水文驱动下鄱阳湖湿地土壤有机碳存储和转化的微生物学机制研究

来源 :南昌大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:jaredchen123
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湿地生态系统是全球最重要的碳库之一,对于实现全球碳平衡、缓解气候变化极为重要。然而,受气候和人为活动的影响,全球水文格局正在发生着剧烈的变化,导致了湖泊湿地水文环境的改变。但这种变化对于湿地碳汇功能的影响缺乏科学评估。微生物作为湖泊系统的重要组成部分,其主导的有机碳转化是维持生态系统碳平衡的关键一环。因此,本研究聚焦于水文变化驱动下微生物对于湿地有机碳存储和转化的时空动态,探究水文节律调控湿地碳储存的具体过程和机制。本研究以鄱阳湖湿地为研究对象,结合傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、三维荧光光谱(EEM)、q-PCR、16S r RNA基因高通量测序、土壤酶活性、Biolog等技术,对比分析了不同类型湿地土壤(包括河口、泥滩、湖心和植被区)在不同水文条件(干湿季节)、不同植被影响下的土壤碳储存(包括碳含量和有机质组成)、微生物群落结构及碳代谢特征。得到了以下主要结论:(1)鄱阳湖不同类型湿地土壤的碳储存和代谢特征存在较大差异。河口和泥滩区土壤有机碳(SOC)含量(5.82 g/kg和6.65 g/kg)远低于湖心(14.10 g/kg)和植被区(14.26 g/kg)。与高碳区(湖心和植被区)相比,低碳区(河口和泥滩区)溶解性有机质(DOM)更顽固(高SUVA254、SUVA260和腐殖化指数)且不易被微生物利用(低生物降解指数),同时土壤细菌的丰度、物种联系(共现网络)以及土壤酶活性均较低。同时还发现,河口区土壤微生物对碳水化合物的相对利用能力较高,而泥滩区则倾向于利用多聚物和氨基酸类碳。与河口和泥滩区不同,高碳区(湖心和植被区)DOM更易被微生物利用,同时具有较高的细菌丰度、种群连接度。此外,相较而言,湖心区湿地土壤具有较高的酚氧化酶(Phox)和过氧化物酶(Pero)活性,更倾向于利用羧酸类碳源,同时具有较强的CH4释放潜力。植被区土壤微生物具有较强的β-木糖苷酶(Bxyl)、乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和磷酸酶(Phos)活性,更倾向于利用酚酸类碳源,同时具有较强的CO2释放潜力。以上结果表明湖心和植被区作为重要的碳储区,均进行着较强且不同的碳转化过程,分别更倾向于生成CH4和CO2。(2)水文季节变化对湿地土壤碳储存和代谢特征的影响十分显著。湖心和植被区在雨季的SOC含量显著高于旱季(p<0.05),而河口区则相反。与雨季相比,河口和湖心区在旱季均表现出更高的细菌丰度、β-葡萄糖苷酶(Bglu)和NAG活性和碳代谢潜力,同时具有较强的CO2释放潜力。湖心区DOM在旱季表现出更高的分子量(Sr)和生物指数(BIX),同时还表现出较强的碳代谢能力。但湖心区细菌群落结构(包括组成和共现网络特征)相对较为稳定。而植被区微生物群落及其驱动的碳代谢过程均受水文季节影响较大,而有机质组成(SOM和DOM)受季节变化影响较小。与旱季相比,植被区在雨季表现出更高的水解酶活性(Bglu、Bxyl和NAG)和碳代谢潜力。此外,而湖心和植被区在雨季表现出更高的产CH4潜力。本研究明晰了内陆湖泊系统不同区域土壤碳储存与转化特征对干湿季节变化响应的不一致性。(3)洲滩湿地的水位高程差形成了陡峭的生物地球化学梯度(其中土壤含水量、p H、SO42-随高程升高而降低,而电导率和NO3--N则相反),使得不同高程下的湿地土壤碳储存和代谢特征存在巨大差别。从湖心至湖岸,SOC氧化稳定性,DOM的SUVA254、SUVA260和HIX值、细菌丰度以及CO2潜力均逐渐升高。同时,随着水位高程的增加,Chloroflexi的相对丰度逐渐升高,而Proteobacteria,Latescibacteria,Verrucomicrobia和Planctomycetes逐渐下降。此外,相对于植被覆盖区,还发现位于低洼的常年淹水区具有更高细菌多样性、较强的Bglu、Phox和Pero活性,同时表现出最高的产CH4潜力。除了水位高程,地上植物也是影响土壤碳储存和转化的重要因素。相较而言,苔草(植物体包含更高丰度的纤维素)覆盖区具有更高的Bxyl、NAG、Phos活性和碳代谢潜力,且更倾向于利用碳水化合物类碳源。而南荻(具有更高的地上生物量、植物体包含更高丰度的木质素)覆盖区SOC最高,且包含更高丰度的芳香族化合物。同时南荻覆盖区土壤微生物更倾向于利用酚酸类碳源。本研究强调了水位高程和地上植被(通过塑造有机质组成)共同决定了洲滩湿地土壤的碳代谢过程。本研究强调了微生物驱动的碳代谢过程在湖泊系统不同区域、不同水文季节间存在着巨大差异。同时深入分析了水位高程和地上植被对洲滩湿地土壤碳动态的影响,加深了我们对湖泊湿地碳储存与转化的认识,为提升湿地碳汇能力提供了理论依据。
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