第四章 湿地的生物地球化学循环

第4章湿地的生物地球化学循环生态系统中物质的迁移和转化过程称为生物地球化学循环，它包括许多相互联系的物理、化学和生物过程第一节湿地土壤（一）基本特征•湿地土壤既是湿地许多物质转化过程的媒介，同时又是大部分湿地植物可利用化学物质的主要贮存库，通常被称为水成土。

•通常湿地土壤分为:矿质土壤和有机土壤。

•当土壤中有机质(干重)含量小于20－35%时，可以认为它是矿质土壤壤（二）有机土壤有机土壤主要是由不同分解阶段的植物残体组成，由于静水或排水不畅导致的厌氧条件而造成累积。

有机物质的植物来源和土壤分解的程度是湿地有机土壤包括泥炭和腐殖土的两个重要的特征。

土壤有机物质的植物源可以是苔藓、草本植物、树木和落叶。

–如大部分北方泥炭湿地的土壤有机质来源于苔藓植物。

–海岸盐沼湿地的土壤有机质可以来源于芦苇属，米草属的草本植物。

–而有林湿地中，土壤有机质可以来源于木质碎屑或落叶。

湿地土壤的分解或腐殖化状态是有机泥炭的另一个重要特征。

在泥炭分解时，随着物质的进一步破碎化，土壤的容积密度增加，水力传导率下降，粗大纤维颗粒(>1.5mm)含量减少。

可溶于非极性溶剂的物质和木质素随着分解的进行而增加，而纤维素化合物和植物色索则下降。

有机土壤通常分成四类。

–腐殖土，分解的物质占2/3或更多，并且可被确定的植物纤维不到1/3。

–泥炭土，分解的物质不到1/3，并且可被确定的植物纤维超过2/3。

–腐殖泥炭土或泥炭腐殖土，介于腐殖土与泥炭土之间。

–薄层土，热带地区和北方高山地区积聚的过量水汽(降水量>蒸发蒸腾量）造成的有机土壤。

（3）矿质土壤矿质土壤在长期淹水条件下，通过铁、锰氧化物的还原、迁移和/或氧化会形成特有的氧化还原形态特征。

而其形成过程要受微生物作用的调节，其形成的速率取决于三个条件:–持续的厌氧条件。

–足够的土壤温度(5?被认为是“生物学零点”，低于这个温度，生物活动就会停滞或相当慢)。

–作为微生物活动基质的有机质。

许多半永久性或永久性淹水的水成性矿质土壤的一个重要特征就是黑色、灰色，有时呈绿色或蓝灰色土壤形成的潜育过程。

它是铁化学还原的结果。

（潜育土）当土壤没有被水完全浸透时，铁氧化物是使土壤变成它特有的红色、棕色、黄色和橘黄色的主要化学物质。

锰氧化物则使土壤变成黑色第二节湿地生态系统中的化学转化（一）氧和氧化还原电位湿地土壤，淹水后就会产生厌氧条件。

它通常与氧气的消耗过程相对应，在淹水开始后的几小时到几天开始出现。

缺氧会限制植物根系的呼吸作用，影响土壤中养分和有毒物质的可利用性氧化态离子如Fe3+，Mn4＋，NO3-和SO42-都可以在这一层发现。

而下层厌氧土壤则以Fe2+，Mn2＋，以及硫化物等还原性物质为主氧化还原电位通常被用于定量描述湿地土壤电化学还原程度。

氧化过程不仅在结合氧，而且在去除氢时也能发生通常它是化学物质失去电子而发生氧化作用（Fe2+?Fe3++e），还原过程则相反，它是释放氧，获得氢或电子的过程氧化还原电位可以定量的反映土壤中氧化或还原的趋势，氧化还原电位也可以直接采用各种电极进行测定随着浸透土壤中有机质的氧化(给出电子)，氧化还原电位也会逐渐降低。

有机质是最具还原性的物质。

当有末端电子受体如O2，NO3-，Mn4+，Fe3+或SO4可利用时，有机质就被氧化而分解。

当有氧气存在时，有机质分解速度最快，而当硝酸盐和硫酸盐等作为电子受体存在时，分解速度相对较慢。

（二）氮的转化•N是陆地、海洋和湿地生产力的一种限制性元素,在生物地球化学循环中起着重要的作用。

•湿地土壤中的N的转化涉及生物固氮、硝化、反硝化和有机N矿化等几个微生物过程。

•由于湿地厌氧状态的存在，湿地中微生物通过反硝化作用把硝酸盐转化成气态形式并释放到大气中•随着湿地土壤中氧的耗竭，硝酸盐就变成土壤中首要的终端电子受体之一。

•由于化肥产量的增加，已经使基于陆地的氮循环量增加了一倍多。

所以对于湿地作为氮接收“汇”的能力备受重视。

铵根离子（NH4+）有几种不同的转化路径•植物通过根系或微生物可以吸收铵根离子，并把它转化成为有机物。

•在碱性条件下(pH>8),出现水华的沼泽中，铵根离子通常被转化为NH3，并通过挥发散失到大气中。

•铵根离子也可以通过离子交换被固定在带负电荷的土壤颗粒上。

•转化为硝态氮。

由于湿地土壤的厌氧条件，除了在土壤表面的薄氧化层，铵的进一步氧化受到限制，并在土壤中大量累积。

还原层中高浓度的铵和氧化层中低浓度的铵之间形成的梯度会导致铵向上扩散到氧化层，尽管这一过程相当慢。

在氧化层中，氨可以被硝化细菌的硝化作用所氧化:硝化作用也可以发生在有充足氧气供应的氧化根周，将氨氮转化为硝态氮硝酸盐的主要转化途径–植物和微生物的吸收–与阴离子交换位点发生交换（量很少）–通过淋溶丧失–通过反硝化作用损失硝酸盐或亚硝酸盐还原成气态氮的过程。

NO3-还原的序列是。

NO3-?NO2-?NO?N2O?N2（三）铁和锰的转化在氧化还原电位低于硝酸盐还原电位时，发生锰和铁的还原，铁和锰在湿地中主要以还原态形式出现。

还原态的铁和锰更易溶解、更易被生物所吸收。

锰就氧化还原电位的范围而言，略先于铁被还原湿地中还原态的铁和锰的累积达到一定浓度就会有毒。

亚铁离子会扩散到植物根系的表面被根细胞释放的氧气所氧化，形成氧化铁覆盖在根表面，阻止根系对养分的吸收（四）硫的转化S是地壳中最丰富的元素之一,也是植物必需的营养元素,在植物细胞结构和生理生化功能中具有不可替代的作用,如参与蛋白质、氨基酸的合成、光合作用、呼吸作用等。

缺S会导致代谢紊乱、生长发育受阻乃至死亡,同时也是环境中的重要有害元素之一,酸沉降、温室效应乃至臭氧层耗损均与S污染有着直接或间接的关系。

湿地淹水条件的变化造成氧化—还原环境的交替,这种变化影响到湿地生态系统中S的存在形态,进而影响到S在整个湿地生态系统中的迁移转化。

根据氧化还原电位，含硫化合物是仅次于硝酸盐、铁和锰的终端电子受体。

大气S沉降:大气沉降是各种生态系统获得S的重要途径之一,包括干、湿沉降两种途径。

大气中的含S化合物主要为SO2和SO42-，其通量对土壤---植物生态系统S的循环有重要影响土壤中S的贮存:土壤含S量平均约为0.045%,黑土含S量最高,南方的旱地红壤最低。

湿地一般厌氧环境强,S主要以还原态无机S(FeS2、FeS,S)、有机S和硫酸盐存在?土壤中S的转化•硫酸盐的还原:在淹水和还原环境中,S以还原尤其以硫酸盐的氧化还原过程为主,这一反应中有某种使硫还原的专性厌氧微生物,如硫还原菌。

?硫化物的氧化:硫化物是湿地沉积物中缺氧环境下沉积物的特征,并且可能对植物和微生物有毒。

在Fe离子(Fe2+)浓度高的湿地土中,能与Fe结合形成不溶的FeS。

因而降低了游离...