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人工湿地中生物多样性与生态系统功能关系研究

朱四喜  
【摘要】:生物多样性与生态系统功能关系是当前生态学领域所研究的热点问题之一。以往大多数生物多样性与生态系统功能关系研究是在氮限制草地生态系统中开展的,然而在植物生长所需资源不受氮限制时,生物多样性与生态系统功能的关系变化将会如何,至今仍研究不足。作为废水处理生态技术之一,复合垂直流人工湿地具有基质组成均一,废水灌溉量、污染物载荷量及水滞留时间均匀可控等优点,而且其下行池可提供高氮的中生环境,因而为开展人工湿地中植物多样性与生态系统功能关系的研究提供了实验平台。 本研究在中国浙江省舟山市郊一个3000 m2的复合垂直流人工湿地中开展。选择了16种亚热带中生植物,并基于完全随机区组设计确立了物种丰富度(1、2、4、8和16种)和功能群丰富度(1、2、3和4群)梯度,以研究高氮供应下植物多样性对生产力、基质无机氮与营养季节动态的影响。主要研究结果如下: (1)在2007年,群落生产力与物种丰富度(即物种多样性)呈显著正相关关系,而在2008年呈单峰曲线关系,峰值在丰富度为4个种处理;2007年群落的生产力随功能群丰富度(即功能群多样性)增加而显著增加,而在2008年不响应。因而,高氮供应下,物种丰富度与功能群丰富度对群落生产力有显著效应,但群落生产力与它们的关系在2年中表现不一致。 (2)2007年和2008年中物种组成对群落生产力都有显著影响;就功能群组成而言,2年中只有C3禾草对生产力有显著正效应,其他功能群(C4禾草、豆科和阔叶草本植物)的存在对生产力没有显著影响。同时,在2007年与2008年中生产力在各个实验区块间的变化幅度都较大,说明不同的物种组合对生产力水平有显著影响,因而,高氮供应下,物种的功能特性及不同物种间的相互作用对植物多样性与生产力关系有显著正效应。 (3)在2007年与2008年中大多数实验区块没有超产效应,即混种区块的生产力常低于对应的单种区块中最高值,这说明选择效应对生产力的影响占主导,即选择效应的强度要大于互补效应,但不能排除互补效应的存在。同时,在2007年功能群组成对超产效应有显著影响,而在2008年没有显著影响。因而,高氮供应下,选择效应对生产力的贡献大于互补效应,说明单种时生产力高的物种在混种群落中生产力占优势,但是部分区块存在的超产效应主要是由于资源合理分配与物种间正相互作用。 (4)2007年与2008年中物种丰富度与基质硝态氮都呈显著正相关,这与大多数氮限制草地的多样性实验结果不同;基质氨态氮在各物种丰富度水平之间在2007年无显著差异,而在2008年负响应,即基质氨态氮随物种丰富度增加而减少。植物物种丰富度与基质氮矿化速率、硝化速率和相对硝化率都呈显著正相关,而功能群丰富度则不显著相关。因而,高氮供应下,物种丰富度对人工湿地中基质无机氮的固持与氮矿化过程有显著正效应。 (5)物种组成对基质无机氮在2007年与2008年中均有显著影响,而功能群组.成对基质无机氮均没有显著影响。同时,2年中各多样性水平内基质无机氮变化幅度都较大,而且不同物种组成对基质氮矿化速率、硝化速率和相对硝化率这3个氮转化过程有显著影响,功能群组成对它们没有影响。因而,高氮供应下,不同的物种组成对人工湿地中基质无机氮的固持与氮矿化过程有显著正效应。 (6)基质营养季节动态的实验表明,在四季(即春季(2008年4月)、夏季(2008年7月)、秋季(2008年10月)与冬季(2009年1月))中,除了冬季(1月)中物种丰富度与基质氨态氮、可溶性磷、有机质显著相关,以及秋季(10月)中物种丰富度与基质可溶性磷显著相关外,其他季节物种丰富度与基质无机氮、可溶性磷、有机质都没有显著的相关性;各季节中功能群丰富度对营养也没有显著影响,但是


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