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三种豆科灌木对干旱胁迫的响应与适应

李芳兰  
【摘要】: 干旱胁迫是全球范围内影响植物生存、生长和分布的重要环境因子。岷江上游干旱河谷区,由于生态环境的脆弱性和长期人类活动的干扰和过度利用,导致植被严重退化,水土流失加剧,山地灾害频繁,干旱化和荒漠化趋势明显。这种趋势若不能遏制,将严重阻碍区域社会经济的快速协调发展,并且威胁成都平原地区的发展和长江中下游地区的生态安全。因而开展干旱河谷生态恢复研究成为解决这些问题的关键。水分匮乏是限制干旱河谷生态恢复的关键因子,在全球气候变化的背景下,干旱胁迫在区域尺度上可能会更加严重,并使干旱河谷的生态环境更加恶化。因此,深入研究干旱河谷乡土植物对干旱胁迫的响应和适应机理,具有非常重要的理论和实践意义。 本论文以岷江上游干旱河谷的三种乡土豆科灌木,白刺花(Sophora davidii)、小马鞍羊蹄甲(Bauhinia faberi var.microphylla)和小雀花(Compylotropics polyantha)为研究对象,在人工控制条件下设计了4-5个连续性干旱胁迫处理,系统地研究了灌木幼苗的生长、生物量积累和水分利用效率(WUE)、形态结构和生理过程等对干旱胁迫的反应,揭示了幼苗的干旱适应能力及种间差异。主要研究结论如下: 1)灌木生长和繁殖对干旱胁迫的反应 在干旱胁迫下,幼苗生长速率显著减小,叶片衰老和脱落比率增大,这些变化随着胁迫强度的增加具有累积效应。叶片比茎对干旱胁迫的反应更敏感。在严重干旱胁迫下,幼苗的有性繁殖被限制,但在中等程度干旱胁迫下,幼苗的有性繁殖能力被提高。 2)灌木生物量积累及其分配和WUE对干旱胁迫的反应 在干旱胁迫下,灌木各器官的生物量都显著减小,但是生物量的分配侧重于地下部分,使得根茎比在干旱条件下增大。幼苗的耗水量(WU)随着干旱胁迫的增加而显著减少。白刺花和小马鞍羊蹄甲WUE在干旱胁迫下降低:小雀花的WUE在中等干旱胁迫下升高。 3)灌木叶片结构特征对干旱胁迫反应 白刺花叶片具有较为典型的旱生型结构,而小马鞍羊蹄甲和小雀花则为中生型结构。在1至2年的干旱胁迫下,灌木叶片结构组成未发生本质性的改变,主要是细胞大小的变化。在中等和严重干旱胁迫下,叶肉组织厚度明显减小:并且气孔和表皮细胞面积也显著减小,气孔和表皮细胞密度显著增大;叶肉细胞层数、P/S值、表皮厚度等无显著变化。 4)灌木对干旱胁迫的生理响应 气体交换参数和叶片相对含水量(RWC)在中等干旱胁迫下发生了明显的改变,而叶绿素荧光参数和光合色素含量在严重干旱胁迫下才发生显著变化。在干旱胁迫下,净光合作用速率(Pn)、气孔导度(gs)和RWC呈下降趋势,而叶片温度(Tl)呈增加趋势,蒸腾速率(Tr)的变化不明显。除了日最大Pn减小以外,干旱胁迫对气体交换参数的日变化无显著影响,但是对光合-光响应曲线有显著的影响,使有效光合时间缩短。在严重干旱胁迫下光系统受到损害而代谢减弱,PSⅡ中心的内禀光能转换效率(Fv/Fm)、量子产量(Yield)、光化学淬灭参数(qP)显著降低,而非光化学淬灭参数(NPQ)明显增加。气孔限制和非气孔限制对Pn的影响与干旱胁迫强度有关。在中度胁迫下,气孔限制起主导作用,在严重胁迫下非气孔限制起主导作用,40%FC水分条件可能是灌木由气孔限制向非气孔限制的转折点。 5)灌木对干旱胁迫的适应能力及其种间差异 三种灌木对干旱胁迫具有较好的适应能力,即使在20%FC,幼苗未因干旱胁迫而死亡;80%FC适宜于幼苗生长。白刺花生长速率慢,耗水量较少,具有较强的耐早和耐贫瘠能力,并具有干旱忍受机制,能够在较干旱的环境中定居和生长。小马鞍羊蹄甲和小雀花,生长快,水分消耗量较大,尤其是小雀花,对干旱胁迫的忍受能力较弱,具有干旱回避机制,因而适宜于在较为湿润的生境中生长。综合分析表明,生长速率较慢的物种抗旱能力较强,其更适宜于作为干旱地区植被恢复物种。


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