贵州大方县硫铁矿区典型植物生理生态适应性研究

摘要

为了了解贵州省毕节市大方县不同炼硫区两种典型植物棱角山矾(Symplocos tetragonaChen et Y.F.Wu)和亮叶桦(Betula luminifera H.J.P.Winkl.)对硫、铁的生理生态适应机制，本研究以这两种典型植物为实验材料，野外现场监测其净光合速率、气孔导度、蒸腾速率以及水分利用效率等光合生理指标，室内测定了其叶片元素、叶绿素、可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白、丙二醛、过氧化氢酶、过氧化物酶等生理生化指标，并对两种植物在不同浓度硫酸亚铁、硫酸钾溶液处理下的响应情况进行模拟研究，最后综合光合指标和生理指标进行了适应性评价。主要研究结果如下:
　　1、炼硫区（样地YZS）泉水pH为7.26，而地表水和巷道底板积水均小于3;泉水总铁为11.2mg/L，地表水为76.2～520mg/L，而巷道积水则高达5500mg/L;泉水硫酸根离子浓度为796.41mg/L，其余水为2378.2～20781mg/L。上述结果均远超出相关水质Ⅴ类水标准的限制范围（除泉水pH外），出现水质被严重酸化、水中离子严重异化的现象。在样地YZS、SYZ、XMZ，土壤深层(70～80cm)有效硫含量分别为139.46mg/kg、188.5 mg/kg、188.5 mg/kg，土壤有效硫指数(SAI)值分别为56.86、76.33、77.19，而山塘底泥硫含量及SAI值则分别高达1805.4 mg/kg、728.80。表层土壤有效硫含量虽比深层稍低，但均已远超出一般植物对有效硫的需求范围，对植物形成明显的高硫胁迫;表层土壤(0～15cm)及山塘底泥有效铁含量分别为20.065 mg/kg、33.67mg/kg、34.37mg/kg、264.81mg/kg，供铁水平达到高或者极高水平。可见，硫铁矿的采冶给水、土环境带来严重污染。
　　2、棱角山矾鲜叶全铁含量为220.9～495.3mg/kg，枯叶全铁含量为412.1～657mg/kg，而花则高达2481.5mg/kg;全硫含量为7.2～13.3mg/kg。亮叶桦叶片全铁含量为797.8mg/kg。这表明棱角山矾对高浓度铁、硫均具有很好的适应性，这主要是通过对有效铁、硫的不断吸收和贮存来实现的。亮叶桦对高浓度铁具有很好的适应性。
　　3、三个不同的炼硫区(YZS、SYZ、XMZ)，亮叶桦的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均大于棱角山矾;亮叶桦的光补偿点和光饱和点分别为19μmol·m-2·s-1和1675μmol· m-2·s-1，而棱角山矾则分别为16μmol·m-2·s-1和1033μmol· m-2·s-1，亮叶桦较棱角山矾具有更宽的光合区间。上述研究结果表明亮叶桦比棱角山矾具有更强的光合能力，更能适应硫铁矿区高浓度土壤铁、硫环境。两种典型植物净光合速率均受到气孔导度和蒸腾速率的显著影响，不同炼硫区蒸腾速率大小关系均为XMZ＜SYZ＜YZS，而水分利用效率刚好相反，这主要是由于不同炼硫区被污染程度不同、从而植被盖度以及土壤水分出现差异所引起的。
　　4、棱角山矾和亮叶桦叶绿素、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛等指标含量以及过氧化物酶、过氧化氢酶等指标活性在10月份均比5月份高出60％以上，这表明棱角山矾和亮叶桦生理生化指标均存在明显的季节性差异，而这种差异主要是由于光合作用的累积效应以及呼吸作用下降产生的浓缩效应所引起的。
　　5、综合净光合速率、气孔导度、蒸腾速率等光合指标以及叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、过氧化氢酶、过氧化物酶、丙二醛等生理生化指标，运用模糊隶属函数法计算不同炼硫区这两种典型植物的平均隶属函数值。在样地YZS、SYZ、XMZ，棱角山矾平均隶属函数值分别为0.417、0.633、0.504，亮叶桦则分别为0.474、0.508、0.535。参照相关抗性分级，棱角山矾在不同炼硫区表现为中或高抗水平，而亮叶桦均为中抗水平，且随着土壤有效铁、硫胁迫加强，亮叶桦的抗性越强。上述研究结果表明，棱角山矾和亮叶桦对炼硫区均有较强的生理生态适应性，且随着环境条件的不同，同一物种所表现出来的适应水平亦发生变化。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的、意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 硫铁矿区环境问题研究

1．3．2 植物对高S、高Fe的生理生态适应性研究

1．3．3 S、Fe富集植物及棱角山矾、亮叶桦的研究

第二章 研究区概况和研究方法

2．1 研究区自然概况

2．2 大方县硫铁矿与硫磺厂分布

2．3 研究样地

2．3．1 研究样地概况

2．3．2 研究样地水化学特征

2．3．3 样地土壤特征

2．3．4 不同研究样地植物叶元素特征

2．3．5 典型植物对铁、硫的富集特征

2．4 主要研究内容

2．5 研究技术路线

2．6 研究方法

2．6．1 试验场地的选择

2．6．2 试验材料

2．6．3 主要仪器和试剂

2．6．4 炼硫区典型植物光合作用的测定

2．6．5 炼硫区典型植物叶片生理指标的测定

2．6．6 炼硫区植物叶片元素及土壤理化性质的测定

2．6．7 炼硫区典型植物对不同浓度硫酸亚铁、硫酸钾溶液的响应实验

2．6．8 数据处理与分析

2．6．9 适应性评价

第三章 炼硫区典型植物光合生理特征

3．1 光合作用日变化

3．1．1 净光合速率(Pn)日变化

3．1．2 气孔导度(Gs)曰变化

3．1．3 蒸腾速率(Tr)日变化

3．1．4 水分利用效率(WUE)日变化

3．2 典型植物净光合速率与其他生理生态因子的关系

3．3 典型植物光合-光响应特征

3．4 小结

第四章 炼硫区典型植物生理生化特征

4．1 典型植物叶绿素(Chl)含量特征

4．2 典型植物渗透调节特征

4．2．1 可溶性糖含量特征

4．2．2 脯氨酸(Pro)含量特征

4．2．3 可溶性蛋白含量特征

4．3 典型植物抗氧化酶活性特征

4．3．1 过氧化氢酶(CAT)活性特征

4．3．2 过氧化物酶(POD)活性特征

4．4 典型植物丙二醛(MDA)含量特征

4．5 小结

第五章 典型植物对不同浓度硫酸亚铁、硫酸钾的响应

5．1 生理生化响应差异

5．1．1 叶绿素含量差异

5．1．2 可溶性糖含量差异

5．1．3 脯氨酸含量差异

5．1．4 可溶性蛋白含量差异

5．1．5 过氧化氢酶含量差异

5．1．6 过氧化物酶含量差异

5．1．7 丙二醛含量差异

5．2 棱角山矾叶片元素含量差异

5．3 小结

第六章 典型植物适应硫铁矿区能力的综合评价

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 展望

参考文献

致谢

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