人工濕地高氮水平下植物多樣性對(duì)溫室氣體釋放的效應(yīng)及機(jī)制

1、人工濕地高氮水平下植物多樣性對(duì)溫室氣體釋放的效應(yīng)及機(jī)制生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)系是當(dāng)前生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的重大科學(xué)問題。早期的多樣性效應(yīng)理論主要是在氮限制的草地生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)展起來的, 但將多樣性效應(yīng)從氮限制的草地生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)展到高氮生態(tài)系統(tǒng)時(shí)仍面臨挑戰(zhàn)。因?yàn)樵诘拗频牟莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)中以植物對(duì)氮的吸收為主, 多樣性效應(yīng)主要是吸收 , 但在高氮輸入的系統(tǒng)中除吸收以外的基質(zhì)過程活躍, 此時(shí)的多樣性效應(yīng)可能是由多過程組成（ 例如在高氮水平下, 反硝化與植物吸收各占了氮消耗的很大一部分 ）, 這使得多樣性效應(yīng)的機(jī)理更加復(fù)雜。因此, 對(duì)于復(fù)合效應(yīng)的機(jī)理的理解迫切需要。水污染和全球氣候變暖是當(dāng)今備受關(guān)注的兩大環(huán)

2、境問題, 污水排放量增加與大氣中溫室氣體（GHG濃度升高密切相關(guān)。由于人口增長(zhǎng)、城市化加速、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平的提高, 加大了工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污水的生產(chǎn)。用傳統(tǒng)的污水處理廠處理污水排放大量的 GHG主要是二氧化碳（C02）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）。因此，需要尋找高去污能力和低 GHaF放的技術(shù)。人工濕地（CWs促一種強(qiáng)化自然過程的污水處理技術(shù),是人工配置基質(zhì)和植入植物構(gòu)成的土壤-植物 -微生物系統(tǒng)。植物在污水凈化過程中發(fā)揮著重要作用,近年來植物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的研究已拓展到了高氮輸入的人工濕地系統(tǒng)。已有研究表明,植物多樣性可以提高人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的污水凈化效率,但對(duì)GHG?

3、放的影響還未知。本研究針又t高氮輸入的人工濕地系統(tǒng),在443gNm-2y-1 供給水平 （相當(dāng)于生活污水氮含量,是本地農(nóng)業(yè)氮肥強(qiáng)度7倍 ）下 ,在有沙基質(zhì)和無基質(zhì)（ 水培 ） 兩種微宇宙系統(tǒng),選取Rumex japonicas, Oenanthejavanica, Phalaris arundinacea和 Reineckia carnea 四種植物,設(shè)置4 個(gè)物種豐富度梯度（分別有1,2,3 和 4種植物 ）和 15個(gè)群落組合, 共 180個(gè)微宇宙, 研究植物多樣性對(duì)GHaF放的影響,同時(shí)也分析多樣性對(duì)氮去除效率與 GHCSF放的 關(guān)聯(lián) , 以拓寬生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能研究的范圍。通過多樣

4、性效應(yīng)強(qiáng)化理論基礎(chǔ)研究, 并在實(shí)踐應(yīng)用方面強(qiáng)化人工濕地結(jié)構(gòu)和優(yōu)化其生態(tài)系統(tǒng)功能。主要發(fā)現(xiàn)如下：1.物種豐富促進(jìn)N20排放。（1） 在有基質(zhì)系統(tǒng),N20 排放與物種豐富度呈顯著正相關(guān), 從單種到4種的排放范圍為980.9-1848.5仙gN2Om-2d-1 DMaX旨數(shù)（檢驗(yàn)混種系統(tǒng)是否存在 N20的超排放效應(yīng)） 在各豐富度水平上的平均值都大于零, 并且隨豐富度的增加,DMax指數(shù)線性增加。說明物種間的生態(tài)位分化（或資源利用互補(bǔ)效應(yīng)）是增加N20排放的機(jī)制。（2） 在無基質(zhì)系統(tǒng),N20 排放與物種豐富度正相關(guān), 從單種到4種的排放范圍是27.1-115.4 NgN20m-2d-1。DMaX旨數(shù)在

5、各豐富度水平上的平均值都大于零，說明互補(bǔ)效應(yīng)明顯。有基質(zhì) 系統(tǒng)的N20排放高于無基質(zhì)系統(tǒng)。這可能是由于沙基質(zhì)為反硝化細(xì)菌等微生物提供附著表面，進(jìn)而促進(jìn)N20的產(chǎn)生。2.物種豐富度促進(jìn)CH4排放。（1）在有基質(zhì)系統(tǒng)，CH4排放與物種豐富度呈顯著正相關(guān)，從單種到4種的排 放范圍為2.41-4.30mg CH4m-2d-1。DMaX旨數(shù)（檢驗(yàn)混種系統(tǒng)是否存在 CH4的超 排放效應(yīng) ）在豐富度為3 和 4水平上的平均值都大于零, 說明互補(bǔ)效應(yīng)明顯。此外 , 基質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量隨物種豐富度的增加而顯著增加, 為產(chǎn)甲烷菌提供了更多可利用的碳，進(jìn)而增加產(chǎn)甲烷速率。但物種豐富度對(duì)出水 TOC®度無顯著影

6、響，且出水TOC&度較低，說明物種豐富度不會(huì)增加水體碳污染(2)在無基質(zhì)系統(tǒng)，CH4排放與物種豐富度正相關(guān)，從單種到4種的排放范圍是1.63-4.07mg CH4m-2d-1 , DMaX旨數(shù)隨物種豐富度白增加而顯著增加，說明物 種間的生態(tài)位分化(或資源利用互補(bǔ)效應(yīng))是增加CH4#放的機(jī)制。有基質(zhì)系統(tǒng)的 CH4排放高于無基質(zhì)系統(tǒng)。這可能是由于沙基質(zhì)為產(chǎn)甲烷菌等微生物提供附著表面，進(jìn)而促進(jìn)CH4的產(chǎn)生。 3. 如果將植物地上生物量用來生產(chǎn)生物燃料, 物種豐富度降低由CH4+N2O+CO2成的凈溫室效應(yīng)潛力。(1)在有基質(zhì)系統(tǒng)，物種豐富度對(duì)CH4+N2OF放有正效應(yīng)。同樣，物種豐富度對(duì)植物

7、固碳也有正效應(yīng)。假定地上部分用于生物能源以替代化石能源而減排, 則綜合了植物減排碳和系統(tǒng)CH4+N2OF放的凈溫室效應(yīng)潛力隨物種豐富度的增加而顯著降低。三項(xiàng)之和的凈溫室效應(yīng)潛力從單種到4 種的范圍為-7.4-3.5g CO2-eqm-2d-1 。DMaX旨數(shù)(檢驗(yàn)混種系統(tǒng)是否存在CH4+N2OJ超排放效應(yīng))驗(yàn)證了混種群落存在互補(bǔ)效應(yīng)，說明互補(bǔ)效應(yīng)是物種豐富度增加CH4+N2OF放的重要機(jī)制。同 樣,DMax指數(shù)(檢驗(yàn)混種系統(tǒng)是否存在植物超固碳效應(yīng))隨物種豐富度的增加而 增加 , 并且平均值都大于零, 說明物種間的互補(bǔ)效應(yīng)是增加植物固碳的機(jī)制。進(jìn)一步 , 通過計(jì)算地上生物量的選擇和互補(bǔ)效應(yīng)發(fā)現(xiàn)互

8、補(bǔ)效應(yīng)和選擇效應(yīng)是物種豐富度增加植物固碳的兩種機(jī)制。(2) 在無基質(zhì)系統(tǒng), 物種豐富度不僅對(duì)CH4+N2OF放有正效應(yīng)，而且對(duì)植物固碳也有正效應(yīng)。然而綜合了植物減排碳和系統(tǒng) CH4+N2OF放的凈溫室效應(yīng)潛力卻隨物種豐富度的增加而顯著降低, 三項(xiàng)之和的凈溫室效應(yīng)潛力從單種到4 種的范圍為-7.05.2g CO2-eq m-2d-1DMaX旨數(shù)在各豐富度水平上的平均值都大于零，說明互補(bǔ)效應(yīng)明顯。CH4+N2OF放的DMaX旨數(shù)驗(yàn)證了混種群落存在互補(bǔ)效應(yīng),說明互補(bǔ)效應(yīng)是物 種豐富度促進(jìn)CH4+N2OF放的重要機(jī)制。但是，植物固碳的DMaX旨數(shù)不隨物種豐 富度的變化而變化, 且平均值都小于零, 說明

9、不存在植物固碳的互補(bǔ)效應(yīng)。進(jìn)一步 , 通過計(jì)算地上生物量的選擇和互補(bǔ)效應(yīng)發(fā)現(xiàn), 選擇效應(yīng)是物種豐富度增加植物固碳的機(jī)制。有基質(zhì)系統(tǒng)的凈溫室效應(yīng)潛力顯著高于無基質(zhì)系統(tǒng)。這一方面是由于有基質(zhì)系統(tǒng)的CH4+N2OF放高于無基質(zhì)系統(tǒng)；另一方面是由于有基質(zhì)系統(tǒng)的固碳速率低于無基質(zhì)系統(tǒng)。4. 物種豐富度不僅提高氮凈化效率而且增加單位氮去除的GHCSF放。(1) 有基質(zhì)系統(tǒng)的出水N03-N 和 TIN 濃度隨物種豐富度的增加而顯著降低,從單種到4種的范圍分別為53.1-16.7mg L-1 和 54.8-17.1mg L-, 說明豐富度提高了無機(jī)氮去除能力。在各豐富度水平上的DMaX旨數(shù)平均值都大于零，說明

10、資源利用互補(bǔ)效應(yīng)是導(dǎo)致N03-N 超消耗現(xiàn)象的重要機(jī)制。對(duì)植物氮庫(kù)和生物量的效應(yīng)分析都表明, 植物吸收是豐富度增加氮去除的重要途徑 , 但反硝化作用隨物種豐富度增加而降低, 說明微生物的反硝化對(duì)豐富度水平上的氮去除有負(fù)效應(yīng)。在豐富度水平上, 植物吸收和反硝化對(duì)無機(jī)氮去除的貢獻(xiàn)率分別為36%-76%和 22%-60%?；|(zhì)氮持留對(duì)氮去除的貢獻(xiàn)小，低于5% 無基質(zhì)系統(tǒng)的出水N03-N和TIN 濃度與物種豐富度負(fù)相關(guān), 從單種到4 種的范圍分別為14.3-2.3mg L-1 和14.8-2.7mg L-1 。DMaX旨數(shù)在各豐富度水平上的平均值都大于零，說明資源利用互補(bǔ)效應(yīng)是 導(dǎo)致NO3-N超消耗現(xiàn)

11、象的重要機(jī)制。對(duì)植物氮庫(kù)和生物量的效應(yīng)分析都表明，植物吸收是豐富度增加氮去除的重要途徑, 但反硝化作用隨物種豐富度增加而降低 , 說明微生物的反硝化對(duì)豐富度水平上的氮去除有負(fù)效應(yīng)。在豐富度水平上, 植物吸收和反硝化對(duì)無機(jī)氮去除的貢獻(xiàn)率分別為44%-66%和34%-56%(3)互補(bǔ)效應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)的N2O-NB放/NO3-N去除和非CO2M室氣體排放/NO3-N 去除隨物種豐富度的增加而顯著增加。有基質(zhì)系統(tǒng)的出水NO3-N含量高于無基質(zhì)系統(tǒng)。這是由于無基質(zhì)系統(tǒng)的植物氮庫(kù)顯著高于有基質(zhì)系統(tǒng)。5. 植物種類對(duì)凈溫室效應(yīng)潛力影響有差異。(1) 在有基質(zhì)系統(tǒng), 水芹的存在顯著降低系統(tǒng)凈溫室效應(yīng)潛力, 而羊蹄

12、、 (?) 草和吉祥草的存在對(duì)系統(tǒng)凈溫室效應(yīng)潛力無顯著影響。進(jìn)一步,物種對(duì)N2Offi放和CH4F放均無顯著影響,說明水芹通過增加固碳來降低凈溫室效應(yīng)潛力。(2) 在無基質(zhì)系統(tǒng), 水芹的存在降低系統(tǒng)凈溫室效應(yīng)潛力,吉祥草的存在增加系統(tǒng)凈溫室效應(yīng)潛力, 而羊蹄和(?) 草的存在對(duì)系統(tǒng)凈溫室效應(yīng)潛力無顯著影響。進(jìn)一步，藕草的出現(xiàn)顯著促進(jìn)N2C#放和CH4排放，而羊蹄的出現(xiàn)促進(jìn)CH4排放。 這說明水芹通過增加固碳來降低凈溫室效應(yīng)潛力；吉祥草因固碳少而增加凈溫室效應(yīng)潛力；羊蹄和(?)草提高的GHCSF放被增加白固碳抵消，因此，整體上不影響凈溫室效應(yīng)潛力。6. 植物種類和物種組成影響氮凈化效率。(1) 在有基質(zhì)系統(tǒng), 羊蹄的出現(xiàn)顯著降低出水NO3-N濃度，而水芹的存在提高了出水NO3-N濃度,(?)草和吉祥草的 存在對(duì)出水NO3-N濃度無顯著影響?；旆N系統(tǒng)的出水NO3-N濃度介于羊蹄單種和水芹單種之間。(2)在無基質(zhì)系統(tǒng)，羊蹄的出現(xiàn)顯著降低出水 NO3-N濃度，而其他3個(gè)物種的存在不影響