黄土丘陵沟壑区植物抗氧化特性和渗透调节作用研究

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植被自然恢复是防治和改善黄土丘陵沟壑区水土流失和生态环境的根本途径和主要措施。深入研究该区土壤侵蚀环境对自然植被生理活动的影响和不同植物对土壤侵蚀环境的生理适应机制及能力,对该区植被恢复中抗侵蚀植物的选择与配置具有重要意义。而植物的抗氧化特性和渗透调节作用是反映其抵御逆境的重要生理特性。因此,本文通过对黄土丘陵沟壑区延河流域梁峁沟坡不同立地环境下18科32属38种植物主要抗氧化物、丙二醛和渗透调节物质含量的测定及环境数据的获取,在界定样地土壤侵蚀环境特征的基础上,分析了遗传背景与土壤侵蚀环境对供试植物抗氧化特性和渗透调节作用的相对影响,探究了不同植物的抗氧化和渗透调节机制,阐明了限制供试植物抗氧化特性和渗透调节作用的土壤侵蚀环境因子,并基于两种生理特性对供试植物的环境适应性进行了综合评价。主要研究结果如下:1.本研究区峁顶样地的土壤侵蚀强度较轻,而阴沟坡、阴梁峁坡和阳梁峁坡多为中度或强烈,阳沟坡则多存在极强烈或剧烈的土壤侵蚀;样地土壤总体上表现为松紧适宜、微碱性、干旱和缺素。典型土壤侵蚀环境因子为水热条件、土壤容重、海拔、土壤有机质和土壤水分,分别代表土壤侵蚀环境的气候条件、土壤松紧度、地形、土壤养分和水分条件。2.供试植物的抗氧化机制与能力主要取决于遗传背景,而土壤侵蚀环境决定其能否适应及进化方向。禾本科和豆科植物采用以抗氧化酶为主的抗氧化机制,其主要抗氧化酶受土壤侵蚀环境制约较强,但其抗氧化能力也较强。而鼠李科和瑞香科植物采用以非酶抗氧化物质GSH为主的抗氧化机制,其他科植物采用抗氧化酶和非酶抗氧化物质共同抵御的抗氧化机制。其中,鼠李科、瑞香科、槭树科、壳斗科、蔷薇科、忍冬科、莎草科、胡颓子科、木犀科、桦木科、唇形科和萝藦科植物的主要抗氧化物抑制膜脂过氧化作用不明显,蔷薇科黄刺枚和木樨科植物还受制于土壤养分条件而莎草科植物受土壤侵蚀环境制约较弱;菊科和马钱科植物的主要抗氧化物抑制膜脂过氧化作用显著,但菊科植物受土壤侵蚀环境制约较强;败酱科和柏科植物的各抗氧化物含量水平均不高,败酱科植物受地形和土壤的综合制约。对于禾本科、豆科、菊科和蔷薇科植物,不同物种之间的抗氧化机制及其环境限制因子也存在一定差异。3.供试植物的抗氧化能力表现为:禾本科和豆科植物较强,槭树科和壳斗科植物次之,萝藦科、菊科、桦木科、木犀科、蔷薇科、胡颓子科、莎草科、鼠李科、忍冬科、马钱科、唇形科、瑞香科、败酱科和柏科植物较弱;禾本科植物中,长芒草和中华隐子草较强,糙隐子草、赖草、白羊草和大针茅次之,芦苇较弱;豆科植物中,糙叶黄芪、草木樨状黄芪和达乌里胡枝子较强,甘草和狼牙刺较弱;菊科植物中,阿尔泰狗娃花较强,野菊和茭蒿次之,铁杆蒿、猪毛蒿和冷蒿较弱;蔷薇科植物中,黄刺玫较强,水栒子、杜梨、菊叶委陵菜和绣线菊较弱。4.供试植物的渗透调节机制与作用也主要取决于遗传背景,而土壤干旱直接导致供试物种渗透调节物质的积累,地形、土壤松紧度和养分则对渗透调节起间接的干扰或辅助作用。胡颓子科、菊科、马钱科和瑞香科植物采用的以无机离子和有机溶质共同维持膨压的渗透调节机制,菊科植物受土壤侵蚀环境制约较强,但渗透调节作用也较强;瑞香科植物的Na+和K+含量显著协同变化,而胡颓子科和马钱科植物的主要渗透调节物质分别发挥非协同和负协同的渗透调节作用。其他科植物均以无机离子发挥主要调控作用,因而渗透调节作用较弱,其中蔷薇科、禾本科、败酱科和木犀科植物受土壤侵蚀环境制约较弱。对于菊科植物,不同物种之间的渗透调节机制及其环境限制因子差异较大;而对于蔷薇科、豆科和禾本科植物,不同物种的差异不明显。5.供试植物的渗透调节作用表现为:胡颓子科、菊科、马钱科和瑞香科植物较强,萝藦科、槭树科、蔷薇科、忍冬科、鼠李科、唇形科、桦木科、败酱科、壳斗科、木犀科、豆科、莎草科、禾本科和柏科植物较弱;菊科植物中,茭蒿、猪毛蒿、野菊和阿尔泰狗娃花较强,铁杆蒿和冷蒿较弱;蔷薇科植物中,菊叶委陵菜和黄刺玫较强,绣线菊、杜梨和水栒子较弱;豆科植物中,甘草较强,狼牙刺、草木樨状黄芪、达乌里胡枝子和糙叶黄芪较弱;禾本科植物中,赖草、白羊草和芦苇较强,中华隐子草、长芒草、糙隐子草和大针茅较弱。6.基于上述两种生理特性供试植物对土壤侵蚀环境的适应性表现为:禾本科、豆科和槭树科植物较强,菊科、马钱科和胡颓子科植物次之,蔷薇科、萝藦科、桦木科、忍冬科、莎草科、木犀科和败酱科植物较弱;禾本科植物中,长芒草、中华隐子草、赖草、糙隐子草和白羊草较强,大针茅和芦苇较弱;豆科植物中,糙叶黄芪、草木樨状黄芪和达乌里胡枝子较强,甘草和狼牙刺较弱;菊科植物中,茭蒿、野菊、阿尔泰狗娃花和猪毛蒿较强,铁杆蒿和冷蒿较弱;蔷薇科植物中,黄刺玫、菊叶委陵菜和水栒子较强,杜梨和绣线菊较弱。7.供试植物的抗氧化酶SOD活性、丙二醛、渗透调节物质Na+、脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量对土壤侵蚀环境反应较为敏感,可作为甄选抗侵蚀植物的生理指标。
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