水曲柳根系呼吸特性及其对土壤氮素反应机理研究

论文摘要

林木根系呼吸作为森林土壤呼吸的重要组成部分,每年所消耗的呼吸底物总量占林木总光合作用产物的50%左右,是森林生态系统碳素循环主要途径之一,其变化动态将成为森林乃至整个陆地生态系统碳平衡重要影响因子。在森林生态系统中,林木自身要消耗40%～70%的净光合产物才能维持细根的周转,地下部分的净初级生产占总净初级生产的50%～80%,因此,根系呼吸对森林生产力有重要影响。本文以长白山阔叶红松林重要组成树种——水曲柳（Fraxinus mandshurica）为研究对象,以野外测试和室内分析相结合的研究方法,从不同径级根系呼吸特点及其对土壤氮素供给的反应入手,系统地研究了自然条件下不同林龄大树和人工栽培条件下苗木根系呼吸及其影响因素,对水曲柳根系呼吸、不同径级根系功能、物质分配及影响根系呼吸的环境因素和生理生态因素进行了探讨,并分析了根系内氮、碳代谢对根系呼吸的调控机理。本文主要有以下几个方面的研究结论:（1）长白山阔叶红松林内不同龄级水曲柳根系呼吸速率的季节变化动态比较明显（P＜0.01）,林木生长季节内根系呼吸呈“单峰”曲线;水曲柳根系比根呼吸速率随着树龄的增加而降低,而单位表面积呼吸速率则相反;不同径级根系呼吸速率在7月份或8月份达到最高值而在冬季最低;单位表面积根系呼吸速率随着根系直径的增加而提高,而比根呼吸速率则随根系直径的增加而降低;随着径级的增加根系维持呼吸所占比例逐渐提高,而生长呼吸则降低。自然条件下,水曲柳不同径级根系呼吸速率随着根系氮含量的提高而呈上升,但相关性随根系加粗而减小;不同树龄间水曲柳根系呼吸速率与根系氮含量的相关性没有显著变化。（2）自然条件下,不同林龄水曲柳各径级根系呼吸速率与空气温度、不同层次土壤温度均为显著的指数相关,而根系呼吸速率与土壤温度相关性随土壤层次的加深而下降;成熟林根系呼吸的Q10值比幼林略高,表明高龄林木根系呼吸对土壤温度升高的反应比低龄林木敏感;自然条件下,水曲柳不同径级根系呼吸温度系数Q10值在2.21～2.33之间变化,并与水曲柳根系径级呈负相关,表明水曲柳天然林中土壤温度变化对细根呼吸速率影响更大。当土壤湿度在一定阈值以下时,根系呼吸速率随土壤湿度增大而升高,而超过这一阈值根系呼吸速率则降低。水曲柳呼吸速率与土壤氮含量呈显著的线性正相关,其相关性随树木年龄的增加而减小,而随根系加粗而变大。（3）栽培条件下,水曲柳苗木根系呼吸速率具有明显的季节性变化,在生长季节其变化曲线为“单峰”型,7月最高,8月以后迅速下降,到10月下旬苗木停止生长时仅为维持呼吸。氮素浓度和氮素形态比例处理对水曲柳苗木根系呼吸季节动态的影响均达到显著水平,对Q10值也有不同程度的影响。水曲柳苗木根系呼吸的Q10值在2.37～4.64之间,并随根系径级加大而降低,说明水曲柳苗木细根呼吸对土壤温度变化的反应更为敏感。（4）水曲柳苗木根系呼吸速率与根系全氮含量呈线性相关,并在不同月份、不同根系径级间达到显著相关,而相关性随根系加粗而降低,根组织氮素浓度是影响根系呼吸作用的重要因素。根系呼吸速率与根系硝态氮含量和铵态氮含量也都呈显著线性正相关,并且呼吸速率与硝态氮含量的R2值明显高于其与铵态氮含量的R2值。根系呼吸速率与根系可溶性蛋白含量为显著对数相关,而与氮代谢关键酶NR和GS活性均呈显著线性正相关,并且根系呼吸速率与NR活性的相关性高于GS活性。水曲柳苗木不同径级根系呼吸速率与根系TNC（包括可溶性糖和淀粉）浓度呈显著的二项式关系。水曲柳苗木细根呼吸速率与根系总吸收面积和活跃吸收面积均呈显著的线性相关,并且根系单位表面积呼吸速率与根系活力相关性高于比根呼吸速率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 前言
• 1.1 研究背景与目的意义
• 1.2 国内外有关研究概述
• 1.2.1 有关呼吸的概念
• 1.2.1.1 呼吸的定义
• 1.2.1.2 生长呼吸与维持呼吸的区分
• 1.2.1.3 呼吸与生长间的关系
• 1.2.2 根系呼吸与土壤呼吸的关系
• 1.2.2.1 土壤呼吸影响因素及测定方法
• 1.2.2.2 根系呼吸对土壤呼吸的影响
• 1.2.3 根系呼吸的影响因素
• 1.2.3.1 土壤温度
• 1.2.3.2 土壤湿度
• 1.2.3.3 植被类型
• 2浓度'>1.2.3.4 空气中CO₂浓度
• 1.2.3.5 根系直径大小
• 1.2.3.6 土壤养分
• 1.2.3.7 其它因素
• 1.2.4 氮素与根系的关系及其对根系呼吸的影响
• 1.2.4.1 氮素与根系的关系
• 1.2.4.2 根系对氮素吸收的动力学特征
• 1.2.4.3 氮素对根系呼吸的影响
• 1.2.5 根系呼吸的研究方法
• 1.2.5.1 间接测定法
• 1.2.5.2 直接测定法
• 1.2.6 根系呼吸研究存在问题及研究趋势
• 1.2.6.1 存在问题
• 1.2.6.2 研究趋势
• 1.2.7 水曲柳及其根系研究现状
• 1.2.7.1 水曲柳研究现状
• 1.2.7.2 水曲柳根系研究现状
• 1.3 本研究的主要内容和重点解决问题
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 重点解决的问题
• 第2章 试验地概况与研究方法
• 2.1 试验地概况
• 2.1.1 野外试验
• 2.1.2 苗圃盆栽控制试验
• 2.1.3 水培试验
• 2.2 试验设计
• 2.2.1 野外试验
• 2.2.2 盆栽试验
• 2.2.2.1 试验材料
• 2.2.2.2 试验设计
• 2.2.2.3 营养液配方
• 2.2.3 水培实验
• 2.2.3.1 活体根系呼吸测定试验设计
• 2.2.3.2 离子吸收实验（常规耗竭法）设计
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 根系呼吸测定
• 2.3.1.1 离体根系法
• 2.3.1.2 直接测定法
• 2.3.2 根系形态和生理指标测定
• 2.3.2.1 根系表面积测定
• 2.3.2.2 根系鲜重、干重测定
• 2.3.2.3 根系全氮测定
• 2.3.2.4 根系硝态氮含量、铵态氮含量测定
• 2.3.2.5 根系活力测定
• 2.3.2.6 根系可溶性蛋白含量测定
• 2.3.2.7 根系碳水化合物测定
• 2.3.2.8 氮代谢关键酶活性的测定
• 2.3.3 环境因子测定
• 2.3.3.1 气温、土壤温度测定
• 2.3.3.2 土壤湿度测定
• 2.3.3.3 土壤全氮测定
• 3^-、NH₄⁺测定'>2.3.3.4 溶液中NO₃^-、NH₄⁺测定
• 2.3.4 数据分析
• 2.4 技术路线
• 第3章 自然条件下水曲柳根系呼吸及其影响因子
• 3.1 水曲柳根系呼吸季节动态
• 3.1.1 水曲柳根系呼吸季节动态
• 3.1.2 不同龄级水曲柳根系呼吸季节动态
• 3.1.3 不同径级水曲柳根系呼吸季节动态
• 3.2 水曲柳根系的维持呼吸与生长呼吸
• 3.3 根系氮含量与根系呼吸的关系
• 3.3.1 根系全氮含量的季节动态
• 3.3.2 不同径级根系氮含量与根系呼吸
• 3.3.3 不同龄级林木根系氮含量与根系呼吸
• 3.4 土壤条件对根系呼吸的影响
• 3.4.1 土壤温度与根系呼吸
• 3.4.1.1 阔叶红松林内气温和土壤温度的季节变化
• 3.4.1.2 土壤温度对不同龄级水曲柳根系呼吸的影响
• 3.4.1.3 土壤温度对水曲柳不同径级根系呼吸的影响
• 3.4.2 土壤湿度对根系呼吸的影响
• 3.4.2.1 土壤湿度对不同龄级水曲柳根系呼吸的影响
• 3.4.2.2 土壤湿度对水曲柳不同径级根系呼吸的影响
• 3.4.3 土壤氮含量对根系呼吸的影响
• 3.4.3.1 土壤氮含量对根系氮含量的影响
• 3.4.3.2 土壤氮含量对不同龄级水曲柳根系呼吸的影响
• 3.4.3.3 土壤氮含量对水曲柳不同径级根系呼吸的影响
• 3.5 小结
• 第4章 氮素对水曲柳苗木根系呼吸的影响
• 4⁺和NO₃^-的吸收'>4.1 水曲柳苗木根系对NH₄⁺和NO₃^-的吸收
• 4⁺和NO₃^-的吸收量与时间的关系'>4.1.1 水曲柳幼苗根系对NH₄⁺和NO₃^-的吸收量与时间的关系
• 3^-、NH₄⁺吸收动力学特征和差异'>4.1.2 不同树龄水曲柳幼苗的NO₃^-、NH₄⁺吸收动力学特征和差异
• 4⁺对不同树龄水曲柳幼苗NO₃^-吸收的影响'>4.1.3 NH₄⁺对不同树龄水曲柳幼苗NO₃^-吸收的影响
• 4.2 氮素对水曲柳苗木根系呼吸季节动态的影响
• 4.2.1 不同径级水曲柳苗木根系呼吸季节动态
• 4.2.2 不同氮素浓度处理苗木根系呼吸的季节动态
• 4.2.2.1 氮素浓度对水曲柳苗木根系呼吸季节动态的影响
• 4.2.2.2 氮素浓度对根系呼吸与土壤温度关系的影响
• 4.2.3 不同氮素形态处理苗木根系呼吸的季节动态
• 4.2.3.1 氮素形态对水曲柳苗木根系呼吸季节动态的影响
• 4.2.3.2 氮素形态对根系呼吸与土壤温度关系的影响
• 4.3 氮素对水曲柳根系呼吸的作用强度
• 4.3.1 氮素浓度对水曲柳根系呼吸的作用强度
• 4.3.2 氮素形态对水曲柳根系呼吸的作用强度
• 4.4 小结
• 第5章 氮素对水曲柳苗木根系呼吸的作用机制
• 5.1 根系氮吸收与根系呼吸
• 5.1.1 根系全氮含量与根系呼吸的关系
• 5.1.1.1 氮素处理对水曲柳苗木根系氮含量的影响
• 5.1.1.2 根系全氮含量与根系呼吸的关系
• 5.1.2 根系氮素形态与根系呼吸的关系
• 5.1.2.1 氮素形态比例处理对水曲柳苗木根系不同形态氮素含量的影响
• 5.1.2.2 根系硝态氮含量与根系呼吸的关系
• 5.1.2.3 根系铵态氮含量与根系呼吸的关系
• 5.2 根系氮利用与根系呼吸
• 5.2.1 可溶性蛋白与根系呼吸的关系
• 5.2.1.1 氮素浓度对水曲柳苗木根系可溶性蛋白含量的影响
• 5.2.1.2 根系可溶性蛋白含量与根系全氮含量的关系
• 5.2.1.3 可溶性蛋白与根系呼吸的关系
• 5.2.2 氮素代谢关键酶活性与根系呼吸的关系
• 5.2.2.1 氮素处理对根系氮代谢关键酶活性的影响
• 5.2.2.2 根系氮代谢关键酶活性与根系呼吸的关系
• 5.3 根系活力与根系呼吸
• 5.3.1 氮素对根系活力季节动态的影响
• 5.3.2 根系活力与根系呼吸的关系
• 5.4 碳水化合物对根系呼吸的控制
• 5.4.1 不同氮素浓度下根系碳水化合物季节动态
• 5.4.2 根系碳水化合物分配与根系呼吸
• 5.5 氮素对根呼吸调控途径分析
• 5.6 小结
• 第6章 结论与讨论
• 6.1 主要结论
• 6.2 问题与讨论
• 6.3 研究特色与创新点
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 成果目录清单
• 致谢