（环境工程专业论文）崇明东滩不同类型湿地土壤生物活性差异性分析及其相关性研究.pdf

摘要 为了解不同类型滩涂湿地土壤生态效应，以及农业利用模式对围垦滩涂土壤 肥力和生物活性的影响，在崇明东滩选取堤内为不同农业利用模式、堤外为不同 类型湿地的三个样区( a 区、b 区和c 区) 。测定湿地土壤中微生物量、土壤酶 活性、有机质含量以及土壤中有机污染物分布与浓度。通过上述实验数据的分析 阐明不同类型湿地土壤的污染物净化与碳汇潜能，并初步判断不同农业利用模式 对围垦盐碱土壤肥力与生物活性的改良效应。研究结果对于优化湿地管理，提高 湿地的环境生态效应具有重要意义，同时对不同类型人工湿地的设计和优化具有 理论指导意义 研究分析发现堤外沙质型芦苇湿地土壤( a 区) 有机质含量最低，但微生物 量和过氧化氢酶、转化酶等与碳代谢有关的酶活性最高；这表明沙质型芦苇湿地 土壤有利于微生物的呼吸、代谢与繁殖，具有较高的有机污染物净化能力；粘土 型芦苇米草混合湿地土壤( b 区和c 区) 的有机质含量和氮、磷转化有关的酶 活性较高，然而湿地土壤微生物量和碳代谢有关酶活性较低。这表明粘土型芦苇 米草混合湿地土壤通过微生物呼吸作用降解有机物的能力较弱，因此具有较高 的碳积累能力。 由于崇明东滩湿地处于滨海区域，可能受到航道运输导致的石油污染。研究 发现三个样地土壤中都含有一定的石油类物质。其中c 区湿地土壤石油类物质 含量较高，对c 区土壤石油污染进行了初步的微生物修复实验，经过2 8 天修复 后土壤中石油类污染降低了3 4 ，但修复前后土壤的生物活性无显著差异，这 说明该区石油类污染对湿地土壤生物活性尚未造成显著影响。 目前，崇明堤内围垦土地的利用模式为：a 区是水稻种植；b 区是框围养鱼； c 区是果蔬种植。实验表明堤内围垦土壤中，种植果蔬的c 区土壤有机质、微生 物总量和土壤酶活性( 除过氧化氢酶以外) 均为最高，种植水稻的a 区次之， 而框围养鱼的b 区最低。因此，可以初步推测，通过框围养鱼、水稻耕种以及 果蔬种植等程序式农业利用模式，堤内围垦湿地的湿地土壤肥力和生物活性可以 摘要 得到逐步提高，同时在上述各农业利用阶段可分别获得经济效益。这种围垦盐碱 土壤的程序式农业利用模式既能尽快产生经济效益，又可有效改良土壤性质，提 高土壤肥力和土壤生物活性。 本课题主要通过分析不同类型湿地土壤和不同农业利用模式的围垦土壤的 有机质、微生物总量、有机污染物浓度以及各种酶活性的差异性，确定不同类型 湿地土壤的生态功能和污染物净化能力，以及目前的程序式农业利用模式对围垦 滩涂土壤肥力和生物活性的改良效果。研究结果将为现有天然滩涂湿地的保护与 优化以及围垦滩涂的修复和合理利用提供理论依据。 关键词：崇明东滩；湿地土壤；有机质；微生物量；酶活性；有机污染物；农业 耕作模式 a b s t r a c t t oa t t a i nt h ee c o l o g i c a le f f e c t , t h ei n f l u e n c eo ft h ea g r i c u l t u r a lm o d et ot h e f e r t i l i t ya n db i o - a c t i v i 哆i ni n n i n gl a n d s ，t h r e ct y p e so fw e t l a n d si nc h o n g m i n g ( a r e a ab a n doa r ec h o s e n 勰t h er e s e a r c ht a r g e t p u r i f i c a t i o na b i l i 哆a n dc a r b o n a c c u m u l a i t i o na b i l i t ya r ea n a l y z e db ym e a s u r i n gt h em i c r o b i a lb i o m a s s ，e n z y m e a c t i v i t y , o r g a n i cm a t t e ro ft h ew e t l a n d ss o i l a n di ti sp o s s i b l et oe s t i m a t et h ef e r t i l i t y a n db i o - a c t i v i t yo ft h ei n n i n gl a n d ss o i lb yd i f f e r e n tu t i l i z a t i o nm o d e t h er e s u l tc o u l d b ec o n t r i b u t e dt o o p t i m i z e t h em a n a g e m e n to ft h ew e t l a n d sa n di m p r o v et h e e c o l o g i c a le f f e c to ft h es o i l a l s ot h er e s u l tc o u l dp r o v i d et h et h e o r yb a s i sf o rt h e d e s i g no fd i f f e r e n tt y p eo fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fo r g a n i cm a t t e ri na r e aai st h el o w e s t b u tt h em i c r o b i a lb i o m a s sa n de n z y m ea c t i v i t yw h i c hi sr e l a t e dt oc a r b o nm e t a b o l i s m i st h eh i g h e s ti nt h ew e t l a n d so ft h eo u t e rl e v e e i ts h o w st h a tt h es a n d ys o i lo fb u l r u s h w e t l a n di sf a v o r a b l ef o rt h eb r e a t h , m e t a b o l i s ma n dp r o p a g a t i o no fm i c r o b e a n dt h e p u r i f i c a t i o na b i l i t yt oo r g a n i cp o l l u t i o no fa r e aa i ss t r o n g e rt h a na r e aba n dc h o w e v e r , t h ec o n c e n t r a t i o no fo r g a n i cm a t t e r , n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si na r e aba n d ci sh i g h e rt h a na r e a 八b u tt h em i c r o b i a lb i o m a s si sl o w e rt h a no t h e ra r e a s t h e r e f o r e , t h ev i s c o u ss o i lo fb r u s h s p a r t i n aa l t e m i f l o r aw e t l a n d si ss u i t a b l ef o rt h e t r a n s f o r m a t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s a st h et h ew e t l a n d si nc h o n g m i n gd o n g t a nc l o s et ot h eo c e a n ，i tm a yb e p o l l u t e db yt h e0 i lc o n t a m i n a n t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es o i lo ft h r e e w e t l a n d sh a sb e e np o l l u t e db yt h eo i lp o l l u t a n t s t h e0 i lc o n c e n t r a t i o no fa r e aci st h e h i g h e s t t h ee f f i c i e n c yo fd e g r a d a t i o nc o u l db e3 4 b yb i o r e n o v a t i o no fh i g h e f f i c i e n tb a c t e r i aa f t e r2 8d a y s h o w e v e r , t h eb i o a c t i v i t yo ft h ew e t l a n d si sn o t i n f l u e n c e db yt h eo i lp o l l u t a n t ss e r i o u s l y t h em o d eo ft h ei n n i n gl a n d si nc h o n g m i n gi s ：a r e aai su s e dt op l a n tp a d d y ； a r e abi su s e dt ob r e e df i s h ；a r e , aci su s e dt op l a n tv e g e t a b l e i nt h ei n n i n gl a n d so f t h ei n n e rl e v e e , t h eo r g a n i cm a t t e r , m i c r o b i a lb i o m a s sa n de n z y m ea c t i v i t y ( e x c e p t c a t a l a ) a r e ac i st h eh i 如t a r e , aai st h es o c o n da n da r e abi st h el o w e s t i ts h o w s t h a tt h ef e r t i l i t ya n db i o a c t i v i t yo ft h ei n n i n gl a n dc o u l db ei m p r o v e db yb r e e d i n gf i s h ， p l a n t i n gp a d d ya n dp l a n t i n gv e g e t a b l eo r d e r l y t h em o d eo fo r d i n a lu t i l i z a t i o no ft h e i n n i n gl a n d sc o u l dp r o d u c em u c hm o r ee c o n o m i cb e n e f i t f u r t h e r m o r e , t h em o d e c o u l di m p r o v et h ep r o p e r t yo ft h es o i la n de n h a n c et h ef e r t i l i t ya n db i o a c t i v i t yo ft h e s o i l i nt h i sp a p e r , t h eo r g a n i cm a t t e r , m i c r o b i a lb i o m a s s ，o r g a n i cp o l l u t i o n sa n d e n z y m ea c t i v i t yo fd i f f e r e n tt y p e so fw e t l a n d si nt h eo u t e r - l e v e ea r ea n a l y z e dt of i n d t h ee c o l o g i c a le f f e c ta n dp u r i f i c a t i o na b i l i t yo fd i f f e r e n tw e t l a n d s a n dt h ei n d e x e s a b o v ea r ea l s oa n a l y z e dt oc o n f n mt h ef e r t i l i t ya n db i o a c t i v i t yo ft h ei n n i n gl a n d si n t h ei n n e r - l e v e e a n dt h er e s e a r c hr e s u l t sw o u l dp r o v i d et h e o r yb a s i sf o rt h ep r o t e c t i o n a n do p t i m i z a t i o no ft h en a t u r a lw e t l a n d s , t h er e n o v a t i o na n dr e a s o n a b l eu t i l i z a t i o no f t h ei n n i n gl a n d s k e y w o r d s ：c h o n g m i n gd o n g t a n , w e t l a n d ss o i l ，o r g a n i cp o l l t a n t s , m i c r o b i a lb i o m a s s , e n z y m ea c t i v i t y , o r g a n i cm a t t e r , a g r i c u l t u r a lu t i l i z a t i o nm o d e i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：豁t 辛 p 孑年予月r 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：缸 舀 a 箩年弓月 第1 章绪论 第1 章绪论 湿地( w e t l a n d ) 是介于陆地生态系统和水域生态系统之间的过渡地带，并 兼有两类生态系统的某些特征【1 l ，它是具有独特水文、土壤与生物特征的生态系 统。根据国际湿地公约( r a m s a t 公约) 可将湿地划分为内陆和海洋两部分，其 中内陆部分主要包括湖泊、河流、河滩、泥炭地和沼泽地等：海洋部分包括滩涂 及近岸海域和盐沼泽地等，“湿地是指不问其为天然或人工、长久或暂时的沼泽 地、泥炭地、水域地带，静止或流动的淡水、半咸水、咸水，包括低潮时水深不 超过6 m 的海水水域”【2 】。湿地是既不同于水体，又不同于陆地的特殊过渡类型 生态系统，为水生、陆生生态系统界面相互延伸扩展的重叠空间区域。该系统的 生产者是由湿生、沼生、浅水生植物组成。消费者由湿生、沼生、浅水生动物组 成。分解者是介于水体与陆生生态系统之间的过渡类群组成。该系统与周围相邻 系统有密切关系，与它们发生物质和能量交换。湿地具有三个突出的特征：湿地 地表长期或季节处在过湿或积水状态；地表生长有湿生、沼生、浅水植物( 包括 部分喜湿的盐生植物) ，且具有较高的生产力，生活湿生、沼生、浅水生动物和 适应该特殊环境的微生物群；发育水成或半水成土壤，并具有明显的潜育化过程 【3 l 。湿地广泛分布于世界各自然地带。据初步统计，全球湿地总面积为 8 5 6 x 1 0 8 h m 2 ，约占世界陆地面积的6 4 。我国湿地面积达6 5 9 4 x 1 0 4 1 u n 2 ，居亚 洲第一、世界第四位，几乎囊括了国际湿地公约的所有湿地类型，并拥有世界上 独特的青藏高原湿地【列。湿地有众多功能，其主要的可概括为：( 1 ) 调节气侯和 滞留洪水；( 2 ) 净化环境和降解污染物；( 3 ) 矿化和有机营养之间相互转化；( 4 ) 为野生生物提供栖息地等1 4 l 。此外，滨海湿地是陆地、河流和海洋三大生态系统 相交汇的复合生态系统，是陆海相互作用和人类活动响应最敏感的地带，是海岸 带的核心和关键点，拥有独特而不可替代的自然资源优势和生态系统过程。 c o s t a n z a 等研究表明，滨海湿地是所有生态系统中单位面积生态服务价值最高的 生态系统类型【4 】，所以研究滨海湿地具有重要的理论意义。 第1 章绪论 1 1湿地土壤的生态功能研究现状 湿地土壤是构成湿地生态系统的重要环境因子之一。在湿地特殊的水文条件 和植被条件下，湿地土壤有着自身独特的形成和发育过程，表现出不同于一般陆 地土壤的特殊理化性质和生态功能，它既是湿地获取化学物质和最初场所，也是 湿地发生化学变化的中介。湿地土壤具有维持生物多样性、分配和调节地表水分、 过滤、缓冲、分解、固定和降解有机物与无机物、维持历史文化遗迹等功能。 1 1 1 湿地土壤的主要生态功能 1 1 1 1 。基质”和“载体”功能 湿地拥有丰富的土壤生物类群，湿地生态系统中绝大多数生物的生长离不开 土壤。湿地土壤是湿地植物的直接支撑者，湿地土壤的类型、结构和肥力状况直 接决定湿地植物的类型、数量和质量，并通过食物链影响湿地动物的类群、生长 和发育，最终影响湿地生态系统的物质生产同时，湿地土壤也是湿地微生物、 湿地土壤动物的生活场所，是土壤微生物和土壤动物的生活的“基质”。湿地土 壤的类型、结构和肥力状况同样会对湿地土壤微生物和动物的类群、数量产生深 刻影响。仅三江平原沼泽湿地土壤动物就有3 5 类，隶属于3 门、7 纲、1 3 目、 2 1 科嘲。 1 1 2 。养分库”功能 湿地具有良好的水文条件，植物生长茂盛，同时由于湿地土壤经常处于过湿 状态，使生物残体难以分解，处于腐解和半腐解状态，这样在土壤中就积累了大 量的养分，尤其是泥炭土，其有机质、全氮等养分含量之高是其他类型土壤所无 法比拟的。当湿地处于积水或周期性泛滥的状态下，水中的一些营养物质就会沉 积在土壤表层，加入湿地土壤形成过程，增加了土壤肥力。m i t s b 等发现河流泛 滥后，湿地土壤表面沉积物中储存的磷要比泛滥前多出1 0 倍以上1 6 】。湿地土壤 水中的氧并不是总是被耗尽，在湿地土壤的表面的土水界面通常有一个薄的氧 2 第1 章绪论 化土层，有时只有几m m 厚 6 1 ，因此，氧化表层土壤中铁和锰氧化物的存在能吸 收和保留存在于表面水中或从还原下面扩散到表层中的磷酸盐、铜、锌、锰、钴 等金属以及腐殖质等m 。可见，湿地土壤作为“养分库”，能够蓄留和提供养分 元素，这些元素的迁移、转化和吸收是湿地生物地球化学循环的重要组成部分 6 1 。 湿地土壤虽然没有被利用，但却是一种潜在的土地资源。 1 1 1 3 。净化器”功能 湿地土壤通过沉淀作用、吸附以及吸收作用、离子交换作用、氧化还原作用 和分解代谢作用等途径实现其净化器的功能。湿地土壤中的硝酸盐化合物被反硝 化过程所排除，在这个过程中，生活在缺氧湿地土壤中的细菌把硝酸化合物转变 为氮气并释放于大气中。湿地土壤对氮氧化物的净化率可以保持在9 0 以上，对 二氧化氮的平均净化效率也达到5 0 左右，肥沃土壤的净化效率明显高于贫瘠土 壤i s 。当土壤磷酸盐饱和时可以释放磷，同时在湿地土壤环境中缺少磷酸盐的情 况下( 缺氧状态下) ，营养物质就会被释放到上层水而向湿地外输出。湿地土壤 可以减轻或消除环境中的某些有毒有害物质。湿地土壤有机物含有大量的络合基 团，同样可以与土壤中的重金属络合或螯合，形成有机金属配合物，改变重金 属的生物毒性和迁移转化规律，从而降低或消除其毒性。 1 1 2 湿地土壤微生物在土壤生态系统中的功能 1 1 2 i 湿地土壤微生物与酶活性 湿地微生物是湿地生态系统的一个重要的组成部分，是湿地生物地球化学循 环的中介，也是湿地生态中最活跃的组分，有利于推动土壤有机质矿化分解和土 壤养分的循环和转化。土壤中微生物通过分解动植物残体参与湿地土壤的能量流 动和物质循环，是评价湿地土壤生态功能和净化能力的指标之一土壤酶是由微 生物、动植物活体分泌及由动植物残体、遗骸分解释放于土壤中的一类具有催化 能力的生物活性物质，其绝大多数来自微生物，虽然动植物也是其来源之一，但 3 第1 章绪论 对酶的贡献十分有限，因此土壤微生物数量与酶活性具有较好的相关关系。胡海 波等人研究结果表明：真菌数量对磷酸酶、脲酶和蛋白酶影响很大，而细菌和放 线菌对于蔗糖酶有显著影响f 9 l 。土壤酶活性可以反映土壤肥力水平的高低，而土 壤微生物数量与酶活性有较强的相关性，微生物也可以作为土壤肥力指标【9 j 。同 时，湿地土壤中微生物和酶参与许多重要的土壤生物化学过程和物质循环，可以 反映湿地土壤的物质循环状况【1 0 l 。土壤酶活性还可以用于推测有关微生物活性 方面的信息。微生物活性包括土壤中生活的所有微生物区系和微动物区系的代谢 反应以及它们之间的相互作用，而土壤酶活性可以提供微生物活性相关的参数。 n a n n i p i e r i 等提出，要评价土壤总微生物活性对于污染物和环境压力的反应状况， 最好是采用多种酶活性的同时测定【1 l 】。目前对湿地土壤微生物过程机理了解还不 完全，并且缺乏有关微生物物种组分的具体相关信息f 1 2 1 ，以及在微生物多样性 指数方面的研究较少，从而使得在湿地生态修复以及机制等方面的研究中面临许 多困难，但是可以利用酶活性检测微生物活性和解释内部微生物过程机制【埘， 所以进行有关湿地土壤酶活性方面的研究可以为湿地土壤中微生物活性、微生物 作用过程和微生物作用机理提供一定的帮助。 1 1 2 2 湿地土壤微生物与湿地有机质 湿地大多为植物生长旺盛的开放系统，既接受外源性有机物质的输入又进行 系统内部生产，因而湿地环境中有丰富的有机质，而植物植物凋落中有6 0 7 0 的有机质是经过湿地土壤中的微生物分解后释放到周围环境中【1 4 l 。有机残体进 入土壤后，在以土壤微生物为主导的各种作用综合影响下，向两个方向转化：一 是在微生物酶的作用下发生氧化反应，彻底分解而最终释放出c t h 、h 2 0 和能量； 所含n 、p 、s 等营养元素在一系列特定反应后，释放成为植物可利用的矿质养 料，这一过程称为有机质的矿化过程。另一转化方向则是各种有机化合物通过微 生物的合成或在原植物组织中的聚合转变为组成和结构比原来有机化合物更为 复杂的新的有机化合物，这一过程称为腐殖化过程。有机残体的矿化和腐殖化是 同时发生的两个过程，矿化过程是进行腐殖化过程的前提，而腐殖化过程是有机 4 第1 章绪论 残体矿化过程的部分结果。由于微生物是土壤有机物质分解和周转的主要驱动 力，因此，凡是能影响微生物活动及其生理作用的因素都会影响有机物质的转化， 例如：温度、土壤水分和通气状况、植物残体的特性、有机物质组成的碳氮比及 土壤特性等。 土壤中的微生物活性的基础源于土壤中的有机质。微生物通过生物酶作用于 土壤有机质来完成物质的生物循环过程。湿地土壤酶是指湿地系统内湿地植物、 湿地微生物和基质等各个组成成分酶的总称，包括胞内酶以及游离于细胞外的各 种酶l l 习i 。有机质可以作为土壤酶的底物，又可以为微生物繁殖和生长提供碳源， 因此有机物含量影响着酶活性的高低有研究显示：湿地( 芦苇) 沉积物中绝对 酶活性与有机质含量呈正比。这种关系不仅表现为水平的分布，也表现为垂直分 布，并显示在较大范围内微生物群落维持酶活性和底物之间比例是一个常数l 悯。 通过添加有机质的实验表明，有机质的增加能够按比例增加降解多糖的酶( b - 葡萄糖苷酶和几丁质酶) 活性l 切。另据研究，土壤有机质与土壤脲酶、蔗糖酶、 过氧化氢酶和蛋白酶之间有显著或极显著的相关性，这充分说明土壤有机质不仅 是养分的储藏室和重要来源，同时也是土壤中各种酶活性的重要来源和储藏基地 【嘲。土壤有机质是湿地土壤的重要组成部分，影响并制约土壤性质，保持或提 高湿地土壤有机质含量可以有助于团聚体的形成并保持其稳定性，以改善土壤的 持水能力【1 9 】。另外土壤有机质还具有重要的生态与环境效应，例如：对于重金 属离子的螯合稳定与反应降毒、无机矿物的溶解、有机污染物的固定及其全球碳 平衡的影响等圆。 1 1 2 3 湿地土壤微生物与湿地温室气体捧放 气侯变暖是当今人类面临的最重要全球性环境问题之一。气侯变暖是指由于 温室气体包括c 0 2 、c 啦、n 2 0 等浓度增加而导致全球平均温度升高。湿地土壤 是陆地生态系统中最重要的碳库之一。m a l t b y 估计全球共有泥炭地面积 3 9 8 5 x 1 0 4 h m 2 ，每年积累碳素总量为9 8 5 x l o s k g ，固定在泥炭地中的碳储量总量 达4 6 0 x i 0 1 2 l 涪2 1 i ，而有机质不完全分解则导致湿地土壤环境中碳和营养物质的累 5 第1 章绪论 积。湿地土壤在化学循环中特别是c 0 2 、c h 4 与n 2 0 等温室气体的固定和释放 中起着重要“开关”作用，湿地碳的循环对全球气侯变化有重要意义阎湿地 土壤在长期或周期性淹水条件下，一方面氧气减少，另一方面通过嫌气微生物活 性而产生多种还原性气体，如c o z 、n z 、c 凰、h 2 和h 2 s 等。与湿地强还原环境 相适应的嫌气微生物活动和丰富的有机质是上述气体产生的前提条件。一般有机 质( 碳水化合物) 在嫌气的条件下会先分解产生中间产物如乳酸、丁酸和醋酸等， 后又转化为丙酸、甲烷和二氧化碳等。在分解过程中，除了产生甲烷和二氧化碳 外，中间产物阶段还伴有氢气和硫化氢。甲烷是有机质嫌气分解的最终产物，大 量从缺氧的湿地土壤中溢出，并释到大气中。据i p c c ( 1 9 9 5 ) 报告，天然湿地 的甲烷排放量为l x l 0 1 4 2 x 1 0 1 4 9 a ，平均占全球甲烷排放总量的2 2 。s m i s h 等 对路易斯安那b a r a t a r i a 盆地的海滨湿地c 0 2 通量的调查发现，盐质、淡水和海 水淡水混合沼泽每年有机碳收支为净积累【纠。m o o r e 等研究结果表明，湿地与大 气c o e 和c h 4 交换通量有明显的地域与季节性的差异。c h 4 的释放直接受到湿 地微生物活性的限制，间接还受土壤温度、植物种类和土壤水含量等的影响。同 时，同一湿地的环境要素变化和不同湿地的环境差异对c h 4 排放通量都有重要 的影响【卅。r o u l e t 等以1 0 0 年作为时间尺度对加拿大泥炭湿地的c 0 2 和c h 4 收 支进行了估算，结果表明：在短期内，湿地生态系统是温室气体的“源”，但是 甲烷在大气中滞留时间较c 0 2 短，在相当的时间尺度( 1 0 0 年) ，其“汇”效应 还是占主导地位【2 5 】。 ，1 2 4 湿地土壤微生物与湿地生态系统的生物地球化学循环 1 温地土堰徽生物与碳的生物地球化掌循环 碳是生命骨架元素。碳素循环是以c 0 2 为中心的，是以c o e 的固定和c o z 的再生为主的物质循环。微生物( 主要是藻类、蓝细菌和光合细菌) 通过光合作 用，将大气中和水体中的c o z 合成为有机碳化物以完成c 0 2 的固定。关于湿地 生态系统碳循环研究主要是通过有机物进行的，因为有机物与生物循环密不可 分。初级生产者进行的有机物质的生产，形成生物量的积累，然后通过食物链， 6 第1 章绪论 经过湿地土壤中微生物的分解以c 0 2 的形态还原到大气中，或其它有机物的形 态保留在湿地土壤中。目前有关影响有机物分解的土壤微生物主要集中在细菌、 真菌和放线菌三大类群上嘲。有机质的分解是在土壤微生物和土壤动物相互分 工、相互促进情况下进行的。尽管有研究表明，土壤动物在某些情况下对凋落物 的分解作用大于土壤微生物闯，但是一般认为土壤微生物是有机物的主要分解 者，土壤动物在多数情况下主要是起破碎作用【明，其呼吸量在土壤呼吸总量中 占的比例较小。因此，生物地球化学循环系统有较多的有机碳是通过湿地土壤微 生物的分解作用循环，且有机碳的分解速率和矿化速率与微生物量、土壤温度、 土壤水分含量、干物质含量、( 比和氧化还原电位等条件有关。 2 湿地壤微生物与氯的生物地球化学循环 氮的微生物新陈代谢在地球氮循环中起着重要作用，当然在湿地的局部氮循 环中也是极其重要的。在根区微环境中，从化合态氮到气态氮从而去除氮污染物 质的转化主要通过硝化和反硝化作用【勰l 。硝化作用的反应过程为 n i l 4 + _ n o t _ n 0 。氨氮向亚硝酸氮的转化有亚硝酸单胞菌属( n i 柳o $ o m o n a s ) 、 亚硝酸球菌属( n i t r o s o c o c c u s ) 以及亚硝酸螺旋菌属( n i t r o a o s p i r a ) 等起作用， 但是其中在湿地和其它生态系统中亚硝酸螺旋菌属比亚硝酸单胞菌属更普遍 嗍。亚硝酸氮向硝酸氮的转化主要通过硝化杆菌属( n i t r o b a c t e r ) 、硝化球菌属 ( n i t r o c o c c u $ ) 起作用，它们都是好氧菌，适宜在中性和偏碱性的环境中生长， 是化能自由菌，不需要有机营养。反硝化作用就是将硝酸氮还原为氨或气态氮。 大多数细菌、放线菌和真菌都能利用硝酸氮作为营养，在硝酸还原酶的作用下将 硝酸还原为氨，进而合成氨基酸、蛋白质和其它含氮有机物，见表1 。硝酸氮向 气态氮的转化主要通过反硝化菌在厌氧条件下进行。反硝化细菌主要有施式假单 胞菌( p s e u d o m o n a s s t u t z e r i ) 、脱氮假单胞菌( j kd e n i t r i f i c a n s ) 、荧光假单胞菌 ( 风f l u o r e s c e n s ) 、色杆菌属的紫色杆菌( c h o r m o b a c t e r i u mv i o l a c e u m ) 和脱氮 色杆菌( c h r o r 扎d e n i t r i f i i c a n s ) 等。这些微生物活动是完成氮循环的主要机理所 在，其中硝化反应中化能自养硝化菌从氨氮向亚硝酸氮氧化的过程中得到能量 7 第1 章绪论 1 3 0 l ，反硝化将硝酸氮转化为氧化二氮或氮气，使细菌在缺氧条件下获取能量【3 1 1 同时，在缺氧条件下，硝酸氮还原为氨氮的异化作用能够消除过剩的还原能力 嗍，产生用于同化作用的氨氮，或者促进微生物的厌氧生长。 表1 氮循环中的酶及其催化反应 自由能变化( g ) ， 反应名称 酶 反应式发生位置 ( k j m o l 1 ) 氨单氧酶 + + 0 2 + i + + 1 4 0 6 横跨膜 亚硝化 2 e = n h 2 0 h + h 2 0 羟氨氧化 n 巩o h + h 2 0 = n o i + 2 2 5 外周胞质 还原酶5 h + + 4 e 亚硝酸氧n 0 2 + 吣n o f + 硝化8 3 3 细胞膜 化还原酶2 h * + 2 e 联氨水解n h 4 + + n h 2 0 h = n 2 h 4 临1周质 酶 + h 2 0 + i r 厌氧氨氧 联氨氧化 化还原酶 n 2 1 1 4 = n 2 + 4 矿+ 匏_ 2 ：猖1有待研究 羟氨氧化 n 0 2 + 4 c + 5 1 - r f f i 2 2 5有待研究 还原酶 n h 2 0 h - i - h 2 0 硝酸还原 n o i + 2 c - + 2 r = n 0 2 8 2 9细胞膜 酶 + h 2 0 亚硝酸还n 0 2 - + e + 肌n o + - 3 2 9周质 原酶 n 2 0 反硝化和n o 还原 2 n o + 2 c + 2 r = n 2 0 2 2 6 4周质 异化作用酶 + h 2 0 n ：o 还原n 9 9 + 2 e + 2 矿司屯+ 2 6 1 8 周质 酶 h 2 0 亚硝酸异n 0 2 - + 6 c 。+ 8i r = 4 3 6 o 有待研究 化还原酶n i - 1 4 + + 2 h 2 0 3 湿地土堰徽生物与磷的生物地球化学循环 湿地土壤中磷酸盐经过风化或有机磷在微生物作用下分解，被植物吸收利 用，其含磷有机物一方面沿食物链传递，并以粪便残体的形式归还湿地土壤；另 一方面是以枯枝落叶、秸秆归还湿地土壤。湿地磷的生物地球化学循环是陆地生 态系统中磷随水进入湿地生态系统，一部分被浮游植物吸收，通过食物链进行生 物循环。一部分则沉积于土壤表层。随着氧化还原等环境条件的变化，沉积磷会 发生一系列变化，通过有机质的分解及其与水体的相互作用以溶解磷形式进入水 8 第1 章绪论 体，重新参加循环 湿地中磷的生物化学循环是植物、动物和微生物对磷的吸收及其在体内的分 配和积累过程，主要包括以下过程：植物对磷的吸收；通过矿化和固定过程发生 的磷的生物转化；在土壤液相和固相之间发生的化学固定和溶解反应等。植物残 体在土壤和沉积物中可以通过矿化过程转化为有机磷，然后被植物吸收或被固体 吸收，并通过一系列的过程，转化为植物可以利用的磷。植物体内的磷季节变化 较明显【3 3 】，动物主要是对有效磷在湿地生态系统中空间范围内的迁移发生作用， 固定一部分有效磷，而这部分被固定的有效磷随着微生物的死亡可以重新释放出 来，转变为植物可以利用的磷。湿地土壤中微生物的活动可以使土壤和沉积物中 的有机质或植物残体中的磷转化为有效磷，从而有助于植物的吸收和利用。有人 研究细菌和浮游植物对难溶解有机磷和无机磷化合物的吸收作用，研究结果表 明，只有发生有机磷或其它营养盐中的磷可利用性限制时，才会对磷的利用起限 制作用，而且在缺磷的环境条件下，都会导致假单胞菌过量摄磷，无论是在无碳 厌氧、无碳好氧的条件下，还是无硫厌氧或者无硫好氧的条件下，富磷培养都会 导致微生物的过量摄磷现象p 哪。 4 湿地土壤徽生物与麓的生物地球化学循环 湿地土壤中硫元素以多种形式存在，根据其存在状态可以分为气态、溶解液 态、固态；根据化合物的类型可分为还原性无机硫( 二硫化铁、硫化铁和元素 硫等) 、有机硫和硫酸盐。其中还原性无机硫以二硫化铁为主，元素硫和一硫化 铁很少；硫酸盐多以溶解态滞留于湿地土壤的孔隙水中，含量较高，约占总硫的 1 0 2 0 上【蚓。湿地土壤中的硫循环可以分为还原和氧化两个过程。随着潮汐 海水中的硫酸盐进入土壤的缺氧区域被还原为硫化氢或有机硫，硫化氢可以在土 壤的有氧区和缺氧区被氧化成硫酸盐或者经过一系列的反应形成二硫化铁【3 6 1 。 湿地土壤中的有机硫可以通过脱硫作用和再氧化作用转化为硫酸盐。 微生物在元素的生物地球化学循环中主要是推动有机物的分解、无机离子的 生物同化、无机离子和化合物的氧化，以及各种氧化态元素的还原等。硫是自然 9 第1 章绪论 界，特别是湿地最丰富的元素之一，且以不同的形式存在，这些不同形式的硫在 湿地土壤中微生物的作用下可以相互转化，构成了硫的生物地球化学循环。湿地 土壤微生物在硫循环过程中的作用途径主要有三个：含硫有机物( 如甲硫氨酸、 铁硫蛋白中的硫) 的脱硫作用、还原无机硫的氧化作用以及硫酸盐的还原作用 鲫凡是能将含氮有机物分解产生氨的微生物均具有脱硫作用，脱硫后形成的 硫化氢在好氧条件下通过氧化作用形成硫酸盐而被植物和微生物吸收利用。目前 发现的硫氧化微生物种类较多，主要有3 类：无机化能自养细菌( 如硫杆菌属) 、 厌氧光和自养细菌( 如绿硫细菌、紫硫细菌) 以及极端嗜酸嗜热的古生菌类( 如 硫化叶菌) 【明。 1 1 2 5 湿地土壤微生物与湿地的其他功能 湿地土壤对湿地环境变化具有记忆功能。陆地生态系统和水生生态系统的变 化和作用方式的改变，都会在湿地中留下痕迹，湿地生态系统记录着丰富的环境 变化和人类活动信息，是环境变化的敏感区域和信息库，一般可以通过测定土壤 中微生物的量以及鉴定沉积物中微生物的种类，从而确定湿地环境所发生的变 化。特别是沼泽湿地沉积物对区域环境变化具有重要的信息和指示功能l 矧。 湿地还可以看成为表面水流的接受系统，或者地面水流可起源于湿地而流入 下游。流域上游的许多湿地可以形成地面出流，这些湿地通常是下游河流重要的 水量调节器。有些湿地仅在它们的水位超过一定水平时才产生地面出流。因此， 湿地被称为陆地上的“天然蓄水库”，在调节径流和防治旱涝灾害等方面具有重 要意义嗍。由于湿地一般发育在陆地系统和水体系统的交界处，湿地除了具有 水体生态系统的某些性质，如藻类、底栖无脊椎动物、游泳生物、厌氧基质和水 的运动；湿地还具有陆地生态系统的某些特征。由于湿地具有巨大的食物链及其 所支撑的生物多样性，为众多的野生动植物提供独特的生存环境，具有丰富的遗 传物质。湿地拥有丰富的野生动植物资源，是众多野生动植物，特别是珍惜水禽 的繁殖和越冬地。 外来物质进入湿地后，一部分变成生物生产力，一部分沉积在湿地土壤中。 第1 章绪论 湿地在物质循环、净化水质、降解环境污染、调节气侯、控制土壤及海岸侵蚀等 方面，具有其它生态系统不可替代的作用，同时也是全球尺度上的气侯“稳定器”， 在全球环境变化研究中有重要意义。此外，湿地向人类提供大量的粮食、肉类、 药材、能源以及多种工业原料。因此，湿地具有巨大的生态效益、经济效益和社 会效益。 1 1 3 湿地土壤有机污染物来源与危害 湿地是陆地和海洋的交接地带，具有多种环境功能和生态价值，同时又是环 境脆弱带和敏感带，极易受人为活动的影响和破坏。复杂的环境因子的变化，使 得湿地生态系统明显不同于海域或内陆河流。沿海河口湿地受到人类活动的影 响，如工业废水、废渣、废气排放，农业生产区农药的使用，海上油田及渔船泄 露事故的发生，船舶工业防腐剂、防腐漆的应用；港口、码头产生的垃圾等直接 进入河口湿地生态系统。这一系列的污染源对影响了湿地的生态环境功能，主要 是破坏了生物栖息地、降低了湿地土壤植物生长量和降低土壤生物活性等。 在受污染的湿地中，一部分有机污染物通过水流进入附近水体，一部分有机 污染物主要存在于湿地土壤沉积物中。杨毅等人研究了长江口潮潍表层沉积物中 有机污染物的分布，结果表明，含氯有机物总量在1 1 6 n g g 5 5 o n g g 之间，平 均值为1 1 2n g g ，多氯联苯总含量为0 1 9 n g g 1 8 9 5 n g g ，均值为2 7 0 n g g ，有 机氯污染物和多氯联苯的分布特征相似，离排污口近的取样点污染物含量较高， 离排污口较远取样点的污染物含量较低 柏】。陈伟琪等报道了珠江口表层沉积物 和悬浮颗粒中有机污染物的含量及分布，结果发现，悬浮颗粒中的h c h s 、d d t s 、 和p c b s 的含量随取样位置和季节的不同而异，且悬浮颗粒物中的有机物含量比 沉积物中的更高【4 。为维持和保护湿地的生态功能，必须对湿地受污染情况作 全面研究，并分析污染程度对湿地生态功能的影响程度，为湿地的保育和维护提 供依据。 1 1 第1 章绪论 1 2 课题研究背景、来源和研究内容 1 2 1 研究背景 崇明东滩湿地是重要的自然滨海湿地之一，东滩湿地不仅为沿海城市提供后 备土地资源、维持海岸带安全、提供物质供应，满足经济社会的发展需求，而且 东滩湿地又是宝贵的新生湿地，最富生物多样性景观，不仅是鸟类重要的栖息地， 许多底栖动物的繁衍、育幼场所。以滩涂盐沼植被为代表的生物类群，还具有水 质净化和大气调节等作用，为上海提供了巨大的生态服务价值。但是，目前东滩 湿逾一方面面临着外来物种( 互花米草) 入侵，可能会影响湿地生物多样性；另 一方面，堤内围垦湿地产生较多的农业污染。这些都已经对东滩湿地的结构和功 能造成显著影响。分析与研究现有不同类型湿地土壤的环境生态功能，阐明不同 农业利用模式对围垦盐碱土壤的改良效应，对于东滩湿地的保育、优化、人工湿 地的设计与构建以及围垦土地的合理利用具有重要的理论意义。 1 2 2 课题来源 本研究课题来自国家科技部科技支撑计划重大项目祟明岛生态修复关键 技术及其应用研究( 项目编号：2 0 0 6 b a c 0 1 a 1 3 - 4 ) 和上海市科委重大科技攻 关项目祟明滩涂湿地的合理利用与保护技术研究( 项目编号：0 6 d z l 2 3 0 2 ) 1 2 3 研究内容 通过分析不同类型湿地土壤中的主要生物性指标，如微生物量、土壤酶活性 【过氧化氢酶( c a r c a s e ) ，脲酶( u r e a s e ) ，转化酶( i n v e r t a s e ) 以及碱性磷酸酶( a l k a l i n e p h o s p h a t a s e ) 】以及主要理化指标，阐明不同类型湿地土壤的生物活性和潜在的 环境效应，以及不同农业利用模式对围垦盐碱土壤肥力的改善效应。 1 2 4 研究目的 本文主要通过分析不同类型湿地的土壤有机质、