两种海拔典型植物对土壤温度变化的生长和生理响应

摘要

全球气候变化主要体现在温度和降水等气候要素的变化，其中地表气温和海洋温度的持续上升是气候变化的重要特征，温度变化对植物的存活、生长、形态学特征、生理特征以及植物的分布均有显著影响。地表气温升高势必会导致土壤温度的变化，研究表明土壤温度才是影响植物存活、生长和分布的关键因子。然而，由于将空气温度和土壤温度严格分离较为困难，多数研究结果展示的是空气温度和土壤温度整体变化对植物的影响，并且在试验过程中很难实现空气和土壤温度的同步变化，因此目前国内很少有研究严格控制空气或士壤温度，单独探究其对植物存活、生长和生理的影响。　　幼苗的存活和定居对于植被的恢复和再生起重要作用，在一定程度上决定着植被的分布。温度、水分和人为因素等均会对幼苗存活和定居产生影响，因此，研究外界环境因子对幼苗存活和生长的影响及具体影响形式对于全球气候变化下森林的恢复以及预测植物的动态变迁研究具有极其重要的:卷义。　　本研究于步入式人工气候室内进行，室内温度保持恒定，采用植物恒温循环栽培系统控制土壤温度，将空气温度与土壤温度严格分离，意在单独探究土壤温度对植物存活、生长和生理的影响，并采用嵌套设计加入土壤水分这一环境因子和地上部分遭到破坏这一干扰因素(动物啃食或人为砍伐)。本研究选择分别在高海拔和中低海拔有广泛分布的典型植物作为研究材料，包括对气候变化高度敏感的林线树术云杉幼苗和对气候变化同样较为敏感可塑性强、短期内可快速响应的中低海拔植物矮竹幼苗作为研究材料，在人工气候室内模拟土壤温度和土壤水分变化以及地上部分遭到破坏，研究土壤温度、土壤水分、年长分株地上部分去除及土壤温度与土壤水分、土壤温度与去除处理之间的交互作用对幼苗存活、生长和生理的影响，探究土壤低温下氮磷营养元素和非结构性碳水化合物的储存和利用，以及土壤水分对川西云杉幼苗对土壤温度变化响应的影响和年长分株地仁部分去除对年幼分株对土壤温度变化响应的影响。本文的主要研究结论如下:　　(1)土壤温度和土壤水分处理对川西云杉幼苗的影响。土壤低温显著降低了根生物景和根冠比，但对其它器官生物量无显著影响，由此可见根系对土壤温度变化更为敏感。土壤水分处理对根生物量和根冠比影响显著，在土壤温度较高时(17℃和22℃)水分胁迫显著降低了根生物量和根冠比，但在低温处理下水分胁迫对其影响不再显著。土壤温度对各器官氮磷浓度(mg/g)均有显著影响，随着土壤温度降低氮磷浓度有降低趋势，对当年生叶中氮磷浓度影响尤其显著。土壤水分对各器官氮磷浓度和含节影响显著，17℃和22℃时，水分胁迫显著降低了当年生叶和和根的氮磷含量，而在低温(2℃和7℃)水分胁迫对其影响不再显著。土壤温度和水分处理对各器官非结构性碳水化合物(NSC)浓度影响显著，随着土壤温度降低，叶片NSC和可溶性糖浓度、茎可溶性糖浓度及根NSC浓度、可溶性糖和淀粉浓度呈显著升高趋势，说明土壤低温并没有导致碳受限。而干旱肋、迫显著降低了当年生叶淀粉和NSC浓度，低温处理下效果更显著，即在士壤低温下干旱肋、迫很可能会导致川I西云杉的“碳饥饿”。　　(2)土壤温度和年长分株地上部分去除处理对美丽箬竹年幼分株的影响。土壤温度和年长分株地上部分去除对年幼分株存活率均有显著影响。当保留年长分株地上部分时，土壤低温反而增大了年幼分株存活率。去除处理显著提高了年幼分株存活率，尤其是在17℃和22℃，存活率显著提高了56％。土壤温度对年幼分株地上生物量、茎生物量、叶生物量和叶片数量均影响不显著，但在去除处理下，生物量在7℃和12℃达到峰值。去除处理对生物量和叶片数量均有显著影响，在7℃和12℃显著增大了生物量，并且也显著增加了17℃和22℃时的叶片数量。土壤温度、去除处理及二者交互作用对年幼分株光合速率均有显著影响，土壤低温显著降低了光合速率，22℃时光合速率最高，随着温度降低其光合速率急剧下降，由此可见光合速率对土壤低温极为敏感。土壤低温虽然显著降低了光合速率，但对叶片中NSC、可溶性糖和淀粉浓度无显著影响，即土壤低温并没有导致碳受限。　　由此可知，土壤低温和水分胁迫均导致氮磷含量的不足，但随着土壤温度降低，水分胁迫对氮磷含量不再有显著影响。随着土壤温度降低，两种植物非结构性碳水化合物浓度没有降低，反而呈显著升高或不变的趋势，因此土壤低温并没有导致碳受限。土壤低温显著提高了美丽箬竹年幼分株存活率，显著降低了光合速率，但对生物量并无显著影响。土壤温度和去除处理对年幼分株的存活和生长具有显著交互作用，去除处理在一定土壤温度处理下反而显著提高年幼分株的存活率和生长，此时分株间并没有进行生理整合，反而可能是年长分株与年幼分株间对根状茎中资源的竞争作用影响年幼分株的定居和生长。此外，川西云杉幼苗叶片中NSC浓度随土壤温度降低而升高，说明低温下植物仍能维持正常水平的光合作用或者叶片仍能保持一定的光合产量，同样，土壤低温虽然显著降低了美丽箬竹年幼分株的光合速率，但并没有导致碳受限，说明在一定的低温条件下叶片仍能保持较高的光合产量。　　通过本研究，建议未来在研究气候变化对植物生长影响的模型中应该充分考虑土壤温度的影响，建议下一步将光合作用与碳水化合物、氮和磷等养分元素三者结合起来进行探究，并延长观察周期，以期完善对土壤温度变化下植物生理生化过程的理解。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2国内外研究现状

1．2．1温度变化是全球气候变化的重要特征

1．2．2温度对植物存活、生长和生理的影响

1．2．3水分对植物存活、生长和生理的影响

1．2．4地上部分被破坏对植物存活、生长和生理的影响

1．3研究目的、意义及内容

1．3．1研究目的和意义

1．3．2研究内容

1．3．3拟解决科学问题

1．3．4技术路线

第二章高海拔植物对土壤温度和水分变化的响应

2．1引言

2．2材料与方法

2．2．1植物材料与土壤采集

2．2．2试验设计

2．2．3样品测定与数据处理

2．2．4数据处理

2．3结果

2．3．1植物形态指标对土壤温度和水分变化的响应

2．3．2土壤温度和水分变化对云杉幼苗各器官生物量的影响

2．3．3土壤温度和水分变化对土壤氮、磷浓度的影响

2．3．4土壤温度和水分变化对各器官氮、磷浓度和含量的影响

2．3．5土壤温度和水分变化对云杉幼苗各器官NSC浓度的影响

2．4讨论

2．4．1土壤温度对川西云杉幼苗生长与生理的影响

2．4．2土壤水分对川西云杉幼苗生长与生理的影响

2．5小结

第三章中低海拔植物对土壤温度和地上部分去除的响应

3．1引言

3．2材料与方法

3．2．1取样与试验前准备

3．2．2试验设计

3．2．3样品测定

3．2．4数据处理

3．3结果

3．3．1不同处理对年幼分株存活率的影响

3．3．2不同处理对年幼分株生物量禾nn-I-片数量的影响

3．3．3不同处理对光合速率Sn,t片非结构性碳水化合物的影响

3．4讨论

3．4．1土壤温度对年幼分株存活率、生长和生理的影响

3．4．2年长分株地上部分去除对年幼分株存活率、生长和生理的影响

3．5小结

第四章结论与展望

4．1结论

4．2创新点

4．3不足与展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢