湿地土壤硫酸盐还原菌的分子检测及其与植物的相互作用

硫酸盐还原菌(SRB)是一类利用硫酸盐作为末端电子受体进行有机物降解的厌氧微生物,在湿地土壤硫循环和碳循环中发挥着极其重要的作用。分子检测方法弥补了传统基于培养的检测方法的不足,可以充分描述湿地土壤硫酸盐还原菌的多样性,为硫酸盐还原菌的多样性检测提供了一种更为精确和科学的工具。在有植被的湿地土壤中,特别是根际土壤中,硫酸盐还原菌与湿地植物之间存在着相互影响的复杂关系。综述了湿地土壤硫酸盐还原菌分子检测中两类重要的标记基因,硫酸盐还原菌定性和定量分子检测方法,包括末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)、变性梯度凝胶电泳(DGGE)、实时定量PCR(real-time q PCR)和荧光原位杂交(FISH),同时对硫酸盐还原菌与湿地植物之间相互作用的研究进行了总结,提出该领域今后应该深入研究的一些问题及建议。     

青藏高原湖泊沉积物硫酸盐还原菌种群分布

采用聚合酶链式反应(PCR,Polymerase Chain Reaction)、变性梯度凝胶电泳(DGGE,Denaturing Gra-dient Gel Electrophoresis)与实时荧光定量聚合酶链式反应(Q-PCR,Quantitative PCR)相结合的综合分析技术,研究了青藏高原洱海、青海湖、尕海1、尕海2、小柴旦湖沉积物硫酸盐还原菌多样性及丰度。研究结果显示,5个盐湖沉积物中dsrB(编码亚硫酸还原酶β亚基,为硫酸盐还原菌所共有)基因的丰度为每克沉积物1.71×108～1.55×109拷贝,与盐度无明显相关性;所获得的dsrB基因序列分属于3个科:Desulfobacter-aceae,Desulfobulbaceae和Peptococcaceae。其中,Desulfobacteraceae科是主要类群。硫酸盐还原菌多样性(DGGE结果)与盐度呈现出负相关性。故在所研究的盐湖中,盐度可能不是影响硫酸盐还原菌种群分布的唯一因素,可能还受其它未知环境因素的影响,有待于进一步研究。     

基于生境分布模型的气候因素对三江平原沼泽湿地影响分析

气候因素是沼泽湿地的发育的主要驱动因素,是沼泽湿地形成、发育及不同特征差异的控制因素。作为中国主要沼泽湿地分布区和气候变化显著地区之一,三江平原沼泽湿地受气候和非气候因素的共同影响。非气候因素对三江平原沼泽湿地的影响强度在加大,沼泽湿地被开垦为农业用地,大型水利工程的修建导致流域水资源减少,使得该区沼泽湿地供水不足。以三江平原为研究区,利用生境分布模型,采用该区沼泽湿地分布数据、气象数据和地形数据,模拟沼泽湿地生态系统在气候因素变化下的演替过程,定量评估气候因素对沼泽湿地的影响程度。研究结果表明,自20世纪50年代至2010年,三江平原地区的气候呈暖干趋势,气候变化对沼泽湿地分布起正增益作用,1951~1980年期间,气候变化对沼泽湿地分布的影响程度为5.21%,1981~2010年期间,气候变化对沼泽湿地分布的影响程度为4.33%;在三江平原地区,非气候因素对沼泽湿地的影响起主导作用,不但导致该区已有湿地发生缩减、退化,还干扰新的湿地自然形成与演替。     

三江平原沼泽湿地典型湿地植物对重金属的富集效应

筛选适合三江平原土壤污染特点且具有较广适应性的重金属超富集湿地植物。以黑龙江三江国家级自然保护区沼泽湿地中典型湿地植物小叶章、臌囊苔草和柳叶绣线菊为研究对象,测定植物体及土壤中铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、锰(Mn)、铬(Cr)的含量,利用富集系数和转移系数对3种植物吸收重金属的能力进行评价。结果表明:小叶章沼泽土壤Cu、Pb、Zn和Cr含量均高于其他两个样地,其中土壤Cu和Pb含量差异显著(P<0.05)。臌囊苔草沼泽土壤Mn含量显著高于其他两个样地(P<0.05)。3种植物对Cu、Zn和Cr的富集系数大于1,3种植物均显示出对Zn良好的富集能力,臌囊苔草-小叶章沼泽中的小叶章富集系数达144.03。在重金属的转移过程中,所有样地小叶章Cr的转移系数均小于1,而小叶章其他重金属的转移系数均大于1。臌囊苔草在臌囊苔草沼泽中Cu、Mn转移系数大于1,在臌囊苔草-小叶章沼泽中Mn的转移系数大于1。柳叶绣线菊仅有Cu的转移系数大于1。小叶章对Cu、Zn、Cr的富集效应强于柳叶绣线菊和臌囊苔草。     

氮肥对三江平原沼泽土氧化CH4的影响

三江平原新鲜沼泽土添加不同量的NH₄HCO₃后,在25°C下进行了6次连续培养。首次在大气浓度CH₄(约1.8 μl/l)中培养时,供试沼泽土氧化大气CH₄速率与NH₄HCO₃的加入量成反比,表明NH₄⁺最初抑制沼泽土氧化大气浓度CH₄。第1次用高浓度CH₄(约8 000 μl/l)培养沼泽土时,铵态氮抑制供试沼泽土氧化高浓度CH₄,但随着培养的继续,铵态氮的抑制作用逐渐减弱,最终转变为促进供试沼泽土氧化高浓度CH₄。经过高浓度CH₄培养后,添加NH₄HCO₃的供试沼泽土氧化大气CH₄速率上升2.6~5倍,且与NH₄HCO₃的加入量呈正相关,表明铵态氮肥最初对沼泽土氧化CH₄的抑制作用已经转变为促进作用。铵态氮对沼泽土氧化大气浓度CH₄和高浓度CH₄的抑制作用都是短暂的,其长期作用将是促进沼泽土氧化CH₄。     

三江平原沼泽湿地群落演替系列的土壤种子库特征

在三江平原沼泽湿地选择了漂筏苔草（Carex pseudo-curaica）-乌拉苔草（Carex meyeriana）-小叶章（Calamagrostis angustifolia）、漂筏苔草-鸭绿苔草（Carex jaluensis）-小叶章以及芦苇（Phragmites australis）-小叶章-山杨（Poptdus davidiana）3个群落空间演替系列,按群落类型挖取土壤种子库样本,采用连续萌发的方法鉴定可萌发种子库的植物种类并统计种子密度,采用样方法调查群落地上部分的植物成分。结果表明,各演替系列在0～10cm土层内种子密度为433．3～2066．6粒／m^2;10～20cm土层种子密度为33．0～1375．0粒／m^2。表层土壤种子库的物种数及种子密度均大于深层土壤。随着生境中水分梯度递减,演替系列内的地上植物成分与对应的土壤种子库植物成分的相似性系数（CJ）呈逐渐减少的趋势,而土壤种子库的物种数则呈现增加趋势。演替系列内不同群落类型间以及同一群落内不同样本间的种子库物种数和种子密度差异较大,种子库分布表现出明显的不均匀性。同一演替系列内相邻群落的种子库具有数量不等的共有种,种子库的空间更替具有明显的连续性。     

火烧对三江平原湿地土壤养分状况的影响

在三江平原腹地，洪河国家级自然保护区当年火烧地段以及中国科学院三江生态实验站烧后一年地段，设置当年火烧、火烧后一年与未烧湿地对照区，用对比法分析了火烧对湿地土壤养分状况的影响。结果表明，火烧会减少湿地土壤的有机质含量，火烧当年洪河保护区草根层与腐殖质层有机质含量下降尤为明显；火烧次年生态实验站火烧地表层土壤有机质含量仍低于未烧湿地。同时，伴随有机质的迅速分解与矿化，无论火烧当年还是次年，土壤草根层与腐殖质层全氮、全磷含量都较未烧湿地低，而全钾含量提高。火烧当年保护区土壤速效氮、速效磷含量虽然降低，但速效氮、速效磷占全量的比例较未烧湿地高；草根层土壤内速效钾含量较未烧湿地高，占全量比例也较高，但在其他层次内未见提高。三江生态实验站内火烧后一年的土壤，除速效氮占全氮的比在腐殖质层及潜育层内仍高于未烧湿地外，其他速效养分含量占全量比值普遍低于未烧地。另外，火烧后湿地土壤的pH值略有升高。以上结果均在湿地草根层与腐殖质层表现明显，火烧对湿地土壤潜育层影响不明显。     

白令海和楚科奇海测区沉积物硫酸盐还原菌初步研究

用 MPN法测定了取自白令海和楚科奇海 35个沉积物样品中的硫酸盐还原菌 (SRB)含量。所有样品的 SRB平均含量约 1 .68× 1 0 5个 .g- 1,变幅约为 0～ 2 .2 8× 1 0 6个 .g- 1。分析并比较了 SRB含量在表层、次表层或混合层样中及不同站位、测区间的差异 ,大体看来 ,SRB含量表层少于次表层。若以白令海峡为界 ,在海峡两侧 SRB含量的增加呈相反趋势 :即在白令海呈向南增加、在楚科奇海呈向北增加的趋势 ;经向分布也显示出相反的趋势 :在白令海呈向东增加、在楚科奇海呈向西增加的趋势。结果还表明 SRB在不同培养温度中有各自的出现率 ,反映测区SRB以适冷菌为主。温度是其主要控制因子。相当多的中温菌也有出现     

三江平原不同土地利用方式下土壤可溶性有机碳的分布特征

通过测定三江平原不同土地利用方式下典型样带土壤可溶性有机碳(DOC)含量,研究了土壤DOC分布特征及影响因素,以揭示垦殖过程对土壤DOC的影响。结果表明:在不同的土地利用方式下,小叶章湿地土壤中DOC含量最高(768.54 mg/kg),林地次之(岛状林为676.65 mg/kg;人工杨树林为575.91 mg/kg),农田土壤最低(玉米地为318.7 mg/kg;水稻田为523.94 mg/kg)。除水稻田外,其余4种土地利用方式下土壤DOC由表层至底层均呈现出先增加而后急剧减少的趋势,在水稻田中,DOC含量随着剖面深度增加而明显升高;土壤DOC含量与土壤有机质(SOM)含量呈极显著正相关(r=0.588,p0.001),与p H值呈显著负相关(r=-0.228,p=0.038)。湿地垦殖后,土壤中DOC占SOM的比例下降,表明湿地垦殖减缓了土壤碳周转速率。     

三江平原沼泽土中多环芳烃分布及火烧的影响

为了研究三江平原沼泽土中多环芳烃(PAHs)的分布,采用气相色谱—质谱法(GC-MS)对沼泽土中16种优控多环芳烃污染物进行分析。结果表明,该区沼泽土中共检测出萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、荧蒽和芘8种PAHs,其总含量为365.4～975.4ng/g,平均值为(850.7±126.2)ng/g。与中国东北其他地区沼泽土相比,其低于长白山和大兴安岭摩天岭雨养泥炭沼泽土中的PAHs含量。检测出的PAHs以低环为主,在不同成分中萘、芴、菲的含量较高;不同采样点中,有火烧迹象沼泽土中的PAHs含量高于无火烧迹象的沼泽土。为验证火烧的影响,进行了土壤热处理后PAHs变化的试验,结果显示,经热处理后的沼泽土中PAHs的总量及各成分的含量均高于未经热处理的沼泽土。火烧是影响三江平原沼泽土中PAHs含量的重要因素之一。     

三江平原沼泽湿地景观格局变化及其生态效应

在遥感和地理信息系统的支持下，应用景观生态学的理论和方法，对景观类型的斑块和面积大小、形状特征、主要景观及其相关土地覆盖类型间的转化关系以及沼泽景观破碎化进行分析，定量分析和研究1986-2000年三江平原沼泽景观的动态变化，结果表明：15年来，三江平面沼泽的面积正在日益缩小，沼泽正在大幅度地转化为耕地，沼泽已经到了完全破碎化的边缘。最后分析了沼泽的动态变化引起的生态效应。     

基于GIS的三江平原退耕还湿空间决策分析

以三江平原为研究区,探讨了利用遥感和GIS技术确定退耕还湿的数量及其空间分布的可行性。通过建立土地利用、现有沼泽湿地缓冲区、环境背景因子(高程、土壤类型、地貌类型、河流缓冲区)、耕地生产力数据等栅格GIS数据库,选取具有区域特色的退耕还湿指标,利用各指标构建了基于GIS的一、二级退耕还湿决策模型及其空间复合模型,并且得到一、二级退耕面积分别为525652hm²、194029hm²,分别为现有耕地面积的8.76%和3.23%。最后,将其分别与研究区行政区数据进行空间叠加统计分析,得到各县级行政区退耕还湿情况。研究结果可以为三江平原的湿地恢复提供科学依据。     

1954年以来三江平原土地利用变化及驱动力

在遥感和地理信息系统技术支持下,获取了自1954年以来三江平原6期土地利用数据,在GIS空间分析模块下对三江平原土地利用方式及格局的动态变化进行了定量研究.结果表明在过去50年里,三江平原的土地利用方式发生了显著变化.耕地净增加了38.55×105hm2,年均增加75597.3 hm2,其中湿地、林地与草地对耕地的增加贡献最大;湿地减少了25.67×105 hm2,除极少数退化为草地外,绝大部分转化为耕地;草地减少了57.65×104 hm2hm2,面积比由9.13%缩减为3.86%;林地在整个研究期间呈现出一定波动趋势,但总体呈减少趋势;水域与未利用地也呈现出减少趋势;居工地则呈现快速增长趋势,而且其年增长率为6.96%,远远大于其他土地利用的年增长率.耕地变化是驱动三江平原其他土地利用变化的直接因素,通过对人口与国家农业经济政策分析表明,耕地变化与人口增加关系密切,回归确定性系数为0.93,同样国家宏观农业政策与市场对土地利用格局变化起着不可忽视的作用,近年来水田面积的快速增加就是其直接作用的结果.     

三江平原沼泽生态系统中露水凝结研究

通过对三江平原露日季节变化的分析及对毛果苔草沼泽群落中露水的实地观测，探讨了年露日的出现规律及露水凝结量的时空变化。结果表明：三江平原露水出现频率较高的季节是夏秋季(6～9月)，近12年来露日在66～108d／a，平均为95．42d／a；每年露水的凝结存在两个明显的峰值，分别是6月(或7月)、9月；露水量随高度的变化明显，植物冠层高度处的露水凝结量较多；由于沼泽植物茂密，叶面积较大，加之地面粗糙，单位土地面积上在植物及地面实际凝结的露水量远高于相同面积下较光滑的收集器测得的露水量。用杨木棒测得的毛果苔草地表面的露水量为2．83mm／a，折算成单位土地面积上地表面和植物叶片实际凝结的露水量为20．68mm／a，占同期降水量的5．05％。露水是影响水量平衡的重要因子。     

三江平原毛苔草沼泽和小叶章沼泽化草甸湿地水体中可溶性铁的分布特征

2006年5月至10月期间,对三江平原典型的毛苔草(Carex lasiocarpa)沼泽和小叶章(Calamagrostis angustifolia)沼泽化草甸湿地表层积水中可溶性铁(Fe2 ,Fe3 )含量进行了现场采样和测试分析,同步测定了水体氧化还原电位(Eh)、电导率(EC)、pH值等指标。结果表明,除8月份的几次观测外,生长季内小叶章沼泽化草甸湿地水体中可溶性铁含量明显高于毛苔草沼泽湿地;两种湿地水体中可溶性铁存在的主要形态为Fe3 ,且Fe2 与Fe3 含量之间呈显著正相关;受水温和降水的影响,湿地水体中可溶性铁含量具有明显的季节性差异,其中小叶章沼泽化草甸湿地水体中的可溶性铁含量呈单峰型季节变化,而其在毛苔草沼泽湿地水体中呈双峰型季节变化。统计分析表明,Fe2 含量与水体的Eh值具有负相关关系,Fe3 含量与水体的Eh值的相关性较小,而且其含量并未随着还原性Fe2 的增加而减少;pH值对沼泽湿地水体中铁的形态分布无显著影响;Fe2 含量与EC值相关性显著。     

三江平原沼泽湿地的蓄水与调洪功能

以三江平原挠力河1956~2000年宝清站与菜咀子站实测的洪峰流量为例,分析沼泽湿地的蓄水与调洪功能。在该河45 a的实测洪峰流量中,有26 a是下游菜咀子站的洪峰流量小于上游宝清站,表明有大量洪水在其间的河漫滩沼泽(面积28.82×104hm2)之中漫散与蓄存。沼泽的巨大蓄水能力,与其土壤容重小、孔隙度大、持水能力强有关。三江平原沼泽土壤草根层与泥炭层的容重为0.10~0.28 Mg/m3,总孔隙度大于70%,饱和持水量可达4 000~9 700 g/kg,估算全区沼泽土壤的蓄水总量可达46.97×108m3。由于沼泽均分布在地势低洼的负地貌部位,地表平均积水30 cm,则全区沼泽地表积水的储水量还可达17.15×108m3。根据沼泽湿地的蓄水、调洪功能与生物多样性价值,提出严禁开垦与破坏现有的河漫滩沼泽,实施湿地保护的生态工程。     

三江平原湿地保护区生态旅游发展潜力比较研究

构建了湿地生态旅游发展潜力评价指标体系,并运用模糊层次分析法（Fuzzy-AHP）,对三江平原9个湿地保护区生态旅游发展潜力进行了比较研究。研究表明：9个自然保护区的生态旅游影响指标社会属性差异比自然属性差异明显;湿地生态旅游发展基础和湿地的重要性、知名度直接影响着湿地生态旅游的需求潜力和供给潜力,湿地的边远区位和严格保护弱化了各自然保护区生态旅游潜力保障力差异,湿地周边城镇发展水平决定了对湿地生态旅游潜力支持力的大小;三江平原湿地保护区的整体生态旅游发展潜力不大,研究对象中只有兴凯湖和三江自然保护区潜力较大,这与该区域的区位条件、产业发展模式等有关。     

三江平原沼泽湿地植被净初级生产力空间变化特征分析

基于EOS/MODIS卫星2000～2005年的MOD17A3数据集,分析21世纪初三江平原沼泽湿地植被净初级生产力(NPP)时间变化和空间分异特征及其与气候因子(气温和降水)的关系,并采用空间分析方法,分析道路、河流、居民点等因子对沼泽湿地生产力的影响.结果表明,三江平原沼泽湿地生产力(C)的变化范围为92.2～675 g/(m2·a),平均值为374.2 g/(m2·a).沼泽湿地生产力主要受三江平原综合水热条件控制,其与气温和降水显著复相关,复相关系数为0.49(n=6,p<0.05).低生产力沼泽湿地主要分布在三江平原西、北部地区,高生产力沼泽湿地主要分布在东、南部地区.河流在0～8 km的范围内对三江平原沼泽湿地生产力有一定促进作用,但影响不显著.居民点扩建,道路修筑等人类活动影响沼泽湿地分布,并导致沼泽湿地生产力下降,其有效影响范围分别是0～6 km区域和0～8 km区域.     

三江平原沼泽湿地与稻田CH4排放对比研究

2001年5～10月,在三江平原对毛果苔草沼泽湿地和由沼泽湿地开垦后稻田的CH4 排放通量进行了同步观测.三江平原毛果苔草沼泽湿地CH4排放通量范围是1.32～46.38 mg/(m2@h),平均值为17.29 mg/(m2@h).稻田的CH4 排放通量范围是0.05～24.37 mg/(m2.h),平均值为6.67 mg/(m2.h).沼泽湿地CH4 排放通量平均值是稻田的2.5倍,水分条件和因土地利用方式改变引起的土壤理化条件变化是导致二者的CH4 排放通量产生差异的主要原因.CH4 排放通量有明显的季节变化,7～8月高温期出现CH4 排放高峰.