長(zhǎng)江口鹽沼土壤有機(jī)質(zhì)分布與礦化的空間差異①

陳慶強(qiáng) 楊 艷 周菊珍 張國(guó)森 崔 瑩

(華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200062)

長(zhǎng)江口鹽沼土壤有機(jī)質(zhì)分布與礦化的空間差異①

陳慶強(qiáng) 楊 艷 周菊珍 張國(guó)森 崔 瑩

(華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200062)

在長(zhǎng)江口崇明東灘兩類(lèi)植被(互花米草、土著植被)區(qū)域分別選擇一條縱向剖面,在高潮灘、中潮灘及光灘取得柱狀樣,利用顆粒有機(jī)碳(POC)含量、碳穩(wěn)定同位素組成、土壤C/N比與顆粒組成等資料,研究鹽沼有機(jī)質(zhì)的分布與礦化特征。結(jié)果表明,兩個(gè)縱向剖面的相同高程部位柱樣之間,顆粒有機(jī)碳δ13C與POC含量的深度特征均存在顯著差異;兩個(gè)柱樣的δ13C與POC含量的平均值均相差較大。互花米草對(duì)高潮灘柱樣有機(jī)質(zhì)的含量與組成均產(chǎn)生了明顯影響,對(duì)中潮灘柱樣有機(jī)質(zhì)組成已有一定影響;土著植被對(duì)高潮灘柱樣有機(jī)質(zhì)組成的影響顯著。鹽沼植被對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分布與礦化均產(chǎn)生了明顯影響。高潮灘柱樣礦化階段不同的有機(jī)質(zhì)組分混雜,中潮灘柱樣有機(jī)質(zhì)的組成相對(duì)簡(jiǎn)單,礦化程度較弱。柱樣粘粒含量與含水量在垂向上變化頻繁,鹽沼原始沉積層序?qū)χ鶚拥奈镔|(zhì)分布特征具有本底制約。不同高程部位柱樣之間,有機(jī)質(zhì)的深度分布特征以及礦化程度差異顯著,鹽沼碳動(dòng)態(tài)受到潮灘特征性動(dòng)力沉積過(guò)程的顯著影響。

鹽沼 碳穩(wěn)定同位素 碳礦化 長(zhǎng)江

在全球碳循環(huán)研究中,海岸鹽沼(Tidal Salt Marshes)因面積所限,尚未引起廣泛關(guān)注。海岸鹽沼分布于全球中、高緯潮間帶海岸,除具備濕地的一般性質(zhì)以外,因受到潮汐的影響,又有其自身特征[1]。海岸鹽沼為全球最高產(chǎn)的生態(tài)系統(tǒng),這些地方水體PCO2異常高[2],通過(guò)地下蓄水層輸入到濱海水域的CO2可能是濱淺海及大氣的一個(gè)重要碳源[3]。因此,科學(xué)評(píng)估海岸鹽沼的碳源與匯潛力,對(duì)于重新評(píng)估陸地與海洋之間的碳交換以及全球碳循環(huán)研究均具有重要意義。這需要系統(tǒng)研究鹽沼土壤碳循環(huán)的過(guò)程與機(jī)制,而碳礦化是土壤碳循環(huán)研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。因此,開(kāi)展鹽沼土壤碳礦化及其影響因素的研究顯得尤為迫切。

近年來(lái),關(guān)于海岸鹽沼碳動(dòng)態(tài)的研究逐漸引起科學(xué)家關(guān)注[4～6]。我國(guó)淤泥質(zhì)海岸分布較廣,大陸沿岸約有4 000多千米,濱海濕地南北均有分布,灘涂和鹽沼地約有2.1 X106ha[7]。系統(tǒng)開(kāi)展我國(guó)海岸鹽沼濕地碳循環(huán)研究,查明鹽沼土壤碳的動(dòng)態(tài),取得若干定量結(jié)果,對(duì)于科學(xué)評(píng)估海岸鹽沼在陸地與近海海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的作用具有重要科學(xué)意義。迄今,對(duì)于長(zhǎng)江口[8,9]、江蘇沿岸[10,11]與福建沿岸[12]鹽沼濕地碳動(dòng)態(tài)的初步研究表明,我國(guó)海岸鹽沼碳循環(huán)具有明顯的地域特色。因此,系統(tǒng)開(kāi)展我國(guó)不同氣候帶鹽沼碳循環(huán)研究是十分必要的。

本文選擇長(zhǎng)江口崇明東灘鹽沼不同植被區(qū)域的研究剖面,根據(jù)土壤有機(jī)碳含量、碳穩(wěn)定同位素組成、C/N比以及土壤顆粒組成等資料,研究鹽沼有機(jī)質(zhì)分布與礦化特征的空間差異,探討鹽沼有機(jī)質(zhì)礦化的時(shí)空局限,揭示鹽沼碳的分布與動(dòng)態(tài)的復(fù)雜性,為深入開(kāi)展海岸鹽沼碳循環(huán)研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

崇明東灘是目前長(zhǎng)江口規(guī)模最大、地貌單元最完善、受人為干擾最弱的潮汐灘涂濕地。長(zhǎng)江徑流攜帶的巨量泥沙為崇明東灘的淤積前展提供了充足物源,目前灘地仍高速(200～300 m.a-1)向海淤漲推進(jìn),0 m線以上面積達(dá)222 km2[13]。崇明東灘濕地已被列為國(guó)際重要濕地(No。1144),是國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),原始生境保護(hù)較好。本區(qū)地處北亞熱帶南緣,受東亞季風(fēng)影響顯著。年平均氣溫為 15.0～ 15.8℃,年均降雨量為900～1 050 mm,降水多集中在5～9月,降水量約占全年的60%～70%[14]。

崇明東灘處于長(zhǎng)江口咸、淡水交匯地帶,平均鹽度為0.21‰ ～5‰,受到非正規(guī)半日淺海潮的明顯影響,多年平均潮差為2.40～3.20 m[15]。崇明東灘灘面寬緩,潮流流速較低,而風(fēng)浪作用顯著,多年平均波高為0.9 m,最大波高可達(dá)6.2 m[16]。臺(tái)風(fēng)暴雨主要出現(xiàn)在夏、秋季節(jié),每年平均1～2次[16]。灘地植被主要集中在高潮灘至中潮灘下部[16],灘面沖刷主要發(fā)生在光灘及中潮灘下部外緣,而植被發(fā)育地帶的淤積過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定[17]。長(zhǎng)江口淤泥質(zhì)潮灘的百年尺度沉積速率可達(dá)4.2 cm.a-1[18],明顯高于世界其他地區(qū)的海岸鹽沼濕地。崇明東灘具有高的垂向沉積速率,是全球海岸帶最具活力的物質(zhì)匯聚與循環(huán)的場(chǎng)所之一。

崇明東灘鹽沼植被主要為多年生草本植物,包括:蘆葦 (Phraqmites australis)、藨草 (Scirpus triqueter)、海三棱藨草(Scirpusmariqueter)、糙葉苔草(Carex scabrifolia)[16]。蘆葦主要分布在高潮灘上部與海塘之間,多為人工種植,高1～3 m,地下根莖發(fā)達(dá);糙葉苔草通常與蘆葦鑲嵌分布。藨草廣泛分布于高潮灘和中潮灘,是崇明東灘最重要的自然植被,高度一般為25～40 cm,地下根系十分發(fā)達(dá),主要分布于灘面以下10～20 cm,甚至可達(dá)30 cm以下,固灘作用顯著。海三棱藨草亦為崇明東灘先鋒植被,多分布于鹽度較大的地帶,如中潮灘的中上部。在海三棱藨草分布地帶外側(cè)與光灘內(nèi)側(cè)有藻類(lèi)出現(xiàn),主要為硅藻[19]。在崇明東灘東北部,于1995年首次發(fā)現(xiàn)外來(lái)的互花米草(Spartina alterniflora)[20]。該植物擴(kuò)散迅速,目前已侵占了當(dāng)?shù)靥J葦和海三棱藨草的生長(zhǎng)空間,成為崇明東灘東北部的優(yōu)勢(shì)植被。

2 樣品與方法

2.1 樣品采集

在崇明東灘東北部的互花米草集中區(qū)(縱向剖面一),以及中南部的土著植被區(qū)(縱向剖面二)分別選擇一個(gè)縱向剖面。在縱向剖面的典型高程部位(高潮灘上部、中潮灘下部、光灘)分別采集柱狀樣品,采樣日期、地點(diǎn)以及柱樣信息見(jiàn)表1。

野外現(xiàn)場(chǎng)用內(nèi)徑11 cm的PVC管采樣。采樣管在室內(nèi)先用自來(lái)水洗凈,之后用去離子水沖洗數(shù)次,風(fēng)干,將兩端用封箱膠帶密封,備用。退潮后,作業(yè)人員攜帶器材進(jìn)入灘地,實(shí)施取樣作業(yè)。用10 kg重錘將PVC管緩慢打入灘地土壤中,直至管口與灘面平齊。之后,將PVC管取出,立即將PVC管兩端用密實(shí)袋封堵,用封箱膠帶將密實(shí)袋固定,密封PVC管口。將柱樣立即帶回駐地,置于冰柜保存。將儲(chǔ)樣冰柜盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室,將柱樣沿深度方向剖分為二,記錄柱樣剖開(kāi)面的沉積特征,拍照,之后按照1 cm深度間隔連續(xù)采集樣品,置于自封袋低溫(0～ 4℃)保存,并盡快開(kāi)展各項(xiàng)分析。

2.2 含水量

將40 g左右的濕樣置于50 ml燒杯,用電子天平稱(chēng)取樣品質(zhì)量(M1)。之后,將土樣置于恒溫干燥箱40℃下烘48 h,樣品在干燥器中冷至室溫。用電子天平稱(chēng)取干樣質(zhì)量(M2)。樣品含水量(%)計(jì)算式為: ((M1-M2)/M1)X100%。

2.3 總氮(TN)、總碳(TC)含量

將烘干的土樣用瑪瑙研缽研細(xì)(<200目),在研樣過(guò)程中,盡可能挑出肉眼可見(jiàn)的植物根與其他植物碎屑。之后包樣、稱(chēng)重,利用Vario EL元素分析儀測(cè)試。分析精度:TN為±8%,TC為±2%。

2.4 碳穩(wěn)定同位素(δ13 C)分析

將已研細(xì)(<200目)的土樣用6 M鹽酸(分析純)酸化,去除其中無(wú)機(jī)碳,用蒸餾水洗至中性,置于恒溫干燥箱40℃下烘48 h。將樣品放在干燥器中冷至室溫,稱(chēng)重,取得樣品酸化前后的質(zhì)量變化。包樣,上機(jī)測(cè)試。利用Delta plus XP Finnigan MAT 252型穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀進(jìn)行碳穩(wěn)定同位素測(cè)定,同位素豐度為:

表1 取樣地點(diǎn)的位置與地表植被Table1 Sampling location and surficial vegetation

標(biāo)準(zhǔn)樣品采用PDB國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)(Pee Dee Belelmnite標(biāo)準(zhǔn)),δ13C分析精度為±0.1‰。根據(jù)質(zhì)量數(shù)(m/z)為44的離子峰(CO2)的強(qiáng)度確定樣品的顆粒有機(jī)碳(POC)含量,分析精度不低于±2%。根據(jù)樣品酸化前后的質(zhì)量變化,將酸化樣品POC含量換算成酸化前全樣的POC含量,計(jì)算全樣的C/N比。土樣中溶解有機(jī)碳的含量很低,可忽略不計(jì),本文以土樣POC含量代表有機(jī)碳含量。

2.5 粒度分析

將2 g左右干樣置于50 m l小燒杯,加入15 ml蒸餾水,攪拌,之后緩緩加入5 ml 30%H2O2,靜置過(guò)夜,去除有機(jī)質(zhì)。將濁液移入50 m l具塞離心管,加入5 ml分散劑(3.3%六偏磷酸鈉溶液)。水平振蕩離心管30 min,或超聲振蕩,使顆粒充分分散。之后,利用Coulter LS-100Q型激光粒度儀分析土壤樣品顆粒組成。

3 結(jié)果

3.1 顆粒有機(jī)碳含量

長(zhǎng)江口崇明東灘不同縱向剖面相同高程的柱樣, POC含量的深度特征差異顯著.T-08-1與DT-01-2均為高潮灘柱樣,在相同深度范圍內(nèi)(0～100 cm), POC含量的深度分布特征迥異(圖1).T-08-2與DT-02-1均為中潮灘柱樣,其POC含量的深度特征亦不一致.T-01-2柱的POC含量平均值為0.8%,而DT-08-1柱的為0.47%;DT-02-1柱的POC含量平均值為0.38%,明顯高于DT-08-2柱(0.11%)?？傮w上,縱向剖面一上的兩個(gè)柱樣(DT-01-2,DT-02-1)的POC含量平均值分別比縱向剖面二上的兩個(gè)柱樣(DT-08-1,DT-08-2)的POC含量平均值高,表明鹽沼土壤POC含量存在明顯的區(qū)域差異。

在同一縱向剖面上,高潮灘柱樣POC含量明顯高于中潮灘(圖1)。單一柱樣的POC含量在垂向上變化頻繁,這與潮灘地層層序中不同沉積紋層的頻繁出現(xiàn)是一致的。

3.2 顆粒有機(jī)碳δ13 C值

長(zhǎng)江口崇明東灘植被類(lèi)型不同的兩個(gè)縱向剖面,相同高程類(lèi)型柱樣的顆粒有機(jī)碳δ13C值的深度特征明顯不同,柱樣δ13C的平均值亦不一致(圖2)。高潮灘柱樣δ13C值的深度變化型式總體比中潮灘的復(fù)雜。高潮灘柱樣,DT-08-1柱的 δ13C平均值為-24.52‰,而DT-01-2柱的為-19.73‰。中潮灘柱樣,DT-08-2柱的δ13C平均值為-22.06‰,DT-02-1柱的為-22.92‰。同一縱向剖面,高潮灘柱樣與中潮灘柱樣的δ13C平均值對(duì)比,DT-08-1柱的低于DT-08-2柱,而DT-01-2柱的明顯高于DT-02-1柱。這說(shuō)明不同縱向剖面上,由高潮灘向中潮灘有機(jī)質(zhì)組成的變化趨勢(shì)并不一致,反映了鹽沼有機(jī)質(zhì)組成的區(qū)域性差異。

崇明東灘不同高程部位柱樣POC的δ13C值深度特征以及δ13C平均值的對(duì)比結(jié)果表明,鹽沼有機(jī)質(zhì)的組成、分布與礦化程度均可能存在明顯的空間差異。

3.3 土壤C/N比

圖1 長(zhǎng)江口崇明東灘柱樣顆粒有機(jī)碳的深度分布Fig.1 Distribution of particulate organic carbon with depth at siteswith different altitudes in the Chongmingdongtan saltmarsh of the Yangtze Estuary

長(zhǎng)江口崇明東灘同一縱向剖面,不同高程部位的兩個(gè)柱樣的C/N摩爾比的深度特征迥異,量值范圍也不相同(圖3)。高潮灘柱樣DT-08-1的C/N比平均值為11.04,而中潮灘柱樣DT-08-2的為8.38?？傮w上,柱樣DT-08-1的C/N比自上向下由小逐漸增大,再向下又逐漸變小;盡管相鄰樣品的C/N比大小變化頻繁,柱樣C/N比平滑線在垂向上總體呈弧線型。柱樣DT-08-2的C/N比,自上向下總體呈一致性降低的趨勢(shì)。

圖2 長(zhǎng)江口崇明東灘柱樣顆粒有機(jī)碳δ13 C值的深度變化Fig.2 Variation ofδ13 C of particulate organic carbon with depth at siteswith different altitudes in the Chongmingdongtan saltmarsh of the Yangtze Estuary

圖3 長(zhǎng)江口崇明東灘柱樣C/N摩爾比的深度變化特征Fig.3 Variation ofmolar ratio of C/N with depth for cores at different altitudes in the Chongmingdongtan salt marsh of the Yangtze Estuary

樣品C/N比可用于海、陸源有機(jī)質(zhì)的區(qū)分,通常取陸源、海相有機(jī)質(zhì)的C/N比分別為>12和6～ 9[21]。高潮灘柱樣DT-08-1的C/N比的深度特征(圖3)表明,海源有機(jī)質(zhì)只是在個(gè)別深度出現(xiàn),陸源有機(jī)質(zhì)占較高比例。由于高潮灘的植被繁盛,當(dāng)?shù)刂脖粚?duì)土壤有機(jī)質(zhì)的顯著貢獻(xiàn)導(dǎo)致大部分樣品的C/N比介于9～12之間(圖3),指示陸源與當(dāng)?shù)刂脖挥袡C(jī)質(zhì)組分的混合。中潮灘柱樣DT-08-2的下部,C/N比多小于9(圖3),說(shuō)明海源有機(jī)質(zhì)占主導(dǎo)地位;向上,C/N比逐漸增大,表明陸源與土著植被的有機(jī)質(zhì)成分增多。

不同高程部位柱樣的C/N比深度特征對(duì)比明顯,同一柱樣不同深度樣品的C/N比變化頻繁。這些差異很可能是不同高程部位、不同深度樣品的有機(jī)質(zhì)組成與礦化程度存在差異造成的。

3.4 粒度與含水量

長(zhǎng)江口崇明東灘植被類(lèi)型不同的兩個(gè)縱向剖面,從高潮灘向光灘,粘粒含量均呈現(xiàn)由高到低的變化趨勢(shì)(圖4)。由于潮灘沉積動(dòng)力環(huán)境的區(qū)域差異,不同縱向剖面相同高程類(lèi)型的柱樣之間,粘粒含量的深度變化特征以及粘粒含量的平均值均明顯不同。不同縱向剖面,由高潮灘向光灘,粘粒含量的深度變化特征均呈現(xiàn)由復(fù)雜到簡(jiǎn)單的總體趨勢(shì)(圖4),這與潮灘不同高程部位沉積動(dòng)力環(huán)境變化以及沉積紋層的發(fā)育程度是一致的。

圖4 長(zhǎng)江口崇明東灘柱樣粘粒含量與含水量的深度變化特征Fig.4 Variations of clay(<0.002 mm)content and water contentwith depth for cores at different altitudes in the Chongmingdongtan saltmarsh of the Yangtze Estuary

在不同縱向剖面上,光灘柱樣的含水量最高,中潮灘柱樣次之,高潮灘柱樣的含水量最低,但與中潮灘的接近(圖4)。這與三類(lèi)高程部位受潮水淹沒(méi)的時(shí)間長(zhǎng)短是一致的。在同一縱向剖面上,由高潮灘向光灘,柱樣含水量的深度變化型式呈現(xiàn)由復(fù)雜多變向單一穩(wěn)定的總體趨勢(shì)。高潮灘地層中沉積紋層發(fā)育,中潮灘地層次之,光灘地層中的沉積紋層最不發(fā)育。鹽沼不同部位沉積紋層的發(fā)育程度,很可能是影響柱樣粘粒含量與含水量深度變化型式復(fù)雜程度的重要因素。

柱樣粘粒含量與含水量的深度變化,既有同一縱向剖面從高潮灘向光灘的規(guī)律性變化特征,又存在不同縱向剖面相同高程類(lèi)型柱樣之間的明顯差異。潮灘沉積動(dòng)力環(huán)境的區(qū)域變化決定了不同地點(diǎn)柱樣沉積特征存在明顯差異,這可能是不同潮灘柱樣有機(jī)質(zhì)分布與礦化程度存在差異的本底機(jī)制。

4 討論

4.1 鹽沼植被對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分布與礦化的制約

長(zhǎng)江口崇明東灘植被類(lèi)型不同的兩個(gè)縱向剖面,相同高程部位的柱樣之間,POC含量的深度特征迥異,POC含量的平均值差異顯著(圖1);柱樣δ13C值亦呈現(xiàn)類(lèi)似對(duì)比特征(圖2)。這表明不同縱向剖面之間,相同高程部位柱樣的有機(jī)質(zhì)含量與組成分別存在明顯不同。

顆粒有機(jī)碳δ13C值與POC含量的相關(guān)關(guān)系可以指示有機(jī)質(zhì)礦化特征的復(fù)雜程度[22]。高潮灘柱樣DT-08-1的δ13C-POC相關(guān)關(guān)系差(圖5),說(shuō)明處于不同礦化階段的有機(jī)質(zhì)組分混雜;中潮灘柱樣DT-08-2的δ13C-POC相關(guān)關(guān)系顯著,表明有機(jī)質(zhì)組分的礦化程度較一致。這也說(shuō)明高潮灘有機(jī)質(zhì)組成較復(fù)雜,而中潮灘有機(jī)質(zhì)組成相對(duì)簡(jiǎn)單?？v向剖面二,從高潮灘向光灘,植被演變呈現(xiàn)崇明東灘的土著類(lèi)型特征。對(duì)于土著植被類(lèi)型的研究區(qū),已有的研究[22]與本文的結(jié)果一致。

縱向剖面一處于外來(lái)的互花米草集中分布區(qū)域,互花米草為C4植物。高潮灘柱樣DT-01-2的δ13C與POC含量呈正相關(guān)(圖5),表明互花米草提供的有機(jī)質(zhì)組分在該部位的有機(jī)質(zhì)組成中占主導(dǎo)地位。柱樣DT-01-2與DT-08-1的δ13C～POC相關(guān)關(guān)系類(lèi)型截然不同(圖5),根本原因是二者所處部位的植被類(lèi)型存在C3植物(DT-08-1)與C4植物(DT-01-2)的顯著差異。柱樣 DT-01-2的 POC含量平均值(0.8%)明顯高于柱樣DT-08-1(0.47%),這與互花米草高的生物生產(chǎn)量直接相關(guān)。

圖5 長(zhǎng)江口崇明東灘柱樣δ13 C值與POC含量相關(guān)關(guān)系特征Fig.5 Correlation betweenδ13 C of particulate organic carbon and POC content for cores at different altitudes in the Chongmingdongtan saltmarsh of the Yangtze Estuary

盡管柱樣DT-02-1處于互花米草區(qū),該中潮灘柱樣的δ13C-POC相關(guān)關(guān)系特征與柱樣DT-01-2的不同,而與處于土著植被區(qū)的DT-08-1柱的相似。這說(shuō)明柱樣DT-02-1的有機(jī)質(zhì)組分多為沉積母質(zhì)中的有機(jī)質(zhì),即來(lái)自長(zhǎng)江徑流攜帶泥沙中的有機(jī)質(zhì)。柱樣DT-02-1的δ13C-POC相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)低于同處于中潮灘的柱樣DT-08-2,表明該柱樣部位的有機(jī)質(zhì)組成比柱樣DT-08-2處的復(fù)雜。來(lái)自互花米草的有機(jī)質(zhì)組分尚未根本改變柱樣DT-02-1的δ13C-POC相關(guān)關(guān)系特征,這可能與中潮灘柱樣發(fā)育時(shí)間較短,有機(jī)質(zhì)礦化程度較弱有關(guān)。

對(duì)比不同植被類(lèi)型縱向剖面的柱樣δ13C-POC關(guān)系特征以及柱樣POC的深度分布,可以發(fā)現(xiàn)鹽沼植被成分已顯著改變柱樣有機(jī)質(zhì)組成,在鹽沼有機(jī)質(zhì)礦化過(guò)程留下了清晰的烙印。鹽沼植被對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分布與礦化的影響是明顯的。

4.2 不同高程部位土壤有機(jī)質(zhì)礦化特征

崇明東灘土著植被區(qū)域的縱向剖面二,高潮灘柱樣DT-08-1,POC含量(0.2%～0.8%)與δ13C值(-26.6‰～-23‰)的變化范圍分別大于中潮灘柱樣DT-08-2的相應(yīng)指標(biāo)范圍。顆粒有機(jī)碳δ13CPOC相關(guān)關(guān)系系數(shù)(R)可以指示有機(jī)質(zhì)礦化程度的復(fù)雜性[22]。柱樣DT-082的這一指標(biāo)(R2=0.691 3)明顯大于柱樣DT-08-1(R2=0.069 7),表明中潮灘柱樣有機(jī)質(zhì)主要為沉積母質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)成分,礦化程度較一致;高潮灘柱樣中有機(jī)質(zhì)組分混雜,礦化階段不同的有機(jī)質(zhì)組分混合在一起,導(dǎo)致δ13C-POC相關(guān)關(guān)系系數(shù)偏離原始母質(zhì)有機(jī)質(zhì)的這一系數(shù)。

互花米草繁盛區(qū)的縱向剖面一,高潮灘柱樣DT-01-2的δ13C與POC含量呈正相關(guān)(圖5),來(lái)自互花米草的有機(jī)質(zhì)組分顯著改變了土壤原始有機(jī)質(zhì)組成,表明該部位有機(jī)質(zhì)的礦化速率較快,有機(jī)質(zhì)的礦化程度較高。中潮灘柱樣DT-02-1的δ13C-POC相關(guān)關(guān)系特征(圖5)說(shuō)明,當(dāng)?shù)鼗セ撞莸挠袡C(jī)質(zhì)組分并未顯著改變土壤有機(jī)質(zhì)組成,該柱樣的有機(jī)質(zhì)組分中原始母質(zhì)有機(jī)質(zhì)成分占主導(dǎo)地位。表明中潮灘柱樣發(fā)育時(shí)間較短,有機(jī)質(zhì)礦化時(shí)間不足,礦化程度較低。由于光灘被潮水浸泡的時(shí)間最長(zhǎng),沉積物主要為粘土質(zhì)粉砂[8],紋層不發(fā)育,其有機(jī)質(zhì)礦化程度最低,柱樣基本屬于原始沉積層,并未經(jīng)受成土作用改造。

長(zhǎng)江口崇明東灘不同縱向剖面均顯示,從高潮灘向光灘有機(jī)質(zhì)礦化程度降低。這與由陸向海,灘面露空時(shí)間逐漸縮短,成土?xí)r間減少,經(jīng)受成土作用改造的程度逐漸變?nèi)踔苯酉嚓P(guān)。這一現(xiàn)象是海岸鹽沼獨(dú)特的沉積發(fā)育過(guò)程決定的。

4.3 土壤有機(jī)質(zhì)分布與礦化的深度特征

長(zhǎng)江口崇明東灘不同植被類(lèi)型縱向剖面的典型高程部位,柱樣POC含量、δ13C值、C/N比隨深度均變化頻繁(圖1～圖3)。這與潮灘沉積過(guò)程導(dǎo)致的沉積地層中砂質(zhì)-泥質(zhì)紋層頻繁交替出現(xiàn)密切相關(guān)。鹽沼地層中砂質(zhì)紋層與泥質(zhì)紋層的交替,一方面說(shuō)明沉積物質(zhì)在深度上變化明顯;另一方面也決定了在該類(lèi)地層基礎(chǔ)上發(fā)育的土壤剖面,垂向上不同層段的有機(jī)質(zhì)來(lái)源、組成、礦化程度均可能存在顯著差異。

以土著植被區(qū)域的高潮灘柱樣DT-08-1為例,同一柱樣的不同深度層段,顆粒有機(jī)碳δ13C值與POC含量的相關(guān)關(guān)系變化明顯(表2)。盡管柱樣DT-08-1整體的δ13C-POC相關(guān)關(guān)系仍屬于負(fù)相關(guān),與內(nèi)陸土壤剖面的這一關(guān)系[22]一致,其相關(guān)系數(shù)平方(R2)僅為0.069 7(表2),表明二者的相關(guān)程度差。該柱樣若干層段的δ13C-POC相關(guān)關(guān)系較顯著,R2大于0.2(表2)。這些層段包括:0～20 cm,0～40 cm, 80～90 cm,90～100 cm以及80～100 cm。其他層段的δ13C-POC相關(guān)系數(shù)均低于0.16,大部分低于0.1,表明二者的相關(guān)關(guān)系極差。這一現(xiàn)象說(shuō)明,同一柱狀樣的不同深度層段有機(jī)質(zhì)組成不同。不同層段POC含量以及δ13C-POC相關(guān)關(guān)系顯著性的變化,一方面可歸因于原始母質(zhì)的差異,但是沉積之后的成土改造過(guò)程中,有機(jī)質(zhì)礦化導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)組成的變化也是不容忽視的因素。

長(zhǎng)江口崇明東灘鹽沼柱樣POC的深度分布以及有機(jī)質(zhì)礦化特征在垂向上的差異,均表明在開(kāi)展海岸鹽沼碳循環(huán)研究過(guò)程中,必須充分考慮鹽沼獨(dú)特的沉積動(dòng)力環(huán)境以及特征性的原始沉積層序?qū)ρ芯拷Y(jié)果的影響。鹽沼柱樣粘粒含量以及含水量的深度變化(圖4),均說(shuō)明鹽沼沉積物質(zhì)的深度分布受控于沉積動(dòng)力環(huán)境以及沉積紋層的發(fā)育程度。因此,如何剔除沉積母質(zhì)的影響,識(shí)別后期成土改造的貢獻(xiàn),就成為開(kāi)展鹽沼碳動(dòng)態(tài)研究無(wú)法回避的一個(gè)問(wèn)題。這將是今后研究中的一個(gè)重要內(nèi)容。

表2 DT-08-1孔不同深度范圍土樣有機(jī)質(zhì)δ13 C與土樣POC含量相關(guān)關(guān)系Table2 Correlation betweenδ13 C of POC and POC content for different sections of core DT-08-1

5 結(jié)論

長(zhǎng)江口崇明東灘不同植被類(lèi)型的兩個(gè)縱向剖面,相同高程部位柱樣的顆粒有機(jī)碳δ13C值以及POC含量的深度特征迥異,柱樣δ13C與POC含量的平均值分別相差顯著?；セ撞輰?duì)高潮灘柱樣有機(jī)質(zhì)的含量與組成均有明顯影響,對(duì)中潮灘柱樣有機(jī)質(zhì)組成的影響業(yè)已顯現(xiàn);土著植被區(qū)高潮灘柱樣C/N比(9 ～12)指示當(dāng)?shù)刂脖粚?duì)有機(jī)質(zhì)組成的影響顯著?；セ撞輩^(qū)柱樣的POC含量平均值明顯高于土著植被區(qū)對(duì)應(yīng)高程柱樣的POC含量平均值。鹽沼植被對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分布與礦化均產(chǎn)生了可識(shí)別的影響。

高潮灘柱樣有機(jī)質(zhì)礦化程度較復(fù)雜,礦化階段不同的有機(jī)質(zhì)組分混雜在一起;中潮灘柱樣有機(jī)質(zhì)的組成相對(duì)簡(jiǎn)單,礦化程度較一致。這很可能是鹽沼不同高程部位露空時(shí)間長(zhǎng)短不同,柱樣發(fā)育時(shí)間不同,導(dǎo)致經(jīng)受成土改造的程度不同所致。柱樣粘粒含量與含水量在垂向上的頻繁變化說(shuō)明,鹽沼原始沉積層序?qū)χ鶚拥奈镔|(zhì)分布特征具有本底制約。同一縱向剖面的不同高程部位柱樣之間,有機(jī)質(zhì)的深度分布特征以及礦化程度差異顯著,說(shuō)明鹽沼碳動(dòng)態(tài)受控于鹽沼特征性沉積過(guò)程。

致謝 在野外作業(yè)與室內(nèi)分樣期間,得到環(huán)境科學(xué)系研究生呂寶一、唐媛、崔玉雪、李丹的大力協(xié)助;在室內(nèi)分析中得到吳瑞明老師等的熱情指導(dǎo),在此表示衷心感謝。

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Spatial Differentiation of Soil Organic M atter Distribution and M ineralization in the Salt M arsh of the Yangtze Estuary

CHEN Qing-qiang YANG Yan ZHOU Ju-zhen ZHANG Guo-sen CUIYing
(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai 200062)

Two transects(Transect I,Transect II)were selected in areaswith Spartina alterniflora,and native vegetation,respectively,for investigation of both distribution and mineralization of soil organic matter(SOM)in the Chongmingdongtan saltmarsh of the Yangtze Estuary,China.This study is based the on content of particulate organic carbon(POC),δ13C value of POC,molar ratio of C/N,and grain size characteristics of drilling cores in high tidal flat(core DT-01-2,core DT-08-1),middle tidal flat(core DT-02-1,core DT-08-2)and bare flat(core DT-03-2, core DT-08-3).oreswith the same altitude at the two transects contrast in variations of both POC content andδ13C value with depth,and are different in average values ofδ13C and POC content,respectively.The average content of POC of core DT-01-2(0.8%)ismarkedly greater than thatof POC of core DT-08-1(0.47%).he average content of POC of core DT-02-1(0.38%)is greater than that of POC of core DT-08-2(0.11%)。δ13C values of core DT-08-1 average-24.52‰,and the average value ofδ13C of core DT-01-2 is-19.73‰.he average value ofδ13C of core DT-08-2(-22.06‰)is close to that ofδ13C of core DT-02-1(-22.92‰).herefore,the variation trend of SOM composition from high tidal flat(core DT-01-2)tomiddle tidal flat(core DT-02-1)of Transect I is not consistentwith that of SOM composition from high tidal flat tomiddle tidal flatof Transect II.Thismay be due to differences in SOM composition between the two transects.

Transect Iwas located in the areawith invasive Spartina alterniflora that is of C4 type plant.POC content is positively correlated withδ13C value for core DT-01-2,suggesting that organic components from Spartina alterniflora are predominant in SOM at the drilling site.Core DT-01-2 contrastsmarkedly with core DT-08-1 in correlation between δ13C value and POC content.This is due to the difference in vegetation type between the sites of the two cores,with C3 type plant at the site of core DT-08-1 and C4 type plant at the site of core DT-01-2.he average content of POC of core DT-01-2 is the greatest among those of POC of the studied cores,whichmay correlate to the high primary production of Spartina alterniflora.Core DT-02-1 is different with core DT-01-2 in correlation betweenδ13C value and POC content,and is similar to core DT-08-1 that is located in the areawith native vegetation.This suggests that SOM at the site of core DT-02-1 aremainly composed of organic components from primary sediments that are transported by the Yangtze River.The correlation betweenδ13C value and POC content of core DT-02-1 has not been changed thoroughly by the organic components from Spartina alterniflora,which may correlate to the weaker mineralization of SOM,due to the limited time period for the development of middle tidal flat.Spartina alterniflora has produced marked impacts on both content and composition of SOM in the high tidal flat,and discernable impacts on composition of SOM in themiddle tidal flat.Native vegetation has exertedmarked influence on composition of SOM in the high tidal flat.Saltmarsh vegetations have thereforemade remarkable impacts on distribution and mineralization of SOM.Organic components of different stages ofmineralization aremixed in the SOM of the high tidal flat.SOM composition is relatively simple in themiddle tidal flat,indicating that SOM mineralization is less complicated there.Both clay content and water content varymarkedlywith depth,suggesting that sedimentary sequences have initial constraints on distribution ofmaterialswith depth in the saltmarsh.Coreswith differentaltitudes contrastmarkedly in both vertical distribution and mineralization of SOM.Soil carbon dynamics are constrained by the characteristic sedimentary processes on the saltmarsh of the Yangtze Estuary。

saltmarsh;stable carbon isotope;carbon mineralization;the Yangtze Estuary

陳慶強(qiáng) 男 1969年出生 教授 博士 海洋沉積學(xué)與生物地球化學(xué) E-mail:qqchen@sklec.ecnu.edu.cn

P736.2

A

1000-0550(2012)01-0128-09

①?lài)?guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):40772210,40202032)資助。

2011-02-15;收修改稿日期:2011-05-27