竹材因其生长周期短、可再生性强及优异的材料性能,被认为是替代木材、石油基塑料,甚至钢材的重要生物资源。竹材的宏观性能取决于其多尺度结构与组分的协同作用,系统解析竹材多尺度结构特征是实现其增值利用的前提。本文系统综述了近10余年来竹材结构与应用研究领域的最新进展,重点概述了竹材细胞壁层结构、孔隙结构、细胞壁组分分子结构的主要特征,以及组分间的相互作用,总结了竹材不同细胞组织结构与性能的关系,提出了竹纤维和薄壁细胞细胞壁新的多尺度结构模型;同时,系统评述了竹材由整竹应用到竹纤维与薄壁细胞精准利用的研究进展;最后,针对当前研究中存在的不足,展望了竹材细胞壁组分相互作用解译、竹纤维与薄壁细胞功能化应用等方面的发展方向。
解析红锥种子园自由授粉子代家系叶功能性状的遗传变异规律及基因型与环境互作效应(G×E),筛选出关键环境驱动因子,为红锥精准遗传改良与推广提供理论依据。
以广西玉林、柳州和南宁3个试验点的33个5.5年生红锥自由授粉子代家系(母本源自5个地理种源)为材料,测定叶功能(形态、生理)性状,采用巢式方差、因子分析、BLUP-GGE联合分析,系统解析红锥叶功能性状遗传变异规律和G×E效应。
1)单环境试验中,子代叶功能性状在家系水平变异更显著,呈“种源内家系间变异为主、种源间低分化”特征;叶形态、生理性状家系遗传力范围分别为0.02~0.85、0.12~0.92,具备家系选择潜力;2)多环境试验中,叶功能性状显示出显著的点位效应,且跨地点遗传力降至0.03~0.25(形态)、0.10~0.14(生理),表明G×E显著影响红锥叶形态构建和生理代谢过程,并影响生长性状和叶功能性状协同改良;3)因子分析可筛选出各试验点特异适应性优良家系,BLUP-GGE联合分析进一步识别出兼具高产、稳产的广适性优良家系;4)热量因子是驱动红锥叶功能性状空间变异的关键环境因子。
红锥种子园自由授粉子代家系叶功能性状遗传变异主要存在于家系层次,且受G×E效应影响显著。在人工良种选育及推广中,应确立以家系选择为核心、G×E作用规律为指导的育种策略,并根据目标环境和用途精准部署特异或广适性基因型,以优化育种效率与推广效果。
解决当前森林资源调查中人工实测获取数据效率低下的问题。
以大兴安岭地区天然林为研究对象,获取无人机激光雷达(Unmanned aerial vehicle laser scanning,ULS)与手持激光雷达(Handheld laser scanning,HLS)点云数据,进行轨迹解算、滤波与噪声剔除后,使用3D Harris算法提取关键点实现粗配准,进一步利用迭代最近点(Iterative closest point,ICP)算法完成精配准。采用基于冠层高度模型(Canopy height model,CHM)的单木分割方法和基于种子点的K-means层次聚类方法对融合点云进行单木分割,基于最优的单木分割结果提取树高和胸径,再结合二元可加性生物量模型估测单木和样地尺度的生物量和碳储量,验证多平台U-HLS数据在森林精细化监测中的适用性。
1)不同分割方法与数据源的单木分割精度差异显著。基于CHM的分割在无人机点云中虽识别出5 790株个体,但虚假识别率较高,召回率仅0.61,F-score仅0.43;基于种子点的K均值层次聚类法分割在树干位置约束下,识别的完整性与精度明显提升,F-score达0.87,召回率、精确率和F-score分别高107.07%、70.46%、87.49%。2)基于融合点云和K均值层次聚类法得到的单木提取参数中,胸径和树高的总体精度均较高,系统性偏差较小。决定系数均达到0.93,RMSE分别为1.6 cm和1.15 m,相对RMSE均控制在16%以下,偏差仅为0.37 cm和0.02 m。树干位置约束在一定程度上削弱了冠层遮挡造成的误差,使单木参数的提取更加可靠。3)基于U-HLS数据的单木和样地尺度碳储量的估测精度均较高,R2均为0.97,单木尺度的碳储量估测的RMSE为7.14 kg,偏差仅为-0.68 kg,但在大径组(26~36 cm)和小径组(<12 cm)仍表现出一定程度的低估和高估现象。样地尺度碳储量估测的R2为0.97,而RMSE和偏差仅为3.62和-1.27 tC·hm-2,尤其是rRMSE(6.22%),远小于单木尺度rRMSE(23.32%)。说明在样地层面,单木个体的估测误差被进一步平衡,局部的高估与低估被部分抵消,使样地尺度的碳储量估测结果与实测值高度一致。
多平台激光雷达融合能够有效提升单木参数提取及碳储量估测的精度,在复杂林分条件下保持稳定可靠,能够在单木及样地尺度部分替代传统每木检尺调查,为高效地开展精细化森林资源调查和监测提供技术支持。
探讨油茶林在不同生长阶段的高光谱特征与环境因子之间的关系,以期为丘陵区油茶林磷素亏缺诊断提供光谱阈值,进而推动油茶林的精准施肥和科学管理。
将研究区内240株油茶划分为12块样地,测定春梢期、果实膨大期和盛花期3个关键生长期的冠层高光谱数据及地形与土壤因子,并基于国家地球系统科学数据中心获取气候因子数据;选取并计算13个植被指数,结合环境因子构建结构方程模型,量化不同环境因子对油茶冠层光谱特征的影响,揭示其内在关系及空间分布特征。
春梢期、果实膨大期和盛花期油茶冠层高光谱反射率分别为0~0.413、0~0.532和0~0.683,各时期光谱波段与土壤养分因子之间均呈显著相关性。其中,归一化植被指数(NDVI)、光化学植被指数(PRI)、增强植被指数(EVI)、优化土壤调节植被指数(OSAVI)与植物衰老反射指数(PSRI)构建的SEM模型拟合度较好,拟合指数分别为0.94、0.92、0.83、0.90和0.83。油茶冠层光谱特征主要受气候和土壤养分因子的显著直接影响,地形因子作用不显著,主要通过土壤养分因子产生间接效应;温度、降水量、蒸发量、氮素、磷素对油茶冠层光谱的影响显著。
样地内气候、地形与土壤养分因子共同影响油茶冠层光谱特征,其中气候和土壤养分因子起核心作用,地形因子起间接作用。本研究可为油茶规模化种植与精准经营提供科学依据,为提升土壤养分利用效率与高效栽培技术推广提供实践参考。
探究不同短截修剪方式下成年油茶林春梢叶片生长发育及养分动态特征的变化,为油茶修剪技术的优化应用提供理论依据。
试验地设于江西省吉安市峡江县水边镇峡江县林木良种场,对该地14年生‘长林53号’油茶设置5种短截修剪处理:[45°不留茬(D-X0)、45°留茬1 cm(D-X1)、90°不留茬(D-P0)、90°留茬1 cm(D-P1)、对照组不修剪(D-CK)],研究其对春梢生长阶段内叶片生长性状、营养元素及非结构性碳水化合物(NSC)含量的影响。
1)不同短截处理下春梢及叶片形态差异显著,其中以D-X0处理效果最为显著;在养分规律上,全氮在D-X0、D-X1及D-P1处理下显著提高,而全磷、全钾在各短截方式下均呈不同程度增幅;中微量元素在各短截处理下规律各异;NSC在各短截方式下均呈积累趋势;2)时间动态上,春梢形态指标在10~30 d阶段内呈快速生长趋势,之后趋缓;大量元素、镁(Mg)、铁(Fe)含量均呈先降后升趋势,在30 d为含量谷值,钙(Ca)含量持续上升,铜(Cu)含量呈逐步下降趋势,锌(Zn)含量先急剧下降后趋于平缓;NSC呈先升后降趋势,各处理下均在30 d为含量峰值;3)由结构方程模型(SEM)可知,D-X0处理通过叶片大量元素和NSC正向影响叶片生长性状。
D-X0处理对叶片生长性状、大量元素及NSC的积累起显著的促进作用,且通过大量元素和NSC正向调控叶片生长。此外,春梢发育及营养物质呈现显著的时序动态,其中30 d为关键时间节点。
对5个油茶优系叶片解剖结构和光合特性进行相关性分析及综合评价,探究5个油茶优系叶片解剖结构与光合能力的关系,筛选出光合特性表现最佳的优系,为后续选育良种、栽培推广提供科学依据。
将“三华”与‘湘林210’进行人工杂交授粉,选出5个表现较好的油茶优系‘华实’(‘华硕’ב华金’)、‘华增’(‘华金’ב湘林210’)、‘华坨’(‘华金’ב湘林210’)、‘华丰’(‘华硕’ב华鑫’)、‘华苹’(‘华金’ב华鑫’),测定5个油茶优系的叶绿素含量、气孔特性、叶片解剖结构及光合特性等指标,最后运用相关性分析和主成分分析法对5个油茶优系进行评价。
研究发现,‘华坨’的叶形指数最高,‘华实’的叶面积最大、叶绿素总量(10.06 mg·g-1)显著高于其他4个油茶优系,‘华丰’的气孔密度表现最优(10.80个/mm2),‘华增’上表皮厚度最大,而‘华苹’的叶片厚度(523.23 μm)、海绵组织厚度(288.22 μm)、栅栏组织厚度(171.40 μm)以及蒸腾速率均高于其他4个油茶优系。相关性分析显示,叶片的净光合速率与栅栏组织厚度和栅叶比均存在负相关关系,净光合速率与叶厚、上下表皮厚度和TRPS存在正相关关系。主成分分析表明,从10个叶性状指标中提取的4个主成分累计贡献率达85.530%,其中第一、二、三、四主成分分别反映原始数据信息量的29.422%、27.329%、18.203%、10.576%,能够全面反映油茶优系的叶片解剖结构和光合特性。基于主成分分析法算出各优系综合得分,根据综合得分由高到低排序依次为‘华苹’、‘华坨’、‘华丰’、‘华增’、‘华实’。
本研究揭示了油茶优系叶片解剖结构与光合特性的关联,并筛选出光合特性表现最佳的优系‘华苹’,为油茶良种选育提供了重要参考。未来研究应进一步结合多性状综合评价,并考虑环境条件的影响,以提升研究的全面性和可靠性。
探究元江干热河谷常见木本植物叶功能性状特征之间的相关关系及其系统发育信号,为该区域植物保护提供数据支撑。
采集该区域32种常见不同生活型的木本植物叶片,测定叶面积(LA)、叶干物质含量(LDMC)和比叶面积(SLA)等8个叶功能性状,用t检验分析性状差异,用Pearson相关性分析叶性状的相关性,并检测叶功能性状的系统发育信号。
不同生活型间性状差异显著:常绿树种LA、LCC、LPC低于落叶树种(P<0.05),但LDMC和N∶P较高;乔木LA、LT、LCC、LPC高于灌木(P<0.05),而LDMC、SLA和N∶P较低。不同生活型植物的部分叶功能性状相关性显著:常绿树种中,LNC和LPC、LDMC和SLA呈正相关(P<0.05),LT和LNC、N∶P则呈负相关(P<0.05);落叶树种中,LT与LA、LNC与N∶P呈正相关(P<0.05),LT与LDMC、SLA呈负相关(P<0.05);乔木树种的LCC和LNC、N∶P正相关(P<0.05);灌木树种的LT与LDMC、LNC和LCC呈正相关(P<0.05)。PCA结果显示,LA、LT、LCC是重要的叶功能性状指标;基于性状组合可将32种植物划分为4个功能组,即高LNC、N∶P、SLA组,高LA、LCC、LPC组,高LT组和高LDMC组。所有叶功能性状均能检测到系统发育信号(0<K<1,P=0.01),但系统发育对性状演化的影响较弱;相较于遗传历史,环境选择对叶功能性状的影响更显著。
常绿和灌木植物通过高LDMC和高LT的组合适应干热环境,表现出保守的资源利用策略;落叶和乔木植物则通过大LA、高C、N、P和SLA的组合实现快速资源获取。LA、LT、LCC可作为其适应策略的指示性状。遗传历史对叶功能性状演化的影响较弱,本研究结果可以为解析干热河谷植物的环境适应机制提供功能性状层面的证据。
通过对云南栘[木衣]果实的表型性状和有效成分进行测定分析,筛选出优良的变异类型,为云南栘良种选育提供理论依据。
以澜沧拉祜族自治县(以下简写为澜沧县)云南栘果实为研究对象,根据果实大小、形状和颜色将其划分为12种变异类型,并测定总酸、总糖、单宁、黄酮、粗蛋白、维生素C和粗纤维7种有效成分含量。通过主成分分析、相关性分析、分值赋予法和综合评分法对12种类型进行综合评价。
基于果实表型性状(果实大小、果实形状、果实颜色)的变异特征,将其划分为12种变异类型(小球黄型、小球红黄型、小椭圆黄型、小椭圆红黄型、中球黄型、中球红黄型、中椭圆黄型、中椭圆红黄型、大球黄型、大球红黄型、大椭圆黄型、大椭圆红黄型)。通过果实有效成分测定分析(总酸、总糖、单宁、黄酮、粗蛋白、维生素C、粗纤维),发现各性状均存在显著变异,变异系数依次为黄酮(39.92%)>总糖(27.25%)>粗纤维(20.83%)>维生素C(18.42%)>粗蛋白(12.50%)>总酸(10.39%)>单宁(2.31%)。相关性分析结果显示,黄酮、维生素C及总糖含量均与果实横径、纵径、单果质量和果形指数呈极显著正相关。主成分分析结果进一步表明,单果质量、横径、纵径、总糖和黄酮是影响果实形态变异的主要指标,累计贡献率达70.795%。基于主成分的排序结果显示,PC1与PC2能够清晰地区分“大、中、小”3类果型,各类果型内部聚集度高且分类边界明显。采用分值赋予法得到的“大型果>中型果>小型果”品质排序结果,与PCA分析结论一致。
云南栘果实具有丰富的表型和有效成分变异,对12种类型进行鉴定筛选,筛选出4个优良类型,可为云南栘良种选育和资源开发利用提供科学依据。
探究根萌复幼措施对刺槐扦插苗叶片生长与生理的影响,为今后生产实践中刺槐复幼体系的建立提供理论依据。
以刺槐根萌条和母树半木质化枝条为繁殖材料进行扦插育苗,设置刺槐1年生播种苗为对照,比较不同繁殖材料所培育苗木的叶片形态与解剖结构、干质量、鲜质量、气体交换参数、叶绿素荧光参数、光合酶活性及养分生理的差异。
与播种苗和母树枝条扦插苗相比,根萌复幼处理显著提高了刺槐扦插苗叶片的叶长、叶宽、叶周长、叶面积、干质量、鲜质量和叶轴长等,显著降低了叶片上表皮厚度、栅栏组织厚度、叶片厚度;复幼后的苗木与播种苗相比,海绵组织厚度、叶片紧密度、叶片疏松度、栅海比无显著变化;根萌复幼处理显著提高了刺槐苗光合色素含量、净光合速率、蒸腾速率、Fv/Fm、Fv/Fo、NPQ和叶绿素荧光参数,其中一年生根萌条最高;根萌复幼后苗木的果糖1,6-二磷酸醛缩酶(FBA)、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)活性较母树枝条扦插苗有显著提高,但与播种苗仍存在显著差异;根萌复幼处理提高了叶片C含量,降低了叶片N、P含量,但C/N、N/P、NSC和淀粉含量及叶片干、鲜质量增加,经根萌复幼后的苗木具有更高的养分利用效率和干物质积累量,其中一年生根萌条最高。
经根萌复幼的刺槐扦插苗具有更强的生长潜力与幼化性,这为刺槐的良种繁育和壮苗培育提供了理论支持。
研究不同水淹深度在特定水淹时段对实心竹的生理影响,探究对叶片光合、叶绿素荧光参数以及对抗氧化系统的作用与响应机制,从生理生态层面揭示实心竹的水淹耐受能力及对水淹胁迫的响应。
本研究选择两年生实心竹苗,采取模拟水淹的方式,分为田间持水量70.00%的对照(CK)、根淹(GY)和深淹(SY)处理,分为Day0、Day10、Day20、Day30以及Day40共5个时间梯度,测定光合色素含量、光合气体交换参数、叶绿素荧光参数、渗透调节物质含量以及抗氧化酶活性。
1)实心竹光合色素含量呈先下降后上升的趋势,但整体仍低于CK组,GY组叶绿素a在胁迫30 d时降至谷值,较CK组下降了48.97%。叶绿素b在两组中均为30 d时最低,分别较CK组下降了48.09%和62.15%;2)不同强度水淹处理对实心竹叶片光合气体交换参数的影响显著(P<0.05)。随水淹时间延长,各处理组净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)均下降,在胁迫后期,SY组分别较CK下降了86.87%、78.02%和60.00%,胞间CO2浓度(Ci)则持续上升。不同处理组叶绿素荧光参数差异明显,但GY组和SY组变化趋势相似,初始荧光(Fo)和非光化学淬灭系数(NPQ)呈现上升趋势、最大荧光(Fm)和光化学淬灭系数(qP)总体呈下降趋势;3)随水淹时间延长,不同水淹处理对实心竹叶片丙二醛(MDA)含量的影响不同:GY组呈“升高-降低-升高”趋势,而SY组则先升后降,并在Day30达到峰值,较CK上升了56.92%。脯氨酸(PRO)含量方面,2个处理组均持续上升;4)超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)大体呈初期快速上升后期缓慢下降的趋势。
实心竹在水淹初期通过迅速提高SOD、POD和CAT活性来应对胁迫压力。水淹中期,水中淹没部分的叶片会出现黑斑并脱落,光合色素含量减少,光合作用也逐渐降低。随着胁迫时间延长,尽管实心竹的光合作用和叶绿素荧光参数呈削弱态势,但体内的抗氧化酶活性仍高于CK,并且叶绿素的含量也逐渐回升,这说明植物仍处在自身代谢调节阶段。综上所述,实心竹有一定耐淹能力,能在较长时间水淹下维持基本生长代谢。基于此特性,实心竹可作为有潜力的园林植物,推广应用于城乡海绵城市与滨水绿化建设。