NaCl輸入對(duì)遼河口濕地土壤溶解性有機(jī)碳生成的影響

袁曉敏,楊繼松,劉 凱,鄭冬梅

(1.沈陽大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110044;2.魯東大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264025)

NaCl輸入對(duì)遼河口濕地土壤溶解性有機(jī)碳生成的影響

袁曉敏1,楊繼松2,劉 凱1,鄭冬梅1

(1.沈陽大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110044;2.魯東大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264025)

采用土柱淋溶法,研究了遼河口蘆葦濕地不同深度土壤(S1:0～10 cm;S2:10～20 cm;S3:20～30 cm;S4:30～40 cm)的DOC生成動(dòng)態(tài),并探究了NaCl輸入對(duì)DOC生成動(dòng)態(tài)的影響.結(jié)果表明,在培養(yǎng)的前3 d內(nèi),DOC生成速率迅速下降,20 d后逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定水平;28 d培養(yǎng)期間,各深度土壤DOC累計(jì)生成量變化范圍分別為2.09～3.19 g·kg-1(CK)和1.62～2.08 g·kg-1(Salt),其值隨時(shí)間的變化符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(R2>0.97,p<0.05).方差分析表明,NaCl添加顯著抑制了DOC的生成速率k(p<0.05),降低了DOC潛在生成量C0;NaCl輸入和土壤深度對(duì)DOC的累計(jì)生成量C均有極顯著影響(p<0.01).

DOC生成;濕地土壤;NaCl;遼河口

溶解性有機(jī)碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)通常是指能通過0.45 μm微孔濾膜的水溶性有機(jī)物質(zhì),具有移動(dòng)快、易氧化、易分解和活性高的特點(diǎn),是陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)質(zhì)中一種重要的、極活躍的碳組分.一方面土壤微生物可直接利用其作為有機(jī)碳源,用于微生物生長和生物分解,另一方面DOC淋失是濕地土壤有機(jī)碳流失的重要途徑[1].在河口濕地生態(tài)系統(tǒng)中,DOC的年凈輸出量約為15～328 g·m2,是河口濕地碳損失的重要組成部分[2].河口濕地碳釋放及溶解性碳的運(yùn)移與濕地系統(tǒng)碳平衡息息相關(guān),而且對(duì)河口及其相鄰生態(tài)系統(tǒng)中氮、磷等營養(yǎng)元素的循環(huán)也具有不可忽視的影響[3-4].基于科學(xué)界對(duì)全球變化的空前關(guān)注,特別是水鹽環(huán)境的變化可能會(huì)對(duì)河口濕地碳生物地球化學(xué)產(chǎn)生不可忽視的影響,因此,評(píng)估河口濕地碳過程對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)已引起相關(guān)領(lǐng)域研究者的極大興趣.

濕地土壤DOC產(chǎn)生是DOC溶失的前提條件.一般認(rèn)為,濕地土壤中DOC主要產(chǎn)生于凋落物與土壤本身有機(jī)質(zhì)分解、根系分泌物以及土壤微生物的新陳代謝產(chǎn)物,而受地表植物、土壤微生物、土壤理化性質(zhì)、環(huán)境因子等生物和非生物因素的控制[5].鹽分作為河口濕地重要的交互性生態(tài)因子,是影響土壤DOC動(dòng)態(tài)變化的重要因素[6-7].其中,微生物的新陳代謝是DOC產(chǎn)生的重要過程,同時(shí)DOC又能為微生物提供易利用性基質(zhì),鹽分通過改變微生物活性和數(shù)量,調(diào)節(jié)DOC的生成和消耗動(dòng)態(tài),從而影響土壤DOC的動(dòng)態(tài)[8-9].此外,鹽分又與土壤的物理性質(zhì)、滲透脅迫及其結(jié)構(gòu)性能密切相關(guān)[10-11].如,鹽分通過改變土壤溶液離子強(qiáng)度的變化可改變土壤的水理化性質(zhì)及土壤黏粒表面有機(jī)質(zhì)的活性[12];高鹽形成滲透脅迫,抑制微生物的活性和有機(jī)質(zhì)的分解速率,進(jìn)而對(duì)DOC的生成產(chǎn)生不利影響[13].然而,目前關(guān)于鹽分對(duì)DOC生成過程影響的研究較少,特別是DOC生成動(dòng)態(tài)對(duì)鹽分的響應(yīng)規(guī)律的尚不明晰.潮汐過程給濱海濕地輸入了大量鹽分,其中NaCl在海水鹽分中占有很大比例.本文以遼河口蘆葦濕地土壤為研究對(duì)象,利用土柱淋溶-室內(nèi)培養(yǎng)方法,研究NaCl輸入后土壤可溶性有機(jī)碳生成速率和累計(jì)生成量的變化動(dòng)態(tài),旨在探明遼河口蘆葦濕地土壤DOC生成過程響應(yīng)鹽分變化的規(guī)律,為揭示河口濕地碳溶失過程提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

遼河口濕地(40°41′～41°27′N,121°30′～122°30′E),位于遼寧省盤錦市境內(nèi)濱海地區(qū),總面積8×104 hm2,是我國中高緯度地區(qū)重要的河口濕地,同時(shí)也是世界第二大蘆葦區(qū).該區(qū)域年均氣溫8.3 ℃,屬于暖溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候,具有光照充裕、溫度適宜、雨熱同季、干冷同期等氣候特點(diǎn).月平均氣溫-10.4 ℃,7月份平均氣溫24.6 ℃;年均降水量611.6 mm,集中在7～9月,蒸發(fā)量1 705.0 mm,為降水量的2.8倍.區(qū)域內(nèi)分布的主要濕地類型為蘆葦(Phragmitesaustralis)濕地、翅堿蓬(Suaedaheteroptera)濕地和裸灘,自然景觀類型總體保育較好[14].濕地土壤類型屬于以氯鹽為主的濱海鹽漬土,且由內(nèi)陸向海洋方向上土壤鹽漬化程度呈上升趨勢(shì)[15].

1.2研究方法

2015年4月,在遼河口區(qū)蘆葦濕地(41°09′N,121°46′E),選取3個(gè)4 m×6 m的采樣區(qū),用不銹鋼土鉆分別采集深度為0～10 cm(S1)、10～20 cm(S2)、20～30 cm(S3)、30～40 cm(S4)土壤樣品.每個(gè)采樣區(qū)每層隨機(jī)取6個(gè)重復(fù),分層均勻混合,現(xiàn)場(chǎng)剔除植物殘?bào)w后密封帶回實(shí)驗(yàn)室,一部分用于測(cè)定其理化性質(zhì)(見表1);一部分自然風(fēng)干后過2 mm篩待用.

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 The basic physicochemical properties of tested soil

本試驗(yàn)采用土柱淋溶法.淋溶裝置由內(nèi)徑3 cm、高15 cm的 PVC管制作而成,下端用蓋密封,蓋中央打孔,安裝軟管并連接三通閥,用于封閉淋溶裝置和收集DOC淋溶液.裝置底部放置4層密孔玻璃絲網(wǎng),其上覆蓋厚度為2 cm的細(xì)石英砂,稱取風(fēng)干后的土壤4 g裝入裝置,調(diào)節(jié)土壤含水量至最大持水量的60%,在(28±1)℃條件下預(yù)培養(yǎng)一周.同時(shí),為了減少淋溶過程中淋洗液對(duì)土柱表面的沖刷,在其表面上覆2層密孔玻璃絲網(wǎng).該裝置所用材料均經(jīng)過酸洗處理,以除去其表面所附的可溶性有機(jī)物.

試驗(yàn)所用淋洗液分為兩組,分別為去離子水(CK)和450 mmol·L-1的NaCl溶液(Salt),每個(gè)處理重復(fù)3次,其中NaCl溶液濃度參照采樣區(qū)海水中離子濃度設(shè)置(表1).淋溶試驗(yàn)開始前,用100 mL去離子水預(yù)淋洗土柱,去除土壤中原有的DOC.之后,淋溶土柱均在(28±1)℃條件下進(jìn)行開放淹水( 3 mm左右)培養(yǎng),分別在培養(yǎng)的1、3、6、10、14、21和28 d淋洗土柱并收集淋溶液.淋洗時(shí),先用50 mL去離子水浸泡土柱1 h,然后以1.0 ml·min-1左右的流速收集DOC淋溶液,過0.45 μm的微孔濾膜后,采用TOC自動(dòng)分析儀(Liquid TOC I,Elementar,德國)測(cè)定浸提液中的DOC濃度.

1.3 DOC生成速率及累計(jì)生成量計(jì)算

利用下式計(jì)算DOC生成速率:

式中:C為淋溶液測(cè)定DOC質(zhì)量濃度,mg·L-1;C0為去離子水中DOC質(zhì)量濃度,mg·L-1;V為淋溶液體積,mL;m為土重,g.DOC累計(jì)生成量為DOC生成速率與培養(yǎng)天數(shù)的乘積,未直接測(cè)定DOC生成速率的時(shí)段,以該時(shí)段前后最近兩次DOC生成速率的均值乘以天數(shù)后累加.本研究計(jì)算所得DOC含量均為干土中的含量.

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行ANOVA、Pearson相關(guān)分析,Origin Pro 8.5軟件制圖及數(shù)據(jù)擬合.

2 結(jié)果與分析

2.1 DOC生成速率的動(dòng)態(tài)變化特征

蘆葦濕地不同深度土壤的DOC生成動(dòng)態(tài)具有相近的變化趨勢(shì)(圖1).DOC生成速率在培養(yǎng)的前3天呈快速下降趨勢(shì),其值在CK中分別由最初的0.319 g·kg-1·d-1(S1)、0.508 g·kg-1·d-1(S2)、0.851 g·kg-1·d-1(S3)和0.387 g·kg-1·d-1(S4)降低至0.138 g·kg-1·d-1(S1)、0.145 g·kg-1·d-1(S2)、0.210 g·kg-1·d-1(S3)和0.142 g·kg-1·d-1(S4);NaCl處理組(Salt),S1～S4土壤DOC生成速率分別由0.242 g·kg-1·d-1、0.276 g·kg-1·d-1、0.349 g·kg-1·d-1和0.276 g·kg-1·d-1減少至0.129 g·kg-1·d-1、0.108 g·kg-1·d-1、0.117 g·kg-1·d-1和0.117 g·kg-1·d-1.之后,DOC的生成速率下降變緩,至20 d后,DOC的生成速率趨于穩(wěn)定;28 d培養(yǎng)結(jié)束時(shí)CK和NaCl輸入組(Salt)土壤DOC生成速率變化范圍為0.035～0.041 g·kg-1·d-1和0.034～0.039 g·kg-1·d-1.

圖1 不同深度及鹽分處理DOC生成速率Fig.1 Rate of DOC production in different depth and treatment of the soil(a)—0～10 cm;(b)—10～20 cm;(c)—20～30 cm;(d)—30～40 cm.

28 d培養(yǎng)期間內(nèi),對(duì)照組和NaCl處理組(Salt)土壤DOC生成速率的均值范圍分別為0.114～0.217 g·kg-1·d-1和0.090～0.116 g·kg-1·d-1(圖2);不同深度土壤層中,NaCl輸入對(duì)DOC生成速率的抑制程度由大到小依次為:S3、S2、S4、S1.方差分析表明,兩種處理中,S2和S3土壤層中DOC生成速率差異顯著(p<0.05);而在培養(yǎng)的前10 d,除表層外,NaCl添加對(duì)DOC生成速率有顯著影響(p<0.05).

圖2不同深度土壤DOC生成速率均值
Fig.2 Mean rate of DOC production in different depth of the soil

2.2 DOC累計(jì)生成量的動(dòng)態(tài)變化特征

培養(yǎng)結(jié)束,對(duì)照處理中DOC累計(jì)生成量(所有DOC含量均以干土中含量計(jì))(圖3)依次為2.09、2.38、3.19和2.19 g·kg-1(S1～S4);NaCl處理土壤中相應(yīng)的值依次是1.81、1.62、2.08和1.86 g·kg-1.方差分析顯示,NaCl添加后,DOC累計(jì)生成量與CK相比差異非常顯著(p=0.01).不同深度土壤中,DOC累計(jì)生成量均高于對(duì)照組,其中,S1(0～10 cm)和S4(30～40 cm)相應(yīng)值差異不顯著,而S2(10～20 cm)和S3(20～30 cm)深度土壤中DOC累計(jì)生成量明顯高于對(duì)照組(p<0.05).該結(jié)果表明,NaCl輸入降低了蘆葦濕地土壤中DOC的累計(jì)生成量.

圖3 不同深度土壤DOC累計(jì)生成量動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamics of accumulative DOC in different depth(a)—0～10 cm;(b)—10～20 cm;(c)—20～30 cm;(d)—30～40 cm.

不同深度土壤DOC的累計(jì)生成量均隨時(shí)間遞增,且變化趨勢(shì)基本一致.利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程C=C0(1-e-kt)進(jìn)行擬合,C0和k分別表示土壤潛在可生成DOC量和DOC生成速率,結(jié)果表明(表2),除S3的CK處理之外(p<0.05;R2=0.97),該方程能夠極好地描述不同深度及鹽分處理中土壤DOC的生成動(dòng)態(tài)(p<0.01;R2>0.97).

表2 蘆葦濕地土壤DOC生成動(dòng)力學(xué)擬合Table 2 Kinetic fitting of soil DOC production in reed wetland

3 討 論

NaCl作為一個(gè)重要的環(huán)境生態(tài)因子,對(duì)土壤DOC的生成和動(dòng)態(tài)變化有重要影響.本研究發(fā)現(xiàn),與對(duì)照組相比,NaCl處理中各深度土壤DOC生成速率下降幅度分別為16.3%(S1)、38.3%(S2)、46.8%(S3)和21.2%(S4);DOC潛在生成量(C0)的下降幅度依次為10.6%(S1)、30.4%(S2)、27.5%(S3)和7.5%(S4),這表明NaCl添加降低了蘆葦濕地DOC的生成速率和潛在生成量.可能的原因有兩個(gè):其一,微生物對(duì)土壤有機(jī)碳的礦化分解是產(chǎn)生DOC的重要過程,NaCl通過提高滲透壓對(duì)微生物形成離子脅迫或毒害,降低微生物活性[16],減少微生物數(shù)量[17],從而降低其向土壤中分泌的土壤酶量以及酶活性[18],抑制DOC的生成速率和潛在生成量.這與肖穎[19]等在遼河口濕地的研究結(jié)果一致.其研究表明,鹽分升高降低了土壤水中的DOC淋溶量,且抑制程度因離子類型而異.其二,NaCl可提高土壤對(duì)DOC的吸附能力.研究發(fā)現(xiàn),陽離子可促進(jìn)土壤膠體對(duì)DOC的吸附作用,其機(jī)制是陽離子可通過庫倫力與帶負(fù)電荷的DOC官能團(tuán)結(jié)合從而降低了有機(jī)分子的可溶性.本研究中的NaCl處理組和對(duì)照組中,DOC淋洗液分別由NaCl和去離子水配制而成,與CK相比,NaCl處理(Salt)土壤中陽離子含量大大提高,這可能導(dǎo)致蘆葦濕地土壤對(duì)DOC 的吸附性能提高,從而降低其淋溶量.

方差分析表明,土壤深度對(duì)DOC的生成有顯著影響(p<0.01),這主要和蘆葦濕地土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān).有研究表明,土壤微生物多樣性指數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著性正相關(guān)[20],且鹽分含量較高時(shí)(含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)>0.5%)土壤微生物活性及對(duì)外源碳的利用率顯著降低,從而影響土壤有機(jī)碳的分解與轉(zhuǎn)化[21].本研究中,各個(gè)深度土壤在前10 d,NaCl添加組(Salt)DOC生成速率低于對(duì)照組,而此后一段時(shí)間內(nèi)二者分別穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi),可能是因?yàn)樵谑覂?nèi)培養(yǎng)中,供試土壤缺乏外源有機(jī)物的連續(xù)輸入,土壤有機(jī)質(zhì)因前期的淋洗而導(dǎo)致碳底物的消耗,從而使DOC的來源降低.這也是導(dǎo)致培養(yǎng)28 d后,各深度土壤的NaCl處理組(Salt)和CK處理組DOC生成速率均接近一致的原因(Salt:0.035～0.041 g·kg-1·d-1;CK:0.034～0.039 g·kg-1·d-1).此外,趙先麗等對(duì)遼河口蘆葦濕地土壤微生物數(shù)量的研究中發(fā)現(xiàn),10～20 cm土壤層中細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量均為最大,20～30 cm土壤層次之[22],且土壤微生物生物量對(duì)鹽度具有高敏感性[10],這可能是本研究中NaCl對(duì)DOC生成速率和潛在生成量的抑制程度最大值分別出現(xiàn)在S3和S2土壤層的原因之一.

土壤對(duì)DOC的吸附能力是影響DOC淋溶生成的重要因素.韓成衛(wèi)[23]等研究發(fā)現(xiàn),DOC吸附量隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的降低而增大,而黏粒比例較多時(shí)吸附DOC的能力較強(qiáng).遼河口蘆葦濕地土壤的下層有機(jī)碳含量為0.22%～0.32%,明顯低于表層(2.41%),而與此同時(shí)黏粒為8.09%～9.61%,較表層(7.75%)增加了4.39%～24.0%(表1).本研究中發(fā)現(xiàn),NaCl輸入對(duì)10～20 cm和20～30 cm深度土壤DOC生成速率的影響顯著,而對(duì)0～10 cm和30～40 cm深度土壤的影響不顯著,主要是由于0～10 cm土壤中的有機(jī)質(zhì)含量較高,黏粒含量較低,使得DOC來源豐富同時(shí)土壤膠體的吸附能力較弱,其結(jié)果是NaCl的影響可能被削弱.而30～40 cm土壤的有機(jī)質(zhì)主要來源于表層有機(jī)質(zhì)分解后向下遷移的難降解組分[24],土壤礦化度較高,黏粒含量較高,其對(duì)DOC的吸附性較強(qiáng),因此受離子強(qiáng)度的影響也不明顯.

4 結(jié) 論

(1) 除表層外,培養(yǎng)的前10 d,NaCl添加對(duì)DOC生成速率隨時(shí)間的變化有顯著影響.整個(gè)培養(yǎng)期間,DOC生成速率的均值范圍分別為0.114～0.217 g·kg-1·d-1(CK)和0.090～0.116 g·kg-1·d-1(Salt);

(2) NaCl的輸入降低了遼河口蘆葦濕地DOC的生成速率和潛在生成量(C0),其下降幅度分別為16.3%～46.8% 和7.5%～30.4%.各深度土壤DOC累計(jì)生成量變化范圍分別為2.09～3.19 g·kg-1(CK)和1.62～2.08 g·kg-1(Salt),其值隨時(shí)間變化趨勢(shì)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程C=C0(1-e-kt);

(3) 不同深度土壤層中,NaCl輸入對(duì)DOC生成速率的抑制程度由大到小依次為:S3、S2、S4、S1;兩種處理中,S2(10～20 cm)和S3(20～30 cm)土壤層DOC生成速率差異顯著.

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EffectsofSodiumChlorideAdditiononDOCProductionofWetlandSoilinLiaoheEstuarine

YuanXiaomin1,YangJisong2,LiuKai1,ZhengDongmei1

(1.Key Laboratory of Regional Environment and Eco-Remediation (Ministry of Education),Environmental College,Shenyang University,Shenyang 110044,China;2.Department of Resources and environment engineering,Ludong University,Yantai 264025,China)

To study the effect of sodium chloride addition on dissolved organic carbon (DOC) production,an incubation test with soil columns was carried out for 28 days.The tested soils were collected from different depth from the surface(S1:0～10 cm;S2:10～20 cm;S3:20～30 cm;S4:30～40 cm) in reed wetland in Liaohe estuary.It showed that the rate of DOC production presented a fast decrease in the initial three days,and then held on a steady level in the later twenty days.During the whole incubation of 28 days,accumulative production of DOC varies between 2.09～3.19 g·kg-1(CK) and 1.62～2.08 g·kg-1(Salt) respectively,which could be well described by one order exponential equation(R2>0.97,p<0.05).According to the result of ANOVA,sodium chloride addition significantly restricted the rate of DOC production (k)(p<0.05),and significantly decreased the potential production (C0).Both sodium chloride addition and depth of soil have a significant effect on DOC accumulative production (C)(p<0.01).

DOC production;wetland soil;sodium chloride;Liaohe estuarine

2017-07-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41571092,31300444,41571085).

袁曉敏(1991-),女,河北邯鄲人,沈陽大學(xué)碩士研究生;楊繼松(1978-),男,山東菏澤人,魯東大學(xué)教授.

2095-5456(2017)05-0367-07

S 154.3

A

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