【摘要】：生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)系是當(dāng)前生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一。基質(zhì)的營養(yǎng)水平會影響植物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)系,以往研究多在氮限制草地開展,高氮供應(yīng)下植物多樣性的研究也是在近兩年才剛剛開始。不同的高氮水平下,植物多樣性對植物生物量及氮素(基質(zhì)無機(jī)氮、基質(zhì)溶液無機(jī)氮、植物組織氮等)含量及轉(zhuǎn)化(硝化和反硝化作用等)的影響還缺乏了解。 我們在處理高氮污水的大型人工濕地中開展了不同高氮水平下的植物多樣性試驗(yàn),研究不同高氮水平下植物多樣性對植物生物量和氮含量的影響。本研究包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相近,但供氮水平不同的全尺度(full-scale)人工濕地(浙江省舟山人工濕地和東陽人工濕地)作為實(shí)驗(yàn)樣地進(jìn)行了植物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的研究。本研究分別配置了單種與兩種、物種豐富度1、2、3、4種、物種豐富度1、2、4、8、16種和功能群豐富度1、2、3、4混種的植物多樣性梯度實(shí)驗(yàn),研究植物多樣性(物種豐富度、功能群豐富度、物種組合、功能群與物種)對植物生物量、基質(zhì)無機(jī)氮、基質(zhì)溶液(出水)無機(jī)氮、植物組織氮及植物氮利用效率的影響。本研究內(nèi)容包括：(1)高水平氮供應(yīng)(409 g N m-2yr-1)下,植物物種豐富度、功能群豐富度及不同功能群類型對植物生物量、基質(zhì)氮含量、植物組織氮及氮利用效率的影響；(2)較高水平氮供應(yīng)(146 g N m-2yr-1)下,植物物種豐富度對植物生物量、基質(zhì)氮含量及基質(zhì)溶液無機(jī)氮含量的影響；(3)較高水平氮供應(yīng)(146與99 g N m-2yr-1)下,植物物種組合(兩個(gè)物種混種、三個(gè)物種混種及四個(gè)物種混種)及不同物種對植物生物量、基質(zhì)氮含量及出水無機(jī)氮含量的影響；(4)不同氮供應(yīng)(146與99 g N m-2yr-1)之間,植物物種組合(兩個(gè)物種混種)對植物生物量、基質(zhì)氮含量及出水無機(jī)氮含量的影響；(5)四個(gè)氮水平(146、122、99和48 g N m-2yr-1)下植物物種對單種生物量、基質(zhì)和出水無機(jī)氮含量的影響。通過不同氮供應(yīng)條件下,植物物種多樣性對生產(chǎn)力及氮素含量的系統(tǒng)研究,獲得高氮條件下植物多樣性對生態(tài)系統(tǒng)功能的影響機(jī)制,并為不同入水氮濃度條件下人工濕地中植物多樣性與氮去除功能的研究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。主要研究結(jié)果如下： 1.高氮供應(yīng)(409 g N m-2yr-1)下,植物地下生物量及地下組織氮積累量隨著物種豐富度的增加而增加,但地上部分沒有響應(yīng)。基質(zhì)無機(jī)氮含量隨著植物物種豐富度的增加而顯著降低,并且氨氮降低速度大于硝氮降低速度,表明提高物種豐富度主要是通過硝化作用促進(jìn)了基質(zhì)無機(jī)氮的去除。氮固持因子DT N03與DT NH4顯著小于0,也表明了混種小區(qū)對無機(jī)氮的消耗能力顯著高于對應(yīng)單種小區(qū)。高植物多樣性沒有促進(jìn)高氮下植物的氮利用效率,高氮供應(yīng)下植物群落這種不節(jié)約的氮利用方式,反而有利于通過植物收割移除來提高人工濕地中污水氮的去除效率。功能群多樣性對生物量、植物組織氮積累及氮利用效率均沒有影響,而不同功能群類型具有不同的影響。其中,C3功能群存在時(shí)地上、地下生物量及植物組織氮庫均顯著增加,其他功能群存在時(shí)均沒有顯著影響。整體上,C4禾草氮利用效率最高,非豆科闊葉草和C3禾草居中,豆科功能群的氮利用效率最低。不同物種的影響也存在差異,如蘆竹、斑茅存在時(shí)地上、地下生物量及植物組織氮庫均顯著增加,其他物種沒有影響。這些結(jié)果表明了,功能群類型及物種對生物量及組織氮積累影響較大。超產(chǎn)效應(yīng)因子(DMax)平均值顯著小于0,也表明了混種小區(qū)不存在超產(chǎn)效應(yīng),主要以物種的“選擇效應(yīng)”為主。 2.較高水平氮供應(yīng)(146 g N m-2yr-1)下,提高植物物種豐富度植物地上生物量顯著增加。DMax平均值顯著小于0,表明混種小區(qū)也主要以“選擇效應(yīng)”為主。提高物種豐富度基質(zhì)及基質(zhì)溶液無機(jī)氮含量均顯著降低,即提高植物物種豐富度有利于基質(zhì)及出水氮去除。氮固持因子DTNO3與DTNH4平均值顯著小于0,表明了混種對無機(jī)氮的消耗能力顯著高于對應(yīng)單種小區(qū),即提高植物物種豐富度提高了人工濕地的氮移除效率。 3.氮供應(yīng)(146 g N m-2yr-1)下,兩個(gè)物種組合中,“風(fēng)車草+蘆竹”的地上生物量最高而基質(zhì)及基質(zhì)溶液無機(jī)氮含量最低,“風(fēng)車草+鳶尾”的地上生物量最低而基質(zhì)及基質(zhì)溶液無機(jī)氮含量最高。氮供應(yīng)(99gN m-2yr-1)下,“風(fēng)車草+蘆竹”的地上生物量最高而基質(zhì)及基質(zhì)溶液無機(jī)氮含量最低,“菩提子+千屈菜”組合生物量最低而基質(zhì)及基質(zhì)溶液無機(jī)氮含量最高。兩種氮供應(yīng)下,兩個(gè)物種混種小區(qū)生物量均顯著高于對應(yīng)單種小區(qū),而基質(zhì)及出水無機(jī)氮均小于對應(yīng)單種小區(qū)。這表明了,兩個(gè)物種混種比單種有利于人工濕地氮去除。氮供應(yīng)(146 g N m-2yr-1)下,三個(gè)物種的不同組合的比較表明,“風(fēng)車草+蘆竹+菩提子”組合的生物量最高而基質(zhì)無機(jī)氮含量最小�！帮L(fēng)車草+蘆竹+千屈菜”的組合生物量最低而基質(zhì)無機(jī)氮含量最高。三個(gè)物種的組合中,基質(zhì)溶液無機(jī)氮不存在顯著差異。四個(gè)物種的組合中,“風(fēng)車草+菩提子+千屈菜+蘆竹”的組合生物量較高,但是基質(zhì)無機(jī)氮和基質(zhì)溶液無機(jī)氮不存在顯著差異。 4.不同氮水平(146與99 g N m-2yr-1)之間的比較表明,提高入水氮含量(從99到146 g N m-2yr-1)提高了混種小區(qū)的生物量,但是基質(zhì)及基質(zhì)溶液氮含量不存在差異,蘆竹+鳶尾的組合除外。這表明提高入水氮含量提高了植物多樣性效應(yīng),提高了混種小區(qū)的生物量,增加了植物對入水氮的吸收利用。 本研究將生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的研究中氮水平上限拓寬到高達(dá)400 gN m-2yr-1的水平,發(fā)現(xiàn)高氮供應(yīng)下提高植物物種豐富度提高了群落生物量,有利于植物組織氮積累,促進(jìn)了基質(zhì)氮的硝化作用,從而有利于提高人工濕地的氮去除功能。高氮供應(yīng)下,植物多樣性對生產(chǎn)力及氮含量的影響主要是物種的“選擇效應(yīng)”。但是,高氮下,我們沒有發(fā)現(xiàn)植物多樣性對氮利用效率促進(jìn)的現(xiàn)象。該研究不僅揭示了高氮供應(yīng)人工濕地中亞熱帶高大植物物種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能(如生產(chǎn)力和營養(yǎng)去除)的關(guān)系,完善了生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的研究內(nèi)容,并為未來不同氮供應(yīng)條件下人工濕地的植物合理組合搭配和科學(xué)管理提供理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：X132

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本文編號：2794783