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南川柳对三峡消落带干湿交替环境的生理生态响应研究

作　者: 艾丽皎
导　师: 张银龙
学　校: 南京林业大学
专　业: 生态学
关键词: 三峡库区消落带干旱淹水生态位抗性生理指标光合作用特征南川柳
分类号: Q948.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

三峡库区消落带自然环境复杂多变，冬蓄夏汛水文生态过程形成典型的淹水-落干的干湿交替环境已引起国内外环境生态研究者的广泛关注。目前，在三峡地区资源与环境友好型利用背景下，消落带植被恢复与重建成为库区消落带生态环境治理的重要内容，但如何评价先锋适生植物的标准还存在较大分歧，特别是先锋植物对干湿交替生境的生理生态响应机制更是知之甚少。本研究以消落带植物南川柳（Salix rosthornii）作为研究对象，研究消落带自然环境条件下植被恢复示范区南川柳生态位特征、植物群落以及抗性生理指标响应机制，揭示南川柳在自然生境下植物群落及抗性生理指标的变化规律；在室内条件下，借助盆栽模拟实验，模拟干旱和水淹胁迫条件，分析南川柳抗性生理指标和光合作用特征适应机制，探讨南川柳对干旱、水淹胁迫的生理生态响应及光合作用特征的适应机制，为三峡库区消落带植被恢复与重建工作中适生植物的筛选提供理论依据。通过野外样方调查，研究了重庆主城石门段消落带植被恢复示范区主要优势种植物优势度、生态位特征。结果表明，石门消落带示范区主要优势植物种南川柳、秋华柳、中华蚊母、卡开芦、野青茅、甜根子草、扁穗牛鞭草、水苦荬的生态位宽度分别在乔、灌、草本层中占有优势地位；各层次生态位重叠表现为草本层＞乔木层＞灌木层，表明该示范区内植物生态位重叠度较大，分化不明显，种间竞争激烈。通过南川柳与其它39种主要植物种的生态位宽度及生态位重叠值分析比较，表明南川柳在乔木层占据绝对优势，具有较强的耐淹水能力，在消落带不同高程带均可以种植，能与其他灌木及草本植物形成优势群落。根据三峡库区重庆主城段消落带冬蓄夏汛的水文生态过程，研究了典型的冬季蓄淹水没和夏季汛期淹水对消落带不同高程土著种植物南川柳的盖度、基径和株高等生物学特征及其物种多样性格局的影响。结果表明：冬季水淹胁迫显著增大了172m高程南川柳平均盖度与株高和175m平均株高（P＜0.05），而对于两高程基径影响均未达到显著水平（P＞0.05）。夏季水淹胁迫后，172m高程南川柳平均盖度显著降低（P＜0.05），而对于基径和株高影响较小（P＞0.05）；175m高程南川柳生物学特征变化均未达到显著水平（P＞0.05）。经过冬季和夏季淹水，172m高程物种Patrick丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数先增大后降低，而175m则出现相反变化趋势；172m高程Simpson优势度指数显著增大（P＜0.05），而175m仅冬季淹水后显著增大（P＜0.05）。就淹水后生物特征短时效而言，南川柳可以有效地作为三峡消落带植被恢复的适生物种，为降低夏季淹水后由泥沙堆压造成的物理胁迫，需要适当的人为管护。在野外原位条件下，研究了夏季汛期水淹过程（淹水时长、淹水频率和淹水深度）对不同高程带南川柳抗性生理指标的影响。在2012年夏季汛期观测到了具有明显特征的干湿交替过程总共有两次，初次淹水时长持续35天，第二次则只持续了5天。研究结果表明，172m南川柳RWC和EL值经历初次水淹后迅速增大而后降低，而175m和对照组分则出现逐渐降低的趋势；172m和175m高程带南川柳MDA含量先增大后降低，对照组分则是逐渐升高；南川柳脯氨酸含量的变化趋势也大致呈先增大后降低的变化规律，172m高程是逐渐增大的；南川柳抗氧化酶活性变化趋势不是同步统一的，这可能与各种抗氧化酶的作用机制、植物体的反馈调节及消落带高温伏旱条件密切相关。总体而言，夏季汛期水淹对低高程消落带植物南川柳的逆境胁迫作用较为明显，对于中上部的影响不是很显著。此外，库区夏季的高温伏旱胁迫对于消落带上部南川柳的胁迫作用较为显著，这也表明消落带植物南川柳的生理响应是由消落带夏季汛期干湿交替胁迫和高温伏旱胁迫共同作用的结果。为了探明消落带植物南川柳的耐旱特性，在盆栽条件下，对南川柳1年生幼苗采用控水方式进行干旱胁迫处理，同时设置对照组进行正常灌溉，测定叶片相对含水量(RWC)、电解质渗漏(EL)、丙二醛(MDA)等一系列与植物耐旱能力相关的生理指标以及抗氧化性酶活性的变化。结果表明：在干旱胁迫下南川柳幼苗叶片具有较强的水分保持能力，并且在复水后有相对较快的恢复能力；10天和20天的干旱胁迫对南川柳叶片电解质渗漏的影响与对照相比差异不显著，随胁迫时间的持续，EL和MDA都显著升高（P＜0.05）。在干旱胁迫下，实验组分南川柳叶片脯氨酸含量大致呈递增趋势，并且在干旱处理40天达到最大值，表明南川柳对于干旱胁迫的适应能力约为40天。南川柳幼苗叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性整体呈先升高后降低的趋势，其中CAT对胁迫最为敏感，而POD响应相对较为缓慢；在复水20天后3种酶活性有所恢复，但均未恢复到对照的水平。模拟研究了三峡库区消落带水分变化特征对南川柳幼苗光合作用特征的影响，干旱处理对于南川柳净光合速率具有抑制作用，形成显著的的负响应能力，但由于逆境胁迫干扰强度的差异，净光合速率并不能很好地表达各处理组分之间光能合成响应能力的大小。南川柳幼苗净光合速率受到多种因素的综合影响，对不同干旱胁迫处理表现出来的净光合响应能力，与其光合气体交换参数和资源利用效率密切相关，发现南川柳净光合速率与蒸腾速率、表观CO2利用效率和叶片相对含水量呈现显著正相关（P＜0.05）；与气孔导度显著相关（P＜0.05）；与胞间CO2浓度呈显著负相关（P＜0.05），与水分利用效率并无显著相关性（P＞0.05）。通过室内模拟水淹胁迫实验，结果表明，只有淹水持续时间达到一定阈值时，不同水淹深度对于南川柳叶片含水率才能产生显著影响。南川柳EL对于水淹深度70cm较为敏感，对于40cm较为适应。在水淹胁迫下，南川柳耐水淹的极大值为持续淹水30天。南川柳MDA含量对于水淹时间具有较广的生态幅，水淹深度越大，MDA含量越高。在水淹持续时间20天内，南川柳脯氨酸含量较高。从南川柳叶片抗氧化酶活性来看，淹水30天并未是南川柳最大的耐淹水时长，当淹水深度较大时，植株才会通过抗氧化酶系统来进行生理生化调节，以适应水淹胁迫对植株造成的伤害。

全文目录

致谢  3-4
摘要  4-6
Abstract  6-14
第一章绪论  14-37
  1.1 选题背景和依据  14-15
  1.2 国内外研究综述  15-32
    1.2.1 消落带国内外研究进展  15-22
    1.2.2 湿地植物生态位研究进展  22-25
    1.2.3 植物耐旱性研究进展  25-28
    1.2.4 植物耐淹性研究进展  28-32
  1.3 研究目的意义  32-33
  1.4 研究目标、内容和技术路线  33-36
    1.4.1 研究目标  33
    1.4.2 研究内容  33-34
    1.4.3 拟解决的关键问题  34-35
    1.4.4 技术路线  35-36
  1.5 特色与创新  36-37
第二章消落带优势种植物生态位研究  37-47
  2.1 示范区概况  37
  2.2 实验设计与方法  37-38
    2.2.1 样方设置  37-38
    2.2.2 生态位测度方法  38
  2.3 结果与分析  38-45
    2.3.1 主要植物种重要值  38-40
    2.3.2 主要植物种生态位宽度  40-42
    2.3.3 主要植物种生态位重叠  42-45
    2.3.4 南川柳与其它主要植物种生态位重叠  45
  2.4 讨论  45-46
  2.5 小结  46-47
第三章水淹对消落带南川柳植物群落的影响  47-55
  3.1 材料与方法  47-49
    3.1.1 研究区概况  47-48
    3.1.2 实验设计与方法  48
    3.1.3 计算方法  48-49
    3.1.4 数据统计与分析  49
  3.2 结果与分析  49-52
    3.2.1 研究区水位变化  49
    3.2.2 不同水淹过程南川柳生物学特征  49-50
    3.2.3 不同水淹过程南川柳重要值特征  50
    3.2.4 不同水淹过程物种多样性格局  50-52
  3.3 讨论  52-54
    3.3.1 不同水淹过程对南川柳生物学特征的影响  52-53
    3.3.2 不同水淹过程对物种多样性特征的影响  53-54
  3.4 小结  54-55
第四章南川柳对消落带夏季干湿交替环境的生理响应  55-64
  4.1 材料与方法  55-57
    4.1.1 研究区概况（同 3.1.1）  55
    4.1.2 实验设计与方法  55
    4.1.3 样品分析方法  55-56
    4.1.4 水位变化情况  56-57
    4.1.5 数据统计与分析  57
  4.2 结果与分析  57-61
    4.2.1 间断性反复水淹对叶片相对含水量（RWC）的影响  57-58
    4.2.2 间断性反复水淹对叶片电解质渗漏（EL）的影响  58
    4.2.3 间断性反复水淹对丙二醛（MDA）含量的影响  58-59
    4.2.4 间断性反复水淹对游离脯氨酸含量的影响  59-60
    4.2.5 间断性反复水淹对抗氧化酶活性的影响  60-61
  4.3 讨论  61-62
  4.4 小结  62-64
第五章南川柳对干旱胁迫的生理响应  64-73
  5.1 材料与方法  64-66
    5.1.1 实验时间和地点  64
    5.1.2 供试材料  64-65
    5.1.3 实验设计  65
    5.1.4 样品分析方法  65-66
    5.1.5 数据统计与分析  66
  5.2 结果与分析  66-70
    5.2.1 干旱胁迫下土壤含水量的变化  66
    5.2.2 干旱胁迫对叶片相对含水量（RWC）的影响  66-67
    5.2.3 干旱胁迫对电解质渗漏（EL）的影响  67-68
    5.2.4 干旱胁迫对丙二醛（MDA）含量的影响  68
    5.2.5 干旱胁迫对脯氨酸含量的影响  68-69
    5.2.6 干旱胁迫对叶片抗氧化酶活性的影响  69-70
  5.3 讨论  70-72
  5.4 小结  72-73
第六章干旱胁迫对南川柳光合作用特征的影响  73-79
  6.1 材料与方法  73-74
    6.1.1 实验时间和地点（同 5.1.1）  73
    6.1.2 供试材料（同 5.1.2）  73
    6.1.3 实验设计  73
    6.1.4 测定方法  73-74
    6.1.5 数据统计与分析  74
  6.2 结果与分析  74-77
    6.2.1 干旱胁迫对南川柳叶片叶绿素相对含量（SPAD）的影响  74-75
    6.2.2 干旱胁迫对南川柳叶片光合作用特征的影响  75-77
    6.2.3 相关性分析  77
  6.3 讨论  77-78
  6.4 小结  78-79
第七章南川柳对水淹胁迫的生理响应  79-87
  7.1 材料与方法  79-80
    7.1.1 实验时间和地点  79
    7.1.2 供试植物（同 5.1.2）  79
    7.1.3 实验设计  79
    7.1.4 样品分析方法（同 5.1.4）  79
    7.1.5 数据统计与分析  79-80
  7.2 结果与分析  80-84
    7.2.1 水淹胁迫对叶片相对含水量（RWC）的影响  80
    7.2.2 水淹胁迫对叶片电解质渗漏（EL）的影响  80-81
    7.2.3 水淹胁迫对丙二醛（MDA）含量的影响  81-82
    7.2.4 水淹胁迫对游离脯氨酸含量的影响  82-83
    7.2.5 水淹胁迫对叶片抗氧化酶活性的影响  83-84
  7.3 讨论  84-86
  7.4 小结  86-87
第八章主要研究结论与展望  87-91
  8.1 主要研究结论  87-89
  8.2 存在的不足与展望  89-91
    8.2.1 存在的不足  89
    8.2.2 展望  89-91
攻读学位期间发表的学术论文  91-92
参考文献  92-106

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