白沙河河道酸模叶蓼受淹前后化学.docx
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白沙河河道酸模叶蓼受淹前后化学
青岛农业大学
毕业论文(设计)
题目:
白沙河河道酸模叶蓼受淹前后化学
计量特征动态研究
2014年6月10日
毕业论文诚信声明
本人声明:
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论文作者签名:
日期:
年月日
指导教师签名:
日期:
年月日
目录
摘要II
AbstractII
引言2
1材料与方法2
1.1研究区概况2
1.2样品采集与处理2
1.3测定方法2
1.4数据处理2
2结果与分析2
2.1白沙河水位动态2
2.2质量动态2
2.3氮元素浓度动态2
2.4磷元素浓度动态2
2.5钾元素浓度动态2
2.6碳元素浓度动态2
2.7N总量动态2
2.8P总量动态2
2.9K总量动态2
2.10C总量动态2
2.11C:
N比值变化2
2.12C:
P比值变化2
2.13N:
P比值变化2
3讨论2
3.1酸模叶蓼茎、鲜叶、枯叶中氮元素2
3.2酸模叶蓼茎、鲜叶、枯叶中磷元素2
3.3酸模叶蓼茎、鲜叶、枯叶中钾元素2
3.4酸模叶蓼茎、鲜叶、枯叶中碳元素2
3.5C:
N和C:
P比与凋落物分解2
3.6N:
P比与生长限制2
4结论2
参考文献:
2
白沙河河道酸模叶蓼受淹后化学计量特征动态研究
生态学专业张佳
摘要:
本文以白沙河酸模叶蓼及其生境为研究对象,分析了酸模叶蓼水淹前生长期、水淹过程衰退期和水淹后分解期茎、鲜叶、枯叶中氮(N)、磷(P)、钾(K)、碳(C)元素含量与生态化学计量特征的动态。
结果表明,水淹胁迫对酸模叶蓼不同器官N、P、K、C元素含量与化学计量特征具有显著影响。
水位达80cm时茎叶干重开始下降态势;氮浓度前期变化不明显,进入分解阶段后各部分浓度都表现出先上升后下降的趋势;磷浓度呈现波动状态;而钾浓度下降明显,其中茎和鲜叶分别从3.89mg/g和1.55mg/g下降到2.37mg/g和0.25mg/g;碳浓度呈现先升高后下降的趋势,鲜叶和枯叶变化明显,从481.21mg/g和441.44mg/g上升到527.14mg/g和488.54mg/g,分解期下降。
鲜叶氮总量在生长过程中呈现上升态势,从3.67g/m2到7.63g/m2,受淹后下降至1.98g/m2,茎秆受淹后并未理科进行分解,因此总量变化不明显,枯叶在后期氮总量增加;各部分磷总量动态呈现波动的态势,介于0.03g/m2与0.18g/m2;钾总量趋势最为明显,从受淹后都持续下降,其中叶从1.02g/m2下降到0.05g/m2,茎从9.41g/m2下降到3.91g/m2;碳总量先升高后下降,变化明显。
该项研究对于揭示植物对环境的适应与反馈能力、了解白沙河河道内物质循环特征和环境关系具有十分重要的意义。
关键词:
白沙河;酸模叶蓼;氮;磷;钾;碳;化学计量
ThestoichiometrydynamicofPolygonumlapathifoliumL.inBaishaRiverduringsubmergence
StudentmajoringinEcologyZhangJia
Abstract:
ThisstudyisconductedforPolygonumlapathifoliuminBaishaRiveranditshabitat,analyzedthedynamicofelementcontentandecologicalstoichiometrycharacteristicsincludingnitrogen(N),phosphorus(P),potassium(K),carbon(C)instems,freshleaves,diedleavesduringthegrowthtimebeforeflooding,deadstageduringfloodinganddecompositionafterflooding.Theresultsshowthat,thecontentofN,P,K,CandecologicalstoichiometrycharacteristicsindifferentorgansofPolygonumlapathifoliumdifferedsignificantlywhenhydrologicalstressvaried.Whenthewaterlevelisaround20cm,Polygonumlapathifoliumcomeintofloodedstage.Whenthewaterlevelupto60cmallpartsoftheplantdryweightbegantoshowadownwardtrend;nitrogenconcentrationdidnotchangesignificantly;phosphorusconcentrationfluctuation;whilethepotassiumconcentrationsdecreasedsignificantly,especiallyinstemsandfreshleaves,from3.89mg/gand1.55mg/gto2.37mg/gand0.25mg/g;carbonconcentrationincreasedfirst,freshleavesanddiedleaveschangedobviously,risedfrom481.21mg/gand441.44mg/gto527.14mg/gand488.54mg/g,thendeclinedindecompositionperiod.Thechangesoftotalamountofnutrientswiththewaterlevelisobvious,butthedifferentdynamicswithdifferentparts,freshleavestotalnitrogenshowedarisingtrend,from3.67g/m2to7.63g/m2,thendecreasedto1.98g/m2,thestemswithfloodedwithoutdecomposition,sothetotalvariationisnotobvious,thetotalnitrogenindiedleavesincreasedbecauseoftheincreasingnumberofthediedleaves;thetotalphosphorusfluctuatedbetween0.03g/m2and0.18g/m2;thetotalpotassiumchangedmostobvious,thefreshleavesdecreasedfrom1.02g/m2to0.05g/m2,stemsdecreasedfrom9.41g/m2to3.91g/m2,potassiumremainedstableindiedleaves;totalcarbonincreasedfirstandthendecreased,changedobviously.ThisstudyisimportantinrevealingtheplantsadaptabilitytoenvironmentandtherelationshipbetweentheenvironmentandthecharacteristicsofthematerialcirculationinBaishaRiver.
Keywords:
BaishaRiver,Polygonumlapathifolium, N,P, K,C,EcologicalStoichiometry
引言
生物体,究其本质是多种化学元素的集合体,它们多样的行为表现多是各种元素有序调控的结果。
N、P、K、C作为植物的基本组成元素,在植物的生长、发育以及各种生理调节机能中发挥着重要作用。
N和P是各种蛋白质和遗传物质的重要组成成分,同时N还是叶绿素的主要组成元素。
K对光能的转化以及糖类产物的转移具有显著作用[1]。
C作为植物体的结构性元素,是构成植物体内干物质的最主要元素[2]。
作为重要的生理指标,C:
N和C:
P比值反映了植物生长速率,并与植物对N和P的利用效率有关,N:
P比则是决定群落结构和功能的关键性指标,并且可以作为对生产力起限制性作用的营养元素的指示剂[3],同时也调控着植物死亡后的分解速度[4]。
目前学者们普遍认为植物N、P、K、C等元素的化学计量比值的变化可能是植物体通过调整自身生长速率来适应环境的一种表现[5-6]。
因此,研究N、P、K、C在植物群落中的含量与动态十分重要。
生态化学计量学(EcologicalStoichiometry)结合了生态学和化学计量学的基本原理,着重研究生态系统能量平衡和多重化学元素(主要是C、N、P)平衡的关系,是分析元素质量平衡对生态交互作用影响的一种科学理论[7]。
该理论有助于解决生态系统和植物体内养分供需平衡方面的难题,是分析研究系统内养分循环动态的主要手段,同时对于植物通过改变养分利用策略以适应环境变化的研究具有重要意义[8]。
生态化学计量学最初用于海洋浮游生物的研究,随着科学研究的日益发展与理论的不断完善,应用领域逐步扩展到森林、草原、湖泊等生态系统[9]。
近年来,有关生态化学计量学的研究在国内得到了迅速发展,在不同时间、空间尺度以及物种、种群、群落等水平上都取得了较大进展。
杨阔等[10]对青藏高原草原植物群落冠层叶片氮磷生态化学计量学特征的研究中,发现N:
P具有明显的年际变化规律;周鹏等[11]在对温带草原主要优势植物不同器官间功能性状的关联研究中发现,草类植物细根N:
P与叶片无差异,而远高于生殖结构;Kerkhoff等[12]对不同生活史和生活型的种子植物氮磷比例变化的研究显示N:
P在叶片、茎、生殖结构和根之间均表现出正相关;王冬梅和杨惠敏[13]研究了4种牧草不同生长期的C、N生态化学计量特征,结果发现叶片的C:
N生态化学计量比低于茎和根。
从目前已有的主要研究看,森林和草原生态系统的研究成果居多,且以宏观尺度研究较多,而对河流湿地植物群落生态化学计量特征的研究相对缺乏[14]。
北方河流、湿地等水生生态系统具有明显的水文变化,而且由于全球变化、土地利用等原因加剧了这种变化。
水文的季节性变化直接影响系统内植被群落物种结构[15]。
Sjöberg等(1982)调查了洪水前后以羽状卷柏(ComarumpalustreL.),水生莎草(CarexaquatilisWahlenb.),金钱草(LysimachiathyrsifloraL.)和灰株薹草(CarexrostrataStokes.)为主的水生生态系统植物群落组成,发现洪水过后系统内植物种类明显减少[16]。
Singhal(2008)对狭叶草(Deyeuxiaangustifolia),毛果苔草(Carexlasiocarpa)和粘苔(Carexlimosa)三种湿地植物进行了为期25天50cm深的水淹处理,发现狭叶草的存活率只有11%,毛果苔草和粘苔则分别为44%和100%。
结果表明,水生生态系统水文变化容易引起系统内植物受淹死亡,改变植被群落结构[17]。
南非的Cynodondactylon草原经常为季节性的水淹所控制,Furness(1982)利用鲜活和烘干的样品对泛洪区内的狗牙根草分解动态进行了研究,发现分解前期,鲜凋落物的分解速度慢于干凋落物,但是后期正好相反,其动态与Singhal(1993)的结果相似。
另外,Noah(2005)对6种草本植物进行不同梯度的水淹处理,发现不同组分对水淹胁迫的敏感性不同[18]。
由于本次研究处于夏季,且属非正常受淹死亡,而植物的正常死亡多处于冬季,所处的环境不同,会进一步导致分解过程的差异。
基于此,不同生境和不同的处理方式会导致植株体因组分差异影响分解动态,引起系统内物质循环等生态过程发生变化。
白沙河素有城阳区母亲河之称,酸模叶蓼(Polygonumlapathifolium)是白沙河重庆路至308国道段河道内的主要植物,对于河道内营养物质的吸收、迁移和转换起着至关重要的作用。
本实验以白沙河河道酸模叶蓼为研究对象,深入分析其在不同生长阶段N、P、K、C元素含量的差异与化学计量特征的动态变化,有助于了解他们整个生活史周期中的生长状况以及与环境中养分的供需关系,为白沙河河道的保护管理和开发利用提供理论依据。
本文力图从分解的角度探讨水文变化作为干扰因子对系统中物质循环的影响,其研究结果对于白沙河河道内消涨带的植被管理有重要意义,促进白沙河河道湿地生态系统的保护、恢复与重建。
1材料与方法
1.1研究区概况
白沙河位于青岛市城阳区东部,发源于崂山巨峰海拔千米的天乙泉,是崂山山区最长的河,也是青岛地区水位最高的河流,号称“青岛天河”。
白沙河位于北温带季风区,兼备季风气候与海洋气候特点。
河流上游常年流水,中、下游冬春无水,结冰期约60天,流向为南北折而东西,流经崂山水库,最后流入胶州湾,全长32公里,流域面积209平方公里。
作为白沙河下游河道内优势种的酸模叶蓼常生于低湿地或水边,为春季一年生草本,高30-200厘米,叶片宽被针形,顶端渐尖或急尖,花果期7~9月份。
经常性的河道疏浚工作对底层土壤造成了不小破坏,各类水生植物种类和数量明显降低,而诸如酸模叶蓼(Polygonumlapathifolium)、藜(Chenopodiumalbum)、狗尾草(Setairaviridis(L.)Beauv)等陆生常见植物则成为主要物种,这些植物在河流枯水期大量生长,而丰水期到来后极易受淹死亡而分解,致使水体环境恶化,死亡的植株体又容易沉积下来成为新的淤泥。
1.2样品采集与处理
自2013年7月中旬到9月中旬,约每隔10天取样一次。
每次取样在研究区内随机选取三个酸模叶蓼生长均匀的样点,每个样点处量取一个面积为0.5m×0.5m的样方,取样方内植株地上部带回实验室,剔除石块、塑料膜、杂草等杂物,洗净,分离成枯叶(总叶面积的1/2发黄为标准)、鲜叶、茎三部分,待稍干后分装入信封,放入烘箱,120℃下杀青2小时,80℃下烘干24小时,取出,称重记录,用样品粉碎机磨成粉末后过100目筛,用封口袋装袋封存,待测。
每个样品每个项目重复测定3次。
1.3测定方法
测定项目为植物全氮、全磷、全钾和有机碳含量。
全氮采用凯氏定氮法测定;
全磷采用硝酸-高氯酸消煮-钼锑抗分光光度法测定;
全钾采用火焰光度法测定;
有机碳采用重铬酸钾外加热法测定。
1.4数据处理
利用相关公式计算出酸模叶蓼各部分在不同生长阶段各化学计量指标三次平行测定结果的算术平均值,测定结果以单位质量的养分含量(mg/g)表示,然后利用Excel2003软件作图分析。
2结果与分析
2.1白沙河水位动态
图1白沙河水位动态
白沙河具有明显的水文动态。
实验研究期间白沙河河道水位变化如图1所示。
7月24日采样时河道内开始出现积水,初始水位是20cm,之后经过一个稍有波动性的上升过程,50cm,80cm,62cm,82cm,于8月24日达到最高水位143cm,此后水位逐步下降,9月18日水位下降为0cm。
2.2质量动态
图2酸模叶蓼不同部位质量动态
酸模叶蓼茎、鲜叶、枯叶的质量动态如图2所示,都呈现先增加后减少的动态。
茎和鲜叶动态变化相同由起初63.53g/m2和32.45g/m2快速增长,于水淹80cm时达最高值282.91g/m2和78.38g/m2此阶段为生长阶段;然后开始下降,至水淹140cm时为168.56g/m2和20.04g/m2而9月13日最后一次采样时已无鲜绿叶。
鲜叶质量动态与茎干重变化趋势相一致,初始质量为为32.54g/,经过生长期于8月3日达最高值,之后持续缓慢降低,9月3日最后一次鲜叶样品测定结果为。
枯叶干重动态与其他三者变化趋势相差较大,但对比图1可发现,它与水位变化动态完全一致。
第一次采样时酸模叶蓼正处于旺盛的生长期,全是鲜绿叶,无枯叶,从第二次采样开始出现枯叶,并随水位变化出现一个极为平缓的上升然后下降,再缓慢上升然后下降的趋势,在9月3日达最高值,为54.20g/m2。
7月14日至8月3日,样方内酸模叶蓼植株总干重由96.07g/m2快速增长到379.32g/m2,达最高值,此期为生长期;此后干物质量开始下降,8月13日降至261.06g/m2,之后缓慢下降,此为衰退期;然后进入分解期,9月13日最后一次测定时总干重为212.80g/m2。
结合图1、图2分析,7月24日至8月3日,白沙河水位持续升高,由于酸模叶蓼正处于生长期,急需水分供应,此时的河水为酸模叶蓼的生长提供了良好的养分环境,因此植株开始快速生长,各部分生物量都急剧增加。
此后,水位从80cm上升到143cm,植株完全淹没于水中,酸模叶蓼并不是完全意义上的水生植物,长时间高水位的淹浸使其开始受到水淹胁迫,生长受到抑制,进入衰退期,各部分生物量开始下降。
之后植物进入分解期,酸模叶蓼开始受淹死亡而分解。
至水淹20天左右,植物叶片全部腐烂,表明植物已完全死亡。
2.3氮浓度动态
图3酸模叶蓼不同部位N元素浓度动态
从图3可看出,酸模叶蓼N浓度在鲜叶中最高,茎中最低,鲜叶和枯叶中在分解阶段有明显的上升趋势,而茎中氮浓度则保持相对平稳。
鲜叶中N元素初始浓度为88.70mg/g,进入生长期时缓慢升高至97.77mg/g左右,进入分解期后,鲜叶中N浓度快速上升至142.94mg/g达最大值,后又急剧下降,其浓度值与枯叶相近为98.63mg/g。
枯叶中N元素浓度由38.64mg/g持续上升至98.63mg/g,达最大值此过程可能是分解过程中微生物固定外源性氮的过程,之后开始下降。
茎中N浓度相对稳定,初始浓度为34.94mg/g,水淹开始后降至24.84mg/g,之后维持在24mg/g左右,进入分解期后,茎中N浓度缓慢上升至36.64mg/g然后缓慢下降,植株体分解完成时,茎中N浓度会下降到29.68mg/g,这与茎秆较为难于分解有关,除茎秆顶端部分鲜嫩部分被分解外,茎秆的大部分在最后一次采样时并未表现出进入分解状态
2.4磷浓度动态
图4酸模叶蓼不同部位P元素浓度动态
酸模叶蓼茎、鲜叶、枯叶中P元素浓度在不同的生长阶段具有一定差异性,如图4。
从图中可以看出,在生长和分解前期,即8月23日前,P浓度大小表现为枯叶>茎中≈鲜叶,但是后期表现为鲜叶>枯叶>茎同时在动态上表现为茎和鲜叶由0.60和0.89mg/g上升至1.73mg/g和1.45mg/g然后下降到0.43mg/g,此后茎保持较为平稳状态,而叶片则急剧上升至3.52mg/g。
这可能是由于茎叶处于生长状态,P浓度增加,水淹后生长缓慢而有所下降,茎较难于分解,因此P浓度在后期变化不明显,而叶片死亡后就进入分解状态,其中的可溶性物质包含的C、N和K等都可以随水溶解而淋溶,但P无可溶性态,因此在叶片中保持下来,造成其浓度增加;枯叶P浓度总体也表现为上升状态,这可能是在分解过程中P的贫瘠程度往往是属于限制分解动态的因子,周围环境中P含量高促进凋落物分解,反之则限制其分解,因此微生物在分解过程中会吸收外源性的P,从而造成枯叶中P浓度甚至P含量的增加。
在生长期,枯叶中P浓度先缓慢上升,由1.91mg/g上升到2.19mg/g后开始缓慢下降,进入衰退期后,枯叶中P浓度快速降低,由2.04mg/g下降到0.84mg/g,在分解期又出现增长趋势。
2.5钾浓度动态
图5酸模叶蓼不同部位K元素浓度动态
图5所示,茎中K浓度>鲜叶中K浓度>枯叶中K浓度。
在衰退期开始下降至23.19mg/g,进入分解期后略有上升。
鲜叶中K浓度在生长前期基本持平,维持在13-13.6mg/g范围内,进入分解期后,鲜叶中K浓度快速下降,在植株体完成分解时,鲜叶中K浓度降至2.51mg/g。
相比茎和鲜叶中K浓度的变化动态,枯叶中K浓度相对稳定,含量较低变化较小,始终维持在1.1-3.2mg/g范围内。
这主要是K的化合物都属于可溶性物质,因此在水淹后最容易从植株体中析出。
2.6碳浓度动态
图6酸模叶蓼不同部位C元素浓度动态
酸模叶蓼茎、鲜叶、枯叶中C元素浓度在不同的生长阶段具有一定差异性,如图6。
茎中C浓度较高,枯叶中C浓度较低。
茎中C浓度整体呈上升趋势,在生长初期由503.20mg/g上升到528.41mg/g,之后较稳定,保持在528-542mg/g范围内。
鲜叶中C浓度在生长初期稍有下降,由494.26mg/g降至481.21mg/g,之后再次上升至527.14mg/g左右,进入衰退期后又缓慢下降至508.26mg/g。
枯叶中C浓度在进入生长期时缓慢上升由441.44mg/g上升到488.54mg/g,达最大浓度,进入分解期后C浓度又缓慢下降至453.78mg/g左右。
2.7N总量动态
图7酸模叶蓼不同部位N元素总量动态
由图7可看出,酸模叶蓼所含N元素总量在植株生长初期迅速增加,由5.11g/m2增至15.12g/m2,达最大值,此阶段为酸模叶蓼生长阶段,吸收固定了环境中大量的N;此后开始衰退,降至9.62g/m2,这可能是以叶片为主的部分出现N的淋溶过程;后期又再次增加,进入分解期后持续降低,最终降至6.79g/m2。
茎中N总量在生长初期迅速增加,由2.22g/m2增至6.65g/m2,之后开始衰退,进入分解期后出现小幅波动,植株体分解完成时茎中N总量为5.57g/m2。
酸模叶蓼生长初期,鲜叶中N总量由2.89g/m2迅速增至7.63g/m2,进入衰退期后持续下降,最终降至1.98g/m2。
枯叶中N总量前期较稳定,维持在0.36-0.84g/m2,分解期迅速增大至5.35g/m2,后开始下降,植株体分解完成时,枯叶中N总量为2.10g/m2。
结合图2和图3可以看出,此阶段叶片质量下降,而N浓度虽然有升高趋势,但叶片中氮总量呈现下降;从图7中看出,总量N的增加得益于茎秆中的N总量保持平衡,而枯叶中的N总量急剧增加,这是因为枯叶进入异化阶段,大量微生物固定外源性的N造成枯叶中N总量急剧升高。
可以预想,当后期叶片、
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