閩江河口短葉茳芏群落濕地沉積物反硝化強度對鹽度的響應

李家兵,張寶珠,朱雨晨,丁曉燕,謝蓉蓉,仝 川

1 福建師范大學地理科學學院,福州 350007 2 福建師范大學環(huán)境科學與工程學院,福州 350007 3 福建師范大學亞熱帶濕地研究中心,福州 350007 4 福建師范大學濕潤亞熱帶生態(tài)地理-過程教育部重點實驗室,福州 350007

閩江河口短葉茳芏群落濕地沉積物反硝化強度對鹽度的響應

李家兵1,2,張寶珠2,朱雨晨2,丁曉燕2,謝蓉蓉2,仝 川1,3,4，*

1 福建師范大學地理科學學院,福州 350007 2 福建師范大學環(huán)境科學與工程學院,福州 350007 3 福建師范大學亞熱帶濕地研究中心,福州 350007 4 福建師范大學濕潤亞熱帶生態(tài)地理-過程教育部重點實驗室,福州 350007

為了探討河口區(qū)濕地沉積物反硝化強度對鹽度的響應,2015年7月選擇閩江河口覆蓋短葉茳芏的鱔魚灘和道慶洲濕地沉積物為研究對象,采用密封厭氧培養(yǎng),計算不同培養(yǎng)時期在不同鹽度下的反硝化速率。結(jié)果表明,在反硝化培養(yǎng)的初期,鱔魚灘的反硝化速率從低鹽度到高鹽度分別為(15.5±1.38)、(4.28±8.46)、(12.94±0.24) mg kg-1d-1,道慶洲分別為(31.93±4.89)、(30.66±5.375)、(36.69±3.44) mg kg-1d-1,鱔魚灘的10天反硝化速率在0和10鹽度下降幅度分別是5天的36.97%、53.01%,高于道慶洲22.64%、28.84%,后期隨著時間的變化整體上呈現(xiàn)減小的趨勢并趨于0。另外,鱔魚灘和道慶洲反硝化活性隨著時間呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,其鱔魚灘變化幅度在95.6%—99.8%,道慶洲為90.0%—96.7%,整個培養(yǎng)期間,鱔魚灘的反硝化活性均高于道慶洲的反硝化活性。以上結(jié)果反映出鹽度對閩江河口濕地沉積物的反硝化速率起到一定的抑制作用。

反硝化作用;鹽度;沉積物;閩江口濕地

河口區(qū)是大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈相互作用形成的重要生態(tài)類型之一,也是海岸帶地區(qū)響應全球氣候變化和人類活動較為敏感的生態(tài)系統(tǒng)之一[1]。近年來,由于全球氣候變暖導致海平面上升,使鹽水不斷上溯到河口區(qū)較高的上方區(qū)域,鹽度梯度從接近海水鹽度33—37至上方區(qū)接近淡水0.065—0.03[2]。這種鹽水上溯引起河口區(qū)域物理、化學和生物環(huán)境的變化,進而影響沉積物中各種元素生物地球化學循環(huán)過程,其中氮素生物地球化學循環(huán)是其中研究的焦點之一。氮素生物地球化學循環(huán)主要包括氨化、硝化、礦化和反硝化等過程,反硝化作用作為氮素損失的主要過程的強弱將決定著溫室氣體N2O釋放的多寡。目前鹽水入侵對此過程的影響研究主要集中在長江口和珠江口河口區(qū)域[3- 5],對于閩江河口區(qū)濕地鹽分變化對濕地沉積物反硝化速率以及反硝化活性影響研究相對較少。本文以福建省長樂市閩江河口區(qū)鱔魚灘和道慶洲為研究區(qū)域,采集短葉茳芏群落沉積物,通過室內(nèi)模擬培養(yǎng),研究閩江河口區(qū)濕地沉積物反硝化過程對不同鹽度梯度的響應,揭示閩江河口區(qū)濕地沉積物反硝化作用受鹽水入侵的影響。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

閩江河口位于福建省長樂市金峰鎮(zhèn),屬于中亞熱帶與南亞熱帶海洋性季風氣候的過渡區(qū),氣候暖熱濕潤,年均溫19.85℃,年降水量1905.73mm。該區(qū)擁有眾多天然濕地沿河流兩岸河漫灘呈帶狀分布,典型土著種主要為蘆葦和短葉茳芏廣為分布[6]。閩江河口受潮汐作用影響較為顯著,潮汐特征表現(xiàn)為口外正規(guī)半日潮,口內(nèi)非正規(guī)半日淺海潮,水體鹽度隨潮汐變化而呈周期性變化,表現(xiàn)出從入?？诘较蛏嫌纬尸F(xiàn)鹽-淡水更替的特征并有上溯的趨勢[7]。本研究選擇道慶洲(鹽度：0.20±0.02)和鱔魚灘均為短葉茳芏群落濕地(鹽度：3.79±1.35),地理坐標分別為25°57′21.4″N、119°24′25.6″E和26°01′48.0″ N、119°37′35.3″E(圖1)。

圖1 閩江河口濕地采樣點示意圖Fig.1 Location of sampling sites in two wetlands in the Min River estuary

1.2 實驗材料

為了研究短葉茳芏沼澤濕地沉積物反硝化作用對不同鹽度梯度的響應,實驗于2015年7月選取閩江河口鱔魚灘和道慶洲濕地分別代表微咸水和淡水兩個類型,采集均完全被短葉茳芏覆蓋(95%)的沉積物樣品。在兩個樣地中,根據(jù)梅花形布點法,使用潮灘濕地松軟沉積物柱狀采集及分割一體采樣器,在每個典型樣區(qū)分別隨機采集4個點位,每個點位采集3個表層沉積物(0—10cm)樣品,兩個點位共采集24個新鮮樣品,帶回實驗室挑出可見的動植物殘體,石頭和其余雜物,自然風干后等分成2份：將其中一份風干樣品研磨過2mm土篩后進行充分混合裝袋作為培養(yǎng)使用;另一份風干樣品研磨過0.1492mm土篩,裝袋置于4℃冰箱中保存?zhèn)錅y。

1.3 實驗設計

1.3.1 室內(nèi)培養(yǎng)

本次研究根據(jù)閩江河口區(qū)鹽度的變化將鹽度梯度設為3個梯度,分別為0(1升去離子水中添加0克海鹽)、5(1升離子水中添加6克海鹽)、10(1升去離子水中添加12克海鹽),然后稱取過2 mm土篩沉積物5g,分別放入10mm×180mm的螺口硬質(zhì)玻璃試管中,每個鹽度梯度進行3個重復,其中0天培養(yǎng)的不加KNO3,其他分別定量加入含氮量為2.275mg的KNO3溶液,加入去離子水至12.5mL(包括KNO3溶液的體積),為了保證培養(yǎng)過程始終處于厭氧環(huán)境,培養(yǎng)沉積物(水)體系沖入適量氮氣,最后將培養(yǎng)管放置于23.5℃的培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)。預培養(yǎng)2d后,將4mol/L的KCl溶液12.5mL加入到不加KNO3的試管中,振蕩1 h后,靜置30 min,進行過濾,儲存到干凈的塑料瓶中測定硝態(tài)氮作為初始量;對加KNO3的培養(yǎng)瓶持續(xù)進行恒溫培養(yǎng),開始正式計算時間,分別在第2、5、10、17和25天取樣,各取3瓶表層土樣作為3個平行樣,分別加4mol/L的KCl溶液12.5mL,振蕩1 h后,過濾到干凈的塑料瓶中待測。

1.3.2 沉積物反硝化速率與活性計算

Δt=ti+1-ti

(1)

(2)

Rdenit=Adenit/Δt

(3)

(4)

1.4 測定方法

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)處理采用WPS Excel 2016和Origin 8.1軟件進行作圖、計算及SPSS22.0進行相關分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 道慶洲和鱔魚灘濕地沉積物理化性質(zhì)對比

圖2 不同季節(jié)道慶洲和鱔魚灘濕地沉積物理化性質(zhì)Fig.2 Seasonal variation of sediment physical and chemical characteristics in the Daoqingzhou and Shanyutan wetlands

2.2 沉積物反硝化作用對鹽度的響應

2.2.1 沉積物反硝化速率對鹽度的響應

由圖3可知,兩個采樣點沉積物的反硝化速率在相同鹽度的情況下變化的趨勢大致相同,除了鱔魚灘(5)外其它均表現(xiàn)出隨時間的延長出現(xiàn)下降的趨勢,最后趨于0。第5天,除了鱔魚灘(5)外不同鹽度下兩地的反硝化速率均都達到最大值,其鱔魚灘的反硝化速率從低鹽度到高鹽度分別為(15.5±1.38)、(4.28±8.46)、(12.94±0.24) mg kg-1d-1,最大值出現(xiàn)在低鹽度條件下,最小值出現(xiàn)在中鹽度環(huán)境下;而道慶洲在培養(yǎng)的第5天其反硝化速率均高于鱔魚灘,反硝化速率從低鹽度到高鹽度分別為(31.93±4.89)、(30.66±5.375)、(36.69±3.44) mg kg-1d-1,最大值出現(xiàn)在高鹽度條件下,最小值出現(xiàn)在中鹽度環(huán)境下。到第10天時,除了鱔魚灘(5)外,兩地其它鹽度條件下反硝化速率均出現(xiàn)大幅度下降趨勢,下降幅度鱔魚灘要高于道慶洲,鱔魚灘的反硝化速率隨鹽度升高分別為(5.73±4.67)、(12.54±1.90)、(6.87±3.64) mg kg-1d-1,其0和10下降幅度分別是5天的36.97%、53.01%,而5增加到原來的2.93倍;道慶洲在10天時的反硝化速率分別為(7.23±1.17)、(10.13±1.75)、(10.58±0.90) mg kg-1d-1,相比較5天時分別降低到原來的22.64%、33.01%和28.84%。在培養(yǎng)的第17天時鱔魚灘反硝化速率從低鹽度到高鹽度分別為(5.74±2.80)、(2.89±2.36)、(8.70±1.56) mg kg-1d-1,較10天反硝化速率來說,低鹽度基本沒有變化,中鹽度仍大幅度降低,降低到10天23%,高鹽度略微升高;道慶洲的反硝化速率從低鹽度到高鹽度分別為(9.23±2.79)、(6.70±0.42)、(3.61±0.35) mg kg-1d-1,中低鹽度分別下降到原來的66.14%和34.31%,相比較10天的反硝化速率來說除了低鹽度有所增加外,中高鹽度均呈現(xiàn)下降趨勢,兩地在這個培養(yǎng)時期內(nèi)道慶洲的降低幅度要大于鱔魚灘。在培養(yǎng)結(jié)束期第25天時,兩地的反硝化作用均處于較低的水平,其值均小于17天的反硝化速率并趨于0,表明此時無論是鱔魚灘還是道慶洲反硝化過程均趨緩,有些鹽度下反硝化作用處于靜止的狀態(tài)。綜上所述,鹽度對兩地的反硝化過程的影響較為明顯,在培養(yǎng)初期道慶洲的反硝化速率高于鱔魚灘,后期兩地的反硝化速率大都顯示降低趨勢,相對未加海鹽的培養(yǎng)情況,5和10的鹽度條件下降幅度更大,說明鹽度的存在對反硝化速率均起到抑制作用。

2.2.2 沉積物反硝化活性對鹽度的響應

由圖4可知,鱔魚灘和道慶洲兩地在不同鹽度梯度下沉積物反硝化活性在培養(yǎng)時期內(nèi)均出現(xiàn)緩慢增加的趨勢,但增加的幅度均較小,在第17—25天后變化則趨于平緩。具體來看,鱔魚灘反硝化活性變化幅度在95.6%—99.8%,通過線性擬合,發(fā)現(xiàn)鹽度為0反硝化活性變化率為0.153,5反硝化活性變化率為0.154,10反硝化活性變化率為0.176,可以看出鹽度為0和5的反硝化活性變化率相當。另外,反硝化活性在17天后逐步趨于平衡,說明17天后反硝化基本達到平衡,這種平衡可能是濕地沉積物營養(yǎng)元素的限制。不同鹽度下道慶洲濕地反硝化活性變化趨勢與鱔魚灘類似,反硝化活性隨時間不斷增加,變化幅度約為90.0%—96.7%,通過線性擬合,發(fā)現(xiàn)鹽度為0反硝化活性變化率為0.232,5反硝化活性變化率為0.233,10反硝化活性變化率為0.247,鹽度0和5的反硝化活性變化率相當。兩地對比可以看出,在同一培養(yǎng)時期鱔魚灘的反硝化活性均高于道慶洲,與鱔魚灘的反硝化速率的降低幅度大于道慶洲呈現(xiàn)出一致性。

圖3 不同鹽度下鱔魚灘和道慶洲反硝化速率 Fig.3 Denitrification rate under different salt concentration in Shanyutan and Daoqingzhou wetlands

圖4 不同鹽度下鱔魚灘和道慶洲反硝化活性 Fig.4 Denitrification activity under different salt concentration Shanyutan and Daoqingzhou wetlands

3 討論

表1 沉積物理化性質(zhì)與反硝化速率相關性分析

*代表相關性達到0.05顯著水平

4 結(jié)論

(2)在不同鹽度梯度下,兩地在培養(yǎng)期間沉積物反硝化速率整體隨著時間呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,最后兩者均處于平穩(wěn)階段并趨于0。反硝化活性隨著時間呈緩慢增加趨勢,鱔魚灘反硝化活性大于道慶洲,說明在一定鹽度范圍內(nèi)鹽度對反硝化速率的抑制作用較為明顯。

致謝：在野外采樣過程中得到福建師范大學地理科學學院黃佳芳、張林海、汪旭明、楊平等老師和同學的幫助,特此致謝。

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Response of denitrification intensity to salinity concentrations inCyperusMalaccensisSediments of the Min River Estuary

LI Jiabing1,2, ZHANG Baozhu2, ZHU Yuchen2, DING Xiaoyan2, XIE Rongrong2, TONG Chuan1,3,4,*

1CollegeofGeographicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China3ResearchCentreofWetlandsinSubtropicalRegion,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China4KeyLaboratoryofHumidSub-tropicalEco-geographicalProcessoftheMinistryofEducation,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China

An undisturbed sediment column sample covered by Shichito matgrass (Cyperusmalaccensis) in the Shanyutan and Daoqingzhou wetland of the Min River estuary was selected to research the effects of salinity on the denitrification process of the wetland sediment in July 2015. Using the sealed anaerobic culture method, the denitrification rates, which varied with the culture time in different salinity conditions, were calculated. At the initial stage, from low salinity to high salinity culture conditions, the denitrification rates of the sediments in the Shanyutan wetland were (15.5±1.38), (4.28±8.46), and (12.94±0.24) mg kg-1d-1, respectively. The values in the Daoqingzhou wetland, however, were (31.93±4.89), (30.66±5.375) and (36.69±3.44) mg kg-1d-1, respectively. The decreased amplitudes of the denitrification rates after 10 days in 0 and 10 salinity conditions were 36.97%, and 53.01%, respectively, of the amplitudes after 5 days. The values were higher compared with 22.64% and 28.84% in the Daoqingzhou wetland. In the late culture stage, the denitrification rates showed decreasing trends down to zero. The denitrification activities in the Shanyutan and Daoqingzhou wetlands both showed trends of increasing. The variation ranges in the Shanyutan and and Daoqingzhou wetland were 95.6%—99.8% and 90.0%—96.7%, respectively. During the entire training period, the denitrifying activity in the Shanyutan wetland was higher than that in the Daoqingzhou wetland. The results reflected that the salinity had an inhibition effect on the denitrification rate of the sediment in the Min River estuary wetland.

denitrification; salinity; sediment; the Min River estuary wetland

國家科技基礎性工作專項(2013FY111800);國家自然科學基金(51541906);福建省基本科研專項重點項目(2014R1034- 1);福建省科技廳省屬公益類科研專項(2016R1032- 1);福建省教育廳(JA14088);福建省科技廳重點項目(2015R0099)

2016- 07- 28;

2016- 10- 09

10.5846/stxb201607281538

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

李家兵,張寶珠,朱雨晨,丁曉燕,謝蓉蓉,仝川.閩江河口短葉茳芏群落濕地沉積物反硝化強度對鹽度的響應.生態(tài)學報,2017,37(1):177- 183.

Li J B, Zhang B Z, Zhu Y C, Ding X Y, Xie R R, Tong C.Response of denitrification intensity to salinity concentrations inCyperusMalaccensisSediments of the Min River Estuary.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):177- 183.