暖化湿地土—水界面碳磷耦合迁移特征及微生物生态学响应—微宇宙研究

【摘要】全球气候暖化对湿地生态系统产生了广泛的影响,这其中包括与生态系统与水质安全密切有关的湿地土-水界面碳素与磷素生物地球化学循环。作为碳循环重要的“源”,暖化诱导湿地土壤碳库损失将对全球碳循环产生不利影响,而气候暖化对水体富营养化作用的影响也呈现未确定性,这其中磷素释放是水体富营养化的关键性因素。微生物作为生源要素循环的主要驱动者,在碳、磷循环过程中扮演着重要的角色。本项目以长三角南区六处碳库与磷库具有显著差异的湿地作为研究对象,通过微宇宙(Microcosm)技术模拟全球气候暖化背景下的湿地生境,以当前温度背景为对照组(CK),以当前温度上升5±1。C为暖化组(Up5。C),探讨暖化影响下的湿地土-水界面碳素与磷素生物地球化学循环规律及其有关的微生物生态响应。取得的主要结论如下：(1)2.5年的暖化实验表明,与土壤活性有机碳相比,暖化加速土壤非活性有机碳的降解。为了解释土壤非活性有机碳库的损失,对微生物涉碳功能基因数据进行分析。结果表明,暖化土壤中负责淀粉、半纤维素、几丁质以及木质素降解的涉碳功能基因丰度分别增加了8.6%,4.2%,6.8%以及14.5%。暖化作用下微生物通过改变基因丰度增加了湿地土壤中非活性有机碳的降解。对微生物碳库利用效率的分析表明,暖化土壤微生物对活性碳库的利用效率增加了28%,而对非活性碳库的利用效率增加了48%,表明暖化促进了土壤微生物对土壤非活性有机碳的利用。真菌群落数量的丰度增加了27%,这些结果与涉碳功能基因数据相互耦合,从本质上揭示了温度升高对非活性有机碳库的降解。(2)层间水溶解性有机质(DOM)是土壤中最具生物活性的有机质组分。随着暖化时间的延长,暖化对DOM释放的影响力逐渐减弱。和对照样品相比,4.5年的暖化作用对六处湿地层间水DOM浓度的影响不显著(p>0.05)。在DOM的光谱特征分析中,暖化组样品的紫外-可见光谱指数(A254,SUVA254,SUVA280等)显著高于对照组。荧光光谱指数中(FI,β:α,HIX以及IA/Ic),暖化组样品的腐殖质化指数(HIX)显著高于对照组；而荧光峰A与荧光峰碳信号强度的比值(IA/Ic)显著低于对照组。荧光区域积分(FRI)技术表明,暖化增加了所有湿地土壤层间水DOM的腐殖化程度,这些现象表明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,可能会通过负反馈调节作用,缓解非活性碳库的降解,对湿地碳存储具有重要意义。(3)湿地土-水界面磷素的迁移释放规律表明,暖化促进了土壤中磷素向层间水以及层间水磷素向上覆水中的迁移与扩散。暖化条件下,磷素从土壤向层间水中的迁移速率和强度,比从层间水向上覆水中迁移的速率和强度更大。潜在磷素释放通量(Fp)表明磷素在层间水中存在累积,增加了暖化条件下夏季磷素释放的风险性。暖化促进土壤磷素中潜在活性态磷的转化和重新分配,表现在NH4Cl-P和NaOH-P含量的增加,以及BD-P含量的下降。(4)进一步探讨了湿地土壤环境因子以及微生物功能基因的变化与土壤磷素释放的关系。暖化降低了湿地土-水界面处的溶解氧含量、表层土壤氧化层厚度以及氧化还原电位。暖化增加了微生物功能基因的多样性。在所有检测到的基因中,一些与氧化-还原过程密切相关的基因以及与无机磷降解有关的基因,其基因丰度显著(p<0.05)增加。这些基因包括：一氧化碳脱氢酶基因(CODH),乙酰辅酶A羧化酶基因(ppc)以及核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶基因(rubisco),这些基因与碳固定有关；硝酸还原酶基因(narG),一氧化二氮还原酶基因(nosZ),这些基因与反硝化有关；以及与金属还原相关的细胞色素c基因(cytochromec)和编码胞外多磷酸盐酶,负责无机多磷酸盐降解的基因(ppx)。结合功能基因的变化,暖化通过诱导氧化还原电位的降低,增加了微生物厌氧代谢对总体代谢的贡献率,其中氧化还原电位是影响微生物功能结构与丰度最重要的参数之一。暖化通过直接影响有机质降解、微生物磷酸酶分泌等作用促进土壤磷素向水体释放,并通过间接作用影响土壤的氧化还原状态调控磷素的释放。(5)结合土-水界面碳库损失与磷素释放的特征,从微生物生态化学计量内稳态的角度探讨并揭示了暖化条件下磷素释放与碳库损失的微生物机制。土壤/水体中碳、磷以及碳/磷(C：P)比值与微生物量碳、磷以及C：P比值的拟合关系(p<0.05)表明,内稳态调节系数(H)具有普适性,可以作为重要的生态指标来反映微生物生态系统的稳定性和抗干扰能力。暖化作用下微生物内稳态调节系数(H)降低,表明暖化作用减弱了微生物调控湿地生态系统的存储能力和稳定性,加速湿地土壤碳的流失和磷的释放。另外本章构建的n-HC:P指数反应了元素之间的交互作用与计量平衡,并可以作为预测生态系统磷素释放通量的重要生态学指标。
【作者】王行；
【导师】徐新华；张志剑；
【作者基本信息】浙江大学，环境工程，2014，博士
【关键词】湿地；暖化；土-水界面；碳素；磷素；微生物；水体富营养化；荧光光谱；功能基因；微生物内稳态；

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