畢業(yè)論文皇甫川流域不同植物器官N、P元素含量與植物類群關(guān)系的初步研究

1、內(nèi)蒙古大學(xué)本科畢業(yè)論文皇甫川流域3種植物器官n、p元素含量與植物類群及其生境關(guān)系的初步研究（內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，呼和浩特，010021）摘 要：在內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原皇甫川流域內(nèi)，采用凱氏定氮法和比色法，對砒砂巖土壤類型上的大針茅、早熟禾和百里香3個(gè)共有種的根、莖、葉、花等不同營養(yǎng)部位的n、p含量進(jìn)行了測量，并對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，研究結(jié)果表明：3種植物的n、p含量具有很大差異：百里香的n、p含量較高，大針茅的n、p含量較低，而早熟禾的n、p含量介于二者之間；根據(jù)生長速率理論，可以得出本地區(qū)植物的生長主要受到p元素的限制。這些指標(biāo)可作為生物地球化學(xué)和植物營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也可為

2、該地區(qū)植被恢復(fù)與重建過程中有針對性地補(bǔ)充營養(yǎng)元素提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：n、p含量，n/p比率the primary research for the relationship between the n and p content of 3 species of plant organs and plant group and its habitat in huangfuchuan watershed wanglilijiazhibinabstract:in the huangfuchuan watershed which lies in the erdos highland of the i

3、nner mongolia autonomous region,adopting the kjeldahl determination and the colorimetry to measure the content of the n and p differently in the foots,stems,leaves and the flowers of the thym us serpy llum, poa annua and stipa grandis .the results have many differences:the content of n and p in thym

4、 us serpy llums organ was higher than the others,in stipa grandis was lower,the data of the poa annua between the thym us serpyllum and stipagrandis ;according to the growth rate hypothesis,we can see that the growing of these plants in this area was limited by the content of the p;these targets can

5、 regard as the basic data of the biogeochemical cycle and the plants nutrition cycle,and also can provide a basis clearly for adding nourishment during the process of the vegetations recovering and rebuilding.key words:the content of n and p; n/p rate引言區(qū)域植物的營養(yǎng)元素循環(huán)研究是現(xiàn)代生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)，氮、磷作為生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的營養(yǎng)元素，對其

6、在植物各器官和組織中分布與含量的研究是開展生物地球化學(xué)循環(huán)和植物營養(yǎng)物質(zhì)元素循環(huán)研究的重要基礎(chǔ)，對于深入了解生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過程和生態(tài)功能非常重要。目前國內(nèi)關(guān)于植物的氮、磷營養(yǎng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)和植物對于不同氮、磷營養(yǎng)狀況的響應(yīng)研究還比較缺乏。本文采用凱氏定氮法和比色法，對內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原皇甫川流域內(nèi)不同土壤類型上的大針茅、早熟禾和百里香3個(gè)共有種的根、莖、葉、花不同營養(yǎng)部位的n、p含量進(jìn)行了測定，并進(jìn)行了氮、磷的吸收利用分析，可作為區(qū)域尺度營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)等研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對研究提高黃土高原水土保持綜合治理的成效和畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。1.研究區(qū)自然概況 皇甫川流域位于

7、39. 2 39. 9n ， 110. 3 111. 2e，地跨鄂爾多斯高原和黃土高原，地質(zhì)、地貌的過渡特征十分明顯，較大地勢高差和較強(qiáng)暴雨侵蝕使流域水系充分發(fā)育，加上人為因素，加速了水土流失，將流域切割、塑造成梁峁窄小，溝壑密布，地形破碎的丘陵溝壑地貌.該流域?qū)冱S土丘陵溝壑區(qū)，侵蝕模數(shù)高達(dá)30000 t/km2a，溝壑密度5 6 km/km2，是黃河下游河道底部粗沙的主要來源，其多沙、粗沙、強(qiáng)烈水土流失，在我國乃至世界上都是罕見的.研究區(qū)為半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均降雨量為379 420 mm ，并集中在夏季.年平均蒸發(fā)量很大，為年平均降水量的2. 7 倍. 冬春季風(fēng)力強(qiáng)盛且頻繁，年均風(fēng)速

8、2 3 m/s，大風(fēng)日數(shù)10 30 d.多發(fā)性的暴雨、大風(fēng)和較大的溫差提供了較強(qiáng)的侵蝕動(dòng)力，造成強(qiáng)烈的水土流失，深刻地影響到植被的發(fā)育. 研究區(qū)的地帶性土壤為以砒砂巖為母質(zhì)的栗鈣土，并有大面積的黃綿土分布.此外， 還廣泛分布著風(fēng)沙土及小面積分布的沖積土等非地帶性土壤. 本流域的植被現(xiàn)狀可以分為喬木、灌木、草地等多種類型. 研究區(qū)地帶性植被為暖溫型典型草原本氏針茅(stip a bung eana) 草原，目前已破壞殆盡，在恢復(fù)演替過程中，被百里香(thym us serpy llum ) 草原所代替.群落主要植物種有百里香(thym us serpy llum)、本氏針茅(stip a bun

9、g eana)、阿爾泰狗娃花(h eterop app us altaicus)、糙隱子草(c leistog enes squarrosa) 等，其中以百里香為主的小半灌木占總產(chǎn)量的25%56.4% ，禾本科占16.5% 33% ，豆科占5.1% 23.6%。草叢蓋度20% 40% ，高度在512cm 之間，百里香為建群種， 本氏針茅居優(yōu)勢地位。2.研究材料與方法百里香（thym us serpy llum）是唇形科百里香屬的小半灌木，草原旱生植物。廣布于典型草原帶的平原沙壤質(zhì)上，常為草原植物群落的伴生種，在表土常態(tài)侵蝕較強(qiáng)烈的區(qū)域上，則往往形成一起為建群的草原群落演替變型。在所選研究區(qū)皇甫

10、川流域，土壤侵蝕作用抑制了本氏針茅的發(fā)育，被百里香侵入，形成此生群落，并廣泛分布，成為該流域主要牧場。這表明由于人們的過度放牧，無節(jié)制的開墾，以使區(qū)域生態(tài)條件惡化，草木發(fā)育不良。草地早熟禾(poapratensis)屬禾本科早熟禾屬的多年生草本植物，廣布世界各地，青藏高原有野生種分布。它具直伸或匍匐的根莖，屬根莖疏叢型草類，稈單生或成疏叢，直立、光滑，野生狀態(tài)下株高3050cm，草地早熟禾營養(yǎng)豐富，產(chǎn)量高，適應(yīng)性強(qiáng)，是一種優(yōu)良的牧草和生態(tài)草種，由于該草種具有發(fā)達(dá)根莖，在人工草地中具有極強(qiáng)的侵占能力，易形成堅(jiān)硬的草皮，其作為高寒草甸/黑土型退化草地恢復(fù)與改建的先鋒草種表現(xiàn)了良好的生態(tài)和牧用價(jià)值大

11、針茅（stipa grandis）蒙名為黑拉桿那，是多年生禾本科草本植物，高50-100厘米，分枝細(xì)弱。大針茅為密叢型旱生植物，是亞洲中部草原區(qū)特有的典型草原種類。在溫帶的典型草原地帶，大針茅草原是主要的組成部分。大針茅各種牲畜都可采食，基生葉豐富并能較完整地保存至冬春，可為牲畜提供大量有價(jià)值的飼草。生殖枝營養(yǎng)價(jià)值較差。大針茅的飼用價(jià)值不如同屬的小型針茅。大針茅常與羊草、米氏冰草、糙隱子草等優(yōu)良牧草組成大針茅+羊草+叢生禾草草原及大針茅+叢生小禾草草原，成為內(nèi)蒙古中，東部地區(qū)重要的放牧場。在皇甫川砒砂巖土壤類型選取不同樣地，在2007年5中旬，分別選取大針茅、早熟禾和百里香3個(gè)共有種，每期每種

12、隨機(jī)各取30株（叢），將植株連根挖起裝袋，樣品采集后，根、莖、葉、果(花)各部立即分開、洗凈、烘干，粉碎過篩備用。共有植株的對比分析主要取n、p的含量能夠反映營養(yǎng)特性的指標(biāo)。1）、凱氏定氮法測氮：樣品中的含n有機(jī)物在加速劑的參與下，經(jīng)濃h2so4消煮分解，有機(jī)n轉(zhuǎn)化為銨態(tài)n，堿化后即可把nh3蒸餾出來，用h3bo3吸收，以標(biāo)準(zhǔn)酸滴定，求出n含量。n%=（v-v0）n0.014100%/w2）、鉬銻抗比色法測磷：用nahco3提取p到溶液中，然后將待測液用鉬銻抗混合顯色劑在常溫下進(jìn)行還原成磷鉬藍(lán)，其藍(lán)色深淺程度在一定范圍內(nèi)與濃度成正比。根據(jù)朗伯特-比爾消光定律。當(dāng)一定強(qiáng)度的單色光通過一個(gè)有色溶液

13、（或懸濁液時(shí)），則有一部分被吸收，被吸收的量與該有色溶液的厚度和濃度成正比。當(dāng)厚度一定時(shí)，則只與濃度成正比。因此，可以用比色法測定樣品中p的含量。p%=濃度比色體積分取倍數(shù)100%/樣品重3.結(jié)果與分析3.1砒砂巖上不同植物n含量的比較表1 砒砂巖上不同植物不同器官的n含量根莖葉花早熟禾15.2717.9720.77大針茅4.9814.03百里香13.2719.2120.39 從表1中可以看出：在砒砂巖上早熟禾、大針茅、百里香不同部位的氮含量關(guān)系大致為：百里香早熟禾大針茅。而植物自身根、莖、花、葉的n含量關(guān)系葉大致為：花葉莖根。氮素在植物體內(nèi)主要存在于蛋白質(zhì)和葉綠素中，所以剛開的花和幼嫩的莖葉

14、中氮含量在全年最高，莖的氮含量較低是因?yàn)樗丘B(yǎng)分的運(yùn)輸器官，當(dāng)進(jìn)入果期后，莖葉中的氮素逐漸向果實(shí)、根莖等貯藏器官中轉(zhuǎn)移，故含量下降，這與氮在植物體內(nèi)的分布規(guī)律相符3.2砒砂巖上不同植物p含量的比較表2 砒砂巖上不同植物不同器官的p含量根莖葉花早熟禾0.490.41大針茅0.250.48百里香0.311.10.94從表2中可以看出：在砒砂巖上早熟禾、大針茅、百里香不同部位的磷含量關(guān)系大致為：百里香早熟禾大針茅。而植物自身根、莖、花、葉的n含量關(guān)系葉大致為：花葉莖根。，莖的磷含量低于葉和果(花)，3.3 不同植物不同部位的n/p比值的比較表3 不同植物不同部位的n/p比值根莖葉花早熟禾311634

15、4.92520.77大針茅19.92029.229百里香42.80617.46421.691 從表3可以看出，各植物不同部位的n/p比值都較高，都在16以上。其中早熟禾的比值最高，大針茅的數(shù)值最低。4.結(jié)論41 n對植物的影響氮素是構(gòu)成一切生命體的重要元素。在作物生產(chǎn)中，作物對氮的需求量較大，土壤供n不足是引起農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)量下降和品質(zhì)降低的主要限制因子。同時(shí)n素肥料使用過多會造成江湖水體的富營養(yǎng)化、地下水硝態(tài)n（no3n）積累及毒害等。氮在植物各器官的含量對其生理活動(dòng)有重大影響，而土壤中氮供給量則嚴(yán)重影響著植物對氮的吸收以及氮在植物體內(nèi)的分配。通常，植物吸收的氮絕大多數(shù)被分配到同化和吸收器官中，

16、其它器官中的氮含量相對較低。碳氮代謝是植物生長發(fā)育的過程中最基本的代謝過程，光合作用是碳代謝的重要部分，其強(qiáng)度與碳代謝強(qiáng)度呈正相關(guān)在一定的光強(qiáng)范圍內(nèi)，植物的光合速率隨光照的增強(qiáng)而增加，對養(yǎng)分的需要量隨之增加，吸收能力增強(qiáng)。氮代謝強(qiáng)度常用硝酸還原酶活性表示，其活性高低對整個(gè)氮代謝的強(qiáng)弱起關(guān)鍵作用。在充足的氮素供應(yīng)下，硝酸還原酶活性強(qiáng)，植物葉片中的氮含量高，葉綠體中的葉綠素含量增加(葉綠體中的氮占葉片中氮總量的70%)，光合作用強(qiáng)度增大，光氮的交互作用影響著植物的物質(zhì)生產(chǎn)，光合產(chǎn)物的形成、轉(zhuǎn)化分配和碳氮代謝。植物各器官在生長過程中執(zhí)行各自的功能，因此，不同器官對養(yǎng)分的需求必然存在差異。從下圖中可以

17、看出，植物總體的n含量是：花葉莖根，并且，百里香對n的需求量最大，大針茅的需求量最小。本研究發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)不同器官養(yǎng)分含量差異顯著，植物葉中的 n 和 p 的含量都高于其它器官，植物木質(zhì)部的養(yǎng)分大部分被轉(zhuǎn)移到更需要的部位，如植物葉片、嫩枝和細(xì)根，莖和粗根通常維持較低的養(yǎng)分含量，在這里我們也證實(shí)了這一點(diǎn)，植物葉片是植物光合作用的主要場所，植物在生長過程中將大量的營養(yǎng)物質(zhì)傳遞給葉片，以滿足植物生長的需要。圖1 砒砂巖上不同植物不同器官的n含量4.2 p對植物的影響三大營養(yǎng)元素之一的磷，也是植物生長發(fā)育不可缺少的營養(yǎng)元素。磷是植物體內(nèi)許多重要有機(jī)物的組分，同時(shí)又以多種方式參與植物體內(nèi)各種代謝過程，其

18、在土壤中的含量、有效性及被根吸收的水平嚴(yán)重制約植物的生長。磷是繼氮之后影響植物生長的第二位大量元素，在植物中占干重總量的0.05%0.3%。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤磷濃度到植物細(xì)胞中磷濃度之間的濃度梯度超過2000 倍，土壤溶液中的磷含量平均只有1moll-1 ，該濃度遠(yuǎn)低于植物吸收能力，因而多數(shù)植物的生長發(fā)育均受到磷供給的限制 。由圖2可以看出，三種植物的p含量都有如下特點(diǎn)：根的含量最低，莖葉的含量最高；早熟禾總體的p含量多于大針茅和百里香，大針茅的含量最低。本實(shí)驗(yàn)證明了磷素是細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核的組成成分，并且參與多種酶的組成，磷首先向生長中心運(yùn)輸，且移動(dòng)性較大。磷主要分布在葉柄中和葉中，其中葉柄中分配比

19、例最高，而根中比例較低，說明葉柄是貯藏和利用磷素的主要器官。圖2 砒砂巖上不同植物不同器官的p含量4.3 n/p比值對植物的影響臨界比值被認(rèn)為可以作為判斷環(huán)境對植物生長的養(yǎng)分供應(yīng)狀況的指標(biāo)。sakamoto（1996）發(fā)現(xiàn)當(dāng)海藻n：p比值在1017范圍內(nèi)時(shí)，n和p對葉綠素的產(chǎn)生量的作用幾乎相同（n、p同時(shí)限制或都不限制生產(chǎn)量），當(dāng)n：p小于10時(shí)葉綠素的產(chǎn)生量僅受n的限制，而當(dāng)n：p比值大于17時(shí)，葉綠素的產(chǎn)生量僅受p的限制。wassen等（1995）、koerselman和meuleman（1996）通過對濕地植被施肥實(shí)驗(yàn)表明，n：p比大于16時(shí)，可以認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)是受p限制的；而當(dāng)n：p比小

20、于14時(shí)，這一生態(tài)系統(tǒng)被認(rèn)為是受n限制的。在n：p比為1416時(shí)，被認(rèn)為是受到兩種元素共同限制或兩種元素都不缺少。braakhekke和hooftman（1999）通過對土壤養(yǎng)分貧瘠的草地進(jìn)行施肥試驗(yàn)，認(rèn)為植物葉片n或p不足的n：p比分別為10和14。結(jié)合葉片中n和p的大小，braakhekke和hooftman認(rèn)為n：p比大于14而植物葉片p含量低于1。0mg/g時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)是受p限制的；而當(dāng)n：p比小于10和植物葉片n含量低于20mg/g時(shí)，這一生態(tài)系統(tǒng)被認(rèn)為是受n限制的。n：p比在1014范圍內(nèi)的被認(rèn)為是受到兩種元素共同限制（當(dāng)p1。0mg/g和n1。0mg/g和n200mg/g時(shí)）。當(dāng)

21、然，由于研究區(qū)域、植物器官及植物種類（種間和種內(nèi)）的差異，n：p臨界指標(biāo)也會發(fā)生很大變化。由圖3可看出，n/p的比值遠(yuǎn)大于14，而由圖2可以看出，p在植物中的含量基本上都低于1。0mg/g，因此可以判定這幾種植物生長是受到p的限制。而磷不足將導(dǎo)致細(xì)胞缺失完整性。磷的合成物(例如adp ，nad和nadp) 在以核苷為基礎(chǔ)的代謝中起著關(guān)鍵作用，dna、rna、脂質(zhì)和核苷中磷含量的典型比例是0.221.51。因此，當(dāng)土壤中的磷供給量低于植物的需求量時(shí)，通常改變植物體內(nèi)碳同化物質(zhì)的分配格局，并使植物的形態(tài)構(gòu)造發(fā)生變化，總體趨勢是:在磷缺少環(huán)境可在一定程度上促進(jìn)根系發(fā)育，徑級較小的根系得到較多的碳，其

22、占總根系的生物量比例顯著提高，而較粗的根系和根樁生物量占總根系生物量的比例顯著降低;在形態(tài)上，根系分支量顯著增加，尤其是細(xì)根數(shù)量和根毛數(shù)量與密度大幅度提高；與此相反，缺乏磷將導(dǎo)致地上部分生物量積累降低。由此可以直接證明，在皇甫川流域，植物的根系較發(fā)達(dá)，細(xì)根數(shù)量和根毛數(shù)量比較大，而地上部分生物積累量比較少。圖3 不同植物不同部位的n/p比值4.4 對自然狀況的評價(jià) 土壤速效氮(堿解氮)和速效磷(有效磷)含量反映了土壤的供氮和供磷水平，是表征土壤肥力的主要指標(biāo)。由本實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)及結(jié)論可以看出：皇甫川流域的n、p含量都較低，百里香、早熟禾、大針茅3種植物生長尤其受到p含量的限制，在區(qū)域內(nèi)，百里香這種草原伴生種已經(jīng)成為優(yōu)勢種，表明本地區(qū)的水土流失比較嚴(yán)重，需要我們進(jìn)一步進(jìn)行治理。致謝：在論文完成之際，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師賈志斌老師的熱情關(guān)懷和悉心指導(dǎo)，感謝我的學(xué)姐席海靈的幫助和鼓勵(lì)，正是有了他們的幫助，我的論文才得以順利完成。首先，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師賈志斌老師，