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湿地草本植物叶硅含量特征及其与环境因子的关系

熊蔚  
【摘要】:硅(Silicon)元素广泛存在与自然界中,是所有生长于土壤的植物都含有的元素,植物和土壤间存在着强烈的硅循环。硅是禾本科(Poaceae)、莎草科(Cyperaceae)等喜硅植物的必需元素;对非喜硅植物来说,硅的存在也有利于其生长。在植物生活史中硅对植物的生态响应和生态效应都有着重要的作用。湿地生态系统中喜硅植物种类较多且生物量大,因此湿地生态系统中累积了大量的硅,是进行植物硅研究的理想场所。对湿地植物叶硅含量进行研究,有助于加强对叶硅含量这一植物功能性状的了解,同时还对湿地生态系统硅库方面研究的完善起到促进作用,最后也是对硅生物地球化学循环的重要补充。本论文通过对中国27个湿地研究地植物的采集和分析,研究了中国主要湿地草本植物叶硅含量的分布特征,植物叶硅含量与谱系间的关系,以及四个主要科植物叶硅含量与温度、降水、土壤和风场等环境因子的关系。结果显示:(1)中国主要湿地草本植物叶硅含量变异极大。中国主要湿地草本植物叶硅含量一般为其生物量的0.1%~10%,即1~100mg g-1,且大部分分布于3%以下。(2)不同物种间叶硅含量差异很大,单子叶植物叶硅含量多分布在70 mgg-1以下,双子叶植物则多分布在30 mg g-1以下,单子叶植物叶硅含量显著高于双子叶植物。木贼属(Equisetum)、禾本科(Poaceae)、莎草科(Cyperaceae)、鸭跖草科(Commelinaceae)等为高硅积累物种。(3)不同分类等级对其叶硅含量变异的贡献程度有所不同:根据门的不同能够解释总变异的71.04%,目、科及种三个等级分别可解释总变异的7.27%、5.74%、15.94%,而纲及属两个等级则对总变异几乎没有贡献。(4)单子叶植物禾本科、鸭跖草科以及莎草科植物叶硅含量显著高于其它植物,它们都属于鸭跖草类(Commelinoids)植物。但高叶硅累积并不是鸭跖草类植物的普遍特征。禾本科、鸭跖草科以及莎草科植物叶片高硅累积可能与其进化初期适应的环境有关。(5)中国27个湿地中草本植物叶硅含量差异显著,其中尤以若尔盖(REG)和泗水河(SSH)两个研究地含量较低。不同气候区中植物叶硅含量差异显著,高原温带湿润半湿润气候区中植物叶硅含量显著低于除高原温带干旱气候区外的其它气候区。各研究地植物叶硅含量的变异程度随着海拔的升高显著降低,其原因是高硅积累的禾本科植物在高海拔群落中比重减少。(6)禾本科、莎草科植物叶硅含量与环境因子的相关性和菊科、豆科植物明显有所区别,可能是谱系关系的不同造成了这种差异。总体看来,禾本科、莎草科、菊科(Asteraceae)、豆科(Fabaceae)植物叶硅含量随着降水的增加而减少,禾本科和莎草科植物叶硅含量随着土壤有效硅含量的增加而增加,菊科和豆科则未表现出叶硅含量和土壤有效硅含量之间的显著关系。(7)风致机械刺激是影响植物叶硅含量的重要因子,风致机械刺激强度与植物叶硅含量的相关系数较大。总体上看,植物叶硅含量与风致机械刺激强度呈正相关,即在大区域尺度内表现出植物叶硅含量随着风致机械刺激强度的增加而增加。


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