本文選題：球囊霉素 + 遼河三角洲　； 參考：《中國地質(zhì)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：濱海濕地有機(jī)碳的分布規(guī)律,是研究影響濱海濕地固碳能力及其對當(dāng)今環(huán)境演化與全球氣候變化的響應(yīng)及反饋作用的關(guān)鍵。盡管土壤中總碳含量是評價固碳能力的重要指標(biāo),但相較起來,碳的存在形式更為重要。其中,球囊霉素相關(guān)蛋白質(zhì)(glomalin-related soil protein,GRSP)作為有機(jī)碳的一種存在形式,可代表和行使有機(jī)碳在濱海濕地固碳能力中的相關(guān)作用。GRSP是叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)分泌的一類糖蛋白,在菌根死亡/周轉(zhuǎn)之后被釋放進(jìn)入土壤中。由于蛋白質(zhì)的高穩(wěn)定和難降解性,其在土壤中的停留時間可達(dá)到數(shù)年至數(shù)十年,在濱海厭氧環(huán)境中的儲存時間可達(dá)千年以上。且GRSP為土壤碳組成中不可缺少的一部分,有著重要的碳匯功能,GRSP還有助于凝聚土壤顆粒以形成土壤團(tuán)聚體來實現(xiàn)碳的長期儲存。因此,研究濱海濕地中GRSP的分布特征,對于評價濱海濕地固碳和長期封存碳的能力具有十分重要的科學(xué)意義。本研究提取了150個遼河三角洲不同植物類型中表層沉積物的GRSP,并采用考馬斯亮藍(lán)蛋白質(zhì)顯色方法(Bradford assay)測試其含量。結(jié)果顯示BR-GRSP(Bradford-reactive GRSP)的含量變化范圍為0.11-11.31 mg g-1,處在絕大多數(shù)溫帶土壤的范圍(2-14 mg g-1)之內(nèi)。不同植被類型之間BR-GRSP的含量具有顯著性差異(p=0.0018),這是包括宿主植物類型、AMF的定殖水平、土地利用類型和土壤物理地球化學(xué)性質(zhì)等在內(nèi)的多重因素共同作用的結(jié)果。BR-GRSP含量最低的翅堿蓬主要影響因素是:植物-AMF的相互作用、鹽度脅迫、海水入侵所引起的SO42-濃度升高促進(jìn)了硫酸鹽還原菌的活性,增強(qiáng)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動、化肥農(nóng)藥的使用、單一植被等因素有關(guān)。BR-GRSP含量與表層沉積物總有機(jī)碳(Corg)之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.511,p=0.000),占有機(jī)碳庫的比例變化范圍為6.213%~(-1)0.35%,占沉積物總碳庫的比例變化范圍為4.901% 8.35%,占土壤總氮庫的比例變化范圍為8.147%~(-1)3.219%,表明BR-GRSP是遼河三角洲表層沉積物中總碳氮儲存庫的一個重要組成部分。BR-GRSP含量與沉積物物理性質(zhì)(原位密度、含水率和粘粒含量)之間顯著的相關(guān)性表明沉積物粘粒對AMF和所分泌的GRSP具有物理保護(hù)作用,GRSP和AMF反過來也對土壤結(jié)構(gòu)具有改善作用,兩個作用共同促進(jìn)了GRSP在濱海濕地中的累積。不同的沉積物化學(xué)性質(zhì),包括營養(yǎng)元素(C、N、P),化學(xué)計量比(TN/TP、TC/TP和TP/TK),礦物質(zhì)元素(Cu、Fe、Zn)等在內(nèi),與BR-GRSP含量的關(guān)系表明本研究區(qū)中與P相關(guān)的養(yǎng)分比例平衡程度和沉積物中充足的養(yǎng)分有利于GRSP的累積。BR-GRSP含量與多個重金屬元素(As、Cd、Cr、Hg和Pb等)均具有顯著正相關(guān)性,顯示出對重金屬元素的穩(wěn)定作用,但是鑒于GRSP結(jié)合重金屬的能力低于腐殖質(zhì),因此農(nóng)田中BR-GRSP/Corg比例的增大會降低農(nóng)田有機(jī)質(zhì)對重金屬的螯合作用。為驗證農(nóng)田中有機(jī)質(zhì)螯合作用降低對重金屬遷移的影響,明確遼河三角洲重金屬的空間分布特征,識別影響重金屬遷移的主要環(huán)境動力,辨別重金屬的污染來源和評價濕地過濾功能在遼河三角洲的作用,在遼河三角洲的不同環(huán)境中,包括上三角洲平原(upper delta plain wetlands,UDPW)、相鄰的遼東灣淺海濕地(shallow sea wetland,SSW)和流經(jīng)遼河三角洲的河道,共采集了373個表層沉積物樣品,分析了沉積物的粒徑分布、Corg濃度和顆粒態(tài)重金屬(particulate heavy metals,PHMs)濃度,所測重金屬元素包括As,Cd,Cr,Cu,Hg,Pb,Zn,Al,Fe和Mn,和67個表層水樣,以分析水樣鹽度。結(jié)果顯示UDPW中PHMs的濃度比SSW中的同名參數(shù)高約10 22%,說明PHMs在UDPW有顯著累積現(xiàn)象,也說明了UDPW可以有效地以不同的物理化學(xué)方式來儲存和保留人為來源的PHMs,進(jìn)而阻止PHMs流向海洋環(huán)境。然而,UDPW在歷史上有大量的天然植被被開墾為耕地,耕地中的污水灌溉所引起的強(qiáng)烈Cd污染導(dǎo)致了約有86 km2面積的淺海濕地范圍內(nèi)Cd濃度較高。最應(yīng)當(dāng)注意的是PHMs在SSW中的分布還受多個因素的影響,其中包括鹽度引發(fā)的解析-再吸附機(jī)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)所控制的三維復(fù)雜水動力和沉積過程,均使得在SSW中的PHMs污染大面積擴(kuò)散。對UDPW和SSW樣品數(shù)據(jù)集進(jìn)行主成分分析,發(fā)現(xiàn)二者的結(jié)果具有高度相似性,這反映了SSW的PHMs污染來源特征實際上繼承于UDPW。但從相關(guān)系數(shù)判斷,SSW中重金屬、有機(jī)質(zhì)和粘粒的關(guān)系更加密切,且SSW中相關(guān)系數(shù)的值域范圍為0.406 0.919,而UDPW的范圍為0.042 0.654。分析不同土地利用類型中Corg與PHMs的相關(guān)性發(fā)現(xiàn),農(nóng)田中有機(jī)質(zhì)的螯合作用比濕地生態(tài)系統(tǒng)的確有所降低,且加速了向河流和鄰近海洋的遷移,換言之,濕地生態(tài)系統(tǒng)對PHMs的移除作用是顯著的。土壤侵蝕和淋濾作用使GRSP進(jìn)入河流,進(jìn)而被搬運(yùn)到濕地生態(tài)環(huán)境中并沉積下來,對降解作用的抵抗性可使其作為濱海濕地沉積物中陸源土壤成分沉積模式的指示物質(zhì)。因此,在海洋-陸地交界的濱海濕地環(huán)境中,GRSP的來源有兩種:一是與濕地植被形成共生關(guān)系的叢枝菌根真菌所分泌的GRSP,即原位自生來源;二是通過河流、風(fēng)和地下水搬運(yùn)而來的外來陸源GRSP。本研究中采用上游C3植物和本地C4植物所產(chǎn)生的GRSPδ~(13)C差別來進(jìn)行兩種來源GRSP的區(qū)分,計算得到遼河三角洲玉米地中自生來源的GRSP為主要來源,所占比例變化范圍為45.87%到97.79%,均值為70.47±0.84%。沉積物(SED)和BR-GRSP總的同位素之差可以排除陸源和濕地植物影響,直接反映來自海洋環(huán)境的物質(zhì)輸入,δ15NSED-δ15NBR-GRSP和δ~(13)C SED-δ~(13)C BR-GRSP指標(biāo)的空間分布可以反映河口混合機(jī)制及海岸線侵蝕作用的強(qiáng)弱,可為海洋-陸地交界處的沉積模式提供直接證據(jù)。基于遼河三角洲沉積物中BR-GRSP含量與Corg、多種沉積物的物理化學(xué)性質(zhì)之間具有的顯著相關(guān)性,說明現(xiàn)代濱海濕地中,以BR-GRSP為媒介,沉積物的固碳作用和多個物理化學(xué)指標(biāo)均具相關(guān)性,即現(xiàn)代碳循環(huán)與其他元素的循環(huán)過程具有相互耦合的性質(zhì)。而在地質(zhì)歷史變化時期,由于海平面的變化使得現(xiàn)代濱海濕地歷經(jīng)了不同的海相和陸相沉積環(huán)境演替過程,沉積物的固碳作用會顯示出不同的變化特征。本研究探討了Si和Fe元素在遼河三角洲的地質(zhì)演化歷史時期對沉積物固碳的影響,結(jié)果表明沉積物的固碳作用與Si和Fe元素之間的耦合關(guān)系更為突出。為此,本研究2012年5月在下遼河平原西南緣獲得到了鉆孔LHDC12-2,通過對其沉積物有孔蟲鑒定、物理化學(xué)參數(shù)以及AMS14C和OSL測年分析,將本區(qū)33,000 cal yr BP年以來的沉積環(huán)境劃分為河道沉積(U1)、湖相沉積(U2)、海洋主導(dǎo)的沉積(U3)、上三角洲平原相沉積(U4)等4個沉積單元,特別地對U3進(jìn)一步又劃分為5個亞相。研究發(fā)現(xiàn),不同沉積環(huán)境BSi和Corg的埋藏速率差別較大:在沉積期為更新世的U1和U2階段的BSi埋藏速率的均值分別為11.34±0.22和16.69±0.91 g m~(-2) yr~(-1),均小于全新世沉積的U3(23.59±2.89 41.74±6.37 g m~(-2)yr~(-1))和U4(37.25±9.96 g m~(-2) yr~(-1)),且沉積物BSi埋藏速率對全球冷氣候事件及北半球夏季光照強(qiáng)度的響應(yīng)比Corg埋藏速率更敏感。此外,Fe2O3含量與BSi/Corg呈負(fù)相關(guān)關(guān)系揭示了對于相對富鐵的河口環(huán)境,鐵元素的供給變化對硅藻生長過程影響同樣明顯迅速,從而導(dǎo)致即使是在很短的時間尺度上,鐵元素的不足也會增強(qiáng)硅酸的較強(qiáng)利用效率,從而制約Corg的埋藏效率。特別是,本文指出隨著未來海平面的進(jìn)一步上升,淹沒具較高Corg埋藏效率(17.87±1.71 g m~(-2) yr~(-1))的上三角洲平原地區(qū),會降低河口地區(qū)有機(jī)碳的埋藏效率。
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本文編號：1785053