长江口潮滩营养动态及稳定同位素指示研究

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长江口潮滩营养动态与稳定同位素指示研究 长江口潮滩营养动态与稳定同位素指示研究 长江口潮滩营养动态与稳定同位素指示研究 【摘要】：滨岸潮滩是地球表面圈层物质循环最为活跃的区域之一,其初级生产力与工业化农业相媲美,对营养物质和污染物的吸收、吸附、截留及其它过程延缓污染物向河口水体的释放,起到净化水质的生态功能。反之,河口富营养化及与潮滩物质的交换,加速了潮滩的富营养化,使潮滩由营养物质的“汇”转变为“源”,进而潮滩生境与生态功能发生转变。因此,滨海潮滩生态系统营养物质的生物地球化学循环及稳定同位素等生态指标研究具有重要的理论和实践意义。本论文在长江口及毗邻海域水质调查以及沿岸潮滩系统(包括崇明东滩、横沙东滩、奉贤边滩等)的季节采样基础之上,对潮滩植物吸收库、沉积物营养累积库以及间隙水与河口营养交换等多个湿地过程营养动态及其对河口富营养化的响应进行研究,并利用潮滩系统中植物、沉积物碳、氮含量以及稳定同位素的变化以及其在河口环境差异较大的潮滩崇明东滩与奉贤边滩两个生态系统的对比研究来探讨潮滩系统中营养物质循环及潮滩营养动态指标。结果如下：1.长江口潮滩植被是河口生态系统中重要的碳、氮储存库之一。互花米草、芦苇、海三棱藨草的碳、氮年净生产力分别达到17.44×104、4428.73t(这一统计结果偏低),其中这三种植物年净氮生产力分别是35.45、30.19和9.18gN·m-2·yr-1且三种植物均是地上生产力大于地下生产力,这一结果的重要意义在于通过收割等方式移除地上组织有利于大气与潮滩生态系统中碳、氮的移除,对河口富营养化环境产生积极净化功能。地下生物量/地上生物量比是潮滩环境变化的重要生态指标,海三棱藨草地下/地上生物量比大于其它潮滩植物、奉贤边滩的比值比其它两个潮滩高,表明地下生物量增加不仅是植物适应潮滩不稳定环境的生存策略与重要的能量、物质物质循环库,还是潮滩沉积物非生物环境的调控因子 ,其生态功能是今后研究的重点之一。2.潮滩沉积物是河口生态系统重要的碳源与氮汇。有机碳、氮的沉积速率分别是45-86gC·m-2·yr-1、4.74-6.17gN·m-2·yr-1,除了海三棱藨草净地下碳生产力主要在土壤中沉积,芦苇、互花米草输出74%-82%地下净碳生产力；氮的沉积速率大于地下净生产力,海三棱藨带和互花米草带氮沉积有45%-55%来自外源氮的输入。三个潮滩沉积物TOC与TN间呈明显的线性关系,但奉贤边滩斜率与其它两个潮滩差异明显,即C/N差异明显,表明河口富营养化环境与沿岸排污对奉贤边滩影响显著。植物生长特别是互花米草入侵增加碳、氮沉积,对氮的截留作用超过了对碳的沉积。3.潮滩沉积物-水界面营养盐扩散通量计算结果表明沉积物对(NO3-+NO2-)N吸收量(-24.17μmol·m-2·h-1])大于NH4+-N的释放量(13.81μol·m-2·h-1),起到净化功能；SiO32--Si、NH4+-N、PO43--P由沉积物向水体输出有利于调节河口水体中营养盐结构,特别是有利于缓解夏季河口硅限制。NH4+-N是间隙水中主要氮盐,其浓度比(NO3-+NO2-)-N(0.38-36.13μmol·L-1高1-2个数量级,受潮滩植物影响明显,如崇明东滩大型维管束植被带(互花米草与芦苇)中的NH4+-N浓度比光滩与海三棱藨草带低一个数量级以上,且春、夏季植物生物量与间隙水营养盐呈明显的线性关系。潮滩营养盐与河口海水水质有着密切相关性,特别是奉贤边滩受杭州湾的严重富营养化影响,其潮滩营养盐浓度与通量高于崇明东滩与横沙东滩。植物生长对潮滩沉积物间隙水营养盐分布的影响：1)直接吸收,降低营养盐浓度；2)植物的存在引起沉积物中氧化还原环境变化,从而影响沉积物间隙水中营养盐形式。4.碳、氮稳定同位素分析表明潮滩植物分为三个组：C3植物(613C、δ15N分别是-24.3--30.0‰、1.6-8.3‰)、C4植物(δ13C、615N分别是-12.3--14.6‰、2.5-7.2‰)以及包括浮游植物与底栖藻类在内的潮滩藻类(613C、δ15N分别是-15.7--22.8‰、4.0-7.2‰)。但其潮滩差异主要表现为δ15N,植被δ15N变化与河口水体及间隙水氮营养盐的浓度有着显著的线性负相关关系。潮滩沉积库是包括盐沼C3植物、C4植物以及悬浮颗粒等多个来源有机质的混合库,其中两种植物的最大贡献对表层沉积物有机物的贡献分别是42.97%、19.21%,高于浅层沉积物(分别是42.04%、14.85%),表明互花米草入侵的生态影响增加。因强烈的物理环境、沉积物有机库输出-保存的平衡等因子影响了沉积物同位素对河口富营养化的响应。5.在长江口与杭州湾河口富营养化调查的基础上,比较崇明东滩与奉贤边滩营养动态及稳定同位素等生态指标变化,结果表明：潮滩间隙水营养富集主要表现为沉积物中C/N比与δ15N的变化,而植物指标则包括了地下／地上生物量、氮含量、δ15N及入侵物种的变化等。河口环境对潮滩的影响信号沿着间隙水、沉积物、植被逐级放大。另外,1)营养盐的来源；2)水体营养化程度；3)潮滩植物对营养盐的需求是影响潮滩同位素变化的重要因子,尤其是富营养化会影响植物与沉积物碳、氮含量与同位素作为生态指示性因子在潮滩有机物溯源及潮滩营养富集过程研究中应用。总体看来,长江口潮滩是河口生态系统重要的碳源和氮汇,不仅起到维持河口生态系统高生产力的重要作用,通过植物的生长、营养物质的沉积以及沉积物-水界面物质交换等过程延长营养物质在潮滩循环周期,起到净化功能, 也是潮滩与河口环境响应的重要机制。碳、氮稳定同位素的应用不仅为潮滩有机质溯源研究提供有效的、敏感的技术手段,也是潮滩营养富集化过程研究的重要生态指标。今后将建立长时间尺度潮滩营养动态数据库与营养富集敏感指标体系,促进河口生态系统修复与健康。【关键词】：长江口潮滩营养动态碳源氮汇沉积物-水界面扩散通量碳氮稳定同位素【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2011【分类号】：P342【目录】：摘要7-10Abstract10-17前言17-19第一章绪论19-391.1潮滩生态功能与河口环境的关系19-211.2潮滩植被分布与生态功能21-291.2.1潮滩植被演替与带状分布21-221.2.2潮滩水文及生物地球化学过程22-251.2.3影响潮滩植被分布的因子25-291.3稳定同位素在植物生态学中的应用29-371.3.1稳定同位素的应用原理29-311.3.2植物稳定同位素的生态应用31-351.3.3国内稳定同位素研究状况35-371.4本文的研究思路及研究内容37-381.5本文的研究目的及研究意义38-39第二章研究区域概况与研究方法39-502.1研究背景39-402.2采样潮滩区域特征40-442.2.1崇明东滩40-422.2.2横沙岛422.2.3奉贤边滩42-442.3研究方法44-502.3.1样品采集44-462.3.2实验室内样品处理462.3.3样品测定46-482.3.4数据计算与分析48-50第三章长江口潮滩植被生产力及碳氮含量动态50-633.1引言50-513.2材料与方法513.3结果与分析51-583.3.1不同潮滩植被基本生态特征51-533.3.2潮滩植物地下/地上生物量之比53-543.3.3潮滩植物碳、氮含量动态54-563.3.4潮滩植物碳、氮生产力56-583.4讨论58-623.4.1长江口潮滩植物分布状况58-593.4.2潮滩植物地下生物量的生态功能59-603.4.3长江口潮滩植物的净化功能60-623.5结论62-63第四章长江口潮滩湿地有机质累积63-774.1引言634.2材料与方法63-644.3结果与分析64-694.3.1沉积物粒径和滩面趋势64-654.3.2潮滩有机质分布与累积65-674.3.3沉积物C/N分布67-694.4讨论69-754.4.1长江口营养物质沉积库与循环69-704.4.2长江口有机质分布的影响因子70-754.5结论75-77第五章长江口潮滩沉积物间隙水营养盐动态变化77-935.1引言77-785.2研究区域与方法785.3结果与分析78-855.3.1沉积物基本理化与生物特征78-795.3.2沉积物间隙水营养盐的剖面变化及植被影响79-825.3.3沉积物间隙水营养盐的季节变化82-835.3.4沉积物-水界面营养盐的扩散通量83-855.4讨论85-925.5结论92-93第六章长江口潮滩植物碳、氮稳定同位素时空变化及应用93-1046.1引言93-946.2材料与方法946.3结果与分析94-986.3.1潮滩植物δ~(13)C、δ~(15)N分布94-966.3.2潮滩植物同位素与河口的富营养化的关系96-986.4讨论98-1036.4.1潮滩生态系统中植被碳、氮稳定同位素变化特征98-1006.4.2潮滩植物同位素对河口的富营养化与污染源的指示100-1026.4.3潮滩生态系统中植被碳、氮稳定同位素的影响因子102-1036.5结论103-104第七章长江口潮滩沉积物稳定同位素变化与有机质来源分析104-1177.1引言104-1057.2材料与方法1057.3结果与分析105-1107.3.1长江口潮滩沉积物碳、氮同位素时空变化特征105-1097.3.2长江口潮滩沉积物有机质来源分析109-1107.4讨论110-1167.4.1潮滩沉积物同位素变化与有机质来源110-1137.4.2潮滩沉积物中的营养富集信号113-1147.4.3潮滩生态系统中沉积物碳、氮稳定同位素影响因子114-1167.5结论116-117第八章总结117-1228.1潮滩植被产力及碳氮容量库117-1188.2潮滩沉积碳、氮沉积库的重要生态功能118-1198.3潮滩沉积物间隙水中营养盐动态对河口环境的响应119-1208.4潮滩植物与沉积物碳、氮稳定同位素指示研究120-1218.5潮滩营养动态的生态指标121-122附录:已发表的相关学术论文122-123参考文献123-151致谢151本论文购买请联系页眉网站。