论文部分内容阅读
近年来,随着工农业的发展,大量的活性氮通过河流、地下水以及大气沉降等方式进入到河口湿地生态系统。有研究表明,入海河流的氮负荷在河口地区会削减一半。河口湿地作为海陆交互地带,水动力条件十分复杂,潮汐、径流、波浪、风暴潮等都会引起沉积物再悬浮。沉积物的再悬浮对河口地区脱氮过程起着至关重要的作用。反硝化和厌氧氨氧化是河口生态系统最主要的脱氮途径。由于反硝化和厌氧氨氧化过程被认为是在缺氧或厌氧环境中发生,现有对反硝化和厌氧氨氧化过程及其影响机制的研究主要集中在沉积物或沉积物-水界面,针对高浊度上覆水体的研究较为少见。河口地区在潮汐和径流相互作用下,会形成不同盐度梯度,也会造成潮滩发育完全形成不同水淹梯度的高、中、低潮滩。因此,以不同盐度和水淹梯度为背景,开展沉积物再悬浮对河口潮滩上覆水体反硝化和厌氧氨氧化过程影响的研究,对于深化河口地区脱氮过程的理论认识、评估氮素的收支平衡具有一定的科学和现实意义。为此,本论文以长江口潮滩作为研究区域,采用15N同位素示踪技术,通过室内模拟实验,探讨了沉积物再悬浮对不同盐度和水淹梯度上覆水体反硝化和厌氧氨氧化过程的影响及其微生物作用机制,分析了再悬浮条件下,耦合硝化反硝化及耦合硝化厌氧氨氧化过程,估算了反硝化和厌氧氨氧化过程对河口地区的脱氮贡献,并进一步分析了再悬浮造成的生态环境效应。取得的主要研究结果如下:(1)长江口潮滩上覆水体在沉积物再悬浮条件下,不同盐度梯度反硝化速率介于52.093492.08 mg N m-22 d-1,厌氧氨氧化速率为2.47143.54 mg N m-22 d-1;不同水淹梯度下反硝化速率介于27.07393.29 mg N m-22 d-1,厌氧氨氧化速率为18.15178.55 mg N m-22 d-1。总体上,反硝化和厌氧氨氧化速率随着沉积物再悬浮浊度的增加而增大,但当浊度值增大到一定值时,其过程速率逐渐趋于平缓。此外,随着沉积物再悬浮浊度的增加,水体中反硝化细菌nirS基因与厌氧氨氧化细菌16S rRNA基因丰度均呈增加趋势,这表明沉积物再悬浮引起水体中相关脱氮功能菌群丰度的增加是反硝化和厌氧氨氧化速率增加的重要原因。沉积物再悬浮条件下,不同潮滩环境水体反硝化与厌氧氨氧化速率变化也有所不同,其主要受沉积物总有机碳含量的控制。(2)再悬浮条件下,高、中、低潮滩耦合硝化反硝化的速率介于5.27346.81mg m-22 d-1之间,占反硝化速率的72%83%,随浊度的增加其速率与占比呈递增趋势。耦合硝化厌氧氨氧化速率为4.13157.74 mg m-22 d-1,占厌氧氨氧化的71%83%,随着浊度的增加其速率与占比逐渐增大。二者在研究区域内均表现出明显的空间变化。长江口再悬浮条件下,耦合脱氮是主要的脱氮过程。(3)根据本研究模拟得出的平均反硝化速率和厌氧氨氧化速率,估算上覆水体反硝化脱氮量为1.93×106 kg yr-1,厌氧氨氧化脱氮量为9.80×104 kg yr-1。不悬浮时,估算上覆水体反硝化脱氮量为1.03×105 kg yr-1,厌氧氨氧化脱氮量为1.21×104 kg yr-1。表明由再悬浮引起的脱氮过程对河口生态系统氮循环过程产生了重要的影响,并且反硝化过程是主要的脱氮过程。受沉积物再悬浮影响,其对活性氮的削减过程增强,可以有效缓解氮过量引起的水体富营养化等现象,并且可以弥补一部分氮的收支不平衡。但是,据估算,再悬浮可以造成N2O排放量达2.01×105 kg yr-1。沉积物再悬浮对温室气体N2O释放速率的促进作用,属于负面生态环境效应,会对生态环境造成一定程度的影响。