论文部分内容阅读
由于人类活动造成的气候和环境变化,如增温、重金属污染以及水体富营养化等,已经成为严重的环境问题,影响着水生态系统的结构和功能。这些变化会导致河流生态系统生物多样性下降、食物链断裂、生态功能及恢复能力的减弱。在水生生态系统中主要由生产者系统和分解者系统组成,后者对河体污染和富营养化等环境压力更为严重。有关环境压力对分解者系统研究较多,主要集中于单一环境因素对水生态系统凋落物降解过程的影响,但对多重压力如自然环境本身压力(温度、湿度和光照等)、增温情境下重金属污染以及重金属污染和富营养化等多重压力作用下的分解者系统的响应研究较少。而且随着环境的变化,它们之间的相互作用也会随之发生变化。因此,单一环境因素不能准确反映和预测其对凋落物降解的影响,而研究多重环境因素共同作用则能更准确的理解和预测其对水生态系统凋落物降解的影响。本研究选择中国东部的秦淮河以及紫金山人工湿地作为实验样地,以大型挺水植物狭叶香蒲和岸边常见植物枫杨的叶凋落物为材料。在野外实验中,我们将狭叶香蒲进行不同时间长度(0,3和6个月)的自然环境暴露,然后将其置于水环境中进行降解。在室内模拟实验中,基于对淮河流域重金属铜锌污染现状分析、冬春季节温度变化(5℃增温)的预测以及富营养化(氮磷)程度的分析,我们将狭叶香蒲凋落物与其野外定植的河水的混合物用不同温度(三个温度梯度)和不同污染程度的铜锌(两个浓度水平)进行单独或交互模式培养,而对枫杨叶凋落物与其野外定植的污染与未污染河段的河水混合物也分别进行不同污染程度的重金属(两个浓度水平的铜锌)和富营养化程度(两个浓度水平的氮磷)进行单独或交互模式培养。野外降解和培养后,分别定期测定凋落物的化学成分(木质素、全碳及全氮)、失重速率,微生物量,微生物代谢相关的酶活以及水生真菌的活性和多样性。这些研究的主要目标是评估：(1)狭叶香蒲凋落物立枯期间自然环境暴露对其后期在水环境中的降解有何影响；(2)模拟增温情景下淮河流域不同河段对重金属压力的响应；(3)重金属污染(铜锌)和水体富营养化(氮和磷)的复合作用对河流凋落物降解的影响及其降解过程中相关的酶活是否产生了对污染物的适应性。本研究主要结果如下：(1) 前期持续自然环境暴露中,狭叶香蒲凋落物损失量在3个月和6个月变化分别为6%和21%,同时这种预暴露处理增加了凋落物中氮含量(0、3和6个月分别为0.60、0.76和0.92%),但降低了木质素含量和碳氮含量的比率,从而增加了其可降解性。在后期水环境中的降解中(7个月),前期预暴露处理不仅加速了凋落物的降解速率而且改变了参与降解的真菌群落多样性及其对凋落物降解的贡献,如Heliscella stellate在3和6个月的预处理中贡献率分别为30%和27%,而在0个月处理中的贡献率仅为19%；同时,前期预暴露处理也促进了硝酸还原酶活性,改变了酶活与凋落物生物量损失的相关性,而这种相关性与暴露时间强度密切相关。这些结果表明,前期持续自然环境暴露对狭叶香蒲的影响主要是改变了其可降解性(化学特征的变化),从而改变其后微生物群落的响应,进而加速凋落物的降解。(2)不同温度或／和不同浓度重金属(铜锌)处理下,狭叶香蒲凋落物的降解速率变化范围为0.0016到0.0061/天。在低浓度的重金属处理情况下,狭叶香蒲凋落物的降解速率随着温度的升高而加速(10、15和20℃时的降解速率分别为0.0030、0.0042和0.0061/天)；除在较高温度下(20℃),低浓度重金属加速了凋落物的降解速率外(对照和低浓度重金属处理分别为0.0051和0.0061/天),在相同温度的处理下,凋落物的降解速率总是随着重金属浓度的增加而下降；而狭叶香蒲凋落物分解的温度敏感性则受重金属浓度变化的调节,如当温度从10℃上升到15℃时,高浓度和低浓度重金属调节下的Q10-q分别为4.01和2.43； 20℃和低浓度重金属处理增强了纤维素酶的活性和p-葡萄糖酐酶活性,而且增加了木质素和凋落物损失量、以及木质素和碳损适量之比,表明20℃和低浓度重金属处理加速了碳的矿化和木质素的降解。这些研究结果表明,如果目前被污染的河流进一步受重金属污染,由于温度上升而导致的微生物调节的凋落物降解过程的潜在刺激效应在淮河下游将可能会被加强(从15℃上升到20℃),而在上游将可能会被减弱(从10℃上升到15℃)。(3)与未污染溪流相比,中度重金属和氮磷复合污染的河流会导致枫杨叶凋落物降解速率下降(未污染和污染河流分别为0.0112和0.0089/天)、微生物量减少以及相关降解酶活的下降(纤维素酶和葡萄糖酐酶)；低浓度重金属会加速污染河流中凋落物的降解速率(对照与处理分别为0.0104和0.0089/天)以及相关水解酶的活性(葡萄糖酐酶、纤维素酶、碱性磷酸酶和硝酸还原酶),但降低了未污染河流中凋落物的降解速率(对照与处理分别为0.0093和0.0112/天),除高浓度氮磷降低了未污染河流降解速率外,不同浓度的氮磷污染都会加速污染与未污染河流的降解速率。当重金属和氮磷共同作用时,低浓度重金属对未污染溪流凋落物降解的抑制作用被增强,但对污染河流凋落物降解的刺激作用会减弱。这些研究结果表明,枫杨叶凋落物降解过程中,氮磷对重金属的拮抗作用可能主要是由于改变了其降解相关的酶活所致,进而影响河流生态系统的功能。