【摘要】：全球氣候暖化對濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了廣泛的影響,這其中包括與生態(tài)系統(tǒng)與水質(zhì)安全密切有關(guān)的濕地土-水界面碳素與磷素生物地球化學(xué)循環(huán)。作為碳循環(huán)重要的“源”,暖化誘導(dǎo)濕地土壤碳庫損失將對全球碳循環(huán)產(chǎn)生不利影響,而氣候暖化對水體富營養(yǎng)化作用的影響也呈現(xiàn)未確定性,這其中磷素釋放是水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵性因素。微生物作為生源要素循環(huán)的主要驅(qū)動者,在碳、磷循環(huán)過程中扮演著重要的角色。本項(xiàng)目以長三角南區(qū)六處碳庫與磷庫具有顯著差異的濕地作為研究對象,通過微宇宙(Microcosm)技術(shù)模擬全球氣候暖化背景下的濕地生境,以當(dāng)前溫度背景為對照組(CK),以當(dāng)前溫度上升5±1。C為暖化組(Up5。C),探討暖化影響下的濕地土-水界面碳素與磷素生物地球化學(xué)循環(huán)規(guī)律及其有關(guān)的微生物生態(tài)響應(yīng)。取得的主要結(jié)論如下： (1)2.5年的暖化實(shí)驗(yàn)表明,與土壤活性有機(jī)碳相比,暖化加速土壤非活性有機(jī)碳的降解。為了解釋土壤非活性有機(jī)碳庫的損失,對微生物涉碳功能基因數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明,暖化土壤中負(fù)責(zé)淀粉、半纖維素、幾丁質(zhì)以及木質(zhì)素降解的涉碳功能基因豐度分別增加了8.6%,4.2%,6.8%以及14.5%。暖化作用下微生物通過改變基因豐度增加了濕地土壤中非活性有機(jī)碳的降解。對微生物碳庫利用效率的分析表明,暖化土壤微生物對活性碳庫的利用效率增加了28%,而對非活性碳庫的利用效率增加了48%,表明暖化促進(jìn)了土壤微生物對土壤非活性有機(jī)碳的利用。真菌群落數(shù)量的豐度增加了27%,這些結(jié)果與涉碳功能基因數(shù)據(jù)相互耦合,從本質(zhì)上揭示了溫度升高對非活性有機(jī)碳庫的降解。 (2)層間水溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)是土壤中最具生物活性的有機(jī)質(zhì)組分。隨著暖化時(shí)間的延長,暖化對DOM釋放的影響力逐漸減弱。和對照樣品相比,4.5年的暖化作用對六處濕地層間水DOM濃度的影響不顯著(p0.05)。在DOM的光譜特征分析中,暖化組樣品的紫外-可見光譜指數(shù)(A254, SUVA254, SUVA280等)顯著高于對照組。熒光光譜指數(shù)中(FI, β:α, HIX以及IA/Ic),暖化組樣品的腐殖質(zhì)化指數(shù)(HIX)顯著高于對照組；而熒光峰A與熒光峰碳信號強(qiáng)度的比值(IA/Ic)顯著低于對照組。熒光區(qū)域積分(FRI)技術(shù)表明,暖化增加了所有濕地土壤層間水DOM的腐殖化程度,這些現(xiàn)象表明DOM的生物可降解性有所降低。暖化作用下,降低的DOM生物可降解性,可能會通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用,緩解非活性碳庫的降解,對濕地碳存儲具有重要意義。 (3)濕地土-水界面磷素的遷移釋放規(guī)律表明,暖化促進(jìn)了土壤中磷素向?qū)娱g水以及層間水磷素向上覆水中的遷移與擴(kuò)散。暖化條件下,磷素從土壤向?qū)娱g水中的遷移速率和強(qiáng)度,比從層間水向上覆水中遷移的速率和強(qiáng)度更大。潛在磷素釋放通量(Fp)表明磷素在層間水中存在累積,增加了暖化條件下夏季磷素釋放的風(fēng)險(xiǎn)性。暖化促進(jìn)土壤磷素中潛在活性態(tài)磷的轉(zhuǎn)化和重新分配,表現(xiàn)在NH4Cl-P和NaOH-P含量的增加,以及BD-P含量的下降。 (4)進(jìn)一步探討了濕地土壤環(huán)境因子以及微生物功能基因的變化與土壤磷素釋放的關(guān)系。暖化降低了濕地土-水界面處的溶解氧含量、表層土壤氧化層厚度以及氧化還原電位。暖化增加了微生物功能基因的多樣性。在所有檢測到的基因中,一些與氧化-還原過程密切相關(guān)的基因以及與無機(jī)磷降解有關(guān)的基因,其基因豐度顯著(p0.05)增加。這些基因包括：一氧化碳脫氫酶基因(CODH),乙酰輔酶A羧化酶基因(ppc)以及核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶基因(rubisco),這些基因與碳固定有關(guān)；硝酸還原酶基因(narG),一氧化二氮還原酶基因(nosZ),這些基因與反硝化有關(guān)；以及與金屬還原相關(guān)的細(xì)胞色素c基因(cytochrome c)和編碼胞外多磷酸鹽酶,負(fù)責(zé)無機(jī)多磷酸鹽降解的基因(ppx)。結(jié)合功能基因的變化,暖化通過誘導(dǎo)氧化還原電位的降低,增加了微生物厭氧代謝對總體代謝的貢獻(xiàn)率,其中氧化還原電位是影響微生物功能結(jié)構(gòu)與豐度最重要的參數(shù)之一。暖化通過直接影響有機(jī)質(zhì)降解、微生物磷酸酶分泌等作用促進(jìn)土壤磷素向水體釋放,并通過間接作用影響土壤的氧化還原狀態(tài)調(diào)控磷素的釋放。 (5)結(jié)合土-水界面碳庫損失與磷素釋放的特征,從微生物生態(tài)化學(xué)計(jì)量內(nèi)穩(wěn)態(tài)的角度探討并揭示了暖化條件下磷素釋放與碳庫損失的微生物機(jī)制。土壤/水體中碳、磷以及碳/磷(C：P)比值與微生物量碳、磷以及C：P比值的擬合關(guān)系(p0.05)表明,內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)系數(shù)(H)具有普適性,可以作為重要的生態(tài)指標(biāo)來反映微生物生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。暖化作用下微生物內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)系數(shù)(H)降低,表明暖化作用減弱了微生物調(diào)控濕地生態(tài)系統(tǒng)的存儲能力和穩(wěn)定性,加速濕地土壤碳的流失和磷的釋放。另外本章構(gòu)建的n-HC:P指數(shù)反應(yīng)了元素之間的交互作用與計(jì)量平衡,并可以作為預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)磷素釋放通量的重要生態(tài)學(xué)指標(biāo)。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：X172;X142

【參考文獻(xiàn)】

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1 王紹強(qiáng);于貴瑞;;生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[J];生態(tài)學(xué)報(bào);2008年08期

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