亚高山针叶林—溪流—河流集合生态系统的氮磷硫迁移过程

发布时间：2020-06-14 16:00

【摘要】：集合生态系统(mate-ecosystem)是不同但又相互联系的生态系统通过物质迁移、能量转换和生物迁移等空间流(spatial flow)构成的复杂生态系统,研究生物元素在集合生态系统的迁移过程,对于理解不同生态系统之间的生物元素生物地球化学联系具有十分重要的科学价值。地处长江上游地区和青藏高原东缘的亚高山针叶林是我国第三大林区,在水源的涵养、保持水土、吸存大气中的CO2、生物多样性的保育等方面具有十分重要和不可替代的生态战略地位,是长江上游生态安全的屏障。因此,基于集合生态系统理论,研究亚高山针叶林—溪流—河流集合生态系统的氮、磷和硫迁移过程,对于深入了解亚高山针叶林与对接水体的生物地球化学联系具有重要的理论价值,可为长江上游生态安全屏障建设提供非常重要的科学依据。但迄今为止,国内外相关研究报道甚少。为此,本研究以四川理县毕棚沟亚高山针叶林、溪流、河岸和河流为研究对象,以森林溪流为纽带,构建亚高山森林—溪流—河流集合生态系统,采取动态监测和室内分析相结合的方法,研究了 2015年9月至2016年8月期间,氮、磷和硫三种生物元素在亚高山针叶林—溪流—河流集合生态系统的迁移特征,特别关注了不同关键时期的迁移特征,以期为深入理解亚高山针叶林与对接水体的生物地球化学循环联系提供科学依据。研究区域内,溪流水体总体积为73.74 m3。研究表明,溪流长度、水面宽、水位深、流速和流量平均值范围分别为10-255 m、0.34-1.28m、3.70-11.72cm、0.05-0.27 m/s和0.01-0.15 m3/s。进一步相关分析可得,流速与长度和水位深呈显著正相关关系,流量与水位深和流速呈极显著正相关关系。观测期内,共计收集样品13次,溪流区域凋落物输入的总量为318.16kg/y;由于河流两岸林木密度小,且水流相对湍急,未收集到凋落物。凋落物进入集合生态系统后,进入亚高山针叶林生态系统的部分包括两种去向,一是通过分解直接参与生物地球化学循环,二是经过雨水的冲刷随地表径流和地下渗滤进入到溪流和河流水体中;进入溪流的凋落物,亦包括两种去向,一是随溪流水体直接进入河流,然后通过河流输出集合生态系统,二是经过溪流两岸的截留,沉积到溪流底部,进而通过沉积物与水体的界面浓度差释放营养元素,最后进入河流输出亚高山针叶林—溪流—河流集合生态系统。观测期内,凋落物总输出总量为4.53 kg/y,而溪流水体流量高达83808.00 m3/d,这说明溪流水体是集合生态系统最主要的输出方式。是森林集合生态系统元素迁移和输出的关键途径。观测期内,不同观测时间通过凋落物的形式输入溪流区域的氮、磷和硫元素输入量范围分别为0-12.24kg/hm2、0.05-50.70kg/hm2和 0.09-2.35kg/hm2。其中,氮元素和磷元素不同长度的溪流表现出相对一致的变化趋势,氮元素输入量有两次峰值,第一次峰值—也是最大值出现在2015年凋落物高峰期,第二次峰值—凋落物小高峰期输入量仅次于高峰期,而在2015年冬季,氮元素输入量最小;与氮元素输入特征不同的是,磷元素输入量在凋落物小高峰期达到最大值,凋落物高峰期次之,冬季最小;硫元素输入量不同长度溪流表现出不一致的变化趋势,对于长度较短(10-20rm)的溪流(图9a)而言,凋落物高峰期硫元素输入量最大(0.38 kg/hm2),仅次于凋落物高峰期的是凋落物小高峰期(0.17 kg/hm2);对于研究区域内长度在20-70 m之间的溪流而言,最大值出现在凋落物小高峰期为1.67 kg/hm2,凋落物高峰期次之为0.47 kg/hm2;对于研究区域内长度在90-260m之间的溪流而言,最大值出现在凋落物高峰期为0.96 kg/hm2,冬季次之为0.30 kg/hm2。观测期研究区域内溪流水体全氮储量范围为0.69-12.23 kg/hm2,且溪流特征显著影响水体全氮储量,溪流水体全氮储量与溪流的长度、水位深、水面宽度、流速和流量均呈现极显著正相关关系,相关系数在0.740-0.997之间。在同一条溪流中,表现出相对一致的变化规律,溪流水体全氮储量在凋落物高峰期(2015年9月15日)最高,冬季(2016年4月13日)最低;溪流水体全磷储量范围为0.03-7.72 kg/hm2,在2015年9月和2016年5-7月,溪流水体全磷储量和溪流本身的长度呈现极显著正相关关系,其他时间均呈现显著正相关关系,溪流水体全磷储量与溪流其他特征均为良好的正相关关系,但不显著。溪流水体全硫储量范围分别为4.02-9.29 g/hm2,2015年8月和2015年10月至2016年5月,全硫储量和溪流长度均呈现极显著正相关关系,2016年7月下旬,全硫储量与溪流流速极显著正相关,相关系数为0.750,试验期间剩余时间全硫储量与溪流长度呈现显著正相关关系。这些结果表明,降水量和溪流长度对溪流水体中全氮、全磷和全硫储量的影响最为突出。综上所述,氮、磷和硫元素通过凋落物的形式输入亚高山针叶林-溪流-河流集合生态系统,经过凋落物的迁移,将氮、磷和硫元素重新分配到集合生态系统内不同生态系统中。在组成集合生态系统的各组分中,氮、磷和硫元素通以凋落物和水分为载体,从亚高山针叶林生态系统进入森林溪流生态系统,此后,一部分通过溪流水体直接输送到河流生态系统中,另一部分经过溪流两岸的冲刷等外力作用与生物遗体一同沉积储存在溪流沉积物中,这一部分随着时间的变化,氮、磷和硫元素含量增加,显著高于溪流水体,形成浓度差后再将元素释放回水体中,随着溪流水体的流动,输出溪流生态系统,之后进入河流生态系统;最后由河流生态系统输出亚高山针叶林—溪流—河流集合生态系统。这些结果对深入认识水生—陆地连续生态系统之间的氮、磷和硫元素的空间联系提供了基础数据,也为川西亚高山针叶林生态系统的管理提供了科学依据为之后的研究提供了新思路。
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S718.5
【图文】：

溪流,地理位置,亚高山针叶林,生态系统

图１研究区及懫样溪流的地理位置（Ａ－０为溪流编号）逡逑Ｆｉｇ．ｌ邋Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｔｕｄｙ邋ａｒｅａ邋ａｎｄ邋ｓａｍｐｌｉｎｇ邋ｓｔｒｅａｍｓ邋（Ａ－０邋ａｒｅ邋ｔｈｅ邋ｎｕｍｂｅｉ邋ｏｆ邋ｓｔｒｅａｍｓ）逡逑２．３．２技术路线逡逑亚高山针叶林一溪流一河流集合生态系统氮、磷和硫元素的迁移过程逡逑逦Ｖ逦逡逑不同关键时期亚高山针叶林一溪流一河流集合生态系统逡逑氮、磷和硫元素迁移过程是否相同？溪流特征对溪流生态逡逑系统中氮、磷和硫元素迁移过程是否有影响？逡逑逦＾逦邋Ｉ逦一］逦逡逑亚向山针叶林－－溪流－－河流逦亚高山针叶林－－溪流－－河流逦亚ｐｊ山针叶林－－溪流－？河流逡逑集合生态系统氮的输入／输逦集合生态系统淲的输入／输逦集合生态系统硫的输入／输逡逑出动态及其影响因素逦出动态及其影响因素逦出动态及其影响因素逡逑—逦Ｍ／逡逑于亚高山针叶林、溪流和河流３种生态系统分R%在不同关逡逑键时期采集样品，带回实验室定量分析逡逑，逦±逦，逡逑￣

溪流,河流水体,全氮,储量

图４溪流和河流水体全氮储量特征注：大写字母Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、逡逑Ｎ和Ｏ代表溪流编号逡逑Ｆｉｇ．邋４邋Ｔｈｅ邋ｓｔｏｒａｇｅ邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ邋ｏｆ邋ｔｏｔａｌ邋ｎｉｔｒｏｇｅｎ邋ｉｎ邋ｓｔｒｅａｍｓ邋ａｎｄ邋ｒｉｖｅｒｓ邋ＰＳ：邋Ｃａｐｉｔａｌ邋ｌｅｔｔｅｒｓ邋Ａ，邋Ｂ，邋Ｃ，邋Ｄ，逡逑Ｅ，邋Ｆ，邋Ｇ，邋Ｈ，邋Ｉ，邋Ｊ，邋Ｋ，邋Ｌ，邋Ｍ，邋Ｎ邋ａｎｄ邋Ｏ邋ｗｈｅｒｅ邋ｉｓ邋ｔｈｅ邋ｎｕｍｂｅｒ邋ｏｆ邋ｓｔｒｅａｍｓ逡逑由图２可知，在试验期间（２０１５年９月－２０１６年８月），研究区域内溪流水体全逡逑氮总储量范围为０．６９－１２．２３邋ｋｇ／ｈｍ２，其中，２０１５年凋落物高峰期（９月）最高，２０１５逡逑年冬季至次年雪被融化前最低。不同长度溪流变化趋势基本一致，均随时间变化表现逡逑为急剧升高一急剧下降一缓慢升高一缓慢下降的趋势。其中，溪流水体氮储量第一个逡逑峰值出现在生长季节中的雨季（２０１５年９月），第二个峰值出现在生长季节的凋落物逡逑小高峰期（２０１６年５月）。河流水体中全氮储量（ｄ）变化不大，范围为３．２５－１４．４９逡逑ｋｇ／ｈｍ２。逡逑表３观测期溪流水体全氮储量与溪流特征相关性分析逡逑

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