植物凋落物分解是湿地生态系统物质循环的重要组成部分,随着全球气候变化的逐渐加剧,气候变暖对湿地植物凋落物分解的影响已引起人们的广泛关注.本研究通过凋落物袋法对比研究了山东省南四湖湿地中芦苇和香蒲两种典型湿地植物的凋落物分解过程,利用开顶式生长室(Open-top Chamber,OTC)模拟了大气增温(2.0±0.5)℃-(4.0±0.5)℃对凋落物分解特征和细菌群落的影响.结果显示,增温显著加速了两种植物凋落物的分解速率,而木质素/氮(Lignin/N)、纤维素/氮(Cellulose/N)是影响凋落物分解速率的重要因子,与分解速率呈显著负相关.增温显著增加了细菌群落的丰度和多样性,碳是厚壁菌门(Firmicutes)等细菌丰度变化的驱动因子,而木质素、木质素/氮是拟杆菌门(Bacteroidota)等细菌丰度变化的驱动因子.细菌群落共现网络显示,在增温条件下,凋落物分解的细菌群落网络主要由共生关系组成.气候变暖提高了细菌之间的相互关系和互惠程度,加快了植物凋落物的分解进程,进而影响了湿地生态系统的碳收支平衡.

以乌梁素海湖滨植被带建群植物—芦苇(Phragmitis australis)的凋落物为研究对象,基于野外分解袋法对芦苇凋落物进行分解实验,通过混合演化算法(HEA)建模.旨在揭示和预测芦苇凋落物在湖水中的分解过程,并结合阈值和敏感性分析,探讨凋落物分解释放的氮、磷元素与环境影响因子之间的关系.研究结果表明:(1)混合演化算法的最佳模型预测值与实际测量值之间拟合度高(r2=0.90-0.99),质量损失模型(ML-model)的拟合效果最好(r2=0.99).(2)芦苇凋落物的质量损失(ML)随水温(WT)增高而增加;凋落物中的N元素先累积后释放,且pH较低(pH＜8.326)时,促进N元素释放;凋落物中的P元素在整个过程中以释放为主,且WT较高(WT＞=16.978 ℃)时,凋落物中P元素与溶解氧(DO)呈负相关;WT较低时,P元素与WT呈负相关.进一步证明,混合演化算法模型能够模拟和预测湖泊芦苇凋落物水中分解过程,识别和量化凋落物分解与环境因子的生态关系和阈值数据,可为浅水草型湖泊内源污染防治提供理论支撑.

该研究以桂林会仙喀斯特湿地典型芦苇植物群落土壤为对象,研究了土壤氮含量的季节动态变化特征,探讨了土壤氮对水热季节变化的响应趋势.结果表明:土壤有机氮在全氮中所占比例较大,0~10 cm土层的全氮与0~10 cm和10~20 cm土层的速效氮季节变化特征一致,表现为夏季>秋季>春季>冬季;10~20 cm和20~30 cm土层的全氮和有机氮均表现为春季>夏季>秋季>冬季.0~10 cm土层的有机氮和10~20 cm土层的速效氮变化趋势一致,表现为秋季>夏季>春季>冬季.各层土壤硝态氮呈现出先升高后降低的单峰曲线变化趋势,均表现为夏季>春季>秋季>冬季,并与铵态氮0~10 cm和10~20 cm土层的季节变化趋势相一致.20~30 cm土层的铵态氮与0~10 cm和20~30 cm土层的土壤微生物量氮含量时间动态一致,均表现为春季>秋季>夏季>冬季,10~20 cm土层的微生物量氮表现为秋季>春季>夏季>冬季的趋势.土壤铵态氮含量明显高于硝态氮,各层土壤铵态氮含量基本呈现出不规则"M"形的双峰曲线变化.会仙喀斯特湿地典型芦苇植物群落不同土层土壤各形态氮含量的动态特征对水热变化的季节响应差异较大,不同月份之间有所不同,但均在冬季含量最低,与月均气温和月均降雨量的变化关系表现为不完全的同步趋势.土壤氮含量季节变化特征的差异主要与气温、水分条件、不同生长期芦苇吸收利用、土壤有机碳、凋落物养分的归还以及有机氮矿化等影响有关.该研究结果为桂林会仙喀斯特国家湿地公园生态功能恢复与可持续发展利用提供了科学依据.

无齿螳臂相手蟹(Chiromantes dehaani)是长江口盐沼湿地大型底栖动物的优势物种,其食性及行为特征对区域生态系统结构与功能的维系具有重要作用.在崇明北滩盐沼湿地取样调研的基础上,通过胃含物分析与室内喂食实验,分析了无齿螳臂相手蟹的食性及其影响因子.结果表明:植物叶片是无齿螳臂相手蟹的主要食物来源,沉积物次之;其对不同叶片的取食量有着明显的差异,具体表现为对芦苇嫩叶的取食量最高,占35.7％,对芦苇凋落叶片的取食量最少,占6.8％;不同样地间不同性别无齿螳臂相手蟹的食物组成也有明显的差异;在野外情况下,无齿螳臂相手蟹对植物的取食受其自身体重、壳宽、螯高的影响较大;室内投喂情况下,无齿螳臂相手蟹对新鲜芦苇嫩叶存在明显的取食偏好(P＜0.05),其对芦苇嫩叶的取食偏好受其性别的影响较大,而对芦苇凋落叶片的取食偏好受壳宽、体重、螯高的影响较大.无齿螳臂相手蟹的食性具有一定偏好,受食物及其自身生长特征等多种因素的影响.

凋落物分解速率及其温度敏感性Q10能够影响凋落物对土壤的碳归还及其对全球变暖的响应.然而,凋落物有机碳质量对凋落物分解及其温度敏感性的影响研究仍不充分.以黄河三角洲芦苇(Phragmites australi)为例,通过凋落物袋法、室内模拟实验及固态13C核磁共振技术,研究有机碳质量对凋落物分解及其温度敏感性的影响,探讨预测凋落物分解及其温度敏感性的指标.结果 表明:(1)随着凋落物分解,易分解碳组分(烷氧碳、双烷氧碳)相对含量逐渐降低,而难分解碳组分(芳香碳)相对含量显著增加,疏水碳/亲水碳、芳香碳/烷氧碳比值逐渐增大,凋落物有机碳更加稳定,凋落物呼吸速率及失重率呈下降趋势.(2)凋落物失重主要受烷基碳、烷氧碳相对含量及C/N的影响,凋落物CO2累积释放量主要受烷氧碳及双烷氧碳相对含量的影响.羰基碳相对含量可以用来解释Q10的变异.因此,相对于生态化学计量比,烷基碳、烷氧碳、双烷氧碳、羰基碳相对含量是预测凋落物分解及其温度敏感性的敏感性指标.

通过室内培养试验和三维荧光光谱技术(3D-EEMs),开展了胶州湾滨海湿地碱蓬、芦苇和互花米草的分解对土壤有机碳矿化的影响研究.结果 表明,凋落物的添加提高了土壤有机碳矿化速率和累积矿化量,具体表现为碱蓬＞互花米草＞芦苇＞空白对照;乘幂曲线模型能较好地描述有机碳矿化速率和累积矿化量的变化趋势.光谱分析表明,分解过程中类蛋白荧光强度始终大于类腐殖酸荧光强度;利用荧光区域积分进行定量分析表明,不同处理下类蛋白质物质占比最高,类腐殖质物质次之;荧光参数表明,土壤有机碳的芳香化程度在培养期间先升高后降低.凋落物分解通过增加土壤中的营养物质,提高了土壤中微生物活性,从而改变了土壤有机碳的结构和化学组分,且凋落物的植被特征决定了其对土壤有机碳矿化影响程度的大小.

土壤有机碳是土壤质量和健康的重要指标,其来源是根系和凋落物,了解土壤有机碳的分布格局及土壤有机碳密度、储量与细根、凋落物的关系,是深入理解荒漠生态系统碳循环过程的关键.以新疆三工河流域的骆驼刺(Alhagi sparsifolia)、沙枣(Elaeagnus angustifolia)、多枝柽柳(Tamarix ramosissima)、芦苇(Phragmites australis)、梭梭(Haloxylon ammodendron)等5种荒漠群落为研究对象,采用连续土钻取样法和土柱法,研究土壤有机碳的密度、储量和细根、凋落物对土壤有机碳的补充.结果表明,随着土层深度的增加,5个群落的土壤有机碳含量均呈逐渐降低的趋势,最大值均出现在0-5 cm土层;5个群落的土壤有机碳密度和0-100 cm土壤有机碳储量分别为3.19 kg/m2、306.87g/m2,土壤有机碳的总储量为5.13x 105t.5个群落的凋落物年产量为10.10-79.78 g/m2,通过分解每年补充的土壤有机碳为0.44-9.53 g/m2,占土壤有机碳储量的0.21％-3.94％.5个群落的细根周转速率为1.41-1.98次/年,通过分解每年补充的土壤有机碳为6.31-44.12 g/m2,占土壤有机碳储量的2.25％-20.90％,是凋落物贡献的2.09-2.58倍.可见,细根和凋落物对土壤有机碳库的积累起关键作用,细根较凋落物对土壤有机碳的贡献更大.

立枯是凋落物分解的重要阶段,也是湿地生态系统碳循环的重要组成部分.水溶性有机碳(DOC)是凋落物分解产物之一,对湿地生态系统碳循环起着至关重要的作用.目前研究多侧重叶凋落物在地表分解过程中DOC含量及质量变化,对立枯分解过程叶及非叶器官(如茎、鞘等)DOC含量及质量的研究鲜见报道.本研究以黄河三角洲典型植被——芦苇(Phragmites australis)为例,以凋落物地表分解为参照,研究不同器官(叶、茎、鞘)立枯凋落物DOC含量及质量的变化.结果表明:(1)立枯凋落物DOC含量高于或等于地表同类型凋落物,最高相当于地表凋落物的1.64倍.立枯凋落物DOC的E2/E3值高于地表凋落物,C∶C值低于地表凋落物;(2)叶凋落物DOC含量高于非叶器官,分别是茎、鞘凋落物DOC含量的1.28～2.49、1.02～1.57倍.叶凋落物DOC的SUVA254、C∶C值高于非叶器官,E2/E3值低于非叶器官.综上,从分解界面角度看,立枯凋落物DOC含量不低于地表,且其质量较高;从凋落物类型角度看,非叶器官凋落物DOC含量虽低于叶,但其质量高于叶.表明立枯及非叶器官DOC释放在芦苇凋落物分解过程中具有重要地位.因此,应注重立枯及非叶器官凋落物的分解研究,以期深入理解滨海湿地生态系统碳循环过程,对正确评价滨海湿地生态系统碳收支及其对全球气候变化的影响具有重要意义.

冬季刈割是常见的芦苇管理方式,但刈割对不同地区的群落结构和生长的影响各异.设置2种冬季刈割方式——刈割+移除凋落物(MN)、刈割+不移除凋落物(MY),探究冬季刈割对黄河三角洲芦苇群落多样性、芦苇群落性状、单株性状和功能性状可塑性的影响,以期为该区芦苇资源管理提供依据.结果表明:冬季刈割对芦苇群落多样性影响不显著,但导致株高、茎粗、叶长、叶宽、叶面积、单叶质量、总叶质量和总质量等单株性状显著降低.刈割处理下,芦苇呈现矮小化趋势,但密度有所提高而群体生物量未显著变化,说明群落性状的变化可能是个体性状与群体密度之间的权衡所致.MN处理下芦苇单株性状的可塑性指数高于MY处理,且密度、生物量均相对较低.兼顾火灾安全隐患消除和芦苇复壮的考虑,刈割后移除地上部是较好的管理方式.

稳定碳同位素技术能够指示生态系统的物质循环与能量流动,根据生态系统碳转移动态,可以探明生态系统中碳循环过程和固碳能力.以科尔沁沙地半流动沙丘固沙植被差巴嘎蒿(Artemisia halodendron)、半流动半固定沙丘固沙植被小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)和黄柳(Salix gordejevii Chang),以及在草甸地广泛分布的芦苇(Phragmites australis)与玉米(Zea mays Linn)5种典型植被为研究对象,分析了各植被群落冠层处大气、叶片、凋落物、土壤连续体的δ13C值和碳含量的分布特征及各组分间的关系.结果表明:沙丘植被冠层处大气CO2浓度显著低于草甸植被,受控于土壤水分特征和植物生长特性.在逆境胁迫下,小叶锦鸡儿叶片水分利用效率最高,固碳耗水成本最低.叶片碳含量和δ13C值均受叶片生育期的影响,新叶片潜在碳蓄积能力更强,水分利用效率更高.叶片凋落物δ13C值在不同植被间存在显著差异,说明了植物功能性的驱动作用.随着土壤深度的增加,有机质分解彻底,土壤有机碳含量减小,δ13C值呈偏正的趋势.沙丘土壤δ13C值高于草甸,沙丘土壤有机碳周转速率高于草甸,土壤类型对有机碳周转影响较大.有助于深入理解沙地-草甸相间地区碳循环关键过程,为荒漠化治理提供理论依据.