不同入侵年限的互花米草对闽江口湿地沉积物矿化速率的影响

＊林燕臻

（福建师范大学环境科学与工程学院 福建 350007）

湿地是指人工或天然、暂时性或长久的沼泽地、泥炭地、水域地带，静止或流动的咸水、半咸水、淡水，包括低潮时水深≤6m的海水水域[1]。沿海湿地处于海陆相互作用的中间地带，它是响应全球环境变化和人类活动较为敏感的重要生态系统之一[2]。沿海地区人口的爆发式增长以及工农业生产的快速发展，使得大量的氮磷营养通过大气干湿沉降、地表与地下径流或污水排放等不同途径进入湿地生态系统，打破了湿地生态系统原有的氮素平衡，影响着湿地氮素生物地球化学循环过程[3-5]。本文以闽江河口湿地为研究对象，研究互花米草入侵年限不同时不同湿地沉积物之间矿化速率的差异，其研究结果有助于深入认识和理解互花米草入侵对湿地氮素生物地球化学过程的影响。

1.材料与方法

(1)研究区概况

实验研究区位于福建省闽江河口区面积最大的天然湿地—鳝鱼滩湿地。为了研究不同入侵年限的互花米草对湿地沉积物矿化作用的影响，本次采样点选择是在互花米草群落分布面积大、地势平坦和长期稳定的湿地地段，取样点的位置设置在同一等高线上，以保证沉积物样品都处在相同的生境下。

(2)样品采集

实验采用时空互换方法，即通过遥感影像和实地观察了解互花米草的空间分布得知互花米草的入侵时间长短顺序是从东南到西北，因此沿东南到西北设计8个采样点位分别代表入侵时间从长到短，每个采样点位做3个重复，采集0～10cm的沉积物样品（图1）。将采集的沉积物样品立即用自封袋密封并避光保存。在实验室挑出可见的动植物残体、石头和其余杂物等，等自然风干后剔除根系和砂砾，并将3个重复样的沉积物样品混合研磨并使其通过20目筛后保存，为后续各项沉积物指标的测定和培养提供样品。

图1 闽江河口湿地（鳝鱼滩湿地）采样点示意图

(3)室内培养与沉积物理化指标测定

湿地沉积物中有机质的矿化反应和NH3的挥发作用是指含氮的有机物在微生物等的作用下降解为NH4+的生物转化过程和NH3挥发进入大气的过程[6]，通过无机氮随着时间的变化率来反映湿地沉积物氮素矿化过程，其培养过程见图2。

图2 湿地沉积物氮素矿化淹水密闭培养法流程示意图

沉积物pH采用IQ150便携式测定；氧化还原电位采用2265 FS便携式电导/温度计测定；含水率用烘干法测定；TC和TN测定使用碳氮元素分析仪测定；无机氮经KCl浸提后使用连续流动分析仪测定。

(4)数据处理

利用SPSS17.1对数据进行分析处理，Origin 8.0对数据作图。采用皮尔逊相关系数分析其影响因素的相关性。

沉积物矿化速率是利用培养后和培养前沉积物硝态氮和铵态氮含量的差值来计算，净矿化速率为单位时间内无机氮含量变化，无机氮为硝态氮和铵态氮之和，具体计算公式为[7]：

式中：ti为培养起始时间；ti+1为培养结束时间；△t为培养时间。

2.结果与分析

(1)理化性质分析

本次研究中闽江河口湿地沉积物各采样点理化因子分布特征如表1所示。由表1可以看出，pH、含水率、电导率、C/N和TN都有明显的变化规律，即pH、含水率、电导率和C/N总体上随着互花米草入侵年限从长到短呈现先减少后增加的趋势，pH在6.55～6.80之间；C/N在10.38～12.55之间，电导率在0.67～1.16之间。只有TN随着互花米草入侵年限从长到短呈现先增加后减少的趋势。

表1 互花米草入侵不同时间序列下沉积物理化性质的变化

(2)沉积物氮矿化速率变化特征

沉积物中氮素矿化速率可以用矿化过程中产生的无机氮含量随时间的变化率来反映。互花米草入侵不同时间序列下沉积物的矿化速率总体随着入侵年限的延长呈先增后减的规律，如图3所示。其中D5、D6和D7点位沉积物的矿化速率在第1-3周期间呈现增长趋势，在第7周矿化速率降至最低值。在第7-14周期间矿化速率呈现先上升后下降趋势。D2、D3点矿化速率从培养第1周的3.56mg·kg-1·d-1和2.01mg·kg-1·d-1下降到第10周的最低值-0.06mg·kg-1·d-1和0.03mg·kg-1·d-1，后缓慢上升至0.15mg·kg-1·d-1和0.37mg·kg-1·d-1。D8光滩的矿化速率由第1周的6.92mg·kg-1·d-1经培养10周后持续降至最低值-0.19mg·kg-1·d-1后又增至0.27mg·kg-1·d-1。经14个周期培养结束后，互花米草各采样点处沉积物的矿化速率均趋于0.01～0.37mg·kg-1·d-1。

图3 不同时间序列下沉积物矿化速率

(3)沉积物理化性质对沉积物矿化速率的影响

对互花米草入侵不同年限下沉积物理化性质与矿化速率的相关性进行分析，可以得出矿化速率与含水率、TN、NH4+-N呈显著负相关（P＜0.05），与pH、电导率、C/N均无相关关系（P＞0.05），见表2。

表2 入侵不同年限沉积物理化性质与矿化速率的Person相关性分析

3.分析与讨论

(1)互花米草湿入侵年限对湿地氮素来源的影响

河口湿地碳氮元素主要是河流和海洋潮汐输入，其中C/N比值可以指示有机质的来源，通常C/N≥12的划定为陆源有机物，而C/N＜8的划分为海源有机物[8]，本研究中实验数据表明C/N的分布情况与变化规律表明陆源输入氮素对沉积物有机质的来源有着重要影响。C/N随着互花米草的入侵时间的延长而递增，表明互花米草在湿地沉积物中对陆源有机质的摄入比例影响越来越大，而对海源有机质的输入比例影响则越来越小，这与王刚等[9]对盐城所在的滨海湿地的研究结果一致。

互花米草一方面入侵时间越长其生物量越大，然后通过植被的掉落物和根系所分泌的有机和无机产物进入沉积物，进而直接对有机氮含量产生影响[10]。另一方面随着入侵年限的增长互花米草生长的湿地沉积物中有机氮较易被分解成组分所占比例较小的物质，有机氮虽随着入侵种互花米草带来的陆源有机质输入的量的增大而增大，但随着矿化速率的下降使总氮的储量随着入侵时间的增加而减少。活性有机氮分解速率均随互花米草入侵湿地时间的增加而下降[11]，同时来源于互花米草中有机碳、有机氮的输入显著改变了活性有机氮组分在沉积物有机氮中的分配比例，随着入侵年限延长，比值先减后增，从而加快了活性氮组分流失，降低了沉积物氮聚集能力[12]。

(2)互花米草入侵对湿地沉积物矿化因素的影响

①互花米草入侵对湿地沉积物理化性质的影响

影响湿地沉积物中有机氮素矿化反应的理化性质主要包括pH、C/N和TN含量等。沉积物中的pH与矿质氮的含量表现为显著正相关关系，pH值升高可提高沉积物中NH4+产生的量。其变化产生原因主要是由于pH值的升高，增加了沉积物中有机质的可溶解性，提供了大量富含碳氮基质，使得微生物的生长、繁殖条件更加有利，进而促进了氮素的矿化[13]。

另外互花米草发达的根系和高茎叶会减弱潮水动力，固结海滩面的沉积物，使海水中粒径较小的颗粒物大量聚集沉积[12]，且随着互花米草入侵年限越长，沉积物粘粒组成越高、平均颗粒越细，沉积物氮素矿化作用与粘粒含量呈负相关关系。由于细小颗粒物的比表面积较大，会优先得到腐殖质化产物和根系的分泌物，进而增加了沉积物中TN、TC的含量。沉积物的平均粒径越小，通气透水的性能越差，从而影响到沉积物呼吸，不利于TOC、有机氮的分解。

②互花米草入侵对湿地生物区系的影响

一般来说，沉积物有机氮的矿化反应与植物枯落物的C/N呈负相关关系，当C/N比值较高时，缺乏氮源，沉积物矿化反应后产生的氮素会迅速地被微生物固持，因此矿化速率较低[14]。由于湿地沉积物中有机氮的矿化过程的实质是在微生物的作用下的氨化反应过程，所以湿地中的各类生物的种类、数量、种群结构以及其之间的相互关系等均会对矿化过程产生重要的影响。

4.结论

互花米草入侵年限对沉积物的pH、含水率、电导率、C/N和TN均产生影响。

不同互花米草入侵年限的沉积物矿化速率总体上随着培养时间的延长呈现先上升后下降的趋势。

矿化速率与互花米草入侵所导致的湿地沉积物理化性质和生物要素变化有关。