崇明东滩湿地土壤生物固氮速率沿潮滩水淹梯度分布特征

发布时间：2020-06-01 14:08

【摘要】：氮污染是影响水体生态环境的主要因素之一。近年来,大量工业污水和生活废水通过河流输入到河口环境。导致河口生态系统活性氮的含量增加了近120%,并引发了一系列的生态环境问题,如蓝藻赤潮的爆发频率增多、生物多样性减少、种群发生变化等。因此,河口近岸区域氮的循环过程已经成为当今国际上的热点研究内容。开展河口地区氮循环的研究及其关键环境影响因素具有重要意义,研究结果不仅可以深化氮循环的理论认识,而且可为河口潮滩湿地氮污染控制提供科学依据。固氮过程指的是固氮微生物将大气中的分子态氮还原成氨的过程。目前,关于微生物固氮的相关研究结果显示,在热带亚热带海域存在大量蓝藻固氮细菌(束毛藻属、胞内植生藻)等海洋微生物固氮,而在海洋温度相对较低(20℃)的海域抑制大量蓝藻细菌的生长,并形成高溶解度的无机氮,从而抑制固氮速率。然而,最近的研究表明,海洋固氮作用,可能是由单细胞的蓝藻细菌和异养细菌介导的,即使在相对较冷(10℃)的大西洋海岸和波罗的海河口也发现了这些固氮微生物。对日本本州岛东部温暖浅海固氮及其影响因子的研究结果表明,温度、nifH丰度和种类直接影响了微生物固氮速率。研究结果说明在固氮酶影响下,固氮速率受到环境中铁元素的影响。湿地生态系统土壤微生物固氮研究表明温度是影响固氮微生物分布的最显著因子。此外,溶解性无机氮对河口固氮过程具有有抑制作用,但是低水平的氮磷比和铁等微量元素对固氮作用却有促进。目前,关于河口潮滩湿地的固氮过程及其影响因素的研究较少,且相关微生物的作用机理尚不明确。因此,本文以长江口崇明东滩湿地作为研究区,采用泥浆培养实验结合同位素示踪技术和分子生物技术,开展崇明东滩潮滩不同水文梯度下土壤固氮速率与固氮功能基因的研究,并分析土壤理化因子对固氮过程的影响。本研究包括两部分,野外采样结合室内泥浆培养实验和针对关键环境因子对土壤固氮速率的模拟研究的室内控制实验,取得的主要研究成果如下:(1)土壤固氮速率(BNF)总体上随着水淹频率的增加波动降低,在夏季波动幅度更加明显。即由高潮滩向低潮滩表现出显著的差异(P0.05)。土壤BNF表现为夏季大于冬季,植被覆盖的表层土壤高于裸滩的表层土壤。夏季植被和裸滩土壤BNF分别为0.61-17.90μmol N kg~(-1) h~(-1)和1.41-12.10μmol N kg~(-1) h~(-1),冬季分别为0.64-3.54μmol N kg~(-1) h~(-1)和0.47-2.60μmol N kg~(-1) h~(-1)。(2)土壤中固氮nifH丰度沿水文梯度的分布特征与BNF分布特征相似,植被和裸滩土壤nif H丰度分别为1.28×10~7-4.61×10~7 copies g~(-1)和2.56×10~7-12.3×10~8copies g~(-1)。且固氮功能基因nifH丰度与固氮速率分布呈极显著正相关,说明土壤nifH丰度的数量在很大程度上决定了BNF的分布情况,而BNF的变化也可以反应nifH丰度数量的变化。且植被表层土壤BNF和nifH丰度均大部分高于裸滩,说明植被根系可以有效促进土壤微生物的循环。(3)土壤理化性质对BNF和土壤固氮基因nifH含量均有一定程度的影响。其中NO_3~-与冬季裸滩和夏季植被表层BNF均呈极显著负相关,与冬季植被表层BNF呈显著正相关,硫酸盐和TOC与夏季植被BNF呈极显著或显著正相关,Fe~(3+)与夏季裸滩BNF呈极显著正相关,Fe~(2+)与冬季植被BNF呈显著正相关。(4)长江口潮滩土壤环境因子中,盐度是影响土壤固氮作用的关键因子之一。不同盐度上覆水下,表层土壤固氮速率随盐度的增加而降低;且随着培养时间的增长,表层土壤固氮速率呈现出先增加再降低的趋势。垂直方向上,受上覆水影响最大的表层土壤(0-5 cm)中固氮速率随上覆水中NO_3~-浓度的增加,整体上呈下降趋势;水平方向上,随着培养时间的增长,表层土壤的固氮速率呈现出一定程度的增加后再降低的变化趋势。在时间尺度上,不同铁氧化物(Fe~(3+))浓度土壤固氮速率的变化情况与土壤盐度梯度和土壤NO_3~-梯度变化趋势一致;垂直方向上,不同铁氧化物浓度土壤固氮速率也呈现出相同的变化规律。
【图文】：

东滩,长江口,地理位置,采样点

2.2 研究方法2.2.1 样品采集对崇明东滩潮滩湿地地形、植被、土壤全面考察后，于 2016 年 1 月和 6 月在崇明东滩的中部位置(图 2.2)，沿水文梯度（从低到高，样点潮滩位置越低，水淹频率越高）选取一条采样带，设置 8 个样点(每个样点之间相距约为 300-500m)，，每个样点取 3 个平行样，分别对裸滩和植被点进行土壤采样，随机取点，样品充分混匀。采集土壤样品采用不锈钢质土钻，采样深度约为 60 cm，装入灭菌的离心管中，4℃避光保存。在采集后的 2 小时内将这些土壤样品运回实验室，选取柱样内部的中间部分，在无氧环境下将其均质化，并将被均质化后的新鲜土壤样品合理分成三部分保存。一部分样品保存在 4℃环境下，用于土壤固氮速率的测定，一部分经冷冻干燥后研磨过 100 目筛，装于密封袋中，后期用于理化性

梯度分布,固氮,丰度,速率

华东师范大学 2018 届硕士学位论文第三章崇明东滩土壤固氮速率沿水淹梯度分布本文研究中，TOC 含量与夏季植被 BNF 均呈显著正相关（r=0.45，样点 A6 表层土壤的 TOC 含量整体上高于其他潮滩位置，使得其表氮速率和固氮基因丰度也在整个潮滩梯度中最高。进一步证实了 TO生物量的影响。虽然长江河口潮滩湿地的土壤 N 浓度比其他土壤有高(Zhang et al., 2015; 林峰, 2014; Liu et al., 2007; Wang et al., 2010; H1977)，但是土壤中的 N 浓度很大程度上受生长的植被影响，也许可口潮滩湿地土壤中 N:P 的比例对于植物生长也是一个重要的因素。此度、pH、盐度、TOC 等理化因子之外，潮滩土壤中 NH4+的浓度也会氮速率。Welsh et al(1997)对盐沼沉积物固氮速率的研究中发现，盐沼孔隙水 NH4+浓度达 50-100 μmol L-1可以严重抑制沉积物中的固氮活
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X17;X52

【参考文献】