楊 榮,塞 那,蘇 亮,尚海軍,劉永宏,郭永盛,*
1 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學研究院, 呼和浩特 010010 2 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)大學林學院, 呼和浩特 010019 3 包頭市生態(tài)濕地保護管理中心,包頭 014010
生態(tài)化學計量學是通過研究生態(tài)過程中各化學元素比例關(guān)系及其隨生物、非生物等環(huán)境因子的變化規(guī)律,揭示各元素在生態(tài)過程中的耦合關(guān)系和共變規(guī)律[1- 3]。碳(C)、氮(N)、磷(P)作為生物體重要元素組成以及土壤重要的結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分元素[4],它們的生態(tài)化學計量學特征在探究生物系統(tǒng)的物質(zhì)能量循環(huán)、養(yǎng)分限制以及多元素平衡過程中具有重要作用[5]。土壤的空間異質(zhì)性、發(fā)育時間、氣候帶、植被、水文等綜合環(huán)境因素,都將直接或者間接影響土壤中C、N、P的物質(zhì)循環(huán)過程,從而形成不同的化學計量學特征[6]。而關(guān)于生態(tài)化學計量學的實驗研究,近年來在國內(nèi)得到了迅速發(fā)展,主要集中在區(qū)域C∶N∶P生態(tài)化學計量學特征及其驅(qū)動因素方面,以森林生態(tài)系統(tǒng)和草原生態(tài)系統(tǒng)的研究成果居多[7]。
濕地作為自然界生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一,水陸生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡帶,水陸交互作用強烈,具有獨特的生物地球化學循環(huán)模式,其生態(tài)系統(tǒng)特征與其他系統(tǒng)也存在明顯的差別,因此,應特別重視[7]。2005年始,我國濕地生態(tài)系統(tǒng)化學計量學逐漸在三江平原[8]、河口[5,9-10]、濱海濕地[11]、沼澤[12]、湖泊[13]以及人工[14]等濕地開展了研究,關(guān)于黃河濕地生態(tài)化學計量學的研究則多集中在黃河三角洲[14- 17],這對于系統(tǒng)認識整個黃河流域濕地黃河水質(zhì)、泥沙等對各元素生態(tài)系統(tǒng)化學計量學特征及影響因素遠遠不夠。內(nèi)蒙古包頭黃河濕地因特殊地理位置、氣候特征和水文地質(zhì)條件,成為了稀缺的內(nèi)陸半干旱高緯度的城市河流濕地生態(tài)系統(tǒng)[18]。它是由黃河改道形成,緊鄰城市,濕地內(nèi)以河流濕地、沼澤濕地為主[19]。由于包頭市位于干旱半干旱區(qū),且包頭黃河濕地緊鄰城市中心,受灌溉、農(nóng)田用水、工業(yè)廢水、人類活動干擾等綜合因素影響,使得包頭黃河濕地具有水分蒸發(fā)量大,土壤鹽堿化嚴重,人類活動影響大等特點,包頭濕地富營養(yǎng)化問題也備受學者關(guān)注[20]。本研究結(jié)合黃河在包頭市內(nèi)流經(jīng)路線,從東到西沿線選擇3大類6個不同特色類型濕地,以土壤C、N、P為研究對象,創(chuàng)新性將包頭黃河濕地與其他黃河濕地、我國生態(tài)系統(tǒng)淋溶土、干旱土、沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)的土壤C、N、P化學計量學特征進行全面比較,探討包頭黃河濕地土壤內(nèi)部C、N、P生態(tài)化學計量學特征。研究結(jié)果可以為包頭黃河濕地生態(tài)恢復、濕地高效利用與保護提供科學依據(jù),對完善和補充我國黃河沿線濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分平衡和生態(tài)化學計量特征數(shù)據(jù)也具有重要科學價值。
內(nèi)蒙古包頭黃河濕地(40°14′39″N—40°33′20″N, 109°25′51″E—111°1′36″E)位于包頭市南側(cè),黃河北岸,東至八里彎,南臨鄂爾多斯市,西接巴彥淖爾市,北至黃河大堤以北2 km;全長約220 km,總面積為 29339 hm2,占全市濕地面積的81.4%[19](圖1)。包頭黃河濕地自西向東分別為昭君島片區(qū)、小白河片區(qū)、南海湖片區(qū)、共中海片區(qū)、敕勒川片區(qū),包括河流濕地、沼澤濕地、湖泊濕地和季節(jié)性積水人工濕地等類型,屬黃河沖積下的形成的濕地平原,地處半干旱草原地帶,典型的大陸性季風氣候,年均氣溫8.5℃,全年無霜期148 d,年日照時數(shù)為2955—3255 h,年均降水量307.4 mm,水面年蒸發(fā)量2342 mm[21]。土壤類型為草甸土、沼澤土、鹽堿土和風沙土,土壤表層以粉狀沙粒為主,深層土壤以黏質(zhì)顆粒為主[22],地下水位較淺(1 m左右),pH值在7.3—9.0之間,呈堿性[23]。
圖1 包頭黃河濕地項目區(qū)區(qū)位圖Fig.1 The location map of Yellow River wetland in Baotou
1.2.1土壤樣品的采集與處理
2016年6月,依據(jù)包頭黃河各濕地積水情況和植物群落的不同,按照從西到東實地踏查,選擇研究區(qū)最具有代表性和特色的3類濕地共6塊樣地,分別為昭君島季節(jié)性積水區(qū)(Y1)、昭君島常年積水區(qū)(Y2)、小白河季節(jié)性積水區(qū)(Y3)、四道沙河常年積水區(qū)(Y4)、南海子季節(jié)性積水區(qū)(Y5)和南海子常年積水區(qū)(Y6)共6個采樣區(qū),各樣地基本情況見表1。其中,昭君島屬于河流型濕地,為研究區(qū)的最西端;小白河是黃河濕地包頭段較大的人工湖;四道沙河為河流型濕地,該地段人為活動多;南海子屬于湖泊型濕地,是黃河流域較大的牛軛湖,依靠黃河補水供水[18]。
為降低短期降水對數(shù)據(jù)的影響,雨季后采樣。2016年11月,用GPS獲取樣地的坐標,分別于6塊濕地里各確定一個100 m×100 m的固定樣地,樣地四周立標志樁,圍封。每塊樣地隨機選取3個土壤剖面作為重復。按0—10、10—20、20—40、40—60 cm分層取樣,各相同土層樣品均勻混合, 分別裝入帶編號的密封袋中帶回實驗室,去除雜質(zhì),經(jīng)自然風干后,磨細過篩備用(測土壤pH、過20 目篩;測土壤有機碳、全氮和全磷含量過100目篩)。采樣同時,用環(huán)刀法取樣,帶回測定土壤容重和含水量。土壤有機碳、全氮和全磷含量分別采用K2Cr2O7-H2SO4消煮法、凱氏定氮法和鉬銻抗分光光度法測定;土壤酸堿度(pH)、含水量分別采用電位法、烘干法測定。
1.2.2數(shù)據(jù)處理
采用SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和比較分析,用單因方差分析(One-way ANVOA) 進行差異顯著性分析。并采用 Duncan 法進行多重比較,以 T 檢驗,判斷測定指標差異是否顯著。土壤碳、氮、磷、含水量、容重等因子與 C/N、C/P、N/P 的相關(guān)性分析采用 Pearson 相關(guān)分析。采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)作圖。
表1 研究區(qū)樣地概況
包頭黃河濕地水土壤基本理化性質(zhì)見表2。研究區(qū)域均為鹽堿地,常年積水情況不同,土壤理化性狀也不同(表2)。6處濕地的容重范圍為1.01—1.49 g/cm3,容重比較為Y5>Y3>Y2>Y1>Y4>Y6;含水量變化范圍為23.63%—57.32%,各濕地之間比較順序為Y6> Y4> Y2> Y5> Y3> Y1;pH值變化范圍為7.46—8.64,研究區(qū)土壤整體偏堿性,pH高于中國濕地 pH 范圍(6. 5—7. 5)[14];研究區(qū)濕地土壤含鹽量在1.13—15.66 g/kg之間,不同濕地間含鹽量差異顯著。整體而言,常年積水性濕地土壤容重較低,含水量較高,pH值較低。季節(jié)性積水濕地土壤裸露,土壤水分蒸發(fā)較大,土壤全鹽量較高,pH值高。
表2 包頭黃河濕地不同類型濕地的土壤容重、含水量和pH值
表中字母表示同列不同樣地差異顯著(P<0.05)
包頭黃河各類型濕地土壤SOC、TN、TP含量變化范圍較大,土壤TN含量比較低,變異系數(shù)較大,SOC、TP含量相對豐富,變異系數(shù)較小(表3)。各濕地0—60 cm土壤SOC含量范圍為3.15—30.39 g/kg,均值為8.98 g/kg,水平分布差異明顯;TN范圍為0.15—1.14 g/kg,均值為0.34 g/kg,不同類型濕地土壤0—10 cm表層TN含量差異較大(圖2);TP為0.59—1.96 g/kg,均值為0.86 g/kg,各濕地有SOC、TN、TP變異系數(shù)分別為21.36%、37.38%、12.30%。垂直剖面上,土壤SOC、TN和TP含量均隨土層深度增加呈現(xiàn)垂直波動減小的變化規(guī)律(圖1)。除昭君島季節(jié)性積水濕地、昭君島常年積水濕地SOC含量垂直方向上下降趨勢不太明顯外,其他四個濕地的SOC含量下降趨勢均較大,并且不同層次土壤SOC含量差異顯著,峰值出現(xiàn)在0—10 cm土層,同一區(qū)域常年積水性濕地SOC含量高于季節(jié)性積水性濕地。TN含量在小白河季節(jié)性積水區(qū)、四道沙河常年積水區(qū)、南海子常年積水區(qū)樣地各土層間差異性顯著,在昭君島季節(jié)性積水區(qū)、昭君島常年積水區(qū)、南海子季節(jié)性積水區(qū)各土層間差異不顯著;除南海子季節(jié)性積水區(qū)外,各濕地TN含量峰值出現(xiàn)在0—10 cm土層,同一區(qū)域常年積水型濕地TN含量顯著高于季節(jié)性積水型濕地。TP含量在小白河季節(jié)性積水區(qū)、四道沙河常年積水區(qū)、南海子常年積水區(qū)樣地0—10 cm土層較高,在其他各樣地各層間差異性不顯著。
表3 不同類型濕地0—60 cm土層土壤SOC、TN、TP及其統(tǒng)計學特征
圖中字母表示同列不同樣地間差異顯著(P<0.05)
圖2 不同類型濕地土壤有機碳、全氮及全磷的空間分布特征Fig.2 The spatial distribution characteristics of soil TOC, TN and TP in different wetlands圖中不同字母表示同一樣地不同土層間差異顯著(P<0. 05);Y1: 昭君島季節(jié)性積水型濕地;Y2: 昭君島常年積水區(qū)型濕地;Y3: 小白河季節(jié)性積水型濕地;Y4: 四道沙河常年積水型濕地;Y5: 南海子季節(jié)性積水型濕地;Y6: 南海子常年積水型濕地
包頭黃河濕地土壤C、N、P化學計量比在不同類型濕地間存在顯著差異(P<0.05)(表4)。整體而言,包頭黃河濕地土壤碳氮比(C/N)為18.26—36.02,均值為25.39,四道沙河常年積水濕地C/N顯著高于其他濕地;土壤碳磷比(C/P)為4.99—8.84,均值9.26,、昭君島季節(jié)性積水濕地、四道沙河常年積水濕地、南海子常年積水濕地C/P顯著高于其他濕地;包頭黃河濕地的氮磷比(N/P)整體偏低,范圍在0.2—0.39之間,均值為0.37,昭君島季節(jié)性積水濕地、昭君島常年積水濕地、南海子常年積水區(qū)濕地N/P顯著高于其他濕地。
表4 不同濕地土壤的C/N、C/P、N/P的比值
數(shù)據(jù)為平均值土標準差,同行不同字母表示差異顯著(P<0. 05)
土壤理化性質(zhì)通過影響植物群落的生長和演替,進而影響土壤中各元素的含量及其分布[24]。由表4獲知,包頭黃河濕地土壤SOC僅與N/P不相關(guān)(P>0.05),與其他碳氮磷化學計量特征具有極顯著正相關(guān)性(P<0.01);TN與SOC、TP、N/P和C/P具極顯著正相關(guān)(P<0.01),與C/N相關(guān)性不顯著;TP與SOC、TN、C/N和C/P呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與N/P相關(guān)性不顯著。樣地土壤物理性質(zhì)與土壤C、N、P化學計量比之間均表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。土壤含水量與SOC、TN、TP、C/N和C/P呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與N/P相關(guān)性不顯著;土壤pH與SOC、TN、TP、C/N、N/P呈顯著負相關(guān)(P<0.05),和C/P呈極顯著負相關(guān)(P<0.01);土壤容重和TP、C/N呈極顯著負相關(guān)(P<0.01),與其他化學計量特征之間負相關(guān),但相關(guān)性不顯著。
表5 土壤TN、TP、C/N、C/P、N/P與土壤理化因子的相關(guān)性
** 在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。* 在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)
將包頭黃河濕地0—60 cm土層中的TN、SOC、TP、C/N、C/P和N/P與中國淋溶土壤、中國干旱土壤、中國沼澤濕地土壤以及黃河沿線的其他典型濕地進行比較。結(jié)果表明,包頭市黃河濕地土壤的TN含量、C/P和N/P值,低于中國淋溶土、中國干旱土、中國沼澤濕地和其他典型濕地的平均值;TP含量和C/N值高于中國淋溶土、中國干旱土、中國沼澤濕地和其他典型濕地的平均值;而其SOC含量為11.20 g/kg,遠高于黃河三角洲和寧夏濕地的SOC含量(表6)。
表6 包頭黃河濕地土壤中C、N、P含量及其比值與國內(nèi)其他濕地的比較
Table 6 The comparison of contents of C, N, P in the soil and their ratios of the Yellow River wetlands in Baotou and other wetlands in China
濕地名稱Wetland nameTN/(g/kg)SOC/(g/kg)TP/(g/kg)C/NC/PN/P土壤深度Soil depth/cm參考文獻References黃河三角洲Yellow River Delta0.47—1.274.33—7.740.43—0.636.71—12.3125.762.09表層[14-17]寧夏濕地Ningxia plain0.908.60.4310.28—12.8718.68—25.221.55—2.140—40[25]中國淋溶土壤China mollisols———12.1±0.2463.5±2.65.46±0.290—10[26]中國干旱土壤China aridisols11.24±0.2229.0±1.82.60±0.150—10[26]中國沼澤濕地Chinese wetland———18.22±7.51245.22±227.5213.60±16.81[27]包頭黃河濕地Yellow River in Baotou0.42 11.20 0.98 25.39 9.26 0.37 0—60本研究
C、N、P不僅是表征土壤肥力水平的重要元素,在探究限制土壤生產(chǎn)力元素平衡和生物系統(tǒng)能量平衡過程中也起著重要作用[28-29]。生態(tài)系統(tǒng)中C、N、P等元素的循環(huán)是相互耦合,相互平衡的[30],在相對穩(wěn)定的條件下,生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)元素的儲量以及化學計量特征是由質(zhì)量守恒原理和其他關(guān)鍵元素(如氮、磷等)的供應控制的[31]。土壤C、N、P化學計量特征因受到地貌、氣候、植被、土壤動物和人類活動的多因素影響,外加包頭黃河濕地供水主要依賴于黃河干流的供給或其滲漏地下水的補給,以及黃河河床對地下水的側(cè)向補給,環(huán)境均一性較差,故其土壤C、N、P空間變異性較大[32]。本研究中SOC、TN含量在不同類型濕地0—10 cm土層含量均顯著高于其他土層,且隨著土層深度增加垂直方向上呈波動減少趨勢,二者含量具明顯的“表聚性”和一定范圍內(nèi)的“相隨性”,在剖面上呈現(xiàn)出“倒金字塔”的分布,這與前人的研究結(jié)果一致[12,33-34]。包頭黃河濕地植被大多數(shù)為一年生草本,植物根系多集中在0—20 cm,而土壤SOC、TN含量顯著受植被生物量、微生物呼吸作用以及植被根系分布深度的影響,地表豐富的生物量以及凋落物的分解均為表層土壤提供了充足的碳、氮源[35];此外,由于雨水淋溶以及水分作用,養(yǎng)分向土壤深層遷移擴散能力隨土壤深度增加而下降,從而導致不同類型濕地土壤SOC、TN含量隨土層加深而逐漸減小。包頭黃河濕地TP含量范圍在0.60—1.96 g/kg之間,含量較高,且TP含量在不同類型濕地垂直方向上變化不顯著,變異系數(shù)較低。Walker等[36]和Qu等[37]認為 P的循環(huán)屬于沉積型循環(huán),土壤中的P部分來自沉積巖中P的釋放,部分來自于枯枝落葉的分解,且主要由土壤母質(zhì)決定,而成土母質(zhì)來源于土壤礦物風化,0—60 cm土壤礦物風化程度差異不大,所以土壤TP含量的垂直遞減速率要遠慢于土壤SOC 和TN含量,導致土壤 TP具有相對穩(wěn)定的垂直分布,變異系數(shù)較小。
包頭黃河濕地常年積水性濕地(如:南海子常年積水區(qū)、四道沙河常年積水區(qū))的 SOC、TN、TP含量均顯著高于季節(jié)性類型濕地。常年積水性濕地植被生物量和凋落物量顯著大于季節(jié)性積水濕地,此外,常年積水型濕地植被類型以蘆葦、香蒲、酸模、大薊等多年生草本植物為主,屈凡柱等[4]認為,蘆葦沼澤濕地為高碳輸入低碳輸出,具有較高生產(chǎn)力,凋落物完全返還于土壤,而蘆葦較發(fā)達的根系也可以緩沖水分對氮素的沖刷和淋溶等;豆鵬鵬等[38]認為,比葉面積越大的植物, 單位質(zhì)量凋落物與水的接觸面積也就越大, 有利于氮和磷的溶出,從而影響土壤的碳氮磷含量;再加上本研究中,常年積水型濕地多處于淹水狀態(tài),厭氧環(huán)境減少了氮素流失,抑制有機質(zhì)分解,有利于土壤碳、氮儲存。
包頭黃河濕地因為受到黃河水分補給、黃河泥沙匯入、植被、水量鹽度差異以及包頭重工業(yè)的影響,使得其土壤C、N、P元素的循環(huán)和化學計量研究更為復雜。本研究中SOC與TN含量呈極顯著正相關(guān)(表4),這說明包頭黃河濕地中C、N源應該是一致的,主要來源于生物群落。包頭黃河濕地TN含量和SOC、TP、N/P和C/P具極顯著正相關(guān)(P<0.01),卻與C/N相關(guān)性不顯著,這和以往前人的研究大不相同[3,39-40]。分析認為,本研究中SOC、TN在各樣地土壤垂直層中的變化趨勢一樣,兩組數(shù)值相對平行性較高,弱化了TN與C/N的相關(guān)性,但是正是由于這樣的不相關(guān),以及TP與SOC、TN、C/N和C/P變現(xiàn)出來的極顯著正相關(guān)(P<0.01)性,說明限制包頭黃河濕地碳C、P有效循環(huán)的因素可能是N素的缺乏。土壤pH與SOC、TN、TP、C/N、N/P、C/P呈顯著負相關(guān)(P<0.05), pH值影響土壤微生物活性,間接影響化學元素在土壤中的固定、分解和積累效率。pH降低,土壤有機質(zhì)降解速率減緩,積累速率增加,反映了土壤C的累積,對應C/N比值升高,如果在淹水狀態(tài)下,微生物呼吸作用將消耗大量的P,導致土壤N/P、C/P比值升高,如四道沙河常年積水區(qū)和南海子常年積水區(qū)。
Paul和Clark[40]認為C∶N∶P比值是預測土壤養(yǎng)分限制性和有機質(zhì)分解速率的重要指標。土壤C/N是用來評價土壤N礦化能力和有機質(zhì)分解能力是否會受土壤N限制的重要指標。C/N<25,表明土壤有機質(zhì)腐殖化程度高,易于有機質(zhì)礦化,增加土壤有效氮,且有機質(zhì)的分解不會受到N的限制;反之,土壤微生物對有機質(zhì)的分解速率將受到N含量限制[17,40]。包頭黃河濕地C/N均值為25.39,顯著高于全國淋溶土(12.1)、干旱土(12.1)、全國沼澤濕地(18.22)以及其他黃河沿線濕地C/N值,N/P值僅為0.37,遠低于全國淋溶土(5.46)、干旱土(2.6)、沼澤濕地土(13.6)以及其他濕地土壤N/P的平均值,可以發(fā)現(xiàn)包頭黃河濕地土壤處于N限制狀態(tài)。對若爾蓋濕地土壤碳、氮、磷化學計量學的研究表明,土壤C/N、C/P、N/P均隨濕地退化而減小,較高的C/P與N/P<14揭示氮、磷元素均是影響植物生長的限制性因素,且受氮素限制高于磷素[41]。曾全超[42]對陜北地區(qū)不同緯度下5種典型植被區(qū)土壤生態(tài)化學計量指標研究發(fā)現(xiàn),高緯度區(qū)域的植被更易受N素限制,低緯度植被更易缺P。而大量關(guān)于土壤固定過程C/N比值研究表明[32,43],植物是陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤C、N的主要來源,而P含量主要取決于土壤母質(zhì)和巖石風化。本研究結(jié)果表明包頭黃河不同類型濕地土壤中C∶N∶P均值為69∶25∶1,該濕地生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分變化劇烈且具脆弱性。
內(nèi)蒙古包頭黃河濕地土壤SOC、TN和TP 含量平均值分別為11.20、 0.42、0.98 g/kg,與全國濕地、黃河沿線濕地相比,其土壤中SOC、TP含量較高,TN含量較低。SOC與TN、TP含量都呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤SOC、 TN含量幾乎在垂直方向上均表現(xiàn)出波動減小的趨勢,二者含量具有明顯的“相隨性”和“表聚性″。TP含量變化穩(wěn)定,除了2個常年積水型濕地(四道沙河常年積水區(qū)、南海子常年積水區(qū))0—10 cm土層TP含量明顯高于其他濕地各土層外,其他濕地的TP含量在垂直剖面上差異不大;總體上,包頭黃河濕地土壤TN含量變異系數(shù)較高,SOC、TP含量變異系數(shù)較低。
包頭黃河濕地含水量與SOC、TN、TP、C/N、C/P含量極顯著負相關(guān)(P<0.01),與N/P不相關(guān)。土壤容重和TP、C/N極顯著負相關(guān)(P<0.01),與其他不相關(guān)。SOC、TP與C/N、C/P極顯著正相關(guān),與N/P不相關(guān);TN含量與C/P、N/P極顯著正相關(guān),與C/N不相關(guān)。與中國淋溶土、中國干旱土、中國沼澤濕地以及黃河沿線其他濕地相比,包頭黃河濕地土壤C/N較高,為25.39,不利于微生物分解作用;C/P、N/P分別為9.26、0.37,TP含量較高,但是P有效性卻較低,TN含量及其有效性可能是限制包頭黃河濕地土壤碳、氮、磷等元素循環(huán)及其生態(tài)化學計量特征的關(guān)鍵因子。