三亞河紅樹(shù)林沉積物酶活性時(shí)空動(dòng)態(tài)研究

張 敏,趙牧秋,車志偉,史云峰

(1. 海南熱帶海洋學(xué)院 熱帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)學(xué)院,海南 三亞 572022；2. 國(guó)家海洋局 海口海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,海南 海口 570100)

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三亞河紅樹(shù)林沉積物酶活性時(shí)空動(dòng)態(tài)研究

張 敏1,趙牧秋1,車志偉2,史云峰1

(1. 海南熱帶海洋學(xué)院 熱帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)學(xué)院,海南 三亞 572022；2. 國(guó)家海洋局 海口海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,海南 海口 570100)

本文對(duì)三亞河紅樹(shù)林沉積物4種與C、N、P轉(zhuǎn)化密切相關(guān)的酶(蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶)活性的時(shí)空動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究.結(jié)果表明：沉積物酶活性隨季節(jié)總體呈現(xiàn)夏季較高、冬季較低的規(guī)律；隨取樣深度的增加,蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性呈降低趨勢(shì),過(guò)氧化氫酶活性則隨取樣深度的增加無(wú)顯著變化；蔗糖酶和酸性磷酸酶活性呈現(xiàn)林內(nèi)>林緣>光灘,而脲酶和過(guò)氧化氫酶活性則林內(nèi)最高,林緣與光灘差異不顯著；與上游和中游相比,下游河段沉積物酶活性總體較低,而上游和中游沉積物酶活性無(wú)顯著性差異.

紅樹(shù)林；沉積物；酶活性；時(shí)空動(dòng)態(tài)

0 引言

紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)是分布于亞熱帶和熱帶淤泥質(zhì)潮間帶,主要由具有耐鹽特性的常綠喬木和灌木構(gòu)成的生物多樣性豐富、生產(chǎn)力較高的海岸濕地生態(tài)系統(tǒng)[1].由于紅樹(shù)林通常分布于河口附近的細(xì)質(zhì)沖擊土上,故林內(nèi)動(dòng)植物資源非常豐富,且具有防浪護(hù)岸、維持沿海生物多樣性、提供物種棲息地等重要生態(tài)功能[2].近年來(lái),隨著城市化、工業(yè)化的加劇和旅游業(yè)的興盛,紅樹(shù)林分布區(qū)所受到的威脅越來(lái)越嚴(yán)重,紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)成為世界上最瀕危的生態(tài)系統(tǒng)之一[3].

基質(zhì)是影響植物群落生態(tài)分布并得以維持的重要因素[4].紅樹(shù)林內(nèi)的沉積物(或稱土壤基質(zhì))主要由黏土礦物、活性金屬氧化物和有機(jī)質(zhì)組成,由于這種沉積物顆粒具有較大的比表面積,因此比一般潮灘更容易吸附具有生物毒性的重金屬和有機(jī)污染物,這種特性使紅樹(shù)林潮灘成為各種水體污染物的源和匯[5].同時(shí),由于紅樹(shù)林地區(qū)沉積物處于海陸交匯的潮間帶敏感區(qū),其生態(tài)環(huán)境受海相和陸相的雙重影響,這也使該區(qū)沉積物性質(zhì)更為復(fù)雜多變[6].

存在于基質(zhì)(土壤或沉積物)內(nèi)的酶既是有機(jī)物轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者,又是污染物的分解者,其活性在一定程度上能夠反映生物代謝的強(qiáng)度[7].近年來(lái),有關(guān)沉積物理化性質(zhì)對(duì)不同紅樹(shù)植物分布和生長(zhǎng)發(fā)育的影響已有不少報(bào)道[8-9],而對(duì)紅樹(shù)林沉積物酶活性的研究卻甚少.本文對(duì)三亞河紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)內(nèi)沉積物酶活性進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究,這將有助于更全面認(rèn)識(shí)現(xiàn)存紅樹(shù)林的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,為海南紅樹(shù)林生境及沿岸海洋生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù).

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

三亞河紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)(約東經(jīng)109°30′,北緯18°13′)位于三亞河下游城市區(qū)東岸,呈窄條帶狀沿河分布,是我國(guó)現(xiàn)存熱帶特征最典型的紅樹(shù)林區(qū),其底質(zhì)沉積物主要為河口沖擊淤泥.三亞河下游河段屬于弱潮區(qū),主要受不規(guī)則全日潮影響[10].該區(qū)氣候季風(fēng)特征較明顯,冬季盛行東北風(fēng),夏季則以偏南風(fēng)為主；年平均溫度為25.5 ℃,平均日照2523.5 h,年均降水量為1280.6 mm.保護(hù)區(qū)內(nèi)分布的主要紅林植物種類為紅樹(shù)(Rhizophoraapiculata)、紅海欖(Rhizophorastylosa)、白骨壤(Avicenniamarina)、海漆(Excoecariaagallocha)、桐花樹(shù)(Aegicerascorniculatun)等[11].

1.2 取樣方法

沉積物酶活性隨季節(jié)的變化：在三亞河紅樹(shù)林分布帶中段紅樹(shù)林分布密集區(qū)內(nèi)定點(diǎn),分別于2015年春(3月15日)、夏(5月20日)、秋(9月16日)、冬(12月28日)四個(gè)季節(jié),采集表層沉積物.每個(gè)采樣點(diǎn)周圍100 m范圍內(nèi),應(yīng)用梅花采樣法采集7處沉積物組合為1個(gè)樣品,采樣時(shí)除去動(dòng)、植物殘?bào)w及礫石、磚塊等雜物.

沉積物酶活性隨深度的變化：在三亞河紅樹(shù)林分布帶中段林內(nèi)定點(diǎn),用內(nèi)徑5 cm的不銹鋼管分別鉆取0-10 cm、10-20 cm、20-40 cm、40-60 cm層次的沉積物,采樣方法同上.

沉積物酶活性隨灘位的變化：在三亞河紅樹(shù)林分布帶中段,分別采集林內(nèi)、林緣和光灘表層沉積物,采樣方法同上.

沉積物酶活性隨河段的變化：在三亞河紅樹(shù)林分布帶內(nèi),每隔300 m定點(diǎn)取樣,共設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn),沿水流方向區(qū)分為下游、中游和上游,采樣方法同上.

所有沉積物樣本均設(shè)3個(gè)重復(fù).新鮮樣品置于聚乙烯袋中帶回實(shí)驗(yàn)室,貯存于4℃冰箱中用于測(cè)定與C、N、P元素轉(zhuǎn)化密切相關(guān)的蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶活性.

1.3 檢測(cè)分析方法

蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定,以37℃條件下24 h生成葡萄糖的量表示,單位為mg/g；脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定,以37℃條件下24 h生成NH3-N的量表示,單位為mg/g；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定,以37℃條件下24 h生成酚的量表示,單位為mg/g；過(guò)氧化氫酶活性采用KMnO4滴定法測(cè)定,以培養(yǎng)2 h消耗的0.1 mol/L高錳酸鉀的量表示,單位為mL/g.

2 結(jié)果與分析

2.1 三亞河紅樹(shù)林沉積物酶活性隨季節(jié)的變化

不同季節(jié)(春季、夏季、秋季、冬季)三亞河紅樹(shù)林沉積物4種酶活性的動(dòng)態(tài)變化如圖1所示.研究結(jié)果

圖1 三亞河紅樹(shù)林沉積物酶活性隨季節(jié)的變化

注：圖中不同字母代表差異顯著(P<0.05)，下同.

表明,沉積物酶活性隨季節(jié)總體呈現(xiàn)夏季較高、冬季較低的規(guī)律.對(duì)于兩種水解酶類(脲酶和酸性磷酸酶),夏、秋兩季高于冬、春兩季,而對(duì)于蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶,則表現(xiàn)為春、夏兩季高于秋、冬兩季.之所以呈現(xiàn)出這種規(guī)律性變化,可能與不同季節(jié)氣候差異有關(guān)：夏季光照時(shí)間長(zhǎng)、氣溫高,對(duì)紅樹(shù)林內(nèi)植物生長(zhǎng)發(fā)育有利,植被根系代謝旺盛,沉積物內(nèi)酶促反映激烈,故酶活性也相對(duì)較高；冬季則恰好相反.這一研究結(jié)果與九龍江口秋茄(Kandeliacandel)林沉積物酶活性[12]及泉州灣河口紅樹(shù)林酶活性[13]隨季節(jié)的變化基本一致.

2.2 三亞河紅樹(shù)林沉積物酶活性隨取樣深度的變化

三亞河紅樹(shù)林沉積物蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶4種酶活性隨取樣深度的變化如圖2所示.由圖可知,隨取樣深度的增加,蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性總體呈降低趨勢(shì),且表層(0-10 cm)和次表層(10-20 cm)變化不顯著.過(guò)氧化氫酶活性則隨取樣深度的增加無(wú)顯著變化.上述研究結(jié)果與張銀龍和林鵬[14]對(duì)九龍河口秋茄林及白骨壤紅樹(shù)林沉積物酶活性的研究結(jié)果基本一致.紅樹(shù)林沉積物酶活性的垂直變化規(guī)律與不同深度的微生物數(shù)量、植被根系密度及活力、有機(jī)質(zhì)含量的分布有密切關(guān)系.通常沉積物表層可積累更多的上層凋落物,這為微生物的生長(zhǎng)和代謝提供了較好的物質(zhì)基礎(chǔ),故此酶活性相對(duì)較高.底層沉積物內(nèi)有機(jī)質(zhì)高度腐殖化、養(yǎng)分含量相對(duì)較低,加之高含水量和高鹽度等因素,限制了土壤生物的繁殖和活動(dòng),使得酶活性也有所降低[15].

圖2 三亞河紅樹(shù)林沉積物酶活性隨取樣深度的變化

2.3 三亞河紅樹(shù)林沉積物酶活性隨取樣灘位的變化

取樣灘位對(duì)4種與沉積物C、N、P轉(zhuǎn)化密切相關(guān)的酶活性的影響見(jiàn)圖3.由測(cè)定結(jié)果可知,沉積物蔗糖酶和酸性磷酸酶活性呈現(xiàn)林內(nèi)>林緣>光灘,而脲酶和過(guò)氧化氫酶活性則林內(nèi)最高,林緣與光灘差異不顯著.不同灘位紅樹(shù)林沉積物酶活性出現(xiàn)差異可能有兩個(gè)原因.其一,沉積物內(nèi)的微生物和植物根系分泌及枯枝落葉分解是酶的主要來(lái)源[16],林內(nèi)是紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)植物現(xiàn)存量最大的區(qū)域,是根系的密集分布區(qū),也是接受上層枯枝落葉最多的區(qū)域,通常微生物的數(shù)量和種類也比較豐富,因此比林緣和光灘擁有較高的酶活性.另外,不同灘位酶活性的差異可能還與其沉積動(dòng)力作用不同有關(guān)[17].林內(nèi)通常盤(pán)根錯(cuò)節(jié),對(duì)水流速度的緩沖作用較強(qiáng),使得細(xì)顆粒泥沙得以沉積[18]；通常細(xì)顆粒態(tài)物質(zhì)擁有更大的比表面積和吸附能力,使活性酶分子得以吸持并能夠更穩(wěn)定持久地存在于沉積物中[19].

圖3 三亞河紅樹(shù)林沉積物酶活性隨取樣灘位的變化

2.4 三亞河紅樹(shù)林沉積物酶活性隨取樣河段的變化

不同河段沉積物的酶活性如圖4所示.研究結(jié)果表明,與上游和中游比較,下游河段沉積物酶活性總體較低,而上游和中游沉積物酶活性無(wú)顯著性差異.由于三亞河紅樹(shù)林主要分布于東岸的狹長(zhǎng)區(qū)域,上、中游河段受潮汐影響較弱,而下游河段受潮汐影響則比較強(qiáng)烈.一方面,下游區(qū)域漲、退潮時(shí)的水流使得凋落物難于累積,微生物和酶活性的提升缺乏物質(zhì)基礎(chǔ);另一方面,潮水的周期性浸漬使下游沉積物含鹽量高于上、中游,而通常土壤酶活性與含鹽量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[15].

圖4 三亞河紅樹(shù)林沉積物酶活性隨取樣河段的變化

3 結(jié)論

紅樹(shù)林濕地沉積物有著獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境,其酶活性也具有明顯的時(shí)空分布規(guī)律.受不同氣候條件的影響,通常紅樹(shù)林沉積物酶活性隨季節(jié)變化呈現(xiàn)夏季較高、冬季較低的規(guī)律.隨取樣深度的增加,蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性呈降低趨勢(shì),過(guò)氧化氫酶活性則隨取樣深度的增加無(wú)顯著變化,這可能與不同深度沉積物中微生物數(shù)量、植被根系密度及活力、有機(jī)質(zhì)含量的分布有關(guān).由于植物分布密度和水動(dòng)力學(xué)的影響,林內(nèi)沉積物的酶活性高于林緣和光灘.下游河段由于受潮汐影響較大,沉積物酶活性總體低于上、中游河段.

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(編校：李由明)

Seasonal and Spatial Dynamics of Sediment Enzyme Activities under Sanya River Mangrove Forest

ZHANG Min1, ZHAO Mu-qiu1, CHE Zhi-wei2, SHI Yun-feng1

(1. School of Tropical Biology and Agronomy,Hainan Tropical Ocean University, Hainan, Sanya 572022, China;2. Haikou Marine Environmental Monitoring Station,State Oceanic Administration, Haikou 570100, China)

The seasonal and spatial dynamics of sediment enzyme activities under Sanya river mangrove forest were studied. Four enzymes were involved, namely, invertase, urease, acid phosphatase and catalase, which are closely related to C, N and P transformation. The results showed that sediment enzyme activities are high in summer but low in winter. The activities of invertase, urease and acid phosphatase are decreased with the increase of sampling depth, and the activity of catalase has no significant changes with the increase of sampling depth. The activities of acid phosphatase and invertase in forest center are the highest, followed by those of acid phosphatase and invertase at forest edge and in naked tidal flat. The activities of urease and catalase are the highest in forest center, while there is no significant discrepancy between those of urease and catalase at forest edge and in naked tidal flat. Compared with in upper and middle reaches, the sediment enzyme activity in lower reaches is relatively low, and there is no significant discrepancy between that in upper reaches and in middle reaches.

Mangrove forest; sediment; enzyme activity; seasonal and spatial dynamics

2016-01-29

海南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(20140137)；三亞市院地科技合作項(xiàng)目(2015YD04)；三亞市專項(xiàng)科研試制項(xiàng)目(2014CZ17)

史云峰(1981-),男,內(nèi)蒙赤峰人,海南熱帶海洋學(xué)院熱帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)學(xué)院教授,博士，研究方向?yàn)楹０稁鷳B(tài)保護(hù)和近海農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué).

S153

A

1008-6722(2016) 02-0086-06

10.1 3307/j.issn.1 008-6722.2 016.02.1 8