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高寒沙地乌柳林生理生态特性及植被恢复过程研究

作　者: 刘海涛
导　师: 贾志清
学　校: 中国林业科学研究院
专　业: 水土保持与荒漠化防治
关键词: 高寒沙地 光合水分生理 叶性状 物种多样性 土壤理化性质
分类号: S793.9
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


退化生态系统恢复的实质是群落演替，植物生理生态学作为生态系统结构与功能关系的研究内容之一，在退化生态系统植被恢复的研究中起着非常重要的作用。为了研究高寒沙地人工乌柳林植被建设对退化生态系统恢复过程的影响以及乌柳本身在当地特殊高寒环境条件下的生理生态特征，本研究从植物生理生态学角度出发，通过对处于不同恢复阶段乌柳的光合生理、水分生理、叶片结构型性状特征以及乌柳林群落结构和林下物种多样性、土壤理化性质等方面进行了系统的比较研究。主要研究结果如下：（1）25和37年生乌柳Pn日变化为双峰曲线，出现了光合“午休”现象；4和11年生乌柳Pn日变化为单峰曲线。11和25年生乌柳Pn和Tr日均值显著高于4和37年生乌柳，4年生乌柳WUEt日均值显著高于其它3个林龄乌柳。采用Michaelis-Menten模型对各林龄乌柳的光响应和CO2响应参数拟合良好。11年生乌柳α值显著高于其它3个林龄乌柳；4和37年生乌柳Rd值显著高于11和25年生乌柳；11和25年生乌柳Amax值显著高于4和37年生乌柳。叶绿素荧光参数中，11和25年生乌柳ΦPSⅡ、qP日均值显著高于4年生乌柳，4年生乌柳NPQ日均值显著高于其它3个林龄乌柳，37年生乌柳NPQ日均值显著高于11年生乌柳。林龄对乌柳的光合能力产生了显著影响：11和25年生乌柳的光合能力较强；4年生乌柳的水分利用效率较高；37年生乌柳的光合能力和水分利用效率均显著降低，植株应已处于生长发育衰退期。（2）各林龄乌柳相对水分亏损无显著差异。37年生乌柳水势日均值显著低于其它3个林龄乌柳，4和11年生乌柳水势日均值显著低于25年生乌柳，37年生乌柳在日尺度上受到了严重的水分胁迫。4年生乌柳失水率显著低于其它3个林龄乌柳，25年生乌柳失水率显著低于11年生乌柳，4和25年生乌柳的抗旱能力较强。4年生乌柳SLA显著低于其它3个林龄乌柳，表明其水分利用效率较高。11年生乌柳Nmass显著高于其它3个林龄乌柳，25年生乌柳Nmass显著高于37年生乌柳，表明11和25年生乌柳的光合能力较强。11年生乌柳Pmass显著高于25和37年生乌柳，4年生乌柳Pmass显著高于25年生乌柳。25年生乌柳Nmass/Pmass显著高于4和11年生乌柳，各林龄乌柳Nmass/Pmass在5.166.28之间，表明乌柳的生长严重受到氮素缺乏的制约。4个林龄乌柳Nmass与Pmass呈显著正相关，Pmass与Nmass/Pmass呈极显著负相关，Pmass与林龄呈显著负相关，Nmass/Pmass与林龄呈显著正相关。林龄对乌柳的水分生理状况和叶片结构型性状产生了显著影响：25年生乌柳的水分条件较好，抗旱能力较强，由叶性状参数反映出的光合能力也较强；11年生乌柳的水分条件较差，抗旱能力较弱，但由叶性状参数所反映出的光合能力却最强；4年生乌柳的水分条件较差，但其抗旱能力较强，由叶性状反映出的水分利用效率也较高；37年生乌柳的水分条件恶劣，抗旱能力较弱，由叶性状反映出的光合能力也最弱，植株应已处于生长发育衰退期。（3）4个林龄乌柳林下重要值较大的物种不尽相同，赖草在各林龄乌柳林下植被群落中均以优势种的地位出现，表明其适应性较强。随着林龄的增加，在流动、半流动沙地中出现的一年生植物逐渐从群落中消失，半灌木、灌木开始出现在林下植被中，群落结构趋于稳定。演替各阶段多年生植物的单种重要值明显大于一年生植物，多年生植物在林下植物群落功能维持中起着重要作用。随演替进展林下植物群落物种丰富度、物种多样性、均匀度、生态优势度指数均表现出逐渐增加的趋势。林龄对乌柳林下的群落结构组成和物种多样性产生了显著影响：随着乌柳林龄的增加，林下植物群落的组成向着均匀化方向发展，物种丰富度和多样性指数不断增加，林下植被群落得到了较好的恢复。（4）在乌柳林生长发育过程中，林下010cm土层土壤含水量逐渐增加，1020cm土层土壤含水量先减少后增加，010cm土层土壤含水量的变化幅度明显大于1020cm土层土壤。010cm和1020cm土层土壤粉粒、有机质、TOC和TN含量随乌柳林恢复年限的增加而增加，在垂直方向上其增幅和含量呈降低趋势。010cm和1020cm土层土壤沙砾含量和pH值随乌柳林恢复年限的增加而降低，在垂直方向上其降幅呈降低趋势，含量呈升高趋势。土壤pH与TOC、TN呈极显著负相关，TOC与TN呈极显著正相关，土壤中沙砾（10.05mm）含量与有机质、TOC和TN含量呈极显著负相关，粉粒（0.050.002mm）含量与有机质、TOC和TN含量呈极显著正相关。在研究区域，有机质、TOC和TN因土壤颗粒组成变化而积累的定量关系可用线性方程较好的预测，为乌柳林植被恢复过程中不同阶段的土壤碳汇量的估算提供了依据。林龄对乌柳林下土壤环境特征参数产生了显著影响：随着乌柳林龄的增加，林下表层土壤的理化性状逐渐得到改善；乌柳林的建设有利于风沙土的固定和发育，其作用随林龄的增加而增强，随土层深度的增加而降低；沙砾含量的减少和粉粒含量的增加共同导致土壤质地的细粒化，并伴随着土壤碱性的减弱和碳、氮的固存效应。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-17
第一章 绪论  17-33
  1.1 引言  17-18
    1.1.1 研究背景  17-18
    1.1.2 研究目的和意义  18
  1.2 国内外研究现状与评述  18-30
    1.2.1 植物光合生理生态学研究进展  18-24
    1.2.2 植物叶性状指标对环境适应性指示作用  24-25
    1.2.3 水分生理生态指标在退化土地恢复重建中的作用  25-26
    1.2.4 植物群落物种多样性及退化生态系统恢复指标  26-29
    1.2.5 退化生态系统植被恢复与土壤理化性质  29
    1.2.6 本研究的重要性和拟解决的科学问题  29-30
  1.3 研究目标和主要研究内容  30-31
    1.3.1 研究目标  30
    1.3.2 主要研究内容  30-31
  1.4 研究技术路线  31-33
第二章 研究区概况  33-37
  2.1 自然概况  33-35
    2.1.1 地理位置  33
    2.1.2 气候  33-34
    2.1.3 土壤  34
    2.1.4 植被  34-35
    2.1.5 水文  35
  2.2 社会经济概况  35
  2.3 沙漠化土地分布特点  35-36
  2.4 治沙示范区基本情况及研究对象  36-37
第三章 不同林龄乌柳光合特性研究  37-50
  3.1 研究方法  37-40
    3.1.1 光合作用参数日变化测定  37-38
    3.1.2 光响应参数测定  38
    3.1.3 CO_2响应参数测定  38-39
    3.1.4 叶绿素荧光参数日变化测定  39
    3.1.5 叶面积测定  39
    3.1.6 数据处理与统计分析  39-40
  3.2 结果与分析  40-46
    3.2.1 不同林龄乌柳净光合速率等生理指标日变化比较  40-43
    3.2.2 不同林龄乌柳的光响应曲线及特征参数比较  43-44
    3.2.3 不同林龄乌柳的 CO_2响应曲线及特征参数比较  44-45
    3.2.4 不同林龄乌柳叶绿素荧光参数日变化比较  45-46
  3.3 讨论与小结  46-50
    3.3.1 讨论  46-48
    3.3.2 小结  48-50
第四章 不同林龄乌柳水分生理特性及叶性状研究  50-61
  4.1 研究方法  50-52
    4.1.1 枝条水势测定  50
    4.1.2 叶片相对水分亏损测定  50-51
    4.1.3 叶片保水力测定  51
    4.1.4 比叶面积(SLA)测定  51
    4.1.5 单位重量叶氮(Nmass)和单位重量叶磷(Pmass)含量的测定  51
    4.1.6 数据处理与统计分析  51-52
  4.2 结果与分析  52-56
    4.2.1 不同林龄乌柳水势日变化比较  52-53
    4.2.2 不同林龄乌柳叶片相对水分亏损和保水力比较  53-54
    4.2.3 不同林龄乌柳 SLA、Nmass、Pmass和 Nmass/Pmass比较  54-56
  4.3 讨论与小结  56-61
    4.3.1 讨论  56-59
    4.3.2 小结  59-61
第五章 不同林龄乌柳林下物种多样性研究  61-72
  5.1 研究方法  61-63
    5.1.1 样地选择和林下植被调查  61-62
    5.1.2 数据分析  62-63
  5.2 结果与分析  63-68
    5.2.1 不同林龄乌柳林林下物种科、属组成分析  63-64
    5.2.2 不同林龄乌柳林林下物种重要值比较  64-65
    5.2.3 不同林龄乌柳林林下物种的生活型结构  65
    5.2.4 不同林龄乌柳林林下物种多样性差异  65-66
    5.2.5 不同林龄乌柳林林下植被群落相似性分析  66-67
    5.2.6 不同林龄乌柳林林下植被地上生物量和盖度变化  67-68
  5.3 讨论与小结  68-72
    5.3.1 讨论  68-70
    5.3.2 小结  70-72
第六章 不同林龄乌柳林土壤理化性质研究  72-83
  6.1 研究方法  72-73
    6.1.1 土壤取样及处理  72-73
    6.1.2 数据处理与统计分析  73
  6.2 结果与分析  73-80
    6.2.1 不同林龄乌柳林土壤物理性质  73-75
    6.2.2 不同林龄乌柳林土壤化学性质  75-77
    6.2.3 不同林龄乌柳林土壤化学特性与土壤颗粒组成的关系  77-80
  6.3 讨论与小结  80-83
    6.3.1 讨论  80-81
    6.3.2 小结  81-83
第七章 结论与展望  83-88
  7.1 结论  83-86
    7.1.1 不同林龄乌柳光合特性  83-84
    7.1.2 不同林龄乌柳水分生理特性及叶性状  84
    7.1.3 不同林龄乌柳林下物种多样性  84-85
    7.1.4 不同林龄乌柳林土壤理化性质  85-86
  7.2 展望  86-88
    7.2.1 乌柳林 SPAC 水势梯度及抗旱机理深入研究  86
    7.2.2 乌柳林下植被恢复过程中土壤生物学特性的深入研究  86-87
    7.2.3 未来气候变化对高寒沙地人工植被恢复的影响  87-88
参考文献  88-97
在读期间的学术研究  97-98
致谢  98

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