坡面岩体—基质—植被互作的效应和金发草atpA耐寒基因的克隆
随着我国经济建设的快速发展．岩石边坡的生态防护己受到社会各界的广泛关注与高度重视。岩石边坡植被护坡技术是岩石坡面生态防护的主要技术手段，其功能决定于“坡面岩体—基质—植被”系统的效应发挥，开展系统各要素间相互作用效应及系统稳定的调控途径研究，对系统阐明岩石坡面的植被防护机理及工程应用具有重要的科学意义及现实意义。本文围绕工程条件下“坡面岩体—基质—埴被”相互作用的力学效应、抵抗降雨效应、物质循环特征及植被功能稳定调控理论等关键，采用生物学、生态学、岩土工程学、生物地球化学和环境科学等学科交叉，阐明了“坡面岩体—基质—植被”相互作用的内在机制及效应表达，并定量出了相应的控制要素，建立了系统的训控技术体系，也从分子水平对抗逆植物金发草的抗寒性特征进行了研究，为其在岩石边坡生态防护中的应用提供了依据。
论文基于生态系统生态学、景观生态学及恢复生态学基本原理，对“坡面岩体—基质—植被”系统结构与功能进行了详细阐述。研究结果显示：“坡面岩体—基质—植被”系统是与环境的相互作用、相互交织、相互渗透而构成的具有一定结构和功能的统一体，不仅具有整体性、开放性等自然属性，还具有明显的社会经济属性，人是这一系统的重要调节者，人为的物质能量输入对系统功能效应发挥具有重要的影响。坡面岩体、基质及植被是系统的基本结构组成，三者之间相互作用、相互联系，形成力学、水分及养分的功能结构体，维持着系统的功能实现，系统在发挥其坡面防护功能的同时，还具有显著的生态恢复功能。
沦文通过根系与岩体互作、“基质—根系”复合体自身及其与岩体互作的力学试验定量阐述了“坡面岩体一基质一眼系“互作的力学效应，初步阐明了其力学作用机制的变化特征：随灌木类型及岩石风化程度不同，根系与岩体间的力学作用效果不同，在地茎或株高相近的情况下．其作用力随岩石风化程度的加剧而增大，在岩石风化程度相近的情况下，其作用力随地茎、株高及地下生物量的增加而增大，之间具有很好的指数关系：在相同的坡面条件及植物类型下，基质一根系复合体与岩石坡面间的力学作用效应(抗剪)与复合体的含根量和含水量相关，其抗剪强度随复合体含恨量的增加而增大，随含水量的增加而减少；在相同的植被类型下，基质一根系复合体的抗拉、抗剪强度随含根量增加而增大，随含水量的增加而降低。
“坡面岩体一基质一植被”系统在降雨条件下的物质稳定对工程的效应实现具有重要意义。论文采用模拟边坡的人工降雨侵蚀试验，以草本植物狗牙根为建植植物，从泥沙与养分流失的角度研究了系统抵抗降雨的功能效应，结果表明：系统侵蚀以径流侵蚀为主，草本植被层形成的缓冲区具有明显的分流作用，降低了到达基质的有效雨量，在大坡度时更加显著；基质混合物的泥沙与养分流失随坡度与播种量增大而减少，随降雨强度的增大而提高，其抗侵蚀作用还与植被的生长发育程度有关：工程渊控条件下，长时间的高雨强降雨条件，基质泥沙与养分流失量仍处于较低水平，表明系统具有较好的抵抗降雨能力。
论文应用模拟边坡的定位观测试验，对“坡面岩体一基质一植被”系统的物质循环特征进行了研究。系统的养分循环特征研究结果显示：基质是系统营养元素的主要贮藏库．在试验地条件下，生物亚系统营养元素总贮量的顺序为K>N>Ca>Mg>P，与基质中养分元素贮量顺序相比具有一定的相关性，系统的养分年输入量均大于年输出量，系统处于良好的养分积累状态，基质(不包括枯落物及死根)的养分年输入量(K除外)也大于年输出量要维持坡面植被的稳定持续发展，不需要外源补给。而系统的水分循环特征研究结果表明：坡度是影响系统水分循环的主要限制因素，在相同的降雨过程，坡度增加降低了坡面的实际受雨量，并影响基质的水分输入；由于基质良好的水分物理特性，坡面产流为蓄满产流，受降雨特征及基质初期含水量的影响较小：相同的降雨过程，产流历时随坡度增加而延长，在时间动态下，基质含水量沿坡面呈梯度分布，从坡顶到坡底依次增大，相同时空条件下，不同的边坡岩性对系统水分循环具有一定影响。
植被群落演替理论是退化生态系统赖以恢复的重要理论基础，物种多样性变化是群落演替过程中的一个重要指标。论文采用永久样地重复测定的方法，研究了物种多样性在坡面植被群落演替过程中的变化，其特征表明：经过4年的演替时间，人工建植的草本植物已完全被乡土植物替代，在其他条件相同时，阴坡物种数要高于阳坡，缓坡物种数高于陡坡，除光照条件外，水分是影响边坡物种组成的重要因素，边坡周围自然植被的存在对边坡物种组成也具有较重要的影响；随着演替的进行，边坡植物物种的生活型逐渐趋于多样化，多年生植物种类在逐渐增多，阴坡多年生植物种类要高于阳坡，演替进程要略快于阳坡；坡面植被演替过程中，物种丰富度指数(Gleason指数)、多样性指数(Shannon—wiener指数)和Pielou均匀度指数均表现为指数函数变化规律，目前边坡植被正处于高速演替发展时期；从整个演替过程来看，物种丰富度指数(Gleason指数)及多样性指数(Shannon—wiener指数)均表现为阴坡高于阳坡、缓坡高于陡坡，表明水热条件对坡面植被的多样性具有较重要的影响。
论文通过模拟试验及理论构建，从功能材料的定量控制、人工植被群落的构建模式及施工工艺控制方面，阐明了“坡面岩体一基质一植被”系统稳定的调控模式及策略。功能材料的调控试验研究显示：秸秆纤维、PAM及SAP等功能材料具有改良基质结构、提高基质稳定性及增强基质水分调控能力等作用，对系统功能稳定具有重要意义，但其调控效应不随用量的增加而无限制增大，试验条件下，植物秸秆纤维、PAM及SAP在基质混合物中的适宜用量分别在4kg／m。、lOg／m<'2>及80g／m<'2>左右。坡面植被群落的设计调控是“坡面岩体一基质一植被”系统功能稳定调控的重要内容，文章结合岩石坡面特征及“坡面岩体一基质一植被”系统的功能特征，提出了岩石坡面植被群落设计流程、植被筛选原则、组合原则及数量特征设计原则，同时，提出了坡面植被群落设计的基本模式，并对其应用条件进行了阐述。施工工艺调控试验研究结果表明：喷射压力及供水量是系统稳定调控的重要工艺参数，植被出苗率、后期生长高度及最大收缩率随喷射压力的增加而降低，随供水量的增加而提高；基质混合物抗剪强度与回弹率表现为随喷射压力的增加而提高，随供水量的增加而降低；文章以植被出苗率、后期生长高度及基质混合物的最大收缩率、抗剪强度、回弹率为综合评价指标，建立了喷射施工的效应调控模型。
抗逆植物的应用是岩石边坡生态防护的重要技术策略，其抗寒性对于植物选择和应用非常重要。论文对抗逆植物金发草的抗寒性特征进行了研究，并在运用mRNA差异显示技术(DDRT-PCR)从金发草中获得了受冷抑制的atpA基因3＇端序列的基础上，通过5＇RACE获得了atpA基因全长cDNA，其长度为1754bp，开放阅读框(ORF)长1518bp，编码505个氨基酸。对2℃低温胁迫及解除胁迫后恢复过程中共13个时段的RNA印迹分析表明，atpA基因在低温胁迫12h转录受到强烈抑制，在低温胁迫开始后的4～8h及解除胁迫后的16~--．24h，其转录水平明显强于对照。该实验结论为揭示CF<,1>α亚基对调控ArPase在植物御冷性反应中的作用，以及α亚基在植物低温信号转导中的作用提供了新的线索，也为进一步研究金发草耐寒机理及其应用提供了技术理论依据。
论文对“坡面岩体一基质一植被”的互作效应及调控进行了较为全面的探讨，研究结论初步阐明了系统各要素间及其与环境的作用机制，建立了系统稳定的调控技术体系，系统阐明了抗逆植物金发草的抗寒性特征，为岩石坡面生态防护技术理论发展提供了科学依据。
岩石坡面;植被护坡;生态恢复;互作效应;金发草
四川大学
博士
遗传学
杨志荣
2006
中文
Q785;TU457
149
2007-08-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）