三峡库区消落带植被对土壤养分的吸收及其淹水释放特征

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水体富营养化问题已成为全球水环境面临的重要挑战,我国江河、湖泊、水库的富营养化问题日益突出,长江流域的水质也不容乐观,特别是三峡水库建成后,将形成一个巨大的特殊消落带,每年9月底蓄水后消落带植被淹没并开始腐解,导致有机体分解向水体释放碳、氮、磷等养分,该过程是否会成为三峡库区水体富营养化的重要来源还不得而知。本研究借鉴陆地生态系统凋落物分解研究方法,通过对三峡库区消落带植被生物量、土壤和植物养分的采样分析和室内模拟浸泡实验,试图查明消落带植被在淹水后碳氮磷的释放形态、释放量及其主要影响因素,为三峡库区蓄水期间植物淹水后养分释放量提供基础数据,弥补三峡库区生态恢复重建风险评估的不足。主要结论如下:   (1)消落带土壤有机质含量范围在13.68~27.10g/kg之间,平均含量为(19.86±3.83)g/kg,全氮含量范围在0.61~1.50g/kg之间,平均含量为(0.99±0.24)g/kg,全磷含量范围在0.34~0.9 lg/kg之间,平均含量为(0.56±0.15)g/kg,同时,消落带土壤养分含量的区域差异显著。   (2)消落带植被经过反复淹水与出露后,演替成以草本植物为主的植被类型,蓄水对消落带植被群落的影响非常明显,低水位带主要为耐淹的水生植物,高水位带主要为旱生植物。优势物种主要有苍耳、苋菜、铁线蕨、牛毛毡、水蓼、稗子、空心莲子草、苦蒿、狗尾草、狗牙根、马唐、牛鞭草等,优势物种的分布区域和带位差异显著。消落带植被生物量范围为336.48~874.42g/m2,平均生物量为(540.12±8.68)g/m2,地上生物量存在显著的区域差异。消落带内的植被除受土壤及水文条件影响外,还受地形、坡度等多种因素的影响。   (3)消落带主要优势草本植物的全碳含量范围在36.63~45.97%之间,全碳平均含量为(43.52±3.19)%;全氮含量范围在0.51~1.79%之间,平均含量为(1.21±0.54)%;全磷含量范围在0.01~0.63%之间,平均含量为(0.32±0.06)%,不同类型植物的养分含量差异显著。消落带优势草本植被所固定的有机碳量平均为(2327.83±805.57)kg C/hm2,对土壤氮磷的吸收量分别为(51.18±14.77)kg N/hm2和(15.90±4.56)kg P/hm2。消落带植被对碳氮磷的吸收量存在显著的区域和带位差异。消落带优势草本植物对氮的富集系数范围在5.75~22.21之间,平均富集系数为(13.82±3.23),苍耳对氮的富集能力较强,狗尾草对氮的富集能力较弱;对磷的富集系数范围在2.71~6.70之间,平均富集系数为(4.65±1.61),早生植物(苍耳、狗尾草等)对土壤磷的富集能力较强,水生植物(空心莲子草等)对土壤磷的富集能力较弱。   (4)消落带植物在淹水浸泡过程中干重损失最大为苋菜,最小为铁线蕨,平均干重损失为(51.14±3.47)%。主要优势植物的干重损失顺序为:苋菜>苍耳>空心莲子草>稗子>牛毛毡>水蓼>苦蒿>狗尾草>牛鞭草>铁线蕨,植物干重损失率与其含水量呈显著正相关关系,与N含量呈显著正相关关系,与C/N呈显著负相关关系。   (5)主要优势草本植物在淹水浸泡过程中DOC的释放过程动力学方程为y=alnx+b,不同物种的释放系数(a)差异较大,旱生植物苦蒿等的释放系数较大,水生植物如空心莲子草等释放系数较小。DOC释放量最小水蓼为(6.51±1.62)mg/g,最大苦蒿为(48.54±6.49)mg/g,平均释放量为(18.15±3.92)mg/g,不同草本植物的释放量差异显著。释放量大小为:苦蒿>苍耳>牛毛毡>苋菜>狗尾草>稗子>水蓼>空心莲子草>铁线蕨>牛鞭草。DOC释放量与初始基质的C/N值呈显著正相关关系。平均释放速率最大为苦蒿(10.35mg±2.89)mg/(g·d),最小为牛鞭草(0.16±0.01)mg/(g·d),主要优势草本植物的平均释放速率平均值为(1.96±0.34)mg/g.d,不同植物物种间释放速率差异显著,释放速率大小关系为:苦蒿>苍耳>牛毛毡>苋菜>狗尾草>稗子>水蓼>空心莲子草>铁线蕨>牛鞭草。   (6)植物在淹水浸泡过程中总氮(TN)的前期释放较快,后期趋于平稳,符合动力学方程y=alnx+b,不同植物物种间释放系数差异较大,空心莲子草等水生植物的释放系数较小,而苦蒿等旱生植物释放系数较大。TN释放量最大为苍耳(10.32±2.56)mg/g,最小为牛鞭草(0.57±0.15)mg/g; TN的平均释放速率最大为苍耳(0.49±0.03)mg/g·d,最小为铁线蕨(0.016±0.01)mg/g·d,不同物种总氮的平均释放速率差异显著。植物浸泡过程中上覆水的氮素形态变化明显,前期(30d前)有机氮(ON)浓度增加较快,30d后出现净减少并趋于稳定;铵态氮(AN)30d前浓度较高,30d后出现净减少,在整个释放过程中AN浓度波动较大;硝态氮(NN)在15d前的浓度很低,后期浓度增加,且持续升高。植物浸泡过程中氮素释放形态主要以有机氮为主,不同形态氮素的释放量占释放总氮的比例为ON80.26%,AN17.68%,NN1.94%; DN55.77%,PN44.17%。TN的平均释放量为(4.06±1.90)mg/g,ON(3.11±1.27)mg/g,AN(0.81±0.24)mg/g,NN(0.10±0.02)mg/g,DN(2.32±0.34)mg/g,PN(1.72±0.21)mg/g。植物不同形态氮的释放量与初始基质全氮含量呈显著正相关关系,与C/N呈显著负相关关系。   (7)植物在淹水浸泡过程中TP前期释放快,后期趋于平稳,均符合对数方程(y=alnx+b),总磷释放峰值浓度最大为狗尾草(33.44±2.71)mg/L,苍耳达到(18.92±1.01)mg/L,其余几种植物均在10mg/L左右,最小为苋菜(2.46±0.23)mg/L。苍耳的释放量最大达到(5.26±0.09)mg/g,最小为苋菜(0.51±0.10)mg/g。苦蒿的释放速率最大(0.11±0.01)mg/g.d,水蓼、苍耳次之,铁线蕨的释放速率最小(0.004±0.001)mg/g·d。植物浸泡过程中上覆水的磷素形态变化明显,有机磷(OP)除苦蒿在第15d时达到释放浓度峰值,其余几种植物在30d达到释放浓度峰值;可溶性磷酸盐(OPP)的释放过程曲线与总磷相似;颗粒态磷(PP)除苦蒿在第15d达到释放峰值,牛鞭草在第60d到达释放峰值,其余几种植物在30d达到释放峰值。释放过程中不同形态磷的占总磷的比例为DP77.14%,PP22.82%; OPP和OP占总磷的比例为OPP64.64%,OP35.32%。TP释放量为(1.95±0.57)mg/g,OP为(0.68±0.21)mg/g,OPP为(1.22±0.12)mg/g,DP为(1.46±0.23)mg/g,PP为(0.48±0.11)mg/g。消落带优势草本植物在淹水过程中不同形态磷的释放量与初始基质磷含量呈显著正相关关系,与N/P含量呈显著负相关关系。   (8) pH值对植物浸泡过程中养分的释放量存在不同的影响,酸性和碱性条件有利于氮的释放,酸性条件有利于磷的释放,碱性条件有利于DOC的释放,干重损失率为碱性>中性>酸性;扰动可能增加植物在浸泡过程TN和TP的释放量,对DOC的释放量影响较小。温度升高有利于TN、DOC的释放,温度升高有利于植物的腐烂分解。   (9)三峡库区消落带植被在淹水200d后,DOC的单位面积释放量为(234.59±74.11)hm2; TN为(17.97±3.63)kg/hm2、ON为(14.15±2.85)kg/hm2、AN为(3.23±0.65)kg/hm2、NN为(0.52±0.10)kg/hm2、DN为(11.85±2.40)kg/hm2、DON为(8.02±1.68)kg/hm2、PN为(6.04±1.22)kg/hm2; TP为(10.92±3.39)kg/hm2、OP为(4.91±1.53)kg/hm2、OPP为(5.95±1.86)kg/hm2、DP为(8.42±2.62)kg/hm2、PP为(2.49±0.77)kg/hm2、DOP为(2.44±0.76)kg/hm2。不同地区单位面积内养分释放量差异显著。三峡库区消落带(重庆段291.1km2)植被淹水200d内的养分释放负荷为:DOC6829.03t; TN523.01t、ON412.05t、AN94.02 t、NN15.23t、 DN345.01t、 DON233.56t、 PN175.82t; TP317.85t、OP143.17t、OPP171.12t、DP245.10t、PP72.48t、DOP71.13t。完全腐烂分解释放负荷为:TN1489.97t,TP462.84t。三峡库区消落带植被淹水后养分的释放负荷可能成为三峡库区水体营养物的重要来源,并可能成为影响三峡库区水环境安全的重要因素。
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