常见花卉湖消落带植物营养分布研究

常见花卉湖消落带植物营养分布研究

1不同基质消落带的物种组成特征水体富营养化是一个重要的水环境问题。水体中的过高氮和磷浓度是水体富营养化的主要原因（金相灿等，1995）。由于其特殊的地理条件，消落带具有独特的地理位置和功能特征。它是水和土之间的边界，经常交换物质。同时，也是土壤和水生系统之间的过渡性生态系统的过渡性生态系统，起着连接的作用。由于区块水位的周期性变化，水库流域成为生态系统能量、物质转移和转化的活跃区域。它对外部变化的反应非常敏感，具有生态脆弱和不稳定性特征，对环境的承受极限较低（苏伟等，2003）。作为水库和环境系统之间的过渡带，水库流域的废物在土壤和环境之间的过渡区受到自然和环境变化的直接干扰。如果干扰强度超过系统的允许阈值，则会对水库流域的功能系统产生干扰和破坏，这对水库功能的正常运行造成严重的负面影响。此外，在这些修复工程中，植物是生存点的主要特征（曾兆超等，2010），但由于大多数国内外研究，植物在水生和土壤中的氮、磷、钾养分含量的分布特征是研究的重点。例如，n、p、k等植物在不同基质的流域中的直接吸收（尤其是n和p的吸收），以控制水体的富营养化（曾宏毅等，2011）。然而，在这项修复工程中，植物是不可或缺的重要组成部分，几乎没有植物能够研究流域内的土壤中氮、磷、钾养分含量的分布，以了解流域内植物的营养状况，选择不同基质的流域生态修复和水体富营养化的控制。同时，结合流域内的生物量，估计全年内不同植物n和p在消除区的植物数量。因此，对百叶窗流域内不同植物体系的循环过程进行了系统研究。2研究区域和方法研究方法2.1月间跨度长,积水水质,平均宽度为0.65e;消落区土壤为15.25.3.百花湖(水库)地处贵州高原中部(106°27′～106°34′E,26°35′～26°42′N),湖泊流域面积1895km2,水面面积14.5km2,湖泊补给系数为182.2,最大水深为45m,平均水深10.8m,湖水滞留时间为0.102a,湖泊长度18km,平均宽度为0.8km.该湖是猫跳河梯级电站第二级蓄水库,建于1966年.百花湖消落区为百花湖流域内岩溶作用发育,石灰土与黄壤分布,属亚热带湿润季风气候,四季温差不大,雨量充沛,多年平均气温14～15℃,多年平均降雨量为1000～1300mm.流域地区的植被属亚热带植被,黄壤地带以人工针叶林为主,碳酸盐、石灰土地带以常绿阔叶林、灌丛为主,坝地、丘陵地带以农田植被为主.百花湖为人工水库,人为调控其水位变化比较明显,10月至次年4月为高水位期,4月至10月为低水位期,垂直水位最大变化可达5m.消落区土壤中总N、P、K的含量分别为0.37～4.11g·kg-1,0.67～1.62g·kg-1和1.43～7.25g·kg-1,为低N、P富K土壤.2.2测定植物样品总干、水分含量于2011年9月,沿百花湖消落区按离湖面远近分高、中、低3个垂直高度梯度随机采集30种常见的整株植物(表1)各5kg左右,带回实验室.植物样品用去离子水洗净表面泥土,在阴凉通风处风干表面的水分6h,每种植物按根、茎、叶分开,称得鲜重.于105℃的烘箱内杀青2h,80℃的烘箱内烘干72h,放入干燥器冷却至室温,称得干重.最后将冷却后的植物样品粉碎过100目筛后,装入样品袋中,每个样品测定3次,取平均值.2.3植物的营养状况植物全N测定用靛酚蓝比色法(LY/T1269—1999),植物全P测定用钼锑抗比色法(LY/T1270—1999),植物全K测定用火焰原子吸收分光光度法(LY/T1270—1999).根据LY/T1269—1999和LY/T1270—1999对植物的营养状况(表2)进行评价.2.4数据计数用Excel2003和SPSS18.0进行数据统计分析,SystatSigmaPlot11.0进行画图.3结果和分析结果和分析3.1克氏原螯虾中n、p、k的养分含量分布在所采集的百花湖消落区植物中,根、茎、叶中N的平均含量为分别为10.08、14.13和24.20g·kg-1,对于大多数植物的不同器官来说,N含量的平均值大小关系为:叶>茎>根;根、茎、叶中P的平均含量分别为2.12、2.82和3.82g·kg-1,平均值大小关系为:叶>茎>根;根、茎、叶中K的平均含量分别为14.78、24.67和30.89g·kg-1,大小关系也为:叶>茎>根.就整体平均水平来看,N、P、K在根、茎、叶中的含量大小表现出一致性,即叶>茎>根,其中,满足此规律的植物分别有27种、14种和16种、分别占90.00%、46.67%和53.33%.此外,对于同一器官中的不同营养元素来说,根中N、P、K的平均含量分别为10.08、2.12和14.78g·kg-1,根中营养元素含量平均值大小关系为:K>N>P;茎中N、P、K平均含量分别为14.13、2.82和24.67g·kg-1,茎中营养元素含量平均值大小关系为:K>N>P;叶中N、P、K的平均含量分别为24.20、3.82和30.89g·kg-1,叶中营养元素含量平均值大小关系为:K>N>P.就整体平均水平来看,根、茎、叶中N、P、K含量大小表现出一致性,即K>N>P.其中,根、茎、叶中满足含量K>N>P规律的植物有23种、23种和20种,分别占76.67%、76.67%和66.67%(图1).3.230种植物中器官营养状况的评价3.2.1植物根中p、k含量根据图1和表3可知,白花三叶草根中N含量最高,为21.33g·kg-1;聚花草中N含量最低,为2.30g·kg-1,最高含量为最低含量的9.27倍.在所采集的30种植物中,17种植物根中的N含量为低含量(<10.0g·kg-1),占57.67%;13种植物根中N含量为中含量(10.0～30.0g·kg-1),占42.33%;没有植物根中N含量为高含量(>30.0g·kg-1).土荆芥根中P含量最高,为4.33g·kg-1;鬼针草根中P含量最低,为1.00g·kg-1,最高含量为最低含量的4.33倍.没有植物根中P含量为低含量(<0.5g·kg-1);17种植物根中P含量为中含量(0.5～2.0g·kg-1),占56.67%;13种植物根中P含量为高含量(>2.0g·kg-1),占43.33%.土荆芥根中K含量最高,为52.44g·kg-1;苎麻根中K含量最低,为4.05g·kg-1,最高含量为最低含量的12.95倍.3种植物根中K含量为低含量(<5.0g·kg-1),21种植物根中K含量为中含量(5.0～20.0g·kg-1),6种植物根中K含量为高含量(>20.0g·kg-1),分别占10.00%、70.00%、20.00%.3.2.2不同种植物茎中n、p含量的比较根据图1和表2可知,尼泊尔酸模茎中N含量最高,为33.72g·kg-1;鬼针草茎中N含量最低,为2.33g·kg-1,最高含量为最低含量的14.47倍.其中,10种植物茎中N含量为低含量(<10.0g·kg-1),14种植物茎中N含量为中含量(10.0～30.0g·kg-1),6种植物茎中N含量为高含量(>30.0g·kg-1),分别占33.33%、46.67%、20.00%.白酒草茎中P含量最高,为9.30g·kg-1;鬼针草茎中P含量最低,为0.60g·kg-1,最高含量为最低含量的15.50倍.其中,没有植物茎中P含量为低含量(<0.5g·kg-1),12种植物茎中P含量为中含量(0.5～2.0g·kg-1),18种植物茎中P含量为高含量(>2.0g·kg-1),分别占0%、40%、60%.土荆芥茎中K含量最高,为87.65g·kg-1,牛鞭草茎中K含量最低,为4.62g·kg-1,最高含量为最低含量的18.97倍.其中,2种植物茎中K含量为低含量(<5.0g·kg-1),14种植物茎中K含量为中含量(5.0～20.0g·kg-1),14种植物茎中K含量为高含量(>20.0g·kg-1),分别占6.67%、44.67%、44.67%.3.2.3不同种植物叶中p、n、k含量的比较根据图1和表3可知,三叶草叶中N含量最高,为47.60g·kg-1;牛鞭草叶中N含量最低,为4.41g·kg-1,最高含量为最低含量的10.79倍.其中,2种植物叶中N含量为低含量(<10.0g·kg-1),20种植物的叶中N含量为中含量(10.0～30.0g·kg-1),8种植物叶中N含量为高含量(>30.0g·kg-1),分别占6.67%、66.67%和26.67%.鹅不食草的叶中P含量最高,为6.85g·kg-1,牛鞭草茎中P含量最低,为1.10g·kg-1,最高含量为最低含量的6.23倍.其中,没有植物的叶中P含量为低含量(<0.5g·kg-1),5种植物的叶中P含量为中含量(0.5～2.0g·kg-1),25种植物叶中P含量为中含量(>2.0g·kg-1),所占比例分别为0、16.67%、83.33%.尼泊尔酸模叶中K含量最高,为72.49g·kg-1;牛鞭草的叶K含量最低,为7.27g·kg-1,最高含量为最低含量的9.97倍.其中,没有植物叶中K含量为低含量(<5.0g·kg-1),12种植物的叶中K含量为中含量(5.0～20.0g·kg-1),18种植物叶中K含量为高含量(>20.0g·kg-1),所占比例分别为0、40%、60%.3.3相关分析3.3.1同一植物不同器官n、p、k含量的相关性根据3.1节中的分析结果,同一植物不同器官中N、P、K的含量为:叶>茎>根,分别有27种、14种和16种,分别占90.00%、46.67%、53.33%,可以发现同一植物不同器官N、P、K的含量呈现出显著的正相关性.表4给出了单尾检验相关性结果,在样本数n=90,显著性水平α=0.01的情况下,表4中各相关系数均大于临界值0.267,且**p<0.01.说明同种元素在相同植物不同器官中的含量均呈现出显著的正相关关系.3.3.2植物同一器官中n、p、k含量的相关性由表3可以看出,不同植物同一器官中N、P、K含量大小顺序为:K>N>P,并且N、P、K含量数据随着在根、茎、叶的变化表现出向高营养同步集中的趋势,因此,不同植物同一器官中N、P、K含量大小也呈现出正相关性.表5给出了单尾检验相关性结果,在样本数n=90,显著性水平α=0.01的情况下,表5中各相关系数均大于临界值0.267,且**p<0.01.说明不同植物同一器官不同元素含量也均呈现显著的正相关关系.3.4标准差从图2可以看出,对于N营养元素,根、茎、叶中N含量占整株植物N总量的比例分别为6.17%～39.52%、1.82%～84.43%和11.57%～85.85%,平均值分别为15.31%、34.27%和50.42%,标准差分别为9.15%、18.04%和19.31%;对于P营养元素,根、茎、叶中P含量占整株植物P总量的比例分别为3.78%～48.29%、7.38%～86.82%和14.61%～83.10%,平均值分别为20.14%、35.55%和44.31%,标准差分别为13.18%、18.67%和19.24%;对于K营养元素,根、茎、叶中K含量占整株植物K总量的比例分别为2.86%～48.74%、5.21%～83.81%和13.33%～80.12%,平均值分别为17.40%、38.52%和44.08%,标准差分别为12.11%、16.26%和17.98%.由此可以看出,就同一植物不同器官中N、P、K含量在整株植物中的比例平均值大小也表现出了叶>茎>根的关系,并且在30种植物中叶与茎的总含量比例离散程度基本相等,但都大于根.同时,30种植物同一器官中N、P、K含量占整株植物N、P、K总量的比例则基本无明显差异.另外,植物地上部分茎和叶中N、P、K含量之和占整株植物N、P、K总量的比例分别为60.48%～93.83%、51.71%～93.14%和58.28%～97.14%,平均值分别为84.69%、79.86%和82.60%,可以看出,百花湖消落区植物的营养主要集中在地上部分,因此,每年对地上部分进行收割和处理,就能达到较好的N、P处理效果.3.5聚类分析结果采用系统聚类分析,使用“欧式Euclidean距离”聚类方法,把所有30种植物按其根、茎、叶中N、P、K含量占整株植物中N、P、K总量的比例分为3类,聚类分析结果如图3所示.由聚类分类结果可知,所有的30种植物被分为3类.第一类植物包括菖蒲、喜旱莲子草等20种植物,这类植物的特点是地上部分N、P、K营养元素占整个植株N、P、K总量的80%以上,并且叶含量大于茎含量.第二类植物包括狗牙根、地果等4种植物,该类植物的特点也是地上部分N、P、K营养元素占整个植株N、P、K总量的80%以上,但茎含量大于叶含量.第三类植物包括牛鞭草、鱼腥草等6种植物,该类植物的特点是根、茎、叶中的N、P、K含量基本相同.4讨论4.1土壤速度规划p含量,表现为低n、p含量,且平台土壤速k的含量,其速度k的含量导致土壤速k含量,其速度k的含量超过了其所占比例,其也符合低n、p的土壤智慧土壤百花湖消落区大多数植物各器官中N、P、K含量的大小顺序为K>N>P,而柏芳敏等(2010)在研究洞庭湖西岸区的土壤与植物营养元素含量特征,以及刘长娥等(2008)在研究九段沙上沙湿地植物N、P、K的分布特征与季节动态的结果显示N>K>P.这是由于百花湖消落区的土壤多为石灰土和黄壤土,这两类土壤的特点为N素、P素有效率很低,速效N只占全N含量的0.47%～1.18%,速效P的含量仅占全P的0.8%～1.5%,但速效K的含量超过了土壤速效K含量的富K水平(>115mg·kg-1),属于低N、P富K土壤(宁晓波等,2009;魏复盛等,1990).因此,植物中K的含量要远远超过N和P.该结果与宁晓波等(2009)研究的贵阳花溪石灰岩、石灰土与定居植物化学元素含量特征,以及旷远文等(2010)报道的贵州普定喀斯特森林3种优势树种叶片元素含量特征一致.而柏芳敏等(2010)在研究洞庭湖西岸区的土壤与植物营养元素含量特征,以及刘长娥等(2008)在研究九段沙上沙湿地植物N、P、K的分布特征与季节动态的结果显示为N>K>P,这是由于洞庭湖区域和九段沙上沙土壤中有效N、P及速效钾含量都较低.由此可以看出,植物中N、P、K的含量与该植物所处的土壤中N、P、K含量状况有着显著的关系.杨永兴等(2010)在研究九段沙下沙湿地植物N、P、K的分布特征与季节动态的结果也为K>N>P,其指出该区域较靠近海洋,海洋中K+含量高,并且引起土壤中K含量增加,因此,该地区植物中K含量会超过N含量,也证实了植物中N、P、K的含量与该植物所处的土壤中的N、P、K含量状况有着显著的关系,与本研究的结论一致.4.2沙上沙和沙湿地n、p、k的时空分布特征百花湖消落区N、P、K在不同器官中的含量分布大小为叶>茎>根,这是因为根虽然是吸收营养物质的主要器官,但并不贮存太多的营养物质,这些营养物质主要是通过根把营养物质运送至茎和叶等营养器官中,因此,营养状况沿着植物蒸腾的方向,逐渐升高.该结果与刘长娥等在九段沙上沙及下沙湿地N、P、K的分布特征与季节动态中的研究一致(刘长娥等,2008;杨永兴等,2010).因此,选用植物来吸收处理N、P污染物时,收割地上部分的茎和叶,即可达到对土壤中N、P较好的处理效果.本文中分析出N、P、K3种元素含量之间呈现显著的正相关关系,是由于N、P、K被认为是生理元素,生理元素间具有协调关系,维持体内平衡,因此,相互之间存在显著的正相关关系(李志安等,1999).而柏芳敏等(2010)在研究洞庭湖西岸区防护林土壤和植物元素的含量特征一文中提及N与K及P与K的相关性不强并且指出对植物应增施钾肥,这主要是由于柏芳敏等研究地区的土壤为严重缺钾型,而本文所研究的地区为富钾型土壤,这可能是造成植物N、P、K营养元素相互之间相关性分析结果不同的主要原因.4.3植物的群落结构研究表明,河岸带(湖岸带)植物群落的分布除受到淹水(Polbcketal.,1998)及河流潜水(Xuetal.,2007)的影响外,还受到地形(陈求稳等,2005)、土壤质地(Lyonetal.,2005)、人为干扰(Rolandetal.,2000;Gordonetal.,2006)等影响.消落带作为河岸的特殊形式,其本位植物的种类及数量也受到上述因子的影响(孙荣等,2011).处于陆地与水域之间的河岸带(湖岸带)由于不同的高程受到淹水时间和淹水频率的差异,其植被生长呈现出明显的带状分布规律(Hajeketal.,2006).百花湖消落区高程从近水处到远水处,由于水淹时间的不同和长期的自然冲刷的影响自然形成了3个高层梯度,每个梯度竖直高度相差约2m.第一梯度受水淹时间最长,受水淹胁迫最严重,土壤中水分含量最多,同时越靠近水面,土壤向水体中释放N、P越频繁,土壤中N、P的营养元素含量最低.因此,第一梯度上植被以狗牙根和牛鞭草这两种耐水淹并对土壤中营养元素含量要求较低的植物为主,这两种植物的覆盖度为40%～60%,生物量分别为0.19～0.38kg·m-2和0.08～0.13kg·m-2,该层基本上没有出现其他植物.第二梯度全年水淹时间为4～6个月,有较为明显的周期性水位的涨落,并且土壤中的营养元素含量有所提高,该层上仍然是以禾本科的狗牙根和牛鞭草为主,覆盖度增加至85%～100%,生物量分别为0.24～0.40kg·m-2和0.12～0.17kg·m-2,并且出现了菊科、蓼科等物种,多样性明显增加,但菊科、蓼科及其他植物的覆盖度均小于5%,生物量也小于0.05kg·m-2.第三梯度水淹时间较短,该层上牛鞭草、狗牙根的覆盖度基本上为100%,生物量也增大至0.26～0.53kg·m-2和0.16～0.22kg·m-2.第三层不仅有出现在第二层的菊科、蓼科等植物,还出现了乌蕨、苎麻、地果和秋华柳等单株植株重量较大的植物,这些植物虽然单株植物重量较大,但覆盖度和生物量在消落区却很小.从植物的群落结构来看,从第一梯度适合水生的禾本科植物到第二梯度如酸模、水蓼等蓼科、菊科和莎草科湿生植物的少量出现,再到第三梯度的乌蕨、苎麻、地果和秋华柳等单株植株重量较大的植物的出现,可以明显看出水淹对植物分布的影响最为明显(Grace,1989;Liuetal.,2006),也体现了不同植物对水淹胁迫的适应性不同.同时,研究还发现第一梯度上主要以禾本科植物主,并且这些植物中N、P营养元素含量都较低,并没有出现对水淹有很强适应能力的蓼科植物,而蓼科植物却出现在有明显周期性水位涨落且土壤中的营养含量有所提高的第二梯度上,同时,这些蓼科植物体内的营养元素也很相对较高,与王强等(2009)研究三峡水库蓄水后彭溪河消落带植物群落格局及多样