海鸟,作为陆地和海洋之间卓越的生态系统工程师,通过生物传输的方式,一方面为栖息地生态系统提供大量的氮和磷等营养物质,另一方面增加了栖息地附近海洋源重金属等污染的风险。迄今为止,全球有关海鸟生物传输作用的研究报道非常多,但大部分集中在宏观尺度上的调查,缺乏微观尺度上的机制解读。例如,很多研究表明海鸟带来的氮等营养元素对植物生长和群落结构造成显著影响,但并未从机理上深入剖析海鸟带来的氮元素如何影响植物对氮的利用。此外,海鸟粪中包含大量的磷元素,这可能会对周围湖泊等水生生态系统中的磷循环产生显著影响,目前大多数研究关注磷的总量而缺乏磷形态的研究。在海鸟的生物传输引起的重金属污染方面,先前大多数研究关注海鸟本身组织或鸟粪中重金属元素总量的高低,而忽略了对海鸟食物的重金属含量调查,以及重金属不同形态的分析。因此,本研究将聚焦以上问题,选择远离人类直接影响的偏远地区——南极和西沙群岛海鸟活动区作为主要研究区域,通过野外考察采集土壤、植物、鸟粪土沉积、现代海鸟粪、海鸟食物(飞鱼和鱿鱼)、湖水、湖泊沉积物等不同类型环境样品,并从鸟粪土剖面中获取了鸟粪颗粒、鱼骨、鱼鳞等生物残体,从古今结合和空间对比的角度出发,围绕海鸟的生物传输对栖息地氮、磷循环以及重金属污染的影响这一关键主题,在室内开展元素总量、形态以及稳定同位素分析工作,包括单一形态氮稳定同位素方法、化学连续提取法以及31P核磁共振技术的应用,利用多学科交叉的研究方法重点解析了南极和西沙地区海鸟的生物传输作用对其栖息地生态环境的影响。主要的发现点简述如下:1.海鸟的生物传输对南极陆地和水生生态系统氮循环的影响为了评估企鹅粪带来的氮在空间上的影响范围及其对植物氮利用策略的可能影响,本研究在东南极维多利亚地企鹅巢穴区内外采集土壤、苔藓、湖水、藻类(微生物席)及沉积物样品,室内进行总氮和无机氮(铵态氮、硝态氮)的含量及其氮同位素分析。通过综合对比分析,初步构建了企鹅活动区附近生态系统中氮的循环过程,明确了企鹅粪转运来的氮是其周围生态系统非常重要的氮源。企鹅粪的输入增加了土壤中的氮含量,特别是铵态氮含量,并使得企鹅巢穴区附近的土壤、苔藓、藻类呈现富集15N的特征。结合相关文献研究结果,认为企鹅粪在空间尺度上的影响范围较大,即使是远离企鹅巢穴区(>1 km)的土壤仍然受到了来自企鹅粪挥发氨的影响。此外,企鹅活动对苔藓的氮利用策略也有显著影响。无机氮同位素分析结果表明,在无鸟粪影响的情况下,苔藓可能倾向于利用无机氮,而溶解的有机氮则成为生长在鸟粪土周围苔藓的重要氮源。企鹅活动除了对陆地生态系统的氮循环产生显著影响之外,对其栖息地附近的水生生态系统也具有较大影响。例如,水生藻类的δ15N值随着相对于企鹅巢穴区的距离呈现梯度变化,靠近企鹅巢穴区的藻类δ15N值较正(10.4±1.7‰),远离企鹅巢穴区的藻类δ15N值较负(-11.7±1.0‰),而位于中间位置采样点的藻类δ15N值为-0.5‰。此外,企鹅活动区周围水样和湖泊沉积物的氮同位素值也具有相似的特征,表明陆地鸟粪土中的氮通过径流、下渗和反硝化作用等途径发生流失,引起附近湖泊水体及沉积物中的氮含量(特别是铵态氮)显著增加,且明显富集较重的氮同位素信号。为了开展企鹅的生物传输作用在东、西南极之间的对比研究,野外采集了西南极乔治王岛(菲尔德斯半岛、阿德雷岛、巴顿半岛)的苔藓及其下覆土、地衣及其下覆土以及湖水样品,室内对这些环境样品中的总氮、铵态氮、硝态氮含量及其氮同位素组成开展了分析。结果表明,相比于未受企鹅活动影响的样品,受企鹅活动影响的苔藓和地衣中氮含量、氮同位素值更高,并发现这些苔藓和地衣下覆土中铵态氮是主要的无机氮形态,这与东南极的研究结果相一致。氮同位素的分析结果表明,地衣的潜在氮源并非来自土壤,地衣主要吸收大气沉降的氮,这与苔藓的氮来源明显不同。此外,东、西南极受企鹅活动影响的湖水氮含量之间也存在较大差异,西南极阿德雷岛受企鹅粪影响的湖水样品中硝态氮含量高于铵态氮,而东南极难言岛的情况则相反,受企鹅粪影响的湖水中铵态氮含量高于硝态氮,这可能与两个地区水体中微生物、气候等环境因素显著不同有关,在未来还需进一步开展研究。2.西沙不同岛屿氮状况的空间分布特征为了阐明海鸟和人类活动对西沙土壤—植物系统氮循环的可能影响,对西沙典型岛屿如七连屿、东岛和永兴岛土壤、植物的氮含量及其氮同位素组成开展了对比分析。研究结果表明,不论是否受到海鸟活动的影响,西沙岛屿土壤中硝态氮的平均含量(12.33±12.88 mg/kg,n=12)显著高于铵态氮(3.02±2.86 mg/kg,n=12),这与南极土壤中铵态氮的平均含量高于硝态氮的结果显著不同。其原因一方面可能归因于西沙岛屿的气候、温度、土壤微生物等条件非常有利于硝化作用的发生,使得部分铵态氮转化成了硝态氮,另一方面也可能与西沙岛屿土壤中铵态氮遭受了大量流失而出现亏损有关。海鸟粪的输入增加了西沙岛屿土壤的氮含量,并造成土壤和植物叶片氮同位素值明显增加,这与南极的研究结果基本一致。对于受到人类活动影响较大的永兴岛,尽管在现代几乎很少有海鸟活动,但表层土壤中铵态氮含量及铵态氮同位素值非常高,且植物叶片的氮同位素值也非常高,这很可能与人类活动的影响有关。因此,随着人类活动在西沙岛屿的逐渐增强,人为输入的氮源对岛屿氮循环的影响应该引起重视。3.海鸟的生物传输对东南极湖泊磷循环的影响南极无冰区分布着大量的企鹅巢穴,而企鹅粪中富含丰富的磷等营养元素,这对周围的陆地和水生生态系统产生了重要影响。为了评估企鹅的生物传输对湖泊水生生态系统的影响,构建企鹅活动区磷的动力学循环过程,对东南极罗斯海难言岛企鹅活动区附近的四根湖泊沉积物中磷形态分布特征及其主要影响因素开展了深入研究。通过化学连续提取法以及液相31P核磁共振(31P-NMR)分析技术,测定了湖泊沉积物中的五种磷形态含量以及特定存在的有机磷(OP)化合物。结果表明,无机磷(IP)是四个湖泊沉积剖面中的主要磷形态,OP的比例相对较低。受鸟粪影响的沉积物中以Fe/Al-P为主,鸟粪输入显著增加了沉积物和水体中生物可利用的磷(BAP)含量。水生藻类(微生物席)的输入使得沉积物中OP含量显著增加,从而促使沉积物中磷的释放潜力增加。综合分析沉积剖面中磷形态分布与理化参数分析结果,发现有机质的来源是影响沉积剖面中磷含量和形态分布的主要因素。此外,沉积环境,如粒度、pH值和TOC含量也是影响沉积物中磷形态分布的重要因素。31P-NMR图谱分析结果表明,无机正磷酸盐是所有湖泊沉积物中磷存在的主要形态,而磷酸单酯是主要的OP形态,并且随着剖面深度的增加,检测到的磷酸单酯信号迅速减弱,这可能与沉积后的有机磷发生了矿化作用有关。4.西沙岛屿海鸟生物传输作用与重金属污染记录为了调查西沙海鸟生物传输作用带来的重金属污染的影响,本研究主要以西沙海鸟粪土层、鱼骨残体和现代鱼肉为主要环境样品,结合历史和现代过程,开展重金属污染分析工作。选取西沙南岛一个长达700年的鸟粪土沉积物(ND1)作为研究对象,并从中提取出了鱼骨这种生物残体,同时分析沉积物和鱼骨的Cu、Zn、Cd、Hg含量。结果表明,ND1沉积物中Cu、Zn、Cd、Hg的含量随时间的变化和鸟粪所占沉积物比例随时间的变化趋势相一致,且沉积物中Cu、Zn、Cd、Hg含量的峰值对应于海鸟数量较多的时期,即海鸟数量越多,传输重金属的量越多。对鱼骨样品利用傅里叶变换红外光谱技术分析其保存状况,结果表明1850年以前的鱼骨很可能因为沉积物中鸟粪的侵蚀而发生了成岩蚀变作用,不能用于重建岛屿重金属污染的历史记录,说明富含重金属元素的鸟粪对环境的影响不容忽视。而1850年以后的沉积物样品及其中保存较好的鱼骨样品的重金属含量均表明,自1850年以来西沙南岛受到的人为源重金属污染逐渐增强,特别是Zn污染较为明显。另外,从现代过程出发,重点分析了西沙海鸟的两种主要食物——飞鱼(Exocoetus volitans)和鱿鱼(Uroteuthis chinensis)的Hg 污染。结果表明,鱼肉组织中Hg含量和鱼的大小(体重和体长)及营养级之间表现出显著正相关关系,说明随着海鸟所捕食物个体大小的增加,以及食物所处营养级的增加,可能导致海鸟体内或海鸟粪中重金属含量增加,进一步通过海鸟的生物传输作用使得海鸟栖息地面临重金属污染的风险。5.南极鸟粪土中Cd相态的分布特征重点选取企鹅生物传输带来的典型重金属Cd作为目标元素,结合总量和不同相态的分析,对比分析了东南极鸟粪土和背景土壤中Cd含量的差异,与此同时,对难言岛企鹅活动区周围湖泊沉积物中Cd相态的分布特征进行了分析,初步解析了 Cd的环境地球化学过程。结果表明,企鹅粪的输入增加了土壤Cd含量,特别是铁锰氧化物结合态和有机束缚态Cd的含量,但最终Cd主要以残余态的形式长期保存在鸟粪土中。对难言岛湖泊沉积物不同Cd相态的分析发现,受鸟粪影响的沉积物中Cd残余态所占比例明显增加,表明Cd的迁移性随着鸟粪输入的增多而有可能受到抑制。值得注意的是,由于新鲜企鹅粪中的总Cd含量较高,且其中铁锰氧化物结合态和可交换态Cd的含量较高并易发生迁移,因此由海鸟的生物传输带来的Cd污染问题不容忽视。