本文關鍵詞：光照和氮沉降對外來植物刺槐、火炬樹及三種本地植物的生長和種間關系的影響，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,全球環(huán)境變化因其深刻的生態(tài)效應而引起了廣泛的關注。自工業(yè)革命以來,由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展,化石燃料的燃燒和氮肥的使用大量增加,人類向大氣中排放的活性氮急劇上升,導致大氣氮沉降的量大幅提高,并一直保持升高的趨勢。氮沉降的持續(xù)增加對植物的生長、陸地生態(tài)系統(tǒng)的元素循環(huán)和生物多樣性都會產(chǎn)生深刻的影響。而頻繁的人類活動,包括森林采伐、撫育等,使森林生態(tài)系統(tǒng)的光環(huán)境也處于頻繁的波動之中。在全球變化的背景下,外來植物可能會產(chǎn)生一系列適應性的反應,而其與本地植物的種間相互作用也可能發(fā)生變化。功能性狀決定了植物對復雜的環(huán)境條件的適應策略,對外來植物在新環(huán)境中的適應和擴張起到了重要的作用,因此,在全球變化的背景下研究外來植物與本地植物的相互作用,并從功能性狀的角度對外來植物和本地植物進行對比,對于揭示外來植物的適應和擴散機制,以及外來植物對本地群落的可能影響具有非常重要的意義。刺槐(Robinia pseudoacacia)是我國暖溫帶地區(qū)最常見的用于植被恢復的外來植物,為了研究氮沉降增加時刺槐對本地植物的影響,并揭示其競爭策略,我們選取了刺槐和本地森林典型建群種麻櫟(Quercus acutissima)為研究對象,采用兩種植物的幼苗進行了實驗。根據(jù)當前氮沉降的實際水平設置了0,3,6,12g N m-2 year-1四個模擬氮沉降水平,在每個氮沉降水平下,以刺槐和麻櫟混種的方式模擬種間相互作用,并設置同一物種單種作為對照。實驗末期,對植物的總生物量以及生物量分配、株高、葉片生理、形態(tài)和化學計量學等功能性狀進行了測量,并計算了刺槐和麻櫟之間的相對競爭指數(shù)。實驗結果表明,刺槐顯著的抑制了麻櫟的生長,二者之間存在明顯的競爭。由于在資源的獲取和利用上都采取了積極的策略,刺槐在競爭中處于絕對的優(yōu)勢地位。龐大的根系、較低的主根側根比和較高的根生物量保證了刺槐在土壤養(yǎng)分的競爭中占據(jù)絕對的優(yōu)勢,而較高的株高和較低的根冠比則使刺槐在光照的競爭中也處于優(yōu)勢地位。相比麻櫟,刺槐的最大凈光合速率、比葉面積和葉片氮磷含量都要高得多,表明刺槐趨向于葉片經(jīng)濟學譜積極策略的一端,能夠將獲取的資源更多的投入到光合和生長中,而對葉片防御結構的資源分配較少,因此在葉片的資源投入上能夠獲得更快更大的碳收益,從而能夠積累更多的生物量,獲得更大的競爭優(yōu)勢。除此之外,刺槐的光合氮利用效率和光合磷利用效率也都遠高于麻櫟,這種對資源的有效利用也能夠使刺槐在競爭中占據(jù)優(yōu)勢。氮沉降的增加對刺槐以及單種時的麻櫟的生長影響很小,但卻顯著促進了混種時麻櫟的生長,因此氮沉降的增加減弱了刺槐對麻櫟的競爭效應。相比麻櫟單種,混種時土壤有效氮含量沒有明顯變化,而土壤有效磷含量顯著下降,因此刺槐可能對土壤中的磷元素有較高的需求和競爭能力。外界氮添加可能促進了麻櫟根表面細胞外磷酸酶的合成,水解土壤中的有機磷,釋放更多的磷酸鹽供麻櫟吸收利用。因此,氮沉降的增加可能通過緩解麻櫟的磷限制來減弱刺槐的競爭效應。為進一步研究外來植物刺槐對不同全球變化因子的適應機制,我們選取了刺槐及與其同屬豆科,系統(tǒng)發(fā)育相近的槐(Sophora japonica)為研究對象,在不同的光照和氮沉降條件下對兩種植物幼苗進行了對比研究。實驗設置了兩個光照水平,光強分別為全光照的66%和10%。在每個光照水平下,根據(jù)當前氮沉降的實際水平設置了0,3,9gNm-2 year-1三個模擬氮沉降水平。實驗末期,對植物的總生物量以及生物量分配、葉片生理、形態(tài)和化學計量學等功能性狀進行了測量。實驗結果表明,氮沉降對刺槐和槐的生長影響不大,而光照的影響則非常顯著。在低光條件下,刺槐的總生物量與槐沒有顯著的差異,二者的功能性狀也非常相似。而當光照增強時,刺槐的許多功能性狀都表現(xiàn)出了與槐顯著不同的可塑性響應,因此在高光條件下,相比槐,刺槐具有更高的最大凈光合速率和葉片氮含量,以及更低的葉片碳氮比、葉厚度和根冠比。這些性狀都表明,在高光條件下,刺槐對資源的獲取和利用采取了更加積極的策略,能夠更有效的獲取光照,并將更多的資源投入到光合和生長中,對于葉片單位干物質和養(yǎng)分的投入能夠獲得更大的碳收益。因此,雖然低光條件下沒有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢,但刺槐能夠更好的利用增加的光照,更大程度的促進自身的生長,從而在高光條件下獲得顯著的生長優(yōu)勢。火炬樹(Rhus typhina)也是我國暖溫帶地區(qū)常見的用于植被恢復的外來植物,其入侵性存在頗多爭議。為了研究火炬樹在全球變化條件下的適應機制和策略,我們選取了火炬樹及本地森林典型建群種麻櫟和林下常見灌木荊條(Vitexnegundo var. heterophylla)為研究對象,在不同的光照和氮沉降條件下對三種植物的幼苗進行了對比研究。實驗設置了兩個光照水平,光強分別為全光照的66%和10%。在每個光照水平下,根據(jù)當前氮沉降的實際水平設置了0,3,9gNm-2year-1三個模擬氮沉降水平。實驗末期,對植物的總生物量以及生物量分配、株高、冠面積、葉片生理、形態(tài)和化學計量學等功能性狀進行了測量。實驗結果表明,氮沉降增加顯著提高了火炬樹和荊條的總生物量,以及火炬樹的光合能力,但對麻櫟的影響很小,因此氮沉降增加對火炬樹生長的促進作用比兩種本地植物更強。與麻櫟相比,火炬樹采取了積極的資源獲取和利用的策略。在不同的環(huán)境條件下,火炬樹的冠面積和光合氮磷利用效率都遠超過麻櫟,加之龐大的根系和發(fā)達的細根,使火炬樹在光照和養(yǎng)分的獲取以及利用方面都占有明顯的優(yōu)勢；而在低光條件下,火炬樹的比葉面積遠高于麻櫟,根冠比則遠低于麻櫟,進一步促進了火炬樹對光資源的獲取,因此在不同環(huán)境中,火炬樹的生長都遠遠超過麻櫟。而與荊條相比,在高光條件下,火炬樹的生長沒有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢,其功能性狀也與荊條差異不大,但當光照降低時,火炬樹顯著增大了冠面積,而荊條的冠面積則大大減小,因此在低光條件下,火炬樹的冠面積遠大于荊條,仍能很好的獲取光資源,其生長明顯優(yōu)于荊條。所以,火炬樹既能很好的利用高光,促進自身的生長,對低光又有很強的耐受和適應能力,在不同的環(huán)境條件下均能維持自身生長的穩(wěn)定。而在不同的環(huán)境條件下,火炬樹的光合能力以及葉片養(yǎng)分含量等性狀與麻櫟和荊條的差異均較小�？傊�,相比于不同的本地植物,外來植物刺槐和火炬樹并非在所有的環(huán)境條件下都能夠保持絕對的生長優(yōu)勢,但它們都能夠通過功能性狀的變化,采取積極的資源獲取和利用策略來應對不同的環(huán)境條件,有效的利用增加的資源,更大程度的促進自身的生長,或在不利的條件下更大限度的維持自身的生長。在今后的研究中,可以將刺槐和火炬樹與更多種本地植物進行對比研究,分析其適應策略,為外來植物的適應和擴張機制進行補充和豐富。由于火炬樹在不同的環(huán)境條件下都能夠維持穩(wěn)定的生長,而且相比本地植物,氮沉降能夠更大程度的促進其生長,因此在未來的植被恢復過程當中,應結合主要的環(huán)境變化因素,加強對火炬樹種群的監(jiān)管,實現(xiàn)科學合理的利用。
【關鍵詞】：外來植物 刺槐 火炬樹 本地植物 種間競爭 氮沉降 光照 植物功能性狀 資源獲取和利用 表型可塑性
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：Q945
【目錄】：

• 摘要12-16
• ABSTRACT16-21
• 符號說明21-22
• 第一章 前言22-38
• 1.1 當前全球氮沉降現(xiàn)狀及其影響22-26
• 1.1.1 當前全球氮沉降的現(xiàn)狀22-24
• 1.1.2 氮沉降增加對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響24-26
• 1.2 光環(huán)境的異質性及其影響26-28
• 1.2.1 光環(huán)境的異質性和干擾26-27
• 1.2.2 光環(huán)境的異質性對森林植物群落的影響27-28
• 1.3 外來植物研究進展28-32
• 1.3.1 外來植物對本地生態(tài)系統(tǒng)的影響28-30
• 1.3.2 外來植物的適應機制30-32
• 1.4 研究對象及其研究進展32-36
• 1.4.1 刺槐Robinia pseudoacacia L32-33
• 1.4.2 火炬樹Rhus typhina L33-34
• 1.4.3 麻櫟Quercus acutissima Carr34-35
• 1.4.4 槐Sophora japonica L35
• 1.4.5 荊條Vitex negundo L.var.heterophylla(Franch.)Rehd35-36
• 1.5 研究目的與意義36-38
• 第二章 研究區(qū)域概況、實驗方法及技術路線38-46
• 2.1 研究區(qū)域概況38-39
• 2.2 研究內(nèi)容39
• 2.3 實驗方法39-43
• 2.3.1 實驗材料39-40
• 2.3.2 實驗設計40
• 2.3.3 實驗指標的測量40-43
• 2.4 技術路線43-46
• 第三章 模擬氮沉降對刺槐和麻櫟的生長及種間關系的影響46-76
• 3.1 實驗方法47-49
• 3.1.1 實驗材料47
• 3.1.2 實驗設計47-48
• 3.1.3 實驗指標的測量48
• 3.1.4 數(shù)據(jù)分析48-49
• 3.2 實驗結果49-70
• 3.2.1 種植方式和氮添加對植物生長指標的影響49-53
• 3.2.2 種植方式和氮添加對植物生物量積累的影響53-56
• 3.2.3 種植方式和氮添加對植物生物量分配的影響56-58
• 3.2.4 種植方式和氮添加對植物葉片功能性狀的影響58-67
• 3.2.5 刺槐和麻櫟的相對競爭指數(shù)67-68
• 3.2.6 種植方式和氮添加對土壤化學性質的影響68-70
• 3.3 討論70-75
• 3.3.1 植物的生長71
• 3.3.2 競爭中植物的功能性狀71-73
• 3.3.3 氮沉降增加時刺槐對麻櫟的競爭效應73-75
• 3.4 小結75-76
• 第四章 光照和模擬氮沉降對刺槐和槐生長的影響76-98
• 4.1 實驗方法77-79
• 4.1.1 實驗材料77
• 4.1.2 實驗設計77-78
• 4.1.3 實驗指標的測量78-79
• 4.1.4 數(shù)據(jù)分析79
• 4.2 實驗結果79-93
• 4.2.1 光照和氮添加對植物的總體影響79-80
• 4.2.2 光照和氮添加對植物生物量積累的影響80-82
• 4.2.3 光照和氮添加對植物生物量分配的影響82-84
• 4.2.4 光照和氮添加對植物葉片功能性狀的影響84-91
• 4.2.5 刺槐和槐對光照響應的可塑性91-92
• 4.2.6 刺槐和槐功能性狀的主成分分析結果92-93
• 4.3 討論93-97
• 4.3.1 不同光照條件下刺槐和槐的生長表現(xiàn)93-94
• 4.3.2 刺槐和槐功能性狀的差異94-96
• 4.3.3 刺槐和槐對光照響應的可塑性96-97
• 4.4 小結97-98
• 第五章 光照和模擬氮沉降對火炬樹、麻櫟和荊條生長的影響98-124
• 5.1 實驗方法98-99
• 5.1.1 實驗材料98-99
• 5.1.2 實驗設計99
• 5.1.3 實驗指標的測量99
• 5.1.4 數(shù)據(jù)分析99
• 5.2 實驗結果99-119
• 5.2.1 光照和氮添加對植物生長指標的影響99-102
• 5.2.2 光照和氮添加對植物生物量積累的影響102-105
• 5.2.3 光照和氮添加對植物生物量分配的影響105-107
• 5.2.4 光照和氮添加對植物葉片生理特征的影響107-111
• 5.2.5 光照和氮添加對植物葉片形態(tài)特征的影響111-113
• 5.2.6 光照和氮添加對植物葉片化學計量學特征的影響113-118
• 5.2.7 火炬樹、麻櫟和荊條功能性狀的主成分分析結果118-119
• 5.3 討論119-123
• 5.3.1 不同光照條件下火炬樹、麻櫟、荊條的生長和功能性狀120-122
• 5.3.2 氮沉降對火炬樹、麻櫟和荊條的影響122-123
• 5.4 小結123-124
• 第六章 結論與建議124-128
• 6.1 結論124-125
• 6.2 本研究的創(chuàng)新點125-126
• 6.3 本研究的不足126
• 6.4 建議126-128
• 參考文獻128-144
• 致謝144-148
• 攻讀博士學位期間撰寫的學術論文目錄148-150
• 附件150-166

【參考文獻】

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  本文關鍵詞：光照和氮沉降對外來植物刺槐、火炬樹及三種本地植物的生長和種間關系的影響，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：298102