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模拟氮沉降对亚热带森林演替代表树种光合生理和光谱反射的影响

作　者: 李凯
导　师: 江洪
学　校: 西南大学
专　业: 生态学
关键词: 模拟氮沉降光合作用高光谱马尾松木荷青冈
分类号: S718.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

由于工业生产、石化燃料燃烧、农业化肥使用及畜牧业发展等人类活动改变了氮元素从大气向陆地生态系统输入的方式和速率,产生了一系列的生态环境问题。全球变化背景下的氮沉降研究已经成为国际生态和环境研究的热点内容之一。总所周知,氮元素既是植物生长不可或缺的营养因子也是叶片内各种化合物的主要组成元素。大气氮沉降的增加改变了氮元素在生态系统中的循环,影响生态系统的结构和功能、以及植物的生产力、植物间的竞争格局、并改变物种的组成和物种的多样性。而中国的亚热带森林随着氮沉降的增加正面临着进一步的威胁。本文选取了亚热带森林演替的代表树种马尾松(Pinus massoniana Lamb)、木荷(Schima superba)、青冈(Cyclobalanopsis glauca)进行模拟氮沉降实验,设置了4个氮沉降处理梯度：对照(CK:0g·m-2·yr-1)、低氮(LN:6 g·m-2·yr-1)、中氮(MN:12g·m-2·yr-1)、高氮(HN:24g·m-2·yr-1),采用实时观测技术,利用高光谱地基数据,通过分析不同氮沉降梯度对3种植物叶绿素含量、光响应曲线、气体交换参数、光谱反射率、光谱红边参数的影响,一方面加深我们对亚热带常绿阔叶树种幼苗的生理需求和生态特征的认识,另一方面通过比较,发现不同氮沉降速率对不同演替时期代表物种光合作用等的生理生态影响机制。本实验得到以下结论：马尾松：两期实验中低氮组的叶绿素含量最大,中高氮组则受到不同程度的抑制。其在秋季(2010年10月和2011年10月)时的光合速率明显大于夏季,且高浓度氮沉降总体上是促进其光合作用。同时发现氮处理增大了其气孔导度,胞间CO2浓度在光强小于300μmol·m-2·s-1时,且不同处理间差异不显著。蒸腾速率在实验期间呈逐年增加的趋势。马尾松的水分利用率在实验期间呈现逐年降低的趋势,其中高氮组马尾松的水分利用率最大。2010年10月试验期,马尾松对照组中,叶温T1和大气CO2浓度C。是影响净光合速率的主要环境因子。低、中、高氮组中叶温T1、大气温度Ta、大气CO2浓度Ca和大气湿度RH都与净光合速率有明显的回归关系。2011年6月期实验中,大气CO2浓度是影响马尾松净光合速率的主要环境因子。低、中、高氮组仍是叶温T1、大气温度Ta、大气CO2浓度C。和大气湿度RH为主要影响因子。在2011年10月期实验中,对照组中影响净光合速率的环境因子增多,主要为叶温T1、大气温度Ta、大气CO2浓度Ca和大气湿度RH。而低、中、高氮组中,则主要是叶温T1、大气CO2浓度C。两个环境因素。两期实验相比可以发现,高氮组马尾松在可见光区的发射率始终最大,说明持续的氮沉降处理对其在可见光区的反射率影响不显著。马尾松低氮组的两个归一化植被指数NDVI、gNDVI和两个比值植被指数均是最大。木荷：木荷在两期实验中三个氮沉降梯度实验组的叶绿素含量均受到不同程度的抑制,中氮组木荷的叶绿素含量最低,且不同实验组的差异明显。在不同季节中,高氮处理下的木荷光合速率始终是最大的。气孔导度在实验期间呈逐年增加,高氮处理的气孔导度始终是最大的。木荷的胞间C02浓度在光强大于500μmol·m-2·s-1后,随光强增大的减小的趋势变缓,达到饱和。木荷的蒸腾速率与光照强度呈线性增加关系。在光强为1500μmol·m-2·s-1时,高氮组木荷的蒸腾速率最大,不同年份和季节之间,蒸腾速率的差距也较大。低氮组木荷的水分利用率为最大,且高氮和中氮处理对木荷水分利用率的影响差异不显著,均低于对照组和低氮组。2010年6月期实验中,叶温T1、大气温度Ta、大气C02浓度C。和大气湿度RH是影响木荷净光合速率的主要环境因子。2011年6月期实验中叶温T1、大气CO2浓度Ca影响中、高氮组木荷净光合速率的主要环境因子。2011年10月期实验中,叶温工1、大气温度Ta、大气CO2浓度Ca和大气湿度RH是影响对照组、低氮组和中氮组的主要环境因子。叶温T1、大气C02浓度C。和大气湿度RH是影响高氮组的主要环境因子。低氮组和中氮组木荷在红光吸收谷波段的反射率差异不显著,均为最大值。中氮组木荷的两个归一化植被指数NDVI、gNDVI和两个比值植被指数最大。青冈：青冈在两期实验记录中,叶绿素含量对氮沉降的响应不是很明显,不同浓度处理梯度直接的差异不显著,氮沉降对青冈叶绿素含量无明显影响。不同实验处理组的光合速率变化不明显。对照组气孔导度明显低于氮沉降处理,且高氮组的气孔导度最大青冈不同氮沉降处理的的胞间C02浓度均大于对照组,且高氮组的最大。氮沉降处理的青冈的蒸腾速率均大于对照组,其中低氮组青冈的蒸腾速率最大。夏季实验中,低氮处理的青冈水分利用率明显大于其他处理组,而在秋季中,则为对照组最大。不同浓度氮沉降处理之间的差异不明显。在2010年6月期实验中,大气温度Ta、大气CO2浓度Ca和大气湿度RH是影响青冈低氮组和高氮组净光合速率的主要环境因子。叶温T1、大气温度Ta、大气C02浓度Ca和大气湿度RH是影响对照组合中氮组的主要环境因子。在2011年6月期实验中,叶温T1、大气温度Ta、大气CO：浓度Ca和大气湿度RH是影响青冈对照组及中氮和高氮组的主要环境因子。而叶温T1、大气CO2浓度C。是影响低氮组青冈净光合速率的主要因子。2011年10月期实验中,叶温T1、大气温度Ta、大气CO2浓度Ca和大气湿度RH是影响青冈不同实验组的主要环境因子。青冈在可见光波段的反射率的波动交明显,最大值由2011年6月期实验的高氮组变化为2011年10月期的低氮组。青冈的植被指数变化缺乏规律性,不能很好的反映氮沉降对其生理的影响。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章绪论  12-20
  1.1 氮沉降污染的形成与发生  12
  1.2 氮沉降对陆地生态系统的影响  12-15
    1.2.1 氮沉降对植物光合生理的影响  13
    1.2.2 氮沉降对植物生长的影响  13-14
    1.2.3 氮沉降对植物抗逆性的影响  14
    1.2.4 氮沉降对植物掉落物的影响  14-15
    1.2.5 氮沉降对植物群落的影响  15
  1.3 植物环境胁迫的遥感监测及高光谱技术的应用  15-18
  1.4 研究目的和研究意义  18
  1.5 研究内容  18-19
  1.6 技术路线  19-20
第二章实验设计与实验材料  20-22
  2.1 浙江省环境概况  20
  2.2 实验材料  20
  2.3 实验设计  20-22
第三章氮沉降对马尾松、木荷、青冈叶片叶绿素相对含量的影响  22-24
  3.1 研究方法  22
    3.1.1 测定方法  22
    3.1.2 数据处理  22
  3.2 结果与分析  22
  3.3 本章小结  22-24
第四章氮沉降对马尾松、木荷、青冈光合气体交换参数的影响  24-36
  4.1 研究方法  24
    4.1.1 测定方法  24
    4.1.2 数据处理  24
  4.2 结果与分析  24-32
    4.2.1 氮沉降对马尾松、木荷、青冈净光合速率的影响  24-25
    4.2.2 氮沉降对马尾松、木荷、青冈气孔导度的影响  25
    4.2.3 氮沉降对马尾松、木荷、青冈胞间CO_2浓度的影响  25
    4.2.4 氮沉降对马尾松、木荷、青冈蒸腾速率的影响  25-27
    4.2.5 氮沉降对马尾松、木荷、青冈水分利用率的影响  27-30
    4.2.6 马尾松、木荷、青冈净光合速率与环境因子的回归关系  30-32
  4.3 本章小结  32-36
第五章氮沉降对马尾松、木荷、青冈光响应曲线部分参数特征的影响  36-40
  5.1 数据处理  36
  5.2 氮沉降对马尾松、木荷、青冈光响应曲线部分参数特征的影响  36-38
  5.3 本章小结  38-40
第六章氮沉降下植物叶片光谱反射率特征差异性的分析  40-48
  6.1 研究方法  40
  6.2 数据处理  40-42
    6.2.1 光谱反射率  40
    6.2.2 植被指数  40-41
    6.2.3 倒高斯(IG)模型  41-42
  6.3 结果于分析  42-47
    6.3.1 氮沉降对马尾松、木荷、青冈光谱反射率的影响  42-45
    6.3.2 氮沉降对马尾松、木荷、青冈植被指数的比较  45-46
    6.3.3 氮沉降对马尾松、木荷、青冈倒高斯模型红边参数的影响  46-47
  6.4 本章小结  47-48
第七章结论与讨论  48-52
  7.1 氮沉降对植物叶绿素含量的影响  48
  7.2 氮沉降对植物光合作用的影响  48-49
  7.3 氮沉降对植物光谱反射率的影响  49
  7.4 展望  49-52
参考文献  52-60
致谢  60-62
硕士期间发表的科研论文和参加的科研项目  62

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