青藏高原内陆不同生态系统中主要植物δ13C、δN/‰及非结构性碳水化合物的季节性变化特征研究

摘要

本文以青藏高原腹地北麓河地区三种不同生态系统——高寒草甸,沼泽草甸,沙化草原为研究对象,运用稳定碳同位素技术,测定了5月到10月三种不同生态系统中主要植物种稳定碳、氮同位素值(δ13C,δN/‰),同时测定了植物单株生物量、叶重、根重、叶片非结构性碳水化合物、根部非结构性碳水化合物等生理指标。分析了不同生态系统中植物主要植物δ13C,δN/‰和非结构性碳水化合物的组成特点、季节性变化特征及其与环境因子之间的关系,以期阐明影响青藏高原内陆主要植物种碳、氮同位素、非结构性碳水化合物的主要因子,旨在为预测未来气候变化条件下高寒草地的响应模拟及中国乃至全球碳循环提供理论支撑,为该地区畜牧业管理、可持续发展及生态与环境保护等提供一定的科学依据。研究结果表明:
　　1.从5月下旬到10月上旬三种生态系统高寒草甸,沼泽草甸,沙化草原中主要植物种叶重均表现为增重,到10月上旬达到最大;根重则表现为线逐渐上升后又逐步下降;三种不同生态系统中生物量:沙化草原>高寒草甸>沼泽草甸;叶重:高寒草甸>沙化草原>沼泽草甸;根重:沙化草原>高寒草甸>沼泽草甸;叶/根比:高寒草甸>沼泽草甸>沙化草原,这主要是由于沙化草原土壤水分相对较低,发达的植物根系有利于吸收深层的水分,也体现出水分因素影响了光合产物在器官间的分配,其中分配在根部的较多,而叶部较少。
　　2.高寒草甸主要植物种叶片δ13C值的变化范围在-27.99‰~-24.73‰之间;沼泽草甸主要植物种叶片δ13C值的变化范围在-28.76‰~-24.58‰之间;沙化草原中主要植物种叶片δ13C值的变化范围在-27.84‰~-23.81‰之间。高寒草甸、沼泽草甸、沙化草原中主要植物种都属于C3类型的光合代谢途径,它们都属于C3植物。
　　3.5-9月,在高寒草甸中δ13C平均值和降水量、2m湿度、20 cm土壤含水量显著负相关(p<0.05),和2m温度负相关(p>0.05);在沼泽草甸中和降水量相关性不强(p>0.05),和2m湿度、20 cm土壤含水量显著负相关(p<0.05),和2m温度负相关(p>0.05);在沙化草原中也表现出和降水量相关性不强(p>0.05),和2m湿度、20 cm土壤含水量显著负相关(p<0.05),和2m温度负相关(p>0.05)。对三种生态系统植物δ13C值进行分析比较,发现虽然三种生态系统土壤含水量相差较大,但三种生态系统δ13C平均值都在-26‰左右,而这三种生态系统由于距离很近,温度、降水量相差不大。通过和环境因子的分析可以看出在三种不同的生态系统中δ13C值受降水量的影响不大,而主要受温度的影响,这可能是由于研究区季节性冻土温度升高,冻土融化层扩大,从而土壤含水量增加,为该地区植物的生长提供了足够的水分。
　　4.高寒草甸中所测试植物δN/‰的分布区间在-1.418‰~11.158‰之间,沼泽草甸在-1.713‰~8.666‰之间,沙化草原在-3.458‰~3.203‰之间,平均值分别为2.7443‰,3.3233‰,-0.0764‰,说明δN/‰是自身遗传性状和环境因素共同综合作用的结果
　　5.从5-9月高寒草甸中δN/‰值和2m湿度、2m温度显著正相关(p<0.05),和20 cm土壤含水量正相关(p>0.05),沼泽草甸中δN/‰值和20 cm土壤含水量正相关,但未达到显著性水平(p>0.05),和2m温度及其它环境因子相关性不强(p>0.05)。在沙化草原中δN/‰值和10cm土壤含水量显著负相关(p<0.05),和降水量负相关,但未达到显著水平(p>0.05)。和温度及其它环境因子相关性不强(p>0.05)。说明在高寒草甸和沼泽草甸中δN/‰值受降水量的影响不大,而沙化草原则受到降水量的影响。对三种生态系统δN/‰值进行综合比较,发现三种不同生态系统δN/‰值主要受水分的影响,尤其是土壤含水量的影响。
　　6.淀粉、可溶性总糖、果糖和蔗糖均表现为根部的含量高于叶的含量,说明寒区植物根系是非结构性碳水化合物的贮备库。可溶性总糖、蔗糖和果糖在不同生态型中根、叶的变化均一致,即沙化草原>沼泽草甸>高寒草甸。叶片的淀粉含量:沙化草原>沼泽草甸>高寒草甸,而根部淀粉含量:高寒草甸>沼泽草甸>沙化草原。表明,适度水分胁迫处理使植物叶片和根系中可溶性蔗糖含量升高、淀粉含量显著降低。沙化草原根系淀粉含量相对较低,可溶性糖较高,说明寒区条件下,一定的水分限制,加速了根部糖分的转化,改变了糖分的贮藏形式,以维持细胞渗透调节能力。
　　7.从5-9月在三种不同的生态系统中,对于植物根部NSC含量,高寒草甸中植物根部NSC含量和10cm土壤含水量显著正相关(p<0.05),和降水量正相关,但未达到显著性水平(p>0.05);和2m湿度、20 cm土壤含水量、2m温度相关性不强(p>0.05)。植物叶片NSC含量和2m湿度、10cm土壤含水量、20cm土壤含水量、2m温度显著正相关(p<0.05);和降水量相关性不强(p>0.05)。
　　沼泽草甸中植物根部NSC含量和降水量显著正相关(p<0.05);和2m湿度、10cm土壤含水量、20 cm土壤含水量、2m温度相关性不强(p>0.05),植物叶片NSC含量和降水量、2m湿度显著负相关(p<0.05);和2m温度显著负相关(p<0.05),和10cm土壤含水量、20 cm土壤含水量相关性不强(p>0.05)。
　　沙化草原中植物根部 NSC含量和降水量、20 cm土壤含水量、2m湿度、2m温度显著正相关(p<0.05);和10cm土壤含水量相关性不强(p>0.05),植物叶片 NSC含量,和降水量显著负相关(p<0.05),和20cm土壤含水量显著正相关(p<0.05),和2m湿度、2m温度正相关,但均未达到显著性水平(p>0.05),和10cm土壤含水量相关性不强(p>0.05)。说明在青藏高原腹地,水分和温度是影响植物根部、叶片NSC含量主导因子,但同时也是其它多种气候环境因子共同作用的结果。

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第一部分 引言

1.1 稳定同位素技术在植物生理生态学研究中的应用

1.2 碳水化合物

1.3 青藏高原在植物生理生态学研究中的特殊性

1.4 研究背景、目的和意义

第二部分 材料与方法

2.1 研究材料

2.2 研究区概况

2.3 测定项目及方法

2.4 数据分析

第三部分 结果与分析

3.1 三种不同生态系统中主要植物种生长特点及季节性变化

3.2三种不同生态系统中主要植物种稳定碳同位素组成特点

3.3 三种不同生态系统中主要植物种叶片稳定氮同位素值的特点

3.4 三种不同生态系统中主要植物种叶片非结构性碳水化合物组成

第四部分 讨论

4.1 三种不同生态系统中主要植物种稳定碳同位素组成的特点及其

4.2 三种不同生态系统中主要植物种氮同位素组成的特点及其环境

4.3 三种不同生态系统主要植物种非结构性碳水化合物组成的特点

第五部分 结论

参考文献

致谢

附录