不同吸硅型植物硅同位素组成和营养元素分布特征

摘要

硅是地壳和土壤中含量仅次于氧的大量元素。现代科学业已证明，从单细胞的藻类到维管植物，几乎所有的生命体中都可以发现含硅组织的存在。硅是以无定形的单硅酸(H4SiO4)的分子形式由根进入植物，植物对H4SiO4的吸收可能是无选择性的被动吸收过程。硅酸由根到茎的运输是通过木质部的蒸腾流，再通过木质部的运输到达植物的不同组织和器官中，单硅酸分子逐渐脱水聚合，最终以SiO2·n(H2O)的形式沉淀在细胞腔、细胞壁或细胞外层结构中。目前，硅的作用已被广泛关注，其不仅是生物体的重要组成部分，而且还可以缓冲土壤pH值，调节大气CO2浓度。因此，植物硅生理和硅生物地球化学一直是人们研究的热点。
　　 迄今硅尚未被列为植物生长的必需营养元素，但研究表明硅可影响高等植物中矿质营养元素的含量。土壤有效硅含量能够显著抑制水稻植株对磷、镁、锰、锌等元素的吸收，并且对水稻吸收氮、钾也有一定的影响作用。硅作为水稻生长的有益元素，它能够提高水稻根系的氧化还原能力，降低铁、锰毒害，增强土壤中磷的有效性，提高水稻磷素利用率。关于硅改善植物生长，提高植物对生物胁迫和非生物胁迫机理已进行了大量研究，且大多针对水稻等喜硅型植物，对于黄瓜等不喜硅植物对硅的吸收及营养元素分配特征的研究并不多。本课题以陆生高等植物玉米、黄瓜、水稻、冬瓜、番茄等为研究对象，探讨了不同吸硅型植物各硅同位素分馏特征、硅含量分布特征及其与其它营养元素的关系，得到以下主要结论:
　　 (1)对浙江省不同生态地区玉米、黄瓜、冬瓜和番茄植株研究表明，喜硅植物玉米和不喜硅植物黄瓜、冬瓜不同器官硅含量均分别满足“末端分布规律”，即从根到茎叶呈现逐渐增加的趋势;喜硅植物根、茎、叶中硅含量显著大于不喜硅植物，且各器官之间差异显著。喜硅植物叶片硅含量最高，种子中硅含量最低，表明硅可能以沉淀硅形态积累在茎叶中，导致其向生殖器官的转移受到抑制。喜硅型植物玉米各器官氮、钾含量与其硅含量呈一定的正相关性，其含量变化呈现叶＞根＞茎的趋势;但各器官中钙、镁及锰、铁、锌含量显著低于不喜硅型植物冬瓜和黄瓜，以及拒硅型植物番茄，且与硅的分布规律一致;不喜硅型植物各器官钙含量显著大于镁含量。喜硅植物不同器官硅含量受生长环境、土壤有效硅含量影响差异显著。
　　 (2)不同硅浓度条件下，吸硅型植物各器官中硅含量随营养液中硅浓度增加而升高，其在高浓度处理中显著高于中、低浓度处理;且喜硅型植物水稻硅含量在中、高浓度处理中地上各部位间无显著差异，不喜硅植物黄瓜各部位硅含量在低、中浓度处理中差异不显著。喜硅植物水稻各器官硅含量显著大于不喜硅植物黄瓜。
　　 除Na外，喜硅型植物水稻植株各器官中N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等元素含量在低硅浓度处理中最高，且随外界硅浓度的增加而减少。不喜硅型植物黄瓜中N（除根外）、P、K含量也随外界硅浓度的增加而减少，其它元素随硅浓度增加在不同器官间差异显著。
　　 不喜硅植物黄瓜各器官中的N、P、K、Ca、Na含量均高于喜硅型植物水稻。
　　 (3)在低硅浓度处理条件下，水稻和黄瓜伤流液的硅浓度高于营养液中硅浓度，表明此条件下喜硅型植物和不喜硅型植物对硅的吸收均以主动吸收方式为主，硅酸是逆浓度梯度进入植株。在高浓度供硅条件下，水稻和黄瓜中木质部的硅含量低于或接近外界硅浓度。喜硅型植物的硅含量高于不喜硅型植物。
　　 硅抑制水稻对氮的吸收，但对黄瓜影响不大，可能是硅抑制水稻对NH4+-N的吸收，对黄瓜吸收NO3--N影响不大。硅抑制植物对K+的吸收，这可能与K+、Na+的竞争吸收有关，高硅浓度能促进植物对Na+的吸收。硅能够显著抑制植物对磷、钙、镁的吸收。
　　 主动吸硅和被动吸硅植物均符合同位素动力学分馏理论。被动吸硅型植物黄瓜营养液和地上部中的的δ30Si值变化趋势与主动吸硅型植物水稻相反。主动吸硅型植物δ30Si值分馏变化范围大于被动吸硅型植物。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

1．绪论

1．2 植物硅的含量、形态及分布

1．2．1 硅在植物中的含量

1．2．2 硅在植物中的形态与结构

1．2．3 硅在植物中的分布

1．3 植物对硅的吸收、运输和沉积

1．3．1 硅对植物的吸收

1．3．2 硅在植物体内的沉积

1．4 硅在植物中的作用

1．4．1 改善植物的生长

1．4．2 硅与植物对矿质营养元素吸收的关系

1．4．3．提高植物对非生物胁迫的抵抗能力

1．5 植物硅同位素研究进展

1．5．1 硅同位素组成及计算方法

1．5．2 硅同位素测试方法

1．5．3 植物硅同位素分馏研究进展

1．6 本课题研究意义及研究内容

1．6．1 研究背景和意义

1．6．2 研究内容

1．7 技术路线

2．不同吸硅型植物各器官硅素及氮、磷、钾、钙、镁和微量元素分布特征

2．1 材料与方法

2．1．1 试验材料

2．1．2 测定项目和方法

2．2 结果分析

2．2．1 不同吸硅类型植物各器官硅含量变化

2．2．2 不同地区玉米各器官硅含量变化

2．2．3 不同吸硅型植物各器官氮、磷、钾含量变化

2．2．4 不同吸硅型植物各器官钙、镁含量变化

2．2．5 不同吸硅型植物各器官铜、铁、锰、锌含量变化

2．3 讨论

2．3．1 不同吸硅型植物各部分硅分布特征及硅吸收差异

2．3．2 不同吸硅型植物各部分氮、磷、钾分布探讨

2．3．3 不同吸硅型植物各部分钙、镁、铁、锰、铜、锌分布探讨

2．3．3 不同生态区玉米各部分硅分布特性

2．4 小结

3．不同硅浓度条件下喜硅和不喜硅植物中硅元素及其它元素分布特征

3．1 材料与方法

3．1．1 试验设计

3．1．2 测定项目和方法

3．2 结果与分析

3．2．1 喜硅植物水稻与不喜硅植物黄瓜全生育期各部分硅含量分布特征

3．2．2 两种不同吸硅型植物水稻和黄瓜全生育期各器官N、P、K、Ca、Mg含量分布特征

3．2．3 不同硅浓度下喜硅和不喜硅植物全生育期各器Na、Fe、Mn、Cu、Zn含量分布特征

3．3 讨论

3．3．1 不同硅浓度对喜硅和不喜硅植物各部分硅含量的影响

3．3．2 不同硅浓度对喜硅和不喜硅植物各部分N、P、K、Ca、Mg含量的影响

3．3．3 不同硅浓度对喜硅和不喜硅植物各部分Na及微量元素含量的影响

3．4 小结

4．不同硅浓度条件下喜硅植物和不喜硅植物硅及其它元素的吸收机理研究

4．1 材料与方法

4．1．1 试验设计

4．1．2 样品处理与测试

4．2 结果及分析

4．2．1 不同硅浓度下喜硅和不喜硅植物生物量、伤流液量和硅含量

4．2．2 不同硅浓度下喜硅和不喜硅植物地上部和根部的N、P、K、Na和Ca、Mg含量分布特征

4．2．3 不同硅浓度下喜硅和不喜硅植物地上部和根部硅同位素组成

4．3 讨论

4．3．1 不同供硅浓度下的植物硅吸收机理

4．3．2 不同供硅浓度对植物吸收N、P、K、Na和Ca、Mg的影响

4．3．3 不同供硅浓度对营养液和植株硅同位素组成的影响

4．4 小结

5 结论

5．1 全文结论

5．2 本论文创新点

5．3 存在不足之处及未来工作展望

5．3．1 存在的不足之处

5．3．2 对未来的展望

参考文献

作者简介