环境CO浓度和群落密度对红桦(Betula albosinensis Burk.)幼苗碳氮吸收和分配的影响

摘要

当前大气CO2浓度升高是全球变化的主要趋势之一，CO2浓度升高还会引起全球变暖等其它环境问题，因而CO2浓度浓度升高对植物影响的研究已经成为全球变化领域的焦点。红桦是川西亚高山地区暗针叶林演替初期的先锋树种和演替后期的建群种，在群落演替过程中它对环境因子的响应决定红桦群落的演替进程。本文通过控制CO2浓度的气候室试验，研究了CO2浓度倍增环境下，不同密度水平红桦碳氮固定、分配可能发生的改变，并探讨了升高大气CO2浓度对群体内部竞争的影响。以期通过本研究明确川西亚高山地区代表性物种红桦对未来气候变化的响应，为今后采取措施应对气候变化、妥善进行森林管理提供理论依据和科学指导。主要研究结果如下：
　　 1.升高CO2浓度对红桦幼苗生长的影响以及树皮、树干响应的不同
　　 (1)CO2浓度升高显著促进红桦幼苗的生物量、株高、基茎的生长，同时也改变生物量在体内的分配格局，主要是增加根和主茎、减少叶在总生物量中的比重。(2)树皮和树干对升高CO2浓度的影响有差异，它们对CO2浓度升高的反应程度不同，但反应方向一致。
　　 2.密度的副效应
　　 (1)增加种植密度对单株生物量、株高和基径的生长具有副效应，也降低升高CO2浓度对红桦生长的正效应。(2)增加种植密度，显著增加红桦幼苗的群体生物量，从而使红桦群体固定更多的大气CO2气体。可见密度在决定红桦生物量及固碳能力方面具有重要意义。探索适合未来大气CO2浓度升高条件下植物生长的密度，对未来的森林经济生产、生态恢复具有重要意义。
　　 3.升高CO2浓度对红桦幼苗苗冠结构及冠层内部竞争的影响
　　 (1)冠幅、冠高、苗冠表面积和苗冠体积等树冠特征均受CO2浓度升高的影响而增加，但是受密度增加的影响而降低。(2)单位苗冠投影面积叶片数(LDcpa)和单位苗冠体积叶片数(LDcv)均低于相应的现行CO2浓度处理，这主要是由于冠幅和冠高的快速生长所造成的。(3)LDcpa和LDcv的降低表明，红桦在升高CO2浓度的条件下，会作出积极的响应，从而缓解由于群体和个体生长的增加所引起的竞争压力的增加。
　　 4.升高CO2浓度对红桦幼苗养分元素吸收与分配的影响
　　 (1)CO2浓度升高，植株各器官N、P含量降低，但单株N、P总吸收量均增加。红桦幼苗体内N、P浓度的下降是由于生物量迅速增加引起的稀释效应造成的。(2)CO2浓度升高，N、P向主茎和根的分配增加，向叶片的分配减少，主要是由于前者在总生物量中的比重增加，而后者减少了。(3)CO2浓度升高，氮磷利用效率(NUE和PUE)提高，氮磷累积速率(NAcR和PAcR)显著增加。而NUE和PUE的提高可以有效缓解CO2浓度升高后，亚高山和高山地区森林土壤中养分元素不足对森林生产力的限制。
　　 5.升高CO2浓度对红桦幼苗群体碳平衡的影响
　　 (1)升高CO2浓度对植物的光合作用、呼吸速率和生长均具有促进作用。(2)土壤有机碳含量在实验前期迅速增加，后期积累速率下降。(3)升高CO2浓度以后，土壤呼吸显著增强；土壤呼吸还具有明显的季节变化。(4)红桦群体日固碳量受到升高CO2浓度的促进作用。结果(1)-(4)说明所研究群落的碳动态对现行的气候波动是敏感的；所研究群落在作为大气CO2气体的源-汇关系方面至少存在季节间的源汇飘移。(5)种植密度的升高显著增加了群体固碳量。
　　 6.升高CO2浓度对红桦幼苗生长后期叶片衰老的影响
　　 升高CO2浓度有利于减缓红桦幼苗叶片生长季节末期的衰老。生长季节末期，随着CO2浓度的升高光合速率和可溶性蛋白含量均呈上升趋势，同时MDA(丙二醛)含量下降，保护酶SOD(超氧化物岐化酶)、CAT(过氧化氢酶)活性升高。由此说明，升高CO2浓度有利于减缓生长季节后期叶片的衰老，使叶片维持较高的光合速率，也从生理学的角度支持了本文及前人有关CO2浓度升高促进植物光合和生长的假说及结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 国内外研究进展

1.1 CO2浓度升高对植物生长的影响

1.1.1 种间差异

1.1.2时间依赖性

1.1.3 CO2浓度与其它环境因子交互作用

1.2 CO2浓度升高条件下的生物量与养分元素分配

1.2.1 生物量

1.2.2土壤N供应

1.2.3 N吸收与N分配

1.3 C02浓度升高条件下的碳与养分循环

1.3.1植物光合作用

1.3.2植物呼吸作用

1.3.3植物-土壤物质交换

1.3.4土壤呼吸

1.4 CO2浓度升高条件下的植物竞争研究

1.5 植物种植密度与CO2效应

1.6 CO2浓度升高条件下的植物衰老生理研究

1.7 CO2浓度升高对植物种群和群落的影响

2研究目的与意义

3 实验方法

3.1 实验地点

3.2植物材料与实验设计

3.3生长室的构造

3.4环境因子监测

3.5 CO2浓度控制情况

3.5.1 CO2浓度控制系统

3.5.2 CO2浓度控制系统的性能

3.6测定和分析

3.6.1 生长指标

3.6.2树皮、去皮树干特征

3.6.3 CO2浓度与密度效应计算

3.6.4植物冠层竞争

3.6.5养分元素积累与分配

3.6.6系统组分间的碳交换

3.6.7衰老生理

4结果和讨论

4.1 CO2和密度对红桦幼苗生长的影响

4.1.1对生物量积累的影响

4.1.2对生物量分配的影响

4.1.3对树皮及去皮树干影响的统计分析

4.1.4对树干生长的影响

4.1.5对树皮特征的影响

4.1.6对去皮树干特征的影响

4.1.7对树皮／去皮树干比的影响(bark/wood ratio)

4.1.8讨论

4.2 CO2浓度和密度对植物冠层竞争的影响

4.2.1CO2浓度与密度对苗冠基本特征的影响

4.2.2CO2浓度与密度对叶片分布的影响

4.2.3CO2浓度与密度对枝角的影响

4.2.4CO2浓度与密度对枝条数目与枝长的影响

4.2.5讨论

4.3 CO2浓度与密度对养分元素积累与分配的影响

4.3.1 CO2浓度与密度对红桦幼苗相对生长速率的影响

4.3.2红桦幼苗各器官对氮磷含量和吸收量

4.3.3氮磷利用效率及氮磷累积速率

4.3.4土壤氮磷养分状况与根冠干物质分配

4.4系统组分间的碳交换

4.4.1 叶表面二氧化碳气体交换

4.4.2植物(根系)-土壤交换

4.4.3土壤-大气CO2净交换量(土壤呼吸)

4.4.4小区碳平衡

4.4.5讨论

4.5升高CO2浓度条件下的后期衰老生理研究

4.5.1 对衰老过程中单叶光合速率的影响

4.5.2对衰老过程中可溶性蛋白含量的影响

4.5.3对衰老过程中MDA含量和保护酶活性的影响

5结论与建议

参考文献

附录

作者攻读博士学位期间论文发表情况

致谢