全球氮循环.docx

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全球氮循环

亚热带盐沼湿地土壤氮循环关键过程对全球变化的

响应

摘要

河口盐沼湿地受到了陆地和海洋相互作用的影响，可以认为是生物活动较为活跃的地区，同时也是地球化学过程最为活跃的地区，对人类和社会有着重要的影响。

氮在大气组分占78%,是大气圈中最丰富的元素，其在环境介质中的含量会直接影响到周围生物的生长。

由于目前大量的人为输入氮源对河口的盐沼湿地已经产生了巨大的影响，河

口地带出现赤潮、河口溶解氧含量锐减，以及大量的温室气体从河口溢出等环境效应。

本研究以福州闽江河口盐沼湿地为研究对象，充分的研究了土壤氮循环的关键过程对全球变化的响应，通过野外采集、实验室模拟的方式，定量的研究了闽江河口盐沼湿地土壤-水体界面的氮循环过程，分别研究了盐入侵、植物入侵、酸沉降和盐沼湿地改为养虾塘后，土壤中硝化、反硝化和矿化作用的变化情况，探讨了氮在河口湿地的变化，及其在河口湿地扮演的重要角色。

主要得到的研究结果如下：

1、植物入侵对氮循环的影响

无机氮和总氮：

（1）互花米草入侵改变了土壤N03--N含量在不同土层含量，可显著降低土壤的N03--N含量，但整体增加了土壤的NH4+-N含量。

（2）互花米草不同入侵过程土壤TC、TN含量以及C/N比的垂直变化特征均比较一致，入侵整体增加了土壤的碳氮含量和C/N比和土壤的碳氮储量。

（3）闽江口互花米草入侵对短叶茳芏湿地土壤碳氮含量的影响相对于江苏盐城、长江口以及杭州湾湿地的影响可能更为显著，主

要与其对闽江口湿地植物群落格局、养分生物循环以及强促淤作用引起的土壤颗粒组成等的显著改变有关。

互花米草入侵亦改变了土壤中陆源和海源有机质的来源比例，使得

入侵后湿地土壤养分的自源性增强。

硝化和反硝化：

（1）闽江河口湿地土壤的反硝化速率远高于硝化速率，且呈现明显的季

节变化，夏季的硝化-反硝化作用最强。

不同季节条件下，土壤硝化-反硝化速率由大到小顺序，硝化速率：

夏季＞春季＞秋季〉冬季，反硝化速率：

夏季＞秋季〉冬季〉春季；按不同植被类型下土壤硝化-反硝化速率由大到小顺序，硝化速率：

入侵边缘＞互花米草＞短叶茳芏，反硝化速率：

互花米草＞交汇处＞短叶茳芏。

（2）闽江河口湿地不同植被类型下沉积物-水界面N20交换通量呈现明显的季节变化。

土著物种短叶茳芏的土壤仅春季对上覆水N2O有微量吸收，夏、秋两季均对水体释放N2O，表现为水体中N2O的净源；由于互花米草的入侵，入侵边缘的土壤为春季释放N20，而夏、秋两季土壤均吸收N20，与土著物种短叶茳芏完全相反；互花米草入侵成功后的土壤，其夏季的沉积物-

水界面N20交换通量达到最大，表现为向水体释放较多的N20，而其春、秋两季都为

吸收N20，但吸收总量小于释放量。

（3）闽江口湿地互花米草入侵后，增强了土壤的硝化-反硝化作用，促进了N20对大气的释放。

矿化作用：

（1）实验通过对不同样地不同土层的研究揭示，土壤氮矿化水平随土层深度的增加降低。

这是由于随着土层深度的不断增加，土壤透气性逐渐降低，可供降解的有机质越来越少，微生物数量下降，氮矿化也随之下降。

（2）对于某一土层来说，随着培

养时间的变化其矿化速率表现出波动性，有的随培养时间的增加而下降，有的呈现波浪形变化，这可能是由于季节性变化和土壤层的凋落物降解快慢有关。

（3）互花米草入侵

确实影响了原土著种短叶茳芏土壤的矿化规律特征，从整体上来看互花米草入侵加强了短叶茳芏矿化效果。

（4）入侵机制存在的情况下，互花米草的入侵对原土著种短叶茳芏土壤矿化的影响表现为：

夏季〉春季〉秋季〉冬季。

土壤温度、湿度等因子在不同季节差异很大，由土壤微生物的活动以及植物的生长周期和生长特性所引起氮矿化强度的季节变化也较大。

2、盐入侵对氮循环的影响

⑴道庆州和鳝鱼滩湿地土壤覆水理化性质分析：

结果显示鳝鱼滩和道庆州湿地沉积物中电导率和硝态氮随季节变化影响较大；鳝鱼滩和道庆州覆水中各指标均随季节变化而变化较大。

⑵道庆州和鳝鱼滩湿地土壤硝化特征：

硝化速率和硝化活性特征曲线看出，不同浓度的盐能够抑制硝化细菌的活性，导致硝化速率降低。

⑶道庆州和鳝鱼滩湿地土壤反硝化特征：

道庆州和鳝鱼滩反硝化活性随着培养天数的增加而增加，说明不同盐度胁迫下，对反硝化影响不是很大。

（4）道庆州和鳝鱼滩湿地土壤矿化特征：

从矿化特征曲线看，道庆州和鳝鱼滩湿地矿化速率均出现先增加后减少的趋势，对于鳝鱼滩而言，矿化前期，不同盐度的海水能够刺激氨化，使氨化细菌活性增加，其中盐度为5%。

对应的矿化速率最大，而随着时间的增加，在第35天时，盐度为0%。

对应矿化速率最大，之后矿化速率在不断降低，说明土壤中的有机质不断的减少，不能够满足氨化细菌的需求，氨化能力降低。

道庆州的变化趋势与鳝鱼滩相似，随着时间的变化，出现先增加后减少的趋势，在21天时，盐度为

5%o对应的矿化速率最大。

3、酸沉降对氮循环的影响

（1）pH并不是影响土壤硝化作用的唯一因素，不同梯度pH值条件下，硝化速率的变化趋势均随着时间变化呈现出一N字曲线，但不同梯度pH值之间的硝化速率变化差异不大•

（2）模拟酸雨对土壤反硝化速率随着时间的变化减少。

而土壤反硝化活性则随着培养

天数逐渐增加。

原因可能是土壤值降低，会影响到反硝化细菌和反硝化酶的活性，使反硝化作用减弱。

（3）不同pH条件下，其矿化速率都不相同，酸沉降对土壤矿化影响可能受到多个因素的控制。

4、土地利用变化对氮循环的影响

（1）不同时期的硝化速率变化趋势基本保持一致，表现为先增加后减少，各个时期的

硝化活性变化趋势随着时间变化均呈现先增加后减少的趋势，硝化反应的变化可能与养

殖塘的中期和后期硝化细菌的活性受到了水质的影响有关，土地利用的变化也间接或直接引起养虾塘内的硝化作用。

（2）本研究过程中养虾塘初期、中期和末期的反硝化速率及反硝化活性和时间之间的

关系均呈现出先增加后减少，最后趋于平衡的趋势。

且各个不同时期反硝化速率大体表现为初期〉中期〉末期。

该结果一方面说明鱼虾等水生生物的生命活动及其对水体或沉积物扰动作用的强度均对水体反硝化过程有着重要作用，土地利用的变化将对反硝化作用及其N20的生成与释放有着重要作用。

（3）土地利用的变化，引起场地周边环境的变化，包括湿度，尤其微生物活动等的改变，对场地内的矿化作用产生较大的影响。

各不同时期的养虾塘的矿化速率和培养周期之间的曲线变化趋基本保持先增加后减少的趋势。

最大值均出现在中期。

土壤氮矿化随时间的推移而降低。

关键词：

闽江河口；氮转换；植物入侵；盐水入侵；酸雨；土地利用变化

abstract

Affectedbytheinteractionbetweenthelandandsea,thesaltymarshwetlandonestuarycanberegardedasanactiveareaoflivingthings,andthemostactiveregionofgeochemicalprocess,thushavinganimportantinflueneetothehumanandsociety.Nitrogenaccountsfor78%intheatmospherecomponents,anditisthemostabundantintheatmosphere.Thecontentinthemediumofenvironmentwilldirectlyaffectthegrowthofthecreaturesaround.Atpresent,alotofnitrogensourceisenteringthesaltymarshesoftheestuarywetland,thusproducinghugeinflueneesuchasredtides,thecollapseofoxygencontentofestuariesdissolving,andtheoverfloweffectofalargeamountofgreenhousegasesfromtheenvironment.basedonFuzhouMinjiangestuarysaltymarshwetland,thisresearchfullystudiestheeffectsofthekeyprocessofsoilnitrogencycleinresponsetotheglobalchange.Throughthewayoffieldsamplingandlaboratorysimulation,theauthorquantitativelystudiestheMinjiangestuarysaltymarshwetlandsoil-waterinterfaceofthenitrogencycle,andalsostudiesthesaltintrusion,plantinvasion,aciddepositionandsaltmarshwetlandtoraiseshrimps,nitrificationanddenitrificationinthesoilandthechangeofmineralizationrespectively,andtheauthoralsososomeresearchonthechangeofnitrogenintheestuarinewetland,andtheimportantrolesoftheminestuarinewetland.Themainresearchresultsareasfollows:

1、theinflueneeofplantinvasioninthenitrogencycle

Inorganicnitrogenandtotalnitrogen:

（1）theinvasionofqingjiaoricegrasschangedthecontentofsoilNO3--Nindifferentsoil,anditcansignificantlyreducethecontentofsoilNO3-N.ButitincreasestheoverallcontentofNH4+-ninsoil.

（2）ThecontentoftheqingjiaomgrasssoilTC,TNinthedifferentinvasionprocess,andtheverticalvariationoftheC/Nratioarerelativelyconsistent.Theinvasionincreasedsoilcarbonandnitrogencontent,theC/Nratioandthestorageofsoilcarbonandnitrogen.（3）TheinflueneeoftheminjiangmouthqingjiaoricegrassinvasiononshortleafcyperusmalaccensiswetlandsoilcarbonandnitrogencontentisrelativelymoresignificantthanthatofthewetlandinYancheng,Jiangsuprovince,theYangtzeestuaryandHangzhoubay.It'smainlyrelatedtotheplantcommunitystructure,thenutrientcycleandstrongeffectonpromotingsedimentationcausessignificantchangesinthecompositionofsoilparticlesinthe

Minrivermouthwetland.Theinvasionofgrassalsochangedtherateofthesourceofterrigenousandthesourceoforganicmatterinsoil,makinganenhancementoftheinvasionofthewetlandsoilnutrients.

（1）Nitrificationanddenitrification:

thesoildenitrificationrateinMinjiangestuarywetlandisfarhigherthanthatofnitrificationrate,andpresentsaobviousseasonalchange,anditworksbestinsummer.Undertheconditionofdifferentseasons,soilnitrificationanddenitrificationratefrombigtosmallorder,nitrificationrate:

summer>spring>autumn>winter,andthedenitrificationrate:

summer>autumn>spring>winter;Accordingtosoil

nitrificationanddenitrificationrateunderdifferentvegetationtypesfrombigtosmallorder,nitrificationrate:

invasionofedge>ricestraw>shortleaveseachcyperusmalaccensis,denitrificationrate:

qingjiaojunctionofricestraw>intersection>shortcyperusmalaccensis.

（2）TheseasonalexchangeoftheMinjiangestuarywetlandsedimentandwaterinterfaceunderdifferentvegetationtypesisobviously.ThesoiloftheindigenousspeciesofshortleafcyperusmalaccensishasonlytinyabsorptiontotheoverlyingwaterN2Oinspring,butinsummerandautumnitreleasesN2Otowater,characterizedbythecleansourceofN2Oinwater;duetotheinvasionofqingjiaoricegrass,ontheedgeoftheinvasion,ofsoilN2Oreleaseinspring,andsoilabsorbsN2Oinsummerandautumn,whichifquiteoppositetotheshortleafofindigenousspeciescyperusmalaccensis;afterthesuccessfulinvasionofQingjiaometersofgrass,theexchangeofsedimentofthesoilandwaterinterfaceachievethemaximumofN2Oinsummer,whichischaracterizedbyreleasingmorewaterofN2O,andinspringandautumnisfortheabsorptionofN2O,buttheabsorptionamountislessthantheamountofrelease.（3）AftertheinvasionoftheMinjiangqingjiaomouthwetlandricegrass,thesoilnitrification—denitrificationhasbeenenhanced,andtheN2Oreleasetotheatmospherehasalsobeenpromoted.

Mineralization:

（1）throughthestudiesofsoilindifferentlayers,theexperimentdiscoversthat,soilnitrogenmineralizedlevelreduceswiththeincreaseofsoildepth.Thisisbecausealongwiththeincreaseofsoildepth,soilpermeabilityisgraduallyreduced,andtheorganicmatterforthedegradationbecomesincreasinglyless,themicrobialpopulationdeclines,andnitrogenmineralizationalsodecreases.

（2）foraparticularlayersoil,asthecultivatingtimechange,themineralizationrateshowsthevolatility.Somedecreasesalongwiththeincrease

ofincubationtime,someappearswavychange.Thismaybeduetoseasonalchangesandthespeedofthedegradation.

（3）theinvasionofqingjiaoricegrassdidaffectthemineralizationregularityoftheoriginalnativespeciesofshortleafcyperusmalaccensissoil,butonthewholetheinvasionstrengthenedshortcyperusmalaccensismineralizationeffect.（4）underthepreseneeofinvasionmechanism,theinflueneeoftheinvasionontheoriginalindigenousshortleafcyperusmalaccensissoilmineralizationischaracterizedby:

summer>spring>autumn>winter.Soiltemperature,humidityandotherfactorsarevariousindifferentseasons,andthenitrogenmineralizationintensitycausedbytheactivitiesofsoilmicrobesandplantgrowthcycleisalsosignificant.

2、theinflueneeofsaltinvasiononthenitrogencycle

（1）thephysicalandchemicalpropertiesanalysisofgyeongjuandeelbeachwetlandsoilwater:

theresultsshowthatthesedimentsconductivityandnitrateontheeelbeachwetlandvarygreatlywiththeseasonschange;eachindexesofeelbeachandthegyeongjuoverlyingwatervarygreatlywiththeseasonchanges.

（2）thesoilnitrifyingcharacteristicsofgyeongjuandeelbeachwetland:

accordingtothenitrificationrateanddenitrificationactivitycharacteristiccurve,differentconcentrationsofsaltcaninhibittheactivityofnitrifyingbacteria,leadingtothereductionofnitrate.

（3）thesoildenitrificationcharacteristicsofgyeongjuandeelbeachwetland:

thedenitrifyingactivityofthegyeongjuandeelbeachasincreaseswiththeincreaseofthenumberofcultivatingdays,anditshowsthatunderdifferentsalinity,theinflueneeondenitrifyingisnotverybig.

（4