鄱阳湖典型湿地植物分解过程及模拟研究

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植物分解是湿地生态系统功能维持的重要环节,也是养分循环的主要决定因素。湿地植物衰亡凋落后的腐烂分解过程会通过复杂的生物、物理、化学作用把植物同化固定的有机物转化为无机物,进而以营养盐的形式通过地表径流和地下水输送到水体。枯水期鄱阳湖碟形湖泊洲滩独特的水文特征塑造了不同的微生态环境,对植物分解过程和营养物质的释放产生了显著影响。本论文以季节性洪泛平原湿地—鄱阳湖碟形湖泊洲滩系统为研究对象,基于野外控制实验、定位观测和碳、氮稳定同位素技术,揭示主要优势植物在枯水期的分解速率、养分动态、稳定同位素变化规律及其对地下水位、植物类型、土壤环境因子的响应机理,建立了分解过程动力学经验模型,并探讨了植物分解对湖泊水体环境变化的影响,估算了碟形湖泊洲滩尺度下碳、磷元素的释放量和释放速率。主要结果如下:  (1)地下水位和出露时间对土壤的物理、化学、生物性状具有显著交互作用。地下水位对土壤环境因子的梯度效应主要表现在枯水季的中期,且具有时效性。枯水季中期(12月),随着地下水位抬升,土壤pH和沙粒含量升高,而有机碳(TOC)、容重、粘粒和粉粒含量降低,与低地下水位梯度(-25cm--50cm)相比,干湿交替状态下(5cm--5cm),土壤微生物量碳氮及有机碳、氮在微生物中的分配比例分别增加了2.82、4.30、5.77和7.15倍;土壤微生物总量、细菌生物量、放线菌生物量、革兰氏阳性细菌及革兰氏阴性细菌生物量分别增长了106.80%、117.20%、74.90%、107.90%和207.20%。但是,随着枯水期和出露时间的进一步延长,土壤微生物群落结构会发生改变,真菌和细菌的比值(F∶B)在整个枯水季都与土壤含水量和pH呈显著的负相关关系,且微生物群落结构中F∶B决定了土壤中碳氮的周转速率。  (2)植物生物量,碳、磷元素积累量及木质素和纤维素含量可以分别用二分室动力模型、渐近线模型和简单指数模型进行模拟,木质素和纤维分解速率可以用高斯模型模拟。通过模型模拟的结果可知,与陆地生态系统相比,湿地生态系统具有较高的分解速率和较短的分解周期。随着地下水位的抬升纤维素、木质素和总磷(P)的分解速率显著增加。分解60天后,干湿交替状态下纤维素和木质素分别降至46.19%和41.95%,P会降至8.00%。在分解150天后,苔草(Carex cinerascens)、芦苇(Phragmites australis)和南荻(Triarrhena sacchariflora)枯立物的生物量降至29.06%、37.05%和26.00%,叶片总碳(C)释放量为20.73%、37.66%和22.20%,P释放量为84.99%、82.69%和79.19%,所以湿地植物在立枯期的分解是植物分解过程的重要组成部分。不同植物类型分解特征不同,枯落物分解过程中,芦苇的生物量、C和P释放量最高,分别为54.58%、54.37%和80.86%,“碳源”效应明显。南荻由于受到“氮限制”影响,氮(N)元素在分解过程中为净吸收,而苔草和芦苇为净释放。  (3)湿地植物分解过程中,地下水位升高,碳、氮稳定同位素丰度越低。δ13C和δ15N丰度值与木质素分解速率及土壤pH和微生物商(MBC/TOC)呈极显著负相关关系,与土壤总氮(TN)和容重呈极显著正相关性。在分解过程中δ13C与枯落物中C浓度呈极显著正相关,说明其能够揭示分解过程中碳的迁移转化过程。方差分解分析(VPA)表明,土壤环境因子和木质素分解速率可以解释δ13C丰度分异的80.10%,δ15N丰度变异的42.80%。土壤生物化学因子(有机碳氮在微生物量中的分配、pH、土壤TN)和木质素分解速率对稳定同位素变化具有显著的交互作用,δ13C对其响应比δ15N更敏感。不同植物类型由于其枯落物碳氮比(C∶N)不同,进而碳、氮稳定同位素丰度动态特征不同。  (4)湿地植物分解过程中,纤维素和木质素分解速率与土壤pH呈极显著正相关但与土壤粘粒和F∶B呈极显著负相关。结构方程模型中路径分析表明,地下水位及其相关的土壤环境因子可以解释纤维素分解速率变异的66.00%,木质素分解速率变异的79.00%。纤维素分解速率受地下水位的直接影响的效应系数为0.47,间接影响的效应系数为0.65,但是木质素分解速率主要受地下水位的间接影响,效应系数为1.25,其中受土壤因子的直接影响效应系数为0.67。因此湿地生态系统中,地下水位变化对分解过程中纤维素和木质素的影响机制不同。  (5)结合苔草分解模拟实验和稳定同位素示踪技术,对苔草分解过程和水体营养盐浓度变化进行了时间匹配,分析了水体中颗粒态有机物的来源,并探讨了水位变化和苔草分解对水体营养盐的交互作用。结果表明,水体有机碳、水体总氮和铵态氮(NH4-N)浓度值在枯水季节1月至4月明显高于其他月份;苔草在0~60天具有最高的分解速率,鄱阳湖碟形湖泊洲滩湿地苔草分解起始时间为当年12月前后;水体中颗粒态有机物(POM)与苔草活体和分解残体的δ13C差异不显著而与苦草和藻类具有显著性差异,说明苔草分解残体是水体中POM的主要来源;苔草分解过程明显影响湖泊水体总氮、NH4-N和水体有机碳浓度变化;水位变化对湖泊水体硝态氮(NO3-N)浓度变化效应最明显。结合分解野外控制实验和遥感数据分析可知,分解180天后,2.41×106m2的碟形湖泊洲滩范围尺度内80.25t C和0.32t P会释放到环境中,释放速率分别为0.18g·m-2·d-1和0.74mg·m-2·d-1。估算结果经过验证说明,基于模拟实验得到的定量模型与遥感数据相结合能够准确科学的估算碟形湖泊洲滩尺度内的营养元素释放量。
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