周丛生物对沿海滩涂湿地水土界面磷归趋的调控机理

Periphyton exists ubiquitously in wetland system, which is an important mediator for phosphorus exchange, allocation, migration, and transformation between water and soil interface. However, the regulatory mechanism of periphyton on phosphorus fate between water and soil interface of coastal wetland is still unclear. This study is based on a “three-phase” (water -periphyton- soil) interface in coastal wetland. It combines traditional chemical extraction method and advanced instrumental analysis technique (e.g. 31P-NMR), including field investigation and laboratory experiment. In this project, we will study i) the growth and decay characteristics of periphyton in different coastal wetland and its key driven factors; ii) the influence of periphyton on phosphorus content and species between water and soil interface; iii) the mechanism of phosphorus accumulation and release in periphyton. This project is expected to clarify the growth and decay features of periphyton and reveal the regulatory mechanism of phosphorus fate between the soil and water interface of coastal wetland by periphyton. It contributes not only to the full understanding of phosphorus biogeochemistry in coastal wetland, but also provides valuable information for the phosphorus precaution and control in coastal wetland.

新近研究表明，大量存在于湿地水土界面的周丛生物是磷素发生交换、分配、迁移及形态转化等行为过程的重要“调控者”。然而，周丛生物对沿海滩涂湿地水土界面磷归趋的调控机理尚不清晰。本项目拟以沿海滩涂湿地“水-周丛生物-土”三相界面为研究对象，开展野外调查和室内模拟实验，定量表征沿海滩涂湿地中周丛生物的生消特征后，结合传统磷分级方法和现代先进仪器分析技术（如磷的核磁共振技术），研究周丛生物对沿海滩涂湿地水土界面磷浓度及形态的影响以及周丛生物微界面对磷的积累和释放规律。通过研究，将揭示沿海滩涂湿地周丛生物的分布、生长及消亡规律，阐明周丛生物对沿海滩涂湿地水土界面磷归趋的调控机理，不仅有利于深入理解滩涂湿地磷生物地球化学循环的理论知识，也为沿海滩涂湿地磷污染的防控提供科学依据和理论指导。

周丛生物大量分布在滩涂湿地系统中，可以分为膜状周丛生物（以细菌群落主导）和丝状周丛生物（以藻类群落主导）两大类。周丛生物对湿地磷具有较强的富集积累能力，理论最大吸附量为71mg g-1。同时，周丛生物可以释放碱性磷酸酶，对有机磷进行转化后富集吸收。滩涂围垦稻田周丛生物含磷量显著高于自然未围垦湿地的周丛生物含磷量，且周丛生物体内各磷形态组成也不同。具体来讲，稻田周丛生物以可交换态磷为主（约占70%），而自然湿地则以非交换态磷为主（约占80%）。31P固体核磁共振分析表明，稻田周丛生物主要以无机磷形态存在，包括铝磷（AlPO4 nH2O）、钙磷（Ca2P2O7 nH2O、CaHPO4）、钠磷（Na5P3O10）及钾磷（K4P2O7）等形态。温室模拟实验表明，稻田周丛生物的存在可以降低田面水磷的浓度，尤其在施肥后，降低效果更明显。更重要的是，稻田周丛生物可以将肥料中的磷截留在土壤中，增加土壤磷含量。进一步分析发现，周丛生物的存在可以显著增加土壤中水溶性磷（WSP）、弱吸附态磷（RDP）、藻类可利用态磷（APP）及有效磷（Olsen-P）的含量，尤其是土壤Olsen-P，可以高达216mg Kg-1，占土壤总磷的60%。同时，稻田周丛生物的存在提高了土壤的磷吸附能力将更多的磷固定在土壤中，降低土壤磷的流失风险。通过本项目研究，揭示了周丛生物在湿地土水界面磷循环过程中的作用，丰富了湿地磷生物化学地球循环的理论知识，同时可以为沿海滩涂湿地磷污染的源头减排和末端截留修复提供理论指导，具有重要的科学意义和应用价值。