消落带是陆地与水体(河流、湖泊、水库、湿地以及其他特殊水体)之间的生态过渡带,具有独特的生态水文学和生物地球化学过程,是截留和转化NH4+、NO3-等非点源氮素进入水体的最后一道生态屏障.整合已有相关研究成果发现: 1)植物固持作用改变氮素在土壤-植被-土壤-大气中相对存在位置;2)微生物反硝化作用将氮素从系统内永久性地去除,是消落带生态系统氮素截留转化的主要机制,但其相对贡献率仍有很大的不确定性.在不同流域背景条件下,影响消落带生态系统氮素生物地球化学循环的主要生态因子变化较大,很难确定地下水位高低、植被状况、微生物属性和土壤基质等哪一个生态因子是驱动消落带生态系统氮素循环的关键因子.研究方法的局限性、大的时空尺度数据的缺乏及对植被宽度认识的模糊性,是导致消落带生态系统氮素截留转化结果变异性大的主要原因.因此,应在消落带生态系统具体研究区位环境因子基础上,利用数学模型、GIS、RS等分析方法及同位素示踪和气体联用测定等定量分析技术,从不同时空尺度研究消落带生态系统氮素的循环与转化规律,以实现消落带生态系统氮素截留转化最优化,为消落带生态系统的科学管理提供理论基础.
Riparian zone, the ecological transition buffer between terrestrial and aquatic ecosystems (rivers, lakes, reservoirs, wetlands, and other specific water bodies) with unique ecohydrological and biogeochemical processes, is the last ecological barrier to prevent ammonium, nitrate and other nonpoint nitrogen pollutants from adjacent water bodies. Based on a summary of current progress of related studies, we found there were two major mechanisms underpinning the nitrogen retention/removal by the riparian ecosystems: 1) the relative locations of nitrogen in the soilplantatmosphere continuum system could be altered by riparian vegetation; 2) nitrogen could also be denitrified and then removed permanently by microorganisms in riparian soil. However, which process is more critical for the nitrogen removal remains elusive. Due to large variances of hydrodynamic, vegetation, microbial, and soil substrate properties in nitrogen retention and transformation with various watersheds, it’s difficult to identify which factor is the most important one driving nitrogen cycle in the riparian ecosystems. It is also found that the limitation of study methods, paucity of data at large spatial and temporal scale, and no consensus on the riparian width, are the three major reasons leading to large variances of the results among studies. In conclusion, it is suggested that further efforts should be focused on: 1) the detailed analysis on the successive environmental factors with longterm; 2) the application of a comprehensive method combining mathematical models, geographic information system, remote sensing and quantified technique (such as the coupled technique of the isotopic tracer and gas exchange measurement); 3) the implementation of studies at large temporal and spatial scales. It is sure that, these efforts can help to optimize the nitrogen removal pathways in the riparian ecosystems and provide scientific basis for ecosystem management.
全 文 :消落带生态系统氮素截留转化的
主要机制及影响因素
杨 丹1,2 樊大勇1 谢宗强1∗ 张爱英1,2 熊高明1 赵常明1 徐文婷1
( 1中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室, 北京 100093; 2中国科学院大学, 北京 100049)
摘 要 消落带是陆地与水体(河流、湖泊、水库、湿地以及其他特殊水体)之间的生态过渡
带,具有独特的生态水文学和生物地球化学过程,是截留和转化 NH4
+、NO3
-等非点源氮素进
入水体的最后一道生态屏障.整合已有相关研究成果发现: 1)植物固持作用改变氮素在土壤⁃
植被⁃土壤⁃大气中相对存在位置;2)微生物反硝化作用将氮素从系统内永久性地去除,是消落
带生态系统氮素截留转化的主要机制,但其相对贡献率仍有很大的不确定性.在不同流域背
景条件下,影响消落带生态系统氮素生物地球化学循环的主要生态因子变化较大,很难确定
地下水位高低、植被状况、微生物属性和土壤基质等哪一个生态因子是驱动消落带生态系统
氮素循环的关键因子.研究方法的局限性、大的时空尺度数据的缺乏及对植被宽度认识的模
糊性,是导致消落带生态系统氮素截留转化结果变异性大的主要原因.因此,应在消落带生态
系统具体研究区位环境因子基础上,利用数学模型、GIS、RS 等分析方法及同位素示踪和气体
联用测定等定量分析技术,从不同时空尺度研究消落带生态系统氮素的循环与转化规律,以实
现消落带生态系统氮素截留转化最优化,为消落带生态系统的科学管理提供理论基础.
关键词 生物硝化⁃反硝化作用; 生物地球化学过程; 富营养化; 生态水文过程; 植物吸收
本文由中国科学院西部行动计划项目(KZCX2⁃XB3⁃09)资助 This work was supported by West Action Plan of the Chinese Academy of Sciences
(KZCX2⁃XB3⁃09) .
2015⁃07⁃01 Received, 2016⁃01⁃08 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: xie@ ibcas.ac.cn
Research progress on the mechanisms and influence factors of nitrogen retention and trans⁃
formation in riparian ecosystems. YANG Dan1,2, FAN Da⁃yong1, XIE Zong⁃qiang1∗, ZHANG
Ai⁃ying1,2, XIONG Gao⁃ming1, ZHAO Chang⁃ming1, XU Wen⁃ting1 ( 1State Key Laboratory of Ve⁃
getation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing
100093, China; 2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) .
Abstract: Riparian zone, the ecological transition buffer between terrestrial and aquatic ecosystems
(rivers, lakes, reservoirs, wetlands, and other specific water bodies) with unique eco⁃hydrological
and biogeochemical processes, is the last ecological barrier to prevent ammonium, nitrate and other
non⁃point nitrogen pollutants from adjacent water bodies. Based on a summary of current progress of
related studies, we found there were two major mechanisms underpinning the nitrogen retention / re⁃
moval by the riparian ecosystems: 1) the relative locations of nitrogen in the soil⁃plant⁃atmosphere
continuum system could be altered by riparian vegetation; 2) nitrogen could also be denitrified and
then removed permanently by microorganisms in riparian soil. However, which process is more criti⁃
cal for the nitrogen removal remains elusive. Due to large variances of hydro⁃dynamic, vegetation,
microbial, and soil substrate properties in nitrogen retention and transformation with various water⁃
sheds, it’s difficult to identify which factor is the most important one driving nitrogen cycle in the
riparian ecosystems. It is also found that the limitation of study methods, paucity of data at large
spatial and temporal scale, and no consensus on the riparian width, are the three major reasons
leading to large variances of the results among studies. In conclusion, it is suggested that further ef⁃
forts should be focused on: 1) the detailed analysis on the successive environmental factors with
long⁃term; 2) the application of a comprehensive method combining mathematical models, geo⁃
应 用 生 态 学 报 2016年 3月 第 27卷 第 3期 http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2016, 27(3): 973-980 DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201603.040
graphic information system, remote sensing and quantified technique ( such as the coupled tech⁃
nique of the isotopic tracer and gas exchange measurement); 3) the implementation of studies at
large temporal and spatial scales. It is sure that, these efforts can help to optimize the nitrogen re⁃
moval pathways in the riparian ecosystems and provide scientific basis for ecosystem management.
Key words: biological nitrification⁃denitrification; biogeochemical process; eutrophication; eco⁃
hydrological process; plant assimilation.
消落带,也称河岸带,常被译为 riparian belt、
hydro⁃fluctuation belt、water⁃level⁃fluctuating zone 等,
是江河、湖泊、水库等水体因季节性涨落使土地周期
性淹没和出露形成的干湿交替的水陆衔接地带[1],
具有独特的生态水文学过程、生物地球化学过程和
生物地理区系,是水陆生态系统间生物流、物质流、
能量流和信息流的交换场所,对进入消落带生态系
统氮、磷、沉积物等非点源截留和去除具有重要的现
实价值和潜在价值.国内外相关观测结果表明,消落
带生态系统可以显著地降低地表水和地下水中
NH4
+、NO3
-含量,是控制铵态氮 ( NH4
+ )、硝态氮
(NO3
-)等非点源氮素通过消落带缓冲区进入临近
水体的最后一道生态屏障[2-5] .但过量外源氮素输入
将引起流域水体一系列生态和环境问题[6-9],如何
有效地提高消落带生态系统对 NH4
+、NO3
-等非点
源污染物的截留和去除效果,降低地下水污染,遏制
地表水富营养化趋势,已成为当前水体环境特别是
二级水源保护的首要任务之一.
然而,目前有关消落带生态系统氮素截留去除
效果的观测结果差异非常大,不同流域消落带生态
系统氮素截留去除率有的高达 100%(如 North Caro⁃
lina[10]),有的低至 0% (如 Poland[11] ). Spruill[10]、
King[8]、Knies[9]、Weissteiner 等[6]先后对卡罗莱纳
州不同植被宽度消落带生态系统氮素截留去除效率
对比研究发现,即使同一流域消落带生态系统在不
同时间、不同研究人员取得的研究结果也不尽相同.
这主要归因于影响消落带生态系统氮素截留转化生
态因子较多,环境异质性较高,很难确定每个生态因
子的相对贡献率.单一实验室模拟和样带原始观测
数据积累对系统内氮素发生、转化及其去除过程解
释能力很有限,迫切需要将不同来源数据进行整合
分析.Mayer 等[12]、Zhang 等[13]先后就美国、加拿大
和欧洲等不同国家和地区消落带氮素截留去除效率
及相关生态因子进行多元分析,但仍没有得出明确
的结论.鉴于此,本文就消落带生态系统对氮素的截
留转化主要机理及其影响因子进行综合分析,凝练
出目前在消落带生态系统氮素截留转化研究过程中
存在的一些主要问题,提出了消落带生态系统氮素
截留转化研究潜在的几个突破点,以期为深入理解
消落带生态系统氮素截留去除规律提供新的思路,为
消落带生态系统可持续经营和管理提供科学依据.
1 消落带氮素截留转化主要机理
氮素存在-3~ +5多个价态,在生态系统内主要
以 NO3
-、NH4
+、颗粒氮和其他氮氧化物形式存在.这
些氮素在流经消落带生态系统过程中可以通过消落
带特定地形、地貌和植被组合对地表径流进行有效
拦截,使颗粒性氮素化合物沉积、溶解性氮素化合物
渗透、(集水区)淹水氮素化合物富集,进而被植物
和微生物吸收、储存、固持、转化、吸附,从而实现系
统氮素截留去除的效果.但 NO3
-、NH4
+等非点源性
氮素参与生物地球化学过程复杂多样,更与周围环
境因子存在多重复杂耦合作用(表1) .如溶解性有
表 1 消落带不同氮素主要存在形式及其转化机制
Table 1 Main forms of nitrogen and its transformation
mechanism in riparian zones
转化过程
Transformation process
氮素转化机制
Nitrogen transformation mechanism
挥发
Ammonia volatilization
NH4+(aq)→ NH3(g)
吸附
Adsorption
NH4+(aq)→NH4+(s)
氨化
Ammonification
Norg→NH4+(aq)
硝化
Nitrification
NH4+(aq) → NH2 ON(aq) → NO2-(aq) →
NO3-(aq)
NH4+(aq)→ NH2ON(aq)→ NO(g)
化学反硝化
Chemical denitrification
NO2-(aq)→NH4+(aq)→ N2(g)
生物反硝化
Biological denitrification
NO3-(aq)→ NO2-(aq)→NO(g)→
N2O(g)→ N2(g)
生物固氮
Nitrogen fixation
N2(g)→ NH4+ / Norg
同化吸收
Biomass assimilation
NH4+(aq)→ NO2-(aq)→ NO3-(aq)→Norg
厌氧氨氧化
Dissimilatory nitrate reduction
NO3-(aq)→NH4+(aq)
NO2-(aq)→NH4+(aq)
异化的硝酸盐还原
Anaerobic ammonium oxidation
NH4+(aq)+NO2-(aq)→N2H4(g)→ N2(g)
aq: 土壤溶液 Soil solution; g: 气体 Gas; NH4 +: 铵态氮 Ammonium;
NO3 -: 硝态氮 Nitrate; NO2 -:亚硝态氮 Nitrite; NO: 氧化氮 Nitric
oxide; N2O: 氧化亚氮 Nitrous oxide; N2: 氮气 Nitrogen gas; Norg: 有
机氮 Organic nitrogen.
479 应 用 生 态 学 报 27卷
有机氮不能有效地被植物吸收和利用,NH4
+具有较
强的吸附能力,极易达到饱和状态,而 NO3
-具有极
强的淋溶能力,容易从土体中流失[14] .但在不同消
落带生态系统内,二者在对土壤氮素截留去除的相
对贡献率存在较大的争议.
1 1 植物固持
植物吸收是消落带土壤氮素输出的一种主要形
式,尤其是处于植物快速生长阶段的轻度富营养化
消落带生态系统氮素截留去除的主要途径.植物根
系从地下水中吸收氮素,将其转化为各种氨基酸或
其他的含氮化合物,随植物的蒸腾拉力或采用主动
运输方式运输到植物地上部分,在非木质化生物量
部分短期积累、在木质化生物量部分长期积累、或直
接被运输到植物叶片被利用形成各种含氮有机化合
物或代谢产物[15],在植物有机体中长期滞留,或以
凋落、死亡及其他形式回到土壤[16],适时收割植物
地上部分可以去除生态系统内相当部分的氮素.综
述目前的观测结果表明,国内外关于植物对土壤氮
素固持能力的争议较大,其相对贡献率为 5% ~
78%[15-18],但大部分低于 20%,且多为模拟湿地试
验.其原因在于植物体内氮素积累量是由植物体生
物量决定的,随着植物生物量的收获,植被对氮素截
留和迁移效果增加.进一步的研究表明,为了保证消
落带生态系统相对稳定性,植物的收割( logging or
mowing)强度有限,而且只能在远离河岸的地方进
行.植物根系对 NO3
-、NH4
+的吸收和中长期储存改
变氮素在土壤⁃植被⁃大气中的相对存在位置[7],为
系统内不同形态氮素在不同时间尺度和空间尺度再
分配提供一种可能.消落带深厚枯枝落叶层和疏松
土壤结构可以显著延长 NO3
-、NH4
+在地表和地下径
流的水力驻留时间[10],为植被固持、土壤吸附、微生
物转化及其他生物地球化学过程创造了有利条件.
1 2 微生物硝化⁃反硝化作用
在消落带生态系统氮素循环和转化过程中,微
生物硝化⁃反硝化作用发挥着重要作用.消落带生态
系统含有大量的周期性淹水输入和高地径流输入的
不稳定有机化合物,地下水位较高,土壤水分常处于
饱和状态,更存在季节性淹水,极易形成好氧⁃兼氧⁃
厌氧交替的土壤微环境,有利于微生物特别是硝化
细菌和反硝化细菌的活动[19],形成了反硝化作用热
点时刻和热点区域(图 1) [20] .反硝化细菌在厌氧异
养条件下将氨化作用、硝化作用产生的 NO3
-或外
源输入的NO3
-通过一系列代谢中间产物( NO2
- 、
图 1 高地—消落带—溪流连续体水文学过程(改自 Vidon
等[33] ,2010)
Fig.1 Dominant flow path in the upland⁃riparian⁃stream system
(Revised from Vidon et al.[33] , 2010)
Ⅰ: 农业用地 Agricultural upland; Ⅱ: 消落带植被缓冲区 Vegetated
riparian area; Ⅲ: 河流 Stream; Ⅳ: 回水区 Levee;Ⅴ: 消落带湿地
Riparian wetland; Ⅵ: 森林坡地 Forested upland. 1) 地表径流 Over⁃
land flow; 2) 浅层径流 Subsurface flow; 3) 深层地下水 Deep ground⁃
water; 4) 基质流 Hyporheic flow; 5) 漫滩水流 Overbank flow; 6) 混
合流 Mixing flow; 7) 渗透流 Permeation flow; a) NO3 -运输热点区域
Hot spot of nitrate transport; b) 反硝化作用热点区域 Denitrification
hot spot.
NO-、NH3OH、NH2OH)还原为气态氮(NO、N2O、N2)
而使氮素永久损失的生物化学过程[21-22],是消落带
生态系统氮素截留去除的最佳途径[19, 22-25] .但影响
微生物特别是反硝化细菌群落结构和生物活性的生
态因子众多,外因主要有径流中 NO3
-浓度、O2含量、
pH、温度、有机碳的可利用性等[19,26-27],内因则主要
是微生物种群结构组成.外因和内因在不同背景条
件下具有很大的不确定性,使得通过单一的研究方
法、研究手段或样点研究测得的反硝化速率具有较
大的差异.对 NO3
-贡献率(去除效率)表现为 30% ~
100%[24-29] .
尽管目前植物固持和微生物硝化与反硝化被认
为是消落带生态系统 NO3
-、NH4
+截留去除的两种
主要途径,但整合已有观测结果发现,二者在不同背
景条件下对系统内氮素截留去除的相对贡献率差异
较大,这说明在消落带生态系统内,一些生物和非生
物因子可以通过直接和间接方式调节植物固持和微
生物硝化⁃反硝化过程,进而以一种非常复杂的网络
调控方式影响整个系统对氮素的截留去除效果.
2 影响消落带生态系统氮素截留去除的生态因子
2 1 消落带水文特征
消落带中的地表径流和浅层地下水通过水文学
过程将水体和邻近的高地联系起来,形成了系列水
分梯度和养分梯度,是决定消落带土壤及植被因子
5793期 杨 丹等: 消落带生态系统氮素截留转化的主要机制及影响因素
能否有效拦截氮素截留转化的关键[30-33],地下水位
的高低及其流动方向在一定程度上决定了 NO3
-、
NH4
+等非点源氮素在什么时刻、什么地方发生生物
化学转化过程(图 1). 整合研究发现,消落带地下水
位较高,富含氮素水流可以直接通过土壤浅层径流
流经消落带进入河流,不均匀分布的植被根系可以
短暂地截留大部分氮素化合物,在根际周围形成厌
氧-好氧-厌氧交替的微环境,有利于反硝化作用的
发生;当有浅层地下径流流经植物根际周围时,植物
种类越多,根系交错越复杂,微生物对土壤氮素网络
调控越强,根系对 NO3
-、NH4
+的利用强度越大[32] .
Kellogg等[34]发现,NO3
-的损失效率与其在地下水
的水力驻留时间呈正相关,驻留时间越长,NO3
-的
损失效率越高.地下水位季节性波动使消落带土壤
在地形、地貌和土壤结构等方面发生或多或少的变
化,形成了不同形态氮素在氮素截留和转化过程中
的时空异质性.如 Maître 等[35]研究表明,消落带在
处于落干过程中 NO3
-的截留去除效果高达 93%,而
在土壤过饱和阶段则下降至 50%.
2 2 消落带植被
植被演替与土壤氮素有效性已成为消落带生态
系统氮素截留转化的焦点.研究发现,植被组成、植
被盖度、种类多度影响着水流通过消落带的途径和
速度,调控着地下径流与植物根系及土壤颗粒的接
触程度,影响着氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌的
作用强度[8-9,15] .在氮素截留去除方面,消落带植被
区显著高于消落带裸露区[13,36],森林高于草地[13],
复合植被高于单一植被[13] .这是因为以森林为主的
消落带生态系统存在较密的根茎和根系分布、更久
的氮素滞留时间、更高的 NO3
-含量,在土壤透气性、
持水性、入渗性等方面显著地高于草本.不同的植被
区系对 NO3
-、NH4
+的需求和转运能力不同,其生长
速率也表现出一定的差异,但一般认为植物会优先
选择 NH4
+,以降低能量损耗.植物多样性和植被盖
度增加有助于土壤在长时期内维持较高的有机
质[37-38],增加了根际微生物代谢活动和代谢多样
性[13],为硝化和反硝化过程创造了有利的环境.
2 3 土壤微生物
土壤微生物是驱动土壤氮素循环重要的因子,
参与氨化作用、硝化作用、反硝化作用和生物固氮等
生物地球化学过程(表 1),是消落带氮素截留转化
的最关键因子.微生物群落大小、微生物酶活性,以
及微生物参与生物地球化学过程受制于其特定生境
中土壤质地、pH 值、Eh(氧化还原电位)、有机碳含
量、通气情况等[26-27,39],并在不同程度上调控着土
壤氮素的截留去除效率.研究发现,土壤微生物多样
性越高,地下资源整合效率越强,土壤氮素截留去除
效果越大.地下水位和氮素含量在不同土层周期性
波动,形成了土壤微生物在不同位点分布的不均匀
性和成层性.不同种群微生物生理生化作用过程的
多样性加强了微生物对不同形态氮素的协同利用强
度,形成了反硝化作用的热点时刻和热点位点[40],
使更多的外源性氮素在系统内不断地分解和转化,
最后以 N2形式永久性地损失.
2 4 消落带土壤基质
土壤的某些理化因子(如温度、湿度、溶氧量、
有效碳氮含量)可以直接或间接地影响植物生长状
况和土壤微生物硝化⁃反硝化作用,是控制消落带氮
素截留去除的主要生态因子.这是因为消落带土壤
可以通过自身的一些物理和化学性质(如过滤、吸
收、吸附、离子交换等)来实现对 NO3
-、NH4
+的截留
去除,但这种过程是快速可逆的,很容易达到平衡状
态[14,41];消落带土壤基质也为植物、微生物生长提
供载体,为 NO3
-、NH4
+等含氮化合物在其中的渗流
提供良好的水力条件,促进植物和微生物引导的一
系列物理的和生物地理化学的过程[32] .土壤有效碳
氮含量也在一定程度上决定着氮素截留去除效率.
如 Lowrance 等[16]研究发现,在可利用碳、氮较为缺
乏的消落带, 土壤反硝化的去氮速率为 1 4
kg·hm-2·a-1;而在碳、氮富集的消落带,土壤反硝
化的去氮速率为 31 kg·hm-2·a-1 .King[7]、Knies[8]
在研究中发现,土壤对 NO3
-、NH4
+截留转化主要集
中在土壤表层(0~10 cm),随着土层的加深,反硝化
作用呈直线下降.这可能与土壤表层较为丰富的浅
层地下径流和深厚的有机质有关.
整合分析导致消落带生态系统氮素截留去除的
差异因素,生态因子的非线性的网络调控发挥着重要
的作用,但单一研究方法的局限性、研究区位的尺度
效应和对消落带宽度认识的模糊也是不可忽略的.
3 研究消落带生态系统氮素截留转化过程中存在
主要问题
3 1 消落带生态系统氮素截留转化研究方法
氮气通量法、硝酸盐剩余法、乙炔抑制法、气压
过程分离技术等方法从不同侧面揭示了消落带植
被、土壤、微生物之间的相互关系,但由于单一研究
技术、研究手段和研究方法的局限性,大多数研究仅
针对消落带生物地球化学循环某一或某几个过程,
679 应 用 生 态 学 报 27卷
未能从根本上解决土壤氮素转化的测量定量问题.
从研究技术应用强度来看,乙炔抑制法所占相对比
例为 36%,同位素示踪法为 29%,N2产量直接测定
法为 20%,质量平衡法为 10%,而其他技术仅为
5%[42] .从研究技术应用范围来看,不同研究方法都
有其特定阈值,使测得的氮素截留去除效率差异较
大[43] .如乙炔抑制法中乙炔既可作为碳源参与生物
化学反应[44],也可能引起土壤微尺度原有气体组分
的改变[45] .吕海霞等[46]研究发现,乙炔对 NH4
+的抑
制作用随着 NO3
-含量的下降而逐渐减弱,反硝化反
应强度有可能被低估 30%~50%. 添加外源15N与土
壤原有14N之间存在生物交换作用[47],加之微生物
对土壤氮素的利用更趋向于 14N[48],使测得的氮素
截留去除效率显著偏低.在不同消落带生态系统,
NH4
+、NO3
-与周围环境因子的相互作用过程复杂,
硝化作用、反硝化作用中间产物和最终产物具有很
大的不确定性,单一的研究技术、研究手段很难真实
地模拟消落带的自然演替过程,建立一个准确的、直
接的、简单易行的、能够定量测定的野外原位试验,
适时的对环境变化做出响应成为大势所趋.研究发
现,Nielsen等[45]提出的15N 同位素示踪技术与气体
定量技术的联用能够从多层次、多角度对比研究氮
素在植物吸收、代谢、微生物固持、转化(硝化、反硝
化)、土壤吸附及其他生物化学过程中的组分及其
分量,结果精确稳定,不易造成二次污染.其可能是
精确定量研究消落带生态系统氮素截留转化规律的
最佳方法.
3 2 消落带生态系统氮素截留转化研究区位
国内外已有研究表明,消落带生态系统氮素截
留转化主要零散地集中在某些特定的样点和样带,
缺乏对流域尺度、景观尺度长时间的、系统的、连续
的监测,很难揭示消落带生态系统在演替过程中氮
素截留转化内在动态变化及影响机制.在流域尺度
上,消落带生态系统土壤水分含量高、土地肥沃、含
有大量的不稳定的有机物质,是农业生产的理想区
域[33] .但土地利用方式、人为干扰强度等严重影响
着系统对 NO3
-、NH4
+等非点源性氮素在消落带生
态系统的搬运及再分配过程.如以农田为背景的人
为强力干扰的消落带土壤中存在大量的 NO3
-和充
沛的下渗水流,NO3
-极易发生淋溶[14],进入临近水
体,影响河流的水质.在景观尺度上,消落带生态系
统周期性水位波动形成水流形式、土壤湿度、土壤有
机质等的周期性变化,形成了土壤氮素在流经高地、
集水区、水陆交接地的截留和转运过程中的热点时
刻和热点位点,为微生物作用特别是反硝化作用创
造了有利的条件.在样点尺度上,消落带生态系统土
壤有机质或腐殖质成块状分布,并伴有时间变化,如
靠近植被根系和有机碎屑处土壤碳、氮相对集中,容
易形成斑块,有利于微生物分解和转化,而远离植被
根际 NO3
-、NH4
+含量较高.在实验室模拟湿地试验
上,土壤氮素截留去除效果较好,试验周期较短,但
自然消落带生态系统生态和环境属性是不可控的,
是非线性的,单一的实验室模拟湿地试验很难真实
地反映自然消落带生态系统氮素截留转化的生物地
球化学过程.研究表明,国内外关于消落带氮素截留
去除研究多为短期的、静态的研究,未能从消落带生
态系统内在发展和演替角度对氮素截留转化进行深
入的揭示[49] .因此,利用文献收集、数学模型、地理
信息系统和遥感等数字手段,从基于样点的监测过
渡到整个流域或景观尺度对消落带的生态水文化
学、生物地球化学等过程进行系统的跟踪,找出不同
背景条件下影响消落带生态系统氮素截留转化的关
键因子,对控制流域甚至区域尺度氮污染具有重要
的生态学意义.
3 3 消落带生态系统氮素截留转化的最适植被
宽度
消落带植被宽度适宜与否是直接或间接影响氮
素截留转化的关键因子,但在不同背景条件下消落
带生态系统所得出的植被宽度及其氮素截留去除效
率差异较大(表 2). 消落带最有效的植被宽度应是
由不少于 30 m的本地植物、微生物区系组成的,且
应用于流域内的所有河流,包括最小的支流[10];在
植被组成方面,应至少包括 3个植被带:靠近流域森
林带、灌木带和草地带,其中森林带宽度是固定不变
的,不能低于 15 m[4];在不同流域要根据特定的水
文动态、土壤特性、植被类型、气候状况等生态和环
境属性对宽度大小进行修正[11,50] .韩壮行[42]在研究
中指出,20~30 m植被宽度可以有效地拦截高地坡
面水流,降低 NH4
+、NO3
-等含氮化合物向河流的输
入.Mayer等[12]对欧洲和美洲多个流域不同植被宽
度消落带截留去氮能力进行整合分析发现,30 m 宽
植被宽度可以截留去除 52%以上氮素(P<0 01),进
一步研究表明,10、20、35 m植被宽度可以分别去除
进入消落带生态系统 73%、88%、92%径流氮素.这
是因为植被宽度的增加直接或间接地拓宽土壤⁃植
被⁃大气连续体对不同形态氮的吸收、固持、转化和
吸附的时空范围[42],但过宽的植被缓冲区会降低消
落带生态系统的潜在价值,不能被当地土地拥有者
7793期 杨 丹等: 消落带生态系统氮素截留转化的主要机制及影响因素
表 2 不同研究人员、研究位置和不同宽度的消落带 NO3
-
截留去除效率
Table 2 Nitrate removal efficiency in various riparian
zones with different researchers, locations and buffer
widths
研究位置
Research location
消落带宽度
Riparian
width
(m)
NO3-去除效率
Removal
efficiency
(%)
文献
Reference
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Cache River, USA 6 56 [11]
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Petite Hermitage, France 25 95 [3]
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North Carolina, USA 100 100 [10]
Eramosa, Canada 220 98 [4]
Maskinonge, Canada 45 99 [4]
Ganatsekiagon, Canada 25 60 [4]
Speed River, Canada 66 97 [4]
Boyne River, Canada 204 94 [4]
North Carolina, Canada 46 82 [6]
中国淯江 Yujiang River, China 5 53 [56]
中国淯江 Yujiang River, China 10 79 [56]
中国淯江 Yujiang River, China 20 81 [56]
中国淯江 Yujiang River, China 30 83 [56]
中国淯江 Yujiang River, China 40 85 [56]
所接受,也不能被当地决策者所采纳.因此,结合文
献整合分析和长期野外实地监测观察研究,平衡消
落带复杂的人地矛盾,权衡消落带生态与环境和经
济需求,澄清植被宽度认识的模糊性,找出实现氮素
截留去除的最优化植被宽度,可能是消落带生态系
统氮素科学管理的重要工作.
4 结 语
消落带生态系统是陆生生态系统在水生生态系
统的延续,可以通过一系列物理、生物和化学过程对
土壤氮素进行中长期的截留和转化.受研究技术局
限性、研究区位尺度效应和植被宽度认识的模糊性
等影响,在不同流域背景条件下,很难在消落带水流
动态、植被状况、微生物属性和土壤基质等生态因子
中筛选出影响氮素循环的关键因子.今后研究可采用
统一公认的新技术(如15N同位素示踪技术与气体定
量技术)从不同时空尺度定量揭示NO3
-、NH4
+等非点
源氮素在生物地球化学过程中的演变、迁移和转化规
律,以实现消落带生态系统氮素截留转化最优化,为
消落带生态系统的科学管理提供理论基础.
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作者简介 杨 丹,男,1989 年生,硕士研究生.主要从事消
落带生态系统养分循环研究. E⁃mail: yd0856@ 163.com
责任编辑 肖 红
杨丹, 樊大勇, 谢宗强, 等. 消落带生态系统氮素截留转化的主要机制及影响因素. 应用生态学报, 2016, 27(3): 973-980
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