Foliar stable carbon isotope ratios of Phragmites australis and the relevant environmental factors in marsh wetlands in Tianjin

Aims Phragmites australis marshes in Tianjin play an important role in ecosystem functioning. Wetlands of Tianjin municipality have been suffering from serious nitrogen loading, salinization and water shortage. The foliar stable carbon isotope ratio (δ¹³C) is a good parameter which records environmental change information associated with the plant growth process, and reflects physiological and ecological responses of plants to environment changes. The objective of this study is to investigate the effects of environment stress on the leaf δ¹³C of P. australis in marsh wetlands in Tianjin municipality.Methods This study was conducted in Qilihai, Beidagang, and Dahuangpu marsh wetlands. We investigated the foliar δ¹³C of P. australis and sediment properties, and evaluated the relationships between the foliar δ¹³C and sediment environmental factors. Important findings 1) Foliar δ¹³C ranged from -26.3‰ to -23.6‰, with an average value of -25.8‰. 2) Sediment water and nitrogen status were the important factors affecting reed foliar δ¹³C. Foliar δ¹³C was negatively correlated to sediment relative water content, and positively correlated to sediment total nitrogen and available nitrogen content. In contrast, foliar δ¹³C was not significantly correlated to sediment salinity and phosphorus content. 3) Leaf δ¹³C were significantly positively correlated with leaf nitrogen content, and negatively correlated with leaf carbon and nitrogen ratio across all site. However, these relationships were not detected due to the wetland drainage at Qilihai site in August. Wetland drainage changed the plant water and nitrogen balance, and further affected water and nitrogen utilization strategies of P. australis. Moreover, wetland drainage had stronger effects on these processes than nitrogen loading and salinization.     

鬼箭锦鸡儿叶片和土壤碳稳定同位素特征及其影响因素

为探究高海拔地区的植物碳(C)循环过程与其生境的关系,以生长在高山地区的豆科灌木鬼箭锦鸡儿为研究对象,沿着横跨我国东西部山区的样带采集35个样点的鬼箭锦鸡儿叶片和土壤样品,分析了鬼箭锦鸡儿叶片碳稳定同位素组成(δ13C)、土壤δ13C、叶片和土壤δ13C差值(Δδ13C)在不同采样点的特征及其与气候因子、叶片和土壤元素...     

黑河流域中游芦苇湿地土壤碳垂直分布特征

黑河流域是中国的第二大内陆河流域, 在该流域中游分布的湿地面积有170411.2 hm2, 其中水陆交错带芦苇湿地面积30000 hm2。以黑河流域中游芦苇湿地为例, 探讨了其土壤剖面中碳的垂直变化规律。结果表明, 土壤剖面0-20 cm 土层的容重较小, 容重均值为 0.365 g·cm3, 在 20-50 cm 容重均值急剧升高; 50 cm 以下, 容重均值均在1.29 g·cm3 以上, 容重随土壤深度增加呈“S”型增长; 土壤有机碳主要集中在土壤表层0-40 cm 处, 40 cm 以下不同土层有机碳含量之间无显著性差异(p<0.01), 土壤有机碳随土层深度的增加呈指数下降趋势; 土壤有机碳含量和土壤容重之间存在显著的相关性。     

高寒草甸植物碳氮组成及其稳定同位素特征

采用稳定同位素质谱仪Isoprime100,对采自黄河源区典型高寒草甸和人工改良草地的主要植物进行了碳、氮组成及其稳定同位素丰富度测定,判断植物光合类型,探讨稳定碳氮同位素丰富度对草地植被演替的响应。结果表明:(1)研究区58种主要植物碳元素含量在28.64%~51.55%之间,氮元素含量介于0.89%~4.04%,δ13 C值变化范围介于-29.50‰~-24.69‰,δ15 N值介于-4.57‰~8.32‰。(2)不同样地植物碳含量的大小顺序为人工草地(45.54%)未退化草甸(43.18%)轻度退化草甸(42.18%)严重退化草甸(39.68%),氮元素含量顺序为未退化草甸(2.30%)人工草地(2.28%)轻度退化草甸(2.13%)严重退化草甸(2.10%),表明草甸退化会引起植物碳氮含量的降低。(3)未退化草甸、人工草地、轻度退化草甸和严重退化草甸的δ13 C值依次为-25.63‰、-26.57‰、-26.76‰和-27.91‰,δ15 N值依次为-0.63‰、0.32‰、2.76‰和0.26‰。研究认为,黄河源区高寒草甸和人工改良草地的58种主要植物均属C3植物,没有发现C4和景天酸代谢(CAM)植物,低的年均气温可能是制约该区C4植物分布的主要因素;植物δ13 C值随草地退化程度加剧而逐渐降低,但δ15 N值的变化无规律性趋势。     

不同基因型冬小麦旗叶的稳定碳同位素比值及其与产量和水分利用效率的关系

以我国北方12个冬小麦(Triticum aestivum)品种(系)和美国德克萨斯州3个冬小麦品种(系)为供试材料, 在甘肃陇东黄土高原旱作和拔节期有限补灌条件下, 比较研究了不同基因型冬小麦之间产量、水分利用效率(WUE)和灌浆期旗叶稳定碳同位素比值(δ¹³C)的差异, 以及δ¹³C值与产量和WUE的关系。旨在通过分析δ¹³C值与产量和WUE的关系, 明确δ¹³C值在评价植物WUE方面的可靠性, 为抗旱节水品种的筛选提供理论依据。结果表明: 不论旱作还是有限补灌, 不同基因型冬小麦之间产量、WUE、旗叶δ¹³C值存在显著差异, 随着灌浆过程的进行, 旗叶δ¹³C值呈缓慢增大的趋势, 而且旗叶δ¹³C值旱作高于有限补灌。不论旱作还是补灌条件, 旗叶δ¹³C值在4个测定时期的平均值与籽粒产量、WUE呈显著正相关关系(R²= 0.527 3-0.691 3)。小麦拔节期补灌100 mm水分后, 不同基因型小麦表现出明显的水分超补偿效应。说明冬小麦灌浆期旗叶δ¹³C值在旱作条件下和在补灌条件下均可较好地评价WUE, 可将冬小麦灌浆期旗叶δ¹³C值作为筛选高效用水品种的参考指标之一。     

土壤剖面碳氮稳定同位素自然丰度的垂直分布模式及其影响机制

土壤碳、氮稳定同位素自然丰度(δ13C和δ15N)随土壤深度变化的研究,对揭示碳、氮元素生物地球化学循环机制具有重要意义.本文在概述土壤剖面δ13C和δ15N垂直分布特征的基础上,重点介绍了土壤δ13C和δ15N垂直分布模式的影响机制.土壤剖面δ13C垂直分布模式的影响机制主要有3种:1)植被δ13C值的历史变化;2)...     

准噶尔盆地南缘荒漠区土壤碳分布及其稳定同位素变化

以亚洲中部干旱区准噶尔盆地南缘荒漠区为研究区,根据荒漠距离绿洲的距离,分别在荒漠边缘、中部和腹地设置3条样带,并采集2 m深的土壤剖面样品,研究土壤有机碳(SOC)、无机碳(SIC)含量及其稳定碳同位素的分布,探讨土壤碳变化与距绿洲距离的关系.结果表明: SOC含量随剖面土层深度增加而减少.受距绿洲距离的影响,SOC含量表现为荒漠边缘>荒漠中部>荒漠腹地.荒漠边缘SOC的δ¹³C值范围为-21.92‰～-17.41‰,且随深度增加而递减;荒漠中部和荒漠腹地的δ¹³C值范围为-25.20‰～-19.30‰,且随深度增加先增后减,由此推断准噶尔盆地南缘荒漠中部和腹地地表植被以C3植物为主,而绿洲边缘经历了从C3植物为主到C4植物为主的演替过程.荒漠边缘SIC平均含量为38.98 g·kg^-1,是荒漠腹地的6.01倍,表明0～2 m深度内大量SIC在荒漠边缘呈聚集趋势.SIC的δ¹³C值随深度增加先减后增,底层富集,主要受原生碳酸盐含量和剖面土壤CO₂的影响.     

贵州喀斯特地区典型土壤有机碳垂直分布特征及其同位素组成

以贵州喀斯特地区两种主要土壤类型(石灰土和黄壤)为研究对象,通过测定土壤pH值、土壤有机碳(SOC)含量和植物优势种、枯枝落叶、土壤有机质的稳定同位素(δ13Csoc值)组成,探讨了该地区石灰土和黄壤剖面SOC垂直分布特征和δ13Csoc值组成差异。结果表明,与黄壤相比,石灰土剖面的SOC含量较高,石灰土剖面和黄壤剖面SOC含量变化范围分别在3.6～69.8和2.4～51.2g·kg-1。黄壤和黄色石灰土剖面SOC主要集中在0～20cm深度内,而黑色石灰土剖面从0～60cm逐步减少。黑色石灰土和黄壤剖面δ13Csoc值变化范围分别在-22.9‰～-21.5‰和-25.6‰～-22.4‰,前者较后者变化小。从剖面表土向下,黄壤剖面δ13Csoc值均出现逐步增加的趋势,而石灰土剖面δ13Csoc值从剖面表土向下出现上升-降低-不变的变化趋势。黄色石灰土剖面δ13Csoc值变幅较大,变化范围为-23.7‰～-18.2‰。在枯枝落叶转化为表层土壤有机质的过程中,石灰土剖面δ13Csoc值变幅高于黄壤。其中,黄壤剖面δ13Csoc值升高了2.6‰～3.0‰,石灰土剖面δ13Csoc值升高了5.5‰～6.3‰。上述结果揭示了SOC含量及其δ13C值随深度变化的差异,反映植物残体的输入及其在土壤中分解累积特征,有助于揭示SOC循环过程及规律和了解剖面土壤成土过程。     

黄河三角洲芦苇湿地生态系统碳、水热通量特征

利用涡度相关法对黄河三角洲芦苇湿地生态系统进行了连续两年的通量观测,对2009—2010年生长季芦苇湿地的净生态系统碳交换量(NEE),感热通量(Hs)和潜热通量(LE)数据进行了分析。结果表明,在日尺度上,芦苇湿地NEE日变化特征表现为两个CO2吸收高峰,分别出现在11:00和16:00左右,其特点是在午间出现了碳交换通量的降低。CO2吸收的日最大值在两个生长季出现的时间有所不同,分别出现在2009年7月(-0.30 mg CO2m-2s-1)和2010年6月(-0.37 mg CO2m-2s-1)。CO2排放的日最大值两个生长季均出现在9月,分别为0.19和0.25 mg CO2m-2s-1。Hs和LE的日动态均为单峰型,极值都出现在中午前后,生长季生态系统的能量消耗主要以潜热为主,且在日尺度上,热通量和NEE有显著的负相关关系。在季节尺度上,芦苇湿地生长季具有明显的碳汇功能,2009年生长季生态系统白天固定354.63 g CO2/m2,同时期夜间释放159.24 g CO2/m2,净CO2吸收量为-195.39 g CO2/m2。2009年整个生长季生态系统总初级生产力(GPP)为-651.13 g CO2/m2,生态系统呼吸(Re)为455.74 g CO2/m2,系统表现为碳汇。路径分析表明:光合有效辐射(PAR)显著影响NEE的日动态(R2=0.46—0.84),而NEE的季节动态主要受土壤温度的影响,降水和PAR的影响次之。     

稳定碳同位素在滨海湿地碳生物地球化学循环中的应用

碳作为滨海湿地中重要的生命元素,其生物地球化学循环过程是滨海湿地研究的核心内容之一.稳定同位素技术越来越多地被应用到滨海湿地碳生物地球化学循环过程的研究中,提高了其研究水平,并推动了其研究的进程.本文从有机物质生产、土壤有机质来源、食物链传递、温室气体排放以及可溶性有机碳输出5个方面,综述了滨海湿地碳生物地球化学循环过程的稳定同位素研究进展.通过植物及土壤δ13C值的测定进行有机质的生产机理研究及外源追溯,通过对比各生物种群的δ13C值分析碳在生态系统中的流动过程,通过湿地排放温室气体及可溶性有机碳δ13C值的测定揭示影响碳输出的环境因子.最后,文章总结了当前研究中存在的问题,并对其研究前景进行了展望.     

扎龙芦苇湿地生长季的甲烷排放通量

为研究高寒地区天然淡水芦苇湿地的甲烷排放特征,采用静态箱-气相色谱法,测定了扎龙不同水位芦苇湿地生长季的甲烷排放通量.结果表明:观测期内,扎龙芦苇湿地甲烷排放通量平均为7.67 mg·m^-2·h^-1（-21.18～46.15 mg·m^-2·h^-1）,其中深水区(平均水深100 cm)和浅水区(平均水深25 cm)的平均甲烷排放通量分别为5.81和9.52 mg·m^-2·h^-1,排放峰值分别出现在8月和7月,最低值均出现在10月.深水区夏季(6-7月)的甲烷排放通量显著低于浅水区,而春(5月)、秋(8-10月)季节显著高于浅水区.生长季甲烷排放通量的变化为夏季>秋季>春季;昼夜排放量为12:00和14:00最高,0:00最低.温度和水位是高寒地区淡水芦苇湿地甲烷排放通量变化的主要影响因子.     

光照、水深交互作用对松嫩湿地芦苇种子萌发的影响

莫莫格国家级自然保护区位于松嫩平原西部, 以保护白鹤(Grus leucogeranus)等珍稀水禽及其栖息地为主要目的。扁秆藨草(Scirpus planiculmis)是莫莫格湿地的重要植物, 也是白鹤在该区停栖的主要食源植物。莫莫格湿地水文恢复后, 芦苇(Phragmites australis)等高大挺水植物大量出现, 阻碍了扁秆藨草的恢复。种子萌发是植物生活史的重要阶段, 对于认识野外植物群落动态和植被管理十分重要。该研究在人工气候箱模拟野外环境条件, 分析了光照(全光、遮阴、黑暗)、水深(0、5、15和30 cm)及其交互作用对芦苇种子萌发的影响。结果表明: 光照和水深变化明显影响芦苇种子的萌发; 最终萌发比例在遮阴和黑暗条件下明显比在全光下高, 在3种光照处理下较深水位(5-30 cm)均抑制了芦苇种子的萌发。芦苇种子萌发也明显受光照和水深交互作用的影响; 在全光条件下, 萌发比例在0 cm水深(86.67% ± 2.36%)显著高于其他较深水位; 在遮阴和黑暗环境下, 0 cm水深与其他水深处理间的差异明显缩小, 这应是在遮阴和黑暗条件下(不考虑水深)萌发比例较高的重要原因。因此, 在芦苇建群初期, 及时进行清除处理并保持一定地表水位可以限制芦苇通过有性繁殖更新, 同时改善地表光辐射等生境条件, 促进扁秆藨草恢复。     

Freshwater wetlands: fertile grounds for the invasive Phragmites australis in a climate change context

Climate change will likely affect flooding regimes, which have a large influence on the functioning of freshwater riparian wetlands. Low water levels predicted for several fluvial systems make wetlands especially vulnerable to the spread of invaders, such as the common reed (Phragmites australis), one of the most invasive species in North America. We developed a model to map the distribution of potential germination grounds of the common reed in freshwater wetlands of the St. Lawrence River (Québec, Canada) under current climate conditions and used this model to predict their future distribution under two climate change scenarios simulated for 2050. We gathered historical and recent (remote sensing) data on the distribution of common reed stands for model calibration and validation purposes, then determined the parameters controlling the species establishment by seed. A two‐dimensional model and the identified parameters were used to simulate the current (2010) and future (2050) distribution of germination grounds. Common reed stands are not widespread along the St. Lawrence River (212 ha), but our model suggests that current climate conditions are already conducive to considerable further expansion (>16,000 ha). Climate change may also exacerbate the expansion, particularly if river water levels drop, which will expose large bare areas propitious to seed germination. This phenomenon may be particularly important in one sector of the river, where existing common reed stands could increase their areas by a factor of 100, potentially creating the most extensive reedbed complex in North America. After colonizing salt and brackishwater marshes, the common reed could considerably expand into the freshwater marshes of North America which cover several million hectares. The effects of common reed expansion on biodiversity are difficult to predict, but likely to be highly deleterious given the competitiveness of the invader and the biological richness of freshwater wetlands.     

中国滨海沼泽湿地芦苇种子功能性状的纬度梯度变异

种子功能性状反映了植物适应环境变化的繁殖对策,这是植物在自然环境选择和遗传上的一种进化行为,对深入认识植物及种子对环境的长期适应性进化意义重大。本研究对中国滨海6个省市9个地区的滨海沼泽湿地(21°29′—40°57′ N)主要土著植物芦苇种子功能性状(包括种子大小、重量、结实率和产量)进行研究,分析其纬度变异规律。结果表明: 我国滨海湿地芦苇种子各功能性状在不同纬度差异显著,各功能性状间具有显著的相关性。芦苇种子大小(种长、种宽、种形指数、长宽比、种子表面积)和百粒重与纬度呈显著的二次函数关系,随着纬度升高先降后升,而种子结实率呈现先升后降的规律,芦苇种子数量与大小间存在着权衡关系。单位面积种子产量随着纬度升高显著增加。逐步回归分析显示,气候因素是影响不同纬度间芦苇种子功能性状差异的主要因素,土壤孔隙水的pH和盐度次之。     

干旱区湿地芦苇各器官生态化学计量对土壤因子的响应

了解植物养分浓度及其化学计量对土壤因子的响应,对预测脆弱而敏感生态系统对环境变化的响应至关重要.以敦煌阳关湿地优势种芦苇(Phragmites australis)为对象,通过野外调查与实验分析,研究芦苇不同器官生态化学计量特征及其影响因素.结果 表明:芦苇各器官C、P含量为叶＞根＞茎,N含量及N∶P为叶＞茎＞根,C∶...     

氮添加对黄河三角洲高潮滩芦苇生长和土壤理化性质的短期效应

氮富集会影响到全球生态系统的植物生长繁殖和土壤理化性质.然而,目前关于氮富集对潮汐湿地生态系统植物生长和土壤理化性质的影响研究相对较少.通过氮添加野外控制实验,研究了4个氮添加水平(CK:0 g·m-2·a-1、N1:5 g·m-2·a-1、N2:20 g·m-2·a-1、N3:50 g·m-2·a-1)对黄河三角洲高...     

九段沙芦苇湿地生态系统N、P、K的循环特征

对九段沙(上沙、中沙、下沙)芦苇湿地土壤、植物中N、P、K含量进行了测定,研究其分布规律.结果表明:水平分布上,湿地土壤全量养分与速效性养分含量均是中沙最低,并以中沙为中心向两端递增,速效性养分的这种变化尤为显著.垂直分布上,土壤全N和全K含量的分布规律一致,为上层＞下层＞中层;全P含量分布为中层＞上层＞下层.速效N含量分布为上层＞中层＞下层;速效P含量上层土壤最高,中、下层土壤含量因湿地类型而异;速效K含量多以中层土壤最低,上、下层土壤含量变化不稳定,以不同湿地而异.不同芦苇湿地的土壤速效性养分含量差异显著大于全量养分的差异,0～60 cm深度土壤的全量养分和速效性养分含量排序均为K＞N＞P.中沙湿地植物中养分含量最低,与土壤中营养元素总体水平分布一致;多数芦苇湿地植物中营养元素含量排序为N＞K＞P,与土壤养分含量排序不一致.不同芦苇湿地的吸收系数排序均为N＞P＞K;芦苇湿地利用系数排序为P＞K＞N;循环系数排序为N＞K＞P.     

Chemical oxygen demand,nitrogen and phosphorus removal by subsurface wetlands with Phragmites vegetation in different models

To improve the removal efficiency of subsurface wetlands vegetated mainly by Phragmites, pilot‐scale gravel‐based wetlands were used to treat sewage characterized by chemical oxygen demand (COD), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) pollution. For Phragmites vegetation, COD, TP and TN removal loads of wetland vegetation with Phragmites australis–Typha angustata–Scirpus validus as main species reached 0.517 g m^?2 d^?1, 0.277 g P m^?2 d^?1 and 0.023 g N m^?2 d^?1. The COD removal loads in pilot‐scale and medium‐scale (260 m² in area) wetlands with Phragmites‐monoculture vegetation were 0.62–0.64 g m^?2 d^?1, while that of P. australis–T. angustata–S. validus wetland reached 0.974 g m^?2 d^?1. Thus, the preferable poly‐culture model for Phragmites wetland vegetation was P. australis, T. angustata, S. validus and Zizania latifolia with stem density ratio of 8:1:5:1. After harvest, nitrogen and phosphorus standing stocks of wetland vegetations ranged only 2.2–9.93 g N m^?2 and 5.39–13.5 g P m^?2, respectively, as both the above ground biomass and the nitrogen and phosphorus contents of the wetland vegetation harvested in late autumn were low.