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《兰州大学》 2010年
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天山现代植物和表土有机稳定碳同位素组成的海拔响应特征

张慧文  
【摘要】:沿高山地区海拔梯度的较短距离内,气候环境(包括温度、降水、大气CO2浓度和土壤矿物养分等)发生剧烈的变化,使植物生长的环境条件更为复杂,明显的影响到植物的理化性质,这些环境因子和生物因子都会在一定程度上直接或间接影响高山植物叶片的有机稳定碳同位素组成(613C),因此高山植物δ13C的海拔变化为深入揭示植物δ13C的环境影响因子和生物影响因子的作用机理提供了非常理想的研究条件,并且在一定程度还可以用来预测未来气候变化造成的环境差异对植物的影响。但高山气候的多样性以及地区差异性的存在,使得高山植物δ13C的空间变化规律及其机理的解释并没有得到一致的结论。另外陆生高等植物残体转化为土壤有机质的过程中存在同位素分馏,造成植物—土壤系统的δ13C之间存在一定差异,而由于区域气候和植被的不同导致了现代植物—土壤系统613C的分馏幅度不同。高山植物和表土有机质δ13C的现代过程研究可以为从高山地区内部和周边地区的相关沉积物中(如内陆湖泊沉积物中)较为准确的提取古植被信息和重建古环境古气候提供科学理论依据。 天山位于亚洲内陆干旱区,具有典型的呈垂直带谱分布的高山植被,高山植被所利用的降水主要是由西风带来的。本论文研究了在617-3660m的海拔梯度上分布的天山现代高山植物叶片(142个)与表土(95个)有机质613C值的海拔变化特征,揭示了环境因子(包括气候因子、土壤因子)与生物学因子对南北坡植物叶片δ13C值海拔变化的影响机理,并以植被类型为划分对南坡和北坡的草本、灌木和乔木做了对比,另外从植物水分利用效率(WUE)角度分析了南北坡不同类型植物的主要环境适应策略,最后分析了植物—表土系统的δ13C的分馏幅度和表土δ13C与植被类型的关系并进行了南北坡对比。同时将西风影响的天山现代高山植物叶片与表土有机质δ13C值的海拔变化特征与我国季风区高山进行了对比,获得以下初步结论:1天山南北坡C3植物叶片δ13C的海拔变化特征和影响因素 天山C3植物δ13C值的分布范围为-31.65‰--23.39‰,平均值为-27.99‰,比全球高山C3植物叶片δ13C的平均值偏负,也比我国季风区高山C3植物叶片613C值的平均值偏负。天山北坡C3植物叶片的δ13C值随着海拔的升高先偏负后偏正,在海拔2240m时受降水控制,当海拔2240m时受温度控制,总的来说温度的影响较大;土壤全磷含量(TP)是影响植物叶片δ13C值海拔变化的最主要的土壤因素;叶绿素含量是最主要的生物影响因素。天山南坡C3植物叶片的δ13C值随着海拔的升高而偏正,温度是影响植物叶片δ13C值海拔变化的最主要的气候因素;土壤含水量(SWC)是最主要的土壤影响因素;叶片厚度是最主要的生物影响因素。天山南北坡高山植物叶片δ13C值的海拔响应受环境因素和生物因素的共同影响。温度是影响天山南北坡高山植物叶片δ13C值的海拔响应的最重要的环境因素,因此受西风影响的天山高山植物叶片δ13C更能反映出温度变化的影响。天山南北两坡的自然环境的差异导致了影响南北坡高山植物叶片δ13C值的环境因素和生物因素的不同。 2天山南北坡C3草本叶片613C的海拔变化特征和影响因素 天山C3草本叶片δ13C值的分布范围为-28.82‰--23.39‰,平均值为-27.73‰,比全球高山c3草本叶片δ13C平均值明显偏负,也比我国季风区高山C3草本叶片δ13C平均值明显偏负,比东天山高山C3草本叶片δ13C平均值明显偏正。天山北坡C3草本叶片δ13C值随着海拔的升高先偏负后偏正;天山南坡C3草本叶片δ13C值随着海拔的升高而偏正,与全球高山C3草本、我国季风区高山C3草本、东天山高山C3草本叶片δ13C值的海拔变化趋势一致。天山北坡C3草本叶片δ13C值在海拔2240m时受降水控制,当海拔2240m时受温度控制,总的来说温度的影响较大,降水的影响次之;天山南坡C3草本叶片δ13C值的海拔变化也是受温度的影响较大,降水的影响次之。TP是影响天山北坡C3草本叶片δ13C值海拔变化的最主要的土壤因素;土壤有机质含量(O.M.)是影响天山南坡C3草本叶片δ13C值海拔变化的最主要的土壤因素。叶绿素含量是影响天山北坡C3草本叶片δ13C海拔变化的最主要的生物因素;基于单位质量的叶氮含量(Nm)是影响天山南坡C3草本叶片613C海拔变化的最主要的生物因素。 3天山南北坡灌木叶片δ13C的海拔变化特征和影响因素 天山灌木叶片δ13C值的分布范围为-30.03‰--23.85‰,平均值为-27.81%o。比我国季风区高山灌木叶片δ13C的平均值偏负。天山北坡灌木叶片的δ13C值随着海拔的升高没有明显变化趋势;天山南坡灌木叶片的δ13c值随着海拔的升高有偏正的趋势。气象因子对天山北坡灌木叶片δ13C值的海拔变化影响不大;天山南坡灌木叶片δ13c值的海拔变化受温度的影响较大,降水的影响次之。O.M是影响天山北坡灌木叶片δ13C值的海拔变化的最主要的土壤因素;TP是影响天山南坡灌木叶片δ13C值海拔变化的最主要的土壤因素。叶片含水量(LWC)是影响天山北坡灌木叶片δ13C海拔变化的最主要的生物因素;叶片厚度是影响天山南坡灌木叶片δ13C海拔变化的最主要的生物因素。 4天山南北坡乔木叶片δ13C的海拔变化特征和影响因素 天山乔木叶片δ13C值的分布范围为-31.52‰--24.69‰,平均值为-28.72‰,比全球高山树种的叶片δ13C的平均值明显偏负,也比我国季风区乔木叶片δ13C的平均值偏负。天山北坡乔木叶片613C值随着海拔的升高没有明显变化趋势;天山南坡乔木叶片δ13C值随着海拔的升高呈曲线变化。天山南北坡乔木叶片δ13C值都是受温度的影响较大,降水的影响次之。O.M.是影响天山北坡乔木叶片δ13C值海拔变化的最主要的土壤因素;TP是影响天山南坡乔木叶片δ13C值海拔变化的最主要的土壤因素。Nm是影响天山北坡乔木叶片δ13C海拔变化的最主要的生物因素;叶片厚度是影响天山南坡乔木叶片δ13C海拔变化的最主要的生物因素。 5天山南北坡植物水分利用效率异同和环境适应策略 天山南坡C3植物(包括草本、灌木和乔木)叶片的δ13C平均值都比天山北坡C3植物偏正,说明天山南坡C3植物(包括草本、灌木和乔木)比北坡C3植物的WUE高,因为天山南坡降水明显少于天山北坡,生境中水分的变化造成了植物WUE的改变,天山南坡C3植物通过提高WUE来适应水分相对缺少的环境,具有比天山北坡C3植物更强的竞争能力和生态适应性。不论天山南坡还是北坡多年生草本叶片δ13C值都高于一年生草本叶片,常绿灌木叶片δ13C都高于落叶灌木叶片,常绿乔木叶片δ13C高于落叶乔木叶片(除了天山北坡落叶乔木叶片δ13C高于常绿乔木叶片),说明长生命周期的植物的WUE都高于短生命周期植物,长生命周期的植物具有更强的生态适应性。 6天山南北坡表土有机质δ13C的海拔变化特征和植物—表土系统δ13C的分馏情况 (1)天山表土有机质δ13C值的分布范围为-28.99‰~-19.62‰,平均值为-25.09‰,比受季风控制的青藏高原表土有机质δ13C的平均值偏负。天山南坡表土有机质δ13C值偏正于天山北坡,与天山南坡植物叶片的δ13C值偏正于天山北坡一致。天山南北坡表土有机质的δ13C值都是随着海拔的升高先偏负后偏正,与青藏高原表土有机质δ13C值的海拔变化趋势一致。北坡表土有机质的δ13C值的海拔变化趋势与北坡C3植物叶片δ13C值的海拔变化趋势一致,而南坡表土有机质的δ13C值的海拔变化趋势与南坡C3植物叶片δ13C值的海拔变化趋势不一致,可能受局部地形和局部环境因素影响更大。 (2)天山北坡表土有机质δ13C值按照乔木灌木草本的植被类型顺序逐渐偏正,将草本细分后表土有机质δ13C值按照高山草甸草原乔木灌木山地草甸草原荒漠草原的顺序逐渐偏正。天山南坡表土有机质δ13C值按照灌木≈草本乔木的植被类型顺序逐渐偏正,将草本细分后表土有机质δ13C值按照山地草甸草原荒漠草原灌木乔木高寒草甸草原的顺序逐渐偏正。天山南北坡表土按照对应的植被类型而偏正的顺序与受季风控制的青藏高原不一致。 (3)天山南北坡植物—表土系统δ13C的分馏幅度大于其他区域,北坡植物—表土系统δ13C的分馏幅度为0.23‰~4.39‰,平均值为2.75‰。南坡植物—表土系统δ13C的分馏幅度为0.21‰~4.20‰,平均值为2.32‰,北坡植物—表土系统δ13C的分馏幅度大于南坡。天山南北坡不同植被类型下的表土有机质δ13C值与其上覆植物叶片δ13C值之间的分馏幅度大小顺序一致,均为乔木灌木C3草本。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:Q948

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【参考文献】
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