植物學

四種不同生活型植物幼苗對喀斯特生境干旱的生理生態(tài)適應性

劉長成，劉玉國，郭柯

摘要：目的：石漠化是我國西南喀斯特地區(qū)最嚴重的生態(tài)與環(huán)境問題，生境干旱是限制該地區(qū)植物生長的主要因素，闡明不同植被恢復階段優(yōu)勢植物對干旱脅迫的適應策略和耐旱性強弱，不僅能夠為物種優(yōu)化配置提供基礎資料，從而提高植被恢復的成功率，而且有利于提高對喀斯特植被物種組成、種間競爭、演替機制的認識。該文選擇4種喀斯特不同生活型植物幼苗（包括2個先鋒種和2個頂級種）為研究對象，人工模擬不同的干旱強度，對比研究了它們對干旱脅迫的形態(tài)與生理適應性反應，以期為植被恢復提供依據(jù)。方法：研究物種包括，火棘（Pyracantha fortuneana）、小果薔薇（Rosa cymosa）、猴樟（Cinnamomum bodinieri）和圓果化香（Platycarya longipes），其生活型分別為常綠灌木、落葉灌木、常綠喬木和落葉喬木?；鸺托」N薇為喀斯特植物群落演替過程中的先鋒種，也是喀斯特藤刺灌叢的優(yōu)勢植物；圓果化香和猴樟為頂級種，也是石灰?guī)r喀斯特山地常綠落葉闊葉混交林的優(yōu)勢種和常見種。人工模擬4種干旱強度：正常澆水、輕度干旱、中度干旱和嚴重干旱，其土壤水勢分別為-0.1 MPa、-0.5 MPa、-1.0 MPa和-1.5 MPa。測定了不同干旱強度下植物的葉片水勢、氣體交換和葉綠素熒光參數(shù)、光合色素含量、滲透調節(jié)物質濃度、抗氧化酶活性和生物量及其分配。結果：隨著干旱程度的加深，4種植物幼苗的葉片水勢、光合能力、葉綠素含量、生物量增長、葉重比（LMR）、葉面積比（LAR）和比葉面積（SLA）逐漸下降，而熱耗散（NPQ）、類胡蘿卜素與葉綠素含量比值、丙二醛含量和根重比（RMR）逐漸上升；圓果化香和猴樟的水分利用效率（An/gs）、滲透調節(jié)物質濃度和抗氧化酶活性呈先升高后降低的趨勢，而火棘和小果薔薇的An/gs、脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性呈上升趨勢。嚴重干旱下，火棘和小果薔薇幼苗的葉片水勢和葉綠素含量下降較少，具有較高的光合能力和生物量增長，這主要是由于它們具有較低的SLA和LAR、較高的NPQ和An/gs以及較高的滲透調節(jié)能力和抗氧化保護能力。中度干旱下，猴樟幼苗葉片水勢下降很少，LMR和LAR也較高，脯氨酸含量和抗氧化酶活性非常高。但在嚴重干旱下，其葉片水勢、LMR、LAR和生物量增長大幅度下降，最大光化學效率和光合速率也非常低，滲透調節(jié)能力與抗氧化酶活性大幅度下降至正常水平以下。水分好的條件下，圓果化香幼苗具有較高的RMR以吸收充足的水分，具有較高的LAR和葉綠素含量，保證了生物量的大量積累。然而，干旱脅迫致使其生物量大幅度下降，主要是由于LMR、LAR、氣體交換和葉綠素含量的大量下降以減少蒸騰面積、水分散失和對光能的吸收。結論：適應策略上，火棘、小果薔薇和猴樟主要采用耐旱策略，而圓果化香主要采用避旱策略；在抗旱性上，先鋒種火棘和小果薔薇的抗旱性明顯強于頂級種圓果化香和猴樟。

來源出版物：植物生態(tài)學報, 2011, 35(10): 1070-1082

入選年份：2016

半干旱區(qū)旱地不同覆蓋種植方式玉米田的土壤水分和產量效應

王紅麗，張緒成，宋尚有

摘要：目的：土壤水分是植物賴以生存的基礎，地面水與地下水相互轉化以及降水補給地下水的過程受到耕作方式、農田形式、降雨分布等因素的影響。全膜雙壟溝播農田形式和土壤環(huán)境均發(fā)生改變，土壤水分循環(huán)隨之變化。目前對草地林地土壤水分動態(tài)及玉米田模擬降水條件和不同肥力條件下的水分動態(tài)有較多報道，但對旱地全膜雙壟溝播玉米田的土壤水分動態(tài)，尤其在年降水量400 mm左右的半干旱區(qū)未見系統(tǒng)研究。該研究旨在探討旱地全膜雙壟溝播土壤水分動態(tài)及其對玉米產量的影響，進而明確該模式的土壤水分生態(tài)效應和可持續(xù)生產性。方法：采用大田試驗結合室內測定方法，研究全膜雙壟溝播玉米田土壤水分和產量效應。于2009年和2010年進行試驗，設置全膜雙壟溝播（PMF）、全沙覆蓋平作（SM）、裸地平作（CK）3個處理，完全隨機設計，每處理3次重復，小區(qū)面積6 m×5 m，全部采用寬窄行種植（寬70 cm，窄40 cm），密度60000株·hm-2。測定指標為土壤含水量、土壤貯水量、水分利用效率和玉米產量。結果：PMF明顯改善玉米拔節(jié)前0～200 cm土壤水分條件，利于玉米前期生長。隨玉米生育進程的推進，3種處理的耗水量依次為：PMF＞SM＞CK，而土壤貯水量表現(xiàn)為CK＞SM＞PMF；在相同降雨條件下，PMF處理0～200 cm土壤水分降雨入滲補給深度最大，SM次之，CK最小。隨種植年限增加，PMF的耗水量和耗水深度增加，2年種植期間耗水深度從20～120 cm向120～200 cm推移；連續(xù)種植兩年后，3種處理40～120 cm土壤含水量下降至9%以下，其中PMF下降最快（7.89%），土壤含水量接近萎蔫系數(shù)7.2%，玉米只能靠當年降水生長，如種植年限繼續(xù)增加，土壤極有可能形成干層。3種處理之間耗水量、產量、水分利用效率都存在顯著差異，PMF最高，SM次之，CK最低。結論：PMF能明顯改善玉米拔節(jié)前0～200 cm土壤水分條件，并促進玉米對土壤深層水分的利用，顯著提高產量、水分利用效率和耗水量。但連續(xù)種植兩年后，其消耗土壤水分的深度和強度加大，80～120 cm土層土壤含水量降至7.89%，接近萎蔫系數(shù)7.2%，即將形成干層。因此，PMF玉米雖能增產，但增加了深層土壤干燥化的風險。

來源出版物：植物生態(tài)學報, 2011, 35(8): 825-833

入選年份：2016

干旱區(qū)葉片形態(tài)特征與植物響應和適應的關系

李永華，盧琦，吳波，等

摘要：葉片形態(tài)可塑性能夠調節(jié)植物環(huán)境適應性，增強自身生存能力。針對葉片形態(tài)指標體系缺失，總結建立了葉片形態(tài)指標分類體系：第一類為葉片解剖結構指標；第二類為葉片表觀形態(tài)指標，該類指標被進一步細化為3組，包括非量化形態(tài)指標、可量化形態(tài)指標、平面幾何形態(tài)及對應衍生指標；第三類為與葉片形態(tài)密切相關的葉性狀指標。以平面幾何形態(tài)及對應衍生指標為基礎，回顧了葉片形態(tài)對水分、CO2交換，葉片表面能量交換影響的物理學原理。依據(jù)葉片表面物質能量交換的物理學原理，分析了干旱區(qū)植物葉片形態(tài)在干旱、高溫環(huán)境下的變化特征，以及葉片形態(tài)變化在提高植物適應高溫、干旱能力上的優(yōu)勢。重點強調了干旱區(qū)植物葉片形態(tài)變化，不僅可以通過減少輻射吸收率增加光反射能力，降低葉溫，同時可以在低蒸騰耗水前提下，通過縮減葉片邊界層阻力增加葉片表面熱交換速率，緩解高溫脅迫。葉片形態(tài)對水分波動響應敏感，在干旱年份或季節(jié)，葉片寬度優(yōu)先減小，這一變化特征有利于植物在干旱、高溫威脅的情況下快速降低葉面積及葉片邊界層阻力，從而降低蒸騰耗水，提高葉表降溫能力；而在濕潤年份或季節(jié)，葉片長度優(yōu)先增加，這一變化特征一方面有利于植物在干旱威脅緩解的情況下阻止由于葉面積快速增加帶來的植物體水分大量損失，另一方面能夠在適當增加葉片光合面積的同時使葉片邊界層阻力維持在較低的水平，抵御潛在的高溫傷害。另外，針對葉片形態(tài)研究中存在的幾個關鍵問題進行了分析：（1）依據(jù)葉片邊界層平均厚度的定義，提出了以面積/周長比作為葉片的特征維度估算葉片邊界層平均厚度的設想；（2）從理論上提出了葉片邊界層阻力與氣孔阻力存在負相關關系；（3）強調將葉片形態(tài)參數(shù)引入植物生理生態(tài)學模型，建立“環(huán)境—葉片形態(tài)—葉片生理生態(tài)學過程”機理模型，以便更好地理解植物未來生存能力與演化趨勢。

來源出版物：植物生態(tài)學報, 2012, 36(1): 88-98

入選年份：2016

光對種子萌發(fā)的影響機理研究進展

張敏，朱教君，閆巧玲

摘要：種子萌發(fā)是植物成功實現(xiàn)天然更新的關鍵環(huán)節(jié)，需要適宜的溫度、水分或光照條件。與溫度和水分相比，光照對種子萌發(fā)的影響研究較少，這主要是由光照屬性及其作用于種子萌發(fā)過程的不可控和復雜性所決定的。首先，光可表達為光流量、光譜成分、光周期和光照時間等多個屬性；其次，光不僅直接作用于種子萌發(fā)過程，也可以通過影響溫度、水分等因子間接影響種子萌發(fā)過程；再次，種子萌發(fā)的需光性還受到溫度以及水分條件等影響。因此，雖然前期研究初步形成了光影響種子萌發(fā)的理論框架，但由于光因子和種子萌發(fā)過程的復雜性，光調節(jié)種子萌發(fā)的機理研究仍不充分，亟待深入研究。根據(jù)種子萌發(fā)過程對光的不同響應，可將種子分為需光性、忌光性和光中性3類。種子感光性主要受光敏色素的調控；光敏色素是一組分子量為120～130 kD的水溶性色素蛋白同型二聚體，存在遠紅光吸收態(tài)（Pfr）和紅光吸收態(tài)（Pr），二者可相互轉換。依據(jù)光敏色素編碼基因的穩(wěn)定程度，光敏色素可劃分為兩大類型，第一類型（type I）不穩(wěn)定，僅包括PhyA一個亞型，而第二類型較穩(wěn)定（type II），包括PhyB、PhyC、PhyD和PhyE等4個亞型。光敏色素調控種子萌發(fā)的反應可歸納為3種：極低光流量反應（very low fluence response，VLFR）、低光流量反應（1ow fluence response，LFR）和高光流量反應（high fluence response，HIR）。其中，VLFR和LFR可促進種子萌發(fā)；光敏色素抑制種子萌發(fā)有3種反應模式：第1種模式是發(fā)生低光流量反應（LFR）的暗逆轉；第2種模式是受遠紅光長時間照射后發(fā)生高光流量反應（HIR）；第3種模式認為LFR的產物Pfr也可能抑制某些植物種子的萌發(fā)。種子萌發(fā)過程還受到激素的調節(jié)，光敏色素和激素對光形態(tài)建成的影響有兩大觀點：其一，光敏色素的合成誘導激素對種子萌發(fā)的調控作用；其二，光敏色素合成與激素水平變化過程相互獨立，在不同的形態(tài)建成過程中，二者表現(xiàn)出不同的交互效應。同時，光對植物種子萌發(fā)的影響也是受到調控的信號傳遞和基因表達過程。光信號轉導大體上有兩條途徑，分別是細胞質途徑和細胞核途徑。光敏種子（需光性/忌光性種子）的生態(tài)學意義在于其能夠利用感光性識別早期生境條件的適宜性，從而誘導休眠或萌發(fā)。由于PhyB能夠感知R/FR的變化，一些植物能夠鑒別真正的林窗和光斑。對于一次性閃光萌發(fā)的植物，光斑或者耕作以及動物活動帶來的土壤干擾就能誘導種子的成功萌發(fā)。而對于光通量依賴型的需光樹種，需要進行一定的撫育間伐，增加小林窗的數(shù)量，來促進其順利更新。一些光中性種子在其形成過程中就已具備了Pfr（Pfr可促進萌發(fā)），因此無論光照與否它們都能順利萌發(fā)。該文系統(tǒng)總結了影響種子萌發(fā)的光照屬性、光與水/熱耦合作用和種子的光屬性（光敏色素）與種子萌發(fā)的關系，重點綜述了種子內光敏色素調控種子萌發(fā)的生理反應模式和光敏色素的光信號轉導途徑，明確了光調控種子萌發(fā)的生態(tài)意義。試圖為全面評估光對種子萌發(fā)的影響和將來開展更深入的研究提供參考。

來源出版物：植物生態(tài)學報, 2012, 36(8): 899-908

入選年份：2016

陸地生態(tài)系統(tǒng)植被氮磷化學計量研究進展

劉超，王洋，王楠，等

摘要：因化學功能的耦合和元素的不可替代性，植物對氮（N）和磷（P）的需求和利用存在嚴格的比例。N和P作為陸地植物體的基本組成元素，對生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能有著重要作用。該文首先通過內穩(wěn)態(tài)假說和相對生長率假說詳細闡述了植物體內N、P的關系：內穩(wěn)態(tài)假說認為植物可能通過內穩(wěn)態(tài)機制維持自身的相對穩(wěn)定，進而維持N、P的動態(tài)平衡；相對生長率假說則認為N、P比例的變化與植物生長率緊密相關。生態(tài)化學計量把生態(tài)學中不同層次的研究理論有機地統(tǒng)一起來，為研究生態(tài)系統(tǒng)能量和化學元素（主要是 N、P）平衡提供了一種新的手段。該文接下來綜述了影響植物N、P化學計量的生物因素：（1）不同生長季及處于不同生長階段植物的 N、P濃度存在明顯區(qū)別。（2）不同植物的同一器官N、P濃度變化明顯，同一植物的不同器官由于養(yǎng)分儲存及其功能上的差異性導致N、P化學計量也存在明顯差異。（3）植物不同物種間N、P含量和N、P化學計量特征明顯不同，植物功能群親緣關系越遠，其N、P含量差異越大，親緣關系越近則N、P含量差異越小。作為限制陸地生態(tài)系統(tǒng)植物生長發(fā)育的主要因素，N、P化學計量也受多種非生物因素的影響：（1）溫度，隨著溫度升高，植物葉片N濃度基本不變，而P濃度逐漸減少；溫度降低則促進N、P濃度增加。（2）水分，在水分可利用量較少時，植物葉片N、P含量與降水量相關。（3）光，當養(yǎng)分充足時，減弱光照會導致植物地上部分N∶P減少；增強光照則會導致植物N∶P增加。（4）土壤養(yǎng)分，不同陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤N∶P存在明顯差異進而改變植物的N、P化學計量。（5）CO2濃度，CO2濃度變化通過改變光合作用產物分配進而影響植物的 N、P化學計量。（6）綜合因素，植物的 N、P化學計量受多種因素的協(xié)同影響。除了上述生物因素和非生物因素對N、P化學計量具有顯著作用外，人類活動對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響逐漸增強。人為控制施肥、刈割和輪牧、間伐和火燒等行為可迅速改變生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能、養(yǎng)分限制力和種群優(yōu)勢，進而影響陸地植物的N、P化學計量。植物的N、P化學計量對研究陸地生態(tài)系統(tǒng)應對全球變化具有重要意義。最后從4個方面對未來 N、P化學計量的研究進行了展望，以期探明生態(tài)系統(tǒng)尺度上化學計量特征及其他元素間的相互聯(lián)系，進一步豐富對N、P化學計量的認識。

來源出版物：植物生態(tài)學報, 2012, 36(11): 1205-1216

入選年份：2016