崇明东滩湿地沉积物氮素动态变化的干湿交替驱动机制

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滨海湿地是海陆相互作用的敏感地带。随着沿海经济的高速发展与环境污染的加剧,滨海湿地的氮“汇”功能日趋增强。以往研究较为系统的阐述了水分、温度、植被等对湿地沉积物氮素转化的影响。然而,围绕滨海湿地周期明显且伴随盐分表聚与淋洗的干湿交替物理格架特征探索氮素动态变化特征与机制的研究目前还很不充分。本论文以典型滨海湿地——崇明东滩为原型区域,采集湿地沉积物与海水样品,通过土柱实验方法,分别模拟半月潮、日潮、持续淹水与干燥等周期性干湿交替水分生态过程,借助流动注射分析、稀释培养计数法(MPN)以及土壤酶学等技术与方法,较为系统的研究了干湿交替过程沉积物硝态氮(NO3--N)、亚硝态氮(NO2--N)、铵态氮(NH4+-N)、全氮(TN)、溶解性有机氮(DON)含量以及硝酸还原酶(Nar)、亚硝酸还原酶(Nir)、羟胺还原酶(Hyr)、脲酶(Urease)活性与硝化与反硝化细菌数量等的变化特征,以期揭示滨海湿地沉积物氮素动态变化的干湿交替驱动机制。   研究结果表明:   (1)半月潮干湿交替过程中:①沉积物含水量变化在37-54%范围时,NO3--N、NO2--N、NH4+-N含量较为稳定;NH4+-N含量随温度的升高明显降低,15、20、25℃下其分别变化在73.1±30.0、16.2±30.2、6.3±29.9mg·kg-1。②变干期间(沉积物含水量从48-53%降至27-30%),NH4+-N含量迅速下降,均从90.0mg·kg-1左右降低到20.0mg·kg-1左右;与此同时,NO3--N含量迅速增加。③TN含量较为稳定;DON含量随温度的增加迅速降低。④含水量变至37-54%时,Nar、Nir活性相对稳定的维持在较高的活性水平,此后,随着含水量的降低,Nar、Nir活性明显下降。Hyr活性变异较高。⑤随着沉积物的变干(含水量从45-50%降低到10-8%),Urease活性迅速下降;此后当含水量从7-10%增加到37-54%时,Urease活性迅速增加,增幅为6-8倍;随着温度的增加,Urease活性显著增加。⑥随着含水量的降低,硝化细菌数量迅速增加;但当含水量进一步降低时,(30-7%),硝化细菌数量迅速下降;反硝化细菌数量随含水量降低而降低。⑦沉积物NO3--N含量、NO2--N含量与Nar活性动态变化显著相关;DON含量与Urease活性显著相关。   (2)日潮干湿交替过程中:①沉积物无机氮含量较为稳定。其中,NH4+-N含量显著高于NO3--N、NO2--N含量。②随着温度的增加,沉积物DON含量迅速降低,TN含量变化相对稳定。③Nar、Nir活性、硝化细菌和反硝化细菌数量较为稳定。Hyr活性波动较大。④随着温度(15-25℃)的增加,Urease活性显著升高,升幅约为2-3倍。   (3)持续淹水过程中:①沉积物NH4+-N含量随着培养时间的延长逐渐降低。②随着温度的增加,DON含量迅速降低;TN含量较为稳定。③Nar、Nir活性的变化较为稳定,Hyr与Urease活性剧烈波动。   (4)变干过程中:①当含水量变化在50-8%时,NO3--N含量逐渐增加。NH4+-N含量明显降低。②15、20、25℃时,TN含量相对稳定,DON含量迅速降低。③Urease活性随含水量降低迅速下降,Hyr活性波动较高。④无机氮、TN和DON含量均与酶活性无明显显著关系。   (5)初步探讨了滨海湿地干湿交替过程沉积物无机氮的损失特征,提出了相应的调控措施。   论文研究不仅对进一步认识滨海湿地生态系统氮素循环与损失具有重要意义,而且有望为N2O排放的调控措施研究提供新的思路。
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