海螺沟冰川退缩区根瘤和非根瘤先锋植物生物固氮作用及生态效应研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张军
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| 答辩日期 | 2020 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 孙守琴 |
| 关键词 | 生物固氮 原生演替 冰川退缩区 养分限制 固氮微生物 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 其他题名 | Bological nitrogen fixation and ecological effects of nodule and non-nodule pioneer plants in Hailuogou Glacier retreating area |
| 英文摘要 | 先锋植物被誉为“极地先行者”，也是冰川退缩区植被原生演替初期主体类群，在生态保护和植被恢复中具有重要应用价值。位于青藏高原东缘的海螺沟冰川经过近130年的退缩演化，形成了从先锋植物到顶级群落的完整植被演替序列，为植被原生演替及先锋植物的功能研究提供了理想场所。本研究以海螺沟冰川退缩区植被原生演替过程中的先锋植物作为研究对象，从根瘤和非根瘤先锋植物的生物固氮作用入手，结合气象监测和测序技术，分析不同类型先锋植物生物固氮能力的变化特征及其影响因素，以阐释不同类型先锋植物在冰川退缩区贫营养环境中的快速定居机制；通过对不同类型先锋植物群落养分组成及化学计量分析，以及不同物种作用下土壤性质的变化，分析先锋植物对冰川退缩区植被演替和土壤发育的影响及不同类型先锋植物的作用差异。本研究的开展有利于促进对先锋植物生态功能及植被原生演替过程和规律的认识，并为退化和受损生态系统的植被恢复技术的研发提供支持和借鉴。主要研究结果如下：（1）海螺沟冰川退缩区植被原生演替初期的根瘤（黄芪和沙棘）和非根瘤先锋植物（川滇柳、银背柳和冬瓜杨）的叶片、枝条、根系组织均具有固氮活性。根瘤植物的主要固氮器官是根瘤，其中豆科根瘤先锋植物黄芪根瘤固氮速率达到0.15-6.21 mg N g-1 d-1，放线菌根瘤植物沙棘根瘤固氮速率为0.13-5.36 mg N g-1 d-1。非根瘤先锋植物（川滇柳、银背柳和冬瓜杨）的固氮速率介于0.01-0.38 mg N g-1 d-1之间，与根瘤先锋植物根瘤相比相对较低。（2）随着演替的进行，植物群落在生长季节内的总固氮速率先增加后减小，在29-39yr演替达到峰值2.8-3.5 kg N ya-1 ha-1；根瘤固氮速率仅在4yr-9yr演替阶段较高，占到生态系统固氮速率的94.8%；在29-61y演替阶段，根瘤固氮速率显著降低，非根瘤固氮速率大幅度提高。由于植物固氮大量的氮输入，使得在冰川退缩后的第29年，生态系统氮循环得到了很大程度的恢复。（3）对根瘤和非根瘤先锋植物组织内部固氮微生物的分析表明，根瘤和非根瘤先锋植物组织中均寄生有大量固氮微生物，但不同类型先锋物种及不同组织固氮微生物群落结构具有明显差异。根瘤植物黄芪和沙棘根瘤组织固氮微生物分别以根瘤菌属和弗兰克氏菌属为主，非根瘤植物组织固氮微生物以芽孢杆菌属、慢生根瘤菌、固氮螺菌属和弗兰克氏菌属固氮微生物为主。说明不同类型先锋植物其微生物固氮机制存在明显差别。温度和降雨量对4-9y演替阶段的植物固氮速率有一定的影响 (P<0.01)，但对55-61yr演替阶段的植物固氮速率影响较小；植物固氮速率与土壤养分含量无关，但明显受到植物组织中养分含量的影响 (P<0.01)；因此，温度、降雨量、植物组织的养分含量以及固氮内生菌的群落结构和组成，对植物的固氮有重要的影响。（4）不同类型先锋植物在养分含量及养分利用方面均具有明显差异；由于根瘤植物的相对较高的固氮速率，其叶片的氮磷浓度显著高于非根瘤植物(P<0.01)，且具有较低的氮养分重吸收利用率和较高的磷养分重吸收利用率；然而，非根瘤植物在氮养分利用方面采用相对保守的策略，氮利用率高，通过这种方式保持植物体在贫营养环境中的快速生长。随着演替的进行，土壤氮养分的累积，非根瘤植物对氮养分重吸收利用率降低。植物N:P比值的变化表明，在演替初期（0-39年），无论是在物种尺度还是在生态系统尺度，植物的N:P介于14-16之间，不存在明显的N或P限制；但在演替61年，植被特别是根瘤植物的N:P迅速增加，可能存在一定程度的P限制。证实根瘤和非根瘤先锋植物可以克服演替早期的N限制，发现植物固氮在调节植被C、N、P养分含量及化学计量特征方面具有重要作用。（5）先锋植物均能促进土壤发育和养分的累积，但对土壤养分累积的促进效应与物种类型有关。根瘤豆科植物黄芪和非根瘤植物川滇柳的根际土的酶活性和有机酸含量较高，对土壤发育的促进作用较显著；根瘤放线菌植物沙棘根系对土壤养分累积的影响与非根瘤植物银背柳、冬瓜杨无异。另外，相关分析表明，土壤中酶活性和土壤微生物数量、养分含量含量存在显著相关关系，土壤酶活性的高低是土壤生物学活性和养分含量的反映。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 119 |
| 源URL | [http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/55013]  |
| 专题 | 成都山地灾害与环境研究所_山地表生过程与生态调控重点实验室 |
| 作者单位 | 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张军. 海螺沟冰川退缩区根瘤和非根瘤先锋植物生物固氮作用及生态效应研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020. |
入库方式： OAI收割
来源：成都山地灾害与环境研究所
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