生物炭添加对湿地植物菖蒲根系通气组织和根系泌氧的影响

在处理污水的潜流人工湿地中,湿地植物容易受到缺氧胁迫.尽管菖蒲(Acorus calamus L.)是一类对缺氧条件具有显著抵抗能力的湿地植物,但菖蒲的生理响应并不能完全消除湿地长期缺氧带来的胁迫.生物炭添加能够缓解菖蒲体内超氧化物和过氧化物的积累,显著降低膜脂过氧化程度,但生物炭对缓解缺氧胁迫的具体机制尚不清晰.因此,本研究通过在温室内构建5种不同的生物炭湿地,采用植物生态学分析方法,将植物根系通气组织、根孔隙度和根系泌氧相结合,研究菖蒲根部组织对生物炭添加的响应机制.结果表明,通过在传统潜流人工湿地中添加生物炭,有利于菖蒲形成根系通气组织,增大根孔隙度,生物炭投加量与根孔隙度具有显著正相关关系.在湿地中添加生物炭将利于O_2通过通气组织传输至地下部分,并以根系泌氧(radial oxygen loss,ROL)的形式扩散至根际,显著提高根系泌氧量.与其它光强相比,在3 000μmol·(m~2·s)~(-1)条件下,菖蒲泌氧能力较强,生物炭投加比例对植物ROL的影响不显著.     

常年淹水和干旱对三峡库区消落带菖蒲生长恢复的影响

菖蒲是三峡库区常见的一种湿生植物,本研究探讨了常年淹水对菖蒲生长恢复的影响,并分析了干旱对露水后菖蒲生长恢复的影响,为三峡库区消落带植被恢复物种的选择提供科学依据.分别于2009年9月和2010年9月前后2次将菖蒲(Acorus calamus L.)植株完全淹水,分别于翌年3、4、5月将植株露水(分别记为S1、S2和S3),2011年定期统计植株数和叶片数,测定叶长、叶宽.结果表明,淹水导致植株萌发数显著低于对照,且随着淹水时间增加植株萌发数呈显著降低趋势;淹水显著促进3月和4月露水植株叶片的伸长和形成,其叶长、叶片数、株叶长和总叶长显著高于对照,而5月露水植株的叶长、叶宽、叶片数、株叶长、总叶长和总叶片数均显著低于对照.随着淹水时间的增加露水后植株死亡数呈显著增大趋势,S1和S2组的叶长、叶宽显著增长,叶片数显著降低,而S3组植株叶长、叶宽、叶片数、株叶长、总叶长和总叶片数均显著降低.干旱导致对照、S1和S2组植株叶长、叶宽、株叶长、总叶长、叶片数和总叶片数均显著降低,植株存活数显著降低;干旱胁迫去除25 d后,对照、S1和S2组植株的叶片数分别增加了67.0%、66.7%和36.2%,且S1和S2组植株的株叶长、总叶长和总叶片数分别增加了48.2%、18.1%,66.7%、35.0%,75.0%、64.3%,差异显著(P<0.05).因此,菖蒲不仅对淹水的适应和耐受能力较强,而且露水后的生长恢复能力及对干旱的恢复能力也较强,可作为三峡库区消落带(特别是3月和4月露水区域)的恢复、重建物种.     

生物炭添加对湿地植物菖蒲根系通气组织和根系泌氧的影响

在处理污水的潜流人工湿地中,湿地植物容易受到缺氧胁迫。尽管菖蒲(Acorus calamus L.)是一类对缺氧条件具有显著抵抗能力的湿地植物,但菖蒲的生理响应并不能完全消除湿地长期缺氧带来的胁迫。生物炭添加能够缓解菖蒲体内超氧化物和过氧化物的积累,显著降低膜脂过氧化程度,但生物炭对缓解缺氧胁迫的具体机制尚不清晰。因此,本研究通过在温室内构建5种不同的生物炭湿地,采用植物生态学分析方法,将植物根系通气组织、根孔隙度和根系泌氧相结合,研究菖蒲根部组织对生物炭添加的响应机制。结果表明,通过在传统潜流人工湿地中添加生物炭,有利于菖蒲形成根系通气组织,增大根孔隙度,生物炭投加量与根孔隙度具有显著正相关关系。在湿地中添加生物炭将利于O2通过通气组织传输至地下部分,并以根系泌氧(radial oxygen loss,ROL)的形式扩散至根际,显著提高根系泌氧量。与其它光强相比,在3000μmol·(m2·s)-1条件下,菖蒲泌氧能力较强,生物炭投加比例对植物ROL的影响不显著。     

土地处理池塘污水影响因素的实验研究

通过户外动态土柱模拟实验,研究了淹水时间、土壤厚度、土壤粒径和淹水深度对池塘污水处理效果的影响。实验结果表明:连续淹水超过4～5d,COD去除率明显下降;相同进水条件下,土层厚度在120cm处,COD去除率达到80%以上;土壤粒径<0.1mm时,COD去除率达到90%;在土层厚度120cm处,淹水深度为60cm时,COD去除率仅40%。     

海南新村湾海菖蒲TN和TP含量时空变化及其对营养负荷的响应

以海南新村湾海草床优势种之一的海菖蒲(Enhalus acoroides)为研究对象,于2005年7月、10月和2006年1月,分3个季度对网箱养殖区、中间过渡区和对照区海菖蒲不同组织的TN、TP含量的时空变化特征进行了研究,初步探讨了其对营养负荷的响应。结果表明:(1)新村湾海水和沉积物间隙水DIN含量,呈现出网箱养殖区中间过渡区对照区的显著趋势。(2)海菖蒲根、茎和叶在3个季度中的TN含量范围分别为:0.576%~1.544%、0.803%~2.480%和1.796%~3.200%;TP含量分别为:0.053%~0.175%、0.073%~0.197%和0.183%~0.413%。(3)海菖蒲不同组织TN、TP含量,均显示叶茎根的显著趋势;海菖蒲不同组织TN含量呈现秋、冬季夏季的趋势,TP含量随季节变化趋势各有不同。(4)海菖蒲根和叶的TN含量,有由网箱养殖区向对照区递减的趋势,与其所在样区海水和沉积物间隙水DIN含量呈显著正相关;海菖蒲TP含量,普遍显示出网箱养殖区比中间过渡区和对照区显著大的趋势,但与海水和间隙水PO4-P的含量没有明显的关系。(5)N/P计算结果表明,新村湾海菖蒲的生长主要受N的限制。     

模拟水体硝态氮对黄菖蒲生长及其氮吸收的影响

为了对挺水植物在水环境与水生态修复中的应用提供参考依据,选取黄菖蒲(Iris pseudacorus L.)为对象,通过模拟水培实验,对比研究了6种水体硝态氮质量浓度(10.68、23.88、42.22、63.33、82.92、97.13 mg·L~(-1))下,黄菖蒲地上和地下生物量、根冠比、叶绿素含量、氮累计吸收量以及对硝态氮去除效果的差异,以期明确模拟水体硝态氮质量浓度对黄菖蒲生长及其氮吸收能力的影响.结果显示,首先,不同硝态氮质量浓度对黄菖蒲地上部分(茎叶)生长的影响大于地下部分(根);当硝态氮质量浓度为10.68 mg·L~(-1)时,黄菖蒲的根冠比增加;当硝态氮质量浓度为42.22~97.13 mg·L~(-1)时,黄菖蒲的根冠比减少.其次,黄菖蒲适宜生长的硝态氮质量浓度为23.88~63.33 mg·L~(-1);硝态氮质量浓度低于10.68 mg·L-1或高于82.92mg·L-1时,均会对黄菖蒲的叶绿素合成产生抑制作用.再次,黄菖蒲对氮的累积量随硝态氮质量浓度增加而增加,且地下部分对氮的累积能力优于地上部分;6种浓度下,单株黄菖蒲的氮累计吸收量为10.56~75.43 mg,其地下部分依次为地上部分的7.2、2.3、2.5、2.1、1.6以及1.5倍.此外,黄菖蒲对氮的利用效率与硝态氮质量浓度之间成显著的幂函数关系,且地上部分的氮利用效率高于地下部分.最后,黄菖蒲对硝态氮的去除率随硝态氮质量浓度增加而增加,6种浓度下黄菖蒲对硝态氮的去除率介于94.9%和99.3%之间,且水体中硝态氮质量浓度随时间延续呈指数函数降低.结果表明,黄菖蒲对硝态氮有很好的去除效果,但黄菖蒲的生长及其对氮的吸收与去除效率受水体硝态氮质量浓度影响显著,且地上部分较地下部分更为敏感.     

低温域湿地植物根际硝化强度及氨氧化微生物研究

以低温域(0~15 ℃)下黄菖蒲(Iris pseudacorus)、菖蒲(Acorus calamus)和香蒲(Typha orientalis)3种湿地植物为研究对象,分别取其根际土壤测定硝化强度,并采用FISH(荧光原位杂交)技术,考察植物根际AOB(氨氧化细菌)、AOA(氨氧化古菌)的数量变化规律. 结果表明:低温条件下,香蒲根际土壤的硝化强度最高,平均值为1.40 mg/(kg·h),黄菖蒲和菖蒲的平均值均为0.96 mg/(kg·h). 湿地植物根际土壤中的细菌数量(数量级为1010)远高于古菌(数量级为108),其中AOB为优势菌种,3种湿地植物的AOA数量分别约占总古菌数量的46.0%、47.9%和49.7%. 3种湿地植物根际AOB的数量(以湿土计,下同)排序为香蒲(2.57×109 g-1)>黄菖蒲(1.23×109 g-1)≈菖蒲(1.14×109 g-1),AOA的数量(以湿土计)排序为黄菖蒲(2.78×108 g-1)>香蒲(2.57×108 g-1)>菖蒲(1.15×108 g-1). 微生物分布特性和硝化作用效果均表明,不同植物根际氨氧化过程的主要作用微生物具有一定差异,AOA和AOB对于湿地土壤氮转化均具有不可忽视的作用,并与植物本体、土壤硝化过程微环境之间有一定的耦合关系.      

淹水增加对闽江河口淡水潮汐湿地孔隙水地球化学特征及CO2和CH4排放通量的影响

海平面上升使得河口潮汐湿地淹水高度增加,对CO_2和CH_4的排放通量产生重要影响,但目前绝大多数研究集中在淹水增加对河口盐沼湿地的影响,淹水增加对于河口淡水潮汐湿地的影响缺乏数据.鉴于此,本研究利用模拟潮汐池和中型生态系,研究淹水增加15 cm和30 cm后对闽江河口淡水潮汐湿地孔隙水(NH_4+、NO_3-、DOC、溶解性CH_4和DIC)浓度及CO_2和CH_4排放通量的影响.结果表明,淹水高度增加15 cm和30 cm后,CO_2的排放通量分别下降28. 53%和36. 56%;淹水增加15 cm时,CH_4的排放通量没有显著变化,增加至30 cm后,CH_4的排放通量显著增加29. 27%;淹水高度增加15 cm和30 cm,孔隙水CH_4的浓度分别增加47. 83%和73. 91%.淹水增加对孔隙水DOC浓度变化影响不显著.淹水增加促进孔隙水NH_4+浓度,并降低孔隙水DIC和NO_3-的浓度.淹水增加降低CO_2和CH_4排放通量的温度敏感性.根据研究结果,未来海平面上升50 a和100 a后,闽江河口淡水潮汐湿地的综合增温潜势将分别降低28%和35%.     

纳米二氧化钛缓解镉胁迫下小麦幼苗生长及生理变化

研究了水培环境中不同浓度纳米二氧化钛（TiO₂-NPs）（0,25,50,100,200 mg/L）缓解Cd对小麦幼苗造成的生理毒害的作用。结果显示:在水培环境下TiO₂-NPs的施用,缓解了Cd对小麦带来的氧化胁迫,减轻了Cd对小麦的毒害作用,显著提高了小麦生物量、根长及株高,改善了小麦光合作用。中浓度（50,100 mg/L）TiO₂-NPs的使用显著提高了小麦幼苗净光合速率。对于所有浓度TiO₂-NPs的施用,小麦幼苗POD酶活均显著低于Cd处理组;SOD酶活在较低浓度（<200 mg/L）时显著低于Cd处理组。TiO₂-NPs通过减轻Cd氧化胁迫作用,有效缓解了Cd对小麦幼苗的毒害,提高了小麦幼苗的光合作用。     

邻苯二甲酸二异辛酯在番茄根际土壤中的持留动态

利用分室根箱法模拟根际微域环境的试验结果表明,无论初始浓度高低,邻苯二甲酸二异辛酯(DEHP)在土壤中的持留都可较好地用一级反应动力学方程进行描述,初始浓度越高,持留半寿期越短．土壤中DEHP浓度的增加可引起土壤脱氢酶活性的增加．但在DEHP初始浓度低、中、高3种情况下都表现出在根际土壤(0～5mm)中DEHP的残留浓度比非根际土壤(25～30mm)中的残留浓度稍高,持留的半寿期(t1/2)稍长的趋势,说明植物的生长并没有加速DEHP的降解．不添加DEHP的根室土壤中DEHP浓度始终都维持在一个较低的水平上,处理之间没有显著差异,且植物组织中DEHP的含量很低,处理之间也没有显著差异,说明DEHP在土壤中随水溶液的扩散和由于植物根系生长活动引起的迁移是微不足道的．     

Heavy metal （Pb,Zn） uptake and chemical changes in rhizosphere soils of four wetland plants with different radial oxygen loss

Lead and Zn uptake and chemical changes in rhizosphere soils of four emergent-rooted wetland plants; Aneilema bracteatum, Cyperus alternifolius, Ludwigia hyssopifolia and Veronica serpyllifolia were investigated by two experiments: (1) rhizobag filled with “clean” or metal-contaminated soil for analysis of Pb and Zn in plants and rhizosphere soils; and (2) applied deoxygenated solution for analyzing their rates of radial oxygen loss (ROL). The results showed that the wetland plants with di erent ROL rates had significant e ects on the mobility and chemical forms of Pb and Zn in rhizosphere under flooded conditions. These e ects were varied with di erent metal elements and metal concentrations in the soils. Lead mobility in rhizosphere of the four plants both in the “clean” and contaminated soils was decreased, while Zn mobility was increased in the rhizosphere of the “clean” soil, but decreased in the contaminated soil. Among the four plants, V. serpyllifolia, with the highest ROL, formed the highest degree of Fe plaque on the root surface, immobilized more Zn in Fe plaque, and has the highest e ects on the changes of Zn form (EXC-Zn) in rhizosphere under both “clean” and contaminated soil conditions. These results suggested that ROL of wetland plants could play an important role in Fe plaque formation and mobility and chemical changes of metals in rhizosphere soil under flood conditions.     

不同水淹条件下河岸带优势植物类群的生理与生态响应特征

为探究水淹胁迫下河岸带植物的生理和形态变化特征及其响应机制,以乐安河河岸带采集的优势植物类群狗牙根（Cynodon dactylon）、牛鞭草（Hemarthria altissima）、喜旱莲子草（Alternanthera philoxeroides）和蓼子草（Polygonum hydropiper）为材料,在室内进行土壤盆栽培养,利用钢化玻璃水缸控制水位,设置对照、浸润、半淹、全淹4种不同水淹胁迫条件,测定不同胁迫周期各物种的叶绿素含量、光合指标、荧光参数、荧光成像的变化及形态学变化特征,分析各物种对水淹胁迫的抗逆响应.结果表明:短时间（7 d）水淹胁迫下,浸润组、半淹组和全淹组各植物的w（Chlt）（叶绿素总量）、P_n（净光合速率）、T_r（蒸腾速率）、QY_max（最大量子产率）、株高、叶片数等指标与对照组相比总体呈降低趋势,其中浸润组植物叶片中w（Chlt）、P_n、QY_max等均略高于对照组（CK）,而C_i（胞间CO₂浓度）呈上升趋势,NPQ_lss（非光化学淬灭）呈先降后升趋势;长时间（14 d）水淹胁迫下,各植物的上述生理、形态学指标的变化规律与短时间水淹胁迫下基本一致,其中全淹条件下各植物的w（Chlt）、P_n和叶片数在较短期水淹胁迫下大幅下降,各植物3个指标分别显著（P < 0.05）低于对照组,显著差异值分别为:狗牙根100%、100%、100%;牛鞭草62.3%、67.9%、63.8%;喜旱莲子草73.6%、83.2%、89.6%;蓼子草54.5%、100%、100%,狗牙根和蓼子草在全淹条件下接近死亡.研究显示,水淹胁迫对4种植物的生长有不同程度的抑制,同时植物也做出抵消胁迫的抗逆响应.      

水分管理对硫铁镉在水稻根区变化规律及其在水稻中积累的影响

选取了酸性矿山废水污灌区重金属污染水稻土,通过盆栽试验研究了不同水分管理条件(60%最大田间持水量,80%最大田间持水量,最大田间持水量,前期淹水+抽穗扬花期烤田,全生育期淹水)下水稻根际土壤及其不同器官(稻根、茎叶和籽粒)中硫、Fe和Cd的含量变化.结果表明,随着土壤水分含量的增加,在分蘖期根际土壤中Cd的含量略有升高,在成熟期对水稻根际土壤中Fe和Cd含量的影响不大;水稻不同器官对铁的吸收逐渐增加,对Cd的吸收则逐渐减少,两者呈明显的负相关关系;但抽穗扬花期烤田对水稻各器官对Fe的吸收影响不大,却明显增加了各器官中Cd的含量.除旱作处理外,不同水分管理方式下,土壤中全硫和有效硫含量随着土壤水分含量增加逐渐减少,抽穗扬花期烤田能明显增加根际土壤中总硫和有效硫含量,水稻对Cd的吸收与根际硫含量增加存在协同关系.上述结果证实,水稻对Cd的吸收不仅与Fe吸收有关,土壤中硫的充分供给能显著增加Cd在水稻中的积累.     

鄱阳湖典型沉水植物刺苦草对不同淹水胁迫的响应特征及对生态修复的启示

沉水植物的生长与繁殖受到湖泊水体水位过程的影响,然而不同的水文过程变化及淹水时长对沉水植物个体适应性特征的影响尚不清晰。选取鄱阳湖典型沉水植物刺苦草作为研究对象,通过设置水位控制中宇宙实验,揭示6种淹水模式下刺苦草个体适应性变化特征。结果表明：长时间高淹水水位胁迫能够显著影响刺苦草的叶片数量、叶长、根长、匍匐茎长度、克隆能力、总生物量等特征。快速涨水以及长时间(>21 d)高水位(>3.5 m)胁迫会导致刺苦草植株叶片的大量凋亡,短时间(<14 d)并降低高水位淹水胁迫,刺苦草可以恢复其正常生长。研究表明,夏季快速涨水及不利水位下较长淹水时长是影响沉水植物刺苦草个体适应性降低的主要因素,可为沉水植物退化的水文过程机制以及科学恢复提供理论参考。     

磺胺嘧啶胁迫下作物根际微生物群落结构响应

为了研究在磺胺类兽药胁迫下,两种作物在不同生长期根际微生物群落结构的响应,采用室内根际箱培养实验,测定玉米、小麦根际微界面土壤磷脂脂肪酸的量,研究在磺胺嘧啶（SD）胁迫下,不同作物根际土壤微界面微生物群落结构的空间变化.结果表明,SD对根际微生物活性的有抑制作用,且强度随浓度增加而增强.同一浓度SD作用下,根际微界面微生物生物量不同,在实验中,根际3mm和根室的微生物生物量最大,且二者之间差异不显著.不同微生物对根际效应敏感程度不同,细菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、蓝细菌和硫酸盐还原菌根际效应明显.在SD胁迫下,根际不同微界面土壤微生物群落结构变化明显.细菌、G⁺、G^-、放线菌的生物量,随SD浓度升高而下降,主要表现为抑制效应,而对真菌生物量则表现为激活效应,生物量增加. 小麦根际土壤真菌：细菌（F/B）随SD浓度的升高,比值增大,在高浓度（5mg/kg）胁迫下,F/B比值最大（0.74）,与对照差异显著（P < 0.05）,说明土壤污染修复能力增强,而sat/mono比值在高浓度SD胁迫下降低,说明微生物群落结构向有利于SD降解的方向转化.根际效应有助于SD的降解,在1mg/kg SD作用下,小麦根际土壤降解率为7.01%,而非根际土壤降解率仅为2.49%,不同作物表现出的根际效应强弱不同,玉米根际效应强于小麦.     

富氧-缺氧过程对氧气分布及交换过程影响

为考察底层水体不同的氧动态对水土界面氧气交换过程影响,采用Unisence的微电极测试系统考察底层水体不同的复氧-缺氧环境(物理微曝空气供氧、添加过氧化剂的化学供氧及物理微曝氮气)中,沉积物-水界面氧气的分布及其传输机制,并评估不同富氧与厌氧过程对表层沉积物有机碳的矿化过程的影响.结果表明水体处极度厌氧状况,控制溶解氧分布和交换的水底扩散边界层(DBL)厚度明显变薄(一般在0.2~0.4mm)且溶解氧衰变相对较缓.但底层水体溶解氧丰富甚至处于过饱和状态, DBL层的厚度(一般在0.4~0.7mm)相对较厚且氧气变化迅速 (P<0.05).增加水体氧气供给的条件下,水体与沉积物间溶解氧交换过程加快,溶解氧交换通量由(4.87±0.92)增加至(5.31±0.66 )及(17.14±3.15 ) mmol O2/(m2·d)交换速率,最高提升252%,温度升高氧气交换速率可增加15%,温度效应明显.     

4种浮床栽培植物生长特性及吸收氮磷能力的比较

选取美人蕉、风车草、菖蒲和香根草4种常见的浮床植物为研究对象,对其生长特性及吸收氮磷的能力进行比较研究.结果显示,4种植物的成活率均在90%以上,移栽后60-100d为植物的快速生长期.经过4个月的生长.4种植物水面上部生物量均明显高于下部;除香根草外,其它3种植物体内的氮磷含量均呈叶>根>茎的分布;植物体内的氮、磷累积量大小依次为美人蕉>风车草>菖蒲>香根草.植物吸收占浮床系统氮去除的比例均低于40%,占浮床系统磷去除的比例均高于55%.4种植物中,美人蕉对水体中氮磷的吸收能力最强,可以将其作为三峡库区次级河流的浮床栽培植物进行推广.     

水分管理和外源硒对水稻吸收累积铅的影响

通过盆栽试验,研究了不同水分管理和外源亚硒酸盐的添加对水稻根际铅的动态变化和水稻吸收累积铅的影响.结果表明,淹水显著增加了根表铁膜对铅的吸附和根系对铅的吸收,淹水下苗期和成熟期水稻根系铅含量分别是非淹水处理时的4.2~8.5和1.4~1.5倍;淹水降低了地上部的铅分配,在苗期和成熟期分别降低85.9%~86.7%和51.8%~74.0%.加硒降低了土壤溶液、苗期水稻根系和地上部的铅含量以及成熟期水稻根表铁膜、根系和茎中的铅含量.与对照相比,淹水和非淹水下加硒处理使苗期水稻根系铅含量分别降低了5.4%~24.3%和2.7%~61.7%,使成熟期水稻根系铅含量分别降低了56.1%~64.1%和53.8%~63.2%.水稻籽粒中的铅含量在不同处理间无显著差异.因此,水分管理和外源硒的添加显著影响了水稻根系对铅的吸收,而对水稻籽粒对铅的累积无显著影响.