毕业论文皇甫川流域不同植物器官N、P元素含量与植物类群关系的初步研究.doc

皇甫川流域3种植物器官N、P元素含量与植物类群及其生境关系的初步研究（内蒙古大学生命科学学院，呼和浩特，010021）摘 要：在内蒙古鄂尔多斯高原皇甫川流域内，采用凯氏定氮法和比色法，对砒砂岩土壤类型上的大针茅、早熟禾和百里香3个共有种的根、茎、叶、花等不同营养部位的N、P含量进行了测量，并对得到的数据进行对比分析，研究结果表明：3种植物的N、P含量具有很大差异：百里香的N、P含量较高，大针茅的N、P含量较低，而早熟禾的N、P含量介于二者之间；根据生长速率理论，可以得出本地区植物的生长主要受到P元素的限制。这些指标可作为生物地球化学和植物营养物质循环的基础数据，同时也可为该地区植被恢复与重建过程中有针对性地补充营养元素提供理论依据。关键词：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 Inner 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 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 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引言区域植物的营养元素循环研究是现代生态学研究的热点，氮、磷作为生态系统中非常重要的营养元素，对其在植物各器官和组织中分布与含量的研究是开展生物地球化学循环和植物营养物质元素循环研究的重要基础，对于深入了解生态系统的生态过程和生态功能非常重要。目前国内关于植物的氮、磷营养结构动态和植物对于不同氮、磷营养状况的响应研究还比较缺乏。本文采用凯氏定氮法和比色法，对内蒙古鄂尔多斯高原皇甫川流域内不同土壤类型上的大针茅、早熟禾和百里香3个共有种的根、茎、叶、花不同营养部位的N、P含量进行了测定，并进行了氮、磷的吸收利用分析，可作为区域尺度营养物质循环和能量流动等研究的基础数据，并对研究提高黄土高原水土保持综合治理的成效和畜牧业可持续发展具有重要的理论价值和实践意义。1.研究区自然概况 皇甫川流域位于39. 2 39. 9°N ， 110. 3 111. 2°E，地跨鄂尔多斯高原和黄土高原，地质、地貌的过渡特征十分明显，较大地势高差和较强暴雨侵蚀使流域水系充分发育，加上人为因素，加速了水土流失，将流域切割、塑造成梁峁窄小，沟壑密布，地形破碎的丘陵沟壑地貌.该流域属黄土丘陵沟壑区，侵蚀模数高达30000 tö/km2·a，沟壑密度5 6 km/km2，是黄河下游河道底部粗沙的主要来源，其多沙、粗沙、强烈水土流失，在我国乃至世界上都是罕见的.研究区为半干旱大陆性季风气候，年平均降雨量为379 420 mm ，并集中在夏季.年平均蒸发量很大，为年平均降水量的2. 7 倍. 冬春季风力强盛且频繁，年均风速2 3 m/s，大风日数10 30 d.多发性的暴雨、大风和较大的温差提供了较强的侵蚀动力，造成强烈的水土流失，深刻地影响到植被的发育. 研究区的地带性土壤为以砒砂岩为母质的栗钙土，并有大面积的黄绵土分布.此外， 还广泛分布着风沙土及小面积分布的冲积土等非地带性土壤. 本流域的植被现状可以分为乔木、灌木、草地等多种类型. 研究区地带性植被为暖温型典型草原本氏针茅(Stip a bung eana) 草原，目前已破坏殆尽，在恢复演替过程中，被百里香(Thym us serpy llum ) 草原所代替.群落主要植物种有百里香(Thym us serpy llum)、本氏针茅(Stip a bung eana)、阿尔泰狗娃花(H eterop app us altaicus)、糙隐子草(C leistog enes squarrosa) 等，其中以百里香为主的小半灌木占总产量的25%56.4% ，禾本科占16.5% 33% ，豆科占5.1% 23.6%。草丛盖度20% 40% ，高度在512cm 之间，百里香为建群种， 本氏针茅居优势地位。2.研究材料与方法百里香（Thym us serpy llum）是唇形科百里香属的小半灌木，草原旱生植物。广布于典型草原带的平原沙壤质上，常为草原植物群落的伴生种，在表土常态侵蚀较强烈的区域上，则往往形成一起为建群的草原群落演替变型。在所选研究区皇甫川流域，土壤侵蚀作用抑制了本氏针茅的发育，被百里香侵入，形成此生群落，并广泛分布，成为该流域主要牧场。这表明由于人们的过度放牧，无节制的开垦，以使区域生态条件恶化，草木发育不良。草地早熟禾(Poapratensis)属禾本科早熟禾属的多年生草本植物，广布世界各地，青藏高原有野生种分布。它具直伸或匍匐的根茎，属根茎疏丛型草类，秆单生或成疏丛，直立、光滑，野生状态下株高3050cm，草地早熟禾营养丰富，产量高，适应性强，是一种优良的牧草和生态草种，由于该草种具有发达根茎，在人工草地中具有极强的侵占能力，易形成坚硬的草皮，其作为高寒草甸/黑土型退化草地恢复与改建的先锋草种表现了良好的生态和牧用价值"大针茅（Stipa grandis）蒙名为黑拉杆那，是多年生禾本科草本植物，高50-100厘米，分枝细弱。大针茅为密丛型旱生植物，是亚洲中部草原区特有的典型草原种类。在温带的典型草原地带，大针茅草原是主要的组成部分。大针茅各种牲畜都可采食，基生叶丰富并能较完整地保存至冬春，可为牲畜提供大量有价值的饲草。生殖枝营养价值较差。大针茅的饲用价值不如同属的小型针茅。大针茅常与羊草、米氏冰草、糙隐子草等优良牧草组成大针茅+羊草+丛生禾草草原及大针茅+丛生小禾草草原，成为内蒙古中，东部地区重要的放牧场。在皇甫川砒砂岩土壤类型选取不同样地，在2007年5中旬，分别选取大针茅、早熟禾和百里香3个共有种，每期每种随机各取30株（丛），将植株连根挖起装袋，样品采集后，根、茎、叶、果(花)各部立即分开、洗净、烘干，粉碎过筛备用。共有植株的对比分析主要取N、P的含量能够反映营养特性的指标。1）、凯氏定氮法测氮：样品中的含N有机物在加速剂的参与下，经浓H2SO4消煮分解，有机N转化为铵态N，碱化后即可把NH3蒸馏出来，用H3BO3吸收，以标准酸滴定，求出N含量。N%=（V-V0）N×0.014×100%/W2）、钼锑抗比色法测磷：用NaHCO3提取P到溶液中，然后将待测液用钼锑抗混合显色剂在常温下进行还原成磷钼蓝，其蓝色深浅程度在一定范围内与浓度成正比。根据朗伯特-比尔消光定律。当一定强度的单色光通过一个有色溶液（或悬浊液时），则有一部分被吸收，被吸收的量与该有色溶液的厚度和浓度成正比。当厚度一定时，则只与浓度成正比。因此，可以用比色法测定样品中P的含量。P%=浓度×比色体积×分取倍数×100%/样品重3.结果与分析3.1砒砂岩上不同植物N含量的比较表1 砒砂岩上不同植物不同器官的N含量根茎叶花早熟禾15.2717.9720.77大针茅4.9814.03百里香13.2719.2120.39 从表1中可以看出：在砒砂岩上早熟禾、大针茅、百里香不同部位的氮含量关系大致为：百里香>早熟禾>大针茅。而植物自身根、茎、花、叶的N含量关系叶大致为：花>叶>茎>根。氮素在植物体内主要存在于蛋白质和叶绿素中，所以刚开的花和幼嫩的茎叶中氮含量在全年最高，茎的氮含量较低是因为它是养分的运输器官，当进入果期后，茎叶中的氮素逐渐向果实、根茎等贮藏器官中转移，故含量下降，这与氮在植物体内的分布规律相符3.2砒砂岩上不同植物P含量的比较表2 砒砂岩上不同植物不同器官的P含量根茎叶花早熟禾0.490.41大针茅0.250.48百里香0.311.10.94从表2中可以看出：在砒砂岩上早熟禾、大针茅、百里香不同部位的磷含量关系大致为：百里香>早熟禾>大针茅。而植物自身根、茎、花、叶的N含量关系叶大致为：花>叶>茎>根。，茎的磷含量低于叶和果(花)，3.3 不同植物不同部位的N/P比值的比较表3 不同植物不同部位的N/P比值根茎叶花早熟禾3116344.92520.77大针茅19.92029.229百里香42.80617.46421.691 从表3可以看出，各植物不同部位的N/P比值都较高，都在16以上。其中早熟禾的比值最高，大针茅的数值最低。4.结论41 N对植物的影响氮素是构成一切生命体的重要元素。在作物生产中，作物对氮的需求量较大，土壤供N不足是引起农产品生产量下降和品质降低的主要限制因子。同时N素肥料使用过多会造成江湖水体的富营养化、地下水硝态N（NO3N）积累及毒害等。氮在植物各器官的含量对其生理活动有重大影响，而土壤中氮供给量则严重影响着植物对氮的吸收以及氮在植物体内的分配。通常，植物吸收的氮绝大多数被分配到同化和吸收器官中，其它器官中的氮含量相对较低。碳氮代谢是植物生长发育的过程中最基本的代谢过程，光合作用是碳代谢的重要部分，其强度与碳代谢强度呈正相关"在一定的光强范围内，植物的光合速率随光照的增强而增加，对养分的需要量随之增加，吸收能力增强。氮代谢强度常用硝酸还原酶活性表示，其活性高低对整个氮代谢的强弱起关键作用。在充足的氮素供应下，硝酸还原酶活性强，植物叶片中的氮含量高，叶绿体中的叶绿素含量增加(叶绿体中的氮占叶片中氮总量的70%)，光合作用强度增大，光氮的交互作用影响着植物的物质生产，光合产物的形成、转化分配和碳氮代谢。植物各器官在生长过程中执行各自的功能，因此，不同器官对养分的需求必然存在差异。从下图中可以看出，植物总体的N含量是：花>叶>茎>根，并且，百里香对N的需求量最大，大针茅的需求量最小。本研究发现，植物体内不同器官养分含量差异显著，植物叶中的 N 和 P 的含量都高于其它器官，植物木质部的养分大部分被转移到更需要的部位，如植物叶片、嫩枝和细根，茎和粗根通常维持较低的养分含量，在这里我们也证实了这一点，植物叶片是植物光合作用的主要场所，植物在生长过程中将大量的营养物质传递给叶片，以满足植物生长的需要。图1 砒砂岩上不同植物不同器官的N含量4.2 P对植物的影响三大营养元素之一的磷，也是植物生长发育不可缺少的营养元素。磷是植物体内许多重要有机物的组分，同时又以多种方式参与植物体内各种代谢过程，其在土壤中的含量、有效性及被根吸收的水平严重制约植物的生长。磷是继氮之后影响植物生长的第二位大量元素，在植物中占干重总量的0.05%0.3%。调查发现，土壤磷浓度到植物细胞中磷浓度之间的浓度梯度超过2000 倍，土壤溶液中的磷含量平均只有1mol·L-1 ，该浓度远低于植物吸收能力，因而多数植物的生长发育均受到磷供给的限制 。由图2可以看出，三种植物的P含量都有如下特点：根的含量最低，茎叶的含量最高；早熟禾总体的P含量多于大针茅和百里香，大针茅的含量最低。本实验证明了磷素是细胞质和细胞核的组成成分，并且参与多种酶的组成，磷首先向生长中心运输，且移动性较大。磷主要分布在叶柄中和叶中，其中叶柄中分配比例最高，而根中比例较低，说明叶柄是贮藏和利用磷素的主要器官。图2 砒砂岩上不同植物不同器官的P含量4.3 N/P比值对植物的影响临界比值被认为可以作为判断环境对植物生长的养分供应状况的指标。Sakamoto（1996）发现当海藻N：P比值在1017范围内时，N和P对叶绿素的产生量的作用几乎相同（N、P同时限制或都不限制生产量），当N：P小于10时叶绿素的产生量仅受N的限制，而当N：P比值大于17时，叶绿素的产生量仅受P的限制。Wassen等（1995）、Koerselman和Meuleman（1996）通过对湿地植被施肥实验表明，N：P比大于16时，可以认为这个系统是受P限制的；而当N：P比小于14时，这一生态系统被认为是受N限制的。在N：P比为1416时，被认为是受到两种元素共同限制或两种元素都不缺少。Braakhekke和Hooftman（1999）通过对土壤养分贫瘠的草地进行施肥试验，认为植物叶片N或P不足的N：P比分别为10和14。结合叶片中N和P的大小，Braakhekke和Hooftman认为N：P比大于14而植物叶片P含量低于1。0mg/g时，这个系统是受P限制的；而当N：P比小于10和植物叶片N含量低于20mg/g时，这一生态系统被认为是受N限制的。N：P比在1014范围内的被认为是受到两种元素共同限制（当P<1。0mg/g和N<20。0mg/g）或两种元素都不缺少（当P>1。0mg/g和N>200mg/g时）。当然，由于研究区域、植物器官及植物种类（种间和种内）的差异，N：P临界指标也会发生很大变化。由图3可看出，N/P的比值远大于14，而由图2可以看出，P在植物中的含量基本上都低于1。0mg/g，因此可以判定这几种植物生长是受到P的限制。而磷不足将导致细胞缺失完整性。磷的合成物(例如ADP ，NAD和NADP) 在以核苷为基础的代谢中起着关键作用，DNA、RNA、脂质和核苷中磷含量的典型比例是0.221.51。因此，当土壤中的磷供给量低于植物的需求量时，通常改变植物体内碳同化物质的分配格局，并使植物的形态构造发生变化，总体趋势是:在磷缺少环境可在一定程度上促进根系发育，径级较小的根系得到较多的碳，其占总根系的生物量比例显著提高，而较粗的根系和根桩生物量占总根系生物量的比例显著降低;在形态上，根系分支量显著增加，尤其是细根数量和根毛数量与密度大幅度提高；与此相反，缺乏磷将导致地上部分生物量积累降低。由此可以直接证明，在皇甫川流域，植物的根系较发达，细根数量和根毛数量比较大，而地上部分生物积累量比较少。图3 不同植物不同部位的N/P比值4.4 对自然状况的评价 土壤速效氮(碱解氮)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标。由本实验得出的数据及结论可以看出：皇甫川流域的N、P含量都较低，百里香、早熟禾、大针茅3种植物生长尤其受到P含量的限制，在区域内，百里香这种草原伴生种已经成为优势种，表明本地区的水土流失比较严重，需要我们进一步进行治理。致谢：在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师贾志斌老师的热情关怀和悉心指导，感谢我的学姐席海灵的帮助和鼓励，正是有了他们的帮助，我的论文才得以顺利完成。首先，我要特别感谢我的指导老师贾志斌老师，在我撰写论文的过程中，给我提供了极大的帮助和指导，从开始选题到最终定稿，贾老师给我提供了许多宝贵建议。贾老师学识渊博，学风严谨，平易近人，使我明白了许多接人待物和为人处世的道理。其次，我要感谢我的学姐席海灵学姐。我的论文得以顺利完成，离不开学姐对我的帮助，特别是在野外采样期间，学姐不仅教会了我很多学习上的知识，更对我在野外期间的生活起居给予了极大的照顾，我非常感谢她。最后，对我的指导老师和学姐再次致以我最衷心的感谢！参考文献：1 蔡超，贾志斌，杨持 皇甫川流域不同生态环境类型对草地植物群落结构的影响J，内蒙古大学学报（自然科学版），2001，32（3）：3143182 贾志斌，孙旺，刘书润 内蒙古两个不同温度型草原站点植物科属组成及生态类群对比J，内蒙古大学学报（自然科学版），2001，32（3）：3273323 侯艳伟，贾志斌，杨持 皇甫川流域不同生态环境区5个共有植物种群性状特征的比较研究J，内蒙古大学学报（自然科学版），2001，32（3）：3193234 黄富祥，高琼，傅德山，刘振铎 内蒙古鄂尔多斯高原典型草原百里香-本氏针茅草地地上生物量对气候相应动态回归分析J，生态学报，2001，21（8）：133913465 姜丹，陈雅君，刘丹，胡海辉 光氮互作对草地早熟禾碳氮代谢的影响J，中国草地，2005，27（6）：49536 杨时海，马玉寿，施建军，王彦龙，严青 黄河源区草地早熟禾生长节律的研究J，中国草地，2006，36（4）：8107 高清竹，杨劼，李国强，金争平，王正文 皇甫川流域百里香群落水分状况的研究J，中国草地，2000，5：23278 黄和平，杨劼，毕军，宋炳煜 皇甫川流域植被恢复对改善土壤肥力的作用研究J，水土保持通报，2005，25（3）：3740