微宇宙暖化湿地土—水界面磷素生物地球化学循环规律与机制研究

论文摘要

气候暖化对全球生态系统产生了广泛影响,尤其是与水质安全和水质演变密切相关的湿地磷素生物地球化学循环系统。本项目以长三角南区6种磷库与碳库具有显著差异的湿地（绍兴镜湖（JH）、德清下渚湖（XZ）、桐乡养鸭塘（YT）、杭州西溪湿地（XX）、长兴包漾河（BY）、嘉兴石臼漾湿地（SJ））为研究对象,自行设计微宇宙湿地研究平台（Microcosm）模拟气候暖化背景下的湿地土-水生境。以自然温度为对照组（CK）,以自然温度上升5±2℃为处理组（UP5℃）,应用现代分析技术研究磷素在沉积物、水和微生物等界面的生物地球化学循环规律及其机制。通过模拟气候变暖微宇宙实验,六处湿地对照组和处理组沉积物中Ca-P含量差异均不显著,其他形态磷只有少数差异显著。JH、XZ和SJ上覆水总磷（TP）和可溶性磷（DRP）浓度处理组显著高于对照组,且均出现在冬季。气候暖化对层间水中TP和DRP浓度的影响明显大于上覆水,以XZ和XX湿地最为显著。上覆水TP和DRP浓度季节性变化较明显,夏季明显高于冬季。在高有机磷、高铁结合态磷、高铝结合态磷的沉积物中,随着温度的升高,上覆水中和层间水中DRP浓度会随之增加。通过PLFA（磷脂脂肪酸特征谱）技术分析六种供试湿地沉积物磷脂脂肪酸种类,JH、XZ、XX、SJ以16：0为主,YT和BY以16:1w7c/15 iso 2OH为主。温度升高使百分含量大于0.1%磷脂脂肪酸的种类增加,YT除外。PLFA总量处理组高于对照组,增幅达到11％～67%；细菌量增幅达到6%-83%,YT除外；真菌量达到40%-168%,BY除外；放线菌的变化则无明显规律。温度升高会促使湿地沉积中真菌丰度的增加而降低细菌丰度,改变湿地沉积物中微生物的群落分布,有利于促进磷酸酶分泌。通过对沉积物中主成分分析发现,温度升高不同湿地磷脂脂肪酸的均匀度改变,变异减少。通过酶学方法在湿地沉积物中的应用,以及活性有机质的测定,结果表明气候暖化提高了含磷量较低的湿地沉积物中性磷酸酶和碱性性酸酶的活性,促进有机磷降解及磷素迁移活性增强；而高磷沉积物由于其高含量有机质的络合和高浓度DRP抑制,可能使其活性较低。高活性有机质和中活性有机质部分对照组高于处理组,而低活性有机质处理组高于对照组,说明微生物可利用有机质主要以高活性和中活性有机质为主,总的活性有机质处理组高于对照组,说明气候暖化湿地生态系统在短期内仍以碳汇为主。由于气候变化作用于湿地生态所诱导的生态效应具有长期性、动态性及复杂性,在短期研究的基础上,有必要进行微宇宙中长期定位试验以阐明湿地土-水-微生物等多界面磷素生物地球化学循环的特征性规律、机制及其生态调控策略。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 2 文献综述
• 2.1 湿地磷素特征研究
• 2.2 湿地土-水界面磷素分配规律
• 2.3 湿地磷素生物地球化学循环及影响因素分析
• 2.3.1 湿地磷素生物地球化学循环机理
• 2.3.2 微生物作用机理及测定方法
• 2.3.3 有机质对磷素循环的影响研究
• 2.4 气候暖化湿地磷素"汇-源"生态再平衡展望
• 2.5 小结与展望
• 3 材料与方法
• 3.1 样品采集和实验设计
• 3.1.1 采样点概况
• 3.1.2 模拟气候暖化温度控制系统
• 3.1.3 沉积物采集和处理
• 3.2 样品测定方法
• 3.2.1 水样基本理化性质分析
• 3.2.2 沉积物样品基本理化性质分析
• 3.2.3 沉积物磷素形态分级
• 3.2.4 磷脂脂肪酸测定方法
• 4 气候暖化湿地沉积物磷素释放特征
• 4.1 气候暖化湿地沉积物磷形态特征
• 31P-NMR测定沉积物有机磷初探'>4.2³¹P-NMR测定沉积物有机磷初探
• 4.2.1 沉积物处理和测定方法
• 31P-NMR测定结果分析'>4.2.2³¹P-NMR测定结果分析
• 4.3 气候暖化湿地水相中磷素变化特征
• 4.3.1 各湿地柱水相磷素释放特征
• 4.3.2 各湿地柱水相磷素释放比较
• 4.4 湿地土-水界面磷素各参数统计分析
• 4.4.1 统计方法
• 4.4.2 各指标相关关系分析
• 4.5 小结与展望
• 5 气候暖化湿地微生物群落特征
• 5.1 微生物群落结构
• 5.1.1 主要磷脂脂肪酸
• 5.1.2 微生物种类及与磷素循环作用分析
• 5.1.3 特征脂肪酸的比值分布及意义
• 5.1.4 微生物群落结构分析
• 5.2 有机质特征
• 5.3 磷酸酶活性特征
• 5.4 小结与展望
• 6 研究论点、创新点及展望
• 6.1 研究论点
• 6.2 创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读硕士学位期间完成的论文