年前,我们的祖先已用竹子制作箭头、弓弩等武器,用于娱乐、捕猎或战争了。竹与人类的文化生活结下不解之缘,自古以来,在中华民族的日常衣、食、住、行中,到处都有竹的倩影。宋代大文豪苏东坡曾感叹地说:“食者竹笋、庇者竹瓦、载者竹筏、炊者竹薪、衣者竹皮、书者竹纸、履者竹鞋,真可谓不可一日无此君也。”同时,中国是竹子资源最丰富的国家,竹子种类、面积、蓄积、产量均居世界之首,被誉为“竹子王国”。

竹类植物的特点

竹类植物生长快,成林快。一株竹从出笋到成竹仅需两个月左右,再经两年材质生长,就可砍伐利用。如高20~30米、粗20~30厘米的大型竹种由竹笋长大成竹只需60天左右,中、小型竹种仅需 30~50天。新栽竹若在选地、整地、无性繁殖竹苗的育、挖、运、栽和林分抚育管理等技术措施环环扣紧的情况下,三年能成林,四年能成材投产。

竹

竹类植物成林早, 产量高。新竹在完成杆形生长以后,再经2~4年的加固生长,就可采伐更新。竹林竹材产量较其它树种的产量高。如6~7年盛产后筇竹、方竹每年每亩可产竹材1吨左右,产笋0.1吨左右。

竹类植物水土保持能力强,可持续利用。散生竹、混生竹具有强大的地下鞭根系统,纵横交错,保土性强。通过竹林林冠截流,竹叶层使地表径流转化为地下径流,涵养水源, 生态效益明显。研究表明:毛竹林的固土能力为马尾松的1.5倍,吸收降水能力为杉木的1.3倍,涵养水量比杉木多30%~45%。竹类植物一次造林,只要科学管理,合理利用,每年都能生产竹材、竹笋,可利用数十年甚至上百年。

竹类植物的固碳增氧降温作用

毛竹林能吸收大气中的二氧化碳、氟、氯、氨等有害有毒气体,有极强的吸尘和同化污染物的功能,固碳量比树林多1倍以上,1公顷毛竹的年固碳量为5.09吨,是杉木的1.46倍,是热带雨林的1.33倍。同等面积的竹林较树林可多释放35%的氧气,从砍伐到加工生产出产品又比木材降低30%的碳排放,1公顷毛竹林吸收的二氧化碳相当于17位城市居民一年的二氧化碳排放量。 竹子在50天里,从出笋到长成幼竹,其高度可达12米以上。50天里1株毛竹以吸收和固碳1.82公斤,相当于两辆家用车每天二氧化碳排放量。同时,竹林单位面积蓄水量达每公顷1 000吨,可增加空气相对湿度5%~10%,林冠气温降低3~5℃。

竹林

竹类植物用在生活中更低碳环保

衣。以天然竹材为原料通过生物降解的方法,获得的竹原纤维是一种纯天然竹纤维,具有柔滑软暖、凉爽舒适、抑菌抗菌、绿色环保、天然保健的独特品质,更适合作为家用纺织品的原料。竹纤维衣服比化纤衣服排碳量少,多穿竹纤维衣服是实现低碳生活的方式之一。

食。竹笋素有“味冠素食”之称。现代医学研究证实,竹笋富含蛋白质、多种氨基酸、脂肪、糖、钙、磷、铁、胡萝卜素及维生素 B、C等 。竹笋特有的粗纤维是治病增寿不可缺少的营养物质。

住。在城市碳排放中,60%出自于建筑,家具,装修等。由于竹材具坚、韧、柔、直、抗压、抗拉、耐腐蚀等多方面的特性,因而是理想的低碳建筑材料。在现代家居装修中,减少1公斤装修用钢材,可减排二氧化碳1 9公斤;而以竹代木,多选用竹制家具,减对生长缓慢的珍稀树木的消耗,有利于发挥森林碳汇的作用。少用 0.1米 装修用木材,可减排二氧化碳64.3公斤。在地板下或间隔中,放入适量的竹炭,利用其强大的吸附功能可吸收大量的有毒物质,净化室内空气。

行。日本静冈大学一个研究小组已开发出一种利用竹子高效制造生物乙醇的新技术。该项技术使纤维素转化成葡萄糖的转化率达到75%。同时,竹地板、竹胶合板在汽车底板、火车底板、轮船舱板、集装箱板中大量应用。可以有效减少高耗能产品钢铁的用量。因此,竹子不仅可能成为一种新的生物燃料的原料来源,也可成为交通运输工具的重要制作材料。

用。竹制生活用具一直是中国家庭必不可缺少的器具。如在购物时用竹蓝或竹筐代替一次性塑料袋,1个月可以减少二氧化碳排放15~20克 ;夏季家用空调调高1℃,辅之以传统竹扇适当降温,可以节电7%,每年每台空调可减排二氧化碳21公斤。减少对一次性木筷的消耗,多用竹筷并重复使用,全国每年少用1%的一次性筷子,每年可减少排放二氧化碳1万吨。

竹子功能

竹类物质的经济效益

20世纪90年代以来,随着经济发展和科学技术的进步,笋材利用逐渐由原来单一卖鲜笋、原竹及粗加工,向深加工方向发展,产品从单一性向多系列性、从低附加值向高附加值,从简单的商品到优质出口创汇商品发,目前国内笋竹制品已发展到竹笋、竹日用品、竹工艺品、竹胶合板、竹地板、竹材家具、竹炭、竹纤维纺织、竹浆造纸、竹化工产品等 10个大类5 000多个品种产品,竹产品日益丰富,市场不断扩大。现代竹制品已经涵盖人类生产生活的方方面面。如浙江安吉县2011年,全县竹产业的产值达113亿元,仅竹和笋就为全县农民人均增收7100元,占农民人均收入60%以上。 目前安吉竹业加工企业达2700余家,竹产品已经形成了7大系列3000多个品种,笋加工产品达数百种。

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蜜蜂为何单恋一枝花

繁花盛开的季节,蜜蜂在姹紫嫣红之间辛勤地劳作,如果你仔细观察一只蜜蜂的活动,就会发现蜜蜂对柑橘和咖啡花朵仿佛着了魔一般,而对其他植物的花朵视若无睹,这是为什么呢?

实际上从达尔文开始,生物学家就发现了蜜蜂采蜜的专一性。蜜蜂是重要的花粉运输工具,花粉必须被运到另一朵同种植物的花上才能受精繁育出果实和种子。如果世界上只有桃花,那双方的交易就能很轻松地进行。但是世界上的植物不只桃花一种,如果每种花都敞开提供花蜜,那么蜜蜂在放开肚子大吃大喝的时候,就会沾上各种各样的花蜜,结果就是乱点鸳鸯谱——杏花的花粉可能“偷跑”到桃花的雌蕊上,如此非但没有结果,反而因占了“名额”而耽搁正常桃花花粉的“表白”,从而误了双方的繁殖大计。所以对植物们来说,避免这种浪费的最好的办法,就是让蜜蜂尽量专一地为自己工作。于是出现了蜜蜂单恋一枝花的现象,那么植物耍了什么样的“小花招”呢?

原来植物跟蜜蜂之间有专门的“接头暗号”。就像不同的饭店有不同的招牌一样,不同的花朵也会打出自己的特色招牌——比如春兰花清香的气味和洁白的颜色,正如口味清淡的粤菜馆子;而颜色鲜艳气味浓烈的月季花,就像浓郁热烈的烤鸭馆子——来吸引蜜蜂。其实蜜蜂也是一个比较挑的主儿,对黄色和蓝色的花朵情有独钟。这与不同动物的视觉有很大的关系,鸟类对红色比较敏感,而蜂类则对黄色和蓝色比敏感。

此外,植物还通过散发香味来吸引蜜蜂。因为鸟儿的鼻子不太好用所以由鸟类服务的花朵通常没有气味,而蜜蜂的“专属”花朵通常有香甜的气味(那是酯类化合物的味道)。

除了颜色、气味不同之外,花朵们还会在花蜜中添加一些特别的“惊喜”——槲皮素或者阿魏酸的苦味物质——来赶走很多偷吃的虫子,避免花蜜被盗食。不过蜜蜂却会迎难而上,这点苦味对它们来说不算个啥儿。然而面对外面的花花世界,植物又是怎样保证蜜蜂不会换口味的呢?

真相就是蜜蜂有着自己的记忆效应,特别是蜜蜂和熊蜂都有比较强的学习能力,它们会把之前采集花蜜的经验运用在后续的工作中。可是即便有了工作经验的积累,蜜蜂还是喜欢偷懒,喜欢简单重复劳动。如果把不同形态的花朵分别布置在不同的区域,那么蜜蜂就会持续选择一种花朵进行采集;当不同形态的花朵被均匀分散在一个区域的时候,蜜蜂的懒惰劲儿就上来了,变得不那么挑剔了。蜜蜂在作出选择之前往往有4-5秒的考虑时间。如果在这段时间内发现了相同的花朵,那么蜜蜂一定会去采那朵相同的花朵。如果没有,只能退而求其次,不加选择地进行采集。为了“投其所好”,于是植物们经常大片大片地开花了。回到文章开头,柑橘和咖啡们显然不满足这一点,那她们又是如何让蜜蜂一心一意为自己服务的?

秘密就在于它们的花蜜中含有咖啡因。正如我们人类喜欢喝咖啡、喝茶一样,蜜蜂对这玩意儿也会上瘾。美国《科学》杂志的一项研究报道表明:咖啡因正是让蜜蜂忠诚专一的物质。正如咖啡因会刺激人类的大脑一样,这种化学物质也可以刺激蜜蜂的大脑,特别是其中一个叫蘑菇体的脑区域,这一区域跟气味的学习和记忆有关。咖啡因的摄入使得蜜蜂深刻地记住了在柑橘和咖啡花朵上采集花蜜这件事情。所以在接下来很长的一段时间里,蜜蜂都离不开这种特殊味道的花蜜了,所以蜜蜂会单恋一枝花也就不足为奇了。

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流转在时光里的花

四季更迭,伴着大自然独特的漫笔勾勒,每个月,我们都被不同的花簇拥着,亦是点缀。

花1

古人写景抒情总会描带着花。花的诗词,花的图腾,花的色彩,饱含无数文人骚客的儿女情长,寄挂着万种相思,也娇羞了无数二八少女。到底是什么成就了这姹紫嫣红的良辰美景,又是什么召唤出刘希夷:“年年岁岁花相似,岁岁年年人不同!”的悠悠感慨呢?自然界中,每种花的花时都受到多重因素的影响,如阳光、温度、昆虫、土壤酸碱、其自身遗传等。也正是这些因素的错综复杂,才呈现出色彩缤纷,含香各异的花花世界。

影响开花的主要生物因素是花芽分化,然而,植物花芽开始分化的时间,以及完成整个花芽分化的时间都不尽相同。有的植物花芽一年分化一次,于6~9月高温季节进行,至秋末花器的主要部分已完成,第二年早春或春天开花,这种花芽的分化类型称为夏秋分化类型。如:牡丹、玉兰、郁金香等。有的植物发芽为冬春分化类型,植株在冬春温度较低时进行花芽分化且时间短并连续进行,如报春花、三色堇、鸢尾等。有的植物的花芽分化为当年一次分化的开花类型,一些当年夏秋开花的种类,在当年枝的新梢上或花茎顶端形成花芽,如紫薇、木槿、木芙蓉等。也有部分植物的花芽为多次分化类型,一年中可多次发枝,每次枝顶均能形成花芽并开花。如茉莉、月季、倒挂金钟、香石竹等。花芽分化的变化规律与各品种的特性、其活动状况、外界环境条件等,都有密切的关系。因此,掌握其规律,并在适当的农业技术措施下,充分满足花芽分化对内外条件的要求,就能保证植物开花过程的顺利进行。

花2

植物开花还受环境因素的影响,其中光和温度是诱导植物开花的主要环境因素。植物需一定的低温诱导促使其开花,区别在于低温的范围和持续时间。杜鹃、山茶在25℃时分化出花芽,它们都必须经过一个冬季的低温阶段,等到来年温度在10℃时山茶开花,杜鹃则要15℃才开花;桃树在27-30℃(夏天)分化出花芽,同样经过冬季的低温阶段,在次年10-15℃之间开始开花。珠兰、米仔兰、白兰在武夷山以南常年开花,到长江流域只在6-11月开花,这完全与温度有关。白居易在《大林寺桃花》中云:“人间四月芳菲尽,山寺桃花始盛开。”且不论诗人内心深处的思索,从生物学角度分析,便是温度对植物开花的影响。

花3

不同地区的植物在长期适应和进化过程中表现出生长发育的周期性变化,这种对日照长度发生应答的效果被称为光周期现象。一般分为长日植物、短日植物、日中性植物。天仙子、桂花是典型的长日植物,天仙子必须满足每天8.5-11.5小时的日照才能开花;而菊花则是典型的短日照植株,必须满足少于10小时的日照才能开花。同时光照的强弱对花蕾开花时间影响很大,如半支莲、酢浆草等,必须在强光下开放,君子兰在强光照下,花期短花色艳,在弱光下花期较长花色淡。晚香玉、紫茉莉在傍晚怒放;牵牛盛开于晨曦之中。精明的商人们利用人工控制的光周期的办法,来提前或推迟花卉植株开花;通过改变光的强度,进而改变花的颜色来达到商业目的。

花4

除去上述光和温度这两个主要因素外,还有其他一些因素如土壤的肥力、酸碱度,水分,以及环境胁迫作用等都能影响植物开花。总的来说,植物通过内外两种开花控制体系精确地调节开花时间,以适应环境的变化。大自然的美在于她的匠心独运,在于她的错落有致。植物将花用于自身繁殖的时候,也是对人类的馈赠、一种之于美,之于情的投礼。

简单几抹花朵便可怡情雅兴。那些时光径流里的花,给予我们无限遐想。桃之夭夭,灼灼其华;之子于归,宜其室家。犹记闲庭散步,朗朗书声“遥知不是雪,为有暗香来……”。

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转玉米基因的水稻

今年,杂交水稻之父袁隆平在接受媒体采访时谈到,他正在研究将玉米的碳四基因转移到水稻中。那么,什么是碳四基因?为什么要转到水稻中呢?

碳三植物与碳四植物

众所周知,植物是地球上的生产工厂。它们通过光合作用生产有机物和氧气,维持人和动物的生存和生态圈的平衡。

绿色植物在光合作用时,首先要将空气中的CO2固定在植物体内。大多数物种中, CO2结合1,5-二磷酸核酮糖(RuBP),生成3-磷酸甘油酸。它是CO2固定的最初产物,含有3个碳原子,因此将这一CO2固定途径称作碳三(C3)途径,这些植物被称作碳三(C3)植物。禾本科中,水稻、小麦都是C3植物。

催化RuBP结合CO2的酶叫做Rubisco。Rubisco催化效率低下,是整个反应的限速酶。而且它除了能催化RuBP固定CO2,还可反向催化RuBP结合氧气,释放CO2。后者类似于呼吸作用,称作光呼吸。光呼吸不但不能固定CO2,反而会损失已生成的同化产物。

为了应对C3途径的缺陷,一些植物进化出了新的CO2固定途径,并发展出与之适应的形态特征。它们的维管束周围的细胞分化成两种:维管束鞘细胞和叶肉细胞。这些细胞整齐地排列成双层环状结构,即所谓的“花环结构”。CO2固定过程发生在叶肉细胞的细胞质中,与之反应的是磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),生成产物是一种有机酸,它含4个碳原子——显然这些植物应该叫做碳四(C4)植物,典型的例子如禾本科的玉米。接下来,四碳酸被运送到维管束鞘细胞中,并分解为丙酮酸和CO2。重新释放出的CO2在维管束鞘细胞中进行C3途径。

图1 禾本科三种植物叶片形态结构对比

图1 禾本科三种植物叶片形态结构对比

催化C4植物结合CO2的酶是磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)。得益于其相比Rubisco更高的催化效率,被运送到维管束鞘细胞中的CO2浓度比C3植物更高。如果将C3植物看成一个露天工厂,生产原料是来自空气的CO2,Rubisco则是一台破旧的生产机器。C4植物创造性地将生产机器放入厂房——叶肉细胞中。PEPC相当于放置在维管束鞘中的CO2压缩泵,经过它的浓缩,导入到厂房中的生产原料比露天工厂的浓度要高十倍。这样,即使生产机器仍然很破旧,却大大增加了生产效率。此外,高浓度的CO2削弱了Rubisco的氧化功能,从而可以降低光呼吸。C4植物掌握的这些先进技术提高了同化作用的生产率。

图二 C3与C4植物代谢方式对比

图二 C3与C4植物代谢方式对比

转碳四基因的可行性

正因为C4植物在同化作用上具有明显优势,人们一直试图将C4基因转移到当今广泛种植的C3主粮中,期望在C3植物中运行C4途径,以提高产量。尽管C3和C4植物从生理和形态上具有很大的差异,但这一想法并非天方夜谭。

从遗传的角度来看,C4植物与C3植物间的差异并非不可逾越的天堑。尽管C3植物缺乏很多C4途径的必须酶,但编码一些主要酶的基因均能在现存C3植物中发现,只是编码水平更低。

从演化的角度来看,从C3向C4的演化在被子植物中至少独立发生了45次。这一多源演化现象暗示C3向C4转变可能相当简单。已经观察到C4光合作用的生化特征存在于一些C3植物的细胞类型中,而C3植物的细胞分化模式也在一些C4植物组织中发现。有些植物甚至可以在C3和C4光合作用间自由变换。

在所有作物中,C4途径和花环结构密不可分。实际上,代谢方式虽然依赖于形态结构,但也可以反过来影响形态结构。举个例子,修改C3途径的某些成分,可以引起叶片结构的变化。一些特殊代谢物还可类似信号分子,从而改变叶片发育进程。因此有这个可能性,即改造C3植物的叶片,使之具有花环结构。此外,还观察到了有些单细胞藻类只需一个细胞就能进行C4途径。这个系统相对更简单,可能在转基因育种上相比改造C3植物的结构更具操作性。

前景

在上个世纪,全球范围内发生过两次“绿色革命”。第一次绿色革命是矮化育种技术,它成功地降低了作物的茎秆高度,并大大提高了产量。第二次绿色革命是杂交育种技术,以我国袁隆平开发的杂交水稻为代表。杂交育种使作物在矮化的基础上,产量又有了突破性的增长。但是,自第二次绿色革命以来,作物的产量增加已经达到了瓶颈。

C3植物的辐射利用率与C4植物相差50%。相比C3作物,C4作物产量更高,失水更少,氮素利用率更高。通过转基因的方式,将玉米的C4途径装入水稻中,以突破传统技术瓶颈,是个很有前景的想法。而且玉米与水稻同为禾本科植物,二者皆是当前种植广泛的主粮。转玉米的碳四基因到水稻中没有安全性方面的争议,不会受到民众的抵触。

如今,来自世界各地的研究人员正在努力实现这一雄心勃勃的计划。目前已经确定了水稻中运行C4途径所需要的基因,下一步目标是培养出第一株C4植株。在2012年,由国际水稻研究所IRRI主导的C4水稻项目得到了英国政府和比尔&琳达·盖茨基金会(BMGF)的支持,并拨款1400万美元以开展未来三年的研究工作。

前途是光明的,道路是曲折的。我们相信如果这一研究如果取得了成果,完全可称得上是第三次绿色革命。我国著名农学家、杂交水稻之父袁隆平先生在第二次绿色革命中便处于主导地位,如今他又以耄耋之年,积极投入到第三次绿色革命工作中来。这不仅是我国的福音,更是全球的福音。

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土壤这层地球的皮肤有多厚?

土壤可能是不连续地或连片地分布在地球表面,形成土壤圈,作为地球行星至关重要的皮肤,与大气圈、水圈、岩石圈和生物圈一起构成自然环境的五大圈。土壤圈是岩石圈最外面一层疏松的部分,地球上所有的生命都依赖于她的存在。土壤圈表面或里面有生物栖息,是联系有机界和无机界的中心环节,也是与人类关系最密切的一种环境要素。

土壤厚度是在漫长的土壤发育历史中从最初风化一点一滴积累起来的土壤层次,一般指从地表到地下出现或多或少的岩石层深度,可以简单理解为土壤母质层以上到土壤表面的垂直深度,一般分为腐殖质层、淋溶层和母质层。人们一般讲的土层厚度是指可以生长植物的土壤厚度,这一层也被称为腐殖层,是肥力性质最好的一层,植物根系和微生物也集中在这一层。

土壤剖面图

土壤剖面图

土壤厚度是土壤的一个重要基本特性,能直接反映土壤的发育程度,与土壤肥力密切相关,是野外土壤肥力鉴别的重要指标。它既是土壤养分的补源,又是土壤矿质原始的储存库,还是判定土壤侵蚀程度的主要指标。土壤厚度和性状是土壤质量的重要表征指标,是植物生长的重要物质基础。土壤厚度可以影响植被生长和地表水文,也对山体滑坡、土壤侵蚀以及土壤肥力、生产力等具有决定性作用。

事实上,土壤厚度在各个地方各有所不同,在平原地区黄土层较厚,在高山地区无黄土层,仅为岩石层,一般说,黄土高原黄土层最厚,估计有上千米,要是耕种的土层,不超过0.5米。

如果要追溯人类对土壤厚度的认识,最早应该从原始人开挖陷阱捕获猎物这种不自觉的认识,到人类建筑史上对地基的应用,逐步加深对其的认识。然而,这些认识仍然只是肤浅的、片面的。然而,对土壤厚度真正系统的认识是在土壤学的建立以后,在野外(田间)通过对土壤形成因素和剖面形态的观察,并结合对周围自然地理环境和土壤利用情况的综合分析来掌握土壤的基本特征。

土壤厚度作为土壤物理性质参数的一个重要指标,受很多因素影响,比如基岩特征、地表植被状况以及地形地貌等。近代以来,土壤厚度的研究随着土壤学的发展有了很大的进展,在研究方法和理论都有所突破。越来越多的研究表明,土壤厚度作为地球的皮肤,不再仅作为农业土壤质量评价的一个重要指标,而且已经与许多学科紧密联系交叉在一起,受到越来越多的重视。

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土壤的分类——红壤

由于生物、土壤、大气、水和地貌共同演化,彼此相互作用,土壤会随地形、大气及其气候、地表水和地下水资源以及生态系统的不同而不同。红壤为发育于热带和亚热带雨林﹑季雨林或常绿阔叶林植被下的土壤。其主要特征是缺乏碱金属和碱土金属而富含铁﹑铝氧化物,呈酸性红色。红壤在中亚热带湿热气候常绿阔叶林植被条件下,发生脱硅富铝过程和生物富集作用,发育成红色,铁铝聚集,酸性,盐基高度不饱和的铁铝土。红壤、黄壤、砖红壤可统称之为铁铝性土壤。

红壤

红壤

在我国红壤主要分布于长江以南的低山丘陵区,北起长江,南至南岭山地和台湾北部,西部包括云贵高原中北部及四川盆地南缘。主要包括:江西、湖南两省的大部分,滇南、湖北的东南部,广东、福建北部及贵州、四川、浙江、安徽、江苏等的一部分,以及西藏南部等地。红壤土类划分5个亚类:红壤、黄红壤、红壤性土、棕红壤和山原红壤。红壤亚类具土类典型特征,分布面积最大;黄红壤亚类为向黄壤过渡类型,一般分布于山地垂直带,下接红壤亚类,上接黄壤土类;红壤性土亚类是剖面发育较差的红壤类型。

红壤具有深厚的红色粘土层,心土和底土为棕红色,坚实粘重和铁铝胶体粘结,棱快壮结构。具有粘、酸、瘦、缺磷的特点。由于红壤分布地区气候条件优越,光热充足,生长季节长,适于发展亚热带经济作物、果树和林木,且作物一年可两熟至三熟。土地的生产潜力很大。在我国,红壤地区是稻米、茶、丝、甘蔗的主要产区,山地还适于种植杉树、油桐、柑橘、毛竹、棕榈等经济林木。我国红壤总面积约5690万hm2,多在北纬25°~31°之间的中亚热带广大低山丘陵地区,亦是我国柑桔的主要产地。但要获得种植柑橘的成功,应针对红壤的特性进行改良熟化。

红壤改良措施包括植树造林、平整土地、客土掺砂、加强水利建设、增加红壤有机质含量、科学施肥、施用石灰、采用合理的种植制度等。可以增施氮、磷、钾等矿质肥料,氮肥宜用粒状或球状深施,磷肥宜与有机肥混合制成颗粒肥施用;红壤的酸性强,可通过适量施用石灰降低红壤酸性;合理耕作,选种适当的作物、林木,种植绿肥是改良红壤的关键措施,可以提高红壤的有机质含量和氮素肥力;旱地改水田,减少水土流失并有利于有机质积累,提高红壤生产力;保护植被,防治侵蚀,凡坡度大于25°的陡坡应以种树种草为主,小于25°的坡地根据陡缓状况修建宽窄不等的等高梯地或梯田种植。丘陵红壤一般氮、磷、钾的供应不足,有效态钙、镁的含量也少,硼、钼也很贫乏。并常因缺乏微量元素锌而产生柑桔“花叶”现象。

红壤一般可以种植稻米、茶、丝、甘蔗,山地还适于种植杉树、油桐、柑橘、毛竹、棕榈等经济林木。

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