子午岭林区典型植物生长的氮素调控机理

论文摘要

氮素是植物光合生产的决定性因素,尤其是在水土流失严重的黄土高原地区,氮素贫乏往往限制植物的生长发育。因此,研究黄土高原子午岭林区典型植物生长的氮素调控机制,有助于理解不同植物养分资源利用效率的差异。针对黄土高原地区植被建设与土壤氮素亏缺的矛盾,在黄土高原子午岭次生林区研究典型植物氮素养分组成特征,分析不同生活型和演替阶段植物叶片氮含量与光合速率的关系,探讨氮素及根域调控对植物生长和光合的调控机理,同时结合15N同位素示踪技术对植物养分吸收利用进行研究,以明确黄土高原地区植物生长的氮素营养调控策略,为该区的植被恢复和重建提供理论依据,取得了如下主要研究结论:（1）不同生活型植物（落叶乔木、常绿乔木、灌木和草本植物）之间叶片C、N、P含量和C:N、C:P差异均达到显著水平,而叶片N:P差异不显著。植物叶片C含量分布较为集中,而叶片N和P含量的变异较大。植物叶片C:N和C:P变异较大,叶片C:P最大值约为最小值的4倍。植物叶片C:N、C:P和N:P比值变化范围分别为21.9～69.1、177～781和7.55～16.9。（2）不同生活型植物（落叶乔木、常绿乔木、灌木和草本植物）之间单位重量叶氮含量（Nm）、单位面积叶氮含量（Na）、比叶面积（SLA）、光合速率（Pn）和光合氮素利用效率（PNUE）差异均达到显著水平。Nm与Pn、SLA和PSII电子传递量子效率（ФPSII）之间均存在着显著的正相关关系,SLA与Pn和PNUE之间也存在着显著的正相关关系,而与ФPSII的负相关性不显著。随着植被的正向演替,优势种叶片氮含量呈先升高后降低,灌木群落优势种>顶级群落优势种>早期森林群落优势种>草本群落优势种。草本群落和灌木群落优势种的Pn和气孔导度（Gs）高于早期森林群落优势种和顶级群落优势种;植物PNUE为草本群落优势种>顶级群落优势种>早期森林群落优势种>灌木群落优势种。（3）油松林细根生物量随着土壤深度增加呈单峰曲线,而白桦林细根生物量随着土壤深度增加呈减小趋势。油松和白桦林表层土壤（0～20cm）具有较高的比根长、根长密度和细根表面积,表层土壤白桦林细根表面积是油松人工林的3.91倍,而20～40cm土层白桦林细根表面积比油松人工林降低了33%。细根生物量、细根表面积、比根长和根长密度与土壤氮素和有机质具有不同程度的相关性,总体上土壤全氮和有机质对细根的影响大于NH4+-N和NO3--N。（4）高光强（I400）白三叶幼苗地上部生物量、根系生物量和根冠比较低光强（I200）高;地上部生物量随氮素浓度增加呈单峰曲线,而根系生物量和根冠比随氮素浓度增高而降低。白三叶Nm随氮素浓度增加呈显著增加趋势,低光强下白三叶Nm显著高于高光强下的白三叶。白三叶Pn、PNUE、PSII最大光能转换效率（Fv/Fm）、PSII光能捕获效率（Fv’/Fm’）和ФPSII随氮素浓度从5mmol·L-1增至15mmol·L-1逐渐增加,而在15mmol·L-1至25mmol·L-1时反而下降。高光强白三叶Pn、PNUE和ФPSII显著高于低光强下的白三叶,而高光照Fv/Fm和Fv’/Fm’低于低光照的。（5）连翘幼苗Pn随根域体积和氮素浓度的变化差异显著,氮素和根域限制对Pn的影响存在显著交互作用。低氮处理（LN）幼苗Fv/Fm和ФPSII较高氮处理（HN）的高,不同供氮条件下,低根域处理（LR）幼苗Fv/Fm均较高根域处理（HR）的高,而LR处理幼苗ФPSII均较HR处理的低。LR处理幼苗光化学淬灭系数（qP）均较HR处理的低,而非光化学淬灭系数（qNP）变化规律相反;LN处理幼苗qNP较HN处理的高。根域限制和氮素浓度影响了连翘幼苗对15N同位素的吸收和分配。叶片和枝吸收氮百分率分别为7%～10%和7%～12%,65%以上的通过根系吸收的15N分配于幼苗的地上部分。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 植物对氮素的吸收
• 3^- 的吸收机理'>1.1.1 NO₃^-的吸收机理
• 4⁺ 的吸收机理'>1.1.2 NH₄⁺的吸收机理
• 1.1.3 植物氮吸收的影响因子
• 1.2 植物体氮素的分布与分配
• 1.3 氮素营养与植物生长的关系
• 1.3.1 叶面积与氮素营养的关系
• 1.3.2 氮素营养对植物生物量及其分配的影响
• 1.3.3 植物的碳氮代谢及其分配
• 1.4 氮素营养与植物光合生理之间的关系
• 1.4.1 植物叶片氮含量与光合作用的关系
• 1.4.2 光合氮素利用效率
• 1.4.3 水分与光合氮素利用效率
• 1.5 目前研究中存在的主要问题
• 1.6 研究目的与内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究内容
• 1.7 研究方法与技术路线
• 第二章 不同生活型植物叶片养分组成特征
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 研究区自然概况
• 2.1.2 植物样品的采集
• 2.1.3 植物养分的测定
• 2.2 数据分析
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 植物叶片的养分分布
• 2.3.2 不同生活型植物叶片养分的差异
• 2.3.3 植物叶片碳、氮、磷之间的关系
• 2.4 讨论
• 2.5 小结
• 第三章 不同生活型植物光合特性与叶片氮含量的关系
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 研究区自然概况和植物样品的采集
• 3.1.2 测定方法
• 3.1.3 数据分析
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 叶片氮含量和比叶面积
• 3.2.2 光合速率、叶绿素含量和光合氮素利用效率
• 3.2.3 光系统II（PSII）光能转换效率
• 3.2.4 光合速率、PSII 电子传递量子效率与叶片氮含量和比叶面积间的关系
• 3.2.5 比叶面积与叶片氮含量和光合氮素利用效率之间的关系
• 3.3 讨论
• 3.4 小结
• 第四章 植被不同演替阶段优势植物的光合生理特性
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 研究区自然概况
• 4.1.2 试验材料
• 4.1.3 测定方法
• 4.1.4 数据分析
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 叶片氮含量、光合速率和光合氮素利用效率
• 4.2.2 气体交换特征和水分利用效率
• 4.2.3 叶绿素荧光参数
• 4.2.4 光合速率与气孔导度、叶片氮含量间的关系
• 4.3 讨论
• 4.4 小结
• 第五章 不同生活型植物根系分布特征及其与土壤养分的关系
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 研究区自然概况
• 5.1.2 试验材料
• 5.1.3 测定方法
• 5.1.4 数据分析
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 土壤氮素和有机质分布特征
• 5.2.2 植物细根生物量、比根长和根长密度垂直分布特征
• 5.2.3 植物根系垂直分布特征与土壤养分之间的关系
• 5.3 讨论
• 5.4 小结
• 第六章 氮素和光照互作对植物光合生理特性的调控
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 试验材料培养与处理
• 6.1.2 测定方法
• 6.1.3 数据处理
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 生物量及其分配
• 6.2.2 叶片气体交换参数
• 6.2.3 叶片氮含量、比叶面积和光合氮素利用效率
• 6.2.4 叶绿素含量和叶绿素荧光参数
• 6.3 讨论
• 6.4 小结
• 第七章 根域限制植物生长特性和生物量积累
• 7.1 材料与方法
• 7.1.1 试验地概况及试验方法
• 7.1.2 测定方法
• 7.2 数据处理
• 7.3 结果与分析
• 7.3.1 植物的生长特性
• 7.3.2 植物的生物量及其分配
• 7.3.3 植物的株高和胸径
• 7.3.4 植物异速生长关系的变化
• 7.4 讨论
• 7.5 小结
• 第八章 氮素和根域限制植物氮素吸收、分配与生理特性
• 8.1 材料与方法
• 8.1.1 试验材料培养与处理
• 8.1.2 测定方法
• 8.1.3 数据处理
• 8.2 结果与分析
• 8.2.1 植物生物量的积累
• 8.2.2 光合气体交换特征
• 8.2.3 叶绿素含量和叶绿素荧光参数
• 8.2.4 植物体内氮素吸收和分配
• 8.2.4.1 植物不同器官氮素吸收和分配
• 8.2.4.2 植物15N 的吸收和分配
• 8.3 讨论
• 8.4 小结
• 第九章 主要结论与展望
• 9.1 主要结论
• 9.2 研究不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介