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荷花腐烂过程中营养元素的动态变化及对沉积物微生物多样性的影响

冯德友  
【摘要】:水生植物(aquatic macrophyte)是湖泊生态系统的重要组成部分,其在生长过程中对整个湖泊生态系统的稳定和营养元素的循环起着重要作用。当植物进入衰亡期时,茎、叶等组织将逐渐落入水体中,其枯落物中营养元素随即向水体和底泥中释放,从而造成湖泊水环境的二次污染,因此,关于水生植物腐烂衰亡的研究是近年来淡水生态学研究的热点问题之一。基于此原因,本文选择湖泊常见的挺水植物荷花(Nelumbo nucifera)为实验研究材料,分别构建野外和室内实验系统组成,研究荷花在腐烂分解过程中其茎(加叶柄)和叶片的分解速率、生物量变化、营养物质的释放迁移规律。研究在不同的环境因子影响下(DO、温度),整个分解阶段荷花茎、叶中N、P等营养盐的释放规律,并探讨荷花的腐烂分解对水质及沉积物中营养元素的影响。最后,从分子生物学角度出发,探讨了荷花腐烂分解对沉积物微生物的群落结构、丰度、多样性等指标的影响。主要研究成果如下:(1)荷花不同生态型部位的腐烂分解速率不同,在不同的温度、DO条件下,荷花腐烂分解对上覆水的影响不同,不同生物量密度条件下荷花分解对沉积物微生物物种分布有影响。荷花茎分解掉50%干生物量(t_(0.5/d))需230.75天,分解95%的干生物量(t_(0.95/d))需要997.25天,荷花叶片分解相对于初始50%的生物量(t_(0.5/d))需要115.92天,分解95%初始生物量的时间为501天。荷花在分解过程中,DO含量较高的状态下,曝气条件下荷花水体N素含量比无曝气条件TN含量低,说明曝气条件荷花分解可降低水体N浓度。荷花叶片和茎(包含叶柄)生物量损失率大小表现为:T4T3T2T1,与温度呈正比。(2)荷花分解过程中,上覆水水体COD含量上升,浓度强度变化顺序为:150g90g30g0g,上覆水TN含量呈上升-下降的趋势,在分解65天时,150g组TN浓度达到最大。水体TP含量在实验前期迅速升高,实验后期又缓慢下降,最终150g实验组TP浓度最高。沉积物pH变化整体水平在7.96-8.3之间,呈弱碱性,几个密度梯度组之间无明显差异。S-OM含量随着生物量密度的增加而升高。实验结果表明,高密度条件下,沉积物N、P含量明显高于低密度条件下含量。荷花生物量密度为30g/m~2时,沉积物pH与上覆水TP呈显著负相关(P0.01)。生物量密度为90g/m~2时,沉积物电导率与上覆水NH_4~+-N呈显著正相关(P0.05),沉积物TP与上覆水TP呈显著正相关(P0.05)。生物量密度为150g/m~2时,沉积物OM与上覆水COD呈显著正相关(P0.05),沉积物NH_4~+-N与上覆水COD呈显著正相关(P0.05)。(3)荷花分解过程中,不同生物量密度条件下,沉积物中微生物物种分布,丰富度和均匀度有明显差异。其中沉积物微生物多样性与沉积物NH_4~+-N、TN、TP具有相关性,沉积物TN与OTUs呈显著正相关(P0.01),NH_4~+-N与Shannon指数呈显著正相关(P0.01),TN与Chao1指数呈显著负相关(P0.01),表明荷花腐烂后,对沉积物理化参数的影响将直接影响沉积物中微生物的生态分布特征。在高密度条件下,沉积物微生物物种分布较为丰富,各沉积物样品优势菌种为变形门菌(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、硝化螺旋菌门(Nitrospira)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、硝化刺菌门(Nitrospina)、放线菌门(Actinobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、绿菌门(Ignavibacteriae)、厚壁菌门(Firmicutes)。


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