中国云杉属植物地理分布的水力限制与增温中文响应研究

发布时间：2017-05-15 16:08

  本文关键词：中国云杉属植物地理分布的水力限制与增温中文响应研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：云杉属植物是我国北方温带地区和西部高山地区主要的森林建群树种,其分布沿经纬度呈明显的地理替代现象,且大量研究证实我国云杉属各类群间亲缘关系较近,存在很强的基因流和基因渐渗。这些亲缘关系较近的云杉属类群为我们研究限制植物分布的生理机制及其环境适应性提供了理想的材料。此外,虽然云杉林作为寒温带和高山带的主要植被类型对全球气候变暖极其敏感,但不同地理分布的云杉类群碳代谢过程对增温响应的差异及机制并不清楚。基于此,本论文通过野外同质园(common garden)和室内控制实验对我国广布的主要云杉属植物进行了以下两方面的研究：首先通过分析我国云杉属不同植物类群地理分布的气候因子特点及其水分生理生态特性,以期从植物水力限制的角度揭示我国云杉属植物类群地理替代分布现象的成因；其次,通过人工增温处理旨在探讨增温对不同海拔分布的云杉属植物生长的影响及其碳代谢(光合作用和呼吸作用)响应机制。研究结果如下：(1)通过分析我国云杉属具有明显地理替代分布现象的10个类群分布样点的气候因子信息和同质园中枝(叶)水力特征、细胞耐脱水特性、叶片光合能力等13项水分相关的生理生态指标,发现：1)5个关键气候因子在不同云杉类群的地理分布范围间存在显著差异。其中,最暖季降水量(PWQ)和最冷月最低温(MTCM)在类群间的变异系数显著高于类群内的变异系数,且各类群内的变异系数较小。同时,PWQ和MTCM在主成分分析中的第一主成分中具有最高的载荷,表明PWQ和MTCM是导致云杉属各类群植物呈地理替代分布的主要驱动因子。此外,除月平均昼夜温差(MDTR)外,其余4个气候因子与其分布点的经纬度均成极显著的相关关系。2)云杉属各类群的枝(叶)木质部抗气穴化能力和细胞抗膨压丧失能力主要受其原生境PWQ的影响,而细胞机械支撑能力(细胞壁弹性模数,￡)和细胞储水能力(单位干重饱和水含量,SWC)主要受其原生境MTCM的影响。即：低MTCM和PWQ地区分布的云杉属类群具有高的木质部抗气穴化能力(低的Ps0 branch和P50 leaf)、细胞抗膨压丧失能力(低的πtlp)和机械支撑能力以及低的细胞储水能力；而分布于高MTCM和PWQ地区的云杉属类群则相反。同时,具有高木质部抗气穴化能力和细胞抗膨压丧失能力的云杉属类群具有高的木材密度(WD)、单位面积叶干重(LMA),以及低的水分传导能力(Kmax leaf和Kmax branch)和光合能力(Pn)。综上,云杉属植物木质部和细胞水平的水力特征限制云杉属各类群的地理分布,使我国云杉属植物呈现出现今的地理分布格局。(2)通过分析生长季增温处理下高低海拔分布的云杉属4个类群的4年生幼树生长和碳代谢响应过程,发现：1)增温使云杉属4个类群幼树的生长量(△D2H)显著降低,这是由于高海拔类群光合速率显著下降和低海拔类群呼吸速率显著升高所导致的结果。2)增温下高海拔类群△D2H降幅显著高于低海拔类群,低海拔类群的LMA和光合氮利用效率(PNUE)变化较小,而单位面积叶片氮含量(Narea)明显升高,同时呼吸驯化能力显著降低,表明低海拔类群通过增加Narea来保持相对稳定的PNUE和增加呼吸速率来维持其较高的光合热稳定性。因此,长期的增温处理会抑制云杉幼苗的生长,且对高海拔类群的影响更为显著。总之,本文全面分析了我国云杉属各类群气候因子和水分生理相关性状沿地理梯度的分异特征,发现云杉属各类群的地理分布格局主要是由PWQ和MTCM驱动的,且云杉属植物木质部和细胞水平的水力特征限制云杉属各类群的地理分布。此外,云杉属高海拔类群对增温响应更为敏感。上述结论对深化认识云杉属植物地理分布的生理限制机理和精确预测未来气候变暖对不同海拔云杉属植物的影响具有重要的科学意义。
【关键词】：云杉属 地理分布 同质园 气候因子 水力限制 碳代谢 增温
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q948.2
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-8
• 缩写 Abbreviation8-12
• 第一章 前言12-22
• 1.1 云杉属的重要性12-13
• 1.2 环境与植物物种分布13
• 1.3 植物功能性状与植物物种分布13-19
• 1.3.1 植物体水分生理与物种分布14-17
• 1.3.1.1 水力结构性状与物种分布14-16
• 1.3.1.2 细胞饱和膨压丧失点水势与物种分布16-17
• 1.3.2 光合和呼吸作用与物种分布17-19
• 1.4 科学问题与研究内容19-21
• 1.5 研究路线21-22
• 第二章 我国云杉属植物类群地理分布与气候因子间关系的研究22-33
• 2.1 前言22
• 2.2 材料和方法22-25
• 2.2.1 云杉属各类群分布区样点的收集22-23
• 2.2.2 气候数据提取23
• 2.2.3 数据分析23-25
• 2.3 结果25-31
• 2.3.1 我国云杉属类群地理分布区的气候特点25
• 2.3.2 影响我国云杉属类群分布的主要气候因子25-30
• 2.3.3 云杉属各类群地理分布与气候因子间的相关性30-31
• 2.4 讨论31-33
• 第三章 我国云杉属类群水力结构、水分关系和光合能力的研究33-61
• 3.1 前言33-34
• 3.2 材料与方法34-40
• 3.2.1 实验地点和种植方案34-35
• 3.2.2 材料选择35
• 3.2.3 一年生枝条最大导水率的测定方法35-36
• 3.2.4 一年生枝条木质部脆弱性曲线的测定方法36-37
• 3.2.5 当年生枝(叶)压力-体积(P-V)曲线的测定方法37-38
• 3.2.6 当年生枝(叶)脆弱性曲线的测定38-39
• 3.2.7 最大净光合能力的测定39-40
• 3.2.8 边材密度和单位面积叶干重的测定40
• 3.2.9 数据统计与分析40
• 3.3 结果40-56
• 3.3.1 云杉属各类群当年生枝(叶)压力-体积曲线相关性状40
• 3.3.2 云杉属植物当年生枝(叶)水力结构性状40-44
• 3.3.3 云杉属植物一年生枝木质部水力结构性状44-45
• 3.3.4 云杉属植物当年生叶片最大净光合速率45-46
• 3.3.5 云杉属各类群当年生叶和一年生枝形态性状46-50
• 3.3.6 功能性状与原生境环境间的关系50
• 3.3.7 当生年枝(叶)和一年生枝功能性状间的相关关系50-56
• 3.4 讨论56-59
• 3.4.1 云杉属各类群细胞抗脱水能力与地理分布56-57
• 3.4.2 云杉属植物木质部抗气穴化能力与地理分布57-59
• 3.4.3 木质部抗气穴化能力与细胞抗脱水胁迫能力间的协同性59
• 3.5 结论59-61
• 第四章 云杉属不同海拔类群对增温处理的响应差异研究61-77
• 4.1 前言61-62
• 4.2 材料与方法62-67
• 4.2.1 材料来源62-63
• 4.2.2 实验设计63
• 4.2.3 生长情况的测定63
• 4.2.4 叶片气体交换参数的测定63-64
• 4.2.5 叶片性状指标的测定64
• 4.2.6 数据处理与统计分析64-67
• 4.2.6.1 光合-温度曲线的拟合方法64-65
• 4.2.6.2 呼吸-温度曲线的拟合方法65
• 4.2.6.3 光合和呼吸温度驯化程度的评估方法65
• 4.2.6.4 数据统计与分析65-67
• 4.3 实验结果67-71
• 4.3.1 生长温度对云杉属幼树气体交换参数和生长情况的影响67-68
• 4.3.2 增温处理对光合-和呼吸-温度响应曲线的调节68-70
• 4.3.3 增温处理对云杉属植物叶构建的影响70-71
• 4.4 讨论71-75
• 4.4.1 增温处理对云杉属植物光合驯化能力的影响72-73
• 4.4.2 增温处理对云杉属植物呼吸驯化能力的影响73-74
• 4.4.3 云杉属植物光合和呼吸的温度驯化与分布海拔74-75
• 4.4.4 增温处理抑制云杉属植物的生长75
• 4.5 结论75-76
• 4.6 附表76-77
• 第五章 结论77-79
• 5.1 主要结论77
• 5.2 研究展望77-79
• 参考文献79-92
• 在学期间的研究成果92-94
• 致谢94-95

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 王建;;中国寒温性暗针叶林分布界限温度的统计分析[J];地理科学;1990年02期

2 刘增力,朴世龙,方精云;中国冷杉、云杉和落叶松属植物的地理分布[J];地理学报;2002年05期

3 曹玉芳，，许方，姚敦义;松杉类植物雌雄配子体的发育与胚胎发生[J];莱阳农学院学报;1995年03期

4 刘国华,傅伯杰;全球气候变化对森林生态系统的影响[J];自然资源学报;2001年01期

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本文编号：368219