消落帶氮循環(huán)的影響因子研究

孫洪波

摘要：指出了隨著人為控制因素的影響越來越顯著，水位周期性變化而產(chǎn)生的消落帶逐漸被人們所重視。由于特有的周期性干濕交替，使得消落帶的環(huán)境條件因素變化十分復(fù)雜。就消落帶中氮的循環(huán)為例，分別將消落帶中變化的物理、化學(xué)、生態(tài)、人為因素對氮循環(huán)帶來的影響進(jìn)行了總結(jié)，并對消落帶的研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：消落帶;氮循環(huán);影響因素

中圖分類號：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）4-0094-04

1 引言

在水庫及河流之中，氮素是影響水生植物生長的主要營養(yǎng)元素之一，同時(shí)也是受人為干擾影響最大的元素[1]。但也是導(dǎo)致“水華”等富營養(yǎng)化現(xiàn)象的主要因素。同時(shí)氮循環(huán)中所產(chǎn)生的N2O對于溫室效應(yīng)的影響比C02等更為強(qiáng)烈。N20產(chǎn)生的溫室效應(yīng)作用約為C02的190～300倍，CH4的4～21倍，可在大氣中滯留將近150年的時(shí)間[2]。

消落帶由于其獨(dú)特的環(huán)境特性，使其近些年來逐漸被國內(nèi)外的專家所重視。而消落帶的氮循環(huán)更是其生物化學(xué)過程中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。因此，研究清楚消落帶的氮循環(huán)對于水生態(tài)環(huán)境保護(hù)和全球氣候變化都十分必要。

2 氮循環(huán)

氮是人類生存必不可少的元素之一.它的存在形式主要有3種，有機(jī)形態(tài)、無機(jī)形態(tài)和氣態(tài)。有機(jī)氮主要存在于生物體中，如生物蛋白、氨基酸等，地球上儲量至少有200～250億t[3]。氣態(tài)氮?jiǎng)t主要以NO、N2、N2O等形式存在，大氣中的氮?dú)夂考s有79%。并且隨著人為因素的增加，能夠?qū)е聹厥倚?yīng)的、含量也在急劇的增加。無機(jī)氮主要以硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨根離子等形式存在于水和土壤之中，其受人為干擾的影響最大，是當(dāng)前河湖環(huán)境治理的主要研究對象。

氮循環(huán)則是指有機(jī)形態(tài)、無機(jī)形態(tài)和氣態(tài)三者之間的相互轉(zhuǎn)化過程，主要包含了生物固氮、礦化作用、硝化作用、反硝化作用等各種微生物參與的反應(yīng)，循環(huán)過程如下（圖1）。

硝化作用是由硝化細(xì)菌在有氧的條件下，將由亞硝酸鹽氧化菌吸收氨氮反應(yīng)生成的產(chǎn)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成的過程。反硝化作用則是將或者在厭氧的條件下，由兼性異養(yǎng)型分子將其轉(zhuǎn)化成或者的過程。而厭氧氨氧化則是亞硝酸鹽和氨在厭氧的條件下被轉(zhuǎn)化成的過程[4]。

3 消落帶

隨著水利工程的大量興建，原有的環(huán)境生態(tài)也因此發(fā)生了巨大的改變。在20世紀(jì)，就有學(xué)者注意到了水位變化對岸邊帶造成的影響[5]。尤其是像三峽大壩等大型水利工程的興建，由此產(chǎn)生的消落帶所帶來的環(huán)境影響也被越來越多的人所重視。至此，“消落帶”一詞應(yīng)運(yùn)而生。關(guān)于“消落帶”的定義，不同的學(xué)者有不同的理解[6]。但是基本上都是指由于水位的周期性波動(dòng)，從而形成的從枯水期的最低水位到豐水期的最高水位之間的岸邊帶區(qū)域[7]。消落帶屬于獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng)。目前對于消落帶的研究主要集中在生態(tài)、水質(zhì)環(huán)境、邊坡侵蝕以及綜合規(guī)劃利用等方面[8]。

4 消落帶中氮排放及吸收

由于消落帶特殊的淹水落干性質(zhì)，因此在消落帶區(qū)域會存在多種環(huán)境狀況，包括：長期未淹水、長期淹水、干濕交替等。而消落帶屬于水域生態(tài)和陸地生態(tài)的交互區(qū)域，生態(tài)脆弱性十分敏感，不管是氣候變化還是人類活動(dòng)，都會對其產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。但是不同的學(xué)者對于消落帶干濕交替的影響也存在著不同的看法。Kruse認(rèn)為干濕交替對土壤的礦化程度影響不大[9]，而Birch則認(rèn)為淹水落干對于礦化程度具有促進(jìn)作用[10]。另外Loiselle也曾經(jīng)研究消落帶水淹環(huán)境并得出結(jié)論，淹水條件更適合藻類的生長，而由于落干而暴露的底泥則會促使挺水植物的擴(kuò)張。Thompson和Hudon等科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，不同的淹水條件對于挺水植物和微生物的生存影響巨大[11，12]。

不同的水淹條件對于氮素的釋放和吸附并不完全是直接產(chǎn)生影響，除了淹水落干的條件以沖刷的形式將部分氮素從土壤中解吸出來，還可以通過改變相應(yīng)的物理?xiàng)l件來間接的影響其循環(huán)過程。不同的水位同樣會導(dǎo)致不同的湖泊沉積學(xué)和地形學(xué)[13]，進(jìn)而影響侵蝕、物質(zhì)輸送和沉積特征，最后便會導(dǎo)致完全不同的生物地球化學(xué)環(huán)境[14]。在消落帶中，主要是通過改變其物理、化學(xué)和生物條件來影響氮循環(huán)過程[15]。

4.1 物理因素

4.1.1 光照和溫度

消落帶水位變動(dòng)引起的最直接的變化便是光照強(qiáng)度，不同水深處的光照強(qiáng)度也不同，而由于淹水落干作用，同一高程在不同時(shí)期也會處于不同的光照強(qiáng)度下。這種變化影響了各種酶和生物的活性[16]。藻類等微生物的光合作用、生物固氮能力受到光照強(qiáng)度的影響較為明顯[17];光照條件下，水中的以及總氮含量均增加[18]。

其次不同程度的光照使得不同高程水位處的溫度也存在不同。Stanford[19]曾研究得出適宜的溫度對土壤的氮礦化量和礦化速率均有正影響。Nicolardot[20]和Stark[21]則得出結(jié)論，土壤的最大凈礦化速率通常出現(xiàn)在25～35℃之間。

4.1.2 沉降及沖刷

水體中通常是存在著顆粒態(tài)氮素，當(dāng)水流淹沒岸邊帶時(shí)，水體中的部分氮素便會沉降在岸邊土壤之中。而等水位降落時(shí)，水流又會將土壤中的氮素帶走。周期較短的淹水落干對于氮素的釋放具有促進(jìn)作用，隨著反復(fù)的沉降及沖刷，不斷的帶走土壤中的氮素，使得土壤中氮素的含量逐漸減少。但是是否一定會使得水中或者土壤中的氮素含量下降則是無法確定的，因?yàn)槌送寥李w粒的攜帶作用，大氣沉降所添加的氮素含量也是十分巨大的[22]。其次還包括了大量的化學(xué)反應(yīng)以及生物作用，因而不同地區(qū)的消落帶氮素的吸收和排放量是完全不同的。

4.2 化學(xué)因素

4.2.1 氧氣含量

干濕交替以及不同時(shí)長的水淹條件代表了不同濃度的氧氣含量，而氧氣更是有氧生物所必須的條件。因此水位變化所形成的不同氧濃度會適合更多的生物化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，包括好氧和厭氧等。例如：Seitzinger[23]發(fā)現(xiàn)控制氧氣含量能夠影響硝化反應(yīng)的速率，白潔[24]則得出反硝化速率與溶解氧含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的結(jié)論;硝化過程中包括了將氨氧化為亞硝酸的氨氧化過程以及亞硝態(tài)氮進(jìn)一步氧化為硝態(tài)氮的亞硝化過程，而氨氧化過程是硝化作用的限速步驟，氧氣含量會影響氨氧化微生物的生理活性，進(jìn)而影響硝化作用強(qiáng)度;反硝化細(xì)菌是厭氧的，但是其體內(nèi)的部分酶卻要在有氧的條件下才能合成，所以消落帶的干濕交替的環(huán)境促進(jìn)了反硝化作用地進(jìn)行[25]。

4.2.2 pH值

消落帶氮循環(huán)中，不同環(huán)節(jié)的參與的微生物所適應(yīng)的pH值是不同的。較高的pH值會促進(jìn)促進(jìn)硝化細(xì)菌的繁殖速度，加快亞硝化細(xì)菌的氨氧化速率[26]。同時(shí)較高的ph值會促進(jìn)水中的解吸過程27]，較低的pH不僅降低了其解吸過程，而且會使土壤中的解吸至水中，造成水體污染[28]。

由于氮循環(huán)中會產(chǎn)生硝酸鹽等產(chǎn)物，而pH值的大小將直接影響硝酸鹽的含量。同時(shí)硝酸鹽含量的增加會導(dǎo)致土壤的酸度增加，如果隨著其他酸根離子的減少，將會使硝酸鹽含量進(jìn)一步加大[29]，這是一個(gè)相互影響的過程。因此，在氮循環(huán)中有硝酸鹽參與的部分反應(yīng)過程中，pH值對硝酸鹽含量的影響進(jìn)一步抑制或者促進(jìn)氮循環(huán)反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)硝酸鹽是反應(yīng)物時(shí)，含量的增加具有促進(jìn)作用;當(dāng)硝酸鹽是生成物時(shí)，其含量的增加具有抑制的作用。

4.3 生態(tài)因素

干濕交替作用使得消落帶的生態(tài)環(huán)境變得十分脆弱，但是也導(dǎo)致了該區(qū)域的生物化學(xué)作用十分活躍。消落帶的氮循環(huán)包含著多種細(xì)菌和酶等微生物的參與，干濕交替往往會使得土壤的環(huán)境在短期內(nèi)發(fā)生劇烈的變化，例如溫度、光照、含氧量等，這些條件會進(jìn)一步導(dǎo)致參與循環(huán)反應(yīng)酶的作用程度。

土壤微生物是在氮素轉(zhuǎn)化過程中起著至關(guān)重要的作用，并且微生物的種類和活性與土壤氮素礦化的相關(guān)性較微生物的數(shù)量更高[30]。同時(shí)微生物也在氮循環(huán)中扮演著儲存者和補(bǔ)給者的角色，在整個(gè)氮循環(huán)中起到中轉(zhuǎn)的作用[31，32]。

在消落帶的研究中，岸邊帶植被一直是研究的熱點(diǎn)。首先，植被對于土壤的固結(jié)程度起到了至關(guān)重要的作用，良好的植被生長能使消落帶的土壤經(jīng)受住水位變化產(chǎn)生的沖刷[33]，使得一些吸附在土壤顆粒上的大分子氮素仍然能賦存在土壤中。其次在消落帶中，植物的固氮作用以及植物殘?bào)w的分解是區(qū)域氮素的主要輸入源，良好的植被生長可以加速流域內(nèi)氮循環(huán)的速率。

4.4 人為因素

人類活動(dòng)對消落帶生態(tài)環(huán)境的影響越來越明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在20世紀(jì)的一百年間，全球人為活化氮的輸入量增加了將近10倍左右[34]。在1910～2010年，中國的年均貢獻(xiàn)量也增加了6倍左右。在2010年，人為活動(dòng)源的貢獻(xiàn)量達(dá)到了總輸入量的80 %[35]，并且這種趨勢還在進(jìn)一步加強(qiáng)。全球活性氮的增加自然會增加消落帶整體氮素的輸入。輸入途徑主要來自于農(nóng)業(yè)化肥、生活污水和工業(yè)廢水等點(diǎn)面源污染。其次，部分地區(qū)存在人工大量砍伐植被，也會減少消落帶氮循環(huán)中生物固氮和落葉沉積物分解等環(huán)節(jié)的作用。由此而造成的土壤固結(jié)能力下降使得水位變動(dòng)對岸邊帶的沖刷和邊坡崩塌等問題也不容忽視。

5 消落帶氮素分布

通常情況下，氮素在消落帶的分布是不均勻，并且在不同的區(qū)域也可能存在完全不同的分布狀況。這是因?yàn)榈氐妮斎爰拜敵鍪嵌嘣吹?。消落帶中氮素的輸入主要是來源于生物殘?bào)w分解而產(chǎn)生的有機(jī)含氮分子，也有部分是來源于大氣氮沉降。而輸出的途徑包括了生物體消耗、氣態(tài)氮的揮發(fā)以及水流流動(dòng)沖刷等途徑。同時(shí)其內(nèi)部氮循環(huán)包含著多個(gè)環(huán)節(jié)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)收到影響將會改變整個(gè)區(qū)域的氮素分布。但從整體上來看，消落帶氮分布呈現(xiàn)正態(tài)的趨勢，即頂部和底部的氮素含量較低，而中部的氮素含量較高。這是因?yàn)轫敳亢偷撞康臈l件較為惡劣，而中部的環(huán)境相對穩(wěn)定，因此會存在較多的氮素堆積。

目前國內(nèi)消落帶分布面積最廣的區(qū)域是三峽區(qū)域，約為348.9 km2[36]。其次三峽地區(qū)消落帶淹水落干的周期較長，水位變化為反季節(jié)漲落交替，使得沉積物的出露期與光熱雨資源集中期一致。所以國內(nèi)外有很多學(xué)者就三峽庫區(qū)消落帶氮素分布展開了大量研究[37～39]。

6 問題與展望

目前研究的主要方向是關(guān)于氮素的吸附及釋放以及氮素含量的變化對生態(tài)植被的修復(fù)和規(guī)劃方面，對于特定氮形態(tài)的內(nèi)部具體轉(zhuǎn)移形態(tài)研究較少。其次，當(dāng)前對于消落帶的研究都集中在短期、局部的調(diào)查，對于其連續(xù)性和大尺度研究較少。難以揭示消落帶的自然發(fā)展規(guī)律，阻礙了從根本上認(rèn)識消落帶的循環(huán)演替。

在當(dāng)前的研究基礎(chǔ)上，將前人所做研究整合起來，形成一個(gè)整體的、連續(xù)性的消落帶演替藍(lán)圖是首要任務(wù)，同時(shí)，對于研究的細(xì)化和深入對于全面認(rèn)識消落帶也必不可少。在整個(gè)消落帶氮循環(huán)中，氨氮是處于多重化學(xué)反應(yīng)的交叉產(chǎn)物，其在消落帶氮素的遷移及轉(zhuǎn)化中具有極其重要的作用。有研究表明吸附一定氨氮后的土壤，在好氧淹水條件下會向上覆水體釋放氨氮和硝態(tài)氮，且吸附的氨氮越多，土壤淹水過程中釋放到上覆水體中總氮量亦越多[40]。因此氨氮是研究消落帶氮循環(huán)的最佳突破點(diǎn)。同時(shí)在研究清楚特定河流的氨氮的循環(huán)及再生的基礎(chǔ)上，再以同樣方式延伸到相鄰河流，最后形成一個(gè)大流域氮循環(huán)關(guān)系網(wǎng)，對于流域湖泊富營養(yǎng)化以及全球溫室效應(yīng)的研究有十分重要的促進(jìn)作用。

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