（环境科学专业论文）2009年夏秋季辽河口芦苇湿地沉积物硝化作用及影响因素研究.pdf

2 0 0 9 年夏秋季辽河口芦苇湿地沉积物硝化作用 及影响因素研究 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 加t 口、d 矽 旷港溜汽书j1碍、，_，0 j j牛l ji、f；i， 毒、m ， 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼；翅遗直基丝盂墨挂剔直明的：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 饥字日期：沙1 0 年6 月f 夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 虢了锄南 - 、 签字日期：栅歹月一 e t 导师签字： 1 硼五 签字日期：劲f 年莎月 l ”k，肇j，o1礓，o； 2 0 0 9 年夏秋季辽河口芦苇湿地沉积物硝化作用 及影响因素研究 摘要 氮是陆地生态系统植物光合作用和初级生产过程中最受限制的元素之一。湿 地沉积物的无机氮含量通常维持在较低的水平上，因而常常是最主要的限制性养 分。湿地沉积物氮素的硝化作用是氮素生物地球化学循环的重要环节，对其进行 研究不仅可以揭示湿地氮的生物地球化学行为及生态意义，而且对于探讨湿地生 态系统生产力及氮素界面过程等具有重要意义。 为了解硝化作用在辽河口芦苇湿地污染净化功能中的作用和在河口湿地氮 循环中的贡献，进一步为辽河口湿地生态修复和管理提供参考。本文采用现场调 查培养和实验室模拟培养相结合的方法研究了辽河口湿地表层沉积物硝化细菌 和硝化速率的分布特征，分析了氨氧化细菌( a m m o n i a - o x i d i z i n gb a c t e r i a ，a o b ) 和硝化速率与各环境因子间的关系，并选取几个主要的影响因子( 温度、p h 、 盐度、n m + n 浓度、有机质和石油烃含量) ，采用单因子分析法设计控制实验对 其进行分析加以验证。采用现场模拟培养柱法测定净硝化速率，实验室内液体培 养法测定潜在硝化速率，m p n g r i e s s 法测定a o b 数量，采用s p s s l 3 0 软件中 的相关分析和回归分析等方法分析了各影响因素与硝化作用之间的关系。研究结 果表明： ( 1 ) 2 0 0 9 年辽河1 3 芦苇湿地表层沉积物a o b 数量6 月份在0 5 4 x 1 0 4 - 5 6 9 x 1 0 4 个g - 1 之间，平均值为2 2 1 x 1 0 4 个g ；8 月份在1 9 0 x 1 0 4 - 7 9 0 x 1 0 4 个g - 1 之间， 平均值为3 6 1 x 1 0 4 个g - 1 ：9 月份在o 1 2 x 1 0 4 - - 0 3 6 x 1 0 4 个g - 1 之间，平均值为 0 2 1 x 1 0 4 个g 。沉积物潜在硝化速率6 月份在9 7 2 1 6 4 5 m m o l m - 2 h 。1 之间，平 均值为1 2 5 4 r e t o o l m - z h ；8 月份在1 4 6 6 - , 2 4 6 2 m m o l m - 2 h 1 之间，平均值为 18 7 1 m m o l m 2 h 一，9 月份在8 2 2 1 2 3 7 m m o l m - 2 h 1 之间，平均值为9 6 9 m m o l m - 2 h - 1 。净硝化作用速率6 月份( s l 站) 为0 4 1 m m 0 1 m - 2 h - 1 ；8 月份净硝 化速率范围在0 2 0 - 0 5 3 m m o l m 2 h 。1 之间，平均值为0 3 5 m m 0 1 m - 2 h ；9 月份( s 1 站) 为o 2 3m m o l m 2 h 一。潜在硝化速率显著高于净硝化速率，a o b 数量、净硝 化速率和潜在硝化速率均表现为8 月 6 月 9 月，芦苇根际效应对硝化作用有促 进作用。 ( 2 ) 通过s p s s l 3 0 软件统计分析，表明影响辽河口芦苇湿地表层沉积物硝化 作用的主要环境因子有上覆水温度、d o 、n h 4 + - n 浓度和沉积物p h 、有机质、 t n 、n i - h + - n 含量以及a o b 数量( p 石油烃含量 n h 4 + - n 浓度 有机质含量 p h 值 温度： ( 4 ) 硝化作用是湿地氮循环中的一个重要过程，在辽河口芦苇湿地氮循环中 发挥着重要作用，结合本研究测得的数据，可以估算辽河口芦苇湿地表层沉积物 每天可以将1 0 2 x1 0 s k g n h 4 + - n 转化为n 0 3 - n ，相当于辽河流域n i - h + - n 和 n 0 3 - n 日入海通量的4 4 2 和1 0 9 ，对辽河口芦苇湿地氮循环有重要影响。 关键词：辽河口湿地；沉积物；硝化作用；氨氧化细菌( a o b ) ；影响因素 s t u die s o nit rific a t o na n d 。n flu e n c gf a c t o rstudsnc a tio n it si un cinf a c t o rstn ti g r - - o tlia o h ee s t u ar yr o e dw e tia n d s e dlm e n t slns u m m e ra n d a u t u m no f2 0 0 9 a b s t r a c t n i t r o g e nw a so n eo ft h em o s tl i m i t e d e l e r n e n t so fp l a n tp h o t o s y n t h e s i sa n d p r i m a r yp r o d u c t i o np r o c e s s e si nt e r r e s t r i a le c o s y s t e m s i n o r g a n i cn i t r o g e nc o n t e n t w a r eg e n e r a l l ym a i n t a i n e da tar e l a t i v e l yl o wl e v e li nw e t l a n ds e d i m e n t ，w h i c hi s o f t e nt h em o s ti m p o r t a n tl i m i t i n gn u t r i e n t s n i t r i f i c a t i o nw a sa ni m p o r t a n tp a r to f n i t r o g e nb i o g e o c h e m i e a lc y c l e si nw e t l a n ds e d i m e n t s t h es t u d yo fn i t r i f i c a t i o ni n w e t l a n ds e d i m e n t sw a sn o to n l yr e v e a l e dt h ew e t l a n dn i t r o g e nb i o g e o c h e m i c a l b e h a v i o ra n di t se c o l o g i c a ls i g n i f i c a n c e ，b u ta l s oh a ss i g n i f i c a n c et oe x p l o r et h e w e t l a n de c o s y s t e mp r o d u c t i v i t ya n dt h ep r o c e s s e so f n i t r o g e ni n t e r f a c ep r o c e s s e s i no r d e rt ou n d e r s t o o dt h er o l eo fn i t r i f i c a t i o ni np o l l u t i o np u r i f i c a t i o na n d n i t r o g e nc y c l e i nl i a o h ee s t u a r yr e e dw e t l a n ds e d i m e n t s ，a n df u r t h e ro f f e r e d r e f e r e n c e sf o re c , o s y s t f i t sr e s t o r a t i o na n dm a n a g e m e n to fl i a o h ew e t l a n de s t u a r y i n t h i sp a p e r , n i t r o b a c t e r i a , n i t r i f i c a t i o na n di t si m p a c tf a c t o r sw e r ed i s c u s s e db a s e do n t h em e t h o do fo n s i t ei n c u b a t i o na n dl a b o r a t o r ys i m u l a t i o ni nl i a o h ee s t u a r yw e t l a n d s e d i m e n t si nj u n e ，a u g u s ta n ds e p t e m b e r2 0 0 9 ，r e s p e c t i v e l y i ti sa l s ot h a tt h e s e l e c t e ds e v e r a lm a j o rf a c t o r s ( t e m p e r a t u r e ，p h ，s a l i n i t y , a m m o n i ac o n c e n t r a t i o n , o r g a n i cm a t t e ra n dp e t r o l e u mh y d r o c a r b o nc o n t e n oo nn i t r i f i c a t i o nw e r ea n a l y z e db y t h ec o n t r o l e x p e r i m e n t sd e s i g n e du s e ds i n g l e - f a c t o ra n a l y s i sm e t h o d t h en e t n i t r i f i c a t i o nr a t ew a sd e t e r m i n e db yt h em e t h o do fo n - s i t es i m u l a t i o nc u l t i v a t i o n c o l u m n ，t h ep o t e n t i a ln i t r i f i c a t i o nr a t ew a sd e t e r m i n e db yt h em e t h o do fl a b o r a t o r y l i q u i ds i m u l a t i o nc u l t i v a t i o n ，t h en u m b e ro fa o bw a sd e t e r m i n e db yt h em e t h o do f m p n - g r i e s s t h er e l a t i o n s h i pb e 僦e e nn i t r i f i c a t i o na n de n v i r o n m e n t a li m p a c tf a c t o r s w a sa n a l y z e db yc o r r e l a t i o na n a l y s i sa n dr e g r e s s i o na n a l y s i so fs p s s13 0s o f t w a r e t h er e s u l t ss h o w e da sf o l l o w s ： ( i ) i nl i a o h ee s t u a r yr e e dw e t l a n ds e d i m e n t s ，t h en u m b e ro fa m m o n i a - o x i d i z i n g b a c t e r i a ( a o b ) r a n g e df i o m0 5 4 x 1 0 4 t 0 5 6 9 1 0 4 c e l l s 分1w i t ha l la v e r a g eo f 2 2 1 x 1 0 4 c e l l s 百1i nj u n ea n dr a n g e df r o m1 9 0 10 4t o7 9 0 x10 4c e l l s g 。1w i t ha na v e r a g eo f 3 6 1x 1 0 4c e l l s 9 1i na u g u s ta n dr a n g e df r o m0 1 2 x 1 0 4t o0 3 6 x 1 0 4c e l l s 矿1w i t ha l l a v e r a g eo f0 21x10 4c e l l s 岔1 i ns e p t e m b e r , t h ep o t e n t i a ln i t r i f i c a t i o nr a t e sr a n g e d f r o m9 7 2t o16 4 5m m o l m - 2 h w i t ha na v e r a g eo f12 5 4m m o l m 2 - h 。1i nj u n ea n d r a n g e df r o m1 4 6 6t o2 4 6 2m m o l m - 2 h - 1w i t ha l la v e r a g eo f18 7 1m m o l m - 2 - h 。1i n a u g u s ta n dr a n g e df r o m8 2 2t o1 2 3 7m m o l m - 2 h 。1w i t ha na v e r a g eo f9 6 9 m m o l m 2 h i ns e p t e m b e r , t h en e tn i t r i f i c a t i o nr a t e sw a s0 41m m 0 1 m 2 h 1i nj m l e a n dr a n g e df r o m0 2 0t o0 5 3m m o l m 2 - h w i t ha na v e r a g eo f0 3 5 m m o l 1 1 1 - 2 h 1i n a u g u s ta n d0 2 3 m m o l m - 2 h 1i ns e p t e m b e r p o t e n t i a ln i t r i f i c a t i o nr a t e sw e r e s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h en e tn i t r i f i c a t i o nr a t e s t h ea o ba b u n d a n c e ，p o t e n t i a l n i t r i f i c a t i o nr a t e sa n dn e tn i t r i f i c a t i o nr a t e sw e r ed e m o n s t r a t e dh i g h e s ti na u g u s ta n d l o w e s ti ns e p t e m b e r t h en i t r i f i c a t i o nw a sa c c e l e r a t e db yr e e dr h i z o s p h e r ee f f e c t s ( 2 ) t e m p e r a t u r e ，d i s s o l v e do x y g e n ，a m m o n i ac o n c e n t r a t i o ni nt h eo v e r l o n g w a t e ra n dp h ，o r g a n i cm a t t e r , t o t a ln i t r o g e nc o n t e n t ，a m m o n i an i t r o g e nc o n t e n ta n d t h en u m b e ro fa o bw e r et h em a i ne n v i r o n m e n t a li m p a c tf a c t o r so i ln i t r i f i c a t i o nb y s p s s13 0s t a t i s t i c sa n a l y s i s ( p p e t r o l e u mh y d r o c a r b o nc o n t e n t a m m o n i ac o n c e n t r a t i o n o r g a n i cm a t t e rc o n t e n t p hv a l u e t e m p e r a t u r e ( 4 ) n i t r i f i c a t i o np l a y e da l li m p o r t a n tr o l ei nn i t r o g e nc y c l ei nl i a o h er i v e r e s t u a l yw e t l a n d c o m b i n e dw i t l lt h em e a s u r e dd a t ao ft h i ss t u d y , i ti se s t i m a t e dt h a t t h el i a o h ee s t u a r yw e t l a n ds e d i m e n tc o u l dc h a n g e1 0 2x10 5 k ga m m o n i at on i t r a t e p e rd a y , w e r ee q u i v a l e n tt o4 4 2 a n d10 9 o fn h 4 + - na n dn 0 3 - - nf l u xi n t ot h es e a i v f r o mt h el i a o h er i v e rb a s i n ，w h i c hh a ss i g n i f i c a n ti m p a c to nt h en i t r o g e nc y c l ei n l i a o h ee s t u a r yr e e dw e t l a n d k e yw o r d s ：l i a o h ee s t u a r yw e t l a n d ；s e d i m e n t s ；n i t r i f i c a t i o n ；a m m o n i a - o x i d i z i n g b a c t e r i a ( a o b ) , i m p a c tf a c t o r s v 目录 0 前言1 1 文献综述3 1 1 环境中的氮循环3 1 1 1 海洋中的氮循环4 1 1 2 湿地沉积物中的氮循环6 1 2 硝化作用的研究方法及影响因素7 1 2 1 硝化作用速率的研究方法。8 1 2 2 影响硝化作用的环境因素9 1 2 3 硝化作用的环境效应1 2 1 3 硝化细菌及研究现状1 4 1 3 1 硝化细菌研究进展1 4 1 3 2 氨氧化细菌及研究方法1 5 1 4 研究区域概况l8 1 5 研究内容、目的与意义2 0 1 5 1 主要研究内容2 0 1 5 2 研究目的2 0 1 5 3 研究意义2 0 2 材料与方法2 2 2 1 站位布设与样品采集2 2 2 1 1 站位布设2 2 2 2 2 样品采集2 2 2 2 实验方法2 3 2 2 1 净硝化速率测定的现场培养2 3 2 2 2 潜在硝化速率测定的模拟实验2 3 2 2 3 氨氧化细菌计数2 4 2 2 4a o b 富集培养2 5 2 2 5 硝化作用影响因素实验。2 6 2 3 样品测定一2 6 2 4 数据处理与统计2 7 3 结果与讨论_ 一2 8 3 1 辽河口湿地沉积物硝化作用速率分布2 8 3 1 1 净硝化速率分布时空变化2 8 3 1 2 潜在硝化速率分布时空变化3 0 2 1 3 净硝化速率与潜在硝化速率的关系3 2 3 2 硝化作用影响因素分析。3 3 3 2 1 影响辽河口湿地硝化作用的环境因子3 3 3 2 2 主要的影响因素分析3 7 3 3 辽河口湿地沉积物a o b 数量分布及影响因素。4 3 3 3 1a o b 数量分布4 3 3 3 2a o b 的影响因素4 5 3 4 辽河口湿地硝化作用的环境效应4 5 4 结论4 9 参考文献51 一 ， 2 0 0 9 年夏秋季辽河口芦苇湿地沉积物硝化作用及影响因素研究 o 前言 氮是陆地生态系统植物光合作用和初级生产过程中最受限制的元素之一。湿 地沉积物的无机氮含量通常维持在较低的水平上，因而常常是最主要的限制性养 分【l 】。湿地土壤氮素的硝化作用是氮素生物地球化学循环的重要环节，对其进行 研究不仅可以揭示湿地氮的生物地球化学行为及生态意义，而且对于探讨湿地生 态系统生产力及氮素界面过程等具有重要意义。 硝化作用( n i t r i f i c a t i o n ) 是指在硝化细菌( n i t r o b a c t c r i a ) 作用下把氨( 或 铵) 转化为硝酸盐的过程，它一般分为两个阶段，分别由两种不同的微生物类群 来完成：先由n i - i , + - n 氧化细菌( a m m o n i a o x i d i z i n gb a c t c r i a a o b ，也称亚硝化 细菌) 把n h 4 + - n 氧化为n 0 2 - n ，再由n 0 2 n 氧化细菌( n i t r i t e o x i d i z i n g b a c t e r i a n o b ，硝化细菌) 把n 0 2 - n 氧化为n 0 3 。- n ，生成的n 0 3 - n 可以进一步 通过反硝化作用生成n 2 或n 2 0 进入到大气中而去除环境中的刻2 1 。a o b 和n o b 有自养和异养之分，在不同的环境中它们所占的比率不一样【3 】。其中a o b 主导 的氨氧化作用被认为是硝化作用的限制性步骤，因此对硝化作用的研究往往针对 a o b 和氨氧化过程进行【4 】。 硝化作用在自然界的氮素生物地球化学循环中具有重要的意义【5 】，它一方面 可以减轻环境中n i - h + n 的生态毒性，还可以为反硝化这一自净作用提供底物硝 酸盐p7 1 。硝化作用作为湿地氮素循环的核心环节，对环境的影响很大。生成的 硝酸盐或通过反硝化作用形成n 2 从而造成氮素的流失1 8 】，或渗入到地下造成地 下水的污染【9 1 ；同时，较高的硝化作用速率也会造成土壤酸化、缓冲能力降低和 释放温室气体n 2 0 掣1 0 _ 11 】环境影响。不同环境条件下硝化作用的差异将对环境 产生不同的影响，因而受到国内外学者越来越多的关注【1 1 。1 3 1 。 目前，国内外对硝化作用的研究主要集中在两个方面：一个方面是对自然生 态系统中硝化作用的研究，主要包括不同环境中存在的硝化细菌数量、群落结构 和硝化活性的研究；环境因素对硝化细菌活性、种群结构及硝化速率的影响研究； 硝化作用对环境的影响研究，如酸化环境、丧失土壤肥力和产生温室气体等 1 0 。l l 】。另一方面是对污水处理系统( 如人工湿地等) 等人工生态环境中硝化作 2 0 0 9 年夏秋季辽河口芦苇湿地沉积物硝化作用及影响因素研究 用的研究，主要是富集筛选并分离出高效硝化细菌以及快速鉴定特定的高效硝化 菌种和确定硝化菌种群组成。随着对硝化作用研究的不断深入，不断有新的方法 被应用到其中，尤其是分子生物学的迅速发展和应用，使得硝化细菌这种难培养 微生物的研究有了突破性的进展。国外对湿地硝化作用的研究较早，在研究方法 和影响因素等【1 扣1 7 1 方面取得了大量的成果，但对湿地沉积物中硝化的研究主要 集中在海洋4 , 1 8 】、农田【1 ”1 1 和森林生态系统【2 2 2 3 1 ，对河口湿地生态系统中硝化作 用的研究则相对较少。 辽河口湿地是我国四大河口湿地之一，有着重要的湿地生态功能【2 4 1 ，主要 范围包括目前的双台子河口国家级自然保护区，是以芦苇沼泽和潮间带滩涂为主 的自然湿地。辽河口湿地不仅对河口区生物多样性的保护具有重要的生态意义， 而且大面积的湿地同时具有明显的水质净化功能，对保证湿地生态用水水质和减 少污染物入海通量具有不可忽视的作用【2 卯。河流是n 、p 等营养元素进入海洋生 态系统的主要渠道，河口区生态系统和近海是污染最严重的区域，也是污染物净 化的主要场所。本文选择了辽河口湿地作为研究对象，采用现场模拟和实验室培 养相结合的方法研究了辽河口湿地表层沉积物的硝化细菌和硝化作用，分析了影 响硝化作用的环境因子，并采用单因子分析法设计实验对主要的影响因素加以验 证分析，以期为中国北方河口湿地的污染物净化功能和氮循环作用机制研究提供 理论基础，进一步为河口区湿地生态系统的生态修复提供参考。 2 2 0 0 9 年夏秋季辽河口芦苇湿地沉积物硝化作用及影响因素研究 1 文献综述 1 1 环境中的氮循环 氮循环( n i t r o g e nc y c l e ) 是描述自然生态系统的中各种不同形态含氮化合物 之间相互转换过程的物质循环。氮在自然界中的循环转化过程是生物圈内基本的 物质循环之一，涉及到生态系统及生物圈研究的所有领域。如大气中的氮经微生 物固定等作用而进入土壤，为动植物所利用，最终又在微生物的参与下返回大气 中，如此反覆循环，以至无穷。自然界中氮循环示意图见图1 1 。 图1 1 自然界中氮循环示意图【1 f i g 1 - 1n i t r o g e nc y c l ei nn a t u r ee n v i r o n m e n t 自然界中氮素主要以三种形式存在：( 1 ) 有机氮：据统计，地球上蕴藏的有 机氮共有2 0 0 - 2 5 0 x1 0 8 t ，陆地生态系统中的氮绝大部分以有机氮的形式存在； ( 2 ) 无机氮：主要是n h 4 + n 、n 0 2 - n 和n 0 3 - n ；( 3 ) 分子态氮：空气中含有 大约7 8 的氮气，占自然界中绝大部分的氮元素。氮循环就是指分子态氮、有机 氮和无机氮在自然界中相互转化的总称，包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、 2 0 0 9 年夏秋季辽河口芦苇湿地沉积物硝化作用及影响因素研究 固氮作用以及有机氮化合物的合成作用等。 此外，氮也是许多生物过程的基本元素；它存在于所有组成蛋白质的氨基酸 中，是构成诸如蛋白质、d n a 等的四种基本元素之一。在植物体中，大量的氮 素被用于制造可进行光合作用供植物生长的叶绿素分子，或者通过固定作用将气 态的游离态氮转变为可被有机体吸收的化合态氮。大气中的一部分氮素由闪电所 固定，同时绝大部分的氮素被非共生或共生的固氮细菌所固定，这些细菌拥有可 促进氮气氢化成为氨的固氮酶，生成的氨再被这种细菌通过一系列的转化以形成 自身组织的一部分或供其它生物利用。某一些固氮细菌，例如根瘤菌，寄生在豆 科植物( 如豌豆或蚕豆) 的根瘤中，这些细菌和植物建立了一种互利共生的关系， 为植物生产氨以换取糖类等自身营养物质，因此可通过栽种豆科植物使氮素贫瘠 的土地变得肥沃，此外，还有一些其它的植物也可供建立这种共生关系。然而， 大部分植物都是利用根系从土壤中吸收n 0 3 o n 或n h 4 + - n 以获取氮元素，动物 则通过食物链获取氮素。自然界中的氮循环实际上就是不同形态氮在地球圈中各 圈层之间的不断地迁移与转化过程。 1 1 1 海洋中的氮循环 当今海洋学研究的前沿课题之一就是探讨与全球( 环境) 变化研究有关的海 洋生物地球化学过程，其核心内容是研究海洋环境中生源要素氮的循环。氮作为 最基本的生源要素之一，是海洋生物最基础的营养物质，其生物地球化学循环对 海洋生态系统具有至关重要的作用。n 可以成为海洋浮游植物生长的限制因子， 从而使某些生物种群的生物量减少；n 的大量过剩可造成海域水体的富营养化， 诱发赤潮的出现，尤其在近海典型海域，当环境温度、盐度、微量金属( 如f e ， m n ，m g ，c u ，m o ，c o 等) 适合时更易发生。所以研究近海典型海域氮的生物地 球化学循环模式及其生态学功能是评价海洋环境质量、保持海洋生物资源可持续 发展必须要面对的关键问题。随着国际地圈一生物圈计划( i g b p ，1 9 9 0 2 0 1 0 ) 的 实施，国内外在生源要素的生物地球化学过程的研究方面取得了长足的发展，涉 及到海洋沉积物中n 形态的分布变化，沉积物一海水界面附近n 的沉积、释放、 循环及其控制，生物扰动对氮循环的影响等诸多内掣2 6 1 。 海洋沉积物中发生的各种生物地球化学过程在沉积物海水界面附近表现得 4 2 0 0 9 年夏秋季辽河口芦苇湿地沉积物硝化作用及影响因素研究 尤为明显。研究海洋沉积物中n 的生物地球化学循环，重点是研究海洋沉积物 海水界面附近发生的各种生物地球化学过程，它是生物过程、化学过程与动力沉 积过程的综合反映f 1 8 】。同时，海洋沉积物海水界面附近n 的生物地球化学过程 研究也对了解和探讨全球海洋变化、评价海洋环境质量和促进海洋渔业可持续发 展有重要的作用。 n i 逼t 埋 图1 2 海水沉积物界面氮循环示意图【2 6 j f i g 1 - 2n i t r o g e nc y c l ei nt h ei n t e r f a c eo fs e a w a t e ra n ds e d i m e n t 图1 2 是氮在海水沉积物界面的循环转化示意图。它包括氨化( 矿化) 、硝化、 反硝化、n 0 3 - n 的氨化还原等一系列复杂的生物地球化学反应，其最终结果的 显著体现则是反应物和产物在沉积物间隙水中的浓度分布以及海水沉积物界面 的交换通量，这一循环过程通常包括两个方面：一是沉积物中有机质矿化向水体 释放再生的营养物；二是海底对营养物的保留，对n 而言其保留过程为深层埋 藏及反硝化作用。各种来源的n ，包括陆源输人、浮游植物死亡、细胞物质、动 物尸体及其排泄物等通过沉降或扩散运愉到达海底形成表层沉积物，在复杂的沉 积环境中发生一系列生物地球化学反应，如水解、细胞自溶、微生物分解或降解 等，使其中大部分有机氮还原成可被生产者利用的无机形式重新进人营养循环， 另一小部分则随成岩作用埋藏于海底，短期内不再参与循环。n 是浮游植物进行 初级生产必不可少的营养元素，海洋中的初级生产力很大程度上受限于浮游植物 同化时可获得的n 源，在大多数海域由沉积物中再生的无机n h 4 + n 提供n 源。 因此沉积物中n 的再生和转化对整个近海生态系统的生物生产具有重要意义【2 7 1 。 据推算，海洋每年氮循环通量约为2 2 0 t g n ，占全球固氮量的5 9 6 e 2 7 2 8 1 。 2 0 0 9 年夏秋季辽河口芦苇湿地沉积物硝化作用及影响因素研究 1 9 6 1 年d u g d a l e 等【2 9 】率先研究了美国s a r g a s s o 海域固氮量的年变化，此后关于 海洋氮生物地化循环的科学研究逐步展开，也取得了不少研究成果。 1 1 2 湿地沉积物中的氮循环 n 是大气中含量最丰富的元素，约占7 8 ，但它却是大多数生态系统中植物 光合作用和初级生产过程中最受限制的元素之一【3 0 】，大多数生命有机体对n 的 需求都要大于除c 、h 、o 以外的其它的所有元素【3 l 】。因此研究氮元素在湿地生 态系统中的循环具有重要意义。 氮在自然生态系统中的循环过程包含了许多重要的生物和非生物过程，这些 过程涉及到n 在气态、液态和固态间的相互转化。湿地生态系统中的氮循环示 意图见图1 3 ，一般包括以下五个转化过程【l 】： ( 1 ) 固氮作用：在植物或微生物的作用下，将大气中的分子态氮( n 2 ) 固定 生成含氮化合物的过程； ( 2 ) 同化作用：植物或微生物吸收铵盐、氨或硝酸盐，把它们同化为有机体 内的蛋白质、核酸等有机含氮化合物的过程； ( 3 ) 矿化作用：含氮有机化合物在微生物作用下转化为无机氮的过程： ( 4 ) 硝化作用：氨在微生物作用下氧化成硝酸盐的过程； ( 5 ) 反硝化作用：在厌氧条件下，硝酸盐在反硝化微生物的作用下被还原成 气态氮( n 2 或n 2 0 ) 的过程。 在湿地生态系统中，系统内的植物残体、落叶和根系的分泌物进入沉积物， 首先在氨化微生物的作用经矿化作用下将有机氮转化为成n h 4 + - n ，然后在硝化 微生物的作用下将氨氧化为n 0 3 - n ，n 0 3 - - n 淋溶至厌氧还原层，反硝化微生物 群又将其还原成n 2 和n 2 0 释放进入大气；同时，沉积物中的固氮微生物又可以 将大气中的氮气固定进入沉积物或植物供植物利用，然而又进入下一轮循环，如 此不断地循环下去。在氮循环过程中，包括一系列物理、化学和生物过程，但微 生物的作用是主要的，由众多微生物构成的功能微生物群是氮循环的主要动力 1 3 2 1 。 6 2 0 0 9 年夏秋季辽河口芦苇湿地沉积物硝化作用及影响因素研究 反 硝 化 过 程 图l - 3 湿地氮循环示意图 f i g 1 - 3n i t r o g e nc y c l ei nw e t l a n d s 在湿地生态研究中，国外提出了根区法，认为根际微生物在湿地植物根际的 氧化还原微环境中，进行着硝化反硝化作用，促进了湿地氮素释放，在湿地氮 循环中有重要意义【3 3 3 4 1 。 河口湿地是河流生态系统和海洋生态系统之间的生态交错带，具有咸淡水交 汇、陆海邻接的特点，是一个多功能的复杂生态系统【3 5 1 ，具有独特的生态价值 和资源潜力，其特殊的服务功能是其它任何人工的乃至自然生态系统所无法替代 的。同时，由于受海陆作用的交互影响，河口区物理化学生物因素变化剧烈，是 生态环境脆弱带和敏感区【3 6 1 。随着人口的不断增长和经济的飞速发展，大量的 人为污染物通过河流输入到河口地区【3 7 1 ，造成河口湿地污染和生态环境破坏严 重，给河口湿地环境质量带来了不同程度的威胁，因而关于河口湿地生态系统的 研究越来越受到人们关注。 1 2 硝化作用的研究方法及影响因素 硝化作用( n i t r i f i c a t i o n ) 是指在硝化细菌( n i t r o b a c t c r i a ) 作用下把氨( 或 铵) 转化为硝酸盐的过程，在湿地氮素生物地球化学循环中具有重要意义【5 】。它 主要分为两个过程，首先是由a o b 将氨( 或铵) 转变成亚硝酸盐，接着由n o b 将亚硝酸盐氧化成硝酸盐，反应机理如下【3 8 1 ： n h 3 + 2 h + + 2 e - - # n h 2 0 h + h 2 0 ( 1 1 ) 7 如抑制剂法、1 n 同位素法和气压过程分离( b a p s ) 技术。 ( 1 ) 抑制剂法 硝化作用抑制剂( 作用是抑制氨单加氧酶活性) 主要有乙炔、氟甲烷、2 氯6 ( 三氯甲苯) 吡啶和烯丙基硫脲( a l l y l t h i o u r e a , a t u ) 等，根据避光好氧培养 后加抑制剂的沉积物样品与对照样品中的n n 浓度差计算硝化速率。最常用 的是乙炔抑制法【4 0 1 ，它的特点是方法简单，培养期短，灵敏度高，重现性好， 并且可以原位操作。低浓度( 0 1 1 0 p a ) ( 相当于体积分数1 0 。l o 击) 的乙炔( c 2 h 2 ) 可以选择性抑制氨氧化作用而不抑制反硝化作用中n 2 0 的还原【4 1 1 。利用乙炔抑 制法与现场原位培养法相结合，可以测定湿地沉积物中的硝化作用。但是，在培 养过程中土壤微生物对c 2 h 2 的去除以及土壤的吸附作用会导致c 2 h 2 浓度逐渐 降低，以至于不能完全抑制湿地沉积物的硝化作用，使得测定结果偏低【柏1 。 ( 2 ) 1 n 同位素法 1 5 n 同位素法可以分为1 5 n 同位素稀释技术和1 n 同位素示踪技术。1 5 n 同 位素稀释技术能够测量原状土样的总硝化作用。土壤从样地取出后被注入1 5 n 标 记的j 1 4 + 或n 0 3 再放回原处，野外培养一定时间后总的硝化速率由在土样中 n 0 3 - n 库额外1 5 n 的原子百分比( a t o mp e r c e n t a g eo f1 5 nc x c j 嚣s c s ，a p e ) 的变 化决定【4 2 1 。此外，利用1 s n 同位素示踪技术可以测量沉积物中硝化一反硝化耦合 8 2 0 0 9 年夏秋季辽河口芦苇湿地沉积物硝化作用及影响因素研究 过程。方法是在沉积物中加入示踪剂1 5 n 0 3 。，培养后检测生成的2 9 n 2 和3 0 n 2 ，并 利用化学计量关系可计算耦合及非耦合的硝化反硝化速率4 3 1 。1 5 n 同位素示踪 法可以同时测定湿地氮循环过程中的各种过程转化速率，但加入的示踪剂可能会 影响湿地沉积物中各种形态氮的浓度，进一步影响硝化作用，另外，硝化细菌对 同位素1 、1 5 n 的利用能力也可能不大一样【4 2 】，也会对结果造成一定影响。 ( 3 ) 气压过程分离( b a p s ) 技术州l 气压过程分离( b a p s ) 技术的理论是建立在一个等温密闭的土壤系统中， 通气良好的土壤中的c 0 2 、0 2 和总的气体平衡、土壤的呼吸系数为l 的理论前 提下。在这样的一个系统中，只有以下几个过程跟压力相关：土壤呼吸使气压不 发生变化；c 0 2 溶解于土壤中间隙水，使气压降低；硝化作用，净消耗0 2 的过 程，使气压降低；反硝化作用，净c 0 2 和净的n ，o v ( n o 、n 2 0 、n 2 ) 产生过 程，使气压上升。根据系统内气压平衡变化来确定土壤样品的总硝化速率。 b a p s 技术是近年来发展起来的测定土壤总硝化速率和反硝化速率的一种新 技术，它有效地避免了由同位素示踪法带来的土壤污染和由乙炔抑制法等带来的 土壤原有气体组成改变等问题，而且操作简便，在通气良好的土壤中，其准确性 和同位素示踪法相纠2 3