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.pdf

1、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(wèn)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(lái)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(guò)程活躍，此時(shí)的多樣性效應(yīng)可能是由多過(guò)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)

2、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)境問(wèn)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(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)。因此，需要尋找高去污能力和低GHG排放的技術(shù)。人工濕地(CWs)是一種強(qiáng)化自然過(guò)程的污水處理

3、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(guò)程中發(fā)揮著重要作用，近年來(lái)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釋放的影響還未知。
　　本研究針對(duì)高氮輸入的人工濕地系統(tǒng)，在443 g N m-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(wú)基質(zhì)（水培）兩種微宇宙系統(tǒng)，選取

4、Rumex japonicas, Oenanthe javanica, Phalaris arundinacea和Reineckiacarnea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)GHG排放的影響，同時(shí)也分析多樣性對(duì)氮去除效率與GHG排放的關(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(guò)多樣性效應(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

5、態(tài)系統(tǒng)功能。主要發(fā)現(xiàn)如下:
　?、盼锓N豐富促進(jìn)N2O排放。在有基質(zhì)系統(tǒng)，N2O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980.9-1848.5μg N2Om-2 d-1。DMax指數(shù)（檢驗(yàn)混種系統(tǒng)是否存在N2O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(shuō)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N2O排放的機(jī)制。在無(wú)基質(zhì)系統(tǒng)，N2O排放與物種豐富度正相關(guān)，從單種到

6、4種的排放范圍是27.1-115.4μg N2O m-2 d-1。DMax指數(shù)在各豐富度水平上的平均值都大于零，說(shuō)明互補(bǔ)效應(yīng)明顯。有基質(zhì)系統(tǒng)的N2O排放高于無(wú)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)N2O的產(chǎn)生。
　?、莆锓N豐富度促進(jìn)CH4排放。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2.41-4.30 mg CH4 m-2 d-1。DMax指數(shù)（檢驗(yàn)混種系統(tǒng)是否存在

7、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(shuō)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濃度無(wú)顯著影響，且出水TOC濃度較低，說(shuō)明物種豐富度不會(huì)增加水體碳污染。在無(wú)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 CH4 m-2 d-1。DMax指數(shù)隨物種豐富度的增加而顯著增加，說(shuō)明物

8、種間的生態(tài)位分化（或資源利用互補(bǔ)效應(yīng)）是增加CH4排放的機(jī)制。有基質(zhì)系統(tǒng)的CH4排放高于無(wú)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。
　　⑶如果將植物地上生物量用來(lái)生產(chǎn)生物燃料，物種豐富度降低由CH4+N2O+CO2構(gòu)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+N2O排放有正效應(yīng)。同樣，物種豐富度對(duì)植物固碳也有正效應(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

9、減排碳和系統(tǒng)CH4+N2O排放的凈溫室效應(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--3.5 g CO2-eq m-2 d-1。DMax指數(shù)（檢驗(yàn)混種系統(tǒng)是否存在CH4+N2O的超排放效應(yīng)）驗(yàn)證了混種群落存在互補(bǔ)效應(yīng)，說(shuō)明互補(bǔ)效應(yīng)是物種豐富度增加CH4+N2O排放的重要機(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(shuō)明物種間的互補(bǔ)

10、效應(yīng)是增加植物固碳的機(jī)制。進(jìn)一步，通過(guò)計(jì)算地上生物量的選擇和互補(bǔ)效應(yīng)發(fā)現(xiàn)互補(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(wú)基質(zhì)系統(tǒng)，物種豐富度不僅對(duì)CH4+N2O排放有正效應(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+N2O排放的凈溫室效應(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-7.0--5.2 g CO2-eq m-2 d-1。DMax指數(shù)在各豐富度水平上的平均

11、值都大于零，說(shuō)明互補(bǔ)效應(yīng)明顯。CH4+N2O排放的DMax指數(shù)驗(yàn)證了混種群落存在互補(bǔ)效應(yīng)，說(shuō)明互補(bǔ)效應(yīng)是物種豐富度促進(jìn)CH4+N2O排放的重要機(jī)制。但是，植物固碳的DMax指數(shù)不隨物種豐富度的變化而變化，且平均值都小于零，說(shuō)明不存在植物固碳的互補(bǔ)效應(yīng)。進(jìn)一步，通過(guò)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(wú)基質(zhì)系統(tǒng)。這一方面是由于有基質(zhì)系統(tǒng)的CH4+N2O排放高于無(wú)基質(zhì)

12、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(wú)基質(zhì)系統(tǒng)。
　?、任锓N豐富度不僅提高氮凈化效率而且增加單位氮去除的GHG排放。有基質(zhì)系統(tǒng)的出水NO3--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53.1-16.7 mg L-1和54.8-17.1mg L-1，說(shuō)明豐富度提高了無(wú)機(jī)氮去除能力。在各豐富度水平上的DMax指數(shù)平均值都大于零，說(shuō)明資源利用互補(bǔ)效應(yīng)是導(dǎo)致NO3--N超消耗現(xiàn)象的重要機(jī)制。對(duì)植物氮庫(kù)和

13、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(shuō)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(wú)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(wú)基質(zhì)系統(tǒng)的出水NO3--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指數(shù)在各豐富

14、度水平上的平均值都大于零，說(shuō)明資源利用互補(bǔ)效應(yīng)是導(dǎo)致NO3--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(shuō)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(wú)機(jī)氮去除的貢獻(xiàn)率分別為44％-66％和34％-56％?；パa(bǔ)效應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)的N2O-N排放/NO3--N去除和非CO2溫室氣體排放/NO3--N去除隨物種豐富度的

15、增加而顯著增加。有基質(zhì)系統(tǒng)的出水NO3--N含量高于無(wú)基質(zhì)系統(tǒng)。這是由于無(wú)基質(zhì)系統(tǒng)的植物氮庫(kù)顯著高于有基質(zhì)系統(tǒng)。
　　⑸植物種類(lèi)對(duì)凈溫室效應(yīng)潛力影響有差異。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、虉草和吉祥草的存在對(duì)系統(tǒng)凈溫室效應(yīng)潛力無(wú)顯著影響。進(jìn)一步，物種對(duì)N2O排放和CH4排放均無(wú)顯著影響，說(shuō)明水芹通過(guò)增加固碳來(lái)降低凈溫室效應(yīng)潛力。在無(wú)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

16、應(yīng)潛力，而羊蹄和虉草的存在對(duì)系統(tǒng)凈溫室效應(yīng)潛力無(wú)顯著影響。進(jìn)一步，虉草的出現(xiàn)顯著促進(jìn)N2O排放和CH4排放，而羊蹄的出現(xiàn)促進(jìn)CH4排放。這說(shuō)明水芹通過(guò)增加固碳來(lái)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;羊蹄和虉草提高的GHG排放被增加的固碳抵消，因此，整體上不影響凈溫室效應(yīng)潛力。
　?、手参锓N類(lèi)和物種組成影響氮凈化效率。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，虉草

17、和吉祥草的存在對(duì)出水NO3--N濃度無(wú)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。在無(wú)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)物種的存在不影響出水NO3--N濃度。整體上物種混種提高NO3--N去除能力。
　?、宋锓N豐富度對(duì)人工濕地微宇宙系統(tǒng)的N2O和CH4排放有正效應(yīng)，但對(duì)系統(tǒng)凈溫室效應(yīng)潛力卻有負(fù)效應(yīng)，這意味著如果充分利用植物地上部分來(lái)生產(chǎn)生物能源，物種豐富度不但不增加微宇宙系統(tǒng)的GH