崇西湿地生态系统中胞外酶的功能研究.doc

崇西湿地生态系统中胞外酶的功能研究【摘要】：胞外酶是土壤酶的一种重要类型,指在细胞内合成后穿过细胞质膜以游离态存在于环境中的酶。胞外酶的分解作用是湿地生态系统有机物质分解过程的限制性步骤,在一定程度上控制着湿地生态系统的物质循环。目前,湿地沉积物中胞外酶的研究日益受到人们的关注。由于湿地类型多样,湿地胞外酶的研究较为分散,主要集中在胞外酶的来源、检测手段、时空分布、对干扰的影响等,且大部分胞外酶研究都集中在陆地生态系统。有研究认为胞外酶是湿地净化功能的重要指标,但不同湿地类型中胞外酶的分布和净化能力差异尚不清楚。目前已经有很多关于植物对胞外酶活性影响的研究,但主要是针对森林和农业生态系统,对河口潮滩湿地植物群落下胞外酶的研究尚未涉及。有关动物与胞外酶活性的研究比较缺乏,已有的研究主要是陆地生态的几种土壤动物,对河口潮滩湿地大型底栖动物对胞外酶活性影响的研究均尚未见报道。本文以长江口崇西湿地为研究基地,通过野外观测和实验室检测,对与氮、磷循环密切相关的4种胞外酶的生态学特性进行了研究。主要研究成果如下:(1)湿地系统胞外酶活性的时空分布及其在水质净化功能中的作用研究,研究显示:较高的酶活性+完整的生态系统结构(高生物量)能促进湿地净化功能,使湿地起到汇的作用,反之,缺乏任何一个条件,都只能导致湿地成为营养物质的释放源。2007年7月2008年3月,采样野外观测和室内实验结合的方法,对崇西地区5种湿地的沉积物胞外酶活性和间隙水氮、磷含量进行了对应分析。这5种湿地分别是自然潮滩、内陆通江河道、内陆不通江河道、潮滩人工林泽和内陆浅水湖泊,本实验选取与氮、磷循环密切相关的碱性磷酸酶、脲酶、蛋白酶和过氧化氢酶4个指标,分析了胞外酶的时空分布,探讨了胞外酶活性对湿地氮、磷净化功能的影响。研究发现:1)自然潮滩、内陆通江河道、内陆不通江河道、潮滩人工林泽和内陆浅水湖泊5种湿地类型沉积物的碱性磷酸酶、脲酶、蛋白酶和过氧化氢酶活性的时空差异显著。潮滩人工林泽的4种胞外酶活性均最高,自然潮滩和内陆不通江河道的胞外酶活性较高,而内陆浅水湖泊的胞外酶活性最低。这可能是由于高的有机质含量导致高的酶活性;在季节分布上,大体上,夏秋季节的酶活性较高,冬季酶活性最低,4种胞外酶的季节变化比较一致。2)碱性磷酸酶、脲酶、蛋白酶在湿地氮、磷循环中起重要作用。在具有较高生物量潮滩植被的潮滩人工林泽和自然潮滩,沉积物中碱性磷酸酶活性与间隙水中总磷、溶解正磷酸盐含量显著负相关,相关系数分别为-0.989和-0.981(p0.01);脲酶、蛋白酶活性与总氮、氨氮含量显著负相关,相关系数分别为-0.954、-0.975、-0.992、-0.997(p0.01),高的酶活性对应低的氮磷含量。而在缺乏初级生产者的内陆不通江河道,碱性磷酸酶活性与总磷呈显著正相关,脲酶、蛋白酶与总氮呈显著正相关。本研究认为:高酶活+完整的生态系统结构(高生物量)能促进湿地净化功能的,使湿地起到汇的作用,3)在河口地区高营养负荷前提下,较高的胞外酶活性和完整的生态系统结构(足够初级生产者)是湿地净化功能的必须条件,缺乏任何一个条件,都只能导致河口湿地成为近海的营养物质释放源胞外酶活性不高,营养物质以碎屑物形式大量进入近海,植被不多,营养物质以无机形态或小分子形态进入近海。这两个情况都会造成近海污染,相比之下,后面一种情况会更加严重:夏季的高温促进酶活性的,在藻类的生长季节很容易发生赤潮。(2)取样分析了河口潮滩湿地不同类型植物群落(包括草本植物、木本植物和混合植物群落)中的酶活性,发现带有菌根的、根系发达的木本植物如江南桤木(Alnustrabeculasa)能显著提高潮滩湿地酶活性。2006年1月,采用野外观测和室内实验相结合的方法,对崇西潮滩湿地江南桤木芦苇(Phragmitesaustralis)群落、落羽杉(Taxodiumdistichum)芦苇群落、旱柳(Salixmatsudana)芦苇群落和芦苇群落的胞外酶活性进行了研究。研究发现:1)碱性磷酸酶、脲酶、蛋白酶和过氧化氢酶在不同植物群落中的对应特性较一致,大体上,呈现出4种胞外酶活性均较高或均较低的特征;2)江南桤木-芦苇群落根际土壤碱性磷酸酶、蛋白酶、脲酶和过氧化氢酶活性均高于其他植物群落,芦苇群落的4种胞外酶活性最低,可见根系发达的湿生木本植物能提高胞外酶活性,特别是带菌根的植物效果更显著。3)对4种植物群落根际015cm,1530cm,3050cm和5070cm胞外酶活性的分层研究发现:4种植物群落根际胞外酶活性的垂直分布规律较一致。蛋白酶、脲酶活性均随着土壤深度的增加显著降低,其中脲酶平均下降了61.93%,下降最为显著;碱性磷酸酶活性总体上随着土壤深度增加而降低,但在1530cm亚表层出现峰值;过氧化氢酶活性随土壤深度变化不明显;4)对4种植物群落根际和非根际胞外酶活性的对比研究发现,4种植物群落根际的胞外酶活性均高于非根际。(3)无齿螳臂相手蟹(C.dehaani)对潮滩湿地胞外酶的影响研究表明大型底栖动物的掘穴行为能显著提高潮滩湿地沉积物胞外酶活性和总氮、总磷含量。无齿螳臂相手蟹是在长江河口湿地为分布很广的优势底栖动物种,在崇西地区单位面积生物量最高达到13.20gAFDWm(-2),是区域内常见底栖动物中最高的。2007年9月,采用野外观测和室内实验相结合的办法,对崇西湿地沿不同高程分布的5个样点的无齿螳臂相手蟹假粪球、洞穴土壤和周围对照土壤的胞外酶活性和总氮、总磷含量进行了研究。研究发现:1)随着高程的增加,无齿螳臂相手蟹假粪球、洞穴土和无洞穴对照土中的4种胞外酶活性和总氮、总磷含量均有增加的趋势;2)假粪球的胞外酶活性洞穴土胞外酶活性对照土胞外酶活性,且差异显著(p0.05)。可见,无齿螳臂相手蟹的掘穴行为能显著提高潮滩湿地胞外酶活性;3)从营养盐的角度,无齿螳臂相手蟹的活动能形成促进潮滩植物生长的微生境。【关键词】：崇西湿地胞外酶净化功能大型底栖动物【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2008【分类号】：S154【目录】：摘要8-11ABSTRACT11-15第一章研究背景15-241湿地生态系统胞外酶研究现状15-211.1湿地生态系统胞外酶及其研究意义15-171.2研究进展17-212本文研究背景和意义213研究思路和研究内容21-243.1崇西湿地系统酶活性的时空分布223.2河口潮滩湿地植被不同类型植物群落对胞外酶活性的影响研究223.3潮滩湿地大型底栖动物优势种对胞外酶活性的影响研究22-24第二章研究区域概况24-271崇西湿地的发育与演变252环境现状25-272.1地质与地貌25-262.2沉积物与土壤262.3水文262.4气候26-27第三章崇西不同类型湿地的胞外酶及其在水质净化中的作用27-441材料与方法28-321.1调查区域及采样点分布28-291.2样品采集与保存29-301.3胞外酶活性的测定30-321.4水质指标的选取及测定321.5数据分析322结果32-392.1崇西各类型的湿地沉积物中胞外酶活性及季节变化32-352.2崇西各湿地沉积物间隙水中氮磷含量及季节变化35-382.3崇西各类湿地中沉积物酶活性与间隙水营养盐含量的相关性分析38-393讨论39-443.1崇西湿地胞外酶在湿地净化功能中的作用探讨39-423.2胞外酶作用导致的不同湿地类型水质净化能力探讨42-44第四章崇西不同植物群落的胞外酶活性研究44-591材料与方法45-481.1研究区域概况45-461.2样地选择和调查461.3样品采集与保存46-471.4沉积物中全氮、全磷的测定47-481.5数据分析482结果48-562.1不同植物群落根际沉积物的理化性质48-502.2不同植物群落根际胞外酶活性大小的差异50-522.3不同植物群落根际胞外酶活性的垂直分布特征52-552.4根际与非根际胞外酶活性的差异55-563讨论56-583.1湿生木本植物引种对河口潮滩湿地胞外酶活性的影响及意义56-573.2河口潮滩湿地植物根际胞外酶活性空间分布的成因分析57-583.3植物根部对河口潮滩湿地胞外酶活性的影响584小结58-59第五章崇西无齿螳臂相手蟹活动对胞外酶活性作用研究59-681材料与方法60-611.1研究区域60-611.2采样方法611.3测定方法611.4数据分析612结果61-652.1无齿螳臂相手蟹假粪球、洞穴土和对照土的酶活性61-632.2无齿螳臂相手蟹假粪球、洞穴土和