闽江河口短叶茳芏群落湿地沉积物反硝化强度对盐度的响应

李家兵,张宝珠,朱雨晨,丁晓燕,谢蓉蓉,仝 川

1 福建师范大学地理科学学院,福州 350007 2 福建师范大学环境科学与工程学院,福州 350007 3 福建师范大学亚热带湿地研究中心,福州 350007 4 福建师范大学湿润亚热带生态地理-过程教育部重点实验室,福州 350007

闽江河口短叶茳芏群落湿地沉积物反硝化强度对盐度的响应

李家兵1,2,张宝珠2,朱雨晨2,丁晓燕2,谢蓉蓉2,仝 川1,3,4，*

1 福建师范大学地理科学学院,福州 350007 2 福建师范大学环境科学与工程学院,福州 350007 3 福建师范大学亚热带湿地研究中心,福州 350007 4 福建师范大学湿润亚热带生态地理-过程教育部重点实验室,福州 350007

为了探讨河口区湿地沉积物反硝化强度对盐度的响应,2015年7月选择闽江河口覆盖短叶茳芏的鳝鱼滩和道庆洲湿地沉积物为研究对象,采用密封厌氧培养,计算不同培养时期在不同盐度下的反硝化速率。结果表明,在反硝化培养的初期,鳝鱼滩的反硝化速率从低盐度到高盐度分别为(15.5±1.38)、(4.28±8.46)、(12.94±0.24) mg kg-1d-1,道庆洲分别为(31.93±4.89)、(30.66±5.375)、(36.69±3.44) mg kg-1d-1,鳝鱼滩的10天反硝化速率在0和10盐度下降幅度分别是5天的36.97%、53.01%,高于道庆洲22.64%、28.84%,后期随着时间的变化整体上呈现减小的趋势并趋于0。另外,鳝鱼滩和道庆洲反硝化活性随着时间呈现逐渐增加的趋势,其鳝鱼滩变化幅度在95.6%—99.8%,道庆洲为90.0%—96.7%,整个培养期间,鳝鱼滩的反硝化活性均高于道庆洲的反硝化活性。以上结果反映出盐度对闽江河口湿地沉积物的反硝化速率起到一定的抑制作用。

反硝化作用;盐度;沉积物;闽江口湿地

河口区是大气圈、水圈、岩石圈和生物圈相互作用形成的重要生态类型之一,也是海岸带地区响应全球气候变化和人类活动较为敏感的生态系统之一[1]。近年来,由于全球气候变暖导致海平面上升,使盐水不断上溯到河口区较高的上方区域,盐度梯度从接近海水盐度33—37至上方区接近淡水0.065—0.03[2]。这种盐水上溯引起河口区域物理、化学和生物环境的变化,进而影响沉积物中各种元素生物地球化学循环过程,其中氮素生物地球化学循环是其中研究的焦点之一。氮素生物地球化学循环主要包括氨化、硝化、矿化和反硝化等过程,反硝化作用作为氮素损失的主要过程的强弱将决定着温室气体N2O释放的多寡。目前盐水入侵对此过程的影响研究主要集中在长江口和珠江口河口区域[3- 5],对于闽江河口区湿地盐分变化对湿地沉积物反硝化速率以及反硝化活性影响研究相对较少。本文以福建省长乐市闽江河口区鳝鱼滩和道庆洲为研究区域,采集短叶茳芏群落沉积物,通过室内模拟培养,研究闽江河口区湿地沉积物反硝化过程对不同盐度梯度的响应,揭示闽江河口区湿地沉积物反硝化作用受盐水入侵的影响。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

闽江河口位于福建省长乐市金峰镇,属于中亚热带与南亚热带海洋性季风气候的过渡区,气候暖热湿润,年均温19.85℃,年降水量1905.73mm。该区拥有众多天然湿地沿河流两岸河漫滩呈带状分布,典型土著种主要为芦苇和短叶茳芏广为分布[6]。闽江河口受潮汐作用影响较为显著,潮汐特征表现为口外正规半日潮,口内非正规半日浅海潮,水体盐度随潮汐变化而呈周期性变化,表现出从入海口到向上游呈现盐-淡水更替的特征并有上溯的趋势[7]。本研究选择道庆洲(盐度：0.20±0.02)和鳝鱼滩均为短叶茳芏群落湿地(盐度：3.79±1.35),地理坐标分别为25°57′21.4″N、119°24′25.6″E和26°01′48.0″ N、119°37′35.3″E(图1)。

图1 闽江河口湿地采样点示意图Fig.1 Location of sampling sites in two wetlands in the Min River estuary

1.2 实验材料

为了研究短叶茳芏沼泽湿地沉积物反硝化作用对不同盐度梯度的响应,实验于2015年7月选取闽江河口鳝鱼滩和道庆洲湿地分别代表微咸水和淡水两个类型,采集均完全被短叶茳芏覆盖(95%)的沉积物样品。在两个样地中,根据梅花形布点法,使用潮滩湿地松软沉积物柱状采集及分割一体采样器,在每个典型样区分别随机采集4个点位,每个点位采集3个表层沉积物(0—10cm)样品,两个点位共采集24个新鲜样品,带回实验室挑出可见的动植物残体,石头和其余杂物,自然风干后等分成2份：将其中一份风干样品研磨过2mm土筛后进行充分混合装袋作为培养使用;另一份风干样品研磨过0.1492mm土筛,装袋置于4℃冰箱中保存备测。

1.3 实验设计

1.3.1 室内培养

本次研究根据闽江河口区盐度的变化将盐度梯度设为3个梯度,分别为0(1升去离子水中添加0克海盐)、5(1升离子水中添加6克海盐)、10(1升去离子水中添加12克海盐),然后称取过2 mm土筛沉积物5g,分别放入10mm×180mm的螺口硬质玻璃试管中,每个盐度梯度进行3个重复,其中0天培养的不加KNO3,其他分别定量加入含氮量为2.275mg的KNO3溶液,加入去离子水至12.5mL(包括KNO3溶液的体积),为了保证培养过程始终处于厌氧环境,培养沉积物(水)体系冲入适量氮气,最后将培养管放置于23.5℃的培养箱中恒温培养。预培养2d后,将4mol/L的KCl溶液12.5mL加入到不加KNO3的试管中,振荡1 h后,静置30 min,进行过滤,储存到干净的塑料瓶中测定硝态氮作为初始量;对加KNO3的培养瓶持续进行恒温培养,开始正式计算时间,分别在第2、5、10、17和25天取样,各取3瓶表层土样作为3个平行样,分别加4mol/L的KCl溶液12.5mL,振荡1 h后,过滤到干净的塑料瓶中待测。

1.3.2 沉积物反硝化速率与活性计算

Δt=ti+1-ti

(1)

(2)

Rdenit=Adenit/Δt

(3)

(4)

1.4 测定方法

1.5 数据统计与分析

数据处理采用WPS Excel 2016和Origin 8.1软件进行作图、计算及SPSS22.0进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 道庆洲和鳝鱼滩湿地沉积物理化性质对比

图2 不同季节道庆洲和鳝鱼滩湿地沉积物理化性质Fig.2 Seasonal variation of sediment physical and chemical characteristics in the Daoqingzhou and Shanyutan wetlands

2.2 沉积物反硝化作用对盐度的响应

2.2.1 沉积物反硝化速率对盐度的响应

由图3可知,两个采样点沉积物的反硝化速率在相同盐度的情况下变化的趋势大致相同,除了鳝鱼滩(5)外其它均表现出随时间的延长出现下降的趋势,最后趋于0。第5天,除了鳝鱼滩(5)外不同盐度下两地的反硝化速率均都达到最大值,其鳝鱼滩的反硝化速率从低盐度到高盐度分别为(15.5±1.38)、(4.28±8.46)、(12.94±0.24) mg kg-1d-1,最大值出现在低盐度条件下,最小值出现在中盐度环境下;而道庆洲在培养的第5天其反硝化速率均高于鳝鱼滩,反硝化速率从低盐度到高盐度分别为(31.93±4.89)、(30.66±5.375)、(36.69±3.44) mg kg-1d-1,最大值出现在高盐度条件下,最小值出现在中盐度环境下。到第10天时,除了鳝鱼滩(5)外,两地其它盐度条件下反硝化速率均出现大幅度下降趋势,下降幅度鳝鱼滩要高于道庆洲,鳝鱼滩的反硝化速率随盐度升高分别为(5.73±4.67)、(12.54±1.90)、(6.87±3.64) mg kg-1d-1,其0和10下降幅度分别是5天的36.97%、53.01%,而5增加到原来的2.93倍;道庆洲在10天时的反硝化速率分别为(7.23±1.17)、(10.13±1.75)、(10.58±0.90) mg kg-1d-1,相比较5天时分别降低到原来的22.64%、33.01%和28.84%。在培养的第17天时鳝鱼滩反硝化速率从低盐度到高盐度分别为(5.74±2.80)、(2.89±2.36)、(8.70±1.56) mg kg-1d-1,较10天反硝化速率来说,低盐度基本没有变化,中盐度仍大幅度降低,降低到10天23%,高盐度略微升高;道庆洲的反硝化速率从低盐度到高盐度分别为(9.23±2.79)、(6.70±0.42)、(3.61±0.35) mg kg-1d-1,中低盐度分别下降到原来的66.14%和34.31%,相比较10天的反硝化速率来说除了低盐度有所增加外,中高盐度均呈现下降趋势,两地在这个培养时期内道庆洲的降低幅度要大于鳝鱼滩。在培养结束期第25天时,两地的反硝化作用均处于较低的水平,其值均小于17天的反硝化速率并趋于0,表明此时无论是鳝鱼滩还是道庆洲反硝化过程均趋缓,有些盐度下反硝化作用处于静止的状态。综上所述,盐度对两地的反硝化过程的影响较为明显,在培养初期道庆洲的反硝化速率高于鳝鱼滩,后期两地的反硝化速率大都显示降低趋势,相对未加海盐的培养情况,5和10的盐度条件下降幅度更大,说明盐度的存在对反硝化速率均起到抑制作用。

2.2.2 沉积物反硝化活性对盐度的响应

由图4可知,鳝鱼滩和道庆洲两地在不同盐度梯度下沉积物反硝化活性在培养时期内均出现缓慢增加的趋势,但增加的幅度均较小,在第17—25天后变化则趋于平缓。具体来看,鳝鱼滩反硝化活性变化幅度在95.6%—99.8%,通过线性拟合,发现盐度为0反硝化活性变化率为0.153,5反硝化活性变化率为0.154,10反硝化活性变化率为0.176,可以看出盐度为0和5的反硝化活性变化率相当。另外,反硝化活性在17天后逐步趋于平衡,说明17天后反硝化基本达到平衡,这种平衡可能是湿地沉积物营养元素的限制。不同盐度下道庆洲湿地反硝化活性变化趋势与鳝鱼滩类似,反硝化活性随时间不断增加,变化幅度约为90.0%—96.7%,通过线性拟合,发现盐度为0反硝化活性变化率为0.232,5反硝化活性变化率为0.233,10反硝化活性变化率为0.247,盐度0和5的反硝化活性变化率相当。两地对比可以看出,在同一培养时期鳝鱼滩的反硝化活性均高于道庆洲,与鳝鱼滩的反硝化速率的降低幅度大于道庆洲呈现出一致性。

图3 不同盐度下鳝鱼滩和道庆洲反硝化速率 Fig.3 Denitrification rate under different salt concentration in Shanyutan and Daoqingzhou wetlands

图4 不同盐度下鳝鱼滩和道庆洲反硝化活性 Fig.4 Denitrification activity under different salt concentration Shanyutan and Daoqingzhou wetlands

3 讨论

表1 沉积物理化性质与反硝化速率相关性分析

*代表相关性达到0.05显著水平

4 结论

(2)在不同盐度梯度下,两地在培养期间沉积物反硝化速率整体随着时间呈现逐渐降低的趋势,最后两者均处于平稳阶段并趋于0。反硝化活性随着时间呈缓慢增加趋势,鳝鱼滩反硝化活性大于道庆洲,说明在一定盐度范围内盐度对反硝化速率的抑制作用较为明显。

致谢：在野外采样过程中得到福建师范大学地理科学学院黄佳芳、张林海、汪旭明、杨平等老师和同学的帮助,特此致谢。

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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

国家科技基础性工作专项(2013FY111800);国家自然科学基金(51541906);福建省基本科研专项重点项目(2014R1034- 1);福建省科技厅省属公益类科研专项(2016R1032- 1);福建省教育厅(JA14088);福建省科技厅重点项目(2015R0099)

2016- 07- 28;

2016- 10- 09

10.5846/stxb201607281538

*通讯作者Corresponding author.E-mail: tongch@fjnu.edu.cn

李家兵,张宝珠,朱雨晨,丁晓燕,谢蓉蓉,仝川.闽江河口短叶茳芏群落湿地沉积物反硝化强度对盐度的响应.生态学报,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.