【摘要】：氮(N)和磷(P)是植物生長必需的礦質元素,這兩種元素之間的相對關系可以反映土壤中的營養(yǎng)條件,在個體發(fā)育、碳同化、新陳代謝和繁育過程中有重要的作用,對植物種間關系和群落結構有重要的影響。自工業(yè)革命以來,人類活動對自然生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)條件產(chǎn)生了強烈的影響。由于人為氮、磷輸入的比例失衡及氮、磷元素在理化性質上的差異,很多生態(tài)系統(tǒng)中的氮磷比發(fā)生了改變。隨著氮磷比營養(yǎng)條件的改變,植物群落中優(yōu)勢種,植物間的種間關系也會隨之改變。同時,外來種廣泛使用給本地生態(tài)系統(tǒng)的影響也受到越來越多的關注,成為當今生態(tài)學研究中的熱點。營養(yǎng)條件是外來植物定植新棲息地過程中的決定性因素之一,許多外來植物在營養(yǎng)獲取、營養(yǎng)利用及營養(yǎng)保持等方面都具有優(yōu)勢,對營養(yǎng)波動具有更好的適應能力,在與本地植物的競爭中處于優(yōu)勢地位。因此,研究不同氮磷比條件下外來植物與本地植物的種間關系可以加深對外來植物生態(tài)影響的認識,并為分析氣候變化背景下潛在的入侵植物提供依據(jù)。 為了研究氮磷比營養(yǎng)條件改變對外來植物與本地植物種間關系的影響,我們選取了華北地區(qū)植被恢復中常用的外來植物火炬樹(Rhus typhina)、本地植物麻櫟(Quercus acutissima)和荊條(Vitex negundo var. heterophylla)作為研究物種,通過溫室控制實驗的方法對該問題進行研究。實驗中,根據(jù)野外森林土壤的調(diào)查數(shù)據(jù),由低到高設置了三個氮磷比處理：5,15和45。每種氮磷比處理下以火炬樹與麻櫟或荊條混種的方式模擬種間競爭,并設置單種的處理作為對照。實驗過程中,從植物功能性狀入手對植物的生長、生理、生物量積累及分配、葉片化學計量學、種間關系等內(nèi)容進行了測量和觀察,比較了火炬樹與麻櫟、荊條的差異,并分析了火炬樹對這兩種本地植物的影響。 模擬實驗結果表明：氮磷比營養(yǎng)條件的改變對火炬樹、麻櫟和荊條都產(chǎn)生了顯著的影響。三種植物的生物量在氮磷比5或15時最大；而氮磷比45時,三種植物的生物量積累都受到了明顯的抑制,主要原因是高氮磷比時,氮磷元素失衡,磷元素成為限制因素,影響了植物的碳同化能力。生物量分配方面,低氮磷比時,三種植物均顯著增加了根生物量比,提高對氮元素的獲取能力；在高氮磷比時,均沒有明顯的生物量調(diào)整。火炬樹生長快,冠幅大,葉生物量比重高,具有較高的凈光合速率、低比葉重和高的氮磷元素利用效率,可以積累高生物量并具有較大的根生物量,在氮磷營養(yǎng)和光照的獲取方面有很大的優(yōu)勢,對營養(yǎng)條件的改變適應能力很強。本地植物麻櫟和荊條均將更多的生物量分配到根,根冠比大,葉生物量比重小,在光合組織中的投入較少,生物量積累能力低,在營養(yǎng)元素和光照獲取上均遜于火炬樹。 混種時,火炬樹均具有遠高于本地種的相對優(yōu)勢度系數(shù),在種間關系中始終處于絕對的優(yōu)勢地位,并且這種競爭優(yōu)勢沒有受到氮磷比條件改變的負面影響。與麻櫟相比,火炬樹具有更高的凈光合速率、更小的比葉重、更高的光合氮利用效率和光合磷利用效率,將較多的氮磷營養(yǎng)分配到與光合作用有關的組織中,具有更強的碳同化能力。雖然荊條在凈光合速率、比葉重等性狀上與火炬樹類似,但由于火炬樹生長快,冠幅大,對其產(chǎn)生了遮陰作用,抑制了其光合作用。雖然火炬樹并沒有對荊條的生理狀態(tài)造成顯著的脅迫作用,但其生物量積累受到嚴重影響�；旆N時,由于火炬樹的競爭壓力,本地種麻櫟和荊條均調(diào)整了生物量分配,將更多的生物量投入到根,以獲取更多的氮磷營養(yǎng)。而火炬樹則保持了與單種時基本一致的生物量分配格局,更多的生物量分配到地上部分。這種生物量分配策略上的不同,導致火炬樹在地上部分對光照的競爭中占據(jù)絕對優(yōu)勢,結合其強的碳同化能力,保證其可以積累明顯高于麻櫟和荊條的總生物量。雖然火炬樹的根生物量比重較麻櫟和荊條小,但是其具有很高的生物量,使其在競爭中仍具有較高的根生物量,結合其在根表面積等性狀上的優(yōu)勢,保證了其對氮磷營養(yǎng)元素的強競爭能力。在高氮磷處理中,火炬樹顯著增加了葉生物量比,在磷限制的情景下維持較高的地上部分碳同化能力,進而促進其地下對營養(yǎng)元素的獲取,對該條件具有更好的適應性。而本地植物麻櫟和荊條的生物量分配格局并沒有進行調(diào)整,這種適應策略上的內(nèi)穩(wěn)性,反映出植物對不利環(huán)境較強的耐受性,有利于植物更好的適應營養(yǎng)脅迫的不良條件。但這種策略在營養(yǎng)條件波動時則比較保守,相比于外來植物火炬樹,在環(huán)境變化下不利于其在競爭中取得優(yōu)勢。 總之,與華北地區(qū)典型物種麻櫟和荊條相比,外來植物火炬樹在生長特性、葉片性狀、根屬性等植物功能性狀上具有明顯的優(yōu)勢,而且其對不同的氮磷比營養(yǎng)條件表現(xiàn)出了更為積極的生物量和氮磷營養(yǎng)分配策略,保證其具有很高的生物量生產(chǎn)能力。得益于其更強的營養(yǎng)元素吸收能力,在與光合作用相關的組織中更多的生物量和氮磷營養(yǎng)投入,火炬樹在競爭中積累了遠高于麻櫟和荊條的生物量。這種在生物量和葉片營養(yǎng)分配中的權衡,是導致這幾種植物在競爭中差異化表現(xiàn)的主要原因,并有助于火炬樹在不同的氮磷比營養(yǎng)條件中始終保持絕對競爭優(yōu)勢。另外,在低氮磷比或高氮磷比條件下,即氮限制或磷限制時,火炬樹可以產(chǎn)生較麻櫟更多的生物量,并能夠在人為活動造成的氮磷輸入時適應的更快更好。此外,雖然在我們的研究中麻櫟幼苗在競爭中生物量沒有明顯下降,但荊條幼苗因為火炬樹的遮陰作用生物量顯著下降,因此火炬樹對本地植物的影響需要高度關注。在未來的植被恢復過程中,外來植物的引入和管理應重視對外來植物植物功能屬性和當?shù)赝寥罈l件的綜合分析,并結合當前主要的氣候變化因素,分析其可能存在的入侵潛力,以減少外來植物引入所造成的不必要的經(jīng)濟損失和生態(tài)風險。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：Q948

【參考文獻】

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本文編號：2762221