發(fā)布時間：2018-12-25 14:39

【摘要】：土壤水分有效性是當(dāng)今生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)和植物學(xué)科關(guān)注的熱點,亦是制約旱區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要限制因子之一,全球氣候變化對區(qū)域生態(tài)建設(shè)和植被功能提升帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。黃土高原年均降雨量小,且有效的天然降水在年際間變幅大,年內(nèi)分布不均,常常導(dǎo)致植物生育期內(nèi)的降雨無法滿足植物的正常生長。因此,開展黃土區(qū)植物生長與土壤水分協(xié)同關(guān)系研究對本地區(qū)植被恢復(fù)可持續(xù)發(fā)展具有重要理論意義。本研究選取黃土高原地區(qū)四種典型植物,分別為喬木—刺槐(Robinia pseudoacacia L.),灌木—紫穗槐(Amorpha fruticosa L.),草本—苜蓿(Medicago sativa L.)及作物—玉米(Zea mays L.),進行了持續(xù)的干旱試驗(其中刺槐和紫穗槐進行了交替干旱控制試驗),監(jiān)測了土壤水分下降時植物葉水關(guān)系、氣體交換、熒光參數(shù)和土壤呼吸等生理參數(shù)的變化,系統(tǒng)的分析了不同類型植物的土壤水分有效性閾值及交替干旱下植物生長策略的響應(yīng);同時,通過對黃土高原及秦嶺八個地區(qū)132個植物樣本葉片碳同位素和養(yǎng)分的測定,探討了區(qū)域尺度上植物水分利用效率(WUE)的影響因素,揭示了WUE與植物養(yǎng)分計量比的關(guān)系。研究結(jié)果為明確區(qū)域土壤水分有效性地帶性規(guī)律提供了重要信息,為該區(qū)生態(tài)恢復(fù)可持續(xù)發(fā)展提供了理論依據(jù)。本研究主要取得以下結(jié)論:(1)持續(xù)的干旱控制試驗研究表明,四種植物葉水關(guān)系、氣體交換及熒光參數(shù)均隨著土壤水分下降,可分為三個階段:先保持穩(wěn)定,然后隨土壤水分的下降快速下降,隨后又緩慢下降;氣體交換參數(shù)對土壤水分的敏感性高于葉片相對含水量及熒光參數(shù),在較低的土壤水分下木本植物表現(xiàn)出較高的氣體交換速率;四種植物土壤含水量與植物葉片各生理參數(shù)均表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性,土壤水分降低是本研究中導(dǎo)致植物生理參數(shù)下降的主要原因;土壤呼吸對土壤水分下降十分敏感,除紫穗槐外,其它三種植物土壤呼吸隨土壤水分下降均表現(xiàn)出先快速下降后緩慢下降的趨勢。(2)交替干旱對刺槐和紫穗槐生長策略影響的研究表明,干旱脅迫對兩種植物生理參數(shù)產(chǎn)生了顯著影響,且兩種植物對干旱脅迫的響應(yīng)表現(xiàn)出一定的差異。干旱脅迫早期,刺槐的氣孔關(guān)閉行為可能主要受到脫落酸(ABA)調(diào)控,后期轉(zhuǎn)變?yōu)樗畡菡{(diào)控,而紫穗槐可能主要受到水勢調(diào)控;干旱脅迫引起植物莖粗的收縮,會導(dǎo)致韌皮部功能受損,影響植物光合產(chǎn)物的運輸及分配。其次,植物生理參數(shù)顯著變化時的土壤水分閾值在兩次干旱脅迫中表現(xiàn)出一些差異,除地上部呼吸以外,第二次干旱時植物生理參數(shù)顯著變化時的土壤水分閾值均高于第一次干旱時,熒光參數(shù)顯著變化時的土壤水分閾值最低,這些變化表明重復(fù)干旱可能會加快植物的死亡;由于干旱脅迫導(dǎo)致的葉片脫落,盡管土壤呼吸在復(fù)水后迅速恢復(fù),但是植物地上部光合及呼吸在復(fù)水后并不能完全恢復(fù);此外,兩種植物黎明前葉水勢與氣體交換參數(shù)之間均表現(xiàn)出極強的相關(guān)性,且兩次干旱中表現(xiàn)出一定的差異;復(fù)水后,兩種植物葉水勢恢復(fù)速度快于氣體交換參數(shù),蒸騰作用的恢復(fù)模式表明兩種植物氣體交換參數(shù)的恢復(fù)主要受到水力因素的限制,在刺槐中還可能涉及到非水力因素調(diào)控。(3)四種植物的土壤水分有效性研究表明,當(dāng)土壤含水量大于某一閾值時,土壤水分對植物各生理參數(shù)等同有效,而當(dāng)土壤水分繼續(xù)下降后,各生理參數(shù)土壤水分有效性快速下降;不同的生理參數(shù)表現(xiàn)出不同的土壤水分有效性閾值,氣體交換參數(shù)土壤水分有效性閾值最高,熒光參數(shù)土壤水分有效性閾值最低,綜合考慮,光合參數(shù)適宜于四種植物土壤水分有效性評價,葉片相對含水量對于苜蓿和玉米土壤水分有效性的評價也同樣適用;不同植物土壤水分有效性閾值也表現(xiàn)出一定的差異,木本植物土壤水分有效性閾值低于草本植物;此外,交替干旱也顯著影響了植物的土壤水分有效性閾值,植物經(jīng)歷干旱后土壤水分有效性閾值提高。(4)區(qū)域尺度上植物WUE與年降水顯著負相關(guān),不同生活型植物WUE也不相同,草本植物最低;此外,N限制會導(dǎo)致WUE降低。同時研究還表明植物WUE與養(yǎng)分計量比存在相關(guān)性,在灌木和喬木植物中,葉片N:P和WUE顯著正相關(guān),而在草本植物中,WUE與P和K含量顯著負相關(guān);此外,植物WUE與養(yǎng)分計量比的關(guān)系還受到養(yǎng)分限制的影響,當(dāng)植物處于非P限制時,植物WUE與葉片N:P顯著正相關(guān),而當(dāng)植物處于P限制時,植物WUE與葉片K含量顯著相關(guān)。
[Abstract]:The effectiveness of soil moisture is a hot spot of the present ecology, soil science and plant subject. It is also one of the main limiting factors that restrict the productivity of land ecosystem in the arid region, and the global climate change poses a serious challenge to the regional ecological construction and the improvement of the function of the vegetation. The average annual rainfall of the Loess Plateau is small, and the effective natural precipitation is large in the inter-year period, and the distribution of the natural precipitation is not uniform in the year, and the rainfall in the growth period of the plant is often caused to be unable to meet the normal growth of the plant. Therefore, the study of the relationship between plant growth and soil moisture in the loess area is of great theoretical significance to the sustainable development of vegetation restoration in the region. The four typical plants in the Loess Plateau were selected as Robinia pseudoacacia L., Aphrosia pseudoacacia L., Medicago saativa L. and Zea mays L., respectively. The changes of the physiological parameters such as leaf water, gas exchange, fluorescence parameters and soil respiration were monitored by the continuous drought test (in which the black locust and the Amorpha fruticosa were subjected to the alternating drought control test), and the relationship between the water and the water, the gas exchange, the fluorescence parameters and the respiration of the soil were monitored. The soil moisture availability threshold of different types of plants and the response of the plant growth strategy under the alternating drought were analyzed in the system, and the carbon isotope and nutrient content of 132 plant sample leaves in the Loess Plateau and the eight regions of the Qinling Mountains were determined. The influence factors of plant water use efficiency (WUE) on the regional scale are discussed, and the relationship between WUE and plant nutrient measurement ratio is revealed. The results of the study provide a theoretical basis for the sustainable development of the ecological restoration in the region. The results of this study are as follows: (1) The study of the continuous drought control shows that the water-water relationship, the gas exchange and the fluorescence parameters of the four kinds of plant leaves can be divided into three stages with the decrease of the soil moisture. the sensitivity of the gas exchange parameters to the soil moisture is higher than the relative water content and the fluorescence parameters of the leaves, and the woody plants show higher gas exchange rate at lower soil moisture; The soil water content of the four kinds of plants has a significant correlation with the physiological parameters of the plant leaves. The decrease of soil moisture is the main cause of the decline of the physiological parameters of the plant in the study, and the soil respiration is very sensitive to the decrease of the soil moisture, except for the Amorpha fruticosa, The decrease of soil moisture in the other three kinds of plant soil showed a tendency to decline slowly. (2) The study of the effect of alternating drought on the growth strategies of Robinia pseudoacacia and Amorpha fruticosa indicated that the drought stress had a significant effect on the physiological parameters of the two plants, and the response of the two plants to the drought stress showed a certain difference. In the early stage of drought stress, the stomatal closure behavior of the Robinia pseudoacacia may be mainly controlled by abscisic acid (ABA), the later transition is water potential regulation, and the Amorpha fruticosa may be mainly controlled by the water potential; the drought stress causes the plant stem to shrink, which can lead to the damage of the phloem. and the transportation and distribution of the plant waste products are affected. secondly, the soil moisture threshold value of the plant physiological parameter changes significantly when the physiological parameter of the plant changes significantly, The lowest soil moisture threshold at the time of a significant change in the fluorescence parameters indicates that the repeated drought may accelerate the plant's death; due to the leaf shedding due to drought stress, although the soil respiration recovers rapidly after the complex water, but the photosynthesis and respiration of the aerial part of the plant can not be fully recovered after the complex water; in addition, the water potential and the gas exchange parameters of the two plants have a strong correlation with the gas exchange parameters, and a certain difference is shown in the two drought; after the complex water, The recovery rate of two kinds of plant leaf water potential is faster than that of the gas exchange parameter, and the recovery mode of the transpiration effect indicates that the recovery of the two plant gas exchange parameters is mainly limited by the hydraulic factors, and the non-hydraulic factor control can also be involved in the locust. (3) The study of soil moisture availability of four kinds of plants shows that, when the water content of the soil is greater than a certain threshold, the soil moisture is equivalent to the physiological parameters of the plant, and when the soil moisture continues to fall, the soil moisture content of each physiological parameter is rapidly reduced; Different physiological parameters show different soil moisture availability thresholds, the water availability threshold of the gas exchange parameters is the highest, the water availability threshold of the fluorescence parameters is the lowest, and the comprehensive consideration is that the photosynthetic parameters are suitable for the evaluation of the soil moisture effectiveness of the four plants, the relative water content of the leaves is also applicable to the evaluation of the soil moisture availability of the plant and the corn, the soil moisture availability threshold of different plants also shows a certain difference, and the soil moisture availability threshold of the woody plant is lower than that of the herbage; in addition, The soil moisture availability threshold of the plants was also significantly affected by the alternating drought, and the threshold of soil moisture availability after the plant was subjected to drought was increased. (4) The plant WUE in the regional scale is negatively correlated with the annual precipitation, and the WUE of different living plants is different and the herb is the lowest; in addition, the N limit can lead to the reduction of the WUE. At the same time, the relationship between the plant WUE and the nutrient measurement is also shown, and in the shrub and arbor plants, the leaves N: P and WUE are significantly positively correlated, and in the herbaceous plants, the WUE is negatively correlated with the P and K content; in addition, The relationship between the plant WUE and the nutrient measurement ratio is also affected by the nutrient limitation, and when the plant is in the non-P limit, the plant WUE is significantly positively correlated with the leaf N: P, and when the plant is at the P limit, the plant WUE is obviously related to the content of the leaf K.
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S152.7

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本文編號：2391264