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水分变化对滇南喀斯特地区土壤和优势植物元素和代谢产物积累的影响

敬洪霞  
【摘要】:我国云南的喀斯特区域地处南亚热带高原季风气候区,植物生长季内气候温度波动范围小,但降水分布存在显著时空差异,干旱是影响该地区植物生长的重要限制因子。未来该地区的气候变化将包含更大的降水变异性,显著影响该地区的降水量和分布格局,因而研究该地区土壤和植物的特点以及对未来水分变异的响应具有重要意义。本次实验样地位于云南省红河州建水县的典型喀斯特区域内,该地区植被群落结构以灌-草为主。自2017年4月开始水分添加实验(4个水分处理组,每组5个重复),于2018年4月(旱季)和8月(雨季)分别采集该区域内的土壤(0-10 cm)和四种优势植物——鞍叶羊蹄甲(Bauhinia brachycarpa)、假虎刺(Carissa spinarum)、芸香草(Cymbopogon distans)和刺芒野古草(Arundinella setosa)叶片样品,分别测定土壤和植物叶样品中C、H、N、P、S、K、Ca、Mg、Al、Na、Fe、Mn、Zn、Cu14种元素以及植物叶中相关代谢产物。主要结果如下:1)该地区表层土壤中全C、全N和全P含量较高,K、Ca、Mg等活动性强的元素在该地区长期气候条件下受淋溶迁移严重,含量相对较少,Cu、Mn等迁移性弱的元素在表层土壤中相对富集。水分添加以及季节变化显著影响了土壤含水量,但水分变化对土壤p H和温度没有显著影响,仅对土壤中C、N、S元素有影响,Na随土壤水分含量的增加而显著下降。2)该地区四种植物元素组成特点为:草本叶中Na含量相对较高,灌木中C、Ca、Mn含量相对较高,四种植物中两种草本的元素含量有较强的相似性,两种灌木叶中元素含量差异较大。四种植物元素含量对水分变化的响应不同:灌木中,土壤水分增加使得叶中K含量降低,而Ca含量增加,水分变化下,假虎刺中C、N、P等大量元素的稳定性高于鞍叶羊蹄甲;草本中,土壤水分增加使得叶Na含量和K:P值下降,土壤水分变化下,芸香草叶中大量元素的稳定性高于刺芒野古草。3)在土壤水分含量显著变化的前提下,研究区域内四种植物平均元素含量变化基本符合限制元素稳定假说,但在单个物种层面有了新的演化:在水分条件变化下,叶元素含量的稳定性与植物中元素的量有关,含量越接近极大值(基本元素C、H、N等)或极小值(微量元素Cu、Zn等)的元素其变异系数越小(越稳定),两种植物中含量接近于1mg/g的元素P、S、Mg的变异系数最高。4)分析四种植物叶代谢产物对不同水分条件的响应,发现旱季和雨季间植物代谢产物的变化明显高于各水分添加组间的变化。在旱季、雨季两个不同水分时期下,植物在有机酸、醇类、糖类及其衍生物等物质含量有显著的变化,但灌木和草本代谢产物的变化趋势有显著的差异:两种灌木中有机酸、糖类、醇类等多种物质含量在雨季均显著增加,糖类的合成和分解代谢加强——淀粉和蔗糖代谢,三羧酸循环以及磷酸戊糖途径显著增强,此外,在旱季时鞍叶羊蹄甲中与活性氧清除系统相关的抗坏血酸含量下降;两种草本中旱季显著增加的差异代谢产物种类明显高于雨季显著增加的代谢产物种类,旱季时两种草本中莽草酸代谢途径增强,相关酚类物质的合成增加,有利于提高植物的抗旱性。在不同时期外界水分添加组和对照组相比对植物的影响趋势与旱季和雨季间的趋势基本一致,但相比于灌木,两种草本(尤其是刺芒野古草)的代谢产物变化对水分添加更为敏感。


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