气候变化条件下全氟化合物对海岸带可持续发展的影响及管控策略

海岸带生态系统为人类提供了食物、水等丰富的物质以及文化、休闲等生态系统服务。但由于全氟化合物等污染物的排放和气候变化的影响,海岸带地区环境日益恶化、资源枯竭、极端气候灾害加剧。这些问题直接导致了海岸带水质下降、近海生物多样性减少、生物群落结构变化,海岸带生态系统可持续发展受到影响。全氟化合物在自然环境中难以降解,会沿食物链在生物体内累积和放大进而对人类健康造成风险。随着氟化工产业在我国的快速发展、新型全氟化合物的不断更替以及气候变化的加剧,全氟化合物对海岸带生态的影响面临着极大的不确定性。为了更好地服务海岸带生态系统的可持续发展,目前仍需要加快完善立法保障,在全国范围内对全氟化合物进行监测;将海洋与陆地作为一个有机整体,统筹陆地影响和海岸带管控,严格控制污染物的排放。     

海岸带城市生态承载力综合评价——以连云港市为例

海岸带是人类聚居和海洋资源开发利用的重点区域。海岸带城市综合生态承载力体现了海岸带生态系统对人类社会经济活动的承受能力,是判断海岸带城市生态系统健康程度和制定海岸带环境管理政策的重要依据。基于"压力(P)-状态(S)-响应(R)"概念模型,以连云港市为例,构建海岸带综合生态承载力评价指标体系,并对2005—2014年间连云港市的综合生态承载力进行评价。结果显示:连云港市海岸带综合生态承载力呈现逻辑斯蒂式波动上升趋势,2005—2007年处于超载状态,2008—2011年基本处于平衡状态,2012年后处于可载状态。对影响承载力的主要因素进行贡献度分析的结果表明:负向指标中,海岸带环境压力大于人口压力;正向指标中,海岸带经济发展水平及科技支撑条件的贡献呈上升趋势,海岸带可利用资源波动下降。结合相关分析和因子分析,得出海岸带环境压力、科技支撑条件及经济发展水平是制约综合承载力的关键因素。研究结果对海岸带地区环境管理及可持续发展政策制定具有重要意义。     

微生物参与海草床元素循环及其生态修复功能

海草是分布在全球海岸带的沉水被子植物,与周围环境共同形成的海草床生态系统是三大典型海洋生态系统之一,具有十分重要的生态功能。20世纪以来,全球海草床衰退严重,研究海草床的生态修复迫在眉睫,现有修复方法未能足够重视微生物在海草床中的重要作用。本文综合阐述了微生物在海草床生态系统有机物矿化和营养流动过程中起到的作用,分析了微生物驱动下的海草床水体与沉积物之间的元素循环,提出了人类活动引起海草床退化的原因,总结了海草床微生物的系统研究方法,并在此基础上提出从微生物生态的角度修复海草床的新思路。     

粤港澳大湾区海岸带生态系统保护和修复策略

粤港澳大湾区是我国海岸带高强度开发区域,面临着生态环境质量不高、生态系统受损严重的压力,开展海岸带生态系统保护修复是绿色湾区发展的必然需求。在分析大湾区海岸带基底、生态环境现状及问题的基础上,提出大湾区海岸带生态系统保护修复规划的策略,从以下5个方面构筑粤港澳大湾区海岸带生态系统保护修复规划的体系:一是从陆海污染统筹治理来恢复海域生物生存环境;二是从自然岸线保护、自然保护地体系重构与规范化建设、珍稀濒危物种栖息地保护来加强海岸带生态的保护;三是通过岸线生态修复、典型滨海湿地生态系统(红树林、珊瑚礁、海草床)修复、受损海岛生态修复来构筑生态安全屏障;四是从海堤生态化改造与建设、沿海防护林体系建设和海岸带综合防护工程建设来促进生态减灾协同增效;五是打造智慧海岸带管理服务平台来保障海洋命运共同体健康发展。本研究提出大湾区海岸带生态保护修复策略,期望为大湾区生态建设和环境保护提供参考。     

粤港澳大湾区海岸带生态系统修复框架

粤港澳大湾区是全球四大湾区之一,也是我国重要的战略发展区,具有极强的开放性、经济性、生态性、社会性、海洋性和系统性特征,具有重要的理论和实践研究价值。海岸带生态系统是粤港澳大湾区重要的生态系统类型之一。受快速城市化的影响,粤港澳大湾区海岸带生态系统存在诸多问题,这些问题已成为影响陆海生态安全的重要因素。海岸带生态系统修复是国土空间生态修复的重要组成部分之一。为加快促进粤港澳大湾区海岸带修复,在分析粤港澳大湾区海岸带主要类型与特征基础上,通过剖析其现状海岸带生态修复存在的主要问题,依托山水林田湖草海生命共同体和陆海统筹等系统理念,提出粤港澳大湾区海岸带生态系统修复框架设计思路。基于粤港澳大湾区海岸带生态系统受植被、湿地、水文地质、人类活动、经济发展水平、产业发展特征、香港和澳门特别行政区等影响因素,构建了粤港澳大湾区海岸带生态系统分区、分类、分级修复框架,形成了由珠三角核心区、粤港澳大湾区、珠三角滨海城市群、珠江流域构成的粤港澳大湾区"一核一区一群一流域"海岸带生态系统修复新格局。在此基础上提出了粤港澳大湾区海岸带生态系统修复"十条"。以流域作为生态修复治理的基本单元,将影响海岸带生态系统平衡的多种因素进行分类整理,从生态系统整体性和流域系统性出发,坚持水陆联动、陆海统筹,实施以水为核心的山水林田湖草海一体化修复,从而实现粤港澳大湾区海岸带生态系统修复新目标。通过优化湾区海岸带生态环境,维护湾区海岸带生态平衡,提高湾区海岸带生态安全格局,进而促进粤港澳大湾区的可持续发展和生态文明建设。     

粤港澳大湾区生态系统服务识别、分类及制图

海岸带生态系统服务识别、分类与制图是合理利用海岸带自然资源,协调海岸带开发与保护矛盾的重要基础。现有生态系统服务分类方法在海岸带应用存在一定的局限性。在前人研究的基础上,以我国城市化和工业化水平较高的粤港澳大湾区为研究区,对该区域海岸带生态系统服务进行识别、分类,并在此基础上使用地图大数据与遥感解译的土地利用数据对海岸带生态系统服务进行了制图。共识别出35种海岸带生态系统服务,并对其中的31种服务进行制图。结果表明,建立的这套方法能较为系统地展示粤港澳大湾区生态系统服务的类型及空间分布特征。具体而言,该区域供给服务和文化服务在城市中心区较为集中,而调节服务多分布于城市周边。对识别的生态系统服务进行综合叠加分析,可将研究区分为文化服务主体区、供给服务主体区、调节服务主体区。建立的海岸带生态系统服务识别、分类体系和制图方法可操作性强,能为我国海岸带生态系统的保育、修复和重建提供科学基础。     

粤港澳大湾区海岸带生态修复工程中的景感生态学应用分析

海岸带作为沿海地区的特有资源,不仅承担着生态保障、生产发展的功能,也是居民生活、休闲、娱乐的重要空间。景感生态学强调将人的物理感知、心理认知以及社会经济可持续发展理念融入到生态环境的规划、建设与管理中,对当前粤港澳大湾区海岸带生态修复工程具有指导意义。以粤港澳大湾区海岸带的18个生态受损点及修复工程为例,通过文献调研和实地踏查,开展其对居民的视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等物理感知,以及心理认知等景感内涵方面的作用,总结了海岸带景感营造的实现思路与方法。研究认为将景感生态学理论与方法应用于海岸带生态修复工程规划、设计和建设全过程,有助于细化生态修复各层级具体目标,全面提升生态系统服务和提高生态产品质量,提升周边居民的满意度和幸福感。     

碳储存变化背景下东营市海岸带生态系统保护修复

生态修复是指在不同人为干预程度下,协助已遭受退化、损伤或破坏的生态系统恢复的过程。我国海岸带地区资源丰富、位置优越,但过度的开发建设活动严重破坏了当地的生态环境,急需对受损的海岸带生态系统进行保护和修复。以东营市海岸带地区为例,运用InVEST模型对其2005、2010、2015和2018年4个时间段的碳储存功能进行评估并分析碳储存及"碳源碳汇"的动态变化,以间接反映出区域生态系统的稳定性和健康程度。结果表明,2005-2018年东营市海岸带碳储存功能持续减弱,13年间碳储存总量减少了1.341×10⁶ t,生态系统碳储存功能受到严重破坏,其中有8.68×10⁴ hm²生态系统碳储存功能评价等级为差和极差,空间上受损最为严重的区域主要分布在岸线附近的北部、东北部和东南部。按照东营市海岸带碳损失空间差异和生态系统演替规律,从3个方面提出相应的修复方案,包括加强恢复区保护力度、稳定碳储存能力,整顿辅助区粗放模式、塑造碳储存廊道和退还重建区滨海湿地、扭转碳损失趋势,以期通过改善和恢复研究区海岸带生态系统碳储存功能,实现对受损生态系统的有效保护和修复。     

土壤微生物生物量碳氮磷与土壤酶化学计量对气候变化的响应机制

微生物和土壤酶是陆地生态系统中生物地球化学循环的重要驱动力,深入理解微生物在生态系统中的调节作用以及气候变化过程中微生物量和土壤酶的响应机制是生态学领域关注的重要科学问题.本研究从气候因素角度出发,基于生态化学计量学理论,综述了微生物和土壤酶在陆地生态系统碳氮磷循环中的作用,以及土壤微生物生物量碳氮磷和土壤酶化学计量对气候变化的响应机制,即: 改变微生物代谢速率和酶活性;调整微生物群落结构;调整微生物生物量碳氮磷与土壤酶化学计量特征;改变碳氮磷养分元素利用效率.最后分析当前研究的不足,并提出了该领域亟待解决的科学问题: 综合阐明土壤微生物和土壤酶对气候变化的响应机制;探究土壤微生物和胞外酶养分耦合机理;深入探究土壤微生物量和土壤酶化学计量特征对气候变化的适应对策.     

基于土地利用变化和生态系统服务的海岸带生态安全综合评价——以胶州湾为例

以土地利用为主的陆域开发活动能改变近海环境质量,并影响和改变原有海岸带生态系统服务功能的供给模式,对海岸带生态安全产生一定的负面影响.目前在海岸带生态系统研究领域较多采用陆地生态系统研究模式,未能真正体现海岸带作为海陆结合的独立的环境体系的特点,并缺乏对陆域活动驱动与生态系统服务功能响应和生态安全实现之间复杂关系的科学解释.本研究基于海岸带生态系统服务的空间异质性和流动性特点,以“土地利用变化(LUCC)-生态系统服务(ES)-生态系统安全”为研究主线,构建海岸带生态安全评价模型,探讨以土地覆被变化为主的陆域活动对海岸带生态系统服务功能和区域生态安全的影响机理及其时空变异规律.从模型的评价结果上看,作为生态安全系统中主要压力表征的胶州湾陆域土地利用变化,与相应海域内的生态系统服务状况和生态安全状态呈现出一定的相关性和趋势性.随着环胶州湾地区城市化进程中大量用地流转为城乡建设用地,胶州湾中相应海域的生态系统服务状态下降,进而带来该海域生态安全状态恶化.本文所提出的基于压力-状态-响应(PSR)框架的海陆结合的生态安全评价模型,以探讨陆域活动对海岸带生态系统服务功能和区域生态安全的影响及其时空变异规律为目的,可以克服目前研究中只关注陆域部分而忽视陆域活动与海域部分之间的联系和相互影响的缺陷,对海岸带生态安全评价研究具有一定的改进作用.     

近岸海洋线虫与细菌、古菌的共现性及其对碳、氮循环的影响

【目的】初步探究海洋线虫与微生物的相互作用对碳、氮循环的影响。【方法】利用16S r RNA和18S r RNA基因高通量测序方法,对33个近岸沉积物样品中细菌、古菌和真核生物的多样性进行调查;对海洋线虫与细菌、海洋线虫与古菌的共现性进行网络分析,并采用Spearman统计学方法,识别出与海洋线虫共现性呈显著相关性的微生物种类。【结果】在夏季,红树林和潮间带泥滩样品中线虫OTU平均相对丰度基本呈随深度增加而递减趋势;冬季的红树林样品中发现相类似变化规律,只有在冬季潮间带泥滩样品中线虫OTU平均相对丰度在深层较高于表层。相对丰度最高的海洋线虫隶属于单宫目(47%)、色矛目(19%)、刺嘴目(16%)和垫刃目(9%),它们与热源体古菌、深古菌、γ-和δ-变形菌等微生物有显著正/负相关关系。【结论】在香港米埔湿地沉积物中,与相对丰度最高的5种线虫显著相关的几大类微生物均在碳、氮、硫等元素循环方面起十分重要的作用,暗示海洋线虫与微生物潜在的相互作用对元素地球化学循环具有重要影响。研究结果有助于深入了解线虫在生态系统中未被揭示的生态功能,有助于更清晰地认识海洋线虫在底栖生态系统中所扮演的角色。     

南极冰下水生态系统微生物与生源元素循环研究进展

南极大陆冰盖下存在液态水,形成了由冰下湖、冰下河/溪、冰封湖和冰架下水体等组成的冰下水生态系统,具有低温、黑暗和寡营养等极端的环境条件特征。微生物主导了南极冰下水生态系统,其具有丰富多样的种群构成、功能形式和独特的适应机制,在生源元素生物地球化学循环过程中起了重要作用。研究南极冰下微生物群落的生态特征及其参与的生源元素地球化学循环过程,可为揭示地球生命演化和探索外星生命提供指示,具有重要的科学意义。本文综述了南极冰下水生态系统的极端环境条件、冰下微生物的多样性、冰下微生物参与的生物地球化学循环以及冰下微生物的适极机理,最后基于研究现状展望了南极冰下微生物的未来研究方向。     

微生物对分解底物碳氮磷化学计量的响应和调节机制

微生物分解者的生存和生长策略、群落结构和功能会随着底物化学计量特征而改变, 从而强烈地影响底物的分解速度和元素的周转速率, 进而影响生态系统的功能过程。深入理解微生物生理代谢活动和群落结构与陆地生态系统过程之间的联系及其对全球变化的响应和反馈机理是生态学和全球变化生物学领域值得关注的重大科学命题。该文基于生态化学计量学理论和代谢理论, 首先介绍微生物在陆地生态系统碳氮磷循环中的作用; 然后综述微生物对分解底物化学计量变异性的响应和调节的4种主要机制: (1)调整微生物自身化学计量特征; (2)调整微生物群落结构; (3)产生特定的胞外酶以获取受限制的资源; (4)改变碳氮磷元素利用效率。最后, 通过分析当前研究不足, 提出该领域亟需关注的科学问题有: (1)综合阐明微生物对底物化学计量变化响应的各种机制及其相对重要性; (2)探索全球变化对微生物驱动的碳氮磷循环的影响; (3)探索微生物对底物化学计量变化适应对策的时空变化。     

Microbial Community Response to Seawater Amendment in Low-Salinity Tidal Sediments

Rising sea levels and excessive water withdrawals upstream are making previously freshwater coastal ecosystems saline. Plant and animal responses to variation in the freshwater–saline interface have been well studied in the coastal zone; however, microbial community structure and functional response to seawater intrusion remains relatively unexplored. Here, we used molecular approaches to evaluate the response of the prokaryotic community to controlled changes in porewater salinity levels in freshwater sediments from the Altamaha River, Georgia, USA. This work is a companion to a previously published study describing results from an experiment using laboratory flow-through sediment core bioreactors to document biogeochemical changes as porewater salinity was increased from 0 to 10 over 35 days. As reported in Weston et al. (Biogeochemistry, 77:375–408, 62), porewater chemistry was monitored, and cores were sacrificed at 0, 9, 15, and 35 days, at which time we completed terminal restriction fragment length polymorphism and 16S rRNA clone library analyses of sediment microbial communities. The biogeochemical study documented changes in mineralization pathways in response to artificial seawater additions, with a decline in methanogenesis, a transient increase in iron reduction, and finally a dominance of sulfate reduction. Here, we report that, despite these dramatic and significant changes in microbial activity at the biogeochemical level, no significant differences were found between microbial community composition of control vs. seawater-amended treatments for either Bacterial or Archaeal members. Further, taxa in the seawater-amended treatment community did not become more “marine-like” through time. Our experiment suggests that, as seawater intrudes into freshwater sediments, observed changes in metabolic activity and carbon mineralization on the time scale of weeks are driven more by shifts in gene expression and regulation than by changes in the composition of the microbial community.     

Responses and regulation mechanisms of microbial decomposers to substrate carbon,nitrogen, and phosphorus stoichiometry

The survival and growth strategies, community structure and functions of microbial decomposers vary with substrate stoichiometry, which profoundly influences substrate decomposition, turnover, and hence the carbon and nutrient cycles of terrestrial ecosystems. It is crucial to understand the relationships among microbial metabolism, community structure and ecosystem processes of terrestrial ecosystems and their responses and feedbacks to global changes. In this review, we first introduced the significance of microbial decomposers in the carbon, nitrogen, and phosphorus cycles of terrestrial ecosystems from perspectives of ecological stoichiometry and metabolic theories. Then we synthesized four potential mechanisms of microbial response and control on substrate stoichiometric variations, i.e., through (1) modifying microbial stoichiometry, (2) shifting microbial community structure, (3) producing extracellular enzymes to acquire limiting resources, and (4) changing microbial carbon, nitrogen, and phosphor use efficiencies. Finally, we proposed three research directions in this field: (1) to comprehensively explore various microbial mechanisms in response to changes in substrate stoichiometry and the relative importance of these mechanisms; (2) to examine influences of global changes on microbial-driven cycles of carbon, nitrogen, and phosphorus; and (3) to explore spatiotemporal changes in the strategies of microbial adaptation to changes in the substrate stoichiometry.     

互花米草入侵对滨海湿地生态系统的影响研究进展

滨海湿地受海、陆生态系统的交互影响,是典型的生态脆弱带和敏感区。互花米草是全球海岸带最为成功的外来入侵物种,对滨海湿地生态系统已经产生了重要的影响。本文对已有相关研究进行了系统梳理,揭示了互花米草入侵对滨海湿地生态系统生物地球化学循环(碳循环、氮循环、磷循环及土壤重金属迁移)和入侵地生物群落(微生物、植物和动物)的影响。并在此基础上对今后研究的重点提出了展望: 加强互花米草入侵对滨海湿地生态系统健康影响机制研究;重点关注全球变化背景下互花米草群落与湿地环境互馈耦合;开展长时序定位监测,厘清滨海湿地生态系统对互米草不同入侵阶段的响应差异,以期对互花米草的生态利用和治理提供指导。     

滨海湿地生态系统土壤微生物及其影响因素研究综述

土壤微生物是滨海湿地生态系统中不可或缺的关键组分,在土壤发育、物质循环和污染物净化等诸多土壤生态过程中发挥着重要作用,对滨海湿地生态系统的维持与健康具有重大影响。系统梳理了滨海湿地土壤微生物群落结构特征和多样性,综述了土壤理化性质、植被状况、水文因素、生物入侵、全球变化、湿地开垦、石油污染等因素对滨海湿地土壤微生物的影响。在此基础上,对今后的研究重点提出了4个方面的展望:(1)加强全球变化多因子交互作用下滨海湿地土壤微生物的响应机制;(2)强化滨海湿地土壤微生物与环境因子的互作机理;(3)深化滨海湿地水动力条件对土壤微生物的影响机制;(4)开展土壤微生物与滨海湿地生态系统物质循环综合研究。研究以期为滨海湿地生态系统的保护和修复提供参考。     

Phylogenetic and functional metagenomic profiling for assessing microbial biodiversity in environmental monitoring

Decisions guiding environmental management need to be based on a broad and comprehensive understanding of the biodiversity and functional capability within ecosystems. Microbes are of particular importance since they drive biogeochemical cycles, being both producers and decomposers. Their quick and direct responses to changes in environmental conditions modulate the ecosystem accordingly, thus providing a sensitive readout. Here we have used direct sequencing of total DNA from water samples to compare the microbial communities of two distinct coastal regions exposed to different anthropogenic pressures: the highly polluted Port of Genoa and the protected area of Montecristo Island in the Mediterranean Sea. Analysis of the metagenomes revealed significant differences in both microbial diversity and abundance between the two areas, reflecting their distinct ecological habitats and anthropogenic stress conditions. Our results indicate that the combination of next generation sequencing (NGS) technologies and bioinformatics tools presents a new approach to monitor the diversity and the ecological status of aquatic ecosystems. Integration of metagenomics into environmental monitoring campaigns should enable the impact of the anthropogenic pressure on microbial biodiversity in various ecosystems to be better assessed and also predicted.     

Characterizing man-made and natural modifications of microbial diversity and activity in coastal ecosystems

The impacts of growing coastal pollution and habitat alteration accompanying human encroachment are of great concern at the microbial level, where much of the ocean's primary production and biogeochemical cycling takes place. Coastal ecosystems are also under the influence of natural perturbations such as major storms and flooding. Distinguishing the impacts of natural and human stressors is essential for understanding environmentally-induced change in microbial diversity and function. The objective of this paper is to discuss the applications and merits of recently developed molecular, ecophysiological and analytical indicators and their utility in examining anthropogenic and climatic impacts on the structure and function of coastal microbial communities. The nitrogen-limited Neuse River Estuary and Pamlico Sound, North Carolina are used as examples of ecosystems experiencing both anthropogenic (i.e., accelerating eutrophication) and climatic stress (increasing frequencies of tropical storms and hurricanes). Additional examples are derived from a coastal monitoring site (LEO) on the Atlantic coast of New Jersey and Galveston Bay, on the Gulf of Mexico. In order to assess structure, function, and trophic state of these and other coastal ecosystems, molecular (DNA and RNA-based) characterizations of the microbial taxa involved in carbon, nitrogen and other nutrient transformations can be combined with diagnostic pigment-based indicators of primary producer groups. Application of these methods can reveal process-level microbial community responses to environmental variability over a range of scales. Experimental approaches combined with strategic monitoring utilizing these methods will facilitate: (a) understanding organismal and community responses to environmental change, and (b) synthesizing these responses in the context of ecosystem models that integrate physical, chemical and biotic variability with environmental controls. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.