閩江河口濕地土壤CH4產(chǎn)生與氧化速率對外源氮、硫添加的響應(yīng)

胡敏杰,鄒芳芳,任 鵬,黃佳芳,4,李冬冬,仝 川,4,*

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福州 350007 2 福建師范大學(xué)亞熱帶濕地研究中心,福州 350007 3 福建農(nóng)林大學(xué)安溪茶學(xué)院,福州 350002 4 福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶生態(tài)地理-過程教育部重點實驗室,福州 350007

閩江河口濕地土壤CH4產(chǎn)生與氧化速率對外源氮、硫添加的響應(yīng)

胡敏杰1,2,鄒芳芳3,任 鵬1,2,黃佳芳1,2,4,李冬冬1,2,仝 川1,2,4,*

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福州 350007 2 福建師范大學(xué)亞熱帶濕地研究中心,福州 350007 3 福建農(nóng)林大學(xué)安溪茶學(xué)院,福州 350002 4 福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶生態(tài)地理-過程教育部重點實驗室,福州 350007

產(chǎn)生/氧化速率；CH4；氮、硫添加；潮汐濕地；閩江河口

CH4作為重要的溫室氣體,其在100年時間尺度上的增溫效應(yīng)是CO2的34倍,自1750年以來,其濃度增加了105%,達(dá)到了1803×10-9[1]。研究已證實,土壤是CH4最重要的“源”或“匯”[2],源/匯功能的轉(zhuǎn)換主要取決于厭氧環(huán)境下CH4產(chǎn)生菌產(chǎn)生的CH4和好氧環(huán)境下CH4氧化菌吸收的CH4間的平衡[3],土壤環(huán)境條件的微小變化都會引起CH4產(chǎn)生、氧化過程的顯著變化。自工業(yè)革命以來,人類活動已顯著改變了全球氮、硫循環(huán)[4-5]。尤其是我國氮、硫沉降不斷增強,已成為繼歐美之后世界第3大氮、硫沉降區(qū)[6-7]。探討CH4產(chǎn)生、氧化過程及其對外源氮、硫添加的響應(yīng),對于估算和揭示全球變化背景下生態(tài)系統(tǒng)CH4排放及其關(guān)鍵機制具有重要意義。

濱海河口濕地處于海陸交互地帶,是對全球變化和人類活動響應(yīng)敏感的生態(tài)系統(tǒng)[14]。作為陸源營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入濱海的最后一道生態(tài)屏障,河口沼澤濕地在營養(yǎng)物入海之前可吸納大量的氮、硫等物質(zhì),從而扮演著一個十分重要的緩沖帶角色。近年來,由于人類活動強度的不斷提升導(dǎo)致沿海流域向受納河口輸出的氮、硫通量不斷增加。入海河口區(qū)氮、硫負(fù)荷增強已成為改變河口/濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)最重要的因素之一[15-16],氮、硫負(fù)荷增強對河口沼澤濕地生物地球化學(xué)循環(huán)的影響研究也成為當(dāng)前全球環(huán)境研究的熱點[17-18]。閩江地處中亞熱帶與南亞熱帶過渡區(qū),是我國重要入海河流之一。閩江口鱔魚灘濕地是閩江流域最大的自然濕地,承接著來自中上游排放以及潮汐攜帶的大量含氮、硫物質(zhì)。研究土壤CH4代謝過程對于這種高氮、硫,尤其是不同形態(tài)氮、硫添加的響應(yīng),對于認(rèn)識河口濕地土壤碳氮循環(huán)過程及其對環(huán)境變化的響應(yīng)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

閩江河口鱔魚灘濕地是福建省閩江河口濕地自然保護(hù)區(qū)內(nèi)面積最大的自然濕地(26°00′36″—26°03′42″N,119°34′12″—119°40′40″E)。該區(qū)氣候?qū)賮啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候,溫暖濕潤。潮汐屬典型半日潮,是典型的開放式感潮河口。土壤以濱海鹽土為主[17]。蘆葦(Phragmitesaustralis)、短葉茳芏(Cyperusmalaccensisvar.brevifolius)和藨草(Scirpustriqueter)是該區(qū)的土著優(yōu)勢植物,相互之間呈斑塊狀鑲嵌分布。本研究在鱔魚灘濕地西側(cè)高潮灘短葉茳芏濕地選擇一個典型樣區(qū)進(jìn)行土樣采集,其基本理化性質(zhì)見表1。

表1 閩江河口潮汐濕地土壤基本理化性質(zhì)

表中數(shù)值為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；原位土樣采集時間為2015年7月；n=10

1.2 土樣采集與氮、硫添加

2015年7月,在閩江河口鱔魚灘短葉茳芏潮汐濕地采用多點混合的方法,多點采集0—15cm土層土壤,去除表層腐質(zhì)層后混合在一起。將采集的土樣用自封袋密封帶回實驗室,自然風(fēng)干后剔除根系和砂礫,分別過10目和100目篩,一部分用于測定土壤基本理化指標(biāo)(作為背景值),另一部分用于培養(yǎng)實驗。

選定的氮、硫形態(tài)為氯化銨(NH4Cl)、硝酸鉀(KNO3)、硝酸銨(NH4NO3)、硫酸鉀(K2SO4)。為了評估未來氮、硫負(fù)荷日益增強對CH4通量的影響,本研究結(jié)合國內(nèi)外同類研究[19-20]以及閩江河口區(qū)實際氮、硫沉降量(7.9 g N m-2a-1和 8.6 g S m-2·a-1),按照偏高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氮、硫添加。其中N添加設(shè)置3個類型,分別為500(NH4Cl：N1),500(KNO3：N2),500(NH4NO3：N3)μg N g-1.d.w.s；S添加設(shè)置1個類型,500(K2SO4：S)μg S g-1.d.w.s；NS耦合添加設(shè)置3個類型,分別為500(NH4Cl+K2SO4：NS1)、500(KNO3+K2SO4：NS2)、500(NH4NO3+K2SO4：NS3)μg N/S g-1.d.w.s,氮、硫耦合添加按1∶1配比；另設(shè)一個對照處理組(CK),共計8個處理,每個處理3個重復(fù)。

1.3 室內(nèi)培養(yǎng)與測定

實驗室厭氧培養(yǎng)法是目前最為普遍的CH4產(chǎn)生速率測定方法。為使本底均質(zhì),本研究采用干土配置泥漿的方法進(jìn)行培養(yǎng)實驗。稱取過10目篩土樣20 g放入到200 mL玻璃培養(yǎng)瓶中,按原位土壤實際含水率 (表1)1次分別添加不同類型含氮、硫溶液到培養(yǎng)瓶內(nèi)(添加量見1.2節(jié)),使用磁力攪拌器使樣品混合均勻成泥漿狀,對照則添加同等容量的蒸餾水。在培養(yǎng)實驗開始前,將上述培養(yǎng)瓶在培養(yǎng)溫度下預(yù)培養(yǎng)1 d。預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后,將培養(yǎng)瓶用硅橡膠塞密封,并提前在硅橡膠塞中間打2個孔,插入玻璃管,1根長度以接近泥漿表層為宜(不要插入泥漿),作為氮氣(N2)進(jìn)口；另1根較短,稍稍插入培養(yǎng)瓶即可,作為CH4出口和氣體取樣口。然后用純N2(99.99%)通過上述N2進(jìn)口玻璃管對培養(yǎng)瓶進(jìn)行沖洗8—10 min)直至厭氧狀態(tài)[21],立即測定CH4濃度作為其初始濃度。然后,在采樣地夏季平均溫度下(28.5℃)室內(nèi)培養(yǎng)21 d,期間每天用氣密針從培養(yǎng)瓶頂部抽取氣樣(每次2 mL氣體),每3d算作一個通量,共7個通量[22]。每次抽氣前,用力搖晃培養(yǎng)瓶30 s,使瓶內(nèi)CH4濃度平衡。使用氣相色譜(Shimadzu GC-2010,Japan)測定CH4氣體濃度。由于連續(xù)培養(yǎng)可能產(chǎn)生較高濃度的CH4,因此培養(yǎng)期間分成幾個時間段進(jìn)行,每3d算作一個階段,每階段結(jié)束后重新進(jìn)行N2沖洗。

CH4氧化速率測定主要采用有氧氧化的方法進(jìn)行。前期操作同上述CH4產(chǎn)生速率測定。不同的是,預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后,將培養(yǎng)瓶用硅橡膠塞密封,隨后通過長玻璃管向瓶內(nèi)注入2 mL純CH4,立即測定CH4濃度作為其初始濃度。在采樣平均溫度下(28.5℃)培養(yǎng)21 d,期間每天用氣密針從培養(yǎng)瓶頂部抽取氣樣(每次2 mL氣體),每3d算作一個通量,共7個通量[22]。每次抽氣前,用力搖晃培養(yǎng)瓶30 s,使瓶內(nèi)CH4濃度平衡。使用氣相色譜(Shimadzu GC—2010,Japan)測定CH4氣體濃度。由于連續(xù)培養(yǎng)可能使培養(yǎng)瓶內(nèi)氣壓失衡,因此培養(yǎng)期間分成幾個時間段進(jìn)行,每3d算作一個階段,每階段結(jié)束后重新向培養(yǎng)瓶內(nèi)注入純CH4繼續(xù)培養(yǎng)。

1.4 土壤理化指標(biāo)測定

背景土壤指標(biāo)中,土壤pH采用IQ150便攜式pH儀(IQ Scientific Instruments,USA)測定；土溫、電導(dǎo)率(EC)采用2265FS便攜式電導(dǎo)/溫度計(Spectrum Technologies Inc,USA)測定；含水率用烘干法測定。土壤全碳(TC)、全氮(TN)使用碳氮元素分析儀測定(vario MAX,德國),無機氮經(jīng)2mol/L KCl浸提后使用連續(xù)流動分析儀(Skalar San++,荷蘭)測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

利用EXCEL 2007、SPSS17.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,利用Origin8.0對數(shù)據(jù)作圖。CH4產(chǎn)生/氧化速率增長百分率是指以對照處理為基準(zhǔn),觀察氮、硫添加處理下的CH4產(chǎn)生/氧化速率較對照處理的增長百分比(%),百分比為正值即為正增長,反之為負(fù)增長。

2 結(jié)果

2.1 土壤CH4產(chǎn)生速率

氮、硫添加對閩江河口濕地土壤CH4產(chǎn)生速率的影響隨時間變化存在差異(圖1)。與CK相比,N1和N3處理在各培養(yǎng)階段均顯著促進(jìn)了土壤CH4產(chǎn)生速率(P<0.05),均值較CK分別提高了136.70%和136.55%；NS1和NS3處理在培養(yǎng)第3、6、12、15和第18天均顯著促進(jìn)了CH4產(chǎn)生速率(P<0.05)。N2和S處理組在不同培養(yǎng)時間影響均不顯著(P>0.05)；NS2處理除在第21天外(P<0.05),其他時間影響均不顯著(P>0.05)。

整體而言,不同添加處理并沒有顯著改變濕地土壤CH4產(chǎn)生速率的時間變化趨勢,不同添加處理下土壤CH4產(chǎn)生速率均表現(xiàn)為隨培養(yǎng)時間先逐漸增加而后逐漸降低的變化規(guī)律(圖1),高峰值均發(fā)生在培養(yǎng)第12和第15天。不同時間尺度上,不同添加處理對CH4產(chǎn)生速率的最大促進(jìn)作用均發(fā)生在培養(yǎng)前3天,并且影響隨著培養(yǎng)時間的增加而逐漸減小,直至無影響(圖1)。第9—15天各處理對土壤CH4產(chǎn)生速率的促進(jìn)作用趨于平穩(wěn),但第18天N1、N3、NS1和NS3處理的促進(jìn)作用又出現(xiàn)一個峰值,到第21天各處理基本無影響(圖1)。

圖1 氮、硫添加對閩江河口濕地土壤CH4產(chǎn)生速率的影響及其增長百分率Fig.1 Effects of nitrogen and sulfate addition on CH4 production rate and the growth percentage

2.2 土壤CH4氧化速率

整個培養(yǎng)期間,氮、硫添加對土壤CH4氧化速率的影響存在促進(jìn)、抑制和影響不顯著等情況(圖2)。與CK相比,N2、N3、NS2和NS3處理均顯著促進(jìn)了土壤CH4氧化速率(P<0.05),平均CH4氧化速率較CK分別提高了145.30%、142.93%、139.48%和112.68%；N1和S處理在不同培養(yǎng)時間對CH4氧化均具有抑制作用,平均抑制率分別為16.54%和20.99%,但未達(dá)到顯著性水平(P>0.05)。NS1處理組對CH4氧化速率的影響存在促進(jìn)-抑制的交替變化特征,以促進(jìn)作用為主,但均未達(dá)到顯著性水平(P>0.05)。

整體而言,不同添加處理并沒有顯著改變濕地土壤CH4氧化速率的時間變化趨勢,不同添加處理下土壤CH4氧化速率均表現(xiàn)為隨培養(yǎng)時間先增加而后逐漸降低的變化規(guī)律(圖2),第12天后變化趨于平緩,最大值均發(fā)生在培養(yǎng)第3天。不同時間尺度上,各添加處理對CH4氧化速率的影響呈多峰值的特征,低峰值出現(xiàn)在第15天,具有明顯的波動變化特征(圖2)。

2.3 濕地土壤理化性質(zhì)及其與CH4產(chǎn)生、氧化速率間的相關(guān)關(guān)系

3 討論

3.1 氮、硫添加對河口濕地土壤CH4產(chǎn)生速率的影響

圖2 氮、硫添加對閩江河口濕地土壤CH4氧化速率的影響及其增長百分率Fig.2 Effects of nitrogen and sulfate addition on CH4 oxidation rate and the growth percentage

圖3 氮、硫添加對河口濕地土壤理化性質(zhì)的影響Fig.3 Soil physical and chemical properties after different nitrogen and sulfate treatments圖中數(shù)值為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3)

表2 河口濕地土壤CH4產(chǎn)生/氧化速率與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系

*和**分別表示在0.05和0.01水平上顯著相關(guān)

時間動態(tài)上,濕地土壤CH4產(chǎn)生速率表現(xiàn)為隨培養(yǎng)時間先升高后降低,最后趨于穩(wěn)定。這主要是因為外源氮添加后,顯著增強了濕地土壤氮的有效性,激活了產(chǎn)CH4菌的活性,進(jìn)而加快了土壤CH4產(chǎn)生速率,而后隨著產(chǎn)CH4底物的消耗,剩余的底物不足以供產(chǎn)CH4菌使用,導(dǎo)致CH4產(chǎn)生速率逐漸降低。此外,由于本研究使用的是干土配置泥漿的方法進(jìn)行培養(yǎng),土壤微生物活性和碳氮循環(huán)關(guān)鍵過程對氮、硫添加的響應(yīng)需要一個過程,存在時滯效應(yīng)。

3.2 氮、硫添加對濕地土壤CH4氧化速率的影響

4 結(jié)論

(2)整體而言,不同添加處理并沒有顯著改變濕地土壤CH4產(chǎn)生/氧化速率的時間動態(tài),不同處理均表現(xiàn)為隨培養(yǎng)時間先增加而后逐漸降低。

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Effects of nitrogen and sulfate additions on methane production and oxidation in the Min River estuarine marsh

HU Minjie1,2, ZOU Fangfang3, REN Peng1,2, HUANG Jiafang1,2,4, LI Dongdong1,2,TONG Chuan1,2,4,*

1SchoolofGeographicalScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2ResearchCentreofWetlandsinSubtropicalRegion,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China3SchoolofTea,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China4KeyLaboratoryofHumidSub-tropicalEco-geographicalProcessoftheMinistryofEducation,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China

production and oxidation; methane; nitrogen and sulfate addition; tidal wetlands; Min River estuary

福建省基本科研專項重點項目( 2014R1034- 1)；國家自然科學(xué)面上基金項目( 41371127)；福建師范大學(xué)亞熱帶河口生物地球化學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊項目( IRTL1205)；福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院研究生創(chuàng)新基金項目

2016- 05- 03;

2016- 08- 25

10.5846/stxb201605030834

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tongch@fjnu.edu.cn

胡敏杰,鄒芳芳,任鵬，黃佳芳,李冬冬,仝川.閩江河口濕地土壤CH4產(chǎn)生與氧化速率對外源氮、硫添加的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報,2017,37(1):167- 176.

Hu M J, Zou F F, Ren P, Huang J F, Li D D,Tong C.Effects of nitrogen and sulfate additions on methane production and oxidation in the Min River estuarine marsh.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):167- 176.