（环境工程专业论文）镇江市北固山湿地氮磷生物循环过程研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 文章用吸收系数和循环系数来反映各元素生物循环的速率和强度。 植物的氮磷吸收系数较小，对氮的吸收强度大于磷。该系统氮磷的循环 系数分别为9 4 t 和7 9 3 ，循环速率较小，系统中氮磷存留量的比率 较高，养分的流动性较小，植物吸收的氮磷元素更多的滞留在植物体内， 释放速率较为缓慢，因此对芦苇和蕊草的收割有利于湿地中氮磷元素的 去除。 关键词：北固山，湿地，氮，磷，生物循环 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i ss u b j e c ti sap a r to fr e s t o r a t i o n ，c o n t r o l l i n ga n dd e m o n s t r a t i o n p r o j e c to fe c o s y s t e mw i t hb a n ka n dw e t l a n d n e a ry a n g z ir i v e r , w h i c hi st h e t h i r ds u b - i s s u eo fe n v i r o n m e n t a li m p r o v e m e n t 、r e p a i r i n gt e c h n i q u ea n d s y n t h e t i c a l l yd e m o n s t r a t i n gi nz h e n j i a n gw a t e re n v i r o n m e n t i ti sm a i n l yo n h o w n i t r o g e na n dp h o s p h o r u se l e m e n t i sc i r c u l a t e di nb i o l o g i c a lc i r c l ei nt h e w e t l a n d t h ea c c u m u l a t e da m o u n to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u so fr e e da n d p h a l a r i sa r u n d i n a c e al i n ni sv a r i e dw i t hs e a s o n ，a n dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e n d i f f e r e n ts p e c i e sa n dd i f f e r e n to r g a na r eo b v i o u s l y t h ea c c u m u l a t e da m o u n t o fn i t r o g e ni sm u c hh i g h e rt h a np h o s p h o r u si nr e e d i nt h es a n l ep e r i o d ，t h e a b s o r p t i o na m o u n to ft h en i t r o g e ni st w i c et h a nt h a to fp h o s p h o r a si nr e e d ( i nm a ya n dj u n e ) i nr e e d ，p e a kv a l u eo fn i t r o g e no c c u r si nm a y ，s i m i l a r l y p e a kv a l u eo fp h o s p h o r u so c c u r si nj u n ew h i c hi s2 8 2 2 9 m 2 、11 2 3 9 m 2 r e s p e c t i v e l y m e a n w h i l e i np h a l a r i sa r u n d i n a c e al i n n ，p e a kv a l u e o f n i t r o g e no c c u r si nm a y , s i m i l a r l yp e a kv a l u eo fp h o s p h o r u so c c u r si nj u n e w h i c hi s2 2 4 3 1 4 9 6 9 m 2 、6 1 0 3 9 4 9 m 2r e s p e c t i v e l y c o m p a r e dw i t ht h e a c c u m u l a t e da m o u n to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nr e e da n dp h a l a r i s a r u n d i n a c e al i n ni nt h eg r o w t hp e r i o d ，a b s o r p t i o na b i l i t yo fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u si nr e e di sh i g h e rt h a nt h a ti np h a l a r i sa r u n d i n a c e al i 皿w h i c h i n d i c a t e st h a tt h ea b s o r p t i o na b i l i t yi nr e e di sf a ra b o v et h a to fp h a l a r i s a r u n d i n a c e al i n n a b o u t1 0 8 8 5 8 k ga m o u n to fn i t r o g e na n d2 9 9 5 1 k g a m o u n to fp h o s p h o r u sc a nb er e m o v e db yr e a p i n ge a c hy e a r t h e s et w o t t 彳 江苏大学硕士学位论文 a d v a n t a g es p e c i e sm a k er e m a r k a b l ec o n t r i b u t i o nt o r e m o v en i t r o g e na n d p h o s p h o r u s c o m b i n e da c t u a lc o n d i t i o no fm o u n tb e i g uw e t l a n d ，p h a l a r i s a r u n d i n a c e al i n ni ss u g g e s t e dt or e a pf o rt w i c ea n dt h r i c ed u r i n ga p r i la n d m a y w h i l er e e di sa d v i s e dt or e a po n c ei nn o v e m b e r i nt h er e s e a r c ho fr e t u r n i n gf u n c t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，t h e l e a fo fp h a l a r i sa r u n d i n a c e al i m ai sm o v e do u to ft h es y s t e mw i t hw a t e r w h i l et h es t e m so fr e e da n dp h a l a r i sa r u n d i n a c e al i n ne x i s ta r i s i n g ，h a r d l y k e e p i n gi nt o u c hw i t ht h es o i l a n db e i n gi n d e p e n d e n to fm i c r o o r g a n i s m f i m c t i o n t h ef a l l e nl e a v e sa r em a i np o i n t s ot h er e s u l t sa r es m a l l e rt h a nt h e a c t u a lv a l u et h er e t u r n i n ga m o u n to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si s6 8 5g m 2 ， 1 7 8g m 2r e s p e c t i v e l yi nt h i sw e t l a n de v e r yy e a r , a n dt h er e t u r n i n ga m o u n t i sl e s st h a nt h ea b s o r b e da m o u n t i nt h i ss y s t e mt h ec i r c u l a t i o nc o e f f i c i e n t so fna n dpa r e9 4 1 a n d 7 9 3 ，t h e r e f o r e ，c i r c u l a t i o ns p e e di sl o w , d e p o s i tr a t ei sh i g ha n df l o a t i n g s p e e di sc o m p a r a t i v e l yl o w w h i c hr e s u l ti nm o r ena n dps t o r e di np l a n ta n d s l o w e rr e l e a s e d t h u s ，i ti sh e l p f u lt or e m o v ena n dpe l e m e n t sb yc u t t i n g r e e da n dp h a l a r i sa r u n d i n a c e al i l l l l r e a p i n gt h e r e e da n dp h a l a r i s a n m d i n a c e al i n ni sad i r e c ta p p r o a c hw h i c hc a r lr e d u c ec e r t a i na m o u n t so f n a o dpe v e r yy e a r c o m p a r i n gw i t ha n n u a lp o l l u t i n gl o a do f na n dpi nt h e w e t l a n d ，t h ea m o u n t o f p l a n ta b s o r p t i o ni ss m a l l e r h o w e v e gr e g u l a rr e a p i n g c a nt a k ec e r t a i na m o u n to fna n dpa w a yf r o mt h es y s t e m ，b e n e f i tt h er e e d e x p a n s i o na n dc o u n tv i e w v a l u e k e y w o r d s ：m o u n tb e i g u ，w e t l a n d ，n i t r o g e n ，p h o s p h o r u s ，b i o l o g i cc y c l e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 沙g 年g 月y 日 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囱。 忱时熬 1 指导教师签名： 跏么月扩日 独创性声明 y - 1 0 1 3 9 2 1 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名i 彬畸钕 日期：) 卯乡年6 月扩日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1课题背景 针对我国城市水环境现状，科技部在“十五”国家“水污染控制技术与治理工 程”重大科技专项中，选择了十一个城市启动“城市水环境质量改善技术与综合示 范”专题研究。“镇江水环境质量改善与生态修复技术研究及示范”就是其中之一。 “镇江水环境质量改善与生态修复技术研究及工程示范”规划了五个分项，以 镇江城市水环境改善为研究对象，通过对控制城市水污染的先进和创新技术的研究 和示范工程，修复城市生态系统，集成适合于滨江城市水环境改善的成套技术和方 案，为滨江城市水环境质量改善提供可靠的技术依据和工程经验。其中第三分项根 据总课题的总体规划，考虑城市水系和内江水文、水动力学特征，其主要目标是充 分发掘内江系统的生态潜能，结合北固山湿地风景区景观生态建设，构建健康的生 态系统，削减本研究区域水体及周边辐射区的面源、点源和内源污染。构建健康的 生态系统，需要对湿地营养物质的物理、化学和生物迁移进行探讨，本文是在这样 的课题背景下，对湿地植物一土壤系统的氮磷生物循环进行了研究。 1 2 北固山湿地 第三分项的研究区域位于长江中下游平原的镇江北固山脚下，东经1 1 9 。2 87， 北纬3 2 。1 5 。该区域受到内江河床结构变迁和水动力条件的综合作用，泥沙大量 沉积，洲滩成长出露，湿生植物发育。在大东沟一北固山一带靠近堤防一侧形成对 的面积约3 0 0 亩的典型的长江淤泥淤积型湿地。 12 1 北固山湿地水文以及污染状况 镇江市主要水体污染物转移的依托水系是古运河、运粮河、虹桥巷以及其支流， 其水位和水量的变化对污染物含量的影响具有明显作用，而三个水系的水位水量变 化，具有明显的季节性特征，镇江城市水系的最终受纳水体是长江。示范区域内的 芦苇滩涂的不断发展，对内江的水域面积形成吞噬，形成了镇江城市水系与长江的 流通以内江为交换途径的势态，同时，水位的变化使内江逐步具有了内江了一些类 江苏大学硕士学位论文 似湖泊的水文动力学特征，外江的水位，水流量以及潮汐对内江产生明显的影响， 各种污染物和污染源在内江的运动，转移，沉淀和扩散等规律也十分复杂多变，内 江的湖泊水文，水文动力学特征导致大量长江泥沙沉淀于内江，同时城市水系带来 的污染物和内江周围的点源和面源污染源也大量沉淀聚集在内江。内江的水位、水 量、泥沙和污染物的相互作用导致内江水体污染严重，水质复杂多变，特别是水体 的透明度远远达不到沉淀生态系统健康生长的要求内江水体营养化日趋严重。 图卜l 镇江市城市水系图 该区域的主要污染来源于以下几个方面：( 1 ) 虹桥港水系的面源污染；( 2 ) 内 江岸边的企业雨水污水排放；( 3 ) 镇江市污水截流工程江滨泵站溢流；( 4 ) 北固山 一大东沟地段沿岸片区雨水径流污染；( 5 ) 外江泥沙；( 6 ) 内江内源污染；( 7 ) 内 江上游污染物的迁移与扩散。 由于本课题选择的研究载体“生态堤一滨江带一湿地”其地理形态和在内江的区 位，兼有河流和湖泊的水文水动力学特征，因而该区域的污染物转移，扩散的水文 水动力学规律十分复杂。 2 江苏大学硕士学位论文 图卜2 研究区域水文动力学特征图 该地区水体的主流为自西向东，由于北固山的阻挡，水流方向在此发生较大改 变，受次水流作用，该区域上游的污染物部分被转移的本区域水体。 在雨季，由于雨水径流和北固山下的雨水排放，该区域有一定程度的自西向东 北方向的水体流向，该区域面污染源污染物被移到本区域水体在东南季风或潮汐的 时候，该区域下游的水体受到自东向西的水体流动的影响，该区域下游的虹桥巷水 系携带的污染物，滨江雨水泵站的面源污染物和大东沟与滨江带污水泵站溢流够点 源污染物等部分被移动到本区域水体，在东北季风或潮汐涨潮的时候，该区域北部 的水体受到的自东北向西南的水体流向的影响，内江水体的污染物，渔业污染物和 船舶污染物等部分被移动到本区域的水体。 此外，由于本研究区域是开放水体，在内江水文相比比较平静的时期，本区域 中的污染物由于扩散，漂移等水动力学等因素，和内江水体发生大量的交换活动。 1 2 2 北固山湿地植被概况 北固山湿地属于东部季风湿润区，为北亚热带，年降雨量达8 0 0 1 6 0 0 毫米， 年平均气温1 5 4 。c ，全年无霜期2 4 0 2 6 0 天，年积温5 0 0 0 6 5 0 0 ，且四季分明， 适合多种植物生长。该湿地孕育着众多的生物，是许多长江洄游性鱼类产卵场所和 江苏大学硕士学位论文 鸟类的栖息地。该湿地水域内浮游动物共有1 0 7 种；鱼类主要有1 3 目2 5 科9 0 余 种；鸟类共有1 6 目3 4 科1 1 1 种。该水域内浮游植物共有8 门1 4 1 属1 6 9 种，其中， 绿藻门、蓝藻门和硅藻门种类较多。生物量以春季最高，夏季次之，秋季较少，冬 季最少。水生高等植物有禾本科、菊科、蓼科等3 4 科5 6 属7 4 种。在不同季节分 别以芦苇、藕草为优势种。3 。 ( 1 ) 芦苇 该湿地的芦苇( 肋r a g m i t e sc o 脚u n i s ) 为普通种。植株高2 3 m ，秋季可达4 m ， 茎径1 1 5 6 m 。2 - 3 月平均盖度为4 1 ，间杂葫草，3 4 月平均盖度为约1 0 。由于 葫革的大量繁殖，人为的践踏，造成苇地退化，芦苇平均苇高2 4 m 、平均直径3 c m 、 密度为2 9 5 株m 2 。 豳卜3 芦苇 ( 2 ) 葫草 葫草( p h a l a r i sa r u n d i n a c e a ) ，多年生牧草，具有根状茎，秆较粗壮，直立，有 节8 1 7 节，高5 0 1 5 0cm ，叶鞘无毛，叶舌薄膜质，叶片粗糙，能形成致密的草皮。 鹃草能够通过短的地下茎向四周蔓延，形成浓密的草丛。2 - 3 月平均盖度为1 0 左 右，对数生长期为3 月2 0 日一4 月2 0 日，抽穗期为4 月2 0 日一5 月，4 月底的平均盖 度为8 0 左右。荫草为须根系，大多分布在0 - 2 5 c m 的土壤中。 4 江苏大学硕士学位论文 图1 - 4 荫草 藕草除饲用外，其茎秆还可用来编织用具或作为造纸原料。另外，因荫草适应性 强，对土壤要求不严、根系发达，是一种良好的水土保持植物。 该湿地植被具有明显的季相特征。其中，芦苇和耩草是优势种。2 至4 月薪草 生长旺盛，覆盖度从1 0 增加到8 0 。4 月一7 月以荫草和覆盖度为1 0 的芦苇为 主间杂少部分蓼类。但是随着7 月份丰水期的到来，荫草被淹没死亡，能够存留下 来的就只有芦苇等少数物种，再加上当地渔民的围网捕鱼，使得本来覆盖度就低的 芦苇植被严重破坏，出现大量的破碎片段，这一状况一直到第二年3 月。 1 2 3 北固山湿地的作用 湿地是水陆相互作用形成的独特生态系统，是人类在最重要的生存环境和自然 界最富生物多样性的生态景观之一。湿地在抵御洪水、调节径流，改善气候、控制 污染，美化环境和维护区域生态平衡等方面具有其它系统所不能替代的作用，被誉 为“地球之肾”、和“生物超市”伽。利用天然湿地处理水中污染物，提高水体水质 是当前国际上最经济、高效的水环境改善技术之一。北固山湿地作为一种天然湿地， 能有效地处理生活污水、农业面源污水和工业污水，大量截流陆源营养物质总氮和 总磷，大幅度降低水体中的b o d ，c o d 含量。 湿地对水体的净化是由湿地的特殊属性决定的o ，包括：污水流经湿地后污水 中部分物质逐渐沉淀；湿地中土壤和植物等的吸附作用；湿地中植物将湿地中营养 物质同化为自身物质并伴随植物去除而转移走：土壤中微生物分解作用和吸收作 用；湿地中动物尤其是底栖动物生长和活动也影响湿地的污染去除功能；另外涨潮 s 江苏大学硕士学位论文 可对污水进行稀释，落潮带走大量物质n 1 1 。总之，湿地的净化能力是湿地中土壤、 生物以及潮水的物理、化学和生物的综合作用结果“”。 北固山湿地植被是生态系统的初级生产者，维持了生态系统物流和能流的稳定 “”，在生态系统的结构及功能维持方蕊超着极其重要的作用，总的来说可以归纳为 以下两个重要的方面： 1 宏观作用 植被可以使北固山周围地区的酷热降温，空气湿度增2 h ；植被可以抵御潮水、 台风和风暴的冲击力，从而保护堤岸，防风固沙，防止对堤岸的侵蚀，从而很好地 防止水土流失，同时它们的根系可以固定、稳定堤岸，保护沿江工农业生产。 2 微观作用 1 ) 植物对营养物的吸收、富集作用 北固山湿地中的植物根系发达，利于吸收水体和底泥中的物质，植物死亡后沉 积到底泥表层，最终转化为泥炭，也可通过人为的收割过程被移走。 植物根系能从污水中吸收营养物质，有根的植物主要是通过根系摄取营养物， 沉水植物和漂浮植物通过茎和叶从周围水中吸收营养。湿地植物是去除t n 的关键 因素。植物有利于系统中硝化作用的发生，有植物系统的t n 去除率明显高于无植 物系统。植物的吸收作用和微生物的代谢作用去除效果很高。植物可以直接吸收 n h 4 + 和n 0 3 ，进行同化作用合成自身含氮的有机物。另外，在湿地系统中的根际土 壤环境与根外土壤环境中溶解氧的不同为氨化细菌的氨化作用、硝化细菌的硝化作 用和反硝化细菌的反硝化作用提供了适宜的场所。硝化细菌在缺氧的湿地系统中也 能够存活，只要有低氧环境存在，就可以发生硝化发应，从而为反硝化发应提供反应 基质。种类多样和成熟的植物能提供更多的有机碳从而有利于反硝化反应的发生。 2 ) 植物的生化作用 植物可以将光合作用产生的o 。以及大气中的0 。输送到植株各处，并向水中扩散， 提高水体的溶解氧含量，同时还会在根系形成好氧区，为微生物活动创造条件。植 物释放氧到根区，通过对基质的氧化还原电位的影响来影响基质中的生物地球化学 循环“。 3 ) 对物质的沉降、吸附和过滤作用以及隔膜作用 北固山湿地中植物生长旺盛，根系发达，与水体接触面积大，形成密集的过滤 江苏大学硕士学位论文 层，另外植物水体表面还会发生离子交换、整合、吸附、沉淀等过程。 大面积的芦苇、葫草群落的存在降低了水流速度。为悬浮物的沉淀创造了良好 的条件。湿地植被覆盖在土壤与水表面之间，形成一层很厚的生物膜。风速受植物 阻挡作用，在近土壤或水表面降低，避免了沉淀物质的再次悬浮，提高了水体的透 明度。另外芦苇发达的根系对于稳固土壤也具有很重要的作用。 植物的另一重要作用就是隔膜作用( 保护) 。尤其在冬季，当枯死的植物被雪覆 盖后，避免土壤结霜，起到保护膜作用，枯落层也可防止土壤在冬季冻结。 4 ) 增强和维持介质的水力传输，为微生物生长提供表面及碳源 植物的根和根区生长时，会干扰并疏松土壤，在他们死亡腐烂后，会留下一些 空或沟，这在一定程度上增加和稳定了土壤的水力传导性。 淹没在水中的植物的茎和叶提供了一个巨大面积的生物膜。大量光合藻类以及 细菌和原生动物都集群在植物组织上面。同样，根和根区埋在湿地土壤中，为微生 物的生长提供了基质。因此，植物的地上和地下组织都可以形成生物膜。这些生物 膜以及湿地上所有其他沉浸的固体表面的生物膜，包括死的植物组织，对于湿地中 发生的所有微生物进程都具有重要作用。 植物根系能分泌多种有机复合物，为微生物提供碳源。 综上，由于北固山湿地中的植物和土壤对维持湿地生态系统的结构和功能以及 污染物的去除具有重要的作用，对该湿地的研究具有重要的意义。 1 3 湿地氮磷生物循环研究综述 氮是湿地土壤中主要的限制因子，也是生态系统中植物光合作用和初级生产过 程限制元素之一，除c 、h 、o 外，植物对氮元素的需求最大。磷参与了生物圈中生 物地球化学的循环，控制其部分循环过程，是植物体内不可缺少的重要元素，是植 物细胞内一切生物化学作用的能量基础；磷对光合作用中碳的固定具有重要作用， 没有磷就如没有碳氢氧氮等一样，也就没有生命。 氮磷元素既是植物生命的必需营养元素，又是北固山湿地的主要污染因子，也 是水体富营养化的主要营养源，而北固山湿地主要通过土壤植被系统的过滤和吸 收、物理吸附和交换、微生物降解和沉淀作用去除氮磷元素、净化水体，因此对北 固山湿地氮磷生物循环的研究具有重要意义。 7 江苏大学硕士学位论文 湿地作为一种生态系统，存在能量流动和物质流动。在能量流动中，当能量转 变成热的形式，便不能被生物所利用，这是一种单向流。而在物质流动中，当物质 未被迁出生态系统前会被无限地反复利用，所以物质流是一种循环流“”。湿地生态 系统中的养分生物循环是指在植物和土壤之间的循环，是湿地生物地球化学循环的 一部分，这是一种封闭循环。该循环发生于植物和土壤系统内部，营养元素在系统 中被吸收、积累、分配和归还。 早在二十世纪初，人们就从植物营养生理的角度开始了营养物质循环平衡的研 究。本世纪初，人们对不同养分元素的植物营养生理进行了较细致的研究。但由于 当时还未形成系统的概念，各方面的研究都是独立进行的生理生化过程，研究的重 点集中在植物对养分的吸收、代谢，运转及形态转化等方面。由于土壤一植物系统 的复杂性，这些研究大多数是用离体根做的，尽管还是不自然的处理，但它仍为生 态学家积累了大量的资料。在矿质营养生理研究的基础上，c l a s s e 和b a r b e r 首 先提出了植物根系的养分吸收模型。1 9 5 2 年e p s t e i n 和h a g e n 提出的根系吸收动力 方程，将植物根系吸收养分的速率与根系环境中溶液含量联系起来，使与土壤水分、 养分含量及动态规律有关的一系列土壤物理化学、生物学过程，包括养分扩散、溶 质运移、养分吸收、解吸以及养分在土壤中的形态转化等，都成为养分循环研究的 基本内容，这些过程直接影响到系统的物质循环1 9 5 5 年a l l i s o n 将系统和整体的 观点引入生态系统物质循环的研究后，各类生态养分循环成为世界各国生态学、林 学家、土壤学家等所关注的研究热点，较多的研究是二十一世纪八十年代以来中完 成的m ”1 。 我国对养分循环的研究起步较早，其中以对大量元素一碳、氮、钾、磷的研究 居多，尤其对氮素的研究更多，5 0 年代末期以后开始系统深入的研究生态系统中氮 素的循环规律。此后对磷、钾以及其他微量元素的循环研究才多起来。以研究对象 而言，研究最多的是森林生态系统，研究最细致的当属农田生态系统。我国对湿地 的研究起步较晚，随着七、八十年代湿地研究的蓬勃发展，对湿地的养分循环的研 究才有了一定的发展，如金泰龙对湿地植物的元素化学特征、余国营等啪1 对滇池水 一植物系统金属元素的分布特征开展了广泛的研究；到9 0 年代末，随着朱清海 对苇田养分循环的研究、何池全等对毛果苔湿地营养元素的积累、分配及其生物 循环特征研究的开展，才使湿地的养分循环逐渐成为湿地研究中的热点。但应该指 江苏大学硕士学位论文 出的是，由于元素循环随着生态系统类型和地域的不同有很大的差异，加上研究方 法的不统一，使获得的资料难以比较。一些涉及元素循环的过程如反硝化作用、根 系凋落死亡、凋落物分解归还、微生物生长死亡等，还有待于测试手段和方法的改 进，才能做至i 精确的定量化。在建立数学模型方面，目前还难以建立一个通用的准 确度较高的模型。与国外研究相比，国内的工作还有一定的差距，研究还有待深入。 氮磷元素的生物循环是一个非常复杂的生物过程，不仅受环境因素、植物生物 学特性影响，并且随着各元素在植物层的作用和状态不同，其循环特点也有明显差 异，主要研究内容为： 1 氮磷的吸收 植物对养分的吸收途径有四个：即根系从土壤溶液中吸收养分；裉系扶风化物 质中直接吸收养分；植物通过菌根扩大和提高其对养分的吸收能力；植物通过叶吸 收养分。d e n d e y e r 在1 9 3 0 年提出了吸收= 存留+ 归还的公式，根据这个公式，吸收 量的测算可通过对存留量和归还量的测算来完成。存留量是多年生器官在一年当中 的元素增加数量，归还量包括调落物归还和淋溶归还，这样测算和养分吸收量与净 初级生产力( n p p ) 吸收养分量是等同的。 植物吸收养分的过程受植物的生物学特性和环境因素影响，生长对吸收的调节 作用表现在生长季中植物分生组织产生指导植物其他器官( 尤其根) 的激素系统， 而且植物光合部门对元素的竞争性同时也在体内产生一个元素含量梯度。3 “3 此外，不同物种有不同的生长速率，这就导致了吸收同化元素量的差异。 影响湿地生态系统中植物组分吸收过程的环境因子包括气候、光、温度、土壤 理化性质等。在一定条件下，土壤中养分状态和水平约柬着湿地系统中组分的生长 并对其吸收率和吸收量起决定性作用。 关于湿地植物的氮磷吸收量在很多研究中有报道。姜翠玲等。在农田沟渠挺水 植物对n 、p 的吸收和二次污染防治中报道茭草每年可吸收2 0 0k g h m 2 的氮和2 1 1 k g h m 2 的磷。何池全等。4 在对三江平原的毛果苔研究中指出毛果苔每年可以富集 2 5 7 5 7 8k g h m 2 的氮和2 9 0 0 9k g h m 2 的磷。由此可见不同的物种在不同的生态系 统中对元素的吸收差异很大，这与植物种类、群落密度、盖度、生长状况等息息相 关。 2 氮磷的积累和再分配 9 江苏大学硕士学位论文 这方面的研究主要集中在植物各器官的氮磷积累及其动态变化，特别是植物不 同部位的养分含量随季节的变化等。因为这对于研究湿地植物与环境中化学因子之 间的相互作用过程( 化学物质在生态系统中的运移、转化及归趋效应) 有重要意义。 对于多年生湿地植物来说，当年吸收的氮磷主要用于其新生组织的生长，其生长过 程同时伴随着营养元素的积累过程。大量研究表明植物体内养分的重新分配过程是 普遍存在的，湿地植物也不例外。t i v e r 等人认为再分配的原则主要是由竞争性分 层组织的要求所引起的动态平衡决定的，这种要求便于新生组织和先形成的器官、 组织形成一种养分含量梯度，这一点已被许多研究所证实。而不同季节归还的凋落 物中养分含量的差异不仅说明了植物个体内部竞争性再分配现象的存在，同时也反 映了其内部保存和竞争性利用养分的动态特点哺。2 “。 3 凋落物的分解与氮磷的归还 氮磷归还是湿地生态系统养分生物循环的基础。湿地植物归还的凋落物只有在 分解与释放后才实现真正意义上的养分归还，这方面的研究目前还不是很多，主要 集中在三江平原湿地及松嫩平原湿地的植物研究中，其中包括高俊琴等“”对三江平 原小叶樟湿地凋落物分解及其影响因子研究，何迟全等汹1 对毛果苔草湿地凋落物及 其地下生物量的动态研究，孙雪利等。“对三江平原小叶樟、毛果苔草凋落物中氮素 变化分析研究。这些研究已经不是单纯的测定干物质损失，而是结合了对森林生态 系统中凋落物的研究成果，对元素的分解动态特性进行了分析，并研究了元素在生 物体中的作用等，把生物和化学因素有机的结合在了一起，但有关凋落物分解过程 中微生物的作用及分解机理还需进一步研究。 4 湿地生态系统中的氮磷生物循环 湿地生态系统中的氮磷生物循环目前可以借鉴森林生态以及农林间作复合生 态系统的研究方法，采用吸收、归还、存留等数值来衡量实地生态系统的生物循环 速率，这能清楚地表示湿地系统在封闭循环中养分量上的循环及养分在各分室之间 的流动速度。“。下面就目前常用的一些参数加以综述。 吸收系数：系统中植物年吸收量与根层土壤中的氮磷储量之比，又称养分吸收 率。计算公式o ”为： r ，= ，| a s ；as = 1 0 7 h p c 江苏大学硕士学位论文 式中：r 。为养分吸收系数，f o 为养分年吸收量( 蚝h m - 2 a - 1 ) ，“，为根层养分贮 i ( k g h m l ) ，日为根层范围( m ) ，p 为根层土壤的容重( g c m - 3 ) ，c 为根层土壤 的养分含量( ) 。 前人对养分吸收系数的概念认识基本一致，但具体计算却存在差异，主要是不 同研究者对根层范围日的确定不同。不同植物的根系分布本身差异较大，为了使不 同研究对象之间具有可比性，选取一个适中的根层范围日是必要的，如草地： o _ _ 2 0 c m ；乔木林地：o 一5 0 c m 。而湿地植物有其特殊性，比如芦苇等大型挺水植 物是多年生植物，其根系非常发达，所以一般选取日值为1 0 0 c m 。 生物循环系数：指单位时间、单位面积某种营养元素的归还量与吸收量之比。 又称生物归还系数，为元素年归还量与元素年吸收量的比值，以其作为评价养分循 环的特征参数。 1 4 研究目的和意义 结合国际湿地研究的热点和我国北固山湿地独特区域的地球化学特征，本文对 北固山湿地中植物与土壤系统的氮磷生物循环进行了研究。 氮磷元素作为湿地生产力的重要限制性元素，研究氮磷在生态系统中的循环具 有重要的意义。在本项目结束之前对该湿地氮磷的生物循环进行研究为氮磷的生物 地球化学循环的研究提供本底数据和依据，也为该项目的植物修复、构建健康的生 态系统提供科学依据。 对植物的研究为主体课题提供基础数据，使其总体工程的实施有据可依；另外 该课题的研究成果填补了国内对荫草研究的空白。在实践上可以指导对芦苇葫草群 落的科学管理，使芦苇藤草资源得到有效利用，既可以取得最佳经济效益，又可产 生较好的景观效果。 1 5 研究内容 本文主要研究北固山湿地中氮磷元素的生物循环，根据生物循环的特点，研究 内容包括： ( 1 ) 对植物地上和地下两部分的氮磷吸收进行了量化分析，研究植物各部分的 江苏大学硕士学位论文 生物量、氮磷含量、氮磷积累以及氮磷的年存留量；分析北圃山湿地中芦苇和荫草 对湿地氮磷的吸收能力，比较芦苇和荫草的净化能力；分析芦苇和葫草对湿地水体 的作用，并制定芦苇和祷草的收割计划。 ( 2 ) 从凋落物的产生、分解和归还三个方面，对植物氮磷的归还过程进行了研 究； ( 3 ) 研究了湿地土壤氮磷的空间分布及总储存量； ( 4 ) 计算湿地氮磷生物循环的速率和强度。 江苏大学硕士学位论文 第二章植物对氮磷的吸收过程 2 1研究方法 1 研究对象和采样地点 北固山湿地位于长江中下游平原的镇江北固山脚下，是典型的长江淤泥淤积型湿 地，研究选择该湿地的优势种芦苇和葫革作为研究对象。该湿地总面积1 3 3 4 5 0 m 2 ，其 中稿草面积大约4 4 6 8 8 m 2 ，芦苇面积5 4 5 4m s ，为了最大限度地减少试验研究对该湿地 的破坏，选取该湿地北面约4 0 0 0 0 m 2 的部分作为研究对象，并设置如图2 一l 所示5 个采 样点，所测数据取5 个点的平均值。1 。点位于两块湿地之间。2 点位于大东造纸厂大东 沟雨水排放口附近，3 。、4 4 点为内江水与湿地交换的边界点，5 。为该片湿地中心的点。 图2 - 1 采样点布置 f i g u r e2 - 1 t h el o c a t i o no ft h es a m p i i n g 2 采样时间 根据芦苇和祷草的生命周期，以及北固山湿地季节性的水文规律，对芦苇地上 部分的采样时间段定于3 月2 0 日到1 1 月2 0 日之间，在此期间，每隔3 0 天取样一 次；蘸草地上部分的实验时间段定于3 月2 0 日到7 月2 0 日之间，每隔3 0 天取样 一次。对芦苇和葫草地下部分的采集选择在3 月份、5 月份和1 0 月份，对祷草根选 择在3 6 月，每个月取样一次。 3 实验方法 江苏大学硕士学位论文 地上生物量采用收割法，在采样点内选择植物分布均匀的样地，在每个采样点 用塑制小铲和不锈钢剪刀分别采集芦苇和藤草的茎、叶样品，放入聚乙烯塑料袋中 密封保存，带回实验室后立即进行预处理。地下生物量采用挖掘法，在取样时，芦 苇取4 0 c m 深的部分，荫草取2 5 c m 深的部分。在实验室中，植物茎、叶分别用自来 水冲洗干净，再用去离子水冲洗3 遍，在1 0 5 干燥箱中杀青半小时，后在6 0 下烘 干至恒重，称重，换算成单位面积的生物量，再装入样品袋内密封保存0 2 ”3 。 分别选取每种植物烘干后的地上部分各5 9 在陶瓷砚钵中反复研磨至粉末状， 测定样品中t k n 、t p 含量。叶可以直接研磨，将茎分成3 - 4 段，每段各取样品的 1 1 0 ，混合后研磨。植物t k n 采用h 2 s 0 4 h 2 0 2 体系消解、凯氏一蒸馏法，t p 采 用h 2 s 0 4 _ h 2 0 2 体系消解、钼锑钪分光光度法。4 。 用上述方法对植物样品进行实验室分析后，根据测得的每种植物地上部分和地 下部分的生物量以及相应的n n 、t p 含量，分别计算各部分单位面积的氮磷积累 量以及氮磷的年存留量。 2 2 植物地上部分对氦磷的吸收过程 2 2 1 植物地上部分生物量的研究 生物量( b i o m a s s ) 是指观察期间地表单位面积内所存在的或有机体的总量或 储存的总能量，又叫现存量( s t a n d a r dc r o p ) 。植物群落的生物量的增长过程 是通过植物吸收养分进行光合作用实现的，地上生物量的大小是衡量湿地生态系统 生产力的重要标志之一，也是研究湿地生态系统物质循环、能量流动和生产力的基础。 1 芦苇生物量 由图2 2 可见芦苇种群的地上生物量在生长季的动态变化十分明显。 三月中下旬苇芽钻出她表开始萌发，地上生物量不断的积累，但由于此时的温 度较低，苇芽的光合作用较低，苇芽的生长比较缓慢，此时的地上生物量为整个周 期的低点：随着温度的逐渐升高，同时由于芦苇的光合作用能力不断力增强，4 、5 月份是芦苇营养生长的高峰期，地上生物量急剧增加，到6 月上旬，芦苇种群地上 生物量已经达到全年生物量最高值的8 5 以上：7 、8 、9 三个月，芦苇开始进入繁殖 期，逐渐开始孕穗、抽穗、开花、结实，芦苇的营养生长速度减慢，株高变化不大， 地上生物量的积累也比较缓慢，但仍然是在逐渐增加，到9 月中下旬，芦苇地上生 1 4 江苏大学硕士学位论文 物量达到全年地上生物量的最高值：1 0 月份，芦苇叶子开始枯黄凋落，地上生物量 开始由高峰逐渐回落：1 1 月份，地上植株大部已经枯死，地上生物量迅速下阶，迅 速回落到全年最低点，此时，立枯物最多，逐渐达到全年的最高值。由图2 2 可以 看出，芦苇种群地上生物量的年季动态表现出单峰型，这主要是由于芦苇群落为单 优势种群落，地上生物量的季节动态由芦苇的生长节律决定，同种类繁多的典型草 原生物量的年季动态不同。 图2 - 2 芦苇生物量季节变化趋势图 f i g u r e2 - 2t h ec h a n g eo ft h er e e db i o m a s sw i t hs e a s o n s 对不同采样点、9 月份的芦苇地上生物量在各器官中的分配比率进行分析，可 得表2 1 的数据： 表2 1 芦苇各部分在地上生物量总值中所占的百分比( ) 表2 - 1 列出了茎、叶、穗各部分在地上生物量总值中所占的百分比，从表中可 以看出茎和叶在地上生物量总值中占比例较大，茎占比例为7 3 8 7 一8 1 4 7 ，平均 为7 7 9 7 ：叶占比例为1 6 o o 一2 3 3 4 ，平均为2 0 2 0 ：同样可以看到穗( 有性生殖 器官) 所占比例较小，在1 1 0 一2 7 9 之间，平均值为1 8 3 。可见，在芦苇地上 生物量的配置中，营养器官( 叶、茎) 的分配比例较大，而参与有性生殖过程的生 江苏大学硕士学位论文 殖器官的分配比例较小，芦苇地上生物量的生殖贡献小。 2 藕草生物量 6 01 5 0 采样时间 图2 - 3 耩草生物量季节变化趋势图 f i g u r e2 - 3t h ec h a n g eo f t h ep h a l a r i sa r u n d i n a c e al i n nb i o m a s sw i t hs e a s o l l $ 由图2 3 可见，单位面积蘸草的叶、茎变化是单峰值曲线，呈先增加后减小的 趋势。二月份荫草开始生长，4 - 5 月份生物量增长速度最快，至5 月份达顶峰，峰 值为3 7 2 0 3 2 9 m 2 。由此可推断，4 - 5 月份是祷草的生长旺盛期，而5 月份以后蒴草 便进入衰亡期。由图2 - 3 亦可见，荫草茎的生物量在整个生长周期内变化最为显著， 是构成稿草生物量的主要部分，叶的变化则比较缓和。 对不同采样点、5 月份的荫草地上生物量在各器官中的分配比率进行分析，可 得表2 2 的数据： 表2 2 稿草各部分在地上生物量总值中所占的百分比( ) 表2 2 列出了鼯草中茎、叶、穗在生物量总值中所占的百分比，由表可以看出， 营养器官茎所占比重最大，在8 5 6 7 一9 1 6 7 之间，平均8 9 2 5 ；光合作用器官叶 所占的比重在6 9 8 - 1 2 7 0 ，平均值为9 0 4 ；生殖器官穗所占的比重最小，在 o 拈 加 加 o 。_m恻目州 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 一2 1 0 之间，平均值为1 7 1 ，藕草的生殖贡献亦小。 综上，比较芦苇和藤草，其生物量的季节变化有明显的相似之处，均为单峰值 曲线，且在生长之初，由于气温等问题，生长较缓慢，在此之后均出现一个快速生 长期；不同之处在于，耩草在经过快速生长期后，由于自身高度问题，被水淹没死 亡，而芦苇则继续缓慢生长，直至自然枯萎。 芦苇和蘸草中不同器官的生物量分配比率亦有相似之处，二者的茎均占很大比 重，且生殖贡献均很小。生殖贡献为总生物量被分配到种子或其他生殖结构中的比 例。芦苇和耩草种群的生殖贡献小与其生物学特性相一致的，它们均为多年生多次 结实的草本植物，同时具有旺盛的地下根茎的营养增殖能力，多年生地下根茎的营 养生