三江平原湿地植物立枯分解研究

发布时间：2017-08-30 00:09

  本文关键词：三江平原湿地植物立枯分解研究

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【摘要】：植物凋落物分解是全球碳收支的重要组成部分,也是养分循环的主要决定因素。在湿地中,植物生物量在生长季很少被消费而是最终进入碎屑食物网中。因此,凋落物分解代表了重要的能量输入,并且养分的持续可用性也主要依赖于凋落物分解。在大多数湿地中,许多草本植物的地上部分在枯萎之后并不会立即倒伏,而是保持立枯状态并持续一段时间,成为残余物库的重要组成部分,并且在这个阶段其分解过程已经开始。本研究以三江平原的湿地生态系统为研究对象,基于野外控制试验和定位观测,揭示植物凋落物在立枯期的分解速率、养分动态和CO2释放通量,阐明凋落物状态(立枯或倒伏)对其初始分解过程的影响,并探讨植物立枯分解过程对湿地营养环境变化的响应。本研究取得如下主要结论:(1)在湿地中,草本植物地上凋落物以立枯状态分解一年后,质量损失能达到19.3~45.1%(叶片)和14.3~23.1%(杆),并且立枯的质量损失与其初始C:N和C:P,以及附着微生物的呼吸速率均密切相关。在分解过程中,立枯的氮总量显著增加,但磷总量在一年后表现为净释放。因此,湿地草本植物凋落物在立枯期的分解是凋落物分解过程的重要组成部分,在湿地生态系统碳和养分循环中起着重要作用。(2)在沼泽化草甸中,小叶章地上部分(包括叶片、叶鞘和杆)以立枯状态分解180天后质量损失很少(仅为大约3%),低于地表分解的相应组织,但分解一年后增加至16~44%,从而超过或者接近在地表分解的相应组织。处于立枯状态的叶片和叶鞘在分解180天后养分残留量显著高于在地表分解的相应组织,但在分解360天以后,这种模式发生了转变。此外,杆以立枯状态分解时的养分残留量一般高于其在地表分解时的养分残留量。因此,处于不同状态的凋落物具有截然不同的分解过程,兼顾不同状态的凋落物的总量及其分解过程对全面了解温带湿地的碳循环和养分周转是非常必要的。(3)在小叶章占优势的沼泽化草甸中,立枯的CO2排放表现为显著的日变化模式。在夜晚随空气湿度的增加,立枯水势逐渐升高,从而引起CO2排放速率的升高。控制实验表明,湿润凋落物的CO2排放速率随温度升高呈指数式升高。在该湿地中,立枯在分解过程中释放的CO2-C通量(杆:3.07 g C m-2 yr-1;叶片:6.81 g C m-2 yr-1)分别为相应组织净初级生产力的2.32%(杆)和6.94%(叶片),但是仅占生态系统呼吸的1.12%。因此,立枯期在湿地凋落物分解和碳循环中起着重要作用,但在该地区进行湿地生态系统温室气体排放通量估算时立枯的碳排放量可以忽略。(4)在沼泽化草甸中,氮输入会显著改变草本植物叶片凋落物的初始养分浓度和化学计量特征,其影响程度随氮输入水平而变化。较高水平的氮输入会显著提高叶片凋落物在立枯期的分解速率和微生物呼吸速率,而较低水平的氮输入往往对其无显著影响。在立枯阶段,氮输入会显著减少叶片凋落物的氮累积,但对磷残留量动态的影响随氮输入水平而改变。并且,叶片凋落物在立枯阶段的养分动态与其初始养分浓度密切相关。因此,在三江平原的湿地中,人类活动和气候变化引起的氮营养环境的变化将会通过改变植物凋落物质量显著影响其在立枯阶段的分解过程,从而对生态系统的碳循环与养分周转产生重要影响。(5)在湿草甸中,磷输入会引起小叶章叶片凋落物养分(氮和磷)浓度的升高,并导致其在立枯期的分解过程中养分聚集量减少,但磷输入对小叶章杆凋落物的初始养分浓度及在立枯期的养分动态并无显著影响。此外,磷输入并不会显著改变小叶章地上凋落物(杆和叶片)在立枯期的分解速率和附着微生物的呼吸速率。因此,在三江平原的湿地中,人类活动引起的磷营养环境的变化将会加快植物凋落物在立枯期的养分周转速率,从而对生态系统的养分循环过程产生重要影响,但对这个阶段碳释放过程的影响不显著。
【关键词】：立枯 凋落物分解 养分循环 温室气体排放 养分可用性增加
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（东北地理与农业生态研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q948
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-32
• 1.1 凋落物分解14-23
• 1.1.1 凋落物的生态功能14-15
• 1.1.2 凋落物分解的基本过程15-19
• 1.1.3 凋落物的基质质量与分解速率19-21
• 1.1.4 凋落物分解的研究方法21-23
• 1.2 湿地植物立枯分解23-32
• 1.2.1 湿地植物的分解过程23
• 1.2.2 凋落物位置对分解过程的影响23-24
• 1.2.3 立枯分解的研究方法24-25
• 1.2.4 立枯分解过程中的CO_2排放25-26
• 1.2.5 立枯分解的影响因素26-29
• 1.2.6 营养环境变化对凋落物质量的影响29-32
• 第二章 立题依据与研究方案32-42
• 2.1 立题目的及意义32-34
• 2.1.1 选题背景32-33
• 2.1.2 研究目的和意义33-34
• 2.2 研究区自然环境34-38
• 2.2.1 三江沼泽生态站概况34
• 2.2.2 地理位置34-35
• 2.2.3 地质地貌特征35-36
• 2.2.4 气候特征36
• 2.2.5 水文条件36-37
• 2.2.6 土壤类型37
• 2.2.7 区域植被特点37-38
• 2.2.8 人类活动影响38
• 2.3 研究内容、研究特色、拟解决的关键问题及创新点38-40
• 2.3.1 研究内容38-39
• 2.3.2 拟解决的关键科学问题39
• 2.3.3 研究特色和创新点39-40
• 2.4 研究目标40
• 2.5 研究样地概况与研究方法40
• 2.6 研究方案40-42
• 第三章 湿地草本植物立枯分解过程42-52
• 3.1 引言42-43
• 3.2 材料与方法43-45
• 3.2.1 研究样地概况43
• 3.2.2 凋落物样品收集与准备43-44
• 3.2.3 凋落物分解实验44-45
• 3.2.4 立枯微生物呼吸速率计算45
• 3.2.5 数据分析45
• 3.3 结果与分析45-49
• 3.3.1 凋落物质量损失45-47
• 3.3.2 凋落物有机碳、全氮和全磷浓度47-48
• 3.3.3 凋落物氮和磷残留量48-49
• 3.4 讨论49-51
• 3.5 结论51-52
• 第四章 植物凋落物状态对其初期分解过程的影响52-62
• 4.1 引言52-53
• 4.2 材料与方法53-55
• 4.2.1 研究样地概况53-54
• 4.2.2 取样与分析54
• 4.2.3 凋落物分解实验54
• 4.2.4 数据分析54-55
• 4.3 结果与分析55-58
• 4.3.1 凋落物质量残留55-57
• 4.3.2 凋落物全氮和全磷浓度57
• 4.3.3 凋落物氮和磷残留量57-58
• 4.4 讨论58-60
• 4.5 结论60-62
• 第五章 植物立枯分解过程中的CO2排放通量62-74
• 5.1 引言62-63
• 5.2 材料与方法63-66
• 5.2.1 研究样地概况63
• 5.2.2 野外实验63-64
• 5.2.3 室内实验64-65
• 5.2.4 CO2排放通量估测65-66
• 5.2.5 数据分析66
• 5.3 结果与分析66-71
• 5.3.1 CO_2排放的日变化模式66-68
• 5.3.2 温度对CO_2排放的影响68-69
• 5.3.3 水势对CO_2排放的影响69-70
• 5.3.4 立枯CO_2通量估测70-71
• 5.4 讨论71-72
• 5.5 结论72-74
• 第六章 氮添加对湿地草本植物立枯分解过程的影响74-88
• 6.1 引言74-76
• 6.2 材料与方法76-77
• 6.2.1 研究样地概况76
• 6.2.2 氮添加样方设置76
• 6.2.3 凋落物样品收集和前处理76-77
• 6.2.4 立枯分解实验77
• 6.2.5 数据分析77
• 6.3 结果与分析77-84
• 6.3.1 叶片凋落物的初始养分特性77-79
• 6.3.2 凋落物质量损失和微生物呼吸速率79-82
• 6.3.3 凋落物氮和磷残留量82-84
• 6.4 讨论84-86
• 6.4.1 氮添加对凋落物质量的影响84
• 6.4.2 氮添加对立枯分解速率的影响84-85
• 6.4.3 氮添加对立枯养分动态的影响85-86
• 6.5 结论86-88
• 第七章 磷添加对湿地草本植物立枯分解过程的影响88-100
• 7.1 引言88-89
• 7.2 材料与方法89-91
• 7.2.1 研究样地概况89
• 7.2.2 磷添加样方设置89-90
• 7.2.3 凋落物样品收集和前处理90
• 7.2.4 立枯分解实验90
• 7.2.5 数据分析90-91
• 7.3 结果与分析91-95
• 7.3.1 凋落物的初始养分特性91
• 7.3.2 凋落物质量损失和微生物呼吸速率91-94
• 7.3.3 凋落物氮和磷残留量94-95
• 7.4 讨论95-98
• 7.4.1 磷添加对凋落物质量的影响95-96
• 7.4.2 磷添加对立枯分解速率的影响96-97
• 7.4.3 磷添加对立枯养分动态的影响97-98
• 7.5 结论98-100
• 第八章 结论与研究展望100-104
• 8.1 主要结论100-101
• 8.2 研究展望101-104
• 参考文献104-118
• 攻读学位期间发表的学术论文与研究成果118-120
• 致谢120-121

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本文编号：756176