基本信息
- 项目名称：
- 入侵植物反枝苋的氮素生理特性研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 反枝苋原产于美洲；现广泛传播并归化于世界各地。在中国，反枝苋已散布到四川、重庆、西藏（芒康）等25个城市。在19世纪中叶，反枝苋被发现于河北和山东。为菜园、果园及棉花和玉米等旱作物地中的常见杂草。研究返现，该植物可富集硝酸盐，家畜过量食用后会引起中毒。现在，反枝苋已成为一种破坏性极大的入侵植物，亟需对其进行深入研究，以便促进生物防治方法的有效运用。
- 详细介绍：
- 人类已经散布到了整个地球，而且有意无意地携带了许多物种。向某些地区引入外来的物种（exotic species），已经给当地生物多样性带来了毁灭性的冲击。对引入外来物种冲击最敏感的，是那些从高水平竞争和捕食中隔离进化过来的当地物种。 入侵物种（invasive species）（包括入侵的动物和植物）有三个基本特征：（1）通过有意或无意的人类活动而被引入一个非本源地区域；（2）在当地的自然或人造生态系统中形成了自我再生能力；（3）给当地的生态系统或地理结构造成了明显的损害或影响。目前，许多物种已被列为“外来入侵物种”，如紫茎泽兰、飞机草、互花米草、水葫芦、家高粱、空心莲子草、一年蓬、反枝苋等植物，它们已给入侵地的生态系统带来了极大的负面影响，直接影响到当地某些植物的生存与发展，甚至给当地的经济发展造成了十分明显的不利作用（万方浩等，2002）。因此，外来入侵物种入侵是严重的环境问题，也是生态学研究的焦点问题（Higgins et al., 2001）。 直至现在，对于生物入侵问题的研究，可概括为两大点：一是生境的入侵性（Grant and Benton, 2000）；二是物种的入侵性（Alpert, 1995; Bais et al., 2003）。这两方面的研究已较多的报道，但不同的入侵植物所表现出的特性是不同的，其所造成的破坏效应程度也迥异。在入侵性方面，人们关注得多的是植物的表型可塑性。表型可塑性是环境对基因型表达的一种修饰，换而言之，表型可塑性是同一基因型由于环境条件的改变，在表型上作出相应变化的能力，是生物适应环境的一种方式（Fox, 1993）；例如，在植物入侵性方面，紫茎泽兰对干扰、放牧、营养供给、水、光等的反应有较大的可塑性。 植物的形态和生长特性可能与入侵性有密切联系。与土著种相比，外来入侵种往往表现出较高的相对生长速率、比叶面积、叶面积和可塑性（Williamson and Fitter, 1996）。入侵物种通过营养生长和生殖生长的分离来降低繁殖投入。降低繁殖投入有利于缓解营养生长和繁殖生长之间的矛盾，出现营养生长和繁殖生长都较高的情况（Williams and Black, 1994）。其次，营养利用与竞争可能是某些植物能够成功入侵的重要特性。在自然种群上，不同的养分利用策略，很大程度上支配着其种群的行为（Maron and Connors, 1996）。在矿质养分中，氮是其中最重要的营养元素之一。氮素是植物需求量最大的矿质元素，同时也是植物生长发育的限制因子。在所有的必需元素中，氮是限制植物生长和形成产量的首要因素。 入侵种与本地种生长于同一生境中，它们可能要利用相同的资源，即会发生资源竞争的现象。入侵种和本地中生理生态特性的比较研究，是研究植物入侵性的一种有效的方法（Mack, 1996）。通过氮素的利用和竞争的深入研究，可以揭示外来种的入侵机制。本课题将主要从植株生长量和氮素的利用等方面，研究入侵物种反枝苋（Amaranthus retroflexus L.）的入侵性。 反枝苋是一年生草本，高20~80 cm，有时达1.3 m；茎直立，粗壮，淡绿色，有时具带紫色条纹，稍具钝棱，密生短柔毛。叶片菱状卵形或椭圆状卵形，常5~12 cm，宽2~5 cm，先端锐尖或尖凹，有小凸尖，基部楔形，有柔毛。圆锥花序顶生及腋生，直立，直径2~4cm，由多数穗状花序形成，顶生花穗较侧生者长；苞片及小苞片钻形，长4~6 mm，白色，先端具芒尖；花被片白色，有1淡绿色细中脉，先端急尖或尖凹，具小突尖。胞果扁卵形，环状横裂，包裹在宿存花被片内。种子近球形，直径1 mm，棕色或黑色。生于山坡、路旁、旷野、荒地、田边、沟旁、河岸等处。花期7~8月，果期8~9月。种子繁殖（李振宇，2002）。 反枝苋原产于美洲；现广泛传播并归化于世界各地。在中国，反枝苋已散布到黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北、北京、山东、山西、河南、陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆、湖北、湖南、安徽、江苏、浙江、江西、上海、四川、重庆、西藏（芒康）。在19世纪中叶，反枝苋被发现于河北和山东。为菜园、果园及棉花和玉米等旱作物地中的常见杂草。研究返现，该植物可富集硝酸盐，家畜过量食用后会引起中毒。 现在，反枝苋已成为一种破坏性极大的入侵植物，亟需对其进行深入研究，以便促进生物防治方法的有效运用。鉴于现有的研究概况，本课题拟研究反枝苋的氮素利用特性，既可以促进对其入侵特性（机制）的了解，还可以为有效地控制其种群提供实践参考。可见，本研究具有重要的理论和实践意义。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本研究旨在达到2个目标：第一，阐明反枝苋利用氮素的特性，在生活史的不同阶段，植物利用氮素的表型可塑性；第二，查明反枝苋在含不同硝酸盐的环境下的生长特征。 基本思路第一，反枝苋的物候特征与生活史的描述；第二，施加不同量的氮肥，测量其生物量、叶面积比、根冠比等参数；第三，测定不同氮素环境下，反枝苋叶的光和色素含量并比较之；第四（RCI）的测量；第五，测定不同硝酸盐条件下的硝酸还原酶活性。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品的创新点就是在反枝苋的生活史的不同阶段，研究其利用氮素的特性，这些特性通过其生长参数和数个生理指标来测度。
应用价值和现实意义
- 反枝苋已成为一种破坏性极大的入侵植物，对其进行深入研究，以便促进生物防治方法的有效运用。鉴于现有的研究概况，本课题从研究反枝苋的氮素利用特性，既可以促进对其入侵特性（机制）的了解，还可以为有效地控制其种群提供实践参考。可见，本作品具有重要的理论和实践意义。
学术论文摘要
- 反枝苋（Amaranthus retroflexus）是一种分布很广的入侵物种，对本地生物多样性具有极大的危害性。以家苋（Amaranthus mangostanus）为对照，通过施以不同量的尿素和硝酸钾，分别检测了有关指标，结果表明：在同水平的营养水平，反枝苋比家苋具有更高含量的光合色素含量和更大的叶面积；在较低的硝酸钾处理（相当于施加钾肥与氮肥）时，根冠比增大，随着处理浓度的增加，其根冠比降低，这说明在低水平的硝酸钾处理水平时，生物量较多的分配到了吸收器官根，当硝酸钾处理水平较高时，其生物量较多的投入到了同化器官（叶和茎）。此外，当遭受氯化钠胁迫时，反枝苋的脯氨酸含量先增加，后稍微降低，这说明反枝苋具有较强的耐盐性。可以推知，特定的养分的响应机制和耐盐特性，是反枝苋入侵扩展的重要原因。因此，在防治其入侵时，控制其养分利用途径和增加盐胁迫强度将是有效的选择。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- 王满莲，2005. 紫茎泽兰对养分的响应及与入侵性的关系. 硕士论文, 中国科学院研究生院（保存 Marnon JL, Connors PG, 1996. A native nitrogen-fixing shrub facilitates weed invasion. Oecologia, 105, 302-312 Milberg P, Lamont BB, Pérez-Fernández MA, 1999. Survival and growth of native and exotic composites in response to a nutrient gradient. Plant Ecology, 145, 125-132
同类课题研究水平概述
- 直至现在，对于生物入侵问题的研究，可概括为两大点：一是生境的入侵性（Grant and Benton, 2000）；二是物种的入侵性（Alpert, 1995; Bais et al., 2003）。这两方面的研究已较多的报道，但不同的入侵植物所表现出的特性是不同的，其所造成的破坏效应程度也迥异。在入侵性方面，人们关注得多的是植物的表型可塑性。表型可塑性是环境对基因型表达的一种修饰，换而言之，表型可塑性是同一基因型由于环境条件的改变，在表型上作出相应变化的能力，是生物适应环境的一种方式（Fox, 1993）；例如，在植物入侵性方面，紫茎泽兰对干扰、放牧、营养供给、水、光等的反应有较大的可塑性。 植物的形态和生长特性可能与入侵性有密切联系。与土著种相比，外来入侵种往往表现出较高的相对生长速率、比叶面积、叶面积和可塑性（Williamson and Fitter, 1996）。入侵物种通过营养生长和生殖生长的分离来降低繁殖投入。降低繁殖投入有利于缓解营养生长和繁殖生长之间的矛盾，出现营养生长和繁殖生长都较高的情况（Williams and Black, 1994）。其次，营养利用与竞争可能是某些植物能够成功入侵的重要特性。在自然种群上，不同的养分利用策略，很大程度上支配着其种群的行为（Maron and Connors, 1996）。在矿质养分中，氮素是植物需求量最大的矿质元素，同时也是植物生长发育的限制因子。在所有的必需元素中，氮是限制植物生长和形成产量的首要因素。 入侵种与本地种生长于同一生境中，它们可能要利用相同的资源。入侵种和本地中生理生态特性的比较研究，是研究植物入侵性的一种有效的方法（Mack, 1996）。通过氮素的利用和竞争的深入研究，可以揭示外来种的入侵机制。本课题将主要从植株生长量和氮素的利用等方面，研究入侵物种反枝苋（Amaranthus retroflexus L.）的入侵性。 入侵植物在不同营养水平下的生物量分配模式是类似的（Miberg et al., 1999）。同样，Burns（2004）发现，在比较外来种和本地种时，低养分时外来种的根的生长快于本地种，当增加肥料的供给时，同化器官的生物量增加明显快于吸收器管。
