【作者】 邓志民
【关键词】 鄱阳湖湿地 生物量 景观格局 苔草 生态水文 同位素水文学 水化学特征
【导师姓名】张翔
【学位名称】博士
【学位年度】2014
【授予单位】武汉大学
【分类号】 P343
【录入时间】2017-05-14
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【摘要】鄱阳湖是我国第一大淡水湖和国际重要湿地,也是亚洲最大的越冬候鸟栖息地,受到广泛的国际关注。鄱阳湖水位涨落变化,受“五河”来水和长江来水相互交换作用的影响,近年来,由于高强度人类活动和长江水位受三峡水库蓄水等因素的影响,鄱阳湖出现了出湖水量增加、入湖水量不断减少、低水位提前并持续时间延长、湿地退化、生物多样性锐减和水质恶化等现象,引起了社会的广泛关注。联系土壤-植被-大气的生态水文过程机理研究是湿地保护研究的科学前沿,对湿地植被的恢复具有重要的科学意义。鄱阳湖面临的湖泊水文过程变化和湿地退化等严峻的实际问题,迫切需要通过深入研究鄱阳湖湿地生态水文过程,揭示鄱阳湖湿地土壤-植被-大气传输机理,为合理制定鄱阳湖湿地保护措施提供科学依据。本文以鄱阳湖国家级自然保护区湿地为研究对象,针对变化环境下鄱阳湖湿地植被变化及关键生态水文过程的机理等科学问题,采用数据分析、野外取样、桶栽实验和稳定同位素分析等方法,深入研究了鄱阳湖湖泊水位变化及鄱阳湖湿地植被变化的规律,探索了优势种苔草生长对土壤水分的响应规律和湿地大汽水-植被水-土壤水关系及植被水分利用效率等问题,主要研究成果包括：1.鄱阳湖水文情势与湿地变化特征分析利用Mann-Kendell检验和标准化降水指数(SPI)研究了鄱阳湖代表性水文站——星子站降水变化特征,指出鄱阳湖1951～2006年星子站降水量总体上呈微弱的增大趋势,且经历多次的旱涝变化,从1958年-1969年出现较为严重的干旱,1977年下半年-1978年上半年出现了极端干旱事件,从1998年～2006年呈现出由涝转旱的趋势。利用Mann-Kendell检验和小波分析研究星子站水位变化趋势,指出鄱阳湖星子站1963-2009年年平均水位呈下降趋势,下降率为0.73m/l0a。其中,冬季水位下降倾向率最大,春季水位最小。水位在19a以上尺度,周期规律非常明显,表现为高-低两个循环交替,2002年以前水位偏高,2003-2009年水位偏低,且在2009年水位偏低的等值线还未闭合,表明水位降低的趋势还将继续。近20年来,鄱阳湖水位波动剧烈,年最高水位和年最低水位均呈现下降趋势,下降速率分别为1.83m/l0a和0.66m/l0a。年内高水位持续时间逐渐缩短、低水位持续时间逐渐增长。采用Landsat-TM遥感影像,应用ENVI软件对影像数据进行校正、配准、裁剪等预处理,并采用人机交互解译的方法分析了鄱阳湖湿地景观格局,得出1991-2009年秋冬季水体所占的百分比总体上呈现下降的趋势,水域面积每年以2.03%的速度在缩减,然而茂密草滩每年以1.01%的速度在扩张。对鄱阳湖国家湿地自然保护区主要离子组成进行分析,得出鄱阳湖水体阳离子主要以Ca2+为主,阴离子以SO42-、Cl为主。鄱阳湖湿地保护区水环境特征：pH值变化范围为5.22-7.43,属酸性至弱碱性；河水和地下水的电导率介于59.7-167.5μs/cm；溶解氧平均值大小依次为：修水赣江井水地下水；氧化还原电位的大小依次为：修蚌地下水修水井水赣江2.鄱阳湖湿地植被苔草对干旱的响应机制在导致植被演变的诸自然因素之中,水位的涨落变化始终居于主导地位。以鄱阳湖湿地优势群落灰化苔草为实验对象,设置了两种实验方案,分析其对土壤水分胁迫的适应特征。一种方案是设置两种土壤水分情景,分别为湿润和干旱状态,研究结果表明：实验期内,湿润苔草生长高度总平均值(各实验池苔草所有测量高度的算术平均值)大于干旱状态下的,分别为38.2cm和36.7cm；土壤体积含水量高,苔草生长长势相对较好。另一种方案是在第一种方案的基础上,增设多种干旱等级,研究苔草在不同干旱等级下响应机制,结果显示：试验期内苔草高度平均值为湿润轻旱重旱特旱中旱,补水后苔草长势随着干旱程度的加剧而迅速回升；以苔草湿润状态下生物量(鲜重)为参考标准,轻旱、中旱和特旱的生物量(鲜重)分别是湿润状态下的97.26%、99.53%和87.95%；不同干旱情景下苔草净光合作用强烈程度依次为重旱特旱湿润中旱轻旱；总体上苔草蒸腾速率随着干旱程度的加剧呈下降趋势；苔草水分利用效率总体上随着干旱程度的加剧呈增大趋势。3.鄱阳湖湿地土壤-植被-大汽水中氢氧稳定同位素组成特征(1)采用同位素技术,分析了鄱阳湖湿地吴城镇降水中氢氧稳定同位素变化特征,建立了吴城镇大气降水线方程：δD=8.99δ180+11.52,其斜率及截距均大于全球大气降水线的,表明该地区具有湿润多雨的气候特点。(2)对鄱阳湖湿地三个断面土壤水同位素进行分析,结果表明三个断面的蒸发作用均小于全球蒸发平均值,降水和蒸发是控制该断面土壤水同位素组成的重要因素,且蒸发作用在该研究区域所影响的深度约为60cm。土壤表层覆盖物可能对近地表的土壤物理环境具有巨大的影响,特别是在土壤深度40cm以上。不同的覆盖物对土壤水蒸发的抑制强度不同。分析了鄱阳湖湿地两个断面(断面一和断面二)植被水中氢氧稳定同位素对降水的响应,结果表明植被水分中氢氧同位素组成可能受雨水的影响。进一步分析了土壤水-河水-植被水-大汽水氧同位素分布特征,结果显示植物水与降水的氧同位素值相接近,表明植物利用近期的降水作为主要水源,而非河水或土壤水。4.鄱阳湖湿地土壤-植被中碳氮稳定同位素组成特征分析了鄱阳湖湿地土壤中碳氮同位素组成特征,结果表明土壤有机质的δ13C值与δ15N值呈弱负相关关系,说明该地区土壤有机质有多种来源。表层土壤δ13C值明显低于深层的,表明有机质分解过程中发生了同位素的分馏。对鄱阳湖湿地优势种植被碳同位素组成进行分析,结果表明优势种植被δ13C值变化范围为-14.19%o～-33.42%0,平均值为-25.46‰。不同植物的δ13C值存在明显的差异,故它们的水分利用效率也存在显著的差异。南荻的δ13C值最高,表明其具有最高的水分利用效率,其次是虉草,苔草、芦苇和藜蒿的δ13C值相接近,其值均较低,表明它们的水分利用效率相接近且较低,其中苔草的δ13C值最低,表明苔草水分利用效率最低,故在水分受限状况下,苔草竞争能力最弱。降水量不是影响或控制该地区植被δ13C值的主要因子。...
【全文】鄱阳湖是我国第一大淡水湖和国际重要湿地,也是亚洲最大的越冬候鸟栖息地,受到广泛的国际关注。鄱阳湖水位涨落变化,受“五河”来水和长江来水相互交换作用的影响,近年来,由于高强度人类活动和长江水位受三峡水库蓄水等因素的影响,鄱阳湖出现了出湖水量增加、入湖水量不断减少、低水位提前并持续时间延长、湿地退化、生物多样性锐减和水质恶化等现象,引起了社会的广泛关注。联系土壤-植被-大气的生态水文过程机理研究是湿地保护研究的科学前沿,对湿地植被的恢复具有重要的科学意义。鄱阳湖面临的湖泊水文过程变化和湿地退化等严峻的实际问题,迫切需要通过深入研究鄱阳湖湿地生态水文过程,揭示鄱阳湖湿地土壤-植被-大气传输机理,为合理制定鄱阳湖湿地保护措施提供科学依据。本文以鄱阳湖国家级自然保护区湿地为研究对象,针对变化环境下鄱阳湖湿地植被变化及关键生态水文过程的机理等科学问题,采用数据分析、野外取样、桶栽实验和稳定同位素分析等方法,深入研究了鄱阳湖湖泊水位变化及鄱阳湖湿地植被变化的规律,探索了优势种苔草生长对土壤水分的响应规律和湿地大汽水-植被水-土壤水关系及植被水分利用效率等问题,主要研究成果包括：1.鄱阳湖水文情势与湿地变化特征分析利用Mann-Kendell检验和标准化降水指数(SPI)研究了鄱阳湖代表性水文站——星子站降水变化特征,指出鄱阳湖1951～2006年星子站降水量总体上呈微弱的增大趋势,且经历多次的旱涝变化,从1958年-1969年出现较为严重的干旱,1977年下半年-1978年上半年出现了极端干旱事件,从1998年～2006年呈现出由涝转旱的趋势。利用Mann-Kendell检验和小波分析研究星子站水位变化趋势,指出鄱阳湖星子站1963-2009年年平均水位呈下降趋势,下降率为0.73m/l0a。其中,冬季水位下降倾向率最大,春季水位最小。水位在19a以上尺度,周期规律非常明显,表现为高-低两个循环交替,2002年以前水位偏高,2003-2009年水位偏低,且在2009年水位偏低的等值线还未闭合,表明水位降低的趋势还将继续。近20年来,鄱阳湖水位波动剧烈,年最高水位和年最低水位均呈现下降趋势,下降速率分别为1.83m/l0a和0.66m/l0a。年内高水位持续时间逐渐缩短、低水位持续时间逐渐增长。采用Landsat-TM遥感影像,应用ENVI软件对影像数据进行校正、配准、裁剪等预处理,并采用人机交互解译的方法分析了鄱阳湖湿地景观格局,得出1991-2009年秋冬季水体所占的百分比总体上呈现下降的趋势,水域面积每年以2.03%的速度在缩减,然而茂密草滩每年以1.01%的速度在扩张。对鄱阳湖国家湿地自然保护区主要离子组成进行分析,得出鄱阳湖水体阳离子主要以Ca2+为主,阴离子以SO42-、Cl为主。鄱阳湖湿地保护区水环境特征：pH值变化范围为5.22-7.43,属酸性至弱碱性；河水和地下水的电导率介于59.7-167.5μs/cm；溶解氧平均值大小依次为：修水赣江井水地下水；氧化还原电位的大小依次为：修蚌地下水修水井水赣江2.鄱阳湖湿地植被苔草对干旱的响应机制在导致植被演变的诸自然因素之中,水位的涨落变化始终居于主导地位。以鄱阳湖湿地优势群落灰化苔草为实验对象,设置了两种实验方案,分析其对土壤水分胁迫的适应特征。一种方案是设置两种土壤水分情景,分别为湿润和干旱状态,研究结果表明：实验期内,湿润苔草生长高度总平均值(各实验池苔草所有测量高度的算术平均值)大于干旱状态下的,分别为38.2cm和36.7cm；土壤体积含水量高,苔草生长长势相对较好。另一种方案是在第一种方案的基础上,增设多种干旱等级,研究苔草在不同干旱等级下响应机制,结果显示：试验期内苔草高度平均值为湿润轻旱重旱特旱中旱,补水后苔草长势随着干旱程度的加剧而迅速回升；以苔草湿润状态下生物量(鲜重)为参考标准,轻旱、中旱和特旱的生物量(鲜重)分别是湿润状态下的97.26%、99.53%和87.95%；不同干旱情景下苔草净光合作用强烈程度依次为重旱特旱湿润中旱轻旱；总体上苔草蒸腾速率随着干旱程度的加剧呈下降趋势；苔草水分利用效率总体上随着干旱程度的加剧呈增大趋势。3.鄱阳湖湿地土壤-植被-大汽水中氢氧稳定同位素组成特征(1)采用同位素技术,分析了鄱阳湖湿地吴城镇降水中氢氧稳定同位素变化特征,建立了吴城镇大气降水线方程：δD=8.99δ180+11.52,其斜率及截距均大于全球大气降水线的,表明该地区具有湿润多雨的气候特点。(2)对鄱阳湖湿地三个断面土壤水同位素进行分析,结果表明三个断面的蒸发作用均小于全球蒸发平均值,降水和蒸发是控制该断面土壤水同位素组成的重要因素,且蒸发作用在该研究区域所影响的深度约为60cm。土壤表层覆盖物可能对近地表的土壤物理环境具有巨大的影响,特别是在土壤深度40cm以上。不同的覆盖物对土壤水蒸发的抑制强度不同。分析了鄱阳湖湿地两个断面(断面一和断面二)植被水中氢氧稳定同位素对降水的响应,结果表明植被水分中氢氧同位素组成可能受雨水的影响。进一步分析了土壤水-河水-植被水-大汽水氧同位素分布特征,结果显示植物水与降水的氧同位素值相接近,表明植物利用近期的降水作为主要水源,而非河水或土壤水。4.鄱阳湖湿地土壤-植被中碳氮稳定同位素组成特征分析了鄱阳湖湿地土壤中碳氮同位素组成特征,结果表明土壤有机质的δ13C值与δ15N值呈弱负相关关系,说明该地区土壤有机质有多种来源。表层土壤δ13C值明显低于深层的,表明有机质分解过程中发生了同位素的分馏。对鄱阳湖湿地优势种植被碳同位素组成进行分析,结果表明优势种植被δ13C值变化范围为-14.19%o～-33.42%0,平均值为-25.46‰。不同植物的δ13C值存在明显的差异,故它们的水分利用效率也存在显著的差异。南荻的δ13C值最高,表明其具有最高的水分利用效率,其次是虉草,苔草、芦苇和藜蒿的δ13C值相接近,其值均较低,表明它们的水分利用效率相接近且较低,其中苔草的δ13C值最低,表明苔草水分利用效率最低,故在水分受限状况下,苔草竞争能力最弱。降水量不是影响或控制该地区植被δ13C值的主要因子。