Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 荒漠植物泡泡刺沙生适应性研究 | |
| 李秋艳 | |
| 出版年 | 2007 |
| 学位类型 | 博士 |
| 导师 | 赵文智 |
| 学位授予单位 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 中文摘要 | 适应性是指生物为顺从新的环境条件而改变其形态、生态和生理方面的特征以提高生存和再生能力的过程。适应能使植物通过多种途径增加其生存的可能。植物的沙生适应性是指植物通过逃避、忍耐、抵抗、调整、竞争等途径对沙地环境的适应。由于长期适应所生长的自然环境的结果，植物发展了一些最适宜自身生长发育的生理生态特点。在不同的生长阶段，植物的生理生态过程呈现不同的特点，所以对风沙环境的适应性也不同。\n泡泡刺（Nitraria sphaerocarpa Maxim. (Zygophyllaceae)）广泛分布于荒漠的戈壁和沙漠中，具有耐干旱、盐碱、抗风蚀、耐沙埋等特点，是一种优良的固沙灌木，对防止流沙入侵绿洲、保持绿洲环境的稳定具有很大的生态作用。\n对类似于泡泡刺这样的白刺属植物的生态特性、生态位、光合和呼吸特征、土壤水分变化特征及时空分布格局、对地下水埋深的响应方面等已有大量研究。但有关泡泡刺沙生适应性的研究还较少。研究沙生适应性旨在为保护和管理荒漠植物泡泡刺提供科学依据，并为干旱荒漠化地区生态恢复做出贡献。\n本论文针对干旱荒漠区的环境特点，采用野外调查、温室模拟的方法，对干旱荒漠植物泡泡刺的种子、幼苗和种群进行了研究，揭示了土壤种子库的时空分布格局，探讨了种子萌发对温度、基质的响应，分析了幼苗出土和生长对沙埋深度和种子重量的响应，讨论了幼苗存活和定植对沙埋深度和种子重量的响应，研究了植物种群生长特征对沙埋干扰的响应。主要结论有：\n1 土壤种子库分布格局\n无论5月，还是9月，迎风坡和背风坡的种子平均数量都受到水平距离和沙埋深度的显著影响。\n5月取样中，灌丛下面迎风坡和背风坡的种子密度分别达到4132和25699粒m-2，灌丛边缘迎风坡和背风坡的种子密度分别为2580和11760粒m-2。灌丛下面和灌丛边缘的种子密度没有显著区别，但与灌丛间地的种子数量具有显著差别。9月取样中，灌丛下面迎风坡和背风坡的种子密度分别达到24896和24435粒m-2，灌丛边缘迎风坡和背风坡的种子密度分别为1896和8080粒m-2，灌丛下面和灌丛边缘的种子密度具有显著区别。总起来说，水平尺度上，种子密度从灌丛中心到灌丛间地逐渐减少，而且大部分种子分布在灌丛下面，几乎没有种子分布在灌丛间地。\n5月取样中，种子数量先随着沙埋深度而增加，到达5-10 cm深度时，达到最大，然后随着沙埋深度而降低。5-10 cm深度迎风坡和背风坡的种子密度分别为4292和28119粒m-2，显著大于其他深度的种子密度，大约占有总种子数量的82.4%，而0-2 cm、2-5 cm、10-20 cm深度分别仅占2.2 %、9.0 %、6.3 %。9月取样中，无论迎风坡和背风坡，种子数量随着沙埋深度增加而降低。0-2 cm深度迎风坡和背风坡的种子密度分别为18824和14680粒m-2，2-5 cm深度迎风坡和背风坡的种子密度分别为5876和15572粒m-2。0-2 cm与2-5 cm的种子密度没有显著区别，但与5-10 cm的种子密度具有显著区别。大约有84% 的种子集中在0-5 cm深度，很少有种子存在于10-20 cm深度。\n2 种子萌发生态适应性\n无论是滤纸还是沙子基质上，泡泡刺种子的萌发率、平均萌发时间和萌发率指数受温度的影响显著，而受种子大小的影响不显著。在30、35和40℃恒温条件下，沙子上的萌发率和萌发率指数显著大于滤纸上的萌发率和萌发率指数，而在恒温10、15、20、25℃和变温15/25、20/30℃处理上没有显著差别。除了变温20/30℃处理中，其它温度下，两种基质上种子的平均萌发时间没有显著差别。在滤纸基质中，泡泡刺萌发的基本温度、最佳温度和最高温度分别为9.0、25.3、45.2℃；对于沙子基质处理中，泡泡刺萌发的基本温度、最佳温度和最高温度分别为4.8、34.1、45.0℃。泡泡刺种子的适宜萌发温度为34.1℃（沙子基质）是对其生境适应的结果。因为7月份的温度为39.1℃，而大约占全年降水量65%的降水又主要集中在7、8、9月，所以此时的温度和降水适于种子的萌发。萌发的最高温度反映了泡泡刺在萌发期间对高温的高度容忍性。从4.8到45℃，泡泡刺种子可萌发的热量范围广，说明了泡泡刺定植的高度潜力。泡泡刺可在如此大的温度范围上萌发具有重要的意义。在人工培育植物时，这种特性可使泡泡刺成为较好的候选者。\n3 幼苗出土和生长对沙埋干扰的适应\n在0、1、2、3、4、5和6 cm 7个沙埋深度处理中，沙埋深度和种子重量显著影响着出苗率、幼苗生物量和幼苗高度。在沙埋深度为2 cm时，泡泡刺出苗率、幼苗生物量和幼苗高度最大，大于2 cm深度后，在每个种子重量组中，随着沙埋深度的增加而降低。泡泡刺种子的最佳沙埋深度大约是2 cm。在2 cm沙埋深度，种子重量组之间的出苗率和幼苗高度没有较大差别。在每个种子重量组中，随着沙埋深度增加，根重比和地上茎重比降低，而地下茎重比增加。在每个沙埋深度下，随着种子重量增加，地下茎重比增加，而根重比降低。\n4 幼苗存活和定植对沙埋干扰的适应\n沙埋深度显著影响了幼苗存活率、高度、重量、高度相对生长率、高度绝对生长率、根重比、地下茎重比和地上茎重比，种子重量并没有显著影响幼苗的存活率、重量、高度相对生长率。在每个种子重量组中，没有沙埋和部分沙埋处理中，幼苗的存活率为85-100%。但是，当沙埋深度达到幼苗高度的100%时，对于大、中、小种子重量组，幼苗分别只有60%、39% 和43%的存活率。当沙埋深度达到幼苗高度的133%时，已经没有幼苗可以存活。部分沙埋处理高于没有沙埋和完全沙埋处理中的幼苗高度、重量和高度绝对生长率。在每个种子重量组中，随着沙埋深度增加，或在每个沙埋深度，随着种子重量降低，根重比和地下茎重比增加，而地上茎重比降低。部分沙埋增强了幼苗的活力，但当沙埋深度到达整个幼苗的高度时，降低了幼苗的活力，而当沙埋深度达到幼苗高度的133%时，导致了幼苗的死亡。所以，在培育幼苗的过程中，防止沙子全部掩埋幼苗，而需要掩埋幼苗高度的一部分。\n5 泡泡刺种群生长对沙埋干扰的适应\n泡泡刺种群以斑块状格局形式存在。沙埋使泡泡刺种群成为优势种群，并形成相对独立的灌丛沙堆。在绿洲与戈壁交错带（类似戈壁生境）样地的泡泡刺种群的沙埋深度、种群高度、种群盖度、种群大小、生物量都小于绿洲与沙漠交错带（类似沙漠生境）样地的泡泡刺种群的相应的种群特征变量，而绿洲与戈壁交错带样地的泡泡刺种群密度却大于绿洲与沙漠交错带样地的种群密度。绿洲与戈壁交错带样地的泡泡刺种群密度为33.3株m-2，而绿洲与沙漠交错带样地的泡泡刺种群密度为25.4株m-2。两样地泡泡刺种群的沙埋深度、种群高度、盖度、密度及大小存在着显著差异，只有生物量无显著差异。无论戈壁还是沙漠生境，沙埋深度与种群高度、种群大小、种群生物量明显正相关。独立灌丛沙堆的形成途径主要有4种：种子发育、根蘖繁殖、较大的沙堆退化（生境破碎化）和邻近沙堆的兼并。沙堆和灌丛互相依存，灌丛的发展过程可划分为4个阶段：形成阶段、成熟阶段、衰老阶段、消亡阶段。泡泡刺以种子繁殖侵入沙地，然后以其强的根蘖繁殖能力定居沙地，并发展成灌丛。适度沙埋可以促进泡泡刺种群的生长，但当沙埋深度超过100 cm时，又会对泡泡刺种群的生长有所抑制。随着沙堆的进一步发育，泡泡刺就会衰退甚至死亡，最终退出群落，被其它植物种代替，而当生境再变化到适宜它生长的条件时，土壤种子库的种子再次侵入到沙地中，这就是泡泡刺对风沙环境的适应性。\n综上所述， 在沙丘系统的恢复过程中，将泡泡刺种子种植在2 cm深度可以得到较高的出苗率，超出6 cm沙埋深度时，将没有出苗现象。但是，从土壤种子库时空分布格局来看，5月份的种子大部分存在于5-10 cm，而不是表层0-5 cm。所以在野外生境中的种子很难发育成幼苗。在人工培育泡泡刺时，种子的适宜萌发温度为34.1℃（沙子基质处理）和25.3℃（滤纸基质处理）。在培育幼苗的过程中，防止沙子全部掩埋幼苗，而掩埋幼苗高度的一部分，则可以促进幼苗的生长。\n泡泡刺种群有种子繁殖和根糵繁殖两种能力，在它侵入并在流动沙丘上定植下来后，如果遇到风蚀，一方面会通过根系的水平和垂直生长稳定植株，另一方面则采取种子繁殖的方式扩大种群，而遇到沙埋时，一些枝条则会生出不定根进行根糵繁殖，通过根糵繁殖扩大种群，以斑块状格局形式存在。沙埋使泡泡刺种群成为优势种群，并形成相对独立的灌丛沙堆。适度沙埋可以促进泡泡刺种群的生长，但当沙埋深度超过100 cm时，又会对泡泡刺种群的生长有所抑制。随着沙堆的进一步发育，泡泡刺种群就会衰退甚至死亡，最终退出群落。所以，我们在恢复植被的时候，首先要保护现存的泡泡刺种群。 |
| 中文关键词 | 泡泡刺 ; 土壤种子库 ; 萌发 ; 幼苗生长 ; 种群特征 ; 沙埋干扰 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 来源学科分类 | 自然地理学 |
| 来源机构 | 中国科学院西北生态环境资源研究院 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/286558 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李秋艳. 荒漠植物泡泡刺沙生适应性研究[D]. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,2007. |
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