铜尾矿自然生态恢复过程中优势植物白茅的营养生态学研究

摘要

作为世界广布的植物类群，禾本科植物的多数种类对不良物理化学性质、极端pH值与营养贫瘠等特征的尾矿基质具有较强耐受性，成为铜尾矿原生演替草本植物阶段的主要优势植物类群。本研究试图以铜尾矿自然生态恢复草本植物阶段的优势植物白茅(Imperatacylindrica(Linn.) Beauv.）为主要实验材料，探究其成为该阶段优势植物种群的营养生态学策略及其生长代谢过程对尾矿基质营养状况的改良作用机理。本研究主要内容包括：
　　⑴样地调查与植物形态构件特征分析表明，铜尾矿基质的养分及其它理化性质均存在较大的空间异质性，白茅的地上克隆分株的数量和地下茎长度随微生境中的总氮(r=0.513，p＜0.05;r=0.687，p＜0.01)和有效磷(r=0.695，p＜0.01; r=0.486，p＜0.05)含量增加而显著增加。然而，不同营养条件微生境中的白茅根茎内养分却并不存在显著差异(p＞0.05)。这说明根状茎型植物白茅可通过牺牲其生理可塑性为代价来增加其形态可塑性，将更多的幼根分布在远离母株的不同的生境中，以提高对环境选择压力的生态适应性，实现其在贫瘠尾矿生境中对养分及其它生存必需条件的寻觅和吸收。
　　⑵白茅根系活动对根际磷动态影响研究表明，白茅及其它5种常见伴生植物的生长活动能有效降低根际pH值约0.16-1.40个单位，根际中各形态无机磷和有机磷含量与无植被尾矿之间存在显著差异(p＜0.05)，根际中碱性磷酸酶活性显著高于无植被尾矿(p＜0.05)。根际中2钙结合态、铝结合态和铁结合态无机磷的含量均被显著提高86.56％-147.58％、5.46％-88.86％和49.22％-214.20％。2钙结合态、铝结合态和铁结合态无机磷的含量与pH值均表现为显著负相关性(r=-0.586，p＜0.01;r=-0.487，p＜0.05;r=-0.417，p＜0.05)。在本研究中，豆科植物马棘表现出最强的增加根际有效磷含量的特性，禾本科植物中白茅对根际有效磷相对含量的提高效率最高。
　　⑶白茅根系活动对根际无机氮动态影响研究表明，白茅及其它5种常见伴生植物的生长代谢活动有效的增加了基质氮养分的总量和有效态含量。根际中无机氮和总氮的含量均明显高于无植被尾矿(p＜0.05);白茅等禾本科植物根际中各形态无机氮所占总氮的比例均高于其常见伴生植物，其中硝态氮所占总氮的比例显著高于豆科植物马棘(p＜0.05)和两种菊科植物(p＜0.05)，铵态氮也显著高于菊科植物(p＜0.05)。这说明白茅等禾本科植物可以通过根系活动增加有效态氮在总氮中的比例，以提高植物对根系周围氮营养的吸收效率。
　　⑷以铜尾矿同区域农田中生长的白茅居群为对照，对不同生长时期的白茅体内氮(N)、磷(P)营养浓度、叶片硝酸还原酶和酸性磷酸酶活性动态等的研究表明，在萌芽期，两居群白茅体内的N、P均主要集中于根状茎。到花蕾期、成熟期时，两居群白茅体内的N、P均向成熟叶片迁移，浓度均达到最高。但在衰败期，铜尾矿白茅体内的N主要迁移到根状茎中，P在根状茎中的浓度也达到生长期中的最高值，而农田白茅成熟叶片内N、P浓度依然最高。铜尾矿白茅叶片N、P的再吸收效率分别为49.54％-65.22％和74.71％-98.71％，衰老叶片中N的再吸收效率显著大于农田居群(p＜0.05)，P达到完全再吸收的程度。铜尾矿白茅叶片硝酸还原酶活性在生长旺盛期显著高于农田居群(p＜0.05)，是白茅加强对自身氮养分代谢活动调节作用的表现;同一生长时期白茅叶片酸性磷酸酶活性在两种生境间差异性并不明显(p＞0.05)，但随着生长期的延长，白茅叶片酸性磷酸酶活性表现出不断升高的趋势，这有利于生长后期衰老叶片中有机P的水解再吸收。总之，铜尾矿中生长的白茅可通过对N、P养分的适时分配，提高营养成分的再吸收效率和调节N、P代谢相关调节酶活性等方式来减轻生境的营养胁迫。
　　⑸以同一尾矿中的禾本科植物白茅和中华结缕草(Zoysia sinica Hance)群落、隐花植物木贼（Hippochaete ramosissmiumL.）群落和藻类植物结皮中的土壤和植物衰败组织为实验材料，研究了土壤和植物组织中的有机碳氮含量、13C和15N的同位素相对丰度值（613C和615N），以分析植物组织对尾矿土壤有机质碳氮的影响。结果表明，植物群落土壤内的613C和615N值低于无植被尾矿土壤，禾本科植物群落中植物组织和土壤之间的有机碳含量具有显著相关性(r=0.998，p＜0.01)，但这种相关关系在隐花植物群落中没有被发现。白茅和藻类植物结皮的生长代谢活动有效的影响了土壤中δ13C，且土壤的含水量(r=0.716，p＜0.01)、土壤微生物碳含量(r=0.729，p＜0.01)和pH值(r=0.529，p＜0.05)也显著的影响了土壤δ13C。相对而言，仅土壤微生物的氮含量对土壤中δ15N值表现出显著的相关关系(r=0.935，p＜0.01)。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 研究背景

1．1．1 金属尾矿废弃地的基本特征

1．1．2 尾矿废弃地生态恢复的主要方法

1．1．3 尾矿废弃地生态恢复的主要进展

1．1．4 营养胁迫环境下植物营养生态学的研究概况

1．2 研究区域概况

1．3 研究对象基本特征

1．4 本研究的目的意义及主要创新点

1．5 本研究内容和技术路线

1．5．1 研究主要内容

1．5．2 研究的主要方法和技术路线

第二章 铜尾矿异质性营养胁迫下白茅的形态觅食行为

2．1 材料与方法

2．1．1 采样方法

2．1．2 样品分析

2．1．3 数据分析

2．2 结果与分析

2．2．1 铜尾矿养分及其它理化特征

2．2．2 植物形态特征

2．2．3 植物的生理特征

2．3 讨论

2．3．1 铜尾矿理化性质的异质性对白茅形态指标的影响

2．3．2 铜尾矿理化性质的异质性对白茅生理指标的影响

2．4 小结

第三章 白茅根系活动对根际磷动态的影响

3．1 材料与方法

3．1．1 采样方法

3．1．2 样品分析

3．1．3 数据计算和分析

3．2 结果与分析

3．2．1 植物组织中磷的含量

3．2．2 尾矿基质基本性质

3．2．3 植物根际土壤中各形态磷的动态变化

3．2．4 各参数之间相关关系分析

3．3 讨论

3．3．1 根际土壤中pH值和碳氮含量的变化

3．3．2 土壤中磷形态含量的变化

3．4 小结

第四章 白茅根系活动对根际无机氮动态的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 研究区域特征及采样方法

4．1．2 分析方法

4．1．3 数据计算和分析

4．2 结果与分析

4．2．1 铜尾矿基质基本性质

4．2．2 植物根际土壤中无机氮的动态变化

4．2．3 根际土壤中无机氮含量占总量比例的变化

4．3 讨论

4．4 小结

第五章 白茅体内氮磷的适时分配及叶片代谢相关酶活性动态

5．1 材料与方法

5．1．1 采样和处理

5．1．2 化学分析

5．1．3 计算方法

5．2 结果与分析

5．2．1 不同生长期白茅体内氮和磷的分布特征

5．2．2 不同生长期白茅叶片内氮磷比和氮磷再吸收率的变化

5．2．3 不同生长期白茅叶片内NRA和APA的动态

5．2．4 尾矿白茅叶片养分浓度、再吸收率、N∶P比、NRA和APA之间的相关性

5．3 讨论

5．4 小结

第六章 白茅生长对基质有机碳氮含量及丰度值的影响

6．1 材料和方法

6．1．1 样品采集和处理

6．1．2 样品中有机碳氮和13C、15N稳定同位素比率分析

6．1．3 土样含水量和pH分析

6．1．4 土壤微生物量碳氮的分析

6．1．5 数据分析

6．2 结果与讨论

6．2．1 植物组织中的碳氮对尾矿基质中有机碳氮含量的影响

6．2．2 植物组织中的碳氮对尾矿基质中稳定同位素碳氮丰度值的影响

6．2．3 土壤中的有机碳氮与微生物量碳氮间的关系

6．2．4 土壤pH和含水量对土壤有机碳氮的影响

6．3 小结

第七章 研究的主要结论及展望

1、主要结论

2、展望

参考文献

附录 铜陵市杨山冲铜尾矿地貌特征(摄于2010年7月)

致谢

博士期间完成的主要论文成果