摘 要

为明确不同覆被类型/土地利用方式下沉积物中硝态氮氨化（DNRA）强度，从土壤理化性质角度解释其变化差异，进一步得到其决定性因素，从理化性质方面揭示硝态氮氨化的机理。以长江入海口崇明东滩湿地为对象，采集不同覆被类型/土地利用方式下(光滩，互花米草，芦苇，小麦，油菜，香樟，水杉) 沉积物，借助¹⁵N 同位素稀释技术，测定硝态氮氨化(DNRA) 强度的变化，明确土壤理化性质与DNRA强度的关系，得到其决定因素。通过本试验得出：①DNRA强度因覆被类型/土地利用方式不同差异显著，且光滩带的DNRA强度高于大多数植物群落；DNRA强度由高到低依次为香樟、光滩、小麦、芦苇、水杉、互花米草、油菜。②DNRA强度与TDN、DON呈显著负相关，其他理化性质与DNRA强度无明显相关性。③香樟的EC较低，DNRA强度较高；其它覆被类型/土地利用方式的EC较高，DNRA强度较低；七种覆被类型/土地利用方式的pH均为弱碱性，由高到低依次为芦苇、互花米草、油菜、水杉、小麦、香樟、光滩。

关键词：DNRA强度；覆被类型/土地利用方式；理化性质

Mechanism of Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium in sediments under different land use patterns in Chongming Dongtan

ABSTRACT

In order to clarify the intensity of Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammoni- um (DNRA) in sediments under different land use patterns, the differences in soil physical and chemical properties were explained, and the decisive factors were obt- ained. The mechanism of DNRA was revealed from the aspects of physicochemical properties. The sediments of the Yangtze River estuary Chongming Dongtan wetland were collected and deposited under different land use (mudflat, Spartina alterniflora, Phragmites australis, Triticum aestivum L., Brassica campestris L., Cinnamomum camphora and Metasequoia glyptostroboides). The change of intensity of DNRA was measured by ¹⁵N isotope dilution technique, and the relationship between soil physical and chemical properties and DNRA intensity was clarified. The results showed as fol- lowing: (1)The intensity of DNRA was significantly different due to land use patterns, and the intensity of DNRA in mudflat was higher than that of most plant communities. The order of intensity of DNRA is: Cinnamomum camphora, mudflat, Triticum aes- tivum L, Phragmites australis, Metasequoia glyptostroboides, Spartina alterniflora, Brassica campestris L. (2)The intensity of DNRA was negatively correlated with TDN and DON, and there was no significant correlation between other physical and chemical properties and the intensity of DNRA. (3)The EC of Cinnamomum camph- ora is lower, but the intensity of DNRA of Cinnamomum camphora is higher. The EC of other land use patterns were higher while the intensity of DNRA were lower. The pH of seven land use patterns were all slightly alkaline, The order of pH is: Phragm- ites australis, Spartina alterniflora, Brassica campestris L., Metasequoia glyptostro- boides, Triticum aestivum L., Cinnamomum camphora,mudflat.

Key words: Intensity of DNRA, Land use patterns, Physical and chemical properties

目 录

1 文献综述 1

1.1目的及意义 1

1.1.1什么是DNRA？ 2

1.1.2关于DNRA国内外的研究现状 2

1.1.3不同沉积物理化性质与DNRA的关系 3

1.2研究目标和研究内容 3

1.2.1研究目标 3

1.2.2研究内容 3

1.2.3技术路线 4

2 材料与方法 5

2.1研究方法 5

2.2试验方案 5

2.2.1研究区域概况及样品采集 5

2.2.2 DNRA强度的分析与测定 6

2.2.3土壤理化性质的分析与测定 7

2.3数据处理方法 8

3 结果与分析 9

3.1各覆被类型/土地利用方式土壤DNRA强度 9

3.2不同覆被类型/土地利用方式下沉积物DNRA强度与土壤理化性质间相关关系 11

3.2.1 DNRA强度与TDN含量的相关关系 12

3.2.2 DNRA强度与DON含量的相关关系 13

3.2.3 DNRA强度与EC的相关关系 15

3.2.4 DNRA强度与pH的相关关系 16

3.2.5 DNRA强度与NH₄ -N含量的相关关系 17

3.2.6 DNRA强度与NO₃^--N含量的相关关系 19

4 结论与展望 21

4.1主要结论 21

4.2展望 22

致 谢 23

参考文献 24

1 文献综述

1.1目的及意义

近二三十年来随着人类活动对全球生态系统变化的影响，越来越多的学者把氮素转化作为研究方向^[1,2]。硝态氮异化还原成氨（Dissimilatory nitrate reduction to ammonium,DNRA）可为作物提供其可直接吸收利用和淋溶性较小的NH₄ ^[3,4]，提高林、农业生产。它能够使得NO₃^-不用进入到微生物组织中，快速将NO₃^-转化成NH₄ ，不易于养分元素溢出和气体损失^[5]。由于DNRA的主要产物为NH₄ ，故在湿地研究里，通常将NH₄ 含量作为硝态氮氨化强度的表征。有了这个表征就使得DNRA强度的测定成为可能。

湿地作为“地球之肾”，是分布于陆地生态系统和水域生态系统之间,具有独特水文、土壤与生物特征的生态系统^[6]。至2008年，我国现有湿地总面积为3.24×10⁵km²，其中人工湿地面积为3.87×10⁴km²，占12%；天然湿地面积为2.85×10⁵km²，占88%，天然湿地中滨海湿地占3%^[7]。湿地被众多学者认为是具有很高价值的生态系统，它作为“绿色过滤器”能够减轻NO₃^-过量的负面影响^[8,9]。因此，将富含氮物质向湿地转移被认为是一种比较好的解决高氮影响的策略。然而，这种转移策略使得湿地中温室气体如N₂O的排放得到增加，进而对环境造成不利影响。崇明东滩湿地(31°25'~31°38'N,121°50'~122°05'E)位于东亚热带季风盛行区崇明岛最东端，是长江口区域最大、地貌单元最为完善的河口型潮汐滩涂湿地之一，作为整个华东地区面积最大、发育最成熟完善的滨海湿地,年平均气温为15.3℃，年平均降水为1117.1mm，受到非正规半日潮的作用，其每日潮汐有昼夜两次变化，平均潮差2.66 m,已被列入“拉姆萨国际湿地保护公约”国际重要湿地名录^[10,11]。其滩涂湿地具有气候调节、物质生产、净化环境、生物多样性保育等重要生态系统服务功能^[11]。自1995年以来，互花米草(Spartina alterniflora)通过长江口一带自然扩展以及人工移栽，使得其在崇明东滩分布面积迅速扩大，并严重影响到土著植物的生长、繁殖^[12]。随着人口增长及经济发展需求，崇明东滩出现了围垦、建立人工林等人为活动，现已形成比较完整的农业体系，种植有水稻、小麦、油菜等，给当地创造了较大的生产价值。崇明东滩已由原有的自然植被转化为拥有湿地、田地及林地的植被带，其覆被类型/土地利用方式发生了变化，而哪种覆被类型/土地利用方式能够控制温室效应，更适于发展作物经济，亟需明确。

1.1.1什么是DNRA？

硝态氮异化还原成氨（Dissimilatory nitrate reduction to ammonium,DNRA）是NO₃^-还原成NO₂^-和NH₄ ，且NH₄ 为主要产物的过程^[13]。氮作为陆地生态系统植物光合作用和初级生产过程中最受限制的元素之一^[14]，而且氮元素也是组成植物的四大基本元素之一，其对于植物的光合作用以及其它各种生理生化过程是十分重要的。包括各种农作物在内的植物只能直接吸收利用无机氮，并不能直接吸收利用有机氮，有机氮必须转化成无机氮才能被植物吸收利用。而土壤中的无机氮主要以NH₄ -N和NO₃^--N存在，可为植物直接利用。所以DNRA对于植物的生长具有重大意义。

1.1.2关于DNRA国内外的研究现状

上世纪40年代末期，Woods就提出了DNRA过程的存在^[15]，而直至70年代DNRA过程才慢慢得到重视，到现在已有许多研究成果。在森林、草地、粮食产地等陆地生态系统中，DNRA作为N素循环中的重要途径之一，其过程影响土壤中无机N的存在形式和数量，它在土壤中快速将NO₃^-转化成NH₄ ,并被植被吸收，有效减少了N素的损失^[16]。Huygens^[17]等人发现，在智利温带雨林中，NO₃^-几乎全部通过DNRA过程所去除、转化成NH₄ 保存在系统中。Wayne S. Gardner^[18]等通过原状土同位素试验表明，德克萨斯州的海湾中有15%~75%的NO₃^-通过DNRA过程转化成NH₄ ，仅有5~29%的NO₃^-转化成N₂。而林啸^[19]等对密西西比河的研究发现，DNRA过程在对NO₃^-的去除及NH₄ 的转化贡献不明显。早期研究表明，DNRA主要由兼性和强制性发酵细菌进行，因而它们存在于具有高度还原性的环境下，例如厌氧污泥、沉积物等^[20]；最近的研究表明，DNRA过程也通过兼性需氧真菌尖孢镰孢在发酵过程中进行，因而它也能够在不同的氧化还原条件下进行，包括好氧环境^[21]。

1.1.3不同沉积物理化性质与DNRA的关系

土壤理化性质对DNRA过程具有重要影响。有研究发现，DNRA强度与C/N比成反比，表明NO₃^-含量是影响DNRA的主要因素^[22]。同样，碳源种类和碳源的初始浓度也会影响DNRA的强度。韦宗敏^[13]等探究分别以不同初始浓度的琥珀酸钠、酒石酸钾钠、柠檬酸钠为碳源对试验室接种的脱除NO_X生物滤塔中生物膜菌液DNRA的影响，发现当琥珀酸钠和柠檬酸钠作为碳源时, 其初始浓度越高, 培养液中NO₂^--N 和NH₄ -N积累量越多,DNRA强度越高。Laverman^[23]等研究表明随着盐度升高，DNRA过程反应速率比在淡水环境中提高35mmol/m³/h。其可能原因在于随着盐度升高，SO₄^2-含量随之下降，硫还原细菌的DNRA过程的电子供体（低价态硫化物）相应增多，这促进了DNRA过程。氧化还原电位（Eh）能间接反映土壤中的含氧量，从而影响DNRA过程^[24]。有对腐败假单胞菌的研究发现，其在Eh为0mv时能发生DNRA过程，而在Eh为-300mv时受到很大程度地抑制^[4]。

1.2研究目标和研究内容

1.2.1研究目标

明确不同覆被类型/土地利用方式下，沉积物中DNRA的变化差异，从理化性质角度解释其变化差异，进一步得到其决定性因素，从理化性质方面揭示硝态氮氨化的机理。

1.2.2研究内容

以崇明东滩为研究对象，围绕不同覆被类型/土地利用方式，开展以下具体内容的研究：