沉積物硝化-反硝化作用的最終產(chǎn)物是氮?dú)夂鸵谎趸?能將氮素永久地移出,是水域生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵脫氮途徑。長江中下游是我國湖泊分布最為廣泛的區(qū)域之一,且湖泊富營養(yǎng)化比例高達(dá)85.9%,研究其湖泊沉積物關(guān)鍵脫氮過程及其影響因子,對富營養(yǎng)化治理具有非常重要的意義。影響沉積物脫氮途徑的因素可分為兩類:一是非生物因素,包括可用的溫度、氮源、碳源以及環(huán)境的溶氧量等;二是生物因素,包括沉水植物和微生物群落等。這兩類因素對脫氮途徑的調(diào)控可以分為兩種情形:一是近端控制,即環(huán)境因子直接且實(shí)時(shí)影響微生物氮循環(huán)的相關(guān)酶活性;二是遠(yuǎn)端控制,即環(huán)境因子通過影響氮循環(huán)相關(guān)微生物的群落結(jié)構(gòu)來影響相關(guān)酶活性,這個(gè)過程作用時(shí)間較近端控制長。尺度效應(yīng)在生態(tài)學(xué)研究中尤其重要,而流域土地利用對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響越來越受到關(guān)注。本文以長江中下游湖泊為研究對象,運(yùn)用流域尺度野外調(diào)查、單個(gè)典型湖泊案例研究以及室內(nèi)受控試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法,對沉積物脫氮途徑進(jìn)行了研究,主要結(jié)果如下:1.選取長江中下游22個(gè)湖泊為研究對象,調(diào)查了沉積物反硝化能力及其功能基因豐度、水質(zhì)、沉積物理化性質(zhì)、沉水植被,并據(jù)此分析了沉積物反硝化作用的影響因素。結(jié)果表明,湖泊的非生物和生物因素均表現(xiàn)出明顯的異質(zhì)性,沉積物的反硝化作用相應(yīng)的呈現(xiàn)出顯著空間變化。方差分解的結(jié)果顯示,水質(zhì)是影響沉積物反硝化作用的主要因素。路徑分析的結(jié)果揭示,水質(zhì)對沉積物反硝化作用同時(shí)有直接或間接影響,其直接影響強(qiáng)于間接影響。生物因子(相關(guān)微生物和沉水植物群落結(jié)構(gòu))并不能解釋湖泊沉積物的反硝化能力。因此,長江中下游湖泊中,非生物環(huán)境因子是沉積物脫氮途徑的主要影響因素。2.長江中下游10個(gè)代表性湖泊中,超富營養(yǎng)湖泊沉積物的硝化作用略高于富營養(yǎng)和中富營養(yǎng)湖泊。硝化作用速率與水質(zhì)、沉積物理化性質(zhì)顯著相關(guān)。路徑分析結(jié)果表明流域土地利用對沉積物硝化作用有間接影響,沉積物總氮含量可以解釋其間接影響的55-60%。此外,硝化作用相關(guān)的微生物功能基因豐度與流域土地利用方式也有顯著相關(guān)關(guān)系。然而,功能基因豐度與沉積物硝化作用速率無相關(guān)關(guān)系,且兩者對水質(zhì)富營養(yǎng)化程度的響應(yīng)也不一致。這些結(jié)果說明非生物因子,特別是沉積物理化性質(zhì),是影響沉積物硝化作用的關(guān)鍵因子。3.沉水植被退化是湖泊富營養(yǎng)化引起的嚴(yán)重生態(tài)問題,洪湖是長江中下游典型的淺水湖泊,其沉水植被覆蓋表現(xiàn)出明顯的水位梯度。通過對洪湖沉積物氮循環(huán)速率的時(shí)空變化研究,結(jié)果表明,無沉水植物覆蓋區(qū)的硝化作用高于多年生和季節(jié)性生長沉水植物覆蓋區(qū),沉水植物覆蓋與否對沉積物反硝化作用無顯著影響。此外,植物覆蓋對沉積物脫氮途徑相關(guān)的功能基因無顯著影響。沉積物氮循環(huán)速率和相關(guān)功能基因豐度呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化,最高的硝化速率出現(xiàn)在九月份,而最高的反硝化速率出現(xiàn)在十二月份。沉積物脫氮途徑的季節(jié)性變化主要受水質(zhì)、沉積物理化性質(zhì)的影響,與沉水植物的覆蓋與否或者相關(guān)功能基因豐度無顯著相關(guān)。因此,盡管沉水植物修復(fù)有利于提高水質(zhì),但沒有顯著提高沉積物的脫氮能力。4.選取長江中下游湖泊常見的3種沉水植物進(jìn)行溫室控制實(shí)驗(yàn),探討沉水植物對沉積物反硝化作用及其相關(guān)功能基因豐度的影響。結(jié)果表明,沉水植物及其物種豐富度對沉積物反硝化作用并無顯著影響,且沉水植物類型對反硝化功能基因豐度也無顯著影響。控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證,水質(zhì)、沉積物理化性質(zhì)是影響沉積物反硝化作用及其相關(guān)功能基因豐度的主要因子。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院武漢植物園)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：X52
【部分圖文】：

圖１．１研究技術(shù)路線圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｔｅｃｈｎｉｃａｌ邋ｒｏｕｔｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ逡逑

２．２實(shí)驗(yàn)方法逡逑２．２．１實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)逡逑２０１３年６月，我們隨機(jī)選擇了邋１０個(gè)長江中下游湖泊（圖２．１）。這些湖泊逡逑均為淺水湖泊，平均深度不超過４邋ｍ。其中，磁湖面積最小，僅８．１５邋ｋｍ２；太逡逑湖面積最大，約２３３８邋ｋｍ２。采樣時(shí)，我們沿著湖岸帶到湖心設(shè)置一條采樣帶，逡逑等距離的選擇３－４個(gè)采樣點(diǎn)。湖岸帶樣點(diǎn)的深度－般淺于２邋ｍ，距離湖岸約１００逡逑－２００邋ｍ（Ｌｉｕｅｔａｌ．，邋２０１５）。在每個(gè)采樣點(diǎn)周圍２０ｍ２范圍內(nèi)，使用自制采泥器逡逑隨機(jī)重復(fù)采集表層２邋ｃｍ的沉積物，混合均勻作為－份沉積物樣品。如遇有沉水逡逑植物覆蓋的樣點(diǎn)，同時(shí)也收集附著在根系的沉積物。逡逑１０８°邋Ｅ邐１１０°邋Ｅ邐１１２°邋Ｅ邐Ｉ１４°Ｅ邐ＩＩ６°Ｅ邐１Ｉ８°Ｅ邐１２０°邋Ｅ逡逑＇邋＇邋＇邋？，卜；）￣１邐＇逡逑？邋Ｓｔｕｄｙ邋ｌａｋｅｓ逡逑＂Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ逡逑Ｍｉｄｄｅｌｅ邋ａｎｄ邋ｌｏｗｅｒ邋Ｙａｎｇｔｚｅ邋Ｒｉｖｅｒ邋ｂａｓｉｎ邐■■邋ｗａｔｅｒ邋ｂｏｄｙ邋、ｘ逡逑■邋Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ逡逑Ｙ邐□邋Ｂｕｉｌｔ－ｕｐ邋ｌａｎｄ逡逑ｆ＾ｒ邋ｍ邐Ｋｉｌｏｍｅｔｅｒｓ逡逑０邋５０邋１００邐２００邐３００邋－２４°邋Ｎ逡逑圖２．１長江中下游流域１０個(gè)懫樣湖泊位點(diǎn)逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．１邋Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋１０邋ｓｔｕｄｉｅｄ邋ｌａｋｅｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋Ｙａｎｇｔｚｅ邋Ｒｉｖｅｒ邋ｂａｓｉｎ

１９２．７邋ｎｇＮＣ＾－Ｎｇ－１�。。卞澹ū恚玻担�。超富營養(yǎng)化樣點(diǎn)的潛在硝化作（２３９．８邋士逡逑７５．９邋ｎｇＮＯｊ－Ｎｇ一１ｈ－１）略高于富營養(yǎng)化（１８５＿４±２０１．１邋ｎｇＮＯｆ－Ｎｇ－ｉｈ—１）和逡逑中營養(yǎng)化樣點(diǎn)（１５５．５±２１５．４邋ｎｇＮＯＪ－Ｎｇ－１！）－１，圖２．３）。潛在硝化作用與Ｃｈｌ－ｏ逡逑含量（／？２邋＝邋0．１５，ｐ邋＝邋0．0２６），ＳＴｃ邋（充２＝０．；ｌ７，ｐ邋＝邋0．0ｉ５），和邋ＳＴＮ（／？２邋＝逡逑０．３３，邋Ｐ＜邋０．００１）正相關(guān)（圖２．４）。然而，潛在硝化作用與沉水植物特性并無逡逑相關(guān)性。此外，潛在硝化作用和硝化微生物群落之間也無相關(guān)性（圖２．５）。逡逑４００邋邐邋邐邋邐邐逡逑丁邋［□邋Ｍｅｓｏｔｒｏｐｈｉｃ邋ｓｉｔｅｓ邋（Ｎ＝６）逡逑——邐畫邋Ｅｕｔｒｏｐｈｉｃ邋ｓｉｔｅｓ邋（Ｎ＝２１）逡逑■Ｉ邋Ｈｙｐｅｒｔｒｏｐｈｉｃ邋ｓｉｔｅｓ邋（Ｎ＝８）逡逑３００邋－逡逑？２逡逑ｇ，邐邐逡逑Ｉ邋２００邋－邐＿S緬義希桑㈠義希殄�，逦Ｉ：；．．．．逦ｌ辶x賢跡玻巢煌壞慍粱鍇痹諳躉饔盟俾剩ㄆ驕

本文編號：2819680