水土环境对湿地植物的影响及效应研究
湿地作为“地球之肾”具有重要的生态功能,同时也是维护和促进区域经济社会发展的重要推动因素。然而受自然因素和人为因素的共同影响,特别是人类活动的干扰,当前湿地出现了不同程度的退化,在影响区域生态环境的同时也制约着经济和社会的可持续发展。湿地植物作为湿地生态系统的主要组成部分,是维持湿地生态系统正常运转的重要因素,是湿地生态系统结构和功能的核心。当前进行的以湿地植物恢复为主的湿地恢复,对于重建良好的湿地生态系统,维护区域内良好的生态环境和促进经济社会的发展具有重要的意义。本文采用野外受控/模拟试验和野外现场观测研究...
湿地作为“地球之肾”具有重要的生态功能,同时也是维护和促进区域经济社会发展的重要推动因素。然而受自然因素和人为因素的共同影响,特别是人类活动的干扰,当前湿地出现了不同程度的退化,在影响区域生态环境的同时也制约着经济和社会的可持续发展。湿地植物作为湿地生态系统的主要组成部分,是维持湿地生态系统正常运转的重要因素,是湿地生态系统结构和功能的核心。当前进行的以湿地植物恢复为主的湿地恢复,对于重建良好的湿地生态系统,维护区域内良好的生态环境和促进经济社会的发展具有重要的意义。本文采用野外受控/模拟试验和野外现场观测研究,以制约湿地植物恢复的两个重要环境因素水深和底泥(水下土壤)为切入点,研究了两大环境因子对湿地植物生长过程中的形态可塑性、生理特征及叶绿素荧光特性的影响,并就湿地植物生长对底泥的环境效应进行了分析,确定了湿地植物生长的适宜水深和底泥条件,探讨了不同湿地植物生长对底泥理化性质和营养盐扩散通量的差异,为湿地植物恢复过程中的群落空间配置、水位管理和基底条件改造以及湿地植物物种的选择提供了科学依据。
  研究的主要结论如下:
  (1)10~90cm的水深范围内,芦苇(Phragmitescommunis)、芦竹(Arundodonax)和香蒲(Typhalatifolia)3种湿地植物的繁殖(分蘖数)、形态(株高、叶长、叶宽、基茎、生物量等)、生理(叶绿素含量、根系活力、叶片丙二醛含量)和叶绿素荧光特性(叶绿素荧光参数和快速光响应曲线及其拟合参数)均受到了水深的不同影响。总体上,随着水深的增加,湿地植物的分蘖数逐渐减少,而株高却逐渐增加;但株高的增加是以其它指标的下降为代价的,其生长受到了高水深胁迫的抑制,表现在植株的其它指标(如:叶长、叶宽、生物量、叶绿素含量、根系活力和叶绿素荧光特性等)随着水深的增加而逐渐降低,而反应植物受胁迫程度的指标(如:叶片丙二醛含量)则逐渐增加。小于30cm的水深环境下3种湿地植物的形态、生理参数指标均优于其它水深,同时也具有较高的光合能力,是湿地植物生长较理想的生境。
  (2)水深在影响湿地植物水莎草(Juncellusserotinus)地上部形态的同时,也对根系形态产生了影响,表现在根系形态参数(根系直径、根长、根表面积和根体积)随着水深的增加而逐渐下降。在≤30cm的浅水条件下水莎草的最大根长、根表面积和根体积出现在距根茎5~15cm处,这可能是在高水深条件下根系形态受到影响的一种表现。因此,小于30cm的水深环境利于地上部生长的同时也利于其根系形态的建成。
  (3)对自然生长的湿地植物现场观测结果显示,随着水深增加(由地表处于水面以上10cm到水面以下30cm),荆三棱(Scripusyagara)的形态学参数(株高、基茎、叶长、叶宽)和叶绿素含量以及叶绿素荧光特性指标呈现出不同程度的增加,表明在荆三棱种群分布的水深范围内,水深的增加一定程度上有利于湿地植物的生长。但在水深超过30cm的水域未发现其分布。
  (4)底泥通过繁殖(分蘖数)、形态(株高、生物量)、生理(叶绿素和氮磷含量)与叶绿素荧光特性方面对菖蒲(Acoruscalamus)、茭草(Zizanialatifolia)、芦苇和香蒲4种湿地植物的生长产生了影响,且这些影响在不同的植物间表现出一定的差异。在营养含量相对较低的底泥(如:水稻土)中,湿地植物的株高、生物量和叶绿素含量均为最小,分别为其它底泥的56.31%~69.30%、19.73%~54.45%和14.44%~51.27%,叶绿素荧光特性中的各指标也是各处理中最小的。在营养含量过高的底泥(如:河流底泥)中,湿地植物的生物量和叶绿素含量较营养含量适中的湖泊底泥增加3.54%~20.16%和11.80%~20.51%,但株高却下降1.17%~6.69%。同时,与湖泊底泥相比,生长于河流底泥中的湿地植物(除茭草外)其Chla/Chlb和rETRmax分别增加和降低了1.17%~1.97%和15.30%~26.15%,而茭草则分别降低和增加了9.55%和39.13%,表明菖蒲、芦苇和香蒲较适合生长于湖泊底泥中,而茭草对高营养含量的底泥具有较强的适应性。
  (5)水深和底泥影响了苦草(Vallisnerianatans)的生物量分配和根系形态。随着水深的增加和底泥营养含量的下降,苦草生物量和根系形态参数均呈现出不同程度的下降,如:水深的增加使生物量下降95.76%~96.23%,根系形态参数下降12.64%~97.98%;底泥营养含量的下降使苦草的根茎比和比根长分别增加31.86%和33.40%,其它指标则降低了7.45%~71.17%。在这两大影响因子中,底泥仅对苦草的根茎比和根系直径产生了显著影响,水深则是影响苦草的主导因子,对苦草的生物量分配和根系形态均产生了显著影响。水深和底泥却没有对苦草的生物量分配和根系形态产生显著的交互影响。
  (6)菖蒲、茭草、芦苇和香蒲的生长使底泥含水率、孔隙度的分别增加3.29%和1.75%,湿容重则下降2.70%;底泥物理性状的改善改变了其中营养盐的赋存状态,引起了其含量的变化,其中氮素含量最低下降11.03%,而NH4+-N含量最低下降66.15%,间隙水中的NH+-N和PO43--P含量分别最低下降24.91%和20.37%,相应地使其扩散通量最低下降28.33%和8.76%。对底泥的环境效应在不同的植物间存在着明显的差异:菖蒲和茭草能够明显改善底泥的物理性状,香蒲则能够显著降低底泥中的氮磷营养盐,而茭草在降低底泥中的无机氮(NH4+-N和NO3--N)方面具有明显的效果;菖蒲和香蒲的间隙水中有较低的NH4+-N含量,同时菖蒲的间隙水中也具有最低的PO43--P含量。
  (7)高水深条件通过形态、生理和光合作用方面对茭草的生长产生了明显的抑制作用。短期内茭草的生长改善了底泥物理性状的同时使其中的NH4+-N和TP含量分别下降37.96%和2.79%,间隙水中的NH4+-N和PO43--P含量则分别下降了26.68%和12.84%。不同水深条件下茭草的生长对底泥的湿容重、烧失量以及间隙水中的NH4+-N和PO43--P含量产生了显著影响。在茭草生长受胁迫程度较小的浅水条件(如:水深10cm)下,茭草的生长使NH4+-N和PO43--P具有相对较低的扩散通量,特别是明显降低了间隙水中的PO43--P含量及其扩散通量。因此,控制10cm左右的较小水深条件在促进茭草生长的同时更有利于发挥其对底泥的环境效应。
  (8)高水深条件从株高和生物量方面对穗花狐尾藻(Myriophyllumspicatum)的生长造成了抑制,且随着植物的生长,抑制影响更加明显。狐尾藻的生长能够通过根系的吸收和引起根际环境的改变来降低底泥和间隙水中的氮磷含量,底泥中的TN和TP以及间隙水中的NH4+-N和PO43--P含量分别平均下降了15.22%、10.69%、52.31%和46.48%,且狐尾藻的生长使氮磷含量下降趋势更加明显。在狐尾藻生长良好的80cm浅水条件下,底泥和间隙水中具有较低的氮磷含量,与160cm水深条件下相比低3.38%以上。因此,80cm的浅水环境利于狐尾藻生长的同时,能有效降低底泥和间隙水中的氮磷含量。
展开
作者: 柏祥
学科专业: 土壤学
授予学位: 博士
学位授予单位: 南京农业大学
导师姓名: 陈效民 陈开宁
学位年度: 2013
语 种: chi
分类号: X171.4 Q945.3
在线出版日期: 2016年3月29日