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| 內容簡介： |
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《中国北方典型湿地硫生物循环》以我国北方受酸沉降影响较为突出的三江平原沼泽湿地和黄河口潮间带湿地为研究对象，以不同类型湿地硫生物循环过程及其对人类活动的响应为研究主线，系统探讨了湿地土壤硫赋存特征及有机硫矿化过程，明确了湿地植物硫累积及其分解归还过程，揭示了湿地系统含硫气体释放规律及其影响机制，阐明了人类活动对湿地硫生物循环过程的影响程度。在此基础上，构建了湿地植物-土壤系统硫生物循环分室模式，并评估了硫生物循环状况及其生态效应。研究成果有助于深化对湿地硫循环关键途径的认知，并可为区域湿地生态保育提供重要科学依据。
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| 目錄：
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目录第一章 湿地硫生物循环及其研究前沿 1第一节 湿地硫生物循环生态意义 1一、生态系统硫循环及其重要性 1二、湿地硫生物循环及其生态意义 5第二节 湿地硫生物循环研究现状 6一、湿地土壤硫赋存及其影响因素 6二、湿地土壤硫矿化及其影响因素 10三、湿地植物硫累积及残体分解释放 12四、湿地含硫气体释放及其影响因素 14第三节 中国北方典型湿地硫生物循环研究意义 18一、中国酸沉降及其空间分布特征 18二、中国北方典型湿地硫生物循环 19本章参考文献 20第二章 中国北方典型湿地自然环境概况 32第一节 三江平原沼泽湿地自然环境概况 32一、三江平原地理位置及其环境特征 32二、三江平原土地利用/覆盖类型及其动态变化 33三、三江平原沼泽湿地发育及其分布 34四、三江平原沼泽湿地基本特征 35第二节 黄河口潮间带湿地自然环境概况 40一、黄河三角洲地理位置及其环境特征 40二、黄河三角洲土地覆盖类型及其动态变化 42三、黄河三角洲潮间带湿地类型及其景观格局 47目 录| vi | 中国北方典型湿地硫生物循环四、黄河口潮间带湿地基本特征 52本章参考文献 57第三章 中国北方典型湿地硫生物循环研究方案 59第一节 野外定位采样 59一、三江平原湿地定位采样 59二、黄河口湿地定位采样 62三、指标计算与统计分析 66第二节 野外原位分解试验 68一、三江平原湿地原位分解试验 68二、黄河口湿地原位分解与模拟试验 69三、指标计算与统计分析 72第三节 原位气体观测 73一、三江平原湿地含硫气体观测 73二、黄河口湿地含硫气体观测 76三、指标计算与统计分析 77第四节 模拟控制实验 77一、三江平原湿地模拟控制实验 77二、黄河口湿地土壤硫矿化控制实验 79三、指标计算与统计分析 80本章参考文献 81第四章 湿地土壤硫赋存及有机硫矿化过程 83第一节 湿地土壤硫赋存特征及其影响因素 83一、三江平原沼泽湿地土壤硫赋存特征 83二、黄河口潮间带湿地土壤硫赋存特征 90第二节 湿地土壤硫赋存对人类活动的响应 101一、三江平原土地利用方式对硫赋存的影响 101二、氮输入条件下黄河口滨岸潮滩湿地土壤硫赋存特征 105三、黄河口生态恢复工程实施下湿地土壤硫赋存特征 115目 录 | vii |第三节 湿地土壤有机硫矿化过程 125一、三江平原沼泽湿地土壤有机硫矿化特征 125二、黄河口湿地土壤硫矿化对氮输入的响应 130本章参考文献 136第五章 湿地植物生物量及其硫累积过程 141第一节 湿地植物生物量季节变化 141一、三江平原典型湿地植物生物量变化 141二、黄河口新生湿地植物生物量变化 144第二节 湿地植物硫累积与分配特征 149一、三江平原典型湿地植物硫累积与分配特征 149二、黄河口新生湿地植物硫累积与分配特征 154第三节 湿地植物硫累积特征对人类活动的响应 160一、三江平原植物硫累积对水位及硫添加的响应 160二、外源氮输入条件下黄河口湿地植物硫累积特征 164本章参考文献 170第六章 湿地植物残体和根系分解及硫释放过程 173第一节 三江平原湿地植物残体分解及硫释放过程 173一、湿地植物残体和根分解及硫释放特征 173二、残体分解硫释放对水分梯度的响应 178第二节 黄河口湿地植物残体分解及硫释放过程 182一、湿地植物残体分解及硫释放过程 182二、外源氮输入条件下残体分解硫释放过程 184本章参考文献 192第七章 湿地含硫气体释放规律及释放量 196第一节 三江平原沼泽湿地含硫气体释放 196一、湿地含硫气体通量的季节变化 196二、湿地含硫气体通量的日变化 197三、湿地含硫气体释放影响因素分析 198| viii | 中国北方典型湿地硫生物循环第二节 黄河口潮间带湿地含硫气体释放 200一、潮间带含硫气体通量的季节变化 200二、潮间带含硫气体通量的日变化 208三、植物生长对含硫气体通量的影响 209四、潮间带含硫气体通量时空变化分析 210第三节 三江平原与黄河口湿地含硫气体通量及释放量 213一、三江平原与黄河口湿地含硫气体通量 213二、三江平原与黄河口湿地含硫气体释放量 215本章参考文献 215第八章 湿地硫生物循环模式构建与评估 218第一节 湿地硫生物循环模式构建方法 218一、湿地系统硫分室模式构建思路 218二、湿地不同分室硫储量及流通量 218三、湿地生态系统硫生物循环特征 219第二节 三江平原沼泽湿地硫生物循环模式构建与评估 219一、湿地植物-土壤系统硫分配状况 219二、湿地硫生物循环模式构建 220三、湿地生态系统硫平衡状况 221第三节 黄河口潮间带湿地硫生物循环模式构建与评估 222一、黄河口典型新生湿地硫生物循环 222二、氮输入条件下滨岸潮滩湿地硫生物循环 226本章参考文献 230第九章 湿地硫生物循环研究成果总结与建议 233第一节 湿地硫生物循环研究成果总结 233一、三江平原沼泽湿地硫生物循环 233二、黄河口潮间带湿地硫生物循环 238第二节 未来研究建议 246
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第一章湿地硫生物循环及其研究前沿 第一节湿地硫生物循环生态意义 一、生态系统硫循环及其重要性 （一）生态系统硫循环 硫（S）是地壳中*丰富的元素之一，具有-2？+6不同价态，可以固态、溶解态和气态形式存在，其对环境条件的变化极为敏感。海洋是巨大的硫库（1.28x1018kg），仅次于沉积岩硫库（7.44x1018kg），占硫库总量的14.68%（Schlesinger，1997）。生态系统硫循环主要是指硫在大气、陆地生命体和土壤等分室中的迁移和转化过程。化石燃料的燃烧、火山爆发和微生物的分解是其主要来源。在自然条件下，大气中的二氧化硫（S02）—部分被绿色植物吸收并形成对其生长有用的营养物质；另一部分则与大气中的水结合，形成硫酸，随降水进人土壤或水体，以硫酸盐的形式被植物根系吸收而转变成蛋白质等有机物，进而被各级消费者利用。当动植物的遗体被微生物分解后，又将硫元素释放到土壤或大气中，这样就形成一个完整的循环回路（图1-1）。 作为继氮（N）、磷（P）、钾（K）之后的第4位营养元素，硫在植物生理生化过程中扮演着不可替代的角色，如参与氨基酸和叶绿素的形成，控制光合作用中碳水化合物代谢、影响植物呼吸作用和抗逆性等（陆景陵，2003）。硫又是环境中的有害元素之一，其与酸沉降、温室效应和臭氧层耗损均有着直接或间接关系（方精云等，2002）。酸沉降是20世纪后期以来全球普遍关注的大气污染问题之一，因其可导致土壤和水体酸化以及生态系统衰退等而成为影响生态系统生产力、生物多样性及生源兀素循环的重要生态环境问题（Akerblom et al.，2013）。含硫气体[二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、二甲基硫（DMS）、羰基硫（COS）、二硫化碳（CS2）、甲硫醇（CH3SH）、二甲基二硫（DMDS）等]是自然界硫循环的重要组成部分，其不但是形成酸雨的主要成分，而且还可与氧化剂反应生成硫酸盐气溶胶，进而破坏地球能量平衡，导致地球环境和气候变化（“阳伞效应”）（IPCC，2013）。特别是当具有较强还原性有机含硫气体进人臭氧层后，可在光照条件下与臭氧发生反应而破坏臭氧层（Schlesinger，1997）。同时，硫循环不是孤立的，其与C（碳）、N、P等元素存在着复杂的耦合作用，并对铁（Fe）、汞（Hg）等金属元素循环产生重要影响（Howarth and Stewart，1992）。 （二）生态系统疏循环重要性 1.对硫地球大循环的影响 在全球硫循环中，硫的主要储库是地壳中的岩石，如石膏和黄铁矿等。岩石风化使这些硫化物进人土壤圈和水圈，参与地球大循环。在硫的地球大循环中，其氧化还原具有重要作用。通过硫的氧化还原反应，硫的价态和形态发生变化，从而使其参与土壤一大气、土壤一水体、土壤一生物以及土壤一岩石圈的交换。例如，土壤中的硫通过同化还原进人生物体，参与土壤一生物圈的交换。在生物作用下，土壤中的硫尤其是有机硫在生物的参与下发生氧化还原反应，产生挥发性气态硫化物，参与土壤一大气圈的交换。 2.对大气环境的影响 土壤是释放含硫气体（H2S、COS、DMS、CS2、CH3SH、DMDS等）的重要源，而氧化还原反应是产生挥发性含硫气体的主要原因。据测算，全球通过土壤释放的含硫气体为7？77TgS.a—1（Aneja，1990）。进人到大气环境中的含硫气体通过光氧化、与自由基反应、非均相化学过程等途径发生转化，通过沉降过程最终回到地面。各种含硫气体由于本身性质和气象条件的变化而具有不同的大气停留时间，其大致可分为两类（Brown and Bell，1986）：一类是不稳定气体，包括H2S、DMS、CS2、CH3SH和DMDS等，一般停留时间为几天；另一类是较稳定气体，如COS，停留时间长达一年以上。这两类含硫气体均能够影响全球气候变化。除COS和约50%的CS2（被氧化为COS）停留在大气中，其他含硫气体在对流层中均可被OH-和O3等氧化剂氧化而生成SO2或SO42—，产生与酸雨相关的环境问题。另有证据显示，含硫气体进人大气后可氧化成气溶胶颗粒，其可改变云层的光学性质，从而影响全球气候。COS在大气对流层中虽然呈惰性，但能被气流输送到平流层，在平流层中被氧化或光解为气溶胶，加剧臭氧层的破坏（杨震和王蕾，1996）。含硫气体除形成酸沉降、破坏臭氧层外，还可通过污染空气而对动植物、文化建筑及金属材料等产生不同程度的影响。 3.对水体和土壤环境的影响 通常在淹水和还原环境中，硫以还原尤其是硫酸盐异化还原为主，而硫酸盐异化还原过程可产生碱度（Kevin et al.，2000），其对缓解水体和土壤酸化具有重要意义。尽管这一作用被广泛应用到酸性污水的治理中，但由硫酸盐异化还原产生的硫化物可还原Fe、锰（Mn）等金属氧化物，导致微量元素和重金属的释放，从而对土壤和水体造成潜在污染（Thamdrup et al.，1994）。Kevin等（2000）研究了美国新泽西州松林地带泥炭地的硫循环以及其对河流化学性质的影响，发现硫酸盐异化还原速率随地点、土壤深度和季节变化而差异明显；在较短距离内，土壤还原性硫的分布对周围水质可产生显著影响。在通气良好的土壤中，硫氧化占主导并产生硫酸（H2SO4），其不但可降低碱性土壤的pH，改善土壤环境，而且还可为植物提供有效硫养分。但在滨海地区，当硫化物含量较高的厌氧沉积物因排水或水位季节波动而暴露于大气中时，硫化物会被氧气迅速氧化产生大量的SO42—，使土壤酸化，不利于植物生长（白军红等，2002）。 4.对生物的影响 大气中的硫化物对植物既可产生正面影响也可产生负面影响，而这取决于大气中含硫气体的浓度。当含硫气体浓度适宜时，植物可同化吸收硫化物。S〇2是大气硫化物的主要成分，其对植物生态系统具有重要的补偿效应。通过对一些植物的研究表明，植物可通过叶片开放气孔吸收SO2，吸收的SO2部分经过逐步还原过程直接形成还原态的有机硫化物（含硫氨基酸等），而未被还原的硫在细胞中被氧化为H2SO4（Kindermann et al.，1992）。在极端试验条件下，植物从大气中吸收的SO2可达植物硫吸收总量的80%（Schnug，1991）。植物除吸收SO2外，还可有效吸收利用大气中一定浓度的其他含硫气体。Collins（1992）运用H235S（浓度为104.8咫+m—3）和CO35S（浓度为23.6咫+m—3）对普通小麦（Triticum aestivum）、菜豆（Phaseolus vulgaris）和野甘蓝（Brassicaoleracea）分别进行了气熏示踪试验，结果显示两种气体皆可有效地被同化吸收，其中H2S可被直接同化，而COS则经碳酸軒酶分解释放出H2S后再被同化（Protoschill-Krebs and Kesselmeier，1992）。当大气中的含硫气体积累到一定浓度时就会产生毒性效应，其不仅对植物根系产生极大的破坏作用，而且还对植物养分吸收、体内一些酶的活性、碳代谢和光合作用等均产生不利影响（Bagarinao，1992），但其机制尚不清楚，且当前研究仅限于H2S和SO2对植物产生的影响。另外，硫的氧化还原也会对微生物产生一定的影响，因为一些微生物从氧化还原硫的过程中获得能量，从而加速自身的生长。例如，氧化硫硫杆菌（）在生命过程中同化空气中的CO]或碳酸盐中的碳，将硫及硫的无机化合物氧化成硫酸或硫酸盐，并依靠硫及硫化物的氧化作用获得生命过程所需的能量（Krumbein，1983）。 5.对土壤碳氮循环的影响 硫酸盐还原过程是生态系统硫循环的关键过程，其不但是土壤产生Hj的主要环节（Delaune et al.，2002），而且是厌氧环境下有机碳矿化的重要途径之一（Celine and Philippe，2006），因此受到广泛关注（NedwellandWatson，1995;Vincent et al.，2004;Neubauer，2013;Naik et al.，2017）。在厌氧环境下，硫酸盐还原菌（sulfate reducing bacteria，SRB）可与产甲烷菌（methanogen，MA）竞争有机物和氢气（H2），从而对甲烷（CH4）的产生与释放产生重要影响（Nedwell and Watson，1995;Christian and Moore，2003;Weston et al.，2011）。但在不同类型的生态系统中，硫酸盐还原过程的地位和作用也不尽相同。在淡水湿地中，由于硫酸盐含量较低，所以CH4产生过程成为有机质厌氧降解的主要途径（Weston et al.，2006）。但在滨海盐沼中，由于海水中SO42—的高获得性，加之硫酸盐还原过程降解有机碳产生的能量比产CH4过程高，故使得硫酸盐还原过程取代产CH4过程而成为厌氧有机碳矿化的重要途径（Weston et al.，2006;Marton et al.，2012）。因此，在硫酸盐丰富的湿地中，硫酸盐可明显抑制CH4的产生与排放（Poffenbarger et al.，2011）。但也有研究发现，硫酸盐仅在开始添加时对CH4排放具有抑制作用，随着硫酸盐浓度的增加，CH4排放又呈增加趋势（Gauci et al.，2002）。可见，SRB抑制产甲烷菌产生CH4并非绝对，而是取决于硫酸盐浓度、硫酸盐还原速率、基质丰富程度等多种因素的影响（柳铮铮等，2008）。Nedwell和Watson（1995）测定了英国一处以泥炭藓属（Sphagnum）植物为优势种的泥炭地硫酸盐还原速率和CH4产生速率比值（SP/MP），发现SP/MP的变化范围为1月的0.07至7月的1008，说明温暖月份的硫酸盐还原相比CH4产生对厌氧有机碳矿化更为重要。土壤中的硫循环与氮循环还存在着复杂的耦合关系。例如，硫输人可通过影响土壤氮转化过程而间接影响氮赋存及其有效性，但这种影响因硫输人水平和硫输人类型的不同而差异较大。由于硫化物在氧化过程中可与氨氧化及亚硝酸盐氧化过程竞争氧气（O2），阻碍NH4+向NO3—转化，故其对硝化过程产生抑制（Bejarano et al.，2015）。Bremner和Bundy（1974）报道了挥发性硫化物可抑制土壤中氨的硝化作用，且不同挥发性硫化物对氨硝化作用的抑制能力也不同，其抑制程度整体表现为CS2>DMDS>CH3SH>DMS>H2S。就反硝化过程而言，硫化物可作为反硝化过程的电子供体，在氧化过程中为反硝化微生物提供能量，从而可促进自养反硝化的进行（Pang et al.，2021）；但当硫化物含量过高时，其会降低一氧化氮（NO）及****（N2O）还原酶活性，抑制反硝化中间产物NO、N2O的还原，从而对反硝化过程产生抑制（Lu et al.，2018）。 （三）硫循环与全球变化 全球变化和可持续发展是当今地球科学和环境科学领域的两个极为重要的研究主题，也是当前国际“未来地球计划”（FutureEarth）科学计划开展工作的核心（辛源和王守荣，2015）。从1992年的《联合国气候变化框架公约》、1997年的《京都议定书》，再到2015年联合国气候变化大会上具有历史意义的《巴黎协定》的最终通过，以气候变化为突出标志的全球变化以及由此而引起的环境问题正在195个缔约方的共同努力下形成行动共识。认识和评估全球变化的过程和驱动力以及全球变化的影响和人类的响应等科学问题已成为国际科学研究的热点（秦大河，2014）。当前，硫循环是“未来地球计划”的重要组成部分，全球变化的科学背景为硫循环以及其与C、N等循环的耦合研究带来了新的推动力，同时也赋予其新的内涵。 二、湿地硫生物循环及其生态意义 湿地是地球上具有多功能的*特生态系统，是C、N、S等生源元素的源、汇或转换器，其对全球元素循环及平衡具有重要影响。湿地硫生物循环主要是指硫元素在湿地生物体（植物、动物及
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