长江口潮滩湿地土壤氧化亚氮排放及其影响机制

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:liongliong571
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氧化亚氮(N2O)是重要温室气体之一,在全球变化研究中备受关注。河口潮滩湿地是海陆交互的关键地带,其生态系统复杂多样,且是大气中N2O的重要自然来源之一,但其产生和消耗过程动态尚不明晰。盐度梯度、潮汐波动、盐沼植被和底栖动物活动是河口潮滩湿地最为显著的特征,也是调节潮滩湿地生物地球化学过程循环的重要因素。近几十年来,人类活动加剧,河口近岸生态环境受到严重的威胁。系统研究盐度梯度、盐沼植被、潮汐水淹频率和底栖动物影响下潮滩湿地土壤N2O排放过程动态特征对于更好地认识河口湿地N2O循环及其对海平面上升、盐水和植物入侵以及潮滩退化等环境变化的响应具有重要的意义。基于此,本文以长江口为研究区,利用同位素自然丰度技术,围绕河口盐度梯度、植被类型、水淹频率以及蟹类活动影响下潮滩湿地土壤N2O产生和消耗过程开展研究,揭示N2O排放的主要驱动力,以期为全球变化背景下河口湿地生态系统氮循环及N2O温室减排提供科学参考。主要研究结果如下:(1)长江口盐度梯度下,潮滩湿地土壤N2O排放速率介于0.70-2.15μmol m-2 h-1,从至咸水淡水,N2O排放总体呈增加趋势,且夏季大于冬季。N2O同位素特征值δ15Nbulk、δ18O和SP(δ15Nα15Nβ)分别为-4.49-6.65‰、42.39-53.17‰和7.26-8.78‰,δ15N-N2O从咸水至淡水呈下降趋势,δ18O-N2O有所增加,而SP-N2O无明显变化规律。总N2O产生和消耗速率沿长江口盐度梯度的分布特征与N2O排放相似,而N2O还原(消耗)比例由咸水至淡水有所降低,这驱动着长江口盐度梯度下N2O排放的空间变异特征。还原-混合和混合-还原场景下细菌反硝化(硝化细菌反硝化和反硝化)对N2O产生的贡献分别为96.62–99.63%和78.22–97.36%,而羟胺氧化贡献分别为0.77–3.38%和2.64–21.78%。从长江口咸水至淡水区域,细菌反硝化过程对N2O的贡献有所降低,羟胺氧化的贡献则略有增加。沿长江口盐度梯度,碳氮可利用性基质、pH、盐度和硫化物等的变化影响着硝化与反硝化过程以及总N2O产生和消耗,进而调节N2O排放。(2)夏季芦苇和互花米草湿地土壤N2O排放速率总体上低于裸滩和海三棱藨草湿地,而冬季无明显差异。芦苇、互花米草和海三棱藨草湿地δ15N-N2O显著高于裸滩,而芦苇和互花米草湿地SP-N2O总体大于海三棱藨草和裸滩湿地,但各群落站点间δ18O-N2O无明显差异。芦苇和互花米草湿地总N2O产生和消耗速率及其消耗比例高于裸滩和海三棱藨草湿地。同位素分析(混合-还原场景)结合乙炔抑制表明,反硝化作用(69.83–80.09%)是N2O来源的主导过程,羟胺氧化(4.52–12.62%)和硝化细菌反硝化(13.87–21.58%)也有实质性作用。外来物种互花米草入侵总体上降低了反硝化对N2O源的贡献,但一定程度增加了羟胺氧化和硝化细菌反硝化的贡献。植被通过影响土壤孔隙含水量、pH、硫化物和碳氮含量,改变微环境,进而调控N2O产生和消耗及其排放。(3)沿潮滩高程,随着潮汐水淹频率增加,土壤N2O排放速率总体降低。δ15N-N2O总体随水淹频率增加而增加,而δ18O-N2O和SP-N2O表现为先降低后增加的趋势。总N2O产生和消耗速率随水淹频率增加也呈先降低后升高的趋势,而N2O还原(消耗)比例逐渐增加。增加的N2O消耗程度是N2O排放速率随水淹频率增加呈降低的关键驱动力。随水淹频率增加,细菌反硝化对N2O的贡献有所增加,而羟胺氧化的贡献总体逐渐降低。潮汐水淹频率引起土壤氧化还原环境和碳氮基质可利用性的变化是N2O排放速率空间变异的重要影响因素。(4)室内短期培养实验表明,蟹类活动总体上促进了土壤N2O排放。为期30天培养后,螃蟹组总N2O产生和消耗速率总体上高于对照组,但N2O还原(消耗)比例无明显变化。螃蟹活动一定程度增加了羟胺氧化对N2O产生的贡献,但降低了细菌反硝化的贡献。螃蟹扰动改变土壤紧实性和通透性以及碳氮可利用性含量是影响N2O排放过程动态变化的主要潜在因素。(5)总体上看,长江口盐度梯度、植被类型、潮汐水淹频率和蟹类活动影响下土壤N2O排放过程动态具有明显变异特征。同位素自然丰度分析能够为河口湿地N2O产生和消耗过程提供重要信息,有助于加深N2O排放动态的认识。研究结果也表明河口波动厌氧-好氧潮滩环境中,硝化过程和N2O还原(消耗)在其N2O释放中具有重要的作用。
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