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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 20 期摇 摇 2012 年 10 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
太湖流域源头溪流氧化亚氮(N2O)释放特征 袁淑方,王为东 (6279)……………………………………………
闽江河口湿地植物枯落物立枯和倒伏分解主要元素动态 曾从盛,张林海,王天鹅,等 (6289)…………………
宁夏荒漠草原小叶锦鸡儿可培养内生细菌多样性及其分布特征 代金霞,王玉炯 (6300)………………………
陕西省栎黄枯叶蛾蛹的空间分布 章一巧,宗世祥,刘永华,等 (6308)……………………………………………
模拟喀斯特生境条件下干旱胁迫对青冈栎苗木的影响 张中峰,尤业明,黄玉清,等 (6318)……………………
中国井冈山生态系统多样性 陈宝明,林真光,李摇 贞,等 (6326)…………………………………………………
鄂西南木林子常绿落叶阔叶混交林恢复过程中优势树种生态位动态 汤景明,艾训儒,易咏梅,等 (6334)……
不同增温处理对夏蜡梅光合特性和叶绿素荧光参数的影响 徐兴利, 金则新,何维明,等 (6343)……………
模拟长期大风对木本猪毛菜表观特征的影响 南摇 江,赵晓英,余保峰 (6354)…………………………………
雷竹林土壤和叶片 N、P 化学计量特征对林地覆盖的响应 郭子武,陈双林,杨清平,等 (6361)………………
利用树木年轮重建赣南地区 1890 年以来 2—3月份温度的变化 曹受金,曹福祥,项文化 (6369)……………
川西亚高山草甸土壤呼吸的昼夜变化及其季节动态 胡宗达,刘世荣,史作民,等 (6376)………………………
火干扰对小兴安岭白桦沼泽和落叶松鄄苔草沼泽凋落物和土壤碳储量的影响
周文昌,牟长城,刘摇 夏,等 (6387)
…………………………………
……………………………………………………………………………
黄土丘陵区三种典型退耕还林地土壤固碳效应差异 佟小刚,韩新辉,吴发启,等 (6396)………………………
岩质公路边坡生态恢复土壤特性与植物多样性 潘树林,辜摇 彬,李家祥 (6404)………………………………
坡位对东灵山辽东栎林土壤微生物量的影响 张摇 地,张育新,曲来叶,等 (6412)………………………………
太湖流域典型入湖港口景观格局对河流水质的影响 王摇 瑛,张建锋,陈光才,等 (6422)………………………
基于多角度基尼系数的江西省资源环境公平性研究 黄和平 (6431)……………………………………………
中国土地利用空间格局动态变化模拟———以规划情景为例 孙晓芳,岳天祥,范泽孟 (6440)…………………
世界主要国家耕地动态变化及其影响因素 赵文武 (6452)………………………………………………………
不同氮源下好氧反硝化菌 Defluvibacter lusatiensis str. DN7 的脱氮特性 肖继波,江惠霞,褚淑祎 (6463)………
基于生态足迹方法的南京可持续发展研究 周摇 静,管卫华 (6471)………………………………………………
基于投入产出方法的甘肃省水足迹及虚拟水贸易研究 蔡振华,沈来新,刘俊国,等 (6481)……………………
浦江县土壤碱解氮的空间变异与农户 N投入的关联分析 方摇 斌,吴金凤,倪绍祥 (6489)……………………
长江河口潮间带盐沼植被分布区及邻近光滩鱼类组成特征 童春富 (6501)……………………………………
深圳湾不同生境湿地大型底栖动物次级生产力的比较研究 周福芳,史秀华,邱国玉,等 (6511)………………
灰斑古毒蛾口腔反吐物诱导沙冬青细胞 Ca2+内流及 H2O2 积累 高海波,张淑静,沈应柏 (6520)……………
濒危物种金斑喙凤蝶的行为特征及其对生境的适应性 曾菊平,周善义,丁摇 健,等 (6527)……………………
细叶榕榕小蜂群落结构及动态变化 吴文珊,张彦杰,李凤玉,等 (6535)…………………………………………
专论与综述
流域生态系统补偿机制研究进展 张志强 ,程摇 莉 ,尚海洋,等 (6543)…………………………………………
可持续消费的内涵及研究进展———产业生态学视角 刘晶茹,刘瑞权,姚摇 亮 (6553)…………………………
工业水足迹评价与应用 贾摇 佳,严摇 岩,王辰星,等 (6558)………………………………………………………
矿区生态风险评价研究述评 潘雅婧,王仰麟,彭摇 建,等 (6566)…………………………………………………
研究简报
围封条件下荒漠草原 4 种典型植物群落枯落物枯落量及其蓄积动态 李学斌,陈摇 林,张硕新,等 (6575)……
密度和种植方式对夏玉米酶活性和产量的影响 李洪岐,蔺海明,梁书荣,等 (6584)……………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*312*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄10
封面图说: 草丛中的朱鹮———朱鹮有着鸟中“东方宝石冶之称。 洁白的羽毛,艳红的头冠和黑色的长嘴,加上细长的双脚,朱鹮
历来被日本皇室视为圣鸟。 20 世纪前朱鹮在中国东部、日本、俄罗斯、朝鲜等地曾有较广泛地分布,由于环境恶化等
因素导致种群数量急剧下降,至 20 世纪 70 年代野外已认为无踪影。 1981 年 5 月,中国鸟类学家经多年考察,在陕
西省洋县重新发现朱鹮种群,一共只有 7 只,也是世界上仅存的种群。 此后对朱鹮的保护和科学研究做了大量工
作,并于 1989 年在世界首次人工孵化成功。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 20 期
2012 年 10 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 20
Oct. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40701086);国家水体污染控制与治理科技重大专项课题(2008ZX07101- 006- 08);环境水质学国家重点
实验室青年人才自由探索基金(10Y01ESPCR)
收稿日期:2012-03-27; 　 　 修订日期:2012-08-22
∗通讯作者 Corresponding author. E-mail: wdwangh@ yahoo. com
DOI: 10. 5846 / stxb201203270420
袁淑方, 王为东.太湖流域源头溪流氧化亚氮(N2O)释放特征.生态学报,2012,32(20):6279-6288.
Yuan S F, Wang W D. Characteristics of nitrous oxide (N2O) emission from a headstream in the upper Taihu Lake Basin. Acta Ecologica Sinica,2012,32
(20):6279-6288.
太湖流域源头溪流氧化亚氮(N2 O)释放特征
袁淑方1,2, 王为东1,∗
(1. 中国科学院生态环境研究中心 环境水质学国家重点实验室, 北京　 100085; 2. 中国科学院研究生院, 北京　 100049)
摘要:采用密闭箱法研究太湖流域源头溪流 N2O 释放特征及其影响因素。 结果显示:南苕溪 N2O 释放通量范围在-18. 11—
397. 42 μg·m-2·h-1,平均值为(30. 37±10. 87) μg·m-2·h-1。 溪流 N2O 释放呈现明显的季节模式。 冬季释放通量最低,仅为
(9． 69±7. 10) μg·m-2·h-1,夏季释放通量较高,为(17. 17±17. 35) μg·m-2·h-1;而释放高峰发生于汛期,其 N2O 释放通量可达
(125． 97±90. 77) μg·m-2·h-1。 持续降雨带来的山洪爆发及大量径流输入是造成汛期 N2O 大量释放的主要原因。 从上游源头
区至下游农田与城区,N2O释放通量逐渐升高;流域污染梯度对 N2O释放通量影响显著。 统计分析表明:水体硝态氮负荷是控
制流域 N2O释放通量变化的主导因素,其他因素如磷含量、溶解氧、地势因素对通量也具有倾向性的显著影响。 估算苕溪干流
临安段 N2O年释放通量可达到 0. 38 t / a。 结果显示:河流人为污染负荷增加时可显著促进河流 N2O的释放。
关键词:排放通量; 污染负荷; 景观梯度; 硝态氮; 源头河流; 南苕溪
Characteristics of nitrous oxide (N2O) emission from a headstream in the upper
Taihu Lake Basin
YUAN Shufang1,2, WANG Weidong1,∗
1 State Key Laboratory of Environmental Aquatic Chemistry, Research Center for Eco-environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing
100085, China
2 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Anthropogenic sources of nitrous oxide ( N2O) have received a great deal of attention in recent years.
Agricultural fertilization has been shown to be one of the most important sources of N2O. However, the impact of
urbanization in the agricultural watershed on regional N2O emission is currently not well understood. China has been
undergoing rapid urbanization, which has had a stimulating effect on aquatic N2O emissions. Accordingly, there is an
urgent need for assessment of the regional N2O budget. Therefore, this study was conducted to reveal the N2O emission
characteristics and possible response mechanisms of a typical headstream under the human disturbed landscape gradients.
The specific objectives were to investigate how nitrogen is transported and transformed with landscape gradient, as well as
whether N2O emission fluxes are significant and responsive to the load gradient over spatial and temporal scales in the South
Tiaoxi River (STR), which is the most important headwater stream in the Taihu Lake Basin. N2O emission rates ranged
from -18. 11 to 397. 42 μg·m-2·h-1 and averaged (30. 37 ± 10. 87) μg·m-2·h-1 . Moreover, the emissions followed a
seasonal pattern, with the lowest values (9. 69 ± 7. 10) μg·m-2·h-1 being observed in winter, moderate values (17. 17 ±
17. 35) μg·m-2·h-1 occurring in summer, and the highest values (125. 97 ± 90. 77) μg·m-2·h-1 being recorded during the
flood season. The significantly high N2O emission rates during the flood period were mainly ascribed to the large amount of
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overland runoff input caused by continuous rainfall. N2O emission rates responded to the landscape gradient in the
watershed, gradually increasing along the stream from the upper headwaters region to the lower farmland and urban areas.
Statistical analyses revealed that the nitrate (NO-3 -N) load predominantly determined the variations in stream N2O emission
rates, while other factors such as phosphorus content, dissolved oxygen, and topography played lesser roles. The South
Tiaoxi River was found to be a net source of N2O to the atmosphere, with total annual N2O emissions from the main stream
of the STR estimated to be as high as 0. 38 t / a. This case study demonstrated that allochthonous pollution load inputs might
dramatically stimulate aquatic N2O emissions from a montane headstream with relatively little sediment. Since the exchange
of N2O across the gas-water interface is a complex process that involves river microbial activities, pollution loading, gas-
water exchange dynamic factors as well as river hydrology and hydraulics, its mechanism requires deeper and more extensive
study to enable more accurate estimation of N2O emission fluxes and relevant climate effects at the global scale.
Key Words: headwater stream; release rate; landscape gradient; pollution loading; nitrate nitrogen ( NO-3 -N); South
Tiaoxi River
氧化亚氮(N2O)因具有显著的增温潜势、臭氧层破坏效应及在大气环境中持续存在的特性而逐渐受到广
泛的关注[1-2]。 随着人类向自然界输入氮(N)负荷的急剧增加,人为源 N2O 释放占总释放量的比重也越来越
大[3]。 以农田为代表的陆地生态系统已有较广泛的 N2O释放通量研究与报道[4]。 水域生态系统作为氮源输
入的最终受体,近几年其 N2O 释放效应关注逐渐增加。 以河流湖库为主的淡水生态系统是氮素非常重要的
“汇”,伴随淡水生态系统氮负荷大量增加,其氮循环中 N2O的释放不可忽视。 Seitzinger等人根据河流无机氮
的输出,估算河流、河口和海岸带中人为输入造成的 N2O释放,中国和东南亚占到了全球水域系统 N2O 释放
的 50% [5]。 国外已有大量针对不同类型河流 N2O含量及释放通量的报道,包括入海河口、大型河流、源头溪
流等[6-10]。 国内报道多数集中在大型河流个别位点或河流入海口[11-14],尚未见就单个河流流域做较为系统的
研究。
苕溪水系作为太湖上游最大水系,地处流域内的暴雨区,每年汇入太湖约 30 亿 m3 水资源,约占入太湖水
总量的 70% 。 目前苕溪上游农业及城镇面源污染已成为威胁源头河流水质安全的重要隐患。 南苕溪所在临
安市处于典型城镇化进程之中。 与城镇化进程对应的是土地利用结构类型的转换及农业面源污染的加剧。
在城镇化进程带来高污染负荷的背景下,源头河流中氮素如何迁移转化? 河流 N2O 释放通量是否随污染负
荷变化? 以南苕溪为代表的山溪性河流时空上表现出怎样的 N2O释放特征? 其影响因素是否具有一定特异
性? 这些都亟待展开研究。
选取苕溪临安段为对象,开展源头溪流 N2O 释放特征及其影响因素研究。 该区段自流域上游至下游依
次经过太湖源、里畈水库、杨岭乡、临安城区至河口段最后汇入青山湖水库。 流域具有典型的土地利用变迁及
相应污染梯度变化特征。 源头森林区以山溪为主,地势较高,溪流汇水至里畈水库。 中游杨岭乡主要分布农
田、村镇,其中不乏各类工厂。 下游至临安市区,地势较为平缓,河流渠道化十分严重。 及至马溪汇入,河流经
长桥河口后汇入青山湖水库。 流域山溪性源头溪流特征以及人类活动影响的污染负荷效应均较为凸显。 在
此相对完整的溪流流域开展 N2O释放特征的研究,其结果可以为加强了解源头溪流及类似河流 N2O 释放特
征及其污染负荷响应机制提供参考依据。
1　 材料与方法
1. 1　 研究区概况
南苕溪属于山溪性河流,坡陡流急。 研究区域自太湖源至入青山湖水库河口(图 1),大致覆盖了南苕溪
总河长 47. 5 km的范围。 河道平均坡度 6‰,流域面积 603 km2。 桥东村以上,河道坡降约为 10‰;其后至临
安段,河道坡降约为 6. 7‰;临安市区至青山湖水库段约为 2. 86‰。 青山湖水库水文站多年实测南苕溪上游
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平均流量为 14. 5 m3 / s。 上游里畈水库为临安市主要饮用水水源地,相应库容 1603 万 m3。 下游青山湖水库
为余杭及杭州市备用水库,正常蓄水库容 3600 万 m3,控制了南苕溪主要来水量[15]。 流域属北亚热带季风气
候区,气候温和,雨量充沛,多年平均降水量 1500 mm。 5 月中旬至 7 月中旬为梅汛期,其后至 10 月中旬为台
汛期。 多年平均降雨日为 161 d,多年平均气温 15. 8 ℃。
图 1　 南苕溪流域采样点分布
Fig. 1　 Sampling stations in South Tiaoxi River watershed
　 采样点由上游至下游分别为:①源头区:太湖源景区、太湖源、里
畈水库入口、里畈水库出口;②农田区:杨岭、浪口、出水坝、弯道;
③临安城区:近弯道、钢铁实业、平台 2、平台 1、平台;④马溪支流:
马溪、马溪口、长桥;⑤河口区:河口上段、河口中段、河口下段;⑥
入湖口:青山湖入口
1. 2　 研究方法
经过对苕溪上游临安段河流实地考察及流域特征
研究,于不同土地利用类型区域及支流汇入位置合理设
置采样点。 2011 年 1 月至 9 月间,每月由上游至下游
采集水样及气样。 于每个采样点处原位测定水质参数
并采集表层水样。 使用密闭箱法采集气体样品(图 2)。
采样前将箱内环境与背景空气混匀 1—2 min,通量箱固
定浮于水上后用铝箔气袋每 4—6 min 采集一个气样,
20—25 min 内共采集 5 个样品用于计算通量。 每个位
点设置两个通量箱以作平行。 由于河流坡陡流急,河床
构成主要为卵石及沙粒,因此未采集沉积物样品。
原位水质参数包括温度(℃)、溶解氧 (DO)、pH
值、电导率 ( EC) 及氧化还原电位 ( ORP ),由 YSI
Professional Plus便携式水质分析仪(YSI公司,美国)现
场测得。 表层水样采集后冷藏保存运至当地实验站,24
h内完成分析测定。 原水样用过硫酸钾消解法测定总
氮(TN)与总磷(TP),用反应器消解法测定化学需氧量
图 2　 水陆两用密闭箱法气体采样箱示意图
　 Fig. 2　 Setup of closed opaque chamber for amphibious
gas sampling
(CODCr)。 抽滤水样采用锌镉还原法测定硝态氮(NO
-
3 -
N),纳氏试剂比色法测定氨态氮(NH+4 -N),盐酸萘乙二
胺比色法测定亚硝态氮(NO-2 -N);活性磷(SRP)测定采
用钼锑抗分光光度法。 用称量法测得总悬浮颗粒物
(TSS)。 总碳(TC)、总无机碳(TIC)、总有机碳(TOC)
由德国 Elementar 公司 TOC 仪测定。 气体样品避光保
存运回北京实验室于一周内完成分析测定。 气样中
N2O浓度采用带 10 通阀的气相色谱仪(SP- 3410)进行
测定。 色谱预处理柱(2 m,4 mm 外径)和主分离柱(2
m,4 mm外径)用 Porapad-Q(80—100 目)填充。 检测
器为电子捕获检测器(ECD,Ni63),测定 N2O的柱温、进样口温度和检测器温度分别为 72 ℃、72 ℃和 390 ℃。
少量的 CO2(6 mL / min)气体通入检测器以提高检测器的灵敏性和重复性。
1. 3　 统计分析
采用 SAS System for Windows 9. 0 统计软件(美国 SAS软件研究所)进行数据处理和统计分析,若无特别
说明,均采用 α=0. 05 显著性水平。 首先对 N2O 通量及环境变量进行正态性检验。 包括 N2O 通量在内的大
部分变量不服从正态分布,从而采用非参数方法对 N2O 通量的时间及空间差异进行方差分析。 为研究影响
N2O释放通量的因素,分别于流域尺度及各土地利用类型河段计算 N2O 通量及环境变量间的 Spearman 相关
系数,寻找对前者具有显著影响的环境因素。 由于众多环境变量相互之间存在关联,因此采用因子分析对原
始环境变量进行共性分析,选取最大方差法旋转原始因子,得出少数相互独立的公因子;然后以所得因子对
N2O通量进行逐步回归。
1826　 20 期 　 　 　 袁淑方　 等:太湖流域源头溪流氧化亚氮(N2O)释放特征 　
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2　 结果
2. 1　 N2O释放通量时间差异
　 图 3　 南苕溪 N2O 释放通量与营养盐指标(5%修剪均数±标准
差)时间变化
Fig. 3　 Temporal variation of N2O emission fluxes and nutrient
variables in South Tiaoxi River
N2O释放通量具有较明显的季节模式(图 3)。 从
1 月至 6 月,N2O 释放通量逐渐升高。 1 月为临安一年
中温度最低时期,N2O 平均通量仅为 (7. 96 ± 0. 66)
μg·m-2·h-1。 随着温度逐渐升高,2 月至 4 月通量值逐
渐增长,4 月时达到(48. 29±12. 60) μg·m-2·h-1。 N2O
释放的峰值出现在梅汛季中期而非夏季。 6 月初开始
出现一年中首次较高强度且持续的降雨,至 6 月中旬累
计降雨量达到了 400—500 mm。 南苕溪整体上呈现典
型山溪性河流山洪爆发的特征。 此时温度有所降低,均
温约 20 ℃,而河流 N2O释放通量高达(397. 42±70. 51)
μg·m-2·h-1,显著高于一年中其他时期通量值 ( P <
0． 0001)。 相反,温度最高的夏季(7—9月)N2O释放通
量仅为(19. 93±6. 95) μg·m-2·h-1,并不显著高于其他
时期。
河流水体营养盐指标同样呈现一定季节模式(图
3b—3e)。 研究区域整体无机氮水平在(3. 58 ±0. 23)
mg / L,其中 NO-3 -N为(2. 58±0. 14) mg / L。 各氮指标均
在汛期出现了突变。 汛期 6 月 TN 与 NO-3 -N 均显著高
于其他月份(P<0. 0001),流域内 NO-3 -N 平均质量浓度
可达(10. 96 ±0. 26) mg / L。 冬季 1—2 月与夏季 8—9
月 NO-3 -N浓度显著低于其他时期(P<0. 0001)。
2. 2　 N2O释放通量空间差异
结合流域土地利用现状,根据流域高程值与主要离
子单位电荷物质的量浓度(Ca2+、Mg2+、Na+ +K+、Cl-、
SO2-4 、HCO
-
3、CO2
-
3 等八大离子)对采样点进行聚类,可
将流域划分为源头区、农田区、城区、河口区及入湖口
等,其水文特征与 N2O释放通量见表 1 和图 4。 由于通
量分布不服从正态分布,采用非参数方法(NPAR1WAY
过程)对各不同土地利用区域通量做方差分析,结果显
示不同区域通量具有较显著差异(P = 0. 044)。 上游以里畈水库为主的源头区水量充足,水深达 10 m 以上,
水流稳定。 N2O释放通量较低,5%修剪均数仅为 8. 46 μg·m
-2·h-1。 中游村镇土地利用以农田为主,分布一
些造沙厂。 农田区相应氮营养盐浓度均有所提升,其中 NO-3 -N质量浓度增长近 1 倍,达(2. 44±0. 34) mg / L。
而 N2O释放通量在此亦有较为剧烈的提升,约为源头区的 3. 67 倍。 之后虽然河水氮盐浓度持续增长,但 N2O
释放通量水平仅为(8. 24 ±1. 48) μg·m-2·h-1。 其后马溪汇入大量污水使得各指标浓度均显著增长(P<
0． 05),N2O释放通量达到了(35. 74±11. 9) μg·m
-2·h-1。 河口区域为苕溪河水与库区水体的交换区。 其 N2O
释放通量为(33. 86±14. 60) μg·m-2·h-1,其中极高值 397. 42 μg·m-2·h-1 出现在汛期中期。
2. 3　 N2O释放通量的影响因素
就南苕溪流域总体而言,Spearman相关分析显示:在众多环境变量中,只有水中 NO-3 -N 含量与 N2O 通量
呈显著正相关( r=0. 314,P=0. 038)。 而温度与通量间并无显著关联( r=0. 010,P=0. 953)。 在 α=0. 10 的显
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著性水平下,TP、TC与 N2O释放通量正相关( r=0. 266,P=0. 085;r=0. 327,P = 0. 073)。 DO饱和度则与通量
呈负相关( r= -0. 353,P=0. 092)。 其余营养盐及环境变量均对 N2O通量无显著影响。
表 1　 南苕溪流域 N2O释放通量 / (μg·m-2·h-1)
Table 1　 N2O emission fluxes in South Tiaoxi River watershed
区域
Region
5%修剪均数±
标准误
5% trimmed mean±
standard error
中位数
Median
范围
Range
河长 / km
Stream length
水文特征
Hydrological
characteristics
源头区 Headwaters region 8. 46±0. 68 7. 99 -18. 11—48. 54 14. 5 水较深,水流较慢
农田区 Farmland area 31. 10±8. 41 31. 68 6. 14—168. 36 16. 5 中等水深及水流
城区 Urban area 8. 24±1. 48 7. 47 1. 46—13. 68 6. 4 水较浅,水流较慢
马溪支流 Maxi tributary 35. 74±11. 90 28. 92 23. 62—81. 13 0. 4 水流较快,汇流　
河口区 Confluence area 33. 86±14. 60 26. 94 7. 17—397. 42 0. 6 中等水深及水流
入湖口 Reservoir entrance 22. 60±6. 84 24. 95 2. 13—50. 31 0. 2 水较深,水流较慢
图 4　 南苕溪 N2O释放通量及营养盐指标空间变化
Fig. 4　 Spatial variation of N2O emission fluxes and nutrient variables in South Tiaoxi River
Z1:源头区 Headwaters region;Z2:农田区 Farmland area;Z3:城区 Urban area;Z4:马溪支流 Maxi tributary;Z5:河口区 Confluence area;Z6:入湖
口 Reservoir entrance; 其中:Z1 为上游 Upstream,共 14. 5 km;Z2 为中游 Midstream,共 16. 5 km;Z3—Z6 为下游 Downstream,共 7. 6 km
进一步分析区域内影响 N2O 释放通量的特异因素。 在中游农田村镇区,N2O 释放通量与水中 TOC 正相关
( r=0. 679,P=0. 09)。 下游水体 N2O 释放通量与 EC、TOC 显著正相关( r = 0. 497,P = 0. 012;r = 0. 555,P =
0． 011)。 在 α=0. 10 的显著性水平下,N2O 释放通量亦与气压变化呈负相关( r = -0. 389,P = 0. 055),与 TIC
负相关( r= -0. 405,P=0. 077)。
因子分析(FACTOR 过程)得到前 6 个公共因子特征值大于或约等于 1,累计解释所选变量总方差的
81． 5% (表 2)。 因子 1 与硝态氮、无机氮及无机氮磷比呈正相关,因而赋为硝态氮负荷因子;因子 2 与高程负
相关,与气压和电导率正相关,赋为地势及污染梯度因子;因子 3 与亚硝态氮及活性磷成正比,赋为活性氮磷
因子;因子 4 与温度正相关,与气压及溶解氧负相关,将其赋为温度因子;因子 5 与 COD 及氨态氮正相关,称
为还原因子;因子 6 与总氮及总氮磷比正相关,称之为总氮因子。 采用所得公共因子作为自变量与 N2O通量
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进行逐步回归(STEPWISE过程)。 硝态氮因子(P<0. 0001)、还原因子(P = 0. 0103)及总氮因子(P = 0. 0104)
显著影响 N2O释放通量(R2 = 0. 551,P<0. 0001,C( p) = 1. 11),其中硝态氮因子单独可解释通量变异的
35． 3% 。 回归模型可表示为:N2O通量=48. 76+75. 53×硝态氮因子-21. 60×还原因子+21. 80×总氮因子。
表 2　 因子分析:公共因子与原始变量
Table 2　 Factor analysis: common factors and original variables
变量
Variable
因子 1
Factor 1
因子 2
Factor 2
因子 3
Factor 3
因子 4
Factor 4
因子 5
Factor 5
因子 6
Factor 6
高程 Elevation -0. 15 -0. 91 0. 03 0. 01 0. 03 -0. 12
温度 Temperature -0. 09 0. 00 -0. 12 0. 91 -0. 11 -0. 14
气压 Atmospheric pressure -0. 06 0. 77 0. 12 -0. 52 0. 08 0. 04
溶解氧 DO -0. 12 0. 20 -0. 44 -0. 66 0. 04 0. 05
电导率 Electrical conductivity 0. 11 0. 81 0. 29 0. 06 0. 08 0. 11
pH -0. 51 0. 31 -0. 37 0. 04 0. 24 -0. 16
总氮 TN 0. 27 0. 16 0. 01 -0. 01 0. 13 0. 90
硝态氮 NO-3 -N 0. 89 0. 12 -0. 04 0. 04 -0. 23 0. 17
氨态氮 NH+4 -N 0. 07 0. 14 0. 42 -0. 16 0. 77 0. 06
亚硝态氮 NO-2 -N 0. 05 0. 40 0. 74 0. 00 0. 18 -0. 13
总磷 TP -0. 03 0. 15 0. 22 0. 23 0. 10 -0. 11
活性磷 Soluble reactive phosphorus -0. 20 0. 09 0. 70 0. 01 0. 04 -0. 02
化学需氧量 CODCr 0. 00 -0. 02 -0. 09 -0. 04 0. 88 0. 18
总无机氮 Total inorganic nitrogen 0. 87 0. 20 0. 21 -0. 04 0. 20 0. 19
总氮磷比 TN / TP ratio 0. 13 0. 07 -0. 18 -0. 33 0. 20 0. 79
无机氮磷比 Inorganic nitrogen / phosphorus ratio 0. 82 0. 01 -0. 37 -0. 03 0. 20 0. 03
解释率 Explanatory percentage / % 23. 80 19. 50 15. 40 10. 00 6. 90 5. 90
　 　 TOC、TIC(total inorganic carbon)、TC(total carbon)自 3 月开始测量,为使因子分析及后续回归分析包含尽量多的观测数,未将其纳入因子分
析变量中; 3 个变量的影响已经做过分析,去除后并不影响因子结构及通量回归模型
3　 讨论
3. 1　 时间变异分析
除去个别负通量(分别出现在 2 月的长桥站点,9 月里畈水库及杨岭站点),苕溪临安段总体表现为大气
中 N2O的释放源。 其释放通量与国内外部分河流相比情况如表 3 所示。 总体而言,南苕溪 N2O 释放通量水
平略低于大型河流或湖泊。 然而与其他源头水体相比,该释放通量水平属于中等偏高;尤其在河流污染负荷
较高时,N2O释放十分显著。 南苕溪 N2O释放通量呈现显著的季节模式,最低释放时期为冬季;释放活跃时
期出现在汛期,夏季 N2O释放相对而言并不显著。 这与大多数研究所指出的河流、湖泊生态系统内 N2O释放
通量冬低夏高的季节模式有所冲突[7, 16]。 相关分析亦证明温度与 N2O通量之间并无显著关联( r=0. 010,P =
0. 953)。 事实上夏季温度较高,水-气界面交换更活跃,微生物反应活性亦较强。 理应观测到较高的 N2O 释
放。 二者的矛盾与控制河流 N2O释放通量的主导因素有关。
在氮负荷(N质量浓度<1. 4 mg / L)及 N2O 释放通量均较低的 Neuse 河流域内,虽然 TOC 及水体温度均
与 N2O通量正相关,但水中硝态氮含量才是影响 N2O 通量的主要驱动因子[22]。 而对美国西北部的 12 条小
型溪流研究则发现冬季 N2O释放最高、夏季最低[6]。 在 Ohio 河流域的研究中,36%的通量变异可由季节模
式导致的温度变化来解释。 综合天然水体 N2O 通量研究,N2O 释放通量的变异主要由温度及氮素可利用性
控制[7]。 二者在具体河流的 N2O释放通量中的相对重要性各不相同,多数情况下河流中温度与水体无机氮
水平共同变化。 不同研究区域不同河流主导因素也不一致。 当流域无机氮水平较为恒定时,季节模式下的温
度变化会成为主导流域 N2O释放通量变异的主要因素[7]。 而当河流无机氮含量变化较为剧烈时,氮的可利
用性差异会胜过季节温度模式成为主导 N2O 释放通量的关键因素。 本研究中南苕溪无机氮水平在 0. 4—
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13． 2 mg / L范围内变化,尤其汛期时无机氮水平显著高于其他时期(平均值(5. 11±0. 55) mg / L),从而该因素
成为影响南苕溪 N2O释放通量变异的主要因素。 因此评估特定河流 N2O 年释放变异时,应当综合考虑温度
效应及营养盐输入效应。
表 3　 国内外河流 N2O释放通量对比
Table 3　 N2O emission fluxes from the international and domestic rivers
来源
Data source
研究区域
Study area
N2O释放通量范围
N2O emission fluxes range
方法
Method
国外
International Mcmahon 等
[17] South Platte River, nitrogen-rich 90—32600 μg N·m-2·d-1
密闭箱法
Closed
chamber method
Hendzel 等[18] Boreal forest reservoirs -3. 5—-1. 0 μg·m-2·d-1 估算 Estimation
Garnier 等[19] Tidal Seine River estuary (France) 25—60 kg N / d 估算
Clough 等[20] Spring-fed LII river, New Zealand
52—140 μg·m-2·h-1
13—25 μg·m-2·h-1
密闭箱法
估算
Beaulieu 等[6] Headstream, Michigan -8. 9—266. 8 μg N·m-2·h-1 估算
Beaulieu 等[7] Ohio River, cut by 20 dams 12. 2—623 μg N·m-2·h-1 密闭箱法
国内
Domestic 熊正琴等
[13] 太湖流域 Taihu Lake Basin 河流 River:122. 5 μg N·m
-2·h-1
湖泊 Lake:3. 53 μg N·m-2·h-1
密闭箱法
王仕禄等[21] 太湖流域
河流:142. 1 μmol·m-2·d-1
湖泊:14. 0 μmol·m-2·d-1
估算
李飞跃等[11]
句容水库,农业流域
Jurong Reservoir, agricultural watershed
河流:0. 29—8. 41 μg·m-2·h-1
水塘 Pond:-0. 42—16. 76 μg·m-2·h-1
密闭箱法
本研究
This study
太湖流域,南苕溪
Taihu Lake Basin, South Tiaoxi River -18. 11—397. 42 μg·m
-2·h-1 密闭箱法
事实上,一年中第一轮持续降雨从汛期初开始。 南苕溪作为典型的山溪性源头河流,流域在该时期总体
呈现山洪爆发特征,具体表现为流量显著增加,流速湍急,河水变浑。 降雨及径流携带大量营养盐及颗粒物进
入河流,使得河流水体污染负荷大幅增加。 8—9月虽然温度较高,但硝态氮含量低于年平均水平,因此通量
也较低。 7 月河流水体虽具有较高的 NO-3 -N含量(>4 mg / L)和较高的温度,而 N2O释放通量也不高,可能因
为该月 TOC水平较低,仅为 2. 18 mg / L(年均 3. 07 mg / L)。
多年水文监测数据亦表明,南苕溪上游年径流量多年平均为 1. 88 亿 m3,其中 4—9 月径流量占全年的
72. 5% 。 而每年的 11 月至翌年的 1 月,径流量仅占全年径流量的 7. 3% 。 因此,以南苕溪为代表的源头溪流
在汛期时大量径流汇入造成氮负荷及 N2O温室气体释放剧烈增加的效应需引起注意。
3. 2　 空间变异分析
南苕溪上游至下游依次经历森林、农田、城区的土地利用类型变迁。 与土地利用变迁对应的是逐渐升高
的污染负荷梯度。 上游源头至下游河口河流水体中 TN 由 4. 28 mg / L 增至 8. 25 mg / L,NO-3 -N 由 1. 36 mg / L
增加至 4. 14 mg / L,NH+4 -N由 0. 39 mg / L增至 0. 89 mg / L,NO
-
2 -N由 0. 035 mg / L 增至 0. 136 mg / L。 水中 TIC
则由 0. 52 mg / L增长至 10. 62 mg / L,TOC及 SRP 有小幅增长。 河口 N2O释放通量较上游源头增长了 300% 。
根据南苕溪各河段河长、河宽及 N2O 释放通量均值估算,南苕溪干流 N2O 年释放量可达 0. 38 t / a,单位面积
N2O年释放量为 1. 95 kg·hm
-2·a-1,与黄土高原农田土壤单位面积年排放相当(2. 0—2. 8 kg·hm-2·a-1) [23-24],
但远低于华北平原典型农田土壤作物生长季 N2O 平均排放通量(80—250 mg·m
-2·h-1,大于 7000 kg·hm-2·
a-1) [25]。
除临安城区河段以外,南苕溪 N2O释放通量随着上游至下游逐步升高的污染负荷而逐渐增加。 统计分
析亦支持地势因素及氮营养负荷因素对 N2O通量具有显著影响的结论。 城区段 N2O释放通量偏低的现象应
当归因于城区段河道因素。 城区段河道渠道化较严重,橡胶坝较多,河流流量较小。 城区上段流速较快,但水
流较小;下段虽然流量有所增加,但流速缓慢。 虽然该河段污染负荷继续升高,但由于总体流量小,水流太缓,
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该区段 N2O释放通量甚至低于源头区。
3. 3　 影响因素分析
苕溪临安段河床主要构成为卵石、砾石及生物膜,未见有明显沉积物形成。 源头溪流水深较浅,原位测定
结果表明大部分河床界面偏离厌氧环境,沉积物 N2O产量受到限制。
本研究中水体无机氮水平是控制 N2O 释放通量的主导因子,N2O 通量随水中可利用态氮含量增加而增
加。 流域由山区源头至低处城区其 N2O通量逐渐增高。 回归模型显示总氮水平对 N2O释放通量也具有正效
应。 此外,较高的有机碳与活性磷水平也会促进 N2O释放。 本研究中温度对河流 N2O通量无显著效应,概因
流域无机氮水平波动较大而使得温度效应因此减弱。 决定河流 N2O通量变化的主要因素因不同流域河流特
异状况而异。
河流 N2O产生主要由反硝化、短程硝化及硝化菌的反硝化作用产生。 N2O 是反硝化过程的必要中间产
物,继续还原时可生成氮气。 硝化作用中本应氧化为亚硝态氮的羟胺因环境变化可发生短程硝化转化为
N2O。 一定条件下硝化菌可将亚硝态氮还原转而变为反硝化路径从而产生 N2O[26]。 河流水体溶解氧对其中
微生物活性影响重大。 水体若原本为厌氧性,遇氧小幅增加时 N2O产量将剧烈增加[27];而当溶解氧含量始终
较充足时,N2O产量反而有限。 N2O在河流水体中产生后,向水-气界面传输过程被 N2O还原酶(nos)捕获,促
进 N2O进一步还原为 N2,最终导致河流 N2O 产量受限。 而土壤则不存在这一障碍,N2O 一旦生成后可相对
自由地逸散至大气中,从而具有较高的 N2O释放通量[8]。 当温度升高或其他原因造成水中溶解氧降低时,水
体中反硝化过程得到强化,从而促进了反硝化过程中 N2O的生成。 同样,硝化过程初始步骤的中间产物羟胺
因溶解氧不足会更倾向于不完全氧化生成 N2O[26],如此硝化过程中的 N2O产量也得以增加。 即是,河流水体
溶解氧含量降低时将既促进硝化过程产生 N2O,也利于反硝化作用生成 N2O,结果都是 N2O 释放得到加强。
这与本研究中 DO饱和度与 N2O释放负相关( r= -0. 353,P=0. 092)对应。
Beaulieu等人在美国 72 条源头溪流进行的15N 同位素研究显示,激流系统可成为原位 N2O 产生的活跃
区,尤其当人为输入造成水体硝态氮大幅增长时[8]。 当水中硝态氮浓度较高时,硝化产物(包括硝态氮与亚
硝态氮)浓度过高,导致硝化过程中间产物羟胺继续转化受限转而氧化为 N2O,造成后者产量增加。 水中反硝
化过程 N2O产量由(NO3+NO2)-N供给及电子供体需求的平衡调控[28]。 硝态氮浓度升高时,硝态氮作为比
N2O更强的电子受体对 nos的抑制使得 N2O难以继续还原,从而得以累积产生并释放。 总之,水体中硝态氮
浓度增加也可同时促进硝化与反硝化过程中 N2O 生成。 本研究及较多其他河流 N2O 释放通量研究[22, 29]亦
都支持水体硝态氮含量增加对 N2O释放的正效应。
N2O气体从水体中释放的过程是一个动力过程,必然也与水流动力及水-气界面动力息息相关。 因此,
水深、水流速率、流量、风速等河道动力因素都会对水中气体释放通量具有一定影响。 较快的水流速度及较大
的风速利于水-气交换从而利于 N2O的释放[30]。 水深相对较深与水量相对充足的河段其 N2O释放通量高于
水浅流小的河段[7]。
南苕溪流域水体溶解氧充足,平均 DO饱和度达 96. 1% ,因而水体中硝化过程优于反硝化过程而占主导。
Beaulieu提到持留时间、水体悬浮颗粒物含量及底质表面积与水体体积比率是决定水体或沉积物作为硝化主
体的重要因素[7]。 小型溪流中水体持留时间较短,水中悬浮颗粒较少,河床面积与水体体积比较大,因而沉
积物硝化占主导。 河口和海口区域悬浮颗粒浓度较高,且水体持留时间较长,由此形成浊度最大化的状态有
利于水体硝化反应的进行,此时水体硝化可占主导。 推及本研究区域,南苕溪农田区及河口区具有较长的停
留时间、较充足的悬浮颗粒因而水中硝化较为活跃。 图 4b中两区段硝态氮水平高于其他区段,显示出较强的
硝化活性。 两区域较高的 N2O释放通量也与之对应。
4　 结论
南苕溪流域总体表现为 N2O的净释放源。 时间上表现为冬季 N2O 释放最低、汛期最高。 空间上下游释
放通量高于上游源头。 污染物负荷与 N2O释放通量趋势基本一致。 控制南苕溪 N2O释放通量的主导因素是
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流域无机氮(主要为硝态氮)负荷。 其他影响 N2O通量变化的因素还包括碳、磷含量、溶解氧含量及地形地势
等。 由于 N2O水-气交换过程是个涉及河流微生物活性、污染负荷、河流水文水力及水-气界面动力因素等多
方面影响的复杂过程,其释放机制有待更深入的研究。 这对更准确地估计与衡量大尺度上 N2O 的释放量及
相应气候效应具有重大意义。
致谢:本研究得到中国科学院生态环境研究中心牟玉静研究员、刘俊锋博士的大力支持,美国杜克大学湿地中
心王洪君博士给予帮助,采样过程中得到晁向东工程师的协助,实验得到董慧峪博士的帮助,特此致谢。
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[23] 　 庞军柱, 王效科, 牟玉静, 欧阳志云, 张红星, 逯非, 刘文兆. 黄土高原苹果园土壤 N2O 排放研究. 环境科学学报, 2010, 30(12):
2518-2525.
[24] 　 庞军柱, 王效科, 牟玉静, 欧阳志云, 张红星, 逯非, 刘文兆. 黄土高原冬小麦地 N2O排放. 生态学报, 2011, 31(7): 1896-1903.
[25] 　 叶欣, 李俊, 王迎红, 刘恩民, 李瑞雪, 于强, 陈炳新. 华北平原典型农田土壤氧化亚氮的排放特征. 农业环境科学学报, 2005, 24(6):
1186-1191.
8826 　 生　 态　 学　 报　 　 　 32 卷　
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 20 October,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Characteristics of nitrous oxide (N2O) emission from a headstream in the upper Taihu Lake Basin
YUAN Shufang, WANG Weidong (6279)
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Nutrient dynamics of the litters during standing and sediment surface decay in the Min River estuarine marsh
ZENG Congsheng, ZHANG Linhai, WANG Tian忆e, et al (6289)
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Diversity and distribution of endophytic bacteria isolated from Caragana microphylla grown in desert grassland in Ningxia
DAI Jinxia, WANG Yujiong (6300)
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Spatial distribution of Trabala vishnou gigantina Yang pupae in Shaanxi Province, China
ZHANG Yiqiao, ZONG Shixiang, LIU Yonghua, et al (6308)
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Effects of drought stress on Cyclobalanopsis glauca seedlings under simulating karst environment condition
ZHANG Zhongfeng, YOU Yeming, HUANG Yuqing, et al (6318)
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Ecosystem diversity in Jinggangshan area, China CHEN Baoming, LIN Zhenguang, LI Zhen, et al (6326)…………………………
Niche dynamics during restoration process for the dominant tree species in montane mixed evergreen and deciduous broadleaved
forests at Mulinzi of southwest Hubei TANG Jingming, AI Xuenru,YI Yongmei, et al (6334)……………………………………
Effects of different day / night warming on the photosynthetic characteristics and chlorophyll fluorescence parameters of Sinocaly鄄
canthus chinensis seedlings XU Xingli,JIN Zexin,HE Weiming, et al (6343)……………………………………………………
The effect of simulated chronic high wind on the phenotype of Salsola arbuscula
NAN Jiang,ZHAO Xiaoying, YU Baofeng (6354)
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Responses of N and P stoichiometry on mulching management in the stand of Phyllostachys praecox
GUO Ziwu, CHEN Shuanglin, YANG Qingping, et al (6361)
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Tree鄄ring鄄based reconstruction of the temperature variations in February and March since 1890 AD in southern Jiangxi Province,
China CAO Shoujin, CAO Fuxiang, XIANG Wenhua (6369)……………………………………………………………………
Diel variations and seasonal dynamics of soil respirations in subalpine meadow in western Sichuan Province, China
HU Zongda,LIU Shirong,SHI Zuomin, et al (6376)
…………………
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Effects of fire disturbance on litter mass and soil carbon storage of Betula platyphylla and Larix gmelinii鄄Carex schmidtii swamps
in the Xiaoxing忆an Mountains of Northeast China ZHOU Wenchang, MU Changcheng, LIU Xia, et al (6387)…………………
Variance analysis of soil carbon sequestration under three typical forest lands converted from farmland in a Loess Hilly Area
TONG Xiaogang, HAN Xinhui, WU Faqi, et al (6396)
………
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Soil鄄property and plant diversity of highway rocky slopes PAN Shulin,GU Bin,LI Jiaxiang (6404)……………………………………
Effects of slope position on soil microbial biomass of Quercus liaotungensis forest in Dongling Mountain
ZHANG Di, ZHANG Yuxin, QU Laiye, et al (6412)
………………………………
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Responses of water quality to landscape pattern in Taihu watershed: case study of 3 typical streams in Yixing
WANG Ying, ZHANG Jianfeng, CHEN Guangcai, et al (6422)
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Study on the fairness of resource鄄environment system of Jiangxi Province based on different methods of Gini coefficient
HUANG Heping (6431)
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Simulation of the spatial pattern of land use change in China: the case of planned development scenario
SUN Xiaofang, YUE Tianxiang, FAN Zemeng (6440)
……………………………
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Arable land change dynamics and their driving forces for the major countries of the world ZHAO Wenwu (6452)……………………
Denitrification characteristics of an aerobic denitrifying bacterium Defluvibacter lusatiensis str. DN7 using different sources of nitrogen
XIAO Jibo, JIANG Huixia, CHU Shuyi (6463)
……
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Study on sustainable development in nanjing based on ecological footprint model ZHOU Jing, GUAN Weihua (6471)………………
Applying input鄄output analysis method for calculation of water footprint and virtual water trade in Gansu Province
CAI Zhenhua, SHEN Laixin, LIU Junguo, et al (6481)
……………………
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Correlation analysis of spatial variability of Soil available nitrogen and household nitrogen inputs at Pujiang County
FANG Bin, WU Jinfeng, NI Shaoxiang (6489)
…………………
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Characteristics of the fish assemblages in the intertidal salt marsh zone and adjacent mudflat in the Yangtze Estuary
TONG Chunfu (6501)
…………………
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A comparison study on the secondary production of macrobenthos in different wetland habitats in Shenzhen Bay
ZHOU Fufang, SHI Xiuhua, QIU Guoyu, et al (6511)
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Regurgitant from Orgyia ericae Germar induces calcium influx and accumulation of hydrogen peroxide in Ammopiptanthus
mongolicus (Maxim. ex Kom. ) Cheng f. cells GAO Haibo, ZHANG Shujing,SHEN Yingbai (6520)…………………………
Behavior characteristics and habitat adaptabilities of the endangered butterfly Teinopalpus aureus in Mount Dayao
ZENG Juping, ZHOU Shanyi, DING Jian, et al (6527)
……………………
……………………………………………………………………………
Community structure and dynamics of fig wasps in syconia of Ficus microcarpa Linn. f. in Fuzhou
WU Wenshan, ZHANG Yanjie, LI Fengyu, et al (6535)
……………………………………
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Review and Monograph
Review and trend of eco鄄compensation mechanism on river basin ZHANG Zhiqiang, CHENG Li,SHANG Haiyang, et al (6543)……
Definition and research progress of sustainable consumption: from industrial ecology view
LIU Jingru, LIU Ruiquan, YAO Liang (6553)
……………………………………………
………………………………………………………………………………………
The estimation and application of the water footprint in industrial processes JIA Jia, YAN Yan, WANG Chenxing, et al (6558)……
Research progress in ecological risk assessment of mining area PAN Yajing,WANG Yanglin,PENG Jian, et al (6566)………………
Scientific Note
Litter amount and its dynamic change of four typical plant community under the fenced condition in desert steppe
LI Xuebin, CHEN Lin, ZHANG Shuoxin, et al (6575)
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Effects of planting densities and modes on activities of some enzymes and yield in summer maize
LI Hongqi, LIN Haiming,LIANG Shurong, et al (6584)
……………………………………
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《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的生态学专业性高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研
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新方法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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(SHENGTAI摇 XUEBAO)
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第 32 卷摇 第 20 期摇 (2012 年 10 月)
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摇
Vol郾 32摇 No郾 20 (October, 2012)
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