长江中下游湖泊沉积物的关键脱氮过程及其影响因素研究
发布时间：2020-09-16 09:16
沉积物硝化-反硝化作用的最终产物是氮气和一氧化二氮,能将氮素永久地移出,是水域生态系统的关键脱氮途径。长江中下游是我国湖泊分布最为广泛的区域之一,且湖泊富营养化比例高达85.9%,研究其湖泊沉积物关键脱氮过程及其影响因子,对富营养化治理具有非常重要的意义。影响沉积物脱氮途径的因素可分为两类:一是非生物因素,包括可用的温度、氮源、碳源以及环境的溶氧量等;二是生物因素,包括沉水植物和微生物群落等。这两类因素对脱氮途径的调控可以分为两种情形:一是近端控制,即环境因子直接且实时影响微生物氮循环的相关酶活性;二是远端控制,即环境因子通过影响氮循环相关微生物的群落结构来影响相关酶活性,这个过程作用时间较近端控制长。尺度效应在生态学研究中尤其重要,而流域土地利用对湖泊生态系统的影响越来越受到关注。本文以长江中下游湖泊为研究对象,运用流域尺度野外调查、单个典型湖泊案例研究以及室内受控试验相结合的研究方法,对沉积物脱氮途径进行了研究,主要结果如下:1.选取长江中下游22个湖泊为研究对象,调查了沉积物反硝化能力及其功能基因丰度、水质、沉积物理化性质、沉水植被,并据此分析了沉积物反硝化作用的影响因素。结果表明,湖泊的非生物和生物因素均表现出明显的异质性,沉积物的反硝化作用相应的呈现出显著空间变化。方差分解的结果显示,水质是影响沉积物反硝化作用的主要因素。路径分析的结果揭示,水质对沉积物反硝化作用同时有直接或间接影响,其直接影响强于间接影响。生物因子(相关微生物和沉水植物群落结构)并不能解释湖泊沉积物的反硝化能力。因此,长江中下游湖泊中,非生物环境因子是沉积物脱氮途径的主要影响因素。2.长江中下游10个代表性湖泊中,超富营养湖泊沉积物的硝化作用略高于富营养和中富营养湖泊。硝化作用速率与水质、沉积物理化性质显著相关。路径分析结果表明流域土地利用对沉积物硝化作用有间接影响,沉积物总氮含量可以解释其间接影响的55-60%。此外,硝化作用相关的微生物功能基因丰度与流域土地利用方式也有显著相关关系。然而,功能基因丰度与沉积物硝化作用速率无相关关系,且两者对水质富营养化程度的响应也不一致。这些结果说明非生物因子,特别是沉积物理化性质,是影响沉积物硝化作用的关键因子。3.沉水植被退化是湖泊富营养化引起的严重生态问题,洪湖是长江中下游典型的浅水湖泊,其沉水植被覆盖表现出明显的水位梯度。通过对洪湖沉积物氮循环速率的时空变化研究,结果表明,无沉水植物覆盖区的硝化作用高于多年生和季节性生长沉水植物覆盖区,沉水植物覆盖与否对沉积物反硝化作用无显著影响。此外,植物覆盖对沉积物脱氮途径相关的功能基因无显著影响。沉积物氮循环速率和相关功能基因丰度呈现出明显的季节性变化,最高的硝化速率出现在九月份,而最高的反硝化速率出现在十二月份。沉积物脱氮途径的季节性变化主要受水质、沉积物理化性质的影响,与沉水植物的覆盖与否或者相关功能基因丰度无显著相关。因此,尽管沉水植物修复有利于提高水质,但没有显著提高沉积物的脱氮能力。4.选取长江中下游湖泊常见的3种沉水植物进行温室控制实验,探讨沉水植物对沉积物反硝化作用及其相关功能基因丰度的影响。结果表明,沉水植物及其物种丰富度对沉积物反硝化作用并无显著影响,且沉水植物类型对反硝化功能基因丰度也无显著影响。控制实验进一步验证,水质、沉积物理化性质是影响沉积物反硝化作用及其相关功能基因丰度的主要因子。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院武汉植物园)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X52
【部分图文】：
图１．１研究技术路线图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｔｅｃｈｎｉｃａｌ邋ｒｏｕｔｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ逡逑
２．２实验方法逡逑２．２．１实验地点逡逑２０１３年６月，我们随机选择了邋１０个长江中下游湖泊（图２．１）。这些湖泊逡逑均为浅水湖泊，平均深度不超过４邋ｍ。其中，磁湖面积最小，仅８．１５邋ｋｍ２；太逡逑湖面积最大，约２３３８邋ｋｍ２。采样时，我们沿着湖岸带到湖心设置一条采样带，逡逑等距离的选择３－４个采样点。湖岸带样点的深度－般浅于２邋ｍ，距离湖岸约１００逡逑－２００邋ｍ（Ｌｉｕｅｔａｌ．，邋２０１５）。在每个采样点周围２０ｍ２范围内，使用自制采泥器逡逑随机重复采集表层２邋ｃｍ的沉积物，混合均匀作为－份沉积物样品。如遇有沉水逡逑植物覆盖的样点，同时也收集附着在根系的沉积物。逡逑１０８°邋Ｅ逦１１０°邋Ｅ逦１１２°邋Ｅ逦Ｉ１４°Ｅ逦ＩＩ６°Ｅ逦１Ｉ８°Ｅ逦１２０°邋Ｅ逡逑＇邋＇邋＇邋？，卜；）￣１逦＇逡逑？邋Ｓｔｕｄｙ邋ｌａｋｅｓ逡逑＂Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ逡逑Ｍｉｄｄｅｌｅ邋ａｎｄ邋ｌｏｗｅｒ邋Ｙａｎｇｔｚｅ邋Ｒｉｖｅｒ邋ｂａｓｉｎ逦■■邋ｗａｔｅｒ邋ｂｏｄｙ邋、ｘ逡逑■邋Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ逡逑Ｙ逦□邋Ｂｕｉｌｔ－ｕｐ邋ｌａｎｄ逡逑ｆ＾ｒ邋ｍ逦Ｋｉｌｏｍｅｔｅｒｓ逡逑０邋５０邋１００逦２００逦３００邋－２４°邋Ｎ逡逑图２．１长江中下游流域１０个懫样湖泊位点逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．１邋Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋１０邋ｓｔｕｄｉｅｄ邋ｌａｋｅｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋Ｙａｎｇｔｚｅ邋Ｒｉｖｅｒ邋ｂａｓｉｎ
１９２．７邋ｎｇＮＣ＾－Ｎｇ－１！！－１邋（表２．５）。超富营养化样点的潜在硝化作（２３９．８邋士逡逑７５．９邋ｎｇＮＯｊ－Ｎｇ一１ｈ－１）略高于富营养化（１８５＿４±２０１．１邋ｎｇＮＯｆ－Ｎｇ－ｉｈ—１）和逡逑中营养化样点（１５５．５±２１５．４邋ｎｇＮＯＪ－Ｎｇ－１！）－１，图２．３）。潜在硝化作用与Ｃｈｌ－ｏ逡逑含量（／？２邋＝邋0．１５，ｐ邋＝邋0．0２６），ＳＴｃ邋（充２＝０．；ｌ７，ｐ邋＝邋0．0ｉ５），和邋ＳＴＮ（／？２邋＝逡逑０．３３，邋Ｐ＜邋０．００１）正相关（图２．４）。然而，潜在硝化作用与沉水植物特性并无逡逑相关性。此外，潜在硝化作用和硝化微生物群落之间也无相关性（图２．５）。逡逑４００邋逦邋逦邋逦逦逡逑丁邋［□邋Ｍｅｓｏｔｒｏｐｈｉｃ邋ｓｉｔｅｓ邋（Ｎ＝６）逡逑——逦画邋Ｅｕｔｒｏｐｈｉｃ邋ｓｉｔｅｓ邋（Ｎ＝２１）逡逑■Ｉ邋Ｈｙｐｅｒｔｒｏｐｈｉｃ邋ｓｉｔｅｓ邋（Ｎ＝８）逡逑３００邋－逡逑？２逡逑ｇ，逦逦逡逑Ｉ邋２００邋－逦＿S缅义希桑㈠义希殄澹危桑海唬危戾义贤迹玻巢煌坏愠粱锴痹谙趸饔盟俾剩ㄆ骄
本文编号：2819680
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院武汉植物园)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X52
【部分图文】：
图１．１研究技术路线图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｔｅｃｈｎｉｃａｌ邋ｒｏｕｔｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ逡逑
２．２实验方法逡逑２．２．１实验地点逡逑２０１３年６月，我们随机选择了邋１０个长江中下游湖泊（图２．１）。这些湖泊逡逑均为浅水湖泊，平均深度不超过４邋ｍ。其中，磁湖面积最小，仅８．１５邋ｋｍ２；太逡逑湖面积最大，约２３３８邋ｋｍ２。采样时，我们沿着湖岸带到湖心设置一条采样带，逡逑等距离的选择３－４个采样点。湖岸带样点的深度－般浅于２邋ｍ，距离湖岸约１００逡逑－２００邋ｍ（Ｌｉｕｅｔａｌ．，邋２０１５）。在每个采样点周围２０ｍ２范围内，使用自制采泥器逡逑随机重复采集表层２邋ｃｍ的沉积物，混合均匀作为－份沉积物样品。如遇有沉水逡逑植物覆盖的样点，同时也收集附着在根系的沉积物。逡逑１０８°邋Ｅ逦１１０°邋Ｅ逦１１２°邋Ｅ逦Ｉ１４°Ｅ逦ＩＩ６°Ｅ逦１Ｉ８°Ｅ逦１２０°邋Ｅ逡逑＇邋＇邋＇邋？，卜；）￣１逦＇逡逑？邋Ｓｔｕｄｙ邋ｌａｋｅｓ逡逑＂Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ逡逑Ｍｉｄｄｅｌｅ邋ａｎｄ邋ｌｏｗｅｒ邋Ｙａｎｇｔｚｅ邋Ｒｉｖｅｒ邋ｂａｓｉｎ逦■■邋ｗａｔｅｒ邋ｂｏｄｙ邋、ｘ逡逑■邋Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ逡逑Ｙ逦□邋Ｂｕｉｌｔ－ｕｐ邋ｌａｎｄ逡逑ｆ＾ｒ邋ｍ逦Ｋｉｌｏｍｅｔｅｒｓ逡逑０邋５０邋１００逦２００逦３００邋－２４°邋Ｎ逡逑图２．１长江中下游流域１０个懫样湖泊位点逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．１邋Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋１０邋ｓｔｕｄｉｅｄ邋ｌａｋｅｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋Ｙａｎｇｔｚｅ邋Ｒｉｖｅｒ邋ｂａｓｉｎ
１９２．７邋ｎｇＮＣ＾－Ｎｇ－１！！－１邋（表２．５）。超富营养化样点的潜在硝化作（２３９．８邋士逡逑７５．９邋ｎｇＮＯｊ－Ｎｇ一１ｈ－１）略高于富营养化（１８５＿４±２０１．１邋ｎｇＮＯｆ－Ｎｇ－ｉｈ—１）和逡逑中营养化样点（１５５．５±２１５．４邋ｎｇＮＯＪ－Ｎｇ－１！）－１，图２．３）。潜在硝化作用与Ｃｈｌ－ｏ逡逑含量（／？２邋＝邋0．１５，ｐ邋＝邋0．0２６），ＳＴｃ邋（充２＝０．；ｌ７，ｐ邋＝邋0．0ｉ５），和邋ＳＴＮ（／？２邋＝逡逑０．３３，邋Ｐ＜邋０．００１）正相关（图２．４）。然而，潜在硝化作用与沉水植物特性并无逡逑相关性。此外，潜在硝化作用和硝化微生物群落之间也无相关性（图２．５）。逡逑４００邋逦邋逦邋逦逦逡逑丁邋［□邋Ｍｅｓｏｔｒｏｐｈｉｃ邋ｓｉｔｅｓ邋（Ｎ＝６）逡逑——逦画邋Ｅｕｔｒｏｐｈｉｃ邋ｓｉｔｅｓ邋（Ｎ＝２１）逡逑■Ｉ邋Ｈｙｐｅｒｔｒｏｐｈｉｃ邋ｓｉｔｅｓ邋（Ｎ＝８）逡逑３００邋－逡逑？２逡逑ｇ，逦逦逡逑Ｉ邋２００邋－逦＿S缅义希桑㈠义希殄澹危桑海唬危戾义贤迹玻巢煌坏愠粱锴痹谙趸饔盟俾剩ㄆ骄
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