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关键词:分形理论;Zipf定律;碳储量分布
中图分类号:S718.5 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2016)01-0054-05
DOI:10.14088/ki.issn0439-8114.2016.01.016
工业革命以来,由于化石燃料的过度燃烧,温室气体不断的在地球大气中积累,导致陆地地表和海洋大气的气温持续上升[1],温室效应已成为当今国际社会公认的最为严重的环境问题之一[2]。因此,降低大气中主要温室气体二氧化碳的浓度是解决温室效应的主要途径。
森林作为陆地生物圈的主要组成部分,不仅维持着约占全球86%以上的植被碳库,同时也维持着巨大的约占全球73%的土壤碳库[3]。土壤每年呼吸释放到大气中的CO2是化石燃料燃烧释放的CO2的10倍以上[4]。土壤有机碳库的轻微变化足以对大气中的CO2造成极大的影响,进而通过温室效应影响全球气候变化[5]。所以有必要对土壤有机碳储量和分布特征进行详细研究。与此同时,为更好地理解森林生态系统与气候变化之间的相互作用,也为提高该区域森林生态系统的质量提供数据支持,还需要研究森林植被碳储量及其分布情况。
森林土壤和植被碳储量的分布形态可以理解为是在某种规定的尺度中离散的分布。这种分布上或结构上的离散性是森林资源规模分布不均衡的主要原因,也是研究森林生态系统碳储量规模分布形态的方向之一[6-9]。笔者利用分形理论和Zipf定律对江西省森林土壤和植被碳储量的规模分布及其特征进行定量分析,为研究森林生态系统碳储量空间分布格局提供了新思路,同时,也为林业部门制定区域森林资源可持续经营方案提供了新理念。
1 分形理论与Zipf定律介绍
1.1 分形理论
分形理论(Fractal theory)是现代非线性科学中的一个重要分支,是科学研究中一种重要的数学工具和手段。1967年,Mandelbrot首次创造性地阐述了分形理论,它可以定量表达自然界中传统欧式几何学不能描述的复杂而有规则的几何现象,揭示非线性系统中有序和无序的统一、确定性和随机性的统一问题,为人们认识和分析复杂性问题提供了新的方法。经过众多研究者的修正,分形得以有了较为全面而恰当的定义[10-13]。而分形维数(Fractal dimension)则是描述分形的重要参数,能够反映分形的基本特征,用数学模型表述为:
N(r)~r-D (1)
模型中,r为尺度;N(r)为被量度客体的数目;D为分形维数。分形理论经过几十年的发展,现已被广泛应用于生物学、物理学、化学、气象学、地质学、计算机图形学、材料学、经济学等自然科学和社会科学研究中,成为当今国际上许多学科的前沿研究领域之一[14]。目前,分形理论在林业科学中的应用主要有森林生态系统土壤分形特征研究、森林气候时空分布的分形特征研究、森林火灾的分形模拟、森林植被空间格局的分形研究、树木结构特征的分形模拟、木材构造及其生理特征分形研究、植物形态结构及其动态变化的分形模拟以及林业遥感图像的纹理分析等方面[9,10]。
1.2 Zipf定律
在认识自然资源数量的分布形态及其表现实质时,Zipf定律给研究者提供了一种思考的途径和一类精巧的模式。美国哈佛大学教授吉弗于1949年出版的《人类行为与最小努力原则》一书全面阐述了Zipf定律的内容。该定律针对空间地域分布中的非连续现象(即离散分布现象),从诸如等级-大小或秩位-规模等的关系中揭示出了一条值得重视的结论[15]。Zipf定律可以用数学模型表述为:
lnP(k)=-qlnk+lnP1 (2)
模型中,k为某个体在系统中的等级,即位序;P(k)为等级k的个体规模;P1为等级首位的规模;q为参数(Zipf维数),且q×D=R2[6,15],R2为拟合出的式(2)的决定系数。Zipf维数具有明确的分维意义,揭示了等级-大小等关系的分形结构特征。目前,Zipf定律已经被广泛地应用到城市、经济、生态、海洋、旅游等许多领域。杨国良等[16]用zipf定律对四川省入境旅游流规模结构的研究结果表明,zipf定律、差异度、均衡度指标均可作为旅游流规模结构分析的有效手段或工具。谈明洪等[15]对Zipf维数和城市规模分布的分维值的关系进行了探讨。但zipf定律在林业科学领域中的应用较少,刘羿等[6]用zipf定律对全国森林资源规模分布情况的研究是一次很好的尝试。
2 材料与方法
2.1 研究方法
以江西省为研究范围,各市为研究的基本单位,对各市的森林土壤有机碳储量和森林植被碳储量规模进行排序,并将规模序号和指标数量进行对数变换,绘制在双对数坐标图上,观察其拟合状况。如果二者存在回归拟合函数关系,即满足式(2),则可以认为该碳储量规模结构符合Zipf定律;反之,论证前的假设不成立,碳储量规模结构不符合Zipf定律。如果符合Zipf定律,就逐点拟合出最优的数学模型,并根据q和R2利用D=R2/q计算出分形维数(D),最后对绘制的图形进行分析。当Zipf维数q>1,分形维数(D)较小时,系统无标度区间内森林土壤和植被碳储量规模结构差异较大,说明无标度区间分形特征形态表现较差;当Zipf维数q
2.2 数据来源
研究所采用的数据是江西省2001―2005年森林资源二类调查数据,选择的指标是0~20 cm土壤有机碳储量、0~100 cm土壤有机碳储量、森林植被碳储量(表1)。
2.3 数据处理
数据处理采用Excel软件,包括数据排序、图表分析、模型lnP(k)=-qlnk+lnP1的拟合。
3 结果与分析
3.1 森林土壤有机碳储量空间格局分形特征
将江西省各地区的森林土壤有机碳储量数据按照从高到低的顺序进行排序,分别得到0~20 cm和0~100 cm土壤有机碳储量序列。把排在首位的地区等级定为1,排次位的等级定为2,依此类推。江西省等级-森林土壤有机碳储量规模双对数图如图1所示。由图1可知,等级-森林0~20 cm土壤有机碳储量规模的散点图很难用一条直线或曲线拟合,其间出现明显分岔转折点,表明森林土壤有机碳储量规模结构发育不完善,在大的结构体系下存在2个次级结构子系统,即存在无标度区[13]分段情况,也就是双分形特征[19]。从散点图初步可以判定,第6、7点出现断裂,该断裂很可能是分岔点,由式(2),根据已知的P(k)和lnk经过逐一回归,确定两条最佳拟合直线,即第1~6点所代表的系统Ⅰ和第7~11点所代表的系统Ⅱ。通过森林土壤有机碳储量指标能够说明碳储量规模分布符合Zipf定律,并出现双分形特征[16]。从图1和表2拟合情况看,系统Ⅰ中q1,分形维数(D)较小,说明散点图上对应的景德镇市、萍乡市、鹰潭市、新余市、南昌市5个地区0~20 cm土壤碳储量规模结构差异较大,分布相对分散,分形特征形态表现较差。综合图1来看,2个规模结构等级子系统不仅内部结构的分布模式不同,而且子系统之间呈跳跃式突变,分别代表第6点和第7点的九江市和景德镇市,0~20 cm土壤有机碳储量前者为3 774万t,是后者1 192万t的3倍左右。由图2和表2拟合得到的最佳方程可知,在等级-森林0~100 cm土壤有机碳储量规模分布中同样出现了双分形特征和2个子系统,其中系统Ⅰ中q1,分形维数(D)较小,说明散点图上对应的景德镇市至南昌市5个地区在0~100 cm土壤碳储量规模结构差异较大,分布相对分散,分形特征形态表现较差。综合图1、图2、Zipf维数和分形维数来看,0~20 cm和0~100 cm土壤有机碳储量规模分布规律相似。
3.2 森林植被碳储量空间格局分形特征
对江西省各地区森林植被碳储量数据按上述方法进行相同处理,绘制在双对数坐标图上,江西省等级-森林植被碳储量规模双对数图如图3所示。由图3可知,森林植被碳储量规模分布与森林土壤有机碳储量规模分布基本一致,等级-森林植被碳储量规模分布在双对数图上也都存在2个子系统,表现出明显的双分形特征,以森林植被碳储量为指标的森林资源规模分布符合Zipf定律。从散点图(图3)和拟合得到的最佳方程(表3)可知,系统Ⅰ中q1,分形维数(D)较小,说明散点图上对应的景德镇市至南昌市等5个地区在碳储量规模结构上差异较大,分布相对分散,分形特征形态表现较差。
3.3 全省碳储量规模分布情况
综合分析0~20 cm土壤碳储量规模分布、0~100 cm土壤碳储量规模分布以及森林植被碳储量规模分布情况可知,这3个指标的规模分布规律均符合Zipf定律,都出现了双分形特征,在大的结构体系下存在2个次级结构子系统,系统Ⅰ都由赣州市、吉安市、上饶市、抚州市、宜春市、九江市构成,系统Ⅱ则由景德镇市、萍乡市、鹰潭市、新余市、南昌市构成。这2个规模结构等级子系统不仅内部结构的分布模式不同,而且子系统之间呈跳跃式突变,系统Ⅰ中位次最低的城市的碳储量是与之相应的系统Ⅱ中位次最高城市碳储量的2~3倍。这种规模分布情况说明在江西全省范围内,无论是土壤碳储量,还是森林植被碳储量,在资源规模分布上都存在着极大的不均衡性,空间结构差,优化程度不高,亟待进一步完善。
4 结论与讨论
1)森林土壤碳储量和森林植被碳储量规模分布均符合Zipf定律,通过Zipf定律描述碳储量规模的分布规律是可行的。
2)森林土壤碳储量规模分布结构差异性较大,在0~20 cm和0~100 cm土壤碳储量规模分布中都出现了双分形特征,显示出了2个子系统的存在。2个子系统Ⅰ的Zipf维数(q)分别为0.621 4和0.629 3,分形维数(D)分别为1.585 0和1.562 1,说明这2个系统内部结构差异性较小,碳储量分布相对集中,分形形态表现较好。2个子系统Ⅱ的Zipf维数(q)分别为2.250 1和2.221 8,分形维数(D)分别为0.422 0和0.420 6,说明系统内结构差异性较大,分形形态表现较差。2个指标的子系统Ⅰ和Ⅱ之间呈跳跃式突变,系统Ⅰ中各城市0~20 cm和0~100 cm土壤有机碳储量均值分别为6 000万t和15 400万t,远高于系统Ⅱ中的800万t和2 100万t,说明赣州市、吉安市、上饶市、抚州市、宜春市、九江市在江西全省范围内土壤碳储资源优势非常明显。
3)森林植被碳储量规模分布同样结构差异较大,森林植被碳储量规模分布中也都出现了双分形特征,显示了2个子系统的存在。子系统Ⅰ的Zipf维数(q)为0.573 8,分形维数(D)为1.703 4,说明这2个系统内部结构差异性很小,碳储量分布相对集中,分形形态表现较好。子系统Ⅱ的Zipf维数(q)为2.750 4,分形维数(D)为0.345 7,说明系统内结构差异性较大,分形形态表现较差。该指标的子系统Ⅰ和Ⅱ之间同样呈现跳跃式突变,系统Ⅰ中各城市森林植被碳储量均值为3 900万t,远高于系统Ⅱ中的560万t,说明赣州市、吉安市、上饶市、抚州市、宜春市、九江市在江西全省范围内森林植被碳储资源优势同样明显。
4)“十五”期间,南部和西部的赣州、吉安、宜春等地区主要以天然森林为主,碳密度较高,在江西省森林植被碳储量中占主导地位,而中部和北部的城市如萍乡、新余、南昌、鹰潭和景德镇,分布着大量的人工林和次生林,并且以中、幼龄人工林为主,碳密度较低,碳储量少[18],这应该是造成植被碳储量规模分布出现双分形特征的主要原因。而森林土壤碳储量规模分布中之所以出现双分形特征,很可能与地形差异、维度以及南北自然区域降水量的分布差异等因素有关。
5)综合江西全省森林土壤碳储量和森林植被碳储量规模分布来看,笔者认为通过对南部和西部的赣州、吉安、宜春等地区的天然林进行封山育林,稳定碳储量的同时,大幅增加中部和北部新余、鹰潭、景德镇等地林分中的地带性树种组成,调整现有森林结构和提高现有森林的经营与管理水平,有利于削减这种植被碳储量分布上的不平衡性。并且随着中部和北部地区人工林木的快速生长和成熟,地表凋落物分解及根系分泌物增多,土壤有机质含量也将增大[20,21],形成巨大的贮碳潜力,同时,森林土壤规模分布结构也将得到进一步优化。
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那花境和传统的花坛有什么区别呢?
首先,花境是边缘不用建筑材料形成一定形状的种植床。
其次,从平面上看,整个花境的形状不是规划成某种规则的几何形状,而是沿道路等地形作长带状布置。
最重要的是,植物材料的搭配,不是人为地规划成规则的块状,而是像自然界中的自然错落分布,形成不规则的小片状,甚至零星分布。
目前华东地区各种园林、道路景观设计已经越来越多地突破原来传统单一的花坛设计,取之以更加富有自然气息、更加具有美感的花境。在新一代的华东花境中,出现了不少新的花卉植物,为此,本文特收集整理了一些华东地区花境中比较常见的花卉植物,逐一进行介绍。
德国景天
德国景天是替代一般草花的好品种,第一年花开之后,次年又可继续重新生长开花,特别适合园林的布景之用。
形态特征:景天科景天属多年生肉质宿根草本。茎基部褐色,稍木质化,上端淡绿色。株高15cm=20cm,花顶生,聚伞型花序,小花密集。花型整齐,陆地自然花期6=10月。
生态习性:喜通风良好、比较干燥的环境,对土壤要求不严,喜强光,耐湿涝,耐旱,抗寒力强。
繁殖培育:景天类植物繁殖简单,可以用分株、茎或叶片扦插或用种子繁殖。但在大规模生产中,以用茎段扦插最为普遍。
花境应用:花境中可以用作地被植物,填补夏季花卉在秋季凋萎没有观赏价值的空缺,冬季仍然有观赏效果。
矮蒲苇
矮蒲苇花穗长而美丽,庭院栽培壮观而雅致,也可用作干花或观赏草专类园内使用,具有优良的生态适应性和观赏价值。
形态特征:茎丛生,雌雄异株,叶多聚生于基部,极狭,长约1m,宽约2cm,下垂,边缘具细齿,呈灰绿色,被短毛。圆锥花序大,雌花穗银白色,具光泽,小穗轴节处密生绢丝状毛,小穗由2―3花组成。雄穗为宽塔形,疏弱。花期9-10月。
生长习性:矮蒲苇性强健,耐寒,喜温暖、阳光充足及湿润气候。
繁殖培育:对土壤要求不严,易栽培,管理粗放,可露地越冬。春季可分株繁殖,秋季分株易死亡。
花境应用:常见植于岸边,秋赏其银白色羽状穗的圆锥花序,大片尤美。
常春藤
不少家庭也种植的常见花卉,花境中常见大片地被满铺,比原先爬藤攀援更多生机。
形态特征:长春藤属五加科,原产欧洲。叶阔三角状卵形、互生、革质。老叶暗绿,点缀灰白色斑,叶脉略带白色,叶缘镶嵌着不规则的暗黄白色;新叶明亮点缀淡黄、灰色斑,叶脉白色,叶缘黄白色;新生小叶勺形,光亮翠绿,叶脉亮白色,叶缘黄白色中点缀着淡紫色斑点。秋天黄花满枝,花序球状伞形。黑色球果缀于藤上,与叶片相互衬托,幽雅别致,妙趣横生。
生长习性:性喜阳光,但耐阴,耐寒,不择土壤。
繁殖培育:播种或扦插。播种用腐叶土、园土、河沙按3:2:2配合,过筛取其细者消毒后使用,或用消毒的细河沙。播种后用细土覆盖,用塑料薄膜或玻璃片盖好,保温在20℃-25℃,保持湿润。出芽后去掉塑料薄膜或玻璃片。长出3片叶即可移栽。扦插取其当年嫩枝或较老枝,在5-10月份插在经消毒后的细河沙中,保持湿润状态,用塑料薄膜盖好,温度控制在20℃-26℃,空气相对湿度80%-90%,约20天左右生根。成活率90%以上。
丛生福禄考
盛花时如一片粉红色地毯。十分绚丽。可大面积种植在平地、坡地或垂悬在墙上。在日本被誉为“铺地之樱”,与樱花齐名。在我国被俗称为“开花的草坪”,是替代传统草坪的良好开花地被。
形态特征:原产北美东部,为多年生常绿宿根草本花卉,它是福禄考品系中一个独特的品种。丛生福禄考为耐寒多年生草本,茎铺地丛生,株高10cm-15cm,常绿,花密生。花色有紫红、白、紫及粉红色,可于八、九月二次开花,两次花期共长达三个月。
生长习性:其植株生长健壮,可在多种类型的土壤中生长,在微干性土壤中亦能生长良好。该品种萌芽早,叶与花同步萌生。因枝叶沿地面生长,短期内可覆盖地面,由于叶片为细小针叶,叶表为蜡质,茎木质化,大大减少水分蒸发。故极为耐旱,冬季最低气温8℃地区为常绿草本,比较耐寒,北纬45度以南地区能安全露地越冬。
繁殖培育:易繁育,丛生福禄考夏季开花之后,要剪去开过花的枝蔓和不整齐的枝蔓。发现杂草,需人工清除,不要喷洒除草剂。在干旱季节,丛生福禄考易发生红蜘蛛的危害,症状是叶丛发黄。
花境应用:丛生福禄考具备了宿根花卉的不少优良性状,园林用途较多:可种植在的空地上:可点缀在边缘绿化带内;可栽种于岩石空隙间;可与郁金香、风铃草、矮化萱草等花卉混种;可种植在大树下,起到黄土不露天的美化效果;还可种植在边坡地段,不仅美化坡地,还能减少水土流失。
斑叶芒
长着斑马花纹的斑叶芒,来自加拿大,茎秆像细细的针芒,叶色美丽、株形挺拔,是一种非常不错的背景观赏草。
形态特征:斑叶芒是花叶芒殊的一个类群。株高60cm-120cm,部分高的品种高140cm-170cm。多年生草本植物,叶片具黄色横状斑纹,叶色美丽而株型挺拔。圆锥花序,花期8cm-9月,呈扇形。斑纹横截叶片,斑点的产生受温度影响,早春气温较低的条件下往往没有斑纹,太高的温度下斑纹会减弱以至枯黄,应用时应该引起注意。
生长习性:喜光,耐半阴,性强健,抗性强。
繁殖培育:对气候适应性强,不择土壤,可组培繁殖。
花境应用:孤植、丛植配置,可作假山、水边的背景材料。
大花金鸡菊
美丽的黄花,颜色异常明亮,且花期长,成片点缀于草坪边,非常具有渲染力。
形态特征:原产北美,多年生宿根草本,株高30cm-60cm。茎直立多分枝。基生叶和部分茎下部叶披针形或匙形头状花序,直径4cm-6cm,黄色,有长柄,舌状花通常8枚,园艺品种有重瓣者。瘦果圆形,具阔而薄的膜质翅。
生态习性:对土壤要求不严,喜肥沃、湿润排水良好的砂质壤土,耐旱,耐寒,也耐热。
繁殖培育:大花金鸡菊采用播种繁殖,对土壤要求不高,耐寒、耐旱,发芽适宜温度为15℃-20℃。
花境应用:大花金鸡菊是多年生草本植物,当年可开花,花期有四个多月。花大而艳丽,花开时一片金黄,在绿叶的衬托下,犹如金鸡独立,绚丽夺目。作花境,可在草地边缘、坡地、草坪中成片栽植,也可作切花,还可用作地被。另外大花金鸡菊有固土护坡的作用,而且成本低,是高速公路绿化的新选择。
大花醉鱼草
名为草其实不是草,来自比利时,带有硕大紫色花序的夏秋开花灌木,种植在水边犹如水边佳人,鱼虽未醉人已醉。
形态特征:大花醉鱼草,马鞭草科醉鱼草属半常绿灌木。大花醉鱼草是欧美最流行的夏秋开花灌木,株高和冠幅均为2m左右,生长迅速,分枝众多,耐修剪,从春末至霜前天天开放着繁茂的圆锥形花序,花序硕大长约30cm,花期长,开花繁茂,是优良的夏秋花灌木。
生态习性:较耐寒,在上海地区耐低温-8℃,亦可耐39℃高温,生长适温为25℃-30℃,抗干旱能力强,对土质要求不严,管理粗放,喜阳光充足,在肥沃、排水良好处开花最为繁茂。
繁殖培育:大花醉鱼草可采用扦插繁殖,一株醉鱼草当年可扦插繁殖上百株。
花境应用:醉鱼草栽培容易,管理方便,不管群植还是散植,均能形成较好的自然式景观。
大吴风草
树林下的绿色点缀,叶大而绿,花小而黄,虽不醒目,但给人自然朴实之感。
形态特征:原产中国东部一些省份,及日本和朝鲜。常绿多年生草本,根茎粗大,茎高30cm-70cm,叶多为基生,亮绿色,革质,肾形,径15cm-20cm,边缘波角状,头状花序组成松散复伞状,舌状花10-12枚,黄色,晚秋开花,花期8-12月。
生态习性:喜半阴和湿润环境;耐寒,在江南地区能露地越冬;怕阳光直射;对土壤适应度较好,以肥沃疏松、排水好的壤土为宜。
公园主要景点(草坪、建筑)处及游览干道两旁宜设置一级花境,公园树坛、树林边缘,居住区地绿地内旁宜设置二级花境,公园树坛、树林边缘的带状区或宜设置三级花境。而不同级别的花境的要求是不同的:一级花境全年观赏期不得少于200天,三季有花,其中可以某一季为主花期。二级花境全年可以某季为主花期,观赏期不得少于150天。三级花境的花卉生长与观赏期生长良好季观赏期不得少于45天。此外在栽植和养护的要求上,各个级别的花境也是不一样的:花后及植株休眠期一级花境内残花枯枝不得大于10%,二、三级花境内残花枯枝不得大于15%。一级花境冬季地面不得超过20天。二级花境冬季地面不得超过30天。
花叶燕麦草
白中带绿的叶片给人带来了一股在逆境中顽强生存、催人奋进的精神力量。
形态特征,花叶燕麦草为禾本科燕麦草属多年生常绿宿根草本,须根发达,茎簇生,全株高度在25cm左右,株丛高度较致,叶线形,叶宽1cm、长10cm~15cm、叶片中肋绿色,两侧呈乳黄色,夏季两侧由乳黄色转为黄色,6~7月开花,圆锥花序狭长,不结实。花叶燕麦草色彩清洁明快,特别是在冬季,万物沉睡,绿叶凋零,而花叶燕麦草却生机盎然。
生长习性:喜光亦耐阴,喜凉爽湿润气候,在冬季-10℃时生长良好,也能耐一定的炎热高温,在室外气温达到50℃左右时,仍能安全度夏,它能耐一二个月的干旱,也耐水瀑,在黄梅多雨季节,排水不畅的情况下,生长良好,对土壤要求不严,在贫瘠土壤生长正常,但肥沃、深厚的壤土则更茂盛。
繁殖培育以分株繁殖为主,大批量生产需要组培。
花境应用:白中带绿的叶片可用作大片花境的背景配色植物,而且四季常绿,适应性极强。
花叶玉簪
叶肥大奇特,叶面光亮翠绿,花葶挺立于叶丛之上,花叶俱美。
形态特征:玉簪原产中国,花叶玉簪为国外育成的新品种。百合科玉簪属多年生宿根草本,根状茎粗大,株高30cm~50cm。叶基生、卵形或心形,具长柄,叶缘有的金黄色,有的乳白色。总状花序,花漏斗形,有的纯白色,有的淡紫色,具香气。花期6月至8月。
生长习性:喜土层深厚和排水良好的肥沃壤土,以荫蔽处为好。
繁殖培育多用分株法繁殖,每3~5年分株一次,也可用播种法繁殖,实生苗需2~3年开花。发芽期和花前可施用追肥。
花境应用:植于林下可做观花地被,布置在建筑物北面和阳光不足的园林绿地中,开花时清香四溢。
活血丹
有了匍匐茎的点缀,活血丹和其他地被植物相比就多了些许细腻和精巧,早春的活血丹小花更是花境中的亮点。
形态特征:唇形科多年生匍匐草本。叶肾形至心形,长1.5cm~3cm,宽1.5cm~5.5cm,两面有毛或近无毛,背面有腺点,叶缘有圆齿。花着生于叶腋,2至6朵轮生,唇形,淡紫色或粉红色,花期3至4月。
生长习性:耐阴,喜湿润,较耐寒,在遮阴处和排水不良土壤中生长良好,可以蔓延到向阳处。上海地区冬季在室外会使枝叶枯死,地下部可越冬。
繁殖培育:活血丹属于虫媒传粉,种子成熟后可自然落地,但由于其匍匐茎逐节生根,无性繁殖较为容易。人工建坪时可对匍匐茎切段扦插。
花境应用活血丹散生于树林下、路旁、溪边,喜阴湿环境。早春时节,活血丹紫色或粉色的小花点缀在绿叶间,填补了这一时期大部分草种还未返青的不足,为早春增添了几分色彩。
仲夏季节,花开不绝,鲜艳热烈的红色和挺拔如长剑的绿叶描绘出自然界生机勃勃的夏日热情,
形态特征多年生草本,高50cm~70cm,球茎扁圆球形。叶多基生,剑形,基部鞘状。穗状圆锥花序,花火红色,花期6~8月。蒴果三棱状球形,果期8~10月。
生长习性:喜充足阳光,耐寒。在长江中下游地区球茎露地能越冬。适宜生长于排水良好、疏松肥沃的沙壤土,生育期要求土壤有充足水分。
繁殖培育:球茎的自然繁殖能力较强,常用分球繁殖。一般3年分球1次,于春季新芽萌发前挖起球茎,分球栽植。
花境应用花色和叶色对比强烈,是布置花境、突出气氛的材料,也宜成片栽植于街道绿岛、建筑物前、草坪上、湖畔等。
金边扶芳藤
叶片花色活泼、朴素而不妖艳,适应各种环境生长,配色上能衬托单一绿色植被表现出层次感来。
形态特征:匍匐或以不定根攀援,茎长达5m以上,小枝近四棱形,叶小似舌状,较密实,有光泽,镶有宽的金黄色边,因入秋后霜叶为红色,又称落霜红。金叶扶芳藤生长强健,分枝多而密,其叶春叶鲜黄色,老叶呈金黄色。
生长习性喜温暖湿润的气候,喜光但也耐阴,也耐干旱瘠薄,耐寒性强,对土壤要求不高,但最适宜在湿润、肥沃的土壤中生长。
关键词:微生物 镉 筛选 鉴定
中图分类号:X825 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2013)07(b)-0137-02
随着工农业的发展,采矿、冶炼、电镀等行业向环境中排放了大量的重金属离子,引起环境和生态恶化,其中镉是污染程度最严重的重金属之一。据统计,在过去半个世纪里,全球排放到环境中的镉达到22000[1]。中国受到镉污染的耕地分布在11个省市的25个地区,约为1.3万hm2。每年约有1200万t粮食因污染而损失,其中镉米就达到5万t以上,蔬菜镉超标率为11.6%[2]。重金属污染严重危害着我国粮食生产和食品安全。
重金属污染治理的方法中,传统的物理化学方法具有成本高、易产生二次污染等特点,生物法不仅可以降低处理的成本,还具有较好的经济、环境效益,以成为目前的研究热点。自然界中耐重金属微生物大量存在,往往可从受重金属污染的环境中筛选出优势菌种。
1 材料与设计
1.1 样品
样品1:采自内江市某电镀厂边缘的土壤。
样品2:采自某生活污水处理厂的活性污泥。
1.2 主要仪器
主要仪器:BT224S型电子分析天平;LRH-150F型生化培养箱;YXQ-LS-50 SLL立式压力蒸汽灭菌器;SW-CJ型超净工作台;摇床。
1.3 培养基
牛肉膏蛋白胨固体培养基:牛肉膏0.5 g、蛋白胨1.0 g、0.5 g NaCl、琼脂15 g、去离子水定容至100 ml,调节pH为7.2~7.4。
豆芽汁葡萄糖培养基:黄豆芽10 g、葡萄糖5 g、琼脂1.5~2.0 g,去离子水定容至100 ml,自然pH。
1.4 方法
(1)选择最适培养浓度。
称取5 g土壤鲜样加到15 ml灭菌水中,置于摇床振荡10 min。吸取悬浮液0.1 ml、无菌水0.9 ml加入无菌试管中,此时菌悬液浓度为10-1。以浓度为10-1菌悬液为基准液,采用逐步稀释法,配制浓度分别为10-2、10-3、10-4、10-5、10-6的菌悬液;吸取不同浓度的菌悬液各0.1 ml于相应的培养基中,涂布均匀,置于培养箱中28 ℃培养48 h后,观察培养基中微生物的生长状况,选取生长单菌落数量合适的相应浓度作为最适培养浓度。
按上述方法制备污泥悬浮液,并选取最适培养浓度[3]。
(2)菌株的分离。
取最适培养浓度悬浮液涂布于Cd(Ⅱ)浓度为43.8 mg/L的牛肉蛋白胨培养基上,至于恒温培养箱中培养,48 h后观察平板上的菌落,挑取单个菌落进行划线培养,重复三次以上,直到在显微镜下观察为纯菌[4]。
(3)菌株的驯化。
将纯化后长势最好的单菌落转接到Cd(Ⅱ)浓度为43.8 mg/L、87.6 mg/L、219 mg/L的牛肉蛋白胨培养基上,培养3 d后,选取在219 mg/L中长势最好的单菌落继续转接到Cd(Ⅱ)浓度为328.5 mg/L、438 mg/L、547.5 mg/L的牛肉蛋白胨培养基上,培养3 d。
(4)抗性菌株的鉴定。
①个体形态特征:采用革兰氏染色法染色,镜检观察其个体形态特征。
②群体形态特征:将菌株接种于牛肉蛋白胨固体培养基,28 ℃培养2 d,观察单菌落特征。
2 结果与分析
2.1 菌株的分离
土壤及污泥悬浮液经浓度梯度为10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6平板培养分析后,均选取浓度为10-5的悬浮液为最适培养浓度。在该浓度下培养微生物并纯化培养,从土壤中分离出抗性菌3株,编号A1、A2、A3,从活性污泥中分离出抗性菌两株,编号B1、B2。
2.2 菌株的驯化
当培养基中Cd(Ⅱ)浓度为43.8 mg/L、87.6 mg/L时,菌株A1、A2、A3均生长良好,Cd(Ⅱ)浓度继续增大,A2、A3相继被淘汰,A1表现出明显优势,仍然生长良好。Cd(Ⅱ)浓度为547.5 mg/L时,A1生长受到抑制,Cd(Ⅱ)浓度继续增大,A无法正常生长。B1、B2的驯化过程中,Cd(Ⅱ)浓度增加至219 mg/L时,B2无法正常生长,加大Cd(Ⅱ)浓度,得B1最高耐Cd(Ⅱ)浓度为438 mg/L。
2.3 菌株的鉴定
A1、B1经试验鉴定如表1所示。
由表1鉴定操作初步推断A1为革兰氏阴性短杆菌,B2为黄杆菌。
3 结论
采用微生物分离纯化技术,从受重金属污染土壤及活性污泥中各分离出对Cd(Ⅱ)具有高抗性的菌株A1、B1,A1最高耐Cd(Ⅱ)浓度在547.5 mg/L左右、B1最高耐Cd(Ⅱ)浓度在438 mg/L左右,A1菌株的耐性要高于B1菌株。经初步鉴定,A1为革兰氏阴性短杆菌,B1为黄杆菌。
通过对菌株A1、B1的形态学的观察,为菌株A1、B1的分类鉴定奠定了基础。
参考文献
[1] 孙铁珩,李培军,周启星.土壤污染形成机理与修复技术[M].北京:科学出版社,2005.
[2] 胡振琪.重金属污染土壤的粘土矿物与菌根稳定化修复技术[M].北京:地质出版社,2006.
[3] 刘彧.污泥中耐镉微生物的筛选与鉴定[D].西南大学硕士学位论文,2007
改进后的实验教学分为三个环节:培养原丝体;培养配子体与孢子体;对比、观察、讨论、归纳。其中前两个环节是在我指导下由学生利用课余时间自己动手提前完成,第三个环节作为课堂教学的主要内容,由学生对比观察讨论后,归纳总结,统一认识。
1.培养原丝体
1.1制种指导学生采集成熟健壮的葫芦藓孢蒴,收集孢子。先配制10%的酒精浸泡灭菌,再用凉开水冲洗几次,然后浸入20℃左右的温开水中,将孢蒴打开放出孢子,制成悬浮液。
1.2选土选取腐殖土适量,风干后去除杂物并压碎,用家用蒸笼蒸煮灭菌后分别装入几个花盆中,用凉开水浸透,使上呈潮湿状。
1.3接种将孢子悬浮喷洒在花盆土壤表面,盖上玻璃,放入室内向阳处培养观察,保持土壤经常处于潮湿状态,温度控制在20℃左右。一般情况下,一周内孢子萌发,两周内可见绿色的原丝体,并逐渐形成群体覆盖在土壤表面。不久,原丝体向下长出假根,向上分化出芽体。
1.4观察取少许带上原丝体置于清水中,淘洗干净,选取典型个体制成装片,对比观察,假根、原丝体清晰可见。
2.培养配子体与孢子体
选取发育健壮的葫芦藓群落花盆,盖上玻璃,置于室内向阳处继续培养,注意观察并保持土壤潮湿环境。不久,雌雄枝陆续出现,继而其预部分化出颈卵器与器(分别位于雌孢叶和雄孢叶中),卵细胞受精后逐渐发育成孢子体。在培养的花盆群落中,由于不同的卵细胞受精时间早晚不同,因此可以见到孢子体不同发育阶段时期的各个形态。选取典型个体制成装片对比观察,清晰可见配子体与孢子体各部分的形态特征以及二者之间的联系。
3.对比、观察、讨论、归纳