基于流域水循环的微生物驱动氮素迁移转化机理研究 ——以青海湖流域为例

论文摘要

流域生态系统是一个复杂大系统,由流域水循环过程的各个子系统组成。在气候变化背景下,流域生态系统中水循环要素通量发生了深刻变化,影响了生态系统环境因子。微生物作为生态系统中唯一贯穿生产者、消费者和还原者,并与环境因子实现密切物质和能量交换的一类生物,是流域内环境元素循环的重要驱动力,也敏感地响应着气候变化。青海湖流域是青藏高原典型的高原咸水湖泊流域。位于中国西北干旱区、东部季风区和青藏高原的过渡带。流域生态系统脆弱敏感,生态重要性突出。近年来,青海湖流域呈现暖湿化趋势,流域生态系统中水循环通量及伴生的环境因子通量均发生变化。青海湖流域是一个贫磷湖泊,因此氮素迁移转化规律直接影响了流域营养程度。作为元素迁移转化的主要驱动因素,微生物群落结构和功能基因的分布格局与环境因子相互影响、相互作用,将会共同影响流域生态系统的发展方向。基于流域水循环的微生物驱动氮素迁移转化机理研究,是实现流域生态系统良性发展、保证流域生态功能正常发挥的微观基础。它还为流域生态系统保护和应对全球气候变化提供了科学依据、定量工具和解决方案。得到主要结论如下:（1）气候变化背景下,青海湖流域气象要素呈现暖湿化趋势,径流通量随之增加,伴生过程的无机环境因子也呈现多样变化。环青海湖地区气象站气温、降水年平均变化率和年变化率差异较大,具有较强的各向异性。流域气温和降水呈“暖湿”趋势。气温年际倾向率为0.356℃/10a,增温率从高到低依次为冬季>秋季>夏季>春季,冬季已经取代春季成为气温增幅最高的季节。2010年代增温最为显著,“暖冬”格局已形成。全年中,降水由高到低的增长速度为夏季>春季>冬季,而秋季呈下降趋势。汛期降水量占全年降水总量的94.2%,春夏两季贡献较大。径流随气温和降水量的增加而增加,也呈现出径流集中,占全年径流量的84.5%,其中7月份达到57.1 m3/s的趋势。2010年代增幅最大,夏秋两季贡献巨大;但春季呈下降趋势。水循环伴生过程中的无机环境因子的变化各异。通过对1975、2008和2016年的坡面土壤有机质含量监测结果表明,坡面土壤有机质含量逐渐下降,特别是高海拔地区的下降程度明显高于低海拔地区。青海湖流域湖泊和河流水体水质均优于地表Ⅱ类水环境质量标准,其中湖泊水体pH值和氨氮指标明显高于河流水体监测点,高锰酸盐指数略低于河流水体监测点,溶解氧则差异不大。在入湖河流中布哈河水质最优。（2）揭示了青海湖流域微生物群落的空间格局,从流域地质成因、地球物理化学生物作用等方面解析了分布格局一致性和差异性。系统梳理了青海湖流域的地质成因和六大沉积体系。通过原位观测实验,分析了青海湖入湖河流河口和湖泊水体中多元素空间特征,划分了四个组别,分别为主湖组、卫星湖组、入湖支流组和倒淌河组;并从流域地质成因和地球物理化学生物作用等方面解释了不同组别水体中元素来源的相似性和各异性。以布哈河流域为核心,从水循环产汇流过程的坡面、河流、湖泊三个环节,综合分析流域微生物群落的空间格局,结果表明变形杆菌（Proteobacteria）为青海湖流域陆域和水域的优势门类,假单胞菌属（Pseudomonas sp.）为优势种属。在陆域土壤中,河流下游低海拔地区的土壤Shannon-wiener多样性指数明显高于上游高海拔地区。河流水体中,微生物种类的相对丰度具有较强一致性,变形杆菌（Proteobacteria）和蓝藻（Cyanobacteria）是河流水体中最优势门类,黑马河比布哈河具有更丰富的细菌谱系。湖泊水体中变形杆菌（Proteobacteria）也是最重要的门类,相对丰度在40%以上。在咸水湖中,优势门类相对丰度具有较强一致性,依次均为α变形杆菌（α-Proteobacteria）、拟杆菌（Bacteroidetes）、蓝藻（Cyanobacteria）、疣微菌门（Verrucomicrobia）和放线细菌（Actinobacteria）,但丰度上略有差异;在淡水湖中,微生物的相对丰度差异很大。（3）依据水文循环机理筛选关键因子,基于分布式水文模型,阐释微生物群落与环境因子间的相互作用机理和对水文过程的响应规律。依据水文循环机理,筛选出坡面土壤有机质、河流断面融雪径流占断面径流比例、湖泊水体盐度为关键因子来表征流域水循环过程的影响,并和其它水环境因子一起与微生物门类进行相关分析。其中河流断面的融雪径流比例由构建的基于WEP模型的青海湖布哈河流域分布式水文模型提供,该模型能很好的描述该流域的水文循环过程。结果表明,在陆域坡面生态系统中,对比了节杆菌属、假单胞菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属、微杆菌属、冰川细菌属等微生物菌属,只有微杆菌属与土壤有机质含量呈现显著负相关,其他菌属均与土壤有机质含量没有显著相关性。在河流生态系统中,水环境因子中,pH、电导率、总氮、硝酸盐氮、溶解性有机碳等是影响微生物种类的主要因素;对微生物门类影响最显著的指标从高到低为海拔高度、融雪径流比例、电导率。其中海拔高度分别与蓝藻门呈现显著正相关,与变形杆菌门和Thermi呈现显著负相关。融雪径流比例与酸杆菌呈正相关,与拟杆菌呈负相关。电导率与厚壁菌呈正相关,与放线菌呈负相关。湖泊生态系统中,盐度、电导率、总氮、硝酸盐氮、氨氮和溶解性有机碳,这些指标均强烈影响着湖泊水体中的微生物。酸杆菌门、放线菌门、厚壁菌门和Thermi对这些指标呈显著相关,而拟杆菌门、蓝藻门、变形杆菌门、疣微菌门、无壁菌门却与水循环及水环境因子无显著相关。（4）对比分析了河流和湖泊生态系统中的六大过程基因对氮代谢的贡献率;构建基于分布式水文模型的微生物驱动氮素迁移转化模型,为未来青海湖布哈河流域氮素和微生物群落的演变趋势提供定量工具。识别了水体中微生物代谢的功能基因和相对丰度;聚焦氮素转化的六大过程,定量分析了河流和湖泊水体中氮素转化功能基因相对丰度的差异,确定对氮素转化的贡献。河流水体的代谢基因高于湖泊水体,河水中氮代谢基因的相对丰度由高到低依次为异化硝酸盐还原>同化硝酸盐还原>反硝化>固氮>硝化>厌氧氨氧化;湖水中氮代谢基因相对丰度从高到低的顺序与河水基本相同,依次为同化硝酸盐还原>异化硝酸盐还原>反硝化>固氮>硝化>厌氧氨氧化。构建了基于分布式水文模型的微生物驱动氮素迁移转化模型,采用水土流失方程和河道一维水质模型的耦合,重点针对识别出的氮代谢过程,采用莫诺方程和一级反应动力学方程的模式进行改进,定量描述了微生物与氮素转化的机理关系,为定量评估微生物对氮素迁移转化规律提供定量工具。

论文目录

• 内容摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题背景和意义
•   1.2 相关研究进展
•     1.2.1 典型水生境中微生物驱动地球元素循环的研究进展
•     1.2.2 分布式水文模型和水质模型耦合的研究进展
•     1.2.3 青海湖流域水循环及其伴生过程的特征和演变规律研究进展
•   1.3 相关研究中存在的不足
•   1.4 本文研究内容和技术路线
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 技术路线
•   1.5 研究区域概况
•     1.5.1 自然地理
•     1.5.2 河流水系
•     1.5.3 水文气象
•     1.5.4 水资源及开发利用现状
• 第二章 气候变化背景下青海湖流域水循环及相关过程要素的演变趋势分析
•   2.1 水循环要素演变规律分析
•     2.1.1 基本分析方法原理
•     2.1.2 基础数据及时段划分
•     2.1.3 温度演变规律分析
•     2.1.4 降水演变规律分析
•     2.1.5 径流要素演变规律分析
•   2.2 水循环伴生要素演变规律分析
•     2.2.1 坡面土壤有机质演变规律分析
•     2.2.2 水环境要素演变规律分析
•   2.3 本章小结
• 第三章 青海湖流域微生物群落的空间格局及各异性分析
•   3.1 青海湖流域地质成因及沉积体系划分
•     3.1.1 青海湖的形成过程
•     3.1.2 第四纪以来流域景观环境演变
•     3.1.3 青海湖区入湖河流沉积体系
•   3.2 湖区及入湖河口的多元素地球化学空间特征及归因分析
•     3.2.1 样品采集及前处理
•     3.2.2 基本地球化学特征
•     3.2.3 水体中多元素空间特征的归因分析
•   3.3 坡面土壤微生物群落空间分布特征
•     3.3.1 土壤微生物采样及实验室分析
•     3.3.2 布哈河现状土壤微生物群落分布特征
•   3.4 河流水体微生物群落空间分布特征
•     3.4.1 样品采集及前处理
•     3.4.2 河流水体的地球物理化学分析
•     3.4.3 微生物群落空间分布特征及差异
•   3.5 异质湖泊水体微生物群落空间分布特征
•     3.5.1 样品采集及前处理
•     3.5.2 湖区水体的地球物理化学分析
•     3.5.3 微生物群落空间分布特征及差异
•   3.6 本章小结
• 第四章 微生物群落与环境因子的相互作用机制和对水文过程的响应规律分析
•   4.1 构建布哈河流域分布式水文模型
•     4.1.1 分布式水文模型WEP概述
•     4.1.2 基础数据准备
•     4.1.3 模型空间单元划分
•     4.1.4 模型参数率定与验证
•   4.2 微生物群落和环境因子对水文过程的响应规律分析
•     4.2.1 坡面生态系统
•     4.2.2 河流生态系统
•     4.2.3 湖泊生态系统
•   4.3 本章小结
• 第五章 基于分布式水文模型的微生物驱动氮素迁移转化模拟研究
•   5.1 微生物功能基因对氮代谢的贡献分析
•     5.1.1 氮循环的过程
•     5.1.2 河流和湖泊功能基因特征分析
•   5.2 微生物驱动氮素迁移转化模型构建
•     5.2.1 总体思路
•     5.2.2 模型构建
•     5.2.3 模型率定与验证
•   5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 主要研究成果
•   6.2 主要创新点
•   6.3 不足和展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘扬

导师: 王浩,王建华

关键词: 流域水循环,微生物群落,氮素迁移转化,分布式水文模型

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 华东师范大学

分类号: X52;X172

总页数: 175

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