太湖流域上游河岸带不同植被类型区土壤反硝化机制研究

The riparian zone, the transition area between terrestrial and aquatic ecosystems, is a natural barrier for migrating nitrogen (N) pollutants from terrestrial to aquatic ecosystems and a hot spot with active denitrification. However, the key controlling factors and mechanisms of soil denitrification under different vegetation types in riparian zones are poorly understood. In this proposal, the riparian zones in the upper reaches of South Tiaoxi Stream in the Taihu Lake Basin will be investigated. The riparian zones will be categorized based on the dominant vegetation types, and seasonal variations of soluble carbon and N of soils in the riparian zones and adjacent water bodies will be measured. The temporal and spatial distribution of soil denitrification in riparian zones under different vegetation types will be explored using the acetylene inhibition and 15N tracer methods to reveal the key driving factors and the impact of vegetation type on the efficiency of soil denitrification for removing N pollutants from agricultural source water, and the microbiological mechanism of vegetation type on soil denitrification will be clarified using molecular biology techniques. This research will be helpful to determine the local special vegetation types that can effectively remove N pollutants from agricultural source water through denitrification in this study area, and to provide scientific basis and technical support for understanding the N cycle in riparian ecosystems and improving the health of aquatic ecosystems in the upper reaches of the Taihu Lake Basin.

作为陆地和水生生态系统之间的重要过渡带，河岸带生态系统不仅是陆地生态系统中氮（N）污染物迁移至水生生态系统的天然屏障，亦是反硝化作用活跃的热点区域。然而，现有研究对河岸带不同植被类型区土壤反硝化的关键驱动因子和作用机制的认识尚不甚清楚。本项目拟以太湖流域南苕溪上游的河岸带为研究对象，调查其植被分布并据此划分不同植被类型区，查明河岸带不同植被类型区土壤和毗邻水体中可溶性碳氮的季节变化特点；运用乙炔抑制法和15N示踪法，探明河岸带不同植被类型区土壤反硝化的时空分异特征，明确河岸带不同植被类型区对农业源水体N污染物反硝化脱N效率的影响及关键驱动因素；结合分子生物学技术，揭示河岸带不同植被类型区土壤反硝化的微生物驱动机制。以期最终确定能够对研究区农业源水体N污染物进行有效反硝化脱N的河岸带植被类型，为完善河岸带生态系统N循环和维持太湖上游水生生态系统健康提供科学依据和技术支持。

河岸带生态系统是陆地生态系统中氮（N）污染物迁移至水生生态系统的天然屏障和土壤反硝化作用活跃的热点区域。但目前对河岸带不同植被类型区土壤反硝化的关键驱动因子和作用机制的认识尚不甚清楚。针对上述背景，本项目以太湖流域上游南苕溪流域的河岸湖滨缓冲带为对象，运用乙炔抑制法和和分子生物学技术，研究河岸带不同植被类型区土壤反硝化特征及产生机制。研究主要发现：1）南苕溪上游农业区及其全流域水体N污染较为严重、NO3--N为最主要的N污染物。2）南苕溪上游竹林河岸带夏季土壤反硝化功能基因丰度显著高于春季，而春季土壤反硝化酶活性（DEA）显著高于夏季和秋季，但夏季土壤反硝化速率（DR）显著低于秋季和春季；土壤DEA和DR总体上均随深度和离水距离的增加而降低；土壤NO3--N和SOC共同影响DEA的时空变化，土壤NH4+-N和SOC及nosZ II基因丰度共同影响DR的时空变化；竹林河岸带土壤DR和对外源NO3--N的脱氮率随NO3--N输入量增大先升高后降低、随外源碳输入量的增大而升高，其土壤反硝化对外源NO3--N有较好的脱氮率。3）南苕溪入湖口缓冲带草本植物群落区0~20 cm土壤的DEA和DR均显著高于光滩，草本植物的地上和地下生物量、土壤含水量、NO3--N和ln(nirS)+ln(nirK)通过调节土壤DEA进而影响土壤DR；该缓冲带各植物群落土壤DR都随外源NO3--N添加量增加而升高，其土壤反硝化作用均能对2~10 mg/L外源NO3--N全部去除，对水体N污染控制具有较好的应用前景。4）青山湖湖滨缓冲带防护林0~40 cm土壤有较高的反硝化脱氮潜力，淹水区土壤DEA显著高于全年不淹水区土壤；其土壤DEA空间差异受水位和土壤深度差异及其驱动的土壤水分和碳氮（SOC、DOC、NO3--N和TN）含量分异等共同调控。对该区水体氮污染的控制应充分考虑和利用上述河岸湖滨缓冲带不同植被土壤反硝化脱氮特征和功能。上述成果可为区域水体N污染控制与河岸湖滨缓冲带生态环境可持续发展提供科学依据和理论指导，为完善缓冲带生态系统N循环和维持太湖上游水生生态系统健康提供科学依据和技术支持。