三种豆科灌木对干旱胁迫的响应与适应

摘要

干旱胁迫是全球范围内影响植物生存、生长和分布的重要环境因子。岷江上游干旱河谷区，由于生态环境的脆弱性和长期人类活动的干扰和过度利用，导致植被严重退化，水土流失加剧，山地灾害频繁，干旱化和荒漠化趋势明显。这种趋势若不能遏制，将严重阻碍区域社会经济的快速协调发展，并且威胁成都平原地区的发展和长江中下游地区的生态安全。因而开展干旱河谷生态恢复研究成为解决这些问题的关键。水分匮乏是限制干旱河谷生态恢复的关键因子，在全球气候变化的背景下，干旱胁迫在区域尺度上可能会更加严重，并使干旱河谷的生态环境更加恶化。因此，深入研究干旱河谷乡土植物对干旱胁迫的响应和适应机理，具有非常重要的理论和实践意义。
　　 本论文以岷江上游干旱河谷的三种乡土豆科灌木，白刺花(Sophora davidii)、小马鞍羊蹄甲(Bauhinia faberi var.microphylla)和小雀花(Campylotropics polyantha)为研究对象，在人工控制条件下设计了4-5个连续性干旱胁迫处理，系统地研究了灌木幼苗的生长、生物量积累和水分利用效率(WUE)、形态结构和生理过程等对干旱胁迫的反应，揭示了幼苗的干旱适应能力及种间差异。主要研究结论如下：
　　 1)灌木生长和繁殖对干旱胁迫的反应
　　 在干旱胁迫下，幼苗生长速率显著减小，叶片衰老和脱落比率增大，这些变化随着胁迫强度的增加具有累积效应。叶片比茎对干旱胁迫的反应更敏感。在严重干旱胁迫下，幼苗的有性繁殖被限制，但在中等程度干旱胁迫下，幼苗的有性繁殖能力被提高。
　　 2)灌木生物量积累及其分配和WUE对干旱胁迫的反应
　　 在干旱胁迫下，灌木各器官的生物量都显著减小，但是生物量的分配侧重于地下部分，使得根茎比在干旱条件下增大。幼苗的耗水量(WU)随着干旱胁迫的增加而显著减少。白刺花和小马鞍羊蹄甲WUE在干旱胁迫下降低；小雀花的WUE在中等干旱胁迫下升高。
　　 3)灌木叶片结构特征对干旱胁迫反应
　　 白刺花叶片具有较为典型的旱生型结构，而小马鞍羊蹄甲和小雀花则为中生型结构。在1至2年的干旱胁迫下，灌木叶片结构组成未发生本质性的改变，主要是细胞大小的变化。在中等和严重干旱胁迫下，叶肉组织厚度明显减小；并且气孔和表皮细胞面积也显著减小，气孔和表皮细胞密度显著增大；叶肉细胞层数、P/S值、表皮厚度等无显著变化。
　　 4)灌木对干旱胁迫的生理响应
　　 气体交换参数和叶片相对含水量(RWC)在中等干旱胁迫下发生了明显的改变，而叶绿素荧光参数和光合色素含量在严重干旱胁迫下才发生显著变化。在干旱胁迫下，净光合作用速率(Pn)、气孔导度(gs)和RWC呈下降趋势，而叶片温度(T1)呈增加趋势，蒸腾速率(Tr)的变化不明显。除了日最大Pn减小以外，干旱胁迫对气体交换参数的日变化无显著影响，但是对光合-光响应曲线有显著的影响，使有效光合时间缩短。在严重干旱胁迫下光系统受到损害而代谢减弱，PSⅡ中心的内禀光能转换效率(Fv/Fm)、量子产量(Yield)、光化学淬灭参数(qP)显著降低，而非光化学淬灭参数(NPQ)明显增加。气孔限制和非气孔限制对Pn的影响与干旱胁迫强度有关。在中度胁迫下，气孔限制起主导作用，在严重胁迫下非气孔限制起主导作用，40％FC水分条件可能是灌木由气孔限制向非气孔限制的转折点。
　　 5)灌木对干旱胁迫的适应能力及其种间差异
　　 三种灌木对干旱胁迫具有较好的适应能力，即使在20％FC，幼苗未因干旱胁迫而死亡；80％FC适宜于幼苗生长。白刺花生长速率慢，耗水量较少，具有较强的耐旱和耐贫瘠能力，并具有干旱忍受机制，能够在较干旱的环境中定居和生长。小马鞍羊蹄甲和小雀花，生长快，水分消耗量较大，尤其是小雀花，对干旱胁迫的忍受能力较弱，具有干旱回避机制，因而适宜于在较为湿润的生境中生长。综合分析表明，生长速率较慢的物种抗旱能力较强，其更适宜于作为干旱地区植被恢复物种。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

第一节 研究意义和重要性

第二节国内外研究进展

1植物形态和生长对干旱胁迫的反应

2植物生物量积累及其分配、繁殖特征和WUE对干旱胁迫的反应

3植物叶片形态结构对干旱胁迫的反应

4植物对干旱胁迫的生理响应

小结

第二章研究方案

引言

1研究目标

2主要研究内容和拟解决的关键问题

3技术思路

4研究对象

5研究材料和实验设计

6研究方法

第三章 三种灌木生长和有性繁殖对干旱胁迫的反应及其特点

引言

第一节白刺花生长和有性繁殖对干旱胁迫的反应及其特点

第二节小马鞍羊蹄甲生长和有性繁殖对干旱胁迫的反应及特点

第三节小雀花生长和有性繁殖对干旱胁迫的反应及其特点

1生长特征对干旱胁迫的反应及其特点

2有性繁殖特征对干旱胁迫的反应及其特点

第四节三种灌木生长和繁殖对干旱胁迫反应的差异

第五节讨论

小结

第四章 三种灌木生物量积累及分配和WUE对干旱胁迫的反应及其特点

引言

第一节白刺花生物量积累及分配和WUE对干旱胁迫的反应

第二节小马鞍羊蹄甲物量及分配和WUE对干旱胁迫的反应

第三节小雀花物量积累及分配和WUE对干旱胁迫的反应

第四节三种灌木生物量及分配和WU对干旱胁迫反应的差异

第五节讨论

小结

第五章 三种灌木叶片形态结构对干旱胁迫的反应及其特点

引言

第一节白刺花叶片结构对干旱胁迫的反应及其特点

1干旱胁迫下白刺花叶片形态解剖结构及其变化特点

2干旱胁迫下白刺花叶片表皮结构特征及其变化特点

3干旱胁迫下白刺花叶表皮超微结构及其变化特点

第二节小马鞍羊蹄甲叶片结构对干旱胁迫的反应及其特点

1干旱胁迫下小马鞍羊蹄甲叶片解剖结构及其变化特点

2干旱胁迫下小马鞍羊蹄甲叶片表皮结构特征及其变化特点

3干旱胁迫下小马鞍羊蹄甲叶表皮超微结构及其变化特点

第三节小雀花叶片结构对干旱胁迫的反应及其特点

第四节三种灌木叶片形态结构对干旱胁迫反应的差异

第五节讨论

小结

第六章 三种灌木对干旱胁迫的生理响应

引言

第一节白刺花对干旱胁迫的生理响应及其特点

1白刺花气体交换参数对干旱胁迫的响应

2不同水分条件下白刺花净光合速率对光照强度的响应

3白刺花叶绿素荧光参数对干旱胁迫的响应

4白刺花的资源利用效率对干旱胁迫的响应

5白刺花光合色素含量对干旱胁迫的响应

6白刺花叶片相对含水量干旱胁迫的响应

第二节不同水分条件下生态因子的日变化

第三节小马鞍羊蹄甲对干旱胁迫的光合生理响应及其特点

1小马鞍羊蹄甲气体交换参数对干旱胁迫的响应

2不同水分条件下小马鞍羊蹄甲气体交换参数的日变化

3不同水分条件下小马鞍羊蹄甲净光合速率对光照强度的响应

4小马鞍羊蹄甲叶绿素荧光参数对干旱胁迫的响应

5小马鞍羊蹄甲资源利用效率对干旱胁迫的响应

6小马鞍羊蹄甲光合色素含量对干旱胁迫的响应

7小马鞍羊蹄甲叶片相对含水量干旱胁迫的响应

第四节小雀花对干旱胁迫的光合生理响应及其特点

1小雀花气体交换参数对干旱胁迫的响应

2不同水分条件下小雀花气体交换的日变化

3不同水分条件下小雀花光合速率对光照强度的响应

4小雀花叶绿素荧光参数对干旱胁迫的响应

5小雀花的资源利用效率对干旱胁迫的响应

6小雀花光合色素含量对干旱胁迫的响应

7小雀花光叶片相对含水量对干旱胁迫的响应

第五节三种灌木对干旱胁迫的生理响应的差异

1不同水分条件下三种灌木气体交换参数的比较

2不同水分条件下三种灌木叶绿素荧光参数的比较

3不同水分条件下三种灌木光合色素含量的比较

4不同水分条件下三种灌木叶片相对含水量的比较

第六节讨论

小结

第七章 三种灌木干旱忍受能力和适应对策的综合分析

引言

1数据来源与分析

2结果与分析

2.1三种灌木生长和生物量及其分配对干旱胁迫的反应

2.2三种灌木叶片形态结构对干旱胁迫的反应

2.3三种灌木生理特征对干旱胁迫的反应

小结

第八章 结论和建议

第一节 结论

1三种灌木生长和繁殖对干旱胁迫的反应

2三种灌木生物量积累及其分配和WUE对干旱胁迫的反应

3三种灌木叶片结构特征对干旱胁迫的反应

4三种灌木对干旱胁迫的生理反应

5三种灌木对干旱胁迫适应能力及其物问差异

第二节建议

1深化研究的建议

2区域植被恢复的建议

参考文献

附录

致谢