模拟温度变化对天山云杉自毒作用影响

【摘要】天山云杉(Piceaschrenkiana)为云杉属植物,是中亚和亚洲中部山地特有种,新疆山地-绿洲-荒漠生态系统的生命之源。在火干扰受到人为管控的有限时间尺度内森林的自然恢复过程中,天山云杉天然更新不良导致的生产力下降已成为长期困惑新疆林业工作者的一大难题。本课题组在以往的研究中提出“天山云杉天然更新障碍自毒作用”假设,发现天山云杉针叶和凋落物水浸提取液对种子萌发和幼苗生长存在自毒效应,凋落物水提取液乙醚萃取相中存在的3,4～羟基苯乙酮(DHAP)是引起天山云杉自毒作用的最主要化学物质基础。那么,在全球气候变暖的大背景下天山云杉的自毒作用又会产生怎样的变化,回答以上问题对于解释未来天山地区森林群落演替、生态系统恢复与健康、天山云杉林可持续经营管理等具有一定意义。研究中在天山云杉分布地新疆天山西部林业局昭苏林场、巩留林场、中部新疆农业大学实习林场、国家林业局天山森林生态系统定位站和东部哈密林场建立5个样地23条样带69个样点,埋设土壤温度采样探头,采集了10年间(2003-2012)天山云杉种子萌发与幼苗生长关键时期5-7月间土壤温度数值,确定了天山云杉种子萌发与幼苗生长的基准温度。人工智能模拟温度升高(降低)环境中天山云杉凋落物水提取液、不同极性萃取相、3,4-二羟基苯乙酮自毒活性的变化,得出如下主要结论：1、种子萌发期(5月15-6月15日)天山云杉分布核心区海拔2100～2300m,日土壤温度变化为：9.4-15.2℃C,夜土壤温度变化为：3.6～5.5℃。2003年至2012年10年间,种子萌发期日平均温度升高：0.4～0.8℃,夜平均温度升高：0.2～0.4℃。幼苗生长期(6月16-7月15日)天山云杉分布核心区海拔2100～2300m,日土壤温度变化为：12.5～17.6℃,夜土壤温度变化为：5.2-7.9℃。2003年～2012年10年间,幼苗生长期间日平均温度升高：0.5-0.8℃,夜平均温度升高范围：0.3～0.6℃。基于以上分析,确定天山云杉种子萌发期间日温度为：12℃,夜温为4℃；幼苗生长期间日温度为：14℃,夜温度为6℃。在此基础上设计温度增加2℃(2060年)、4℃(2110年)和降低2℃、4℃,分析天山云杉自毒作用强弱变化的情况。2、温度升高天山云杉种子萌发速率、实生苗胚芽长、胚根长和鲜重显著增加,种子萌发率变化不显著；温度降低天山云杉种子萌发速率与萌发率、实生苗胚芽长、胚根长和鲜重均显著降低,温度变化对天山云杉更新期种子萌发和幼苗生长有显著影响。温度升高与降低凋落物水提取液(3.2mg/ml)对种子萌发和幼苗生长均存在显著抑制作用,凋落物中存在的化感物质随温度增高自毒活性增强。3、凋落物低极性组分(乙醚萃取相)自毒活性显著高于中等极性组分(乙酸乙酯萃取相)和高极性组分(正丁醇萃取相)。低极性组分(各浓度)随温度升高对种子萌发和幼苗生长抑制作用增强。中等和高极性组分低浓度状态(1.0mg/ml)对种子萌发和幼苗生长存在促进作用,促进作用随温度升高有增强；中间浓度状态(2.5-5.0mg/ml)对种子萌发和幼苗生长存在抑制作用,温度升高对抑制作用的影响存在多样性；高浓度状态(10.0mg/ml)对种子萌发和幼苗生长抑制作用显著,温度升高显著增强抑制作用。4、极低浓度DHAP溶液(0.1mM)对天山云杉种子发育有促进作用,低浓度溶液(0.5mM)对种子萌发作用介于促进与抑制之间,后随浓度增高抑制作用增强,符合自毒物质作用的规律“低促-高抑”。天山云杉自毒物质DHAP效应转化拐点浓度为0.5mM左右,低于自毒物质效应转化拐点浓度状态,温度升高对种子萌发促进效应与自毒效应呈现叠加效应,加速种子萌发过程；温度降低对种子萌发抑制效应可以被自毒效应减弱,表现为种子萌发速率高于对照低于温度降低前的状态。高于自毒物质效应转化拐点浓度状态时,种子发育过程温度升高自毒物质作用敏感性增强,表现出种子萌发速率和萌发率随温度升高而降低的现象。
【作者】阮晓；
【导师】蒋德安；王强；
【作者基本信息】浙江大学，植物学，2014，博士
【关键词】气候变化；天山云杉；自毒作用；3,4-二羟基苯乙酮；森林天然更新；

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