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学科主题: 地理学::自然地理学
题名: 半干旱区沙生植物沿降水梯度的生理生态变化机理研究
作者: 魏海霞
答辩日期: 2009-12-01
导师: 罗天祥 ; 吴波
专业: 自然地理学
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
学位: 博士
关键词: 沙生植物 ; 比叶面积 ; 叶氮含量 ; 建成消耗 ; 水分利用效率 ; 策略位移现象
摘要: 在年降水量200-440mm的毛乌素沙地及青藏高原北部沙地,以油篙(Artemisia ordosica)为主的沙生植物是固定、半固定沙地上的广布种,组成了相对稳定的植物群落,对当地防风固沙具有重要作用。因此,研究这些自然分布的沙生植物沿降水和退化梯度的生理生态变化机理,不仅有助于阐明干旱、半干旱地区生态系统的稳定性机制,而且也有助于了解全球变化背景下沙生植物对环境变化的适应和响应机制,并为荒漠化治理(如植被恢复和引种等)提供科学依据。 比叶面积(SLA,specific leaf area,单位重量的叶面积)、叶氮含量(Nmass,mass-based leaf nitrogen,单位重量的叶氮含量;Nmass,area-based leaf nitrogen content,单位面积的叶氮含量)、叶建成消耗(leaf construction cost,构建单位叶干重或叶面积的葡萄糖当量,即新叶的构建成本)以及叶 C值(leaf carbon isotope ratio,以叶内外CO2浓度比值呈密切负相关,表征植物长期水分利用效率)等生理生态测定指标共同反映了植物对环境的长期适应特征。国内近期研究发现,比叶面积(SLA)和叶氮含量(Nmass)的关系模式在低降水量区物种与高降水量区物种之间存在策略位移现象,即在相同SLA下,低降水量区物种具有更高的Nmass(即更高的单位面积叶氮含量,Narea= Nmass/SLA),从而具有更高的水分利用效率。但是,目前仍不清楚这种策略位移现象是由于降水量减少所导致或是由于降水量减小所导致或是由于物种更替变化所导致。另外,更高的叶氮含量很可能带来更高的叶建成消耗,植物如何解决这一权衡关系仍不清楚。在生态系统水平上,国际上目前仍缺乏相关的梯度测定数据对这种策略位移现象进行机理解释。本论文以低海拔的毛乌素(1200-1400m)与高海拔的青藏高原北部沙地(3200-3300m)的油篙群落为研究对象(油篙是这两个研究区域的广布物种),通过系统分析测定上述叶形状指标沿降水的变异规律,旨在阐明:(1)沙生植物种内和种间叶功能性状沿降水梯度是否普遍存在策略位移现象?(2)单位面积叶氮含量随降水减少而增加是否会导致较高的新叶构建成本?主要结果如下: 1.在内蒙古毛乌素沙地,沿着一个温度差异不大的降水提督(270-390mm;降水量与蒸发量壁纸R/P,0.11-0.21),我们测定了油篙及相关物种的SLA、Nmass、Narea以及冠层叶面积指数(LAI)和土壤含氮含量等,同时进一步利用青海高海拔沙地(都兰,210mm,R/P 0.29)的油篙测定数据来验证毛乌素沙地数据结果的普适性。在毛乌素沙地,沙生植物种内合种间SLA- Nmass的线性正相关关系在降水量最低的地区(270mm,R/P 0.11)与其他三个降水量较高的地区(320-290mm,R/P>0.15)之间存在平行位移现象(即斜率相同但截距不同),并与青海高海拔沙地的油篙测定数据相吻合。我们进一步发现,随着降水量的减少,油篙种群LAI下降而Nmass升高,但冠层叶氮库(叶生物量与Nmass的乘积)和SLA则没有显著变化,导致LAI与Narea(Nmass/SLA)之间存在密切的负相关(r=-0.76,P<0.001)。在相同叶 值下,降水量较低地区(210-270mm,R/P0.11)的植物具有较低的LAI和较高的Narea。偏相关分析结果表明,降水是决定LAI和Nmass变化的主要银子。因此SLA-Nmass关系的策略位移现象与冠层LAI和叶氮库的相对变化密切相关,在某种干旱阀值下(R/P-0.11)叶性状变化可指示生态系统水平的功能变化。 2.低海拔与高海拔沙地的油篙叶建成消耗测定数据进一步表明,单位重量叶建成消耗(CCm)与叶 C值普遍存在密切正相关(即高的水分利用效率伴随着高的叶建成消耗)。但是,单位面积叶建成消耗(CCa)与单位面积叶氮含量(Narea)的线性正相关关系在低降水量区(320-405mm,R/P 0.15-0.29)之间也存在策略位移现象,即在相同CCa下,低降水量区植物比高降水量区植物具有更高的Narea。与湿润地区植物相比,旱区植物具有较高的单位面积叶氮含量并没有导致其单位叶面积的构建成本增加。 水分是干旱、半干旱地区植物生长和生存的主要限制因子。上述研究结果表明,随着降水量的减少,以油篙为主的沙生植物通过降低叶面积指数和提高单位面积叶氮含量的方式,使得降水量较低地区植物与降水量较高地区植物具有相似的水分利用效率。尽管高水分利用效率伴随着高叶建成消耗,但是,旱区植物较高的单位面积叶氮含量并没有导致其单位叶面积的构建成本增加。这一生理生态机制在很大程度上解释了油篙群落在固定、半固定沙地上的广泛分布特征及其生态系统的相对稳定性。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.itpcas.ac.cn/handle/131C11/1329
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魏海霞.半干旱区沙生植物沿降水梯度的生理生态变化机理研究[博士].北京.中国科学院研究生院.2009
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