硫酸盐对亚热带河口沼泽湿地沉积物磷的赋存形态及内源释放的影响

The biogeochemical behavior of phosphorus in estuarine wetlands will directly affect the flux of phosphorus from estuaries to oceans. In recent years, sulfate pollution, caused by agricultural activities, acid precipitation and industrial pollution, has become a serious global environmental problem. Previous studies have found that sulfate can have a significant impact on the translocation and endogenous release of phosphorus. However, for open systems such as estuarine wetlands, the influence and mechanism of sulfate on phosphorus release are not yet clear. Through examining an in situ natural sulfate gradient and conducting an indoor sulfate simulation experiment, and by using 31P-NMR, molecular biology and enzymology techniques, we reveal the effects of sulfate on the phosphorus speciation and composition of sediments in estuarine wetlands and elucidate sulfate-induced sediment endogenous phosphorus release characteristics. Moreover, we also determine the microbial and enzymatic mechanisms of sulfate on endogenous phosphorus release from estuarine wetland sediments. The results of this study are important to explore the potential response of the translocation and transformation of phosphorus in estuarine wetlands to exogenous sulfate inputs and improve the ecological conservation function of estuarine wetlands.

磷在河口湿地的生物地球化学行为将直接影响河口向海洋系统输送磷的通量。近年来，外源硫酸盐增强已成为全球性的环境问题，研究已经发现硫酸盐会对沉积物磷的迁移转化及内源释放产生重要影响，但对河口湿地这一开放系统而言，其影响及机制尚不明确。本项目以闽江河口沼泽湿地为研究对象，通过原位自然硫酸盐梯度和室内硫酸盐增强模拟实验，利用31P-核磁共振、分子生物学以及酶学技术，重点揭示河口湿地沉积物磷的形态及组分结构特征沿自然硫酸盐梯度的分布格局及其迁移转化，厘清硫酸盐诱导的沉积物内源磷释放特征。在此基础上，明确硫酸盐控制沉积物磷形态变化和内源释放的微生物（解磷菌）和酶学（磷酸酶）机制。研究结果对于探讨河口沼泽湿地磷的迁移转化对外源硫酸盐增强的潜在响应，改善河口湿地生态保育功能具有重要的理论与实践价值。

本项目以闽江河口湿地为研究对象，通过原位自然盐度（硫酸盐）梯度实验，利用磷形态分级提取、分子生物学以及酶学技术，重点揭示河口湿地土壤磷的形态及组分结构特征沿自然硫酸盐梯度的分布格局及其迁移转化，厘清硫酸盐诱导的土壤内源磷释放特征。在此基础上，明确硫酸盐控制土壤磷形态变化和内源释放的微生物和酶学机制。研究结果表明，盐度（硫酸盐）增加显著降低了MBC和MBN库，增加了MBP存量，重塑了细菌群落组成，但并没有显著影响细菌多样性。此外，根际效应增加了MBC和MBP浓度，但并没有影响细菌群落结构及其多样性。根际和非根际土壤MBC：MBN：MBP计量比沿着硫酸盐梯度呈波动变化趋势。随着淡水向半咸水的转变，土壤/上覆水盐度和硫酸盐含量逐渐增加，而碱性磷酸酶活性逐渐降低，这伴随着有机磷、有效磷、铝结合态磷、钙结合态磷和闭蓄态磷浓度逐渐增加，而铁结合态磷逐渐降低。作为对淡水-半咸水梯度变化的响应，phoD磷酸酶基因群落结构沿盐度（硫酸盐）梯度发生了重塑。总的来说，含有phoD基因最丰富的细菌菌群是Alphaproteobacteria和Bataproteobacteria，占总序列的60％以上。最丰富的属是Pleomorphomonas、Streptomyces、Cupriavidus、Bradyrhizobium和Pseudomonas。此外，我们也发现铁的还原溶解是磷再循环的主要机制，并受硫酸盐还原作用的调控。表观扩散通量结果表明，随着硫酸盐浓度增加，河口土壤从磷的“汇”转变为“源”，这可能是由于硫酸盐还原引起的沉积物磷解吸、去耦的结果。我们推测未来强台风和/或不可避免的海平面上升引起的盐水入侵，通过调控盐度和硫酸盐浓度，可能会增加潮汐淡水湿地土壤内源磷释放，进而改变河口养分动态。因此，后续将在不同时空尺度和条件下研究河口湿地磷的动态及其微生物机制，为河口湿地养分循环提供科学参考。本项目执行期间，在Geoderma、Catena、Ecosystems等国际期刊发表论文7篇；培养硕士研究生3人；参加本领域国内外学术会议4次，并作口头报告。