河竹对淹水环境的生理生态响应特征

发布时间：2019-11-18 14:32

【摘要】：河竹(Phyllostachys rivalis H.R.Zhao)主要分布于福建、浙江等地,在长期淹水环境中能自然更新生长。其地下鞭根系统的不断延伸和笋芽的时序萌发,形成大面积竹林,是水湿地和旱涝交替的自然环境中植物恢复和水体净化的理想材料。但目前对该竹种淹水环境的生理生态学机制研究较为薄弱。开展淹水生境条件下,河竹生理生态适应机制研究,探讨其作为污染水体植物修复材料的可能性,具有重要的科学价值和实践意义。本论文在摸清河竹生物学特性的基础上,分析河竹在淹水环境下的生理生态响应特征,及对重金属镉(Cd)和铅(Pb)的耐受与积累能力等,以揭示河竹忍耐水淹的生理生态响应机制,评估其在重金属污染渍水土地植物修复中的潜力。主要研究结果如下:1.河竹生物学特性河竹高0.8~4 m,地径0.4~2cm,2分枝,分枝开展,出笋期集中在5月上旬至5月下旬。属复轴型混生竹种,鞭根极为发达,鞭段较短,出笋能力强,种群扩张速度快。竹鞭韧皮部密生一圈肉眼可见的气孔。淹水深度5、10、50和100 cm时,持续淹水360d时,成活率分别为83.33%、78.89%、60.00%和0。2.淹水环境下河竹叶片光合生理响应特征虽然淹水对河竹叶片光能的捕获、传递与利用能力均有一定程度的影响,但河竹能维持较高的表观光合电子传递速率(ETR)、光化学猝灭系数(qP)和光化学反应能量(P),加强非光化学猝灭系数(qN)来调整自身能量代谢,以热耗散方式散失过多的光能,有效地避免或减弱光抑制和光氧化,河竹吸收光强主要用于天线色素耗散(D),淹水后期PSⅡ反应中心的非光化学反应耗散(E)的恢复起着重要作用,体现淹水生境下河竹过剩光能的耗散特征和自我保护机制。淹水5cm条件下河竹叶片的光能转化效率、对光辐射的利用范围和对光变化的适应能力均高于淹水10cm处理。3.淹水环境下河竹叶片和根系生理生化响应特征淹水对河竹叶片和根系抗氧化酶系统、渗透调节物质和内源激素含量等均有影响。淹水5cm时,超氧化物歧化酶(SOD)活性变化不显著,而淹水10cm时SOD活性显著下降。河竹叶片和根系过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性在处理前期(30和90d)上升,但随着胁迫时间的进一步延长逐渐降低。淹水5 cm处理下根系和叶片可溶性蛋白和淀粉等含量升高,而淹水10 cm处理下相反。随着淹水时间的延长,叶片生长素(IAA)含量有所下降,而玉米核苷(ZR)、赤霉素(GA)含量总体上下降,根系中脱落酸(ABA)含量显著提高。不同淹水深度处理的河竹叶片和根系相对膜透性和丙二醛(MDA)含量均高于对照,且存在明显的水位效应,淹水水位越高,叶片和根系膜脂过氧程度越严重。4.淹水环境下河竹的营养元素分配特征淹水深度和时间显著影响河竹器官碳(C)含量,随着淹水时间的延长,叶、枝和根C含量先上升后下降。处理时间、处理水平对河竹器官氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、铁(Fe)和镁(Mg)含量存在显著的互作效应。处理90 d时,河竹叶片N、P、Ca、Fe和Mg含量均显著提高,而根的N、P含量则显著下降,淹水180 d和360 d时,除根部的K、Fe和Mg含量提高外,其它器官中各元素均显著下降。水位深度对元素之间的关系产生明显作用,淹水5 cm条件下叶片的C-K、N-K、P-K、Fe-Ca和Fe-Mg的相关系数升高,元素间协同性增强,而在淹水10 cm条件下元素间的协同性减弱。淹水环境下河竹叶片C/N、C/P显著增大,而N/P变化不显著。5.淹水环境下河竹对重金属Cd和Pb的生理生化响应随着水体Cd和Pb浓度的提高,河竹叶片Pn值先增大后减小,最大净光合速率(Pmax)、表观量子效率(AQY)、光补偿点(LCP)、光饱和点(LSP)、表观CO2利用效率(CUE)和表观光能利用效率(LUE)均减小。低浓度Cd(0.5 mg·L-1)和Pb(150、300 mg·L-1)处理下,河竹叶片叶绿素含量变化不显著,高浓度Cd(30 mg·L-1)和Pb(1500 mg·L-1)降低河竹叶片光合色素含量,但河竹能够调节Chla和Chlb的相对含量来确保足够的反应中心色素。低浓度Cd(0.5mg·L-1)和Pb(150、300 mg·L-1)处理下,河竹叶片抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性均上升,而高浓度Cd和Pb处理下河竹叶片MDA含量成倍增多。总体上,淹水环境下Cd和Pb对河竹植株器官中N、P和K含量影响略有不同。低浓度Cd处理能有效促进河竹根和枝中N、P和K的含量,竹鞭的N和P含量变化不明显,而K含量下降;高浓度Cd处理,N、P和K的含量下降。在Pb处理下,河竹各器官的N、P和K含量总体上均呈上升趋势。6.重金属Cd和Pb在河竹器官的积累河竹各器官中Cd和Pb含量均随着处理浓度的升高而逐渐增大,河竹积累的Cd和Pb主要集中在竹根和鞭中。叶片和根系中Cd和Pb在亚细胞结构中的位置不同,Cd大部分存在于细胞壁,其次是可溶性固性物,少量分布在细胞器中。而Pb则大部分存在于可溶性固形物,其次在细胞壁,少量在细胞器中。综上,河竹在淹水环境中能维持正常生长,并且能自然更新,具有较强的耐水淹能力,能够长期耐受50cm深度的水淹。河竹可通过调节内源激素含量,有助于渗透物质的积累,调节细胞的渗透能力,缓解超氧自由基积累造成的膜脂过氧化伤害,提高河竹对淹水环境的适应能力。淹水对河竹根系矿质元素吸收有负面影响,但能促进养分向地上部分转运,以维持碳同化能力和元素内稳性,这可能是河竹适应持续淹水胁迫的重要机制。在淹水环境下河竹叶片对Cd和Pb胁迫能够维持较高光合能力,对于低浓度重金属环境,能通过相对稳定抗氧化酶活性,降低活性氧含量,减少膜脂过氧化程度,保护膜脂免受Cd和Pb的氧化伤害。因此河竹具有水湿地和消落带植物恢复和水体净化的潜力。
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S795

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