河口区是大气圈、水圈、岩石圈和生物圈相互作用形成的重要生态类型之一, 也是海岸带地区响应全球气候变化和人类活动较为敏感的生态系统之一^[1]。近年来, 由于全球气候变暖导致海平面上升, 使盐水不断上溯到河口区较高的上方区域, 盐度梯度从接近海水盐度33-37至上方区接近淡水0.065-0.03^[2]。这种盐水上溯引起河口区域物理、化学和生物环境的变化, 进而影响沉积物中各种元素生物地球化学循环过程, 其中氮素生物地球化学循环是其中研究的焦点之一。氮素生物地球化学循环主要包括氨化、硝化、矿化和反硝化等过程, 反硝化作用作为氮素损失的主要过程的强弱将决定着温室气体N₂O释放的多寡。目前盐水入侵对此过程的影响研究主要集中在长江口和珠江口河口区域^[3-5], 对于闽江河口区湿地盐分变化对湿地沉积物反硝化速率以及反硝化活性影响研究相对较少。本文以福建省长乐市闽江河口区鳝鱼滩和道庆洲为研究区域, 采集短叶茳芏群落沉积物, 通过室内模拟培养, 研究闽江河口区湿地沉积物反硝化过程对不同盐度梯度的响应, 揭示闽江河口区湿地沉积物反硝化作用受盐水入侵的影响。

1 研究地区与研究方法 1.1 研究区概况

闽江河口位于福建省长乐市金峰镇, 属于中亚热带与南亚热带海洋性季风气候的过渡区, 气候暖热湿润, 年均温19.85℃, 年降水量1905.73mm。该区拥有众多天然湿地沿河流两岸河漫滩呈带状分布, 典型土著种主要为芦苇和短叶茳芏广为分布^[6]。闽江河口受潮汐作用影响较为显著, 潮汐特征表现为口外正规半日潮, 口内非正规半日浅海潮, 水体盐度随潮汐变化而呈周期性变化, 表现出从入海口到向上游呈现盐-淡水更替的特征并有上溯的趋势^[7]。本研究选择道庆洲(盐度：0.20±0.02)和鳝鱼滩均为短叶茳芏群落湿地(盐度：3.79±1.35), 地理坐标分别为25°57′21.4″N、119°24′25.6″E和26°01′48.0″ N、119°37′35.3″E (图 1)。

1.2 实验材料

为了研究短叶茳芏沼泽湿地沉积物反硝化作用对不同盐度梯度的响应, 实验于2015年7月选取闽江河口鳝鱼滩和道庆洲湿地分别代表微咸水和淡水两个类型, 采集均完全被短叶茳芏覆盖(95%)的沉积物样品。在两个样地中, 根据梅花形布点法, 使用潮滩湿地松软沉积物柱状采集及分割一体采样器, 在每个典型样区分别随机采集4个点位, 每个点位采集3个表层沉积物(0-10cm)样品, 两个点位共采集24个新鲜样品, 带回实验室挑出可见的动植物残体, 石头和其余杂物, 自然风干后等分成2份：将其中一份风干样品研磨过2mm土筛后进行充分混合装袋作为培养使用; 另一份风干样品研磨过0.1492mm土筛, 装袋置于4℃冰箱中保存备测。

1.3 实验设计 1.3.1 室内培养

本次研究根据闽江河口区盐度的变化将盐度梯度设为3个梯度, 分别为0(1升去离子水中添加0克海盐)、5(1升离子水中添加6克海盐)、10(1升去离子水中添加12克海盐), 然后称取过2 mm土筛沉积物5g, 分别放入10mm×180mm的螺口硬质玻璃试管中, 每个盐度梯度进行3个重复, 其中0天培养的不加KNO₃, 其他分别定量加入含氮量为2.275mg的KNO₃溶液, 加入去离子水至12.5mL (包括KNO₃溶液的体积), 为了保证培养过程始终处于厌氧环境, 培养沉积物(水)体系冲入适量氮气, 最后将培养管放置于23.5℃的培养箱中恒温培养。预培养2d后, 将4mol/L的KCl溶液12.5mL加入到不加KNO₃的试管中, 振荡1 h后, 静置30 min, 进行过滤, 储存到干净的塑料瓶中测定硝态氮作为初始量; 对加KNO₃的培养瓶持续进行恒温培养, 开始正式计算时间, 分别在第2、5、10、17和25天取样, 各取3瓶表层土样作为3个平行样, 分别加4mol/L的KCl溶液12.5mL, 振荡1 h后, 过滤到干净的塑料瓶中待测。

1.3.2 沉积物反硝化速率与活性计算

沉积物反硝化速率和反硝化活性根据培养前后沉积物中NO₃^-含量的差值来计算, 具体计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中, t_i为培养起始时间, t_i+1为培养结束时间, [NO₃^--N]_k、[NO₃^--N] _k+1分别为反硝化培养前后沉积物样品NO₃^--N浓度(mg/kg); [NO₃^--N]₀表示反硝化过程中硝态氮初始值(第0天的值); A_denit为反硝化培养时期NO₃^--N的变化量; R_denit为净反硝化速率(mg kg^-1 d^-1), R_{反硝化活性}为反硝化活性(%)。

1.4 测定方法

电导率和pH分别用便携式电导计(2265FS, USA)和便携式pH计(STARTER 300, USA)测定; 铵态氮(NH₄⁺-N)和硝态氮(NO₃^--N)采用2 mol/L的KCl浸提后用连续流动分析仪测定(SKALAR SAN⁺⁺, Netherlands); 有机质采用浓硫酸、重铬酸钾外加热法测定, 全碳(TC)、全氮(TN)采用CN元素分析仪(Elementar Vario MAX CN, Germany)测定。

1.5 数据统计与分析

数据处理采用WPS Excel 2016和Origin 8.1软件进行作图、计算及SPSS22.0进行相关分析。

2 结果与分析 2.1 道庆洲和鳝鱼滩湿地沉积物理化性质对比

从图 2中可以看出, 试验地鳝鱼滩和道庆洲的电导率、有机质、C/N和铵态氮均随着季节的变化出现较为明显的波动, 但TN、TC、pH和硝态氮等理化性质随季节的改变未出现较大波动。同时两个实验地点同一理化性质出现最大和最小值的季节也并不一致。对比两地的理化性质, 鳝鱼滩的pH和电导率比道庆洲高, 而有机质、TC、铵态氮和C/N则表现为道庆洲高于鳝鱼滩, 两地的TN和NO₃^--N差别不明显。

2.2 沉积物反硝化作用对盐度的响应 2.2.1 沉积物反硝化速率对盐度的响应

由图 3可知, 两个采样点沉积物的反硝化速率在相同盐度的情况下变化的趋势大致相同, 除了鳝鱼滩(5)外其它均表现出随时间的延长出现下降的趋势, 最后趋于0。第5天, 除了鳝鱼滩(5)外不同盐度下两地的反硝化速率均都达到最大值, 其鳝鱼滩的反硝化速率从低盐度到高盐度分别为(15.5±1.38)、(4.28±8.46)、(12.94±0.24) mg kg^-1 d^-1, 最大值出现在低盐度条件下, 最小值出现在中盐度环境下; 而道庆洲在培养的第5天其反硝化速率均高于鳝鱼滩, 反硝化速率从低盐度到高盐度分别为(31.93±4.89)、(30.66±5.375)、(36.69±3.44) mg kg^-1 d^-1, 最大值出现在高盐度条件下, 最小值出现在中盐度环境下。到第10天时, 除了鳝鱼滩(5)外, 两地其它盐度条件下反硝化速率均出现大幅度下降趋势, 下降幅度鳝鱼滩要高于道庆洲, 鳝鱼滩的反硝化速率随盐度升高分别为(5.73±4.67)、(12.54±1.90)、(6.87±3.64) mg kg^-1 d^-1, 其0和10下降幅度分别是5天的36.97%、53.01%, 而5增加到原来的2.93倍; 道庆洲在10天时的反硝化速率分别为(7.23±1.17)、(10.13±1.75)、(10.58±0.90) mg kg^-1 d^-1, 相比较5天时分别降低到原来的22.64%、33.01%和28.84%。在培养的第17天时鳝鱼滩反硝化速率从低盐度到高盐度分别为(5.74±2.80)、(2.89±2.36)、(8.70±1.56) mg kg^-1 d^-1, 较10天反硝化速率来说, 低盐度基本没有变化, 中盐度仍大幅度降低, 降低到10天23%, 高盐度略微升高; 道庆洲的反硝化速率从低盐度到高盐度分别为(9.23±2.79)、(6.70±0.42)、(3.61±0.35) mg kg^-1 d^-1, 中低盐度分别下降到原来的66.14%和34.31%, 相比较10天的反硝化速率来说除了低盐度有所增加外, 中高盐度均呈现下降趋势, 两地在这个培养时期内道庆洲的降低幅度要大于鳝鱼滩。在培养结束期第25天时, 两地的反硝化作用均处于较低的水平, 其值均小于17天的反硝化速率并趋于0, 表明此时无论是鳝鱼滩还是道庆洲反硝化过程均趋缓, 有些盐度下反硝化作用处于静止的状态。综上所述, 盐度对两地的反硝化过程的影响较为明显, 在培养初期道庆洲的反硝化速率高于鳝鱼滩, 后期两地的反硝化速率大都显示降低趋势, 相对未加海盐的培养情况, 5和10的盐度条件下降幅度更大, 说明盐度的存在对反硝化速率均起到抑制作用。

2.2.2 沉积物反硝化活性对盐度的响应

由图 4可知, 鳝鱼滩和道庆洲两地在不同盐度梯度下沉积物反硝化活性在培养时期内均出现缓慢增加的趋势, 但增加的幅度均较小, 在第17-25天后变化则趋于平缓。具体来看, 鳝鱼滩反硝化活性变化幅度在95.6%-99.8%, 通过线性拟合, 发现盐度为0反硝化活性变化率为0.153, 5反硝化活性变化率为0.154, 10反硝化活性变化率为0.176, 可以看出盐度为0和5的反硝化活性变化率相当。另外, 反硝化活性在17天后逐步趋于平衡, 说明17天后反硝化基本达到平衡, 这种平衡可能是湿地沉积物营养元素的限制。不同盐度下道庆洲湿地反硝化活性变化趋势与鳝鱼滩类似, 反硝化活性随时间不断增加, 变化幅度约为90.0%-96.7%, 通过线性拟合, 发现盐度为0反硝化活性变化率为0.232, 5反硝化活性变化率为0.233, 10反硝化活性变化率为0.247, 盐度0和5的反硝化活性变化率相当。两地对比可以看出, 在同一培养时期鳝鱼滩的反硝化活性均高于道庆洲, 与鳝鱼滩的反硝化速率的降低幅度大于道庆洲呈现出一致性。

3 讨论

对于同一样地来说, 不同盐度梯度的反硝化速率总体上随培养时间呈现下降趋势。在培养前期反硝化速率出现道庆洲高于鳝鱼滩, 这与两个湿地的地理位置有关, 鳝鱼滩湿地靠近河口, 导致培养沉积物中盐分含量较高, 道庆州湿地离海口较远盐度含量较低, 由于高盐度抑制沉积物对NH₄⁺的吸收从而影响反硝化速率, 研究表明, 盐度小于6时, 阳离子交换间的相互作用对沉积物NH₄⁺的滞留产生重要影响^[8], 导致远离河口的道庆洲沉积物在起初具有较高的反硝化速率, 而鳝鱼滩由于沉积物盐度较高反硝化作用受到抑制处于较低的状态。在试验培养期间, 盐度对两地反硝化速率的影响存在一定差异。研究表明河口湿地沉积物反硝化速率从低盐度到高盐度时, 下降幅度大, 特别是盐度提高到10时, 下降幅度大致为50%;当盐度高于10后, 对反硝化速率响应则不显著, 无明显变化^[9]。这与本研究结论相似, 本研究在10盐度条件下鳝鱼滩和道庆洲反硝化速率分别降低了53.01%和28.84%, 说明当盐度达到一定浓度, 会降低河口湿地硝化速率和反硝化速率的耦合程度, 在硝酸盐足够的前提下, 反硝化速率也会因高盐度而降低^[10]。另外, 沉积物中反硝化菌属在反硝化过程中也起着重要的作用, 我国长江口研究表明由于存在潮滩耐盐反硝化细菌, 具有广盐性的水环境, 湿地沉积物随盐度升高表现出对反硝化作用抑制不明显的情况^[11], 这也是反硝化培养后期出现沉积物反硝化速率在不同盐度下没有出现较大差异的原因, 尤其是反硝化细菌活性、氨氧化细菌(AOB)和硝化细菌受到盐度的影响, 间接影响反硝化速率变化。黄河三角洲退化湿地研究结果表明沉积物中微生物群落数量和活性受到高盐浓度影响导致降低^[12], 同样盐度对氨氧化细菌活性的影响及动力学特性试验结果也得出盐度为0g/L时的AOB活性比5g/L时高37%, 盐度继续增加, AOB活性降低幅度越大^[13]。

鳝鱼滩和道庆洲湿地反硝化过程除了受到盐度的影响, 同时还受到沉积物本身其它环境因子的影响, 例如沉积物环境中的硝酸盐、温度、DO、沉积物质地、pH、微生物、植物类型等因素^[14-15]。将鳝鱼滩和道庆洲理化性质与两地反硝化速率做相关性分析, 分析表明两地沉积物反硝化速率均与电导存在显著负相关关系(P < 0.05), 说明电导率的存在对湿地沉积物反硝化速率起到一定的抑制作用, 这与盐度共同影响沉积物反硝化作用过程, 这也是道庆洲反硝化速率在各个培养时期内普遍高于鳝鱼滩的主要原因。另外, 鳝鱼滩沉积物反硝化速率与TN存在显著正相关关系(P < 0.05), 而道庆洲反硝化速率与NH₄⁺-N存在显著正相关关系(P < 0.05), 但与C/N存在显著负相关关系(P < 0.05)(表 1)。

4 结论

(1)在培养初期, 道庆洲的反硝化速率均高于鳝鱼滩, 主要是鳝鱼滩湿地靠近河口, 道庆州湿地离河口较远, 导致沉积物中盐分鳝鱼滩高于道庆洲, 同等条件下高盐度抑制沉积物对NH₄⁺的吸收从而降低反硝化速率。

(2)在不同盐度梯度下, 两地在培养期间沉积物反硝化速率整体随着时间呈现逐渐降低的趋势, 最后两者均处于平稳阶段并趋于0。反硝化活性随着时间呈缓慢增加趋势, 鳝鱼滩反硝化活性大于道庆洲, 说明在一定盐度范围内盐度对反硝化速率的抑制作用较为明显。

致谢: 在野外采样过程中得到福建师范大学地理科学学院黄佳芳、张林海、汪旭明、杨平等老师和同学的帮助, 特此致谢。