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受全球气候变化导致的海平面上升,以及长江口流域大型涉水工程的影响,长江口盐水入侵进一步加剧。盐水入侵加剧会改变河口滨岸潮间带沉积物微生物呼吸与碳降解等一系列生物地球化学过程,影响群落的碳循环。盐水入侵加剧对CH4生化反应及相关微生物的影响,是环境地学、全球变化和微生物生态学等相关领域内的热点科学问题。本研究以国家自然科学基金项目(NO.41473094)“河口湿地植被对甲烷和氧化亚氮产生与排放的影响及其控制机制”为依托,选取长江口作为典型研究区,采用室内和野外实验相结合的方式开展了以下三个方面的工作:1)长江口盐度梯度变化下的沉积物CH4产生、氧化与排放特征;2)盐水入侵对河口潮滩湿地有机碳含量和分解的影响;3)CH4相关微生物与CH4净产生速率对盐水入侵响应的联系。主要结论如下:(1)在研究期间,潮滩沉积物孔隙水CH4浓度在1.4×10-3~515.54mg·L-1之间变化。在长江口冬春季节盐度入侵加剧和温度较低的双重影响下,沉积物孔隙水CH4浓度表现为夏季高、冬季低的时间变化特征;在空间变化上,吴淞口的沉积物孔隙水CH4浓度最高,启东最低。孔隙水CH4浓度随着深度逐渐增加至平稳,在相应深度出现了跳跃性变化,表现为冬季的孔隙水CH4浓度跳跃变化深度深于其余三个季节。植被覆盖会增大沉积物孔隙水CH4浓度。潮滩沉积物-大气界面CH4扩散通量在0.03~4235.65mg·m-2·day-1之间变化,沉积物甲烷产生层的产CH4速率在0.79~1.67×104mg·m-2·day-1之间变化。二者时空变化特征与沉积物孔隙水CH4浓度的时空变化特征类似。Pearson相关分析结果显示沉积物孔隙水CH4浓度与含水率、NO3--N和SO42-浓度之间均存在显著的负相关关系(P<0.05);沉积物-大气界面CH4扩散通量与表层孔隙水CH4浓度之间存在显著正相关关系(P=0.000);产生层内CH4的产生速率与盐度之间存在显著的负相关关系(P<0.05),表明盐度增加能显著抑制潮滩沉积物CH4的产生;潮滩沉积物-大气界面CH4扩散通量与盐度之间存在显著的负相关关系(P<0.05),表明盐度增加能显著抑制潮滩沉积物CH4的排放;沉积物CH4浓度突变层的氧化率与盐度之间的相关性不显著(P>0.05),表明在本次研究中,盐度不是影响表层沉积物的CH4氧化作用的主要因素。(2)长江口不同盐度区域沉积物有机碳含量和碳储量均在植被覆盖下的沉积物中高,在光滩中低。在盐水入侵的室内模拟实验中,不同盐度处理下的沉积物有机碳含量和碳储量差异显著(P<0.05),表现出0‰>5‰>10‰>20‰>30‰的变化规律。表层有机碳含量和碳储量高于底层。野外埋设实验中,不同移植环境对沉积物有机碳含量和碳储量有显著影响(P<0.05),实验组(南汇-吴淞口)沉积物有机碳含量和碳储量显著高于对照组(南汇-南汇)。用CO2与CH4的产生量和来表征沉积物有机碳的分解损失量。长江口不同盐度区域沉积物CO2与CH4产生量和的季节差异显著(P<0.05),在夏季最高,达到了5.87±0.72mg;冬季最低,为4.40±0.51mg。空间差异显著(P<0.05),在西滩最高,在南汇光滩最低。在自然环境中,CO2是主要的有机碳分解产物,占分解总量比例的99%以上。在室内模拟盐水入侵实验中,不同盐度处理结果下的CO2与CH4产生量和差异显著(P<0.05),表现出0‰<5‰<10‰<20‰<30‰的变化规律。在室内模拟实验中,CO2是主要的有机碳分解产物,分解的有机碳占总量的99%以上,且随着盐度增加,CO2所占比例也随之增加。在野外埋设实验中,实验组表层和下层沉积物CO2与CH4的产生量和均显著高于对照组(P<0.05)。Pearson相关分析结果显示在自然环境中,沉积物有机碳含量与盐度之间存在负相关关系,但是相关性不显著(P>0.05),而在室内模拟实验中沉积物有机碳含量与盐度之间存在显著的负相关关系(P<0.05)。碳储量与盐度之间的关系与有机碳类似。自然环境下沉积物CO2与CH4的产生量和与盐度之间存在正相关关系,但相关性不显著(P>0.05)。而在模拟盐水入侵实验中的沉积物CO2与CH4产生量和与盐度之间存在极其显著的正相关关系(P<0.05),表明随着盐水入侵的进一步加剧,有机碳分解进一步加剧,潮滩的有机碳储量会明显减少。(3)盐水入侵后,产甲烷菌和甲烷氧化菌的菌群数量和沉积物CH4的净产生速率都出现一致的响应。长江口不同盐度区域沉积物内部CH4净产生速率的季节差异显著(P<0.05),在夏季最高,冬季最低。在空间差异上,在吴淞口最高,在南汇光滩最低。植被能显著增加沉积物的CH4净产生速率(P<0.05)。在盐水入侵的室内模拟实验中,不同盐度处理下的CH4净产生速率差异显著(P<0.05),表现出0‰>5‰>10‰>20‰>30‰的变化规律。在野外埋设实验中,实验组表层和下层沉积物CH4产生速率均高于对照组。在室内模拟实验中,产甲烷菌菌群数量的范围是1.09×106~1.75×106copies·g-1,甲烷氧化菌菌群数量的范围是1.00×105~1.65×106copies·g-1。随着盐度的增加,产甲烷菌和甲烷氧化菌绝对数量不断减少。在野外埋设实验中,实验组的产甲烷菌和甲烷氧化菌菌群数量与对照组相比均有所增加。Pearson相关分析结果显示无论是在自然盐度环境下还是在模拟盐水入侵的室内实验下,沉积物CH4的净产生速率与盐度之间存在极其显著的负相关关系(P=0.000),表明盐度增加能显著抑制沉积物CH4的净产生。此外,CH4的净产生速率与有机碳含量之间存在着显著的正相关关系(P=0.000),表明盐度可以通过改变沉积物中有机碳含量,影响产CH4过程所需的底物和能量,最终影响沉积物CH4的净产生速率。另一方面,Pearson相关分析结果显示产甲烷菌菌群数量与沉积物有机碳含量之间存在显著的正相关关系(P=0.002),表明盐水入侵后引起的有机碳含量降低会影响CH4相关微生物的菌群数量,尤其是产甲烷菌,从而抑制CH4的净产生。