三江平原湿地小叶章生产力模拟模型

利用气象台站的常规观测资料,依据植物生长模拟理论,以d为步长,建立了湿地小叶章(Deyeuxia angustifolia)植被生产力动态模拟模型。该模型包括3个子模块:1)光合作用与呼吸作用;2)干物质积累;3)同化物分配,主要考虑了温度和积水因子对植物生长的影响。并利用实测资料对该模型进行了检验,结果表明:小叶章地上活体、枯落物、茎、叶各器官枯落物的模拟值与实测值之间均呈极显著的线性相关(R²分别为0.98、0.99、0.99和0.92)。在相邻区域的检验结果也表明,季节性积水沼泽化草甸小叶章的地上生物量明显高于常年积水沼泽。两类湿地小叶章地上生物量的模拟值与实测值之间均呈极显著线性相关(R²分别为0.66和0.79)。相近区域长期定位观测点连续2年的模拟结果与实测值之间也具有极显著的线性相关(R²分别为0.97和0.76)。     

模拟氮沉降对藏北高寒草甸温室气体排放的影响

目前,高寒草甸对全球温室效应的贡献仍具有不确定性,而随着N沉降的增加,该系统温室体气排放也必将发生变化。为揭示高寒草甸对N沉降的响应机制,探讨其对全球变化的反馈作用,利用人工添加氮素的方法,于2014年生长季(6-9月)在那曲地区那曲县设置不同水平N添加梯度(0、7、20kg hm~(-2)a~(-1)和40 kg hm~(-2)a~(-1)),模拟氮沉降增加对藏北高寒草甸温室气体排放的影响。经过1a的研究结果表明:1)施氮显著促进了CO_2排放但对CH_4的吸收和N_2O的排放无显著影响。总体而言,添加氮素明显增加了温室气体排放总量,其中N2O处理下高寒草甸温室气体排放总量最高。2)回归分析结果表明,CO_2与NPP(总生物量)和TOC(土壤有机碳)线性相关(P0.05),而与TN(总氮)、NH_4~+-N和NO_3~--N均无显著相关关系(P0.05),CH_4与TN/NPP/TOC/NH_4~+-N/NO_3~--N均不相关(P0.05),N_2O与NPP/TOC/NO_3~--N均显著线性相关(P0.05),而与TN/NH_4~+-N不相关。综合初步研究结果,未来氮沉降增加条件下,藏北高寒草甸温室气体排放通量将有可能明显增加,从而对气候变化产生重要的反馈作用。     

三江平原小叶章湿地碳排放对雪被变化的短期响应

为了解三江平原小叶章湿地碳排放对雪被变化的响应,利用黑龙江省科学院自然与生态研究所三江平原湿地生态定位研究站内试验平台,采用静态箱-气相色谱法,分别对剔除雪被处理(0 cm)和添加雪被处理(50 cm)以及对照(20 cm)小叶章湿地进行了温室气体排放通量观测,并同步观测相关环境因子。结果表明:不同处理土壤温度、含水量及碳排放量均在覆雪期较低,并随时间呈逐渐升高趋势。随着时间推移和雪被厚度增加,土壤温度不断上升,处理间差异逐渐缩小;剔除雪被处理的土壤含水量始终低于对照和添加雪被处理;在融雪期和后融雪期,对照和添加雪被处理比剔除雪被处理更能促进土壤CO₂排放;各时期土壤累积CH₄排放量在不同处理间无显著性差异。土壤温度与累积CO₂和CH₄排放量均呈显著相关关系,随土壤温度的升高,土壤累积CO₂排放量持续增加,土壤累积CH₄排放量呈先减少后迅速增加趋势;土壤含水量与累积CO₂和CH₄排放量也呈显著相关关系,随土壤含水量的增加,土壤累积CO₂排放量逐渐增多,达到一定值后趋于平缓,土壤累积CH₄排放量则持续显著增加。     

三江平原典型小叶章湿地土壤氮素净矿化与硝化作用

2004年6月—2005年7月,利用PVC顶盖原位培育法研究了三江平原典型草甸小叶章湿地和沼泽化草甸小叶章湿地土壤(0~15cm)无机氮库、净矿化/硝化速率动态、影响因素及年净矿化/硝化量.结果表明:两种湿地土壤的无机氮均呈明显的动态变化特征,其NH4 -N、NO3-N含量均表现为典型草甸小叶章湿地>沼泽化草甸小叶章湿地.两种湿地土壤的净矿化/硝化速率均呈明显的波动变化,生物固持作用、反硝化作用以及雨季较多降水是导致净矿化/硝化速率出现负值的主要原因.温度、降水、土壤有机质含量、C/N和pH是引起二者土壤无机氮库、净矿化/硝化速率存在明显差异的重要原因.典型草甸小叶章湿地的年净矿化量(19.41kg·hm-2)、年净硝化量(4.27kg·hm-2)以及净硝化量占净矿化量的百分比(22.00%)明显高于沼泽化草甸小叶章湿地(5.51kg·hm-2、0.28kg·hm-2和5.08%),说明前者的氮有效性以及维持可利用氮的能力明显高于后者.     

三江平原典型小叶章湿地土壤硝化反硝化作用与氧化亚氮排放

应用C₂H₂抑制原状土柱培育法研究了三江平原典型小叶章湿地土壤N₂O排放速率及反硝化速率的变化,分析了它们与环境因子的关系,并估算了N₂O排放量及反硝化损失量.结果表明：草甸沼泽土和腐殖质沼泽土N₂O排放速率的变化基本一致,其范围分别为0.020～0.089 kg N·hm^-2·d^-1和0.012～0.033 kg N·hm^-2·d^-1,前者的N₂O排放速率均明显高于后者(平均为1.79±1.07倍),且其差异达到显著水平(P＜0.05);二者反硝化速率的变化并不一致,其范围分别为0.024～0.127 kg N·hm^-2·d^-1和0.021～0.043 kg N·hm^-2·d^-1,前者的反硝化速率一般也要高于后者(平均为1.67±1.56倍),但其差异并未达到显著水平(P＞0.05);硝化作用在前者N₂O排放和氮素损失过程中发挥了重要作用,而反硝化作用则是导致后者N₂O排放和氮素损失的重要过程;氮素物质基础不是影响二者硝化-反硝化作用的重要因素;温度对前者硝化 反硝化作用的影响比后者更为明显,其反硝化速率与5、10和15 cm地温均呈显著正相关(P＜0.05);二者所处湿地水分条件的差异是导致其N₂O排放速率及反硝化速率差异的重要原因.生长季内,前者的N₂O排放量和反硝化损失量分别为5.216 kg N·hm^-2和6.166 kg N·hm^-2,而后者分别为3.196 kg N·hm^-2和4.407 kg N·hm^-2;在二者的反硝化产物中,N₂O/N₂的比率最高,分别为5.49和3.76,表明N₂在后者反硝化产物中所占的比例明显高于前者,说明季节积水条件会导致N₂O/N₂比例降低.     

CO2浓度升高与氮添加对三江平原湿地小叶章生长的影响

利用开顶箱薰气室,设置正常大气CO₂浓度(350 μmol·mol^-1)、高CO₂浓度(700 μmol·mol^-1)2个CO₂水平和不施氮(0 g N·m^-2)、中氮(5 g N·m^-2)和高氮(15 g N·m^-2)3个氮素水平,研究CO₂浓度升高和氮肥施用对三江平原草甸小叶章生长的影响.结果表明：随着CO₂浓度升高,小叶章物候期提前,其中抽穗期提前1～2 d,成熟期提前3 d;不施氮、中氮和高氮水平下, CO₂浓度升高使小叶章的分蘖分别增加8.2%(P<0.05)、8.4%(P<0.05)和5.5%(P>0.05);在小叶章生长初期,CO₂浓度升高对其生物量的增加有促进作用,拔节期和抽穗期小叶章地上生物量分别增加12.4%和20.9%(P<0.05);生长后期则对小叶章地下生物量的促进作用增大,腊熟期和成熟期的地下生物量分别增加20.5%和20.9% (P<0.05).小叶章生物量对高浓度CO₂的响应与供氮水平有关,供氮充足条件下, 高浓度CO₂对生物量的促进效应更大.     

三江平原小叶章湿地剖面土壤微生物活性特征

为阐明三江平原不同类型小叶章湿地剖面土壤微生物活性及土壤质量的变化规律,研究了沼泽化小叶章(XZ)湿地和草甸小叶章(XD)湿地0—100cm剖面土壤有机碳(SOC)、微生物量碳(MBC)、基础呼吸(BR)、呼吸势(PR)、微生物商(qMB)和代谢商(qCO2)等微生物活性指标。结果表明,XZ和XD湿地0—40cm土壤的SOC、MBC、BR、PR和qMB均随土壤深度的增加而迅速降低,而qCO2随土壤深度的增加而显著增加;XZ和XD湿地50—100cm土壤的SOC、MBC、BR、PR、qMB和qCO2变化不明显。相关性分析表明,XZ和XD湿地土壤微生物活性指标与土壤理化性质呈显著相关(P0.05),不同微生物活性指标间均呈极显著相关(P0.01)。XD湿地0—40cm土壤微生物活性各指标均明显低于XZ湿地(P0.05),其中XD湿地土壤0—10cm的SOC、MBC、BR、PR和qMB分别仅为XZ湿地的77.85%、54.05%、59.09%、51.83%和69.52%。小叶章湿地土壤微生物活性特征表明XZ湿地土壤质量优于XD湿地。     

三江平原小叶章湿地生态系统硫的生物地球化学循环

以三江平原小叶章湿地生态系统为研究对象,应用分室模型研究了硫在大气-土壤-植物系统各分室中的分布及循环过程。结果表明,在植物-土壤系统内,土壤是主要的贮存库和流通介质,有97.78%的硫贮存在土壤中,且主要以有机硫的形态存在,2.22%的硫贮存在植物中。在植物亚系统中,根是主要的贮库,79.60%的硫贮存在根中。湿地植物地上部分吸收的总S量为0.75gS/m^2;向地下再转移的总S量为0.24gS/m^2,向枯落物S库转移的总S量为0.51gS/m^2;根吸收的总S量为3.76gS/m^2;根向土壤S库转移的总S量为3.07gS/m^2;现存枯落物中的总S量为0.75gS/m^2;枯落物向土壤S库的转移量最低为0.52gS/m^2·a。输入和输出过程的研究表明,小叶章湿地生态系统在生长季（5-9月份）向大气排放H2S的量为1.42mgS/m^2,从大气吸收COS的量为1.83mgS/m^2;通过大气降水输入到生态系统中的硫为4.85mgS/m^2,其差值为5.26mgS/m^2,这表明硫在小叶章湿地生态系统中处于累积状态,湿地存在潜在的酸化趋势。     

三江平原小叶章湿地枯落物初期分解动态

通过4周淋洗分解试验,探讨了微生物活动和淋洗作用对三江平原沼泽湿地沼泽化草甸小叶章和湿草甸小叶章枯落物初期分解的影响.结果表明：两种小叶章植物初期分解的质量损失分别占当年分解物质损失量的59％和22％,28 d分解后枯落物残留量明显降低,并呈先快后慢的变化过程.两种枯落物中N、P含量均有明显下降,N含量分别下降了约3265%和2455%,P下降了36.71%和45.15％.抑制微生物处理的枯落物N、P含量较不抑制处理高,但差异不显著;抑制和不抑制微生物处理下枯落物释放到淋洗液N、P含量变化也不相同,但差异未达到显著水平.表明小叶章初期分解主要受淋洗作用的影响.两种小叶章植物的分解速率和养分损失速率差异均未达到显著水平.     

三江平原小叶章模拟实验对氮磷的净化

模拟研究三江平原小叶章湿地生态系统对N、P的净化规律。结果表明,在小叶章生长期和成熟期,模拟系统对N、P的去除率随时间变化呈负指数型增长,最高去除率在实验初期分别达到93.26%、98.98%;在净化过程中,P的加入会促进模拟系统对N的吸收,并减缓其对N净化能力的衰退幅度,而模拟系统对P的净化不受N输入的影响。基于小叶章生态系统中N、P营养元素的分配和循环,小叶章对N元素的净化效应大于P元素,土壤子系统对P元素的净化起主导作用,整个模拟系统对N、P元素的净化效果很显著,总净化率分别可达53.11%、58.95%。该结果为东北地区湿地净化功能的研究和非点源污染的治理提供理论根据。     

三江平原湿地土壤磷形态转化动态

采用Hedley连续浸提法对三江平原湿地小叶章草甸土壤磷形态的季节动态进行研究,分析生长季土壤磷形态之间的相互转化及其可能的驱动机制。结果表明:小叶章草甸土壤有机磷(TPo)总量高于无机磷(TPi),NaOH溶液浸提的无机磷(NaOH-Pi)和有机磷形态(NaOH-Po)分别占总无机磷(TPi)和总有机磷(TPo)比重最大。各无机磷形态均有明显的季节变化,Resin-P和Conc.HCl-Pi季节变异性大,生长结束后含量较初期降低,其他形态无机磷含量有不同程度的升高。有机磷组分中NaOH-Po的季节波动最明显,生长季末期较初期含量降低,其他有机磷形态和Residual-P生长季初、末期含量变化不大,波动也相对较小。TP、TPo季节变化整体趋势相似,二者含量变化达到极显著相关。各无机磷形态变化主要受植物生长节律影响;水分、热量等环境条件也是磷的形态转化的重要驱动因子,并可能间接通过影响土壤动物、微生物等的活性推动土壤磷的循环。小叶章草甸土壤有机磷矿化释放的无机磷通常都首先被土壤金属氧化物固定,再经过无机磷之间的转化过程为生物利用,因此三江平原湿地土壤磷大量释放的可能性很小。     

Distribution and fate of anthropogenic nitrogen in the Calamagrostis angustifolia wetland ecosystem of Sanjiang Plain, Northeast China

Wetlands are important for the protection of water quality of rivers and lakes, especially those adjacent to agricultural landscapes, by intercepting and removing nutrients in runoff. In this study, the 15N tracer technique was applied to study the distribution and fate of anthropogenic nitrogen (15N-fertilizer) in Calamagrostis angustifolia Kom wetland plant-soil microcosms to identify the main ecological effects of it. 15NH415NO3 solution (14.93 mg N/L, 20.28 at.% 15N) was added to each microcosm of the first group, which was approximate to the current nitrogen concentration (CNC) of farm drainage, and 29.86 mg NIL 15NH415NO3 solution was added to another group, which was approximate to the double nitrogen concentration (DNC) of farm drainage, while no nitrogen (NN) was added to the third group. The results suggest that the Input of anthropogenic nitrogen has positive effects on the biomass and total nitrogen content of plant, and the positive effects will be elevated as the increase of its Input amount. The increase of 15N-fartilizer can also elevate its amounts and proportions in plant nitrogen. Soil nitrogen is still the main source of plant nitrogen, but its proportion will be reduced as the increase of 15N-fertilizer. The study of the fate of 15N-fartilizar indicates that, in CNC treatment, only a small proportion is water-dissolved (0.13±0.20%), a considerable proportion is soil-immobilized (17.02±8.62%), or plant-assimilated (23.70±0.92%), and most is lost by gaseous forms (59.15±8.35%). While in DNC treatment, about 0.09±0.15% is water-dissolved, 15.33±7.46% is soil-immobilized, 23.55±2.86% is plant-assimilated, and 61.01±5.59% is lost by gaseous forms. The double input of anthropogenic nitrogen can not elevate the proportions of plant-assimilation, soil-immobilization and water-dissolution,but it can enhance the gaseous losses.     

Biogeochemical cycle of Sulfer in the Calamagrostis angustifolia wetland ecosystem in the Sanjiang Plain, China

To better understand the Sulfur (S) cycle in the wetland ecosystem, the S cycle and its compartmental distribution within an atmosphere-plant-soil system were studied using a compartment model in the Calamagrostis angustifolia wetland in the Sanjiang Plain, Northeast China. The results showed that the soil was the main S storage and flux hinge in which 97.78% S was accumulated. In the plant subsystem, the root was the main S storage, and it remained at 79.60% of the total S contents, which in the Calamagrostis angustifolia wetland ecosystem showed that the parts above the ground took up 0.75 g S/m², the S re-transferring biomass to the root was 0.24 g S/m², and to the litter was 0.51 g S/m²; the root took up 3.76 g S/m² and the S transferring biomass to the soil took up 3.07 g S/m²; the litter S biomass was 0.75 g S/(m²·a) and the S transferring biomass to the soil was more than 0.52 g S/(m²·a). The emission amount of H2S from the Calamagrostis angustifolia wetland ecosystem to the atmosphere was 1.42 mg S/m², whereas carbonyl sulfide (COS) was absorbed by the Calamagrostis angustifolia wetland from the atmosphere and the absorption amount was 1.83 mg S/m². The S input biomass from the rain to the ecosystem was 4.85mg S/m² during the growing season. The difference between input and output amounts was 5.26 mg S/m², which indicated that S was accumulated in the ecosystem and would lead to wetland acidification in the future.     

小叶章湿地土壤对磷的净化效率模拟

选取三江平原小叶章(Calamagrostis angustifolia)湿地,模拟了不同植物生长期、不同净化阶段、不同土层的小叶章湿地土壤对磷的净化效率及地表水磷输入量对土壤净化效率的影响.结果表明:小叶章的成熟期内湿地土壤对磷的净化效率最高;在各种因素的共同影响下小叶章生长期对土壤净化磷效率的影响不显著;总磷(TP)输入浓度由10 mg·L-1增加到20 mg·L-1时,小叶章湿地土壤对磷的净化效率提高;TP输入浓度为20 mg·L-1时,净化前期和中后期小叶章湿地土壤对磷的平均净化效率分别为4.56和-0.71 mg·kg-1·d-1,差异显著;11P输入浓度为20 mg·L-1时,小叶章湿地0～10、10～20和20～40 cm土壤层对磷的平均净化效率分别为2.27、-0.87和0.51 mg·kg-1·d-1,但差异不显著.     

三江平原小叶章群落近30年的动态变化

由于生境的改变,三江平原沼泽湿地典型植物群落中小叶章群落内部发生了显著的变化。本文以定点观测和典型湿地植物调查为基础,分析了近30年来小叶章群落的动态变化。结果表明,小叶章群落的物种频度符合Raunkiaer频度定律,即5个频度级的关系都具有A〉B〉C≥D〈E的规律性。小叶章群落的物种构成发生了明显变化,灌木类型植物逐渐增多。植物物种多样性减少。小叶章的多度、分盖度和高度都有降低趋势。