论文部分内容阅读
滨海湿地有机碳的分布规律,是研究影响滨海湿地固碳能力及其对当今环境演化与全球气候变化的响应及反馈作用的关键。尽管土壤中总碳含量是评价固碳能力的重要指标,但相较起来,碳的存在形式更为重要。其中,球囊霉素相关蛋白质（glomalin-related soil protein,GRSP）作为有机碳的一种存在形式,可代表和行使有机碳在滨海湿地固碳能力中的相关作用。GRSP是丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi,AMF）分泌的一类糖蛋白,在菌根死亡/周转之后被释放进入土壤中。由于蛋白质的高稳定和难降解性,其在土壤中的停留时间可达到数年至数十年,在滨海厌氧环境中的储存时间可达千年以上。且GRSP为土壤碳组成中不可缺少的一部分,有着重要的碳汇功能,GRSP还有助于凝聚土壤颗粒以形成土壤团聚体来实现碳的长期储存。因此,研究滨海湿地中GRSP的分布特征,对于评价滨海湿地固碳和长期封存碳的能力具有十分重要的科学意义。本研究提取了150个辽河三角洲不同植物类型中表层沉积物的GRSP,并采用考马斯亮蓝蛋白质显色方法（Bradford assay）测试其含量。结果显示BR-GRSP（Bradford-reactive GRSP）的含量变化范围为0.11-11.31 mg g-1,处在绝大多数温带土壤的范围（2-14 mg g-1）之内。不同植被类型之间BR-GRSP的含量具有显著性差异（p=0.0018）,这是包括宿主植物类型、AMF的定殖水平、土地利用类型和土壤物理地球化学性质等在内的多重因素共同作用的结果。BR-GRSP含量最低的翅碱蓬主要影响因素是:植物-AMF的相互作用、盐度胁迫、海水入侵所引起的SO42-浓度升高促进了硫酸盐还原菌的活性,增强了GRSP的降解程度;而BR-GRSP含量次低的玉米地主要和耕地的翻地活动、化肥农药的使用、单一植被等因素有关。BR-GRSP含量与表层沉积物总有机碳（Corg）之间有显著的正相关关系（r=0.511,p=0.000）,占有机碳库的比例变化范围为6.213%-10.35%,占沉积物总碳库的比例变化范围为4.901%–8.35%,占土壤总氮库的比例变化范围为8.147%-13.219%,表明BR-GRSP是辽河三角洲表层沉积物中总碳氮储存库的一个重要组成部分。BR-GRSP含量与沉积物物理性质（原位密度、含水率和粘粒含量）之间显著的相关性表明沉积物粘粒对AMF和所分泌的GRSP具有物理保护作用,GRSP和AMF反过来也对土壤结构具有改善作用,两个作用共同促进了GRSP在滨海湿地中的累积。不同的沉积物化学性质,包括营养元素（C、N、P）,化学计量比（TN/TP、TC/TP和TP/TK）,矿物质元素（Cu、Fe、Zn）等在内,与BR-GRSP含量的关系表明本研究区中与P相关的养分比例平衡程度和沉积物中充足的养分有利于GRSP的累积。BR-GRSP含量与多个重金属元素（As、Cd、Cr、Hg和Pb等）均具有显著正相关性,显示出对重金属元素的稳定作用,但是鉴于GRSP结合重金属的能力低于腐殖质,因此农田中BR-GRSP/Corg比例的增大会降低农田有机质对重金属的螯合作用。为验证农田中有机质螯合作用降低对重金属迁移的影响,明确辽河三角洲重金属的空间分布特征,识别影响重金属迁移的主要环境动力,辨别重金属的污染来源和评价湿地过滤功能在辽河三角洲的作用,在辽河三角洲的不同环境中,包括上三角洲平原（upper delta plain wetlands,UDPW）、相邻的辽东湾浅海湿地（shallow sea wetland,SSW）和流经辽河三角洲的河道,共采集了373个表层沉积物样品,分析了沉积物的粒径分布、Corg浓度和颗粒态重金属（particulate heavy metals,PHMs）浓度,所测重金属元素包括As,Cd,Cr,Cu,Hg,Pb,Zn,Al,Fe和Mn,和67个表层水样,以分析水样盐度。结果显示UDPW中PHMs的浓度比SSW中的同名参数高约10–22%,说明PHMs在UDPW有显著累积现象,也说明了UDPW可以有效地以不同的物理化学方式来储存和保留人为来源的PHMs,进而阻止PHMs流向海洋环境。然而,UDPW在历史上有大量的天然植被被开垦为耕地,耕地中的污水灌溉所引起的强烈Cd污染导致了约有86 km2面积的浅海湿地范围内Cd浓度较高。最应当注意的是PHMs在SSW中的分布还受多个因素的影响,其中包括盐度引发的解析-再吸附机制,河流淡水注入和SSW中的洋流（主要是NE-SW向潮流和NE-E向沿岸流）所控制的三维复杂水动力和沉积过程,均使得在SSW中的PHMs污染大面积扩散。对UDPW和SSW样品数据集进行主成分分析,发现二者的结果具有高度相似性,这反映了SSW的PHMs污染来源特征实际上继承于UDPW。但从相关系数判断,SSW中重金属、有机质和粘粒的关系更加密切,且SSW中相关系数的值域范围为0.406–0.919,而UDPW的范围为0.042–0.654。分析不同土地利用类型中Corg与PHMs的相关性发现,农田中有机质的螯合作用比湿地生态系统的确有所降低,且加速了向河流和邻近海洋的迁移,换言之,湿地生态系统对PHMs的移除作用是显著的。土壤侵蚀和淋滤作用使GRSP进入河流,进而被搬运到湿地生态环境中并沉积下来,对降解作用的抵抗性可使其作为滨海湿地沉积物中陆源土壤成分沉积模式的指示物质。因此,在海洋-陆地交界的滨海湿地环境中,GRSP的来源有两种:一是与湿地植被形成共生关系的丛枝菌根真菌所分泌的GRSP,即原位自生来源;二是通过河流、风和地下水搬运而来的外来陆源GRSP。本研究中采用上游C3植物和本地C4植物所产生的GRSPδ13C差别来进行两种来源GRSP的区分,计算得到辽河三角洲玉米地中自生来源的GRSP为主要来源,所占比例变化范围为45.87%到97.79%,均值为70.47±0.84%。沉积物（SED）和BR-GRSP总的同位素之差可以排除陆源和湿地植物影响,直接反映来自海洋环境的物质输入,δ15NSED-δ15NBR-GRSP和δ13C SED-δ13C BR-GRSP指标的空间分布可以反映河口混合机制及海岸线侵蚀作用的强弱,可为海洋-陆地交界处的沉积模式提供直接证据。基于辽河三角洲沉积物中BR-GRSP含量与Corg、多种沉积物的物理化学性质之间具有的显著相关性,说明现代滨海湿地中,以BR-GRSP为媒介,沉积物的固碳作用和多个物理化学指标均具相关性,即现代碳循环与其他元素的循环过程具有相互耦合的性质。而在地质历史变化时期,由于海平面的变化使得现代滨海湿地历经了不同的海相和陆相沉积环境演替过程,沉积物的固碳作用会显示出不同的变化特征。本研究探讨了Si和Fe元素在辽河三角洲的地质演化历史时期对沉积物固碳的影响,结果表明沉积物的固碳作用与Si和Fe元素之间的耦合关系更为突出。为此,本研究2012年5月在下辽河平原西南缘获得到了钻孔LHDC12-2,通过对其沉积物有孔虫鉴定、物理化学参数以及AMS14C和OSL测年分析,将本区33,000 cal yr BP年以来的沉积环境划分为河道沉积（U1）、湖相沉积（U2）、海洋主导的沉积（U3）、上三角洲平原相沉积（U4）等4个沉积单元,特别地对U3进一步又划分为5个亚相。研究发现,不同沉积环境BSi和Corg的埋藏速率差别较大:在沉积期为更新世的U1和U2阶段的BSi埋藏速率的均值分别为11.34±0.22和16.69±0.91 g m-2 yr-1,均小于全新世沉积的U3(23.59±2.89–41.74±6.37 g m-2yr-1)和U4(37.25±9.96 g m-2 yr-1),且沉积物BSi埋藏速率对全球冷气候事件及北半球夏季光照强度的响应比Corg埋藏速率更敏感。此外,Fe2O3含量与BSi/Corg呈负相关关系揭示了对于相对富铁的河口环境,铁元素的供给变化对硅藻生长过程影响同样明显迅速,从而导致即使是在很短的时间尺度上,铁元素的不足也会增强硅酸的较强利用效率,从而制约Corg的埋藏效率。特别是,本文指出随着未来海平面的进一步上升,淹没具较高Corg埋藏效率(17.87±1.71 g m-2 yr-1)的上三角洲平原地区,会降低河口地区有机碳的埋藏效率。