红树林湿地地下水-海水交互过程对沉积物反硝化脱氮的影响

With intensive activities in coastal regions, increasing terrigenous reactive nitrogen is being discharged into the ocean, thereby triggering severe ecological problems such as eutrophication. As a buffer zone between land and sea, mangrove wetland is a hot zone of denitrification due to the special habitat of aerobic and anaerobic alternations. A large amount of nitrogen could be converted into inert nitrogen by active microbial metabolism. However, due to the extremely complex hydrological processes in mangrove wetlands, the influence mechanisms of tidally driven groundwater-seawater interaction on denitrification still not clearly understood. It is an important scientific issue at present. We will conduct field experiments in mangrove wetlands in Daya Bay, China. The applicant will use the in-situ falling-head method to determine sediment permeability, pair-well method to determine hydraulic gradient and radium and radon isotope tracer method to determine the groundwater-seawater interactions. In the lab, groundwater numerical simulation, nitrogen isotope and qPCR gene test will be used to analyze the relationships among groundwater-seawater exchange rate, denitrification and microbial abundance, and study how groundwater-seawater interactions control environmental factors to influence nitrogen sink process in mangrove wetlands. The results can more accurately evaluate the contribution of mangrove wetlands as a natural barrier to nitrogen sinks, and also provide a new scientific basis for the protection and management of mangrove wetlands.

随着沿海地区人类活动的增强，越来越多的陆源活性氮向近海排放，引发了诸如富营养化的生态环境问题。红树林湿地作为陆海之间的缓冲带，好氧和厌氧交替的特殊生境使其成为反硝化脱氮的热点区域，大量排入的氮素被活跃的微生物代谢转化成惰性的氮气。然而，由于红树林湿地水文环境异常复杂，潮汐驱动的地下水-海水交互过程对沉积物反硝化脱氮的影响机制还没有清楚的认识，是当前我们面临的重要科学问题。本项目拟选大亚湾红树林湿地为野外场地，应用降水头法测定沉积物渗透率、对井法测定水力梯度和镭氡同位素测定地下水-海水交互强度。在室内采用地下水数值模拟、氮稳定同位素和qPCR基因测试等多学科技术手段，分析地下水-海水交换速率、反硝化脱氮速率和微生物丰度之间的关系，研究湿地水文过程如何控制环境因子进而影响微生物反硝化脱氮过程。预期成果能更准确评价红树林湿地作为自然屏障对氮汇的贡献，也为保护和管理红树林湿地提供新的科学依据。

随着沿海地区人类活动的增强，越来越多的陆源活性氮向近海排放，引发了诸如富营养化的生态环境问题。红树林湿地作为陆海之间的缓冲带，好氧和厌氧交替的特殊生境使其成为脱氮的热点区域，大量排入的氮素被活跃的微生物代谢转化成惰性的氮气。然而，由于红树林湿地水文环境异常复杂，潮汐驱动的地下水-海水交互过程对沉积物反硝化脱氮的影响机制还没有清楚的认识，是当前我们面临的重要科学问题。本项目选取了典型红树林湿地为野外场地，应用降水头法测定沉积物渗透率、垂向水里坡度法及数值模拟法评估了沉积物-水界面的对流交换速率。在室内采用氮稳定同位素和qPCR基因测试等多学科技术手段，分析了潮沟变盐度、植被状况及生物扰动对地下水-海水交换速率、微生物丰度及碳-氮循环等多种过程之间的关系。主要发现包括：（1）漳江口红树林湿地的脱氮过程以反硝化作用为主，占比达到97%。与盐沼相比，反硝化和硝态氮异化还原铵（DNRA）的nirS和nrfA基因丰度更高。红树林表现为NH4-N的净输出，NOx-N和溶解无机磷净输入。红树林-盐沼过渡带会减弱海水-地下水的水交换，进而改变营养盐化学计量学，最终起到缓解近海水域富营养化的潜力；（2）大部分潮汐影响下的湿地地下水动态的数值研究中，均假设海向边界的地表水盐度是恒定是。很少有研究潮汐变盐度对湿地含水层浅层地下水动态及氮转化的影响。我们以典型滨海湿地-潮沟为研究系统，通过在大亚湾等地进行潮沟盐度监测建立了浅层地下水含水层模型，结果发现变盐度能改变地下水的脱氮效率及空间位置，进而影响内陆氮排放负荷；（3）在富含碳的，淤泥质的盐沼沉积物中，有大量的螃蟹洞可作为优先水流通道，潜在地增强了沉积物-水的界面的碳运移能力。该研究提供了野外监测的直接证据，证明螃蟹洞在潮间带盐沼中调节碳埋藏起着重要减缓作用。总之，上述的研究结果能为更准确评价红树林湿地作为自然屏障对碳-氮源汇的贡献，也为保护和管理滨海湿地提供新的科学依据。