湿地生态系统的地球化学研究

ISSN100922722 Marine Geology Letters　海洋地质动态 2006,22(11)∶7—12文章编号:100922722(2006)1120007206湿地生态系统的地球化学研究王红晋1,2,叶思源2,杜远生1(1中国地质大学(武汉)地球科学学院,武汉430074;2青岛海洋地质研究所,青岛266071)摘　要:湿地作为一个特殊的生态系统,在维持生物多样性、调蓄洪水、降解污染物、调节气候等方面发挥着重要作用。

总结概括了当前湿地生态系统中有关地球化学研究的现状,包括湿地生态系统中的持久性有机污染物(POPs)和重金属研究及人为影响,生命元素碳、氮、磷的研究及环境意义,湿地系统的稳定同位素研究3个方面。

关键词:湿地;POPs;重金属;碳;氮;磷;稳定同位素;环境意义中图分类号:P941.78 文献标识码:A 根据Ramsar公约对湿地的定义,湿地系天然或人工,长久或暂时之沼泽地、泥炭地或水域地带,带有或静止或流动,或为淡水、半咸水或咸水水体者,包括低潮时水深不超过6m的水域。

湿地作为水陆过渡带,在维持生物多样性、调蓄洪水、降解污染物、调节气候等方面发挥着重要作用,因此湿地成为当前研究的一大热点。

本文将从湿地系统中的持久性有机污染物(PO Ps)和重金属研究及人为影响,生命元素碳、氮、磷和硫的研究及环境意义,湿地系统的稳定同位素研究3个方面,总结概括当前湿地生态系统中有关地球化学研究的现状。

1　湿地系统中的持久性有机污染物(PO Ps)与重金属研究1.1　持久性有机污染物(POPs)持久性有机污染物(PO Ps)是指对于生物代谢、光解、化学分解等具有很强的抵抗能力的天然或人工合成的有机污染物。

PO Ps具有半收稿日期:2006208204作者简介:王红晋(1979—),女,在读研究生,从事生态地球化学研究.Email:whongj228@ 挥发性,能够在大气环境中长距离迁移和沉积,从而在那些从来没有使用过PO Ps的地区也能找到其存在,并很难分辨来源。

因此,国际组织已经呼吁开展全球性的行动以减少和消除这些物质。

目前,国内对湿地系统的POPs研究还比较少。

目前,对POPs的测量分析主要是采用气相色谱-质谱法。

利用此方法可以研究湿地各介质PO Ps的污染状况、污染来源[123]及生物富集效应[4]。

POPs的污染来源主要是由人类活动造成的,如垃圾、木材、煤和石油等的燃烧,还有城市污水的排放;大气沉降也是污染物的一个重要来源。

面对POPs的污染日益加重,很多学者将目光投注在利用建立人工湿地来吸收降解污染物,但对天然湿地中POPs污染物处理的研究几乎没有。

湿地作为一个特殊的生态系统,其环境意义不容忽视,一旦被破坏,后果同样很严重。

因此,我们应加强对天然湿地的环境治理与保护。

1.2　重金属重金属是一类典型的累积性污染物,可通过食物链逐渐传递富集,在某些条件下可以转化为毒性更大的金属有机化合物,过高的重金属浓度对植物及鱼类等影响显著。

湿地重金属Marine G eology Letters　海洋地质动态 2006年11月　的研究已受到许多学者的关注[5]。

目前,对湿地重金属的研究主要集中在污染物分布规律以及生物富集与降解研究等方面。

重金属在湿地沉积物中的含量分布存在一定的规律,并且与邻近水源有很大关系,剖面上部沉积物中的重金属有大幅度增加的现象,与TOC含量呈显著相关;与此相反,下层的重金属含量相对较低。

那些水源相对稳定的沉积柱中的重金属与TOC表现出更显著的相关性。

越靠近河流,淹没频率越高,湿地表层沉积物中重金属元素含量越高[6,7]。

湿地自身对重金属就有缓冲和拦截的功能[8],主要是湿地中的各要素对污染物具有吸收修复功能,但对于化学性质活跃,易以溶液态迁移的元素如Fe、Mn等不具备明显的拦截功能。

目前,研究最多的是生物对重金属的吸收和降解[9212],因为某些生物对重金属有较强的吸附、,且部位不同,富集作用不同。

随着人类活动对湿地的破坏和污染的不断加剧,湿地自身的调节功能逐渐退化,加速了湿地生态环境的恶化。

利用生物对重金属的吸附和富集作用,可以对湿地重金属污染进行防治和修复。

2　湿地系统生命元素的循环研究碳、氮和磷3元素是植物生命活动中不可缺少的重要元素,其组成反映植物的生长特点,也是生长环境的写照,因此研究湿地系统中的碳、氮和磷循环,具有重要的环境意义。

2.1　碳循环湿地生态系统碳循环主要是通过有机物进行的,它是与生物循环密不可分的。

初级生产者进行的有机物质的生产,形成生物量的积累,然后通过食物链,经微生物分解以CO2形态还原到大气中,或以其他有机质的形态保留于土壤中[13]。

因此,湿地碳循环研究对全球气候变化具有重要意义。

碳循环的特点基本上反映了生态系统物质循环的总体特征。

因此,精确地测定不同陆地生态系统表面的碳通量,在区域范围内揭示和深刻理解碳的源汇过程,具有重大科学意义和实践意义。

湿地作为地球上一种重要的生态系统类型,其碳循环过程与特征研究,在全球陆地生态系统碳循环中具有重要地位。

在许多国家,湿地生态系统的碳循环正在成为全球变化与陆地生态系统碳循环研究中的一大热点[14]。

湿地生态水文过程和土壤环境条件具有特殊性,使得湿地碳循环具有区别于其他生态系统的特征。

目前,关于淡水水体类型的湿地的碳循环研究较少,而对泥炭地、森林和农业用地中的湿地类型的碳循环研究较多,但对其碳循环过程并没有完全认识清楚[14]。

碳在湿地土壤中的含量存在一定的空间和时间分布规律,有机碳含量随深度的增加而下降,30cm以下基本稳定[15]。

湿地表层土DOC 的含量和结构随季节有明显的变化。

影响碳在湿地生态系统中循环的因素很多,碳的储存与水文过程及水位波动、地貌、气候等因素有关[13],水循环控制了湿地氧化还原条件,地形决定了水文循环状况及颗粒沉积物与有机质的迁移与沉积。

环境条件影响着湿地土壤碳的生物地球化学过程,冬季微生物活性的存在及融冻作用对土壤碳矿化有重要影响[16],可以促进CH4和CO2的排放。

另外,氮的输入对沼泽湿地CO2和CH4排放有明显影响[17]。

2.2　氮、磷循环由于氮、磷在循环过程中关系密切,很多研究都把它们放在一起讨论,因此,本文为了描述方便,把氮、磷放在一起一并归纳。

氮是湿地土壤中最主要的限制性养分,它在湿地生态系统中的生物地球化学循环是一个复杂的过程,包含了7种形态的转变。

首先是大气中的氮通过湿地土壤中固氮细菌和蓝绿藻的固定,转化为有机氮进入生物体,经过矿化(氨化)作用成铵态氮,再经亚硝化、硝化、反硝化及氨挥发等生物过程返回大气(如图1所示)[13]。

8　第22卷第11期 王红晋,等:湿地生态系统的地球化学研究图1　简单的氮循环模型(据文献[18])Fig.1　The simple model for nitrogen cycle (after reference[18]) 磷是生命信息元素。

土壤中磷酸盐经过风化或有机磷在微生物作用下分解,被植物吸收利用,其含磷有机物一方面沿食物链传递并以粪便残体归还土壤,另一方面以枯枝落叶、秸杆归还土壤。

湿地磷的生物地球化学循环是:陆地系统中的磷随水进入湿地系统,一部分被浮,一部分沉积于土壤表层。

随着氧化还原等环境条件的变化,沉积相磷应发生一系列变化,通过有机质的分解与水体的相互作用以溶解态的磷进入水体,重新参加循环(如图2所示)[13]。

图2　简单的磷循环模型(据文献[19])Fig.2　The simple model for phosphoruscycle (after reference[19])对湿地系统中氮、磷的研究内容主要包括氮、磷在湿地各介质中的存在方式[20],时空分布规律以及在人类活动的影响下(如水利工程、围垦、割草、化学肥料利用以及各种类型的污染[21]),氮、磷含量的变化。

氮、磷虽然是生命必不可少的元素,但含量过高,也会出现负面效应,富营养化就是水体氮、磷污染的直接结果。

富营养化主要是指水体中的氮、磷含量过高,导致水体营养过剩,使藻类植物大量繁殖的一种污染现象。

随着人类对环境资源开发利用活动日益增加,大量含有氮、磷营养物质的污水排入湖泊、水库和河流,增加了这些水体的营养物质的负荷量。

为了提高农作物产量,农田施用的化肥和牲畜粪便逐年增加,经雨水冲刷和渗透进入水体的营养物质不断增多,这些人为因素的影响使湖泊及水库水体的污染及富营养化问题日益严重[22]。

目前,使用最广的富营养化污染修复技术是脱氮除磷技术和去除藻类。

脱氮除磷技术具有工程造价低、耗能少、处理效果好且能实现资源回收利用等特点;超声波除藻技术及生物除藻技术,能有效地去除藻类且不会产生二次污染[23]。

3　稳定同位素研究稳定同位素广泛存在于水体中,在降水、地表水、地下水、土壤水和植物体内水转化循环过程中,发生同位素的分馏,不同的水有不同的同位素值。

利用这种差异,可研究水分来源、径流响应、植物用水和水分利用效率,也可以作为不同水体环境及其变化的重要指标[24]。

天然存在的稳定碳、氮同位素作为示踪剂对于研究全球碳、氮循环,植被类型和食物链营养关系有着非常重要的作用。

3.1　含量变化稳定同位素在不同的植物中,含量也有所9Marine G eology Letters 海洋地质动态 2006年11月　区别。

Brooks 等[25]测定了北半球生态系统中的优势种的碳同位素组成,结果发现,常绿林<落叶林=常绿灌木=落叶灌木=常绿草本植物<落叶草本植物=苔藓。

Mook 等研究发现水生植物叶子中的δ13C 值与其所处的水环境有密切的关系[26],由于水体中无机碳δ13C 组分较高,使得沉水植物叶子的δ13C 值大于挺水植物和浮水植物。

稳定同位素的值也有明显的季节变化。

刘敏等[27]研究发现长江口潮滩表层沉积物有机质中稳定碳同位素的值7月份普遍低于2月份(如图3所示),这与长江入海径流量和输沙量季节分配相吻合。

蔡德陵等[28]对崂山湾海洋植物的有机碳同位素组成的季节性变化作了5个季度月(1993年2月—1995年5月)的研究。

结果表明,浮游植物的碳同位素组成在夏季较重,冬季和春季较轻,并与海水温度有弱的正相关性。

图3　长江口潮滩表层沉积物有机质中稳定碳同位素分布(据文献[27])Fig.3　The distribution of stable organic carbon isotope in the intertidal superficial sediments f rom the Yangtze River estuary (after reference[27])3.2　水分来源由于不同来源的水分有着不同的氢氧同位素组成,因此可利用其同位素含量的差异研究水分的来源。