白洋淀湿地芦苇全氮含量的季节动态变化

田志富，刘存歧，苏倩，李博，王军霞

(1.河北大学 生命科学学院，河北 保定 071002；

2.中国科学院 生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085)

白洋淀湿地芦苇全氮含量的季节动态变化

田志富1，刘存歧1，苏倩1，李博2，王军霞1

(1.河北大学 生命科学学院，河北 保定 071002；

2.中国科学院 生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085)

为了解湿地植物氮素在各器官中的分布特征，探讨湿地植物组织器官氮含量变化对湿地生态系统氮循环的影响，以白洋淀湿地典型植物芦苇(Phragmitesaustralis)为研究对象，分析了芦苇各部位器官中全氮含量的变化特征.研究结果表明，芦苇地上器官叶片、地上茎和叶鞘的全氮含量随季节变化呈指数下降，在4月份最高，分别为(43.07±2.66 ),(27.40±4.04 ),(20.04±3.10) g/kg；而根状茎则呈先减后增再减的动态变化趋势，最大值出现在8月，为(13.34±5.07) g/kg.芦苇地下器官氮积累量大于地上器官.各月份芦苇叶片氮积累量高于叶鞘全氮含量，根状茎氮积累量高于地上茎.

芦苇；全氮含量；季节变化

湿地被誉为“地球之肾”，湿地植物是湿地生态系统中的重要组成要素，在生态系统平衡中发挥着至关重要的作用.关于湿地植物生理生态的研究已成为当今生态学的热点[1-2].氮是植物生长发育所必需的营养元素之一，也是湿地生态系统生产力最受限制的一种营养元素[3-4].同时氮还是江河、湖泊发生富营养化的主要诱因.湿地大型水生植物能够大量吸收湿地水体中的氮、磷等营养物质[3]，从而抑制水体浮游植物的生长，因此，湿地在治理河流和湖泊富营养化方面发挥着重要作用.近年来，国内外学者对湿地植物氮的积累与分配、生物循环等方面的研究虽然较多[5-9]，但对于典型湿地植物芦苇(Phragmitesaustralis)的研究多注重芦苇对湿地水体氮磷的去除作用[10-12]，而对芦苇各部位器官中氮含量的动态变化特征研究尚不多见.氮是湿地生态系统中非常重要的营养元素，对其累积与分配特征进行研究是研究循环的重要基础，对深入了解湿地生态系统的生态过程和功能极为重要[13].本文研究了白洋淀湿地芦苇各器官全氮含量的季节变化特征，以便为湿地植物在白洋淀湿地生态系统氮素循环中的机理研究提供依据.

1 材料与方法

1.1研究区概况

白洋淀湿地位于河北省中东部(38°43′N～39°02′N，115°38′E～116°07′E)，是华北地区最大最重要的内陆淡水湖泊，对整个华北平原地区的生态健康和环境安全具有不可替代的作用，被誉为“华北之肾”.白洋淀湿地地形复杂，纵横交织的3 700多条沟壕把湖面分割成大小湖泊143个，分布村庄30多个.洪水年水位11.73 m，最大水深5.5 m，平均水深2.84 m，水域面积可达366.0 km2，是华北地区最大的淡水湖泊和淡水湿地[14].年均气温7.3～12.7 ℃[15]，属暖温带大陆性季风气候区.全流域年均降水量为563.7 mm，年内分配不均，7～9月降水量占全年的80%.年均蒸发量1 761.7 mm.研究区土壤为沼泽土，植被以芦苇为主.

图1 白洋淀采样点分布示意Fig.1 Sketch map of sampling sites in Baiyang lake

1.2样品的采集及分析

2009年4月22日、6月23日、8月31日和10月28日于白洋淀芦苇湿地进行样品的采集及测定，设置的3个样地(图1)分别为鸳鸯岛、北田庄和圈头附近的典型芦苇地，每块样地又随机设置3个样方(1 m×1 m).统计各芦苇样方内植株的生长密度，采用收获法收集芦苇地上部分，芦苇地下根状茎的采集利用挖掘法，并将样方内芦苇凋落物一并收集带回实验室进行实验分析.将芦苇样品的叶片、叶鞘、地上茎、根状茎进行分割预处理，再分别烘干称重、粉碎后测全氮含量.

芦苇各器官全氮含量测定采用凯氏定氮法[16].

1.3数据处理与模拟方法

用(平均值±标准差)(n=9)表示白洋淀芦苇器官各时期的氮含量，在Microsoft Office Excel 2007软件上进行回归模拟及绘图.

2 结果与分析

2.1芦苇不同器官全氮含量的季节变化特征

芦苇各部位器官全氮含量季节变化特征见表1.白洋淀湿地中芦苇叶片各季节的全氮含量均为最高，并随植物生长呈指数下降趋势，4月份出现最大值，为 (43.07±2.66 ) g/kg，随后逐步下降，最小值为(14.49±2.40) g/kg，出现在10月份；芦苇地上茎全氮含量同样于4月份出现最大值(27.40±4.04) g/kg，6月份下降至(4.32±1.12 ) g/kg，8月份全氮含量略有回升，最小值同样出现在10月份，为 (2.76±0.65 ) g/kg；芦苇叶鞘全氮含量的最大值也出现在4月份，为 (20.04±3.10) g/kg，但是最小值出现在6月份，为 (8.36±0.89 ) g/kg；芦苇地下根状茎全氮含量的变化则不同于地上各部位器官，6月份出现最小值，为(7.58± 0.26) g/kg，8月份出现最大值，为(13.34±5.07) g/kg.

表1 芦苇各器官全氮含量的季节变化

2.2芦苇不同器官全氮含量的动态模拟

白洋淀芦苇地上不同器官全氮含量随季节变化规律基本一致，均随芦苇生长呈指数下降变化趋势，叶片和地上茎全氮含量(wN)与时间(t)的函数关系为wN=A exp(-Bt)，拟合优度均大于0.7(表2，式中A和B均为常数)，叶鞘全氮含量拟合优度不甚理想，为0.31.芦苇地上部各器官全氮含量最大值均出现在4月份，此时芦苇处于快速生长期，地上器官对氮素需求较大，其后随着芦苇生物量快速增长，各器官全氮含量逐渐降低.6月芦苇趋于成熟，生长减慢，地上部分对氮的需求降低，部分氮素开始向根部转移，导致根状茎全氮含量在8月达到最大值.其后，随着温度降低，叶片、叶鞘和地上茎中的部分氮也开始向地下部转移，为第2年的萌芽生长储存营养物质，故呈现出随时间变化逐步降低的趋势.与地上器官不同，根状茎全氮含量的动态变化总体上呈现先减后增再减的动态变化趋势.利用一元三次方程(wN=Aw3+Bw2+Cw+D)对根状茎全氮含量(wN)与时间(t)的函数关系进行动态模拟，拟合优度为1(表2，式中A，B，C和D均为常数)，6月芦苇根状茎全氮含量出现最小值，其后随着地上部氮素向地下转移，根状茎全氮含量在8月达到最大值，为即将而来的抽穗和第2年的萌芽生长储备营养.

表2 白洋淀湿地芦苇不同器官全氮含量动态模拟模型

2.3白洋淀芦苇不同器官氮积累量的季节动态变化特征

芦苇各器官氮积累量随时间变化趋势如图2.总体表现为根状茎>叶片>地上茎>叶鞘.芦苇各器官氮积累量的最小值均出现在4月，根状茎的最大值(48.31±3.43) g/m2出现在8月；叶片的最大值(11.54±4.20) g/m出现在6月；地上茎的最大值(6.03±3.09) g/m2出现在8月，10月份降至最低；叶鞘氮积累量逐月缓慢上升，在10月出现最大值(3.92±0.65) g/m2.

如图3，芦苇植株氮积累量最小值出现在4月，为 (25.04±3.59) g/m2，最大值出现在8月，为(65.06±10.49 )g/m2，10月下降至接近6月的水平.地上部氮积累量最大值出现在6月，其后逐渐下降.地下部氮积累量最大值出现在8月，10月稍有下降.

图2 芦苇各器官氮积累量的时间变化

图3 芦苇植株氮积累量的季节变化

3 讨 论

3.1芦苇不同器官的全氮含量

氮对蛋白质与核酸等生命活动基础物质的合成与功能发挥起着重要的作用，是植物生长发育所必需的营养元素之一.本实验中白洋淀芦苇全氮含量全年呈现出季节性的动态变化，芦苇各器官在整个生长周期因对氮素的需求不同而进行有效地调节.芦苇地上部分各器官(叶片、地上茎、叶鞘)全氮含量均在4月份出现最大值，因为此时芦苇处于快速生长的初期，对氮素的需求量大；随着植物体快速生长，6～8月份芦苇趋于成熟，对氮素的需求减小，导致全氮含量随时间变化有所降低；10月份芦苇地上器官开始凋零，氮含量降至最低.芦苇地下根状茎作为营养储存器官，在芦苇生长的旺盛期4～6月份为地上器官供给氮素，而在8月份根状茎氮含量出现最大值，原因是芦苇生长季基本上已经结束，芦苇各器官间存在营养物质的转移，即将进入凋谢期的地上器官中氮素开始向地下部分转移.实验结果表明，白洋淀芦苇各器官全氮含量的分布变化符合当地湿地植物的生长、物候规律.白洋淀湿地芦苇各部位器官全氮含量比辽河三角洲盘锦湿地[9]和闽江河口湿地[17]低，比北固山湿地[18]芦苇的全氮含量高，这可能由于不同类型的湿地对氮素的利用率和循环效率不同所致.

3.2芦苇各器官氮积累量

本实验中白洋淀芦苇植株各不同器官氮积累量随季节变化的总体趋势为：根状茎>叶片>地上茎>叶鞘.芦苇地下器官氮积累量高于地上器官.根状茎是芦苇植株生物周期中吸收和储存营养的一个重要器官，其全氮含量随季节变化相对稳定，由于生物量的不断积累，其氮积累量在8月达到最大，之后随着芦苇植株开始抽穗，其氮积累量又有所降低；芦苇叶片是其各种器官的中心，能够灵敏地指示影响光合作用的元素变化，是一个重要的储氮库，其氮积累量在光合作用最强烈的6月达到最大值，随着光合作用减弱，植物由生长期进入繁殖期而逐渐减小；茎起着输送养分的作用，其氮含量的变化将直接影响叶片生长[19].芦苇地上茎与叶鞘的生长晚于叶片，这2种器官的氮积累量最大值均晚于叶片，在8月达到最大值，而后随着营养元素在体内的转移而降低；与辽河三角洲盘锦湿地[9]、闽江河口湿地[17]和北固山湿地[18]相比，白洋淀湿地芦苇地上部氮积累量偏低.

4 结论

白洋淀芦苇中叶片、地上茎和叶鞘全氮含量随季节变化均呈逐步下降趋势，在4月份最高，分别为(43.07±2.66)，(27.4±4.04)，(20.04±3.1) g/kg；而根状茎则呈先减后增再减的动态变化趋势，最大值出现在8月，为 (13.34±5.07) g/kg；叶鞘全氮含量也呈先减后增再减的动态变化.白洋淀芦苇植株各器官氮积累量在生长季的平均值大小依次为根状茎>叶片>地上茎>叶鞘，且芦苇地下器官氮积累量大于地上器官.

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SeasonaldynamicsoftotalnitrogencontentinPhragmitesaustralisofBaiyangdianwetland

TIANZhifu1,LIUCunqi1,SUQian,LIBo2,WANGJunxia1

(1.College of Life Sciences, Hebei University, Baoding 071002, China;

2.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for

Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China)

As the typical vegetation in Baiyangdian wetland,Phragmitesaustraliswas chosen to study the seasonal dynamics of total nitrogen contents in its different organs in order to grasp distribution features of nitrogen in organs of wetland plants and understand their effects on nitrogen recycling in wetland ecosyttem.The results showed that nitrogen contents in leaves, stems and sheaths displayed an exponential decrease over time, and their maximum nitrogen contents happened in April were(43.07±2.66), (27.4±4.04 ), (20.04±3.10) g/kg, respectively.The nitrogen content in rhizomes changed in a “decrease-increase-decease”trend, which the maximum nitrogen content(13.34±5.07) g/kg appeared in August.The nitrogen accumulation in underground organs were higher than those in aboveground organs.Nitrogen accumulation in the leaves were higher than those in the sheaths.Compared to stems, nitrogen accumulation was higher in the rhizomes.

Phragmitesaustralis; total nitrogen; seasonal changes

10.3969/j.issn.1000-1565.2013.01.013

2011-10-20

水体污染控制与治理科技重大专项资金资助项目(2009ZX07209-008-05)；河北省科学技术研究与发展指导计划资助项目(06276905)

田志富(1986-)，男，河北石家庄人，河北大学在读硕士研究生.E-mail:tianzhifu110@126.com

刘存歧(1966-)，男，河北昌黎人，河北大学教授，主要从事水域生态修复方面的研究.E-mail:liucunqi@sina.com

Q948.12

A

1000-1565(2013)01-0063-05

(责任编辑赵藏赏)