连作杨树人工林地力衰退研究：酚酸的累积及其化感效应

摘要

连作人工林地力衰退是一个世界性的问题。中国是世界上人工林发展最为迅速的国家，人工林面积居世界首位，许多树种的工业人工林由于多代连作均导致了严重的地力衰退，已经严重影响到人工林的可持续经营。人工林地力衰退机理及长期生产力维持技术一直是林学领域研究的热点问题。近几年，随着化学生态学、生态毒理学、环境科学的理论和技术在人工林研究中的应用，尤其是化感效应研究的逐步深入，人工林化感效应研究成为在人工林地力衰退机理研究领域中的新热点，但仍有许多问题有待于进一步深入阐述。其中，有关化感物质在土壤中的环境行为及其累积机制、化感物质的产生条件及其逆境诱导机制、化感物质进入环境后对土壤生态系统的影响等等都是亟待深入研究的问题。
　　 本研究首先针对杨树人工林在不同连作经营模式下的根际效应进行了比较研究，发现杨树人工林存在明显的根际效应。对杨树人工林根际和非根际土壤的GC-MS指纹图谱指示的有机组分进行检测，分别获得96种和40种组分。在根际和非根际土壤含有的有机组分中，烷烃类最多，占50％以上；其次为直链酸酯类，芳香族类位居第三。但根际土壤和非根际土壤有机组分的组成类别差异较大，其中芳香族类化合物的差异最大，在根际土壤中共检测出7种芳香族化合物，而在非根际土壤中仅有2种。对杨树根际土壤提取液进行HPLC分析，在杨树人工林根际土壤中共检测到5种酚酸类物质，酚酸总含量均高于一代林，可见酚酸物质在连作杨树人工林土壤中呈现累积趋势。这为进一步研究连作杨树人工林地力衰退化感效应问题奠定了物质基础。
　　 本研究针对杨树连作人工林根际土壤中5种酚酸，通过外源添加结合HPLC追踪监测，分析了酚酸在杨树人工林土壤中的吸附、解吸附、滞留等环境行为学特性。结果表明，酚酸在杨树人工林土壤中均具有较强的吸附能力，其中香草醛（最大吸附量Ymax=3267.85μg·g-1）、阿魏酸（Ymax=3281.581μg·g-1）和肉桂酸（Ymax=3211.80μg·g-1的吸附明显强于对羟基苯甲酸（Ymax=3003.60μg·g-1和苯甲酸（Ymax=1771.151μg·g-1）。在吸附初期酚酸的吸附量大，随着土壤胶体表面吸附的酚酸分子数量的增加，吸附量随之减少。酚酸在杨树人工林土壤中的吸附均属于物理吸附，在外界因素影响下可发生解吸附，香草醛、阿魏酸和肉桂酸的解吸率在90％以上而苯甲酸几乎不能发生解吸。上述结论的获得在一定程度上可以较好解释酚酸在杨树根际微域的累积机制，即对羟基苯甲酸、香草醛、阿魏酸和肉桂酸在杨树根际土壤中较容易被吸附，且该吸附属于可逆吸附，当遭受淋溶后能迅速增加土壤中自由态的含量，同时增加了其在土壤中的化感潜能；而苯甲酸被土壤胶体吸附后很难进行解吸附，使其在土壤中大多以束缚态形式存在，降低了土壤中具有化感潜能的自由态的含量。此外，而由于香草醛（降解半衰期T1/2=1.66d）、阿魏酸（T1/2=1.12d）和肉桂酸（T1/2=1.29d）的易降解特性使其在土壤中的保留时间大大小于对羟基苯甲酸（T1/2=4.24d）和苯甲酸（T1/2=2.61d）。因此，应用常规HPLC法对不同代数杨树根际土进行检测时会发现对羟基苯甲酸的含量明显高于苯甲酸、香草醛、阿魏酸和肉桂酸。随时间进程酚酸在人工林地土壤中的滞留量逐渐减少，环境中的酚酸将在生物或者非生物的作用下被迅速降解，土壤中的酚酸是不能长期稳定存在的。这为进一步探索杨树根系分泌酚酸的机制提供了线索。
　　 本研究以水培杨树（Populus deltoids）幼苗为试材，通过构建N、P缺乏营养环境，利用大孔吸附树脂和循环收集装置对杨树幼苗根系分泌物进行了收集，对营养胁迫下杨树幼苗分泌酚酸的动态进行了定量监测。结果表明，缺N条件下杨树根系分泌物中各酚酸的含量分别比正常培养条件下明显增加，其中对羟基苯甲酸增加了125％～263％，香草醛增加了201％～316％、苯甲酸增加了230％?～332％、肉桂酸增加了138％～188％；且随着胁迫时间的延长，根系分泌的各酚酸量也呈明显增加趋势。缺P培养条件下，杨树幼苗根系分泌酚酸的量亦明显增加，对羟基苯甲酸（25.059～29.715 ug）较正常培养高出96％～124％，香草醛（4.67～9.172 ug）较正常高出58％～156％；苯甲酸（6.2～13.448 ug）较正常高出222％～734％；肉桂酸（6.167～13.518ug）高出正常培养99～328％；随胁迫时间的延长，苯甲酸和香草醛的分泌量呈明显增加的趋势，而苯甲酸和肉桂酸呈现先升后降的趋势。这说明酚酸的释放速率与植物面临的营养逆境密切相关，逆境胁迫具有显著促进杨树根系分泌酚酸的趋势。这为连作杨树人工林根际土壤中酚酸的累积机制解释提供了科学依据。
　　 本研究以二代杨树人工林土壤中酚酸的含量（X）为依据，设置CK、0.5 X、1.0X、1.5 X、2.0 X五个酚酸浓度梯度，以杨树幼苗为试材进行连续培养，分析了杨树幼苗在酚酸环境中的生长发育特征。研究表明，外源酚酸对杨树幼苗根系SOD和POD活性逐渐产生抑制作用，引起体内活性氧的积累和膜脂过氧化作用的发生，造成细胞丙二醛含量升高，而丙二醛能够与蛋白质、核酸、氨基酸等活性物质交联形成不溶性的化合物沉积，干扰细胞的正常生命活动，导致细胞膜结构受到破坏和伤害，根系活力以及根系吸收转化等生理功能受到抑制。根系生理特性的变化累积到一定程度即在根尖总数、根系长度和根系表面积等根系形态特征上表现出来。根系吸收功能的下降对于地上部分的生长发育会产生一定的影响。酚酸物质对植物叶片的扩展具有一定的抑制作用。酚酸导致叶片形状逐渐背离圆形而偏向于狭长，杨树幼苗光合同化面积下降。酚酸还能够显著降低杨树水培幼苗总叶绿素和类胡萝卜素的含量，同时能通过影响二者的相对比例对植株净光合速率产生影响。由于幼苗叶片形态及叶绿体色素含量在酚酸作用下产生了不利的变化，导致植株净光合速率下降，植株对不同光强光辐射的综合利用能力降低，从而影响植株的光合生理进程及同化物质的积累。杨树人工林由于采用多代连作的经营模式，林地土壤养分发生明显的降低，从而造成林地养分的亏缺，而酚酸物质可以抑制植株对硝态氮等养分物质的吸收利用，从而加剧植株养分亏缺，影响植株的生长发育。以上结论的获得初步阐明了酚酸对杨树生长发育的化感效应，揭示了杨树分泌酚酸的自毒作用。
　　 本研究采用离子交换树脂膜作为根系模拟器对杨树人工林土壤在酚酸添加后养分有效性的变化动态进行了研究，并分析了其与土壤酶和微生物相关性。结果表明，酚酸对土壤养分有效性产生了巨大影响，土壤N素有效性受高浓度酚酸的制约效应明显，在酚酸添加后的第7d从土壤中所提取的NH4-N仅有67.62±2.31 ug·（20c㎡·6h）-1或者更少，而对照土样可提取NH4-N高达144.214±10.60 ug·（20c㎡·6h）-1；同时，NO3-N的提取量分别为24.86±1.71和33.74±4.44 ug·（20c㎡·6h）-1。土壤中P的有效性在较低浓度的酚酸环境中差异并不显著，但高浓度酚酸对P的有效性具有一定促进作用。K的有效性在较高浓度的酚酸环境中显著降低。而Mn的有效性随酚酸浓度增加呈现显著增加趋势。高浓度酚酸对Fe、Cu的有效性具有显著抑制。酚酸添加后，随土样培养时间的延长，NH4-N、PO4、Mn的有效性逐渐增加，而NO3-N、K、Fe、Zn、Cu的有效性显著降低。对土壤养分有效性与土壤酶活性和微生物生理群的数量之间的简单相关、典型相关分析表明，脲酶、多酚氧化酶、磷酸酶三种酶与NO3-N、K、Fe、Mn等养分离子的转化和供应具有密切关系；真菌、放线菌、氨化菌、亚硝酸菌与NH4-N、NO3-N、K、Mn等养分离子的转化和供应具有密切关系。以上结论的获得初步阐明了酚酸土壤养分有效性变化规律及其与土壤酶和微生物的关系。
　　 在以上研究的基础上，提出了连作人工林地力衰退化感效应机理模型。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1 连作人工林地力衰退研究进展

1.1 连作人工林地力衰退研究的历程

1.2 连作人工林地力衰退的表现

1.3 连作人工林地力衰退机理的假说

2 植物化感效应研究进展

2.1 根系分泌化感物质的种类及其产生途径

2.2 根分泌化感物质的生态效应

3 化感物质的逆境诱导研究进展

4 化感物质环境行为研究进展

4.1 化感物质在土壤中的移动性

4.2 化感物质在土壤中的吸附.解吸附

4.3 化感物质在土壤中的转化

4.4 化感物质在土壤中的降解与滞留

5 连作人工林地力衰退化感效应研究亟待解决的问题

5.1 化感物质的产生及其环境行为

5.2 化感物质对土壤生态系统的影响

5.3 林木在化感环境中的生长规律及环境适应性

5.4 化感物质的交互效应

6 本研究的目的及意义

7 论文重点研究的内容、策略及拟解决的关键问题

7.1 研究内容

7.2 研究策略及拟解决的关键问题

7.3 研究技术路线

第二章 连作杨树人工林根际效应及其物质基础

1 连作杨树人工林根际效应研究

1.1 试验设计及研究方法

1.2 结果与分析

1.3 小结

1.4 讨论

2 杨树人工林土壤中化感物质的分离鉴定

2.1 试验设计

2.2 研究方法

2.3 结果分析

2.4 结论与讨论

第三章 酚酸在杨树人工林土壤中的累积机制

3 酚酸在杨树人工林土壤中的环境行为

3.1 材料与方法

3.2 结果与分析

3.3 小结

3.4 讨论

4 杨树根系分泌酚酸的逆境诱导

4.1 材料与方法

4.2 结果与分析

4.3 小结

4.4 讨论

第四章 酚酸对杨树幼苗及土壤环境的化感作用

5 酚酸对杨树幼苗的化感作用

5.1 材料与方法

5.2 结果与分析

5.3 小结

5.4 讨论

6 酚酸对杨树人工林土壤养分环境及酶和微生物的影响

6.1 材料与方法

6.2 结果与分析

6.3 小结

6.4 讨论

论文主要结论