泥炭地泥炭藓持久孢子库纬度格局及其机理研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chenchenyaya
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生物体的长寿性是学术界研究探讨的永恒主题。在泥炭地发现的维管植物种子和苔藓植物孢子长寿记录可能归因于环境呈较强酸性,长期积水,氧和有效养分贫乏,植物次生代谢物质丰富,导致分解缓慢。作为泥炭地最高效的炭累积植物,目前泥炭藓的持久孢子库研究十分匮乏,已知长白山哈泥泥炭地地层中的泥炭藓孢子能存活680年,迫切需要回答其他泥炭地是否存在更长寿的泥炭藓孢子,以及泥炭地泥炭藓形成持久孢子库的生态学机理。  作者通过提取不同纬度泥炭地地层中的泥炭藓孢子,测试孢子活力与埋藏年限,估算各泥炭地地层中孢子的最大寿命,以期获得泥炭藓孢子持久性的纬度格局。研究埋藏环境对地层泥炭藓孢子活力的影响。通过野外和室内模拟实验,尝试回答泥炭地泥炭藓孢子长寿性的生态学机理。得到以下主要结论:  1)全球18处泥炭地剖面泥炭藓孢子分析显示,不同纬度泥炭藓泥炭地地层均蕴含泥炭藓孢子(5-1562个/cm3),其活力均随着埋藏深度增加而逐渐下降。泥炭藓孢子的最大寿命与埋藏地纬度、年均温和海拔存在显著的模型关系,分别随着纬度增加以及海拔和年均温降低而延长。研究表明,因泥炭藓孢子的散布以近距离输出为主,通过地层泥炭藓孢子数量垂直分布规律,可以推断历史时期泥炭藓孢子产量,甚至推演气候的干湿状况。根据泥炭藓孢子最大寿命与地理纬度的模型关系可推断,若出现干扰后,高纬度地区泥炭地通过地层孢子的有性更新,实现自然恢复潜力较大。  2)三处纬度差异较大的泥炭地地层泥炭理化指标与对应泥炭层的泥炭藓孢子活力的关系研究显示,碳氮比、总磷、纤维素、灰分和埋藏年限与孢子的活力有着显著的相关关系。总有机碳、纤维素和埋藏年限共同直接影响孢子的活力,并且其他因素通过总有机碳和纤维素对孢子的活力有较大的间接影响。回归模型显示,随着碳氮比和纤维素的升高,孢子活力上升;而随着灰分含量升高,孢子活力下降。地层泥炭藓孢子的活力除了受到自然老化的影响,还受埋藏环境的影响,环境分解作用强烈、维管植物残体多均不利于孢子活力的保持。  3)将四种泥炭藓孢子埋藏于三处不同纬度泥炭地,一年后埋藏纬度对孢子萌发和建植潜力有显著影响。在最高纬度的满归泥炭地埋藏的孢子迅速萌发能力较强,平均萌发时间较短。说明气候变暖对泥炭地泥炭藓孢子库的长存有负效应。然而,在中间纬度的哈泥泥炭地埋藏后孢子的建植潜力最强,由于四种泥炭藓孢子均采集于哈泥,表明泥炭藓在建植的时候微生境的影响大于纬度的影响。孢子活力与水理化指标的回归模型显示,随着溶解氧和氧化还原电位升高,孢子活力减小,建植潜力降低。  4)生境和埋藏深度对两种孢子活力持久性的实验研究显示,雌雄同株的粗叶泥炭藓虽然孢蒴产量大,但孢子活力持久性较低,因此在水分胁迫的开阔地生境中分布受限。经过短期埋藏后(一年),水位频繁波动处最利于泥炭藓孢子萌发能力的保持,说明在短期内水位波动可能促进了孢子壁的分解,减少了萌发是原丝体破壁所需时间,一旦条件适合,孢子可以迅速萌发。但较长时间过后(两年或三年),持续水淹条件更利于孢子活力持久。该结果表明,当生境受到干扰时,长期保持活力的泥炭藓孢子可以发挥作用,有利于泥炭地的泥炭藓地被的恢复。  5)室内模拟化感物质和充气实验研究显示,在自然状态下,泥炭藓孢子在含有化感物质的泥炭地表水或泥炭藓沥出液中保存,持久性显著高于在超纯水中保存,表明成熟的泥炭藓孢子散落于水淹的苔藓基质或丘间环境中,要比暴露于空气或没有任何物质的纯水中能更好地保持活力。溶解氧和pH以及氮磷等营养物质对泥炭藓孢子活力保持有着显著的负作用。泥炭藓孢子的长寿归功于泥炭沼泽酸化、水淹、厌氧、营养贫乏等环境条件,很有可能是与微生物在严酷环境中种类多样性和活性均较低的原因。在北方泥炭地,泥炭藓孢子散布后可能面临三种命运:在潮湿的藓层中孢子由于强烈的化感作用不会萌发,而是保持活力;在间歇性水淹的生境,孢子可以短期内保持较高活力,一旦条件适宜即可萌发;在持续水淹的生境中,孢子不会萌发,但可以长期维持活力。  简而言之,本论文研究发现,泥炭藓孢子库存在明显的纬度格局,埋藏于纬度较高、年均温较低的泥炭地泥炭藓孢子活力更持久。泥炭地泥炭藓持久孢子库的形成归因于泥炭地独特的环境条件,即水淹、厌氧、酸化及贫营养。
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