美国佛罗里达州南部一个亚热带人工湿地中植物枯落物的分解外文翻译资料

美国佛罗里达州南部一个亚热带人工湿地中植物枯落物的分解

---Michael J. Chimney

摘要：南佛罗里达水资源管理区已经建成大型治理湿地（雨水处理区（STA）），以在该水进入大沼泽地之前减少农业径流中的总磷浓度。这些系统中营养物质去除和储存的一个重要组成部分是将营养物质结合到水生大型植物中并将这些生物质埋藏在沉积物中。然而，埋葬前植物生物量的分解使养分返回到水柱，并可能降低STA的治疗效率。作为STA性能的生物化学控制研究的一部分，我们进行了夏季（7月 - 9月）和长期（12个月）实验（2月 - 2月），测定了位于佛罗里达州南部的人工湿地中的大型水生植物中主要水体中化学成分的分解速率和释放。平均分解率的排列顺序为：Najas/Ceratophyllum (0.0568 dminus;1)gt; Pistia (0.0508 dminus;1)gt; Eichhornia (0.0191 dminus;1) gt; submerged Typha (0.0059 dminus;1) gt; aerial Typha (0.0008 dminus;1)。夏季分解率一般高于长期实验的速率，这表明温度效应。分解率与凋落物C：N和C：P摩尔比以及纤维素和木质素含量呈负相关，与N和P含量呈正相关。尽管在这些地点的水体无机磷和氮的浓度梯度有所下降，但各采样点之间的分解率没有显着差异。在两个实验结束时，除了香蒲外，所有物种的凋落物中保留的起始P质量相对较少。使用非线性回归导出的一阶分解模型通常具有解释力，即解释方差，与更复杂的递减系数模型相当。根据物种或植物群进行比较时，本研究中检查物种的分解率在公布值范围内。

关键词：大型水生植物、人工湿地、叶凋落物、植物分解、

1.介绍

大沼泽地是世界上最大的淡水湿地之一，受到人类活动的严重影响，富营养化已经发生，主要来自城市和农业的高磷（P）负荷径流（Belanger et al, 1989)。其中，改变区域水文学的养分富集和控制措施很大程度上是造成本地植物和动物群落发生不利变化的原因（Rader and Richardson, 1992; Davis and Ogden, 1994; McCormick et al., 2002; Sklaret al., 2002)。南佛罗里达州水管理区与其他州和联邦机构一起启动了大规模恢复计划，以扭转过去对这个脆弱生态系统的环境破坏。以前用于农业的大片沼泽已被转化为处理湿地， 这些湿地被称为雨水处理区（STA），旨在将农业径流中的总磷浓度降低到不会损害下游大沼泽地的水平（Walker, 1995; Goforth, 2001)。除了STA之外，还计划增建人工湿地，以减少影响基西米河 - 奥基乔比湖沼泽地流域盆地其他部分的径流中的过量营养负荷（USACE and SFWMD, 1999）。

湿地处理是通过各种生物和非生物机制去除营养物质（Kadlec and Knight, 1996 )。 在这些系统中长期养分储存的一个重要组成部分是营养物质进入水生大型植物组织并最终埋藏在沉积物中。相反地，在地下植物组织被埋藏之前的分解将储存的营养物质返回到水柱并可能降低湿地处理效率。总结了植物分解在水生生态系统特别是湿地中养分和其他化学成分循环中的关键作用（Gallagher 1978, Brinson et al. 1981, Polunin 1984 and Webster and Benfield 1986）。

大型水生植物是湿地中大部分有机物生产的原因。这种材料只有一小部分被食草动物消耗掉。相反，它大部分最终进入碎石池作为垃圾，在那里它分解（Brock et al., 1982; Wetzel, 1990; Kuehn et al., 2000)。然而，垃圾可能需要数月到数年才能完全分解。地上和地下植物生产的大部分可以埋藏在沉积物中，从而有助于湿地内的营养固定和调节生态系统水平的能量流失（Richardson and Marshall, 1986; Graneacute;li and Solander, 1988; Davis, 1991)。如前所述，植物生物量的埋藏是处理湿地中营养物质去除和储存的关键过程。量化分解率对于了解水生大型水生植物在水生栖息地功能中的作用至关重要（Howard-Williams and Davies, 1979).

植物分解包括在组织衰老和死亡后发生的所有物理和化学变化，从复杂的有机分子开始并结束于简单的无机元素（Brinson et al., 1981)。所涉及的过程包括：

（1）动物啃食者机械破碎，天气或其他机制；

1. 浸出和/或自溶产生溶解的有机物质；
2. 消化细菌和真菌引起的不稳定和顽固物质。

该地区开展了一项研究和监测计划，以表征湿地生物地球化学的各个方面，如植物分解和营养物去除（Pietro et al., 2006; McCormick et al., 2006)，这将调解STA的表现。本文总结了一项研究的结果，该研究测量了建筑物中大型水生植物化学成分的分解和释放。我们的目标是对这些物种的衰减率进行量化，以用于未来的建模工作，并将我们的结果与公布的其他淡水水生植物的分解率进行比较。

2.方法

2.1.学习区域

这项研究是在大沼泽地养分去除项目（ENRP）中进行的，该项目位于美国佛罗里达州棕榈滩县的一座1544公顷的淡水湿地（2638N，8025W ），这是一个STA的原型（Chimney and Goforth, 2006)。 ENRP建立在以前已经排水和养殖数十年的残留沼泽地沼泽地上;湿地于1994年8月开始处理。

2.2.现场和实验室的方法

对ENRP常见的非木质水生大型水生植物（Typha domingensis Pers. and T. latifolia L.），水葫芦（Eichhornia crassipes，Solms），水生菜（Pistia stratiotes）的地上组织分解速率和通过测量凋落物中植物干物质（DM）损失的沉水水生植物（SAV），该水生植物主要是南部海藻。每个物种的新鲜组织样本从整个细胞中随意挑选的位置收集；我们收集并利用了香蒲的叶子，叶子和茎以及整个凤眼莲和水仙属植物。所有的植物材料都是通过物种复合并风干几天。由于加工材料的体积庞大，我们发现将金鱼藻与Najas分离是不切实际的。因此，这两种植物被视为单一的“物种”。此外，由于其叶和茎的易碎性，不可能除去附着在这些植物上的附生植物。 然而，与SAV的生物量相比，附生生物量非常小。将大约10-20g的单个物种（大平均值和SE：13.4plusmn;0.2g）的风干垃圾放入由（20cmtimes;20cm; 3mm网目）构造的垃圾袋中。使用前，香蒲叶首先切成10厘米长的部分。将每种物种的干燥的垫料的子样品在60℃烘箱干燥最少48小时，然后在85-90℃恒温干燥。在实验开始时，使用风干：烘干重量比来计算每个垃圾袋中植物材料的烘干的DM。将垃圾袋放回位于沿着下游纵向横切的细胞中的三个位置。由于植物在收集后进行复合，所以放置在每个孵化场的植物材料不是仅从该位置获得的。

所有凤眼莲，水珠和SAV垃圾袋均在水下孵育。一套香蒲垃圾袋也被淹没（淹没香蒲），而另一套垃圾袋附着在水面上方的PVC杆上以模拟静置物质（空中香蒲）的分解。一个分解实验从1996年2月至1997年2月（长期实验）运行，在此期间，从所有地点在第0,52,122,173和360天收集每个物种的一式三份的垃圾袋（在我们孵化场附近冲洗香蒲岛的部分并在实验结束时干扰了一些垃圾袋; 360天没有淹没香蒲垃圾袋）。第二次实验是在1996年7月至12月的相同台站（夏季实验）进行的，使用相同的协议，但没有部署空中香蒲垃圾袋。在第0,7,19,21,35,56和146天收集本实验期间每种物种的三份垃圾袋。将来自两个实验的垃圾袋返回到实验室，在该实验室中小心去除植物材料，用去离子水，烘箱 - 如上所述干燥至恒重并称重。环境水温在一个地点连续测量。作为该区整个ENRP进行的水质监测的一部分。 水质样品每隔两周在分离细胞与缓冲液细胞和细胞分离的上层和下层堤坝中收集并根据标准方法分析可溶性反应性P（SRP），亚硝酸盐 硝酸盐-N（NO）和氨-N（NH）。

将每个垃圾袋（1g）的干燥材料样品在植物磨机中磨碎，在60℃下重新干燥至恒重并分析P，氮（N），碳（C）钙（Ca），钾（K），纤维素和木质素对帐篷。使用Fision NA1500测量氮和碳氮-硫元素分析仪。磷是通过首先消化50毫克的材料子样品进行测量浓硝酸，然后用终止于210℃的逐渐升高的温度用高氯酸消化（Plumb, 1981; COE 3-227），然后按照标准方法分析溶液中的P（APHA，1998; 4500PF）。通过原子吸收分光光度法在酸消解的子样品中测量钙和K（USEPA, 1998; 7140 and 7610, respectively）。在子样品中测量纤维素和木质素含量，所述子样品首先在酸性去污剂（20g溶解于1L的1.0NHSO中的十六烷基三甲基溴化铵）中煮沸并且过滤以去除酸溶性蛋白质和其他不稳定细胞成分（AOAC，1990; 973.18）。 有时，在垃圾袋中回收的材料不足以分析导致数据缺失的所有化学成分; （1）P，（2）N和C，（3）Ca和K，以及（4）纤维素和木质素，化学分析的优先顺序从最高到最低。

2.3.数据分析

使用SAS（Release 8.2, SAS Institute Inc., Cary, NC）或SigmaPlot（Version 8.0, SPSS Inc., Chicago, IL）计算所有统计。所有数据在分析前都进行对数转化。重要性水平在所有情况下保持在0.05。事后分离测试使用HSD测试，当ANOVAs显着时，使用协方差分析程序测试台站之间的分解率差异（即台站效应）（Zar, 1999, p. 369).利用两种不同的指数衰减模型，凋落物分解速率计算为各物种的剩余DM的百分比曲线的斜率：简单的rstorder模型（Jenny et al., 1949; Olson, 1963)和递减系数模型（Godshalk and Wetzel, 1978c)。 一阶模型假设垃圾随着时间的推移以不变的速率分解，通常采取如下形式：W= We-kt(1)其中t是时间（d），W在时间t相对于实验开始时剩余的垫料DM（％），W在时间0的初始垫料DM（定义为100％），e是自然对数的基础，k是分解速率系数（d）。 一阶模型的模型参数以两种方式估算，即log（W）的线性t与t和方程的非线性回归。使用非线性回归导出的一阶分解率被称为k以将它们与使用线性t对数转换数据获得的k值区分开来。 在递减系数模型中，凋落物分解速率不是恒定的，而是随时间呈指数下降：k = ae-BT(2)Brock et al. (1985b) 为方程提供了分析解决方案。具有指数式递减的分解速率系数：W= Wexp其中a是实验开始时的分解速率（t = 0），b是k随时间变化的速率。（a）模型的统计显着性，（b）模型的解释能力，即W的变异量，由模型（r（c）Y截距（W）在时间0（100％）预测凋落物有多密切。如果模型没有准确地预测0时刻的初始凋落物，则可能不适合描述数据，并且分解速率之间的比较是可疑的（再次和郎1982).在每个实验开始时存在的50％凋落物分解所需的时间，即凋落物半衰期（t）。(4)每个采集日的垃圾中P，N，C，Ca和K的质量表示为相对于实验开始时垃圾袋中初始质量的百分比（质量％）：CDMMt =CDM(5)其中M是时间t时的组分质量％（％），C是时间0时枯枝落落物的组成含量（mg kg），C ，DM时间0时的垫料干重（kg）和DM时间t时的垫料干重（kg）。

我们编制了淡水生境中非木质大型水生植物地上组织的一级分解率（k值）（附录A) 从文献来源和数据库开发而来（ Webster and Benfield 1986 ）。我们发现大多数作者使用log转换DM或无灰DM数据的线性回归得到植物凋落物的分解率。在采用不同模型的情况下，我们使用表格中报告的log转化生物量数据的线性回归或扫描数据图数字化来计算一阶k值。

3.结果

3.1.垃圾分解

在这项研究中，凋落物分解率大不相同。在这两个实验中，Pistia和SAV都迅速分解。 这些物种的初始生物量只有22-26％在夏季实验的第56天保持不变，而在长期实验的第52天仍然不到10％。相反，香蒲是最能抵抗衰减的物种。在夏季实验结束时（第146天），水中香蒲凋落物的百分之三十仍然存在，而水中和空气中香蒲凋落物分别有47％和77％仍然存在于长期实验结束时（第360天为天竺香蒲和水中香蒲173天）。 凤眼莲丢失的数量介于这两个极端之间; 在这两个实验结束时，这个物种的起始生物量只剩下13％。由k值计算的凋落物半衰期为最快速分解物种，SAV和Pistia，范围从11至15天（表格1）。 相反，基于k值的最长半衰期是淹没香蒲（97和146天）和空中香蒲（881天）。所有的一阶分解模型（方程(1))（除了Pistia（夏季实验）和SAV和Pistia（长期实验））的线性回归导出的大多数一阶模型具有统计显着性（使用非线性回归和通过log - 转化数据（除了Pistia（夏季实验）表格1）。 一般来说，通过非线性回归得出的模型占了对于W中的更多变化和或具有接近100％的Y截距。 在长期实验和SAV，凤眼莲和水锈中，对分解速率的影响（仅评估k值）对于所有物种均不显着在夏季实验中。事实上在研究期间细胞中的营养水平纵向下降（上部和下部水层中的中值水柱浓度：SRP：30至10mu;gL; NO：82至9mu;gL; NH：120到96mu;gL），并在随后的生物量和化学成分分

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