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《浙江大学》 2012年
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人工湿地中植物多样性对生物量及无机氮的影响研究

王海  
【摘要】:生物多样性与生态系统功能的关系是当前生态学领域研究的热点问题之一。基质的营养水平会影响植物多样性与生态系统功能的关系,以往研究多在氮限制草地开展,高氮供应下植物多样性的研究也是在近两年才刚刚开始。不同的高氮水平下,植物多样性对植物生物量及氮素(基质无机氮、基质溶液无机氮、植物组织氮等)含量及转化(硝化和反硝化作用等)的影响还缺乏了解。 我们在处理高氮污水的大型人工湿地中开展了不同高氮水平下的植物多样性试验,研究不同高氮水平下植物多样性对植物生物量和氮含量的影响。本研究包括两个结构相近,但供氮水平不同的全尺度(full-scale)人工湿地(浙江省舟山人工湿地和东阳人工湿地)作为实验样地进行了植物多样性与生态系统功能的研究。本研究分别配置了单种与两种、物种丰富度1、2、3、4种、物种丰富度1、2、4、8、16种和功能群丰富度1、2、3、4混种的植物多样性梯度实验,研究植物多样性(物种丰富度、功能群丰富度、物种组合、功能群与物种)对植物生物量、基质无机氮、基质溶液(出水)无机氮、植物组织氮及植物氮利用效率的影响。本研究内容包括:(1)高水平氮供应(409 g N m-2yr-1)下,植物物种丰富度、功能群丰富度及不同功能群类型对植物生物量、基质氮含量、植物组织氮及氮利用效率的影响;(2)较高水平氮供应(146 g N m-2yr-1)下,植物物种丰富度对植物生物量、基质氮含量及基质溶液无机氮含量的影响;(3)较高水平氮供应(146与99 g N m-2yr-1)下,植物物种组合(两个物种混种、三个物种混种及四个物种混种)及不同物种对植物生物量、基质氮含量及出水无机氮含量的影响;(4)不同氮供应(146与99 g N m-2yr-1)之间,植物物种组合(两个物种混种)对植物生物量、基质氮含量及出水无机氮含量的影响;(5)四个氮水平(146、122、99和48 g N m-2yr-1)下植物物种对单种生物量、基质和出水无机氮含量的影响。通过不同氮供应条件下,植物物种多样性对生产力及氮素含量的系统研究,获得高氮条件下植物多样性对生态系统功能的影响机制,并为不同入水氮浓度条件下人工湿地中植物多样性与氮去除功能的研究提供实验依据。主要研究结果如下: 1.高氮供应(409 g N m-2yr-1)下,植物地下生物量及地下组织氮积累量随着物种丰富度的增加而增加,但地上部分没有响应。基质无机氮含量随着植物物种丰富度的增加而显著降低,并且氨氮降低速度大于硝氮降低速度,表明提高物种丰富度主要是通过硝化作用促进了基质无机氮的去除。氮固持因子DT N03与DT NH4显著小于0,也表明了混种小区对无机氮的消耗能力显著高于对应单种小区。高植物多样性没有促进高氮下植物的氮利用效率,高氮供应下植物群落这种不节约的氮利用方式,反而有利于通过植物收割移除来提高人工湿地中污水氮的去除效率。功能群多样性对生物量、植物组织氮积累及氮利用效率均没有影响,而不同功能群类型具有不同的影响。其中,C3功能群存在时地上、地下生物量及植物组织氮库均显著增加,其他功能群存在时均没有显著影响。整体上,C4禾草氮利用效率最高,非豆科阔叶草和C3禾草居中,豆科功能群的氮利用效率最低。不同物种的影响也存在差异,如芦竹、斑茅存在时地上、地下生物量及植物组织氮库均显著增加,其他物种没有影响。这些结果表明了,功能群类型及物种对生物量及组织氮积累影响较大。超产效应因子(DMax)平均值显著小于0,也表明了混种小区不存在超产效应,主要以物种的“选择效应”为主。 2.较高水平氮供应(146 g N m-2yr-1)下,提高植物物种丰富度植物地上生物量显著增加。DMax平均值显著小于0,表明混种小区也主要以“选择效应”为主。提高物种丰富度基质及基质溶液无机氮含量均显著降低,即提高植物物种丰富度有利于基质及出水氮去除。氮固持因子DTNO3与DTNH4平均值显著小于0,表明了混种对无机氮的消耗能力显著高于对应单种小区,即提高植物物种丰富度提高了人工湿地的氮移除效率。 3.氮供应(146 g N m-2yr-1)下,两个物种组合中,“风车草+芦竹”的地上生物量最高而基质及基质溶液无机氮含量最低,“风车草+鸢尾”的地上生物量最低而基质及基质溶液无机氮含量最高。氮供应(99gN m-2yr-1)下,“风车草+芦竹”的地上生物量最高而基质及基质溶液无机氮含量最低,“菩提子+千屈菜”组合生物量最低而基质及基质溶液无机氮含量最高。两种氮供应下,两个物种混种小区生物量均显著高于对应单种小区,而基质及出水无机氮均小于对应单种小区。这表明了,两个物种混种比单种有利于人工湿地氮去除。氮供应(146 g N m-2yr-1)下,三个物种的不同组合的比较表明,“风车草+芦竹+菩提子”组合的生物量最高而基质无机氮含量最小。“风车草+芦竹+千屈菜”的组合生物量最低而基质无机氮含量最高。三个物种的组合中,基质溶液无机氮不存在显著差异。四个物种的组合中,“风车草+菩提子+千屈菜+芦竹”的组合生物量较高,但是基质无机氮和基质溶液无机氮不存在显著差异。 4.不同氮水平(146与99 g N m-2yr-1)之间的比较表明,提高入水氮含量(从99到146 g N m-2yr-1)提高了混种小区的生物量,但是基质及基质溶液氮含量不存在差异,芦竹+鸢尾的组合除外。这表明提高入水氮含量提高了植物多样性效应,提高了混种小区的生物量,增加了植物对入水氮的吸收利用。 本研究将生物多样性与生态系统功能的研究中氮水平上限拓宽到高达400 gN m-2yr-1的水平,发现高氮供应下提高植物物种丰富度提高了群落生物量,有利于植物组织氮积累,促进了基质氮的硝化作用,从而有利于提高人工湿地的氮去除功能。高氮供应下,植物多样性对生产力及氮含量的影响主要是物种的“选择效应”。但是,高氮下,我们没有发现植物多样性对氮利用效率促进的现象。该研究不仅揭示了高氮供应人工湿地中亚热带高大植物物种多样性与生态系统功能(如生产力和营养去除)的关系,完善了生物多样性与生态系统功能关系的研究内容,并为未来不同氮供应条件下人工湿地的植物合理组合搭配和科学管理提供理论依据。
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