不同生態(tài)保護地植物特征和土壤性質(zhì)的對比研究
——以黑河中游濕地為例

張曉雅,趙銳鋒,2,*,張麗華,趙海莉,鄒建榮,周遠剛,趙 敏,王園博

1 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,蘭州 730070 2 甘肅省土地利用與綜合整治工程研究中心,蘭州 730070 3 張掖國家濕地公園管委會,張掖 734000

濕地是地球上水陸相互作用形成的獨特生態(tài)系統(tǒng),是生物多樣性的搖籃以及人類賴以生存的環(huán)境之一[1],其在蓄水、固碳和維持生物多樣性等方面具有重要的生態(tài)服務(wù)價值[2]。由于氣候變暖和人類活動干擾,濕地正以驚人的速度退化,嚴重影響植物群落、土壤、水文乃至整個濕地生態(tài)系統(tǒng)的平衡,威脅區(qū)域生態(tài)安全及社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[3- 4]。為了緩解濕地退化帶來的負面影響,世界各國積極采取各種保護措施,保護濕地的一種方法是將濕地周圍的區(qū)域指定為受保護區(qū)域[5]。

從國際保護區(qū)到地方重要性保護區(qū),存在許多不同類型的保護地,如中國[6]、意大利[4]、埃塞俄比亞[7]和美國[8]分別成立濕地自然保護區(qū)、濕地公園、國家公園來保護土壤性質(zhì)、淡水生態(tài)系統(tǒng)、大型無脊椎動物和鳥類、濕地植被等。在濕地生態(tài)保護中,植物特征與土壤性質(zhì)之間的關(guān)系是一個關(guān)鍵問題[6],因此了解特定生態(tài)系統(tǒng)中植物土壤間關(guān)系,對于類似區(qū)域的管理和開發(fā)中具有應(yīng)用價值。此外對不同生態(tài)保護地之間的對比研究在生態(tài)學(xué)與管理學(xué)方面有重要意義,首先通過研究我們可以了解保護地對濕地生態(tài)環(huán)境的重要性并有效地進行濕地保護[5]；其次濕地保護管理者可以根據(jù)不同保護情況制定管理計劃,提高濕地保護水平[9]。但是關(guān)于保護地類型如何影響生物多樣性、土壤性質(zhì)及二者關(guān)系的信息較少[5]。因此,學(xué)者對不同生態(tài)保護地之間的土壤性質(zhì)、生物多樣性及二者關(guān)系的差異研究相繼展開。

國內(nèi)外學(xué)者對濕地自然保護區(qū)和濕地公園的土壤養(yǎng)分、土壤理化性質(zhì)、大型無脊椎動物和鳥類多樣性、水體植物多樣性和重金屬含量進行對比研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)美國大沼澤地國家公園的土壤總磷含量較高,這與保護區(qū)和公園水文狀況有關(guān)[10]；而加拿大艾伯塔省的土壤理化特征在兩者間無顯著差異[11]；埃塞俄比亞濕地自然保護區(qū)的大型無脊椎動物和鳥類多樣性均較高,大型無脊椎動物多樣性受人類干擾、水溫、pH的影響,鳥類多樣性受植被覆蓋、養(yǎng)分的影響[7]；鄱陽湖濕地國家級自然保護區(qū)植物多樣性較豐富,濕地公園水體重金屬含量高,這與人工采砂活動干擾、人工過多捕魚有關(guān)[12]。此外,研究發(fā)現(xiàn)植被土壤關(guān)系隨保護地的不同而有差異。如研究人員在南歐意大利海岸自然保護區(qū)研究發(fā)現(xiàn)由于土壤鹽度增加造成水生植物多樣性的喪失[4],而在中國輝河濕地國家級自然保護區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)土壤全氮、全磷及含水量顯著影響植物多樣性[13]；段凱祥等[14]在嘉峪關(guān)市草湖國家濕地公園發(fā)現(xiàn)土壤水分含量和植被蓋度具有正相關(guān)性,而王繼偉等[15]在蘭州秦王川國家濕地公園研究發(fā)現(xiàn)土壤鹽分和植物蓋度呈負相關(guān)。確定保護區(qū)類型對生物多樣性、土壤性質(zhì)及二者關(guān)系的影響對于理解生態(tài)系統(tǒng)過程具有重要意義。

中國政府為了保護濕地,基本形成了以濕地自然保護區(qū)為主體,濕地公園等相結(jié)合的濕地保護網(wǎng)絡(luò)體系[16]。由于干旱區(qū)濕地獨特的地理位置和生態(tài)環(huán)境,使得干旱和半干旱地區(qū)的濕地被全球公認為需要優(yōu)先保護[17]。黑河中游濕地是典型的干旱內(nèi)陸河流濕地,在黑河流域乃至河西走廊生態(tài)平衡中發(fā)揮著至關(guān)重要的生態(tài)作用,然而在過去的幾十年里,受自然和人為作用的雙重影響,濕地生態(tài)系統(tǒng)呈逐年退化和破碎化趨勢[18],已經(jīng)引起了政府和學(xué)者的高度關(guān)注,實施了一系列濕地保護和恢復(fù)工程,并先后獲批建設(shè)了張掖國家濕地公園和張掖黑河濕地國家級自然保護區(qū)[19]。相應(yīng)的科學(xué)研究也大量展開,目前對兩種保護地的研究主要集中在動物多樣性[20]、土壤性質(zhì)[9,21- 22]、植物群落特征及其與土壤因子的關(guān)系[23- 24]等方面,而沒有涉及到二者的對比研究。為此,本文選擇黑河中游張掖國家濕地公園和張掖黑河濕地國家級自然保護區(qū)為研究對象,通過野外調(diào)查和采樣來明確兩種生態(tài)保護地的植物特征、土壤性質(zhì)及植物土壤關(guān)系的差異。我們假設(shè)：(1)自然保護區(qū)有利于維護植物物種多樣性；(2)濕地公園有利于改善植物生長狀態(tài)和土壤性質(zhì)；(3)兩種生態(tài)保護地中影響植物特征的土壤因子是不同的。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑河中游地區(qū)(98°57′—100°52′ E,38°39′—39°59′ N),該區(qū)屬于典型的溫帶大陸性氣候,干旱少雨且蒸發(fā)強烈,日照充足。土壤類型以灰棕漠土和灰漠土為主,主要植物有蘆葦(Phragmitesaustralias)、拂子茅(Calamagrostisepigeios)、賴草(Leymussecalinus)等。其中張掖黑河濕地國家級自然保護區(qū)(簡稱自然保護區(qū),Nature Reserve, NR)是在2011年4月由國務(wù)院批準建立的,位于鶯落峽和正義峽之間,總面積約為41164.56 hm2,主要保護對象為我國西北典型內(nèi)陸河流濕地、水域生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性、西北荒漠區(qū)的綠洲植被[19,25]。張掖國家濕地公園(簡稱濕地公園,Wetland Park, WP)自2009 年12月被國家林業(yè)局批復(fù)為國家濕地公園,位于張掖市甘州區(qū)城郊北部、黑河?xùn)|側(cè),與市區(qū)緊密相連,總面積約為4133.3 hm2,主要保護對象為濕地水量、水禽棲息地、濕地生物多樣性、濕地植被、并且堅持以生態(tài)保護為主,合理適度開發(fā)旅游項目,發(fā)展生態(tài)體驗、科普教育、休閑健身等旅游項目[19]。自然保護區(qū)以保護自然資源為主,而濕地公園不僅是為了保護自然資源,還為了保護給人類以可以直接利用的景觀、休閑、旅游、教育空間。自然保護區(qū)主要依靠自然過程恢復(fù),較少人為參與管理,濕地公園有人為引水灌溉、施肥、栽種植物如蘆葦、并伴有刈割等管理行為,有移除表層土壤,建造護堤、改造土層結(jié)構(gòu)的活動,從干擾強度來看,濕地公園大于濕地自然保護區(qū)(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Sketch map of the location of the study area WP: 濕地公園 Wetland park; NR: 自然保護區(qū)Nature reserve

1.2 采樣和分析方法

2017年7—8月對黑河中游濕地植被和土壤進行全面綜合考查,由于自然保護區(qū)和濕地公園面積差異較大,為了盡量保證樣方均勻分布于自然保護區(qū)和濕地公園的典型生境,進而全面客觀的反映自然保護區(qū)和濕地公園的植物和土壤特征,在自然保護區(qū)內(nèi)沿河流大致以 5 km為間距設(shè)置樣地,使得樣地盡可能均勻分布,最終設(shè)置調(diào)查樣地19個,在濕地公園典型生境按照道路分布情況設(shè)置調(diào)查樣地4個。根據(jù)群落特征在各個樣地內(nèi)設(shè)置 1 m×1 m 草本樣方或 30 m×30 m 喬灌木樣方,最終在自然保護區(qū)和濕地公園分別設(shè)置樣方73個和25個。同步進行植物與土壤采樣,記錄樣方的基本狀況如經(jīng)緯度、海拔等,以及群落學(xué)特征如物種種類、數(shù)量、株高、冠幅等。沿樣方對角線用環(huán)刀法均勻按0—10、10—20 cm和20—40 cm進行分層采樣各取3份裝入鋁盒并稱鮮重,另取一份均勻混合好的土樣裝袋并標號,帶回室內(nèi)測定土壤物理化學(xué)性質(zhì)。

在實驗室中,土壤樣品在常溫下風(fēng)干、碾碎,依次通過1、0.250 mm和0.149 mm的篩子去除動、植物殘體和礫石等物質(zhì)。土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化法測定；總氮采用凱氏定氮法測定；總磷采用硫酸-高氯酸消煮法測定；速效氮采用流動分析儀(SKALAR 8505)測定；速效磷采用雙酸浸提-鉬銻抗比色法測定[21]；速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度法測定；容重和土壤含水量采用烘干法測定,在105℃烘箱中烘48h；pH值采用PHS- 3C酸度計(土水比1∶5)測定；土壤鹽分采用重量法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用總蓋度、總多度和平均高度來表征植物生長狀態(tài)?？偵w度指樣方內(nèi)各物種蓋度之和,總多度指樣方內(nèi)各物種數(shù)量之和,平均高度是樣方內(nèi)所有物種高度的平均值。常見物種是指在樣地內(nèi)40%或者以上的樣方中出現(xiàn)的物種。優(yōu)勢物種是指在樣地內(nèi)覆蓋率達20%或以上的物種[26]。植物群落的Patrick豐富度指數(shù)(R),Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Pielou均勻度指數(shù)(E)均可用來表征物種多樣性特征,其中R代表一個群落或生境中物種數(shù)目的多寡；H代表群落物種個體出現(xiàn)的不穩(wěn)定性,包括種類的數(shù)目和種類中個體分配均勻性兩個因素；E代表群落中全部物種個體數(shù)的分布狀況,計算公式如下[27]：

Patrick豐富度指數(shù)(R)：

R=S

Pielou均勻度指數(shù)(E)：E=H/lnS

式中,Pi為物種i的重要值(相對高度+相對多度+相對蓋度)/3,S為物種i所在樣方的物種總數(shù)。

在進行統(tǒng)計分析之前轉(zhuǎn)換所有數(shù)據(jù)以滿足正態(tài)性標準和方差同質(zhì)性檢驗。使用Duncan多重比較的單因素方差分析評估土壤性質(zhì)和植物多樣性的差異性。使用Pearson相關(guān)分析來比較不同生態(tài)保護地下土壤性質(zhì)和植物多樣性之間的關(guān)系。顯著差異均在0.05水平上評估。所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析均使用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進行,采用Origin 2017軟件繪圖。

2 結(jié)果

2.1 不同生態(tài)保護地的植物特征

2.1.1不同生態(tài)保護地的植物組成

調(diào)查結(jié)果顯示,在濕地公園和自然保護區(qū)中共出現(xiàn)了植物30科70屬99種,包括4種喬木,5種灌木,4種半灌木,86種草本植物,禾本科(Gramineae)、菊科(Compositae)和藜科(Chenopodiaceae)的物種較多,分別占物種總數(shù)的16.16%、13.13%和12.12%。其中濕地公園出現(xiàn)物種46種,隸屬于18科41屬,占物種總數(shù)的46.46 %,自然保護區(qū)出現(xiàn)物種80種,隸屬于24科55屬,占物種總數(shù)的80.81%,兩種保護地中的共有種有27種?？梢钥闯鲎匀槐Ｗo區(qū)中的植物科屬種均高于濕地公園(圖2)。

圖2 不同生態(tài)保護地的植物科屬種組成Fig.2 Composition of plant species in different ecological protection areas

由表1可知,自然保護區(qū)的優(yōu)勢物種主要以多年生草本、灌木或小喬木為主,既有鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)、水蔥(Scirpusvalidus)、中間型荸薺(Heleocharisintersita)等對水分需求相對高的多年生草本植物,也有賴草等中旱生多年生草本,還有密花檉柳(Tamarixarceuthoides)、多花檉柳(Tamarixramosissima)、線葉柳(Salixwilhelmsiana)等對環(huán)境適應(yīng)性較強的灌木或小喬木；濕地公園的優(yōu)勢物種主要以需水性一年生和多年生草本為主。自然保護區(qū)的常見物種以多年生草本為主,既有蓼子樸(Inulasalsoloides)、小薊(Cirsiumsetosum)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、披堿草(Elymusdahuricus)等中旱生植物,又有小香蒲(Typhaminima)、長苞香蒲(Typhaangustata)、澤瀉(Alismagramineum)等沼生或水生草本；濕地公園的常見物種主要為蘆葦、灰綠藜(Malvaverticillata)、扁稈藨草(Scirpusplaniculmis)、沼生柳葉菜(Epilobiumpalustre)等需水性較強的多年生草本。

2.1.2不同生態(tài)保護地的植物生長狀態(tài)

由圖3可知,濕地公園和自然保護區(qū)的植物高度和多度存在顯著差異(P<0.05),濕地公園中的植物高度(89.46±10.05)cm顯著高于自然保護區(qū)(33.61±3.30)cm,而自然保護區(qū)的單位面積植被多度(440.41±63.03)顯著高于濕地公園(122.72±14.82)。植物蓋度在兩種保護地下無顯著差異(P>0.05)。

表1 不同生態(tài)保護地的植物優(yōu)勢物種和常見物種

2.1.3不同生態(tài)保護地的物種多樣性

由圖4可知,濕地公園和自然保護區(qū)中的物種多樣性指數(shù)變化趨勢一致,兩種保護地下的Patrick豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)均存在顯著差異(P<0.05),且自然保護區(qū)中的值較高。自然保護區(qū)中的Patrick豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)分別為6.74±0.41、1.31±0.05和0.76±0.02,濕地公園中的分別為4.24±0.33、0.88±0.09和0.61±0.05。

圖3 不同生態(tài)保護地的植被生長狀態(tài)Fig.3 The state of vegetation growth in different ecological protection areas方框圖：第5、25、75和95百分位數(shù)繪制為帶有誤差線的垂直方框,黑點表示平均值,實線表示中位數(shù);不同保護地之間的顯著差異用符號表示如下：*** P <0.001,*** P <0.01,* P <0.05; ns(無顯著差異)

圖4 不同生態(tài)保護地的物種多樣性Fig.4 The state of vegetation growth in different ecological protection areas方框圖：第5、25、75和95百分位數(shù)繪制為帶有誤差線的垂直方框,黑點表示平均值,實線表示中位數(shù);不同保護地之間的顯著差異用符號表示如下：*** P <0.001,*** P <0.01,* P <0.05; ns(無顯著差異)

2.2 不同生態(tài)保護地的土壤性質(zhì)

2.2.1不同生態(tài)保護地的土壤水分、鹽分、容重和pH值

由圖5可知,在0—10、10—20 cm和20—40 cm土層,土壤水分含量和鹽分含量在兩種保護地之間沒有顯著差異(P>0.05),土壤容重和pH值在自然保護區(qū)中顯著高于濕地公園(P<0.05)。自然保護區(qū)土壤鹽分在不同土層有顯著差異,兩種保護地土壤容重均在不同土層有顯著差異(P<0.05),而兩種保護地土壤水分含量和pH值在不同土層均沒有統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)。兩種保護地土壤鹽分含量隨土層深度增加而降低,土壤容重和pH值隨土層深度增加而增加。

圖5 不同生態(tài)保護地下的土壤含水量、鹽分、容重、pH值Fig.5 Soil moisture, salinity, bulk density and pH value under different ecological protection ares誤差線為標準誤差；小寫字母表示同一土層不同保護地之間的顯著差異,大寫字母表示同一保護地不同土層之間的顯著差異(P<0.05)

2.2.2不同生態(tài)保護地的土壤碳、氮、磷和鉀

由圖6可知,在0—10、10—20 cm和20—40 cm土層,土壤有機碳、全氮、速效氮、全磷和速效鉀含量在濕地公園顯著高于自然保護區(qū)(P<0.05),而速效磷含量在兩種保護地之間沒有顯著差異(P>0.05)。兩種保護地下的土壤有機碳在不同土層均有顯著差異,自然保護區(qū)土壤的全氮、速效氮、全磷和速效鉀含量在不同土層有顯著差異(P<0.05),而兩種保護地下土壤的速效磷含量在不同土層均沒有統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)。兩種保護地下的土壤養(yǎng)分都隨深度增加而降低。

圖6 不同生態(tài)保護地的土壤碳、鉀、氮、磷Fig.6 Soil carbon, potassium, nitrogen and phosphorus in different ecological protection areas誤差線為標準誤差；小寫字母表示同一土層不同保護地之間的顯著差異,大寫字母表示同一保護地不同土層之間的顯著差異(P<0.05)

2.3 不同生態(tài)保護地植物特征與土壤性質(zhì)的關(guān)系

由表2可知,在濕地公園中,植物蓋度與土壤鹽分、速效氮和速效鉀呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)。植物高度與土壤pH值和速效磷呈顯著負相關(guān),與含水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。植物多度與土壤速效磷呈顯著負相關(guān)。豐富度指數(shù)與速效氮呈顯著負相關(guān)。多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)受全磷和速效磷的影響顯著。在自然保護區(qū)中,植物蓋度和高度與土壤水分、有機碳和全氮呈極顯著正相關(guān),與土壤容重和pH值呈極顯著負相關(guān)。多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)與鹽分呈顯著負相關(guān)(表2)。

表2 不同生態(tài)保護地的植物特征和土壤性質(zhì)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)

* 表示 0.05 水平上的顯著性,** 表示 0.01 水平上的顯著性；土壤因子：WC：土壤水分含量Water content；BD：容重Bulk density；SA：鹽分Salinity；pH：酸堿度；SOC：土壤有機碳Soil organic carbon；TN：全氮Total nitrogen；TP：全磷Total phosphorus；AP：速效磷Available phosphorus；AN：速效氮Available nitrogen；AK：速效鉀Available potassium

3 討論

3.1 不同生態(tài)保護地植物多樣性的變化

濕地保護與恢復(fù)可以為濕地物種創(chuàng)造可持續(xù)生長的條件[28]。本文研究結(jié)果表明,自然保護區(qū)的植物多度和物種多樣性顯著高于濕地公園。這與多數(shù)學(xué)者研究結(jié)果一致,較少人為參與有利于維護物種多樣性和群落結(jié)構(gòu)[29],人為干擾較強會降低物種多樣性[30]。濕地公園給人類提供科普教育、觀光游憩、生態(tài)體驗等服務(wù)功能,較強的人為干擾能對濕地公園產(chǎn)生明顯影響, 使植被多度和物種多樣性發(fā)生不同程度的變化[31],例如游客的反復(fù)踐踏可造成地上植物的部分損壞或死亡, 進而使?jié)竦毓珗@植物的多度衰減[32]；人為活動增加了植物物種之間的競爭力,最終使具有較強適應(yīng)能力的物種得以生存,導(dǎo)致物種多樣性減少[33]。自然保護區(qū)原則上只有實驗區(qū)能選擇性的開展參觀旅游等不破壞自然環(huán)境的活動,其核心區(qū)和緩沖區(qū)禁止人為活動,這就使得接近自然的棲息地得以保護,從而物種多樣性得到保護[34]。濕地公園通過移除土壤表層,用來建造護堤形成洼地,使土壤種子庫中存活的種子被大量移走[26],降低了種子庫在物種多樣性方面的潛力。濕地公園有人為大量種植蘆葦,使植被種類趨于簡單。此外,濕地公園土壤養(yǎng)分含量較高,隨著土壤肥力的增加,富有競爭力的物種如蘆葦?shù)仍诃h(huán)境中占優(yōu)勢,群落中的優(yōu)勢種在養(yǎng)分等資源競爭上勝過別的植物,使其獲得的生存空間和養(yǎng)分較少,從而導(dǎo)致植物多樣性較低[35]。因此,物種多樣性的差異可能是受旅游干擾、移除土壤表層和養(yǎng)分含量的影響所致。

本文研究結(jié)果顯示,濕地公園的植物高度顯著高于自然保護區(qū),表明濕地公園對物種的生長發(fā)育有一定促進作用。雖然濕地公園有定期施肥,但研究表明植物多樣性與土壤有機質(zhì)積累和養(yǎng)分濃度等指標之間沒有關(guān)系,施肥并不會顯著地改變物種多樣性[30],施肥、充足的養(yǎng)分卻可以有效促進植物的生長繁殖,適當?shù)娜斯す芾砜梢源龠M植物生長發(fā)育[9],保證濕地景觀。其次,濕地公園有人工移植蘆葦,蘆葦在水分條件充足時極易形成較高且連片的蘆葦群落,而自然保護區(qū)植被大部分是低矮的草本植物,這使得公園植物高度較高。另外,本研究中土壤pH呈堿性且自然保護區(qū)中的值高于濕地公園,土壤pH值高時不利于植物生長發(fā)育[22,36]。因此,植物高度的差異是受施肥、植物移植和土壤pH等的影響所致。

3.2 不同生態(tài)保護地土壤性質(zhì)的變化

3.2.1不同生態(tài)保護地土壤容重、水分、鹽分和pH的變化

土壤容重是衡量土壤物理性質(zhì)和孔隙度的重要指標,影響著土壤的透水性[37]。本文研究結(jié)果表明,濕地公園的土壤容重顯著低于自然保護區(qū)。濕地公園所在區(qū)域進行建設(shè)前為退耕地,土壤容重差異受濕地保護前土地利用方式的影響,耕作、播種農(nóng)業(yè)實踐對土壤擾動大,導(dǎo)致土質(zhì)疏松,土壤孔隙度增加,土壤容重降低,另外施用有機肥使土壤中有機質(zhì)含量增加,有利于大團聚體的形成,增加土壤孔隙度,從而降低土壤容重[38]。濕地公園中有人為澆灌,有研究發(fā)現(xiàn)土壤容重與土壤水分負相關(guān)[39],這可能是造成土壤容重差異的另一個原因。濕地水文條件在濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能中有著關(guān)鍵作用。本文研究結(jié)果表明,土壤水分含量和鹽分含量在兩種保護地之間沒有顯著差異,這與Roy等[11]的研究結(jié)果相似。

土壤酸堿度是土壤重要的化學(xué)性質(zhì)之一,與植物生長和土壤肥力緊密相關(guān)[36]。本文研究結(jié)果表明,pH值呈堿性且濕地公園顯著低于自然保護區(qū)。濕地公園有旅游干擾如游客踐踏和亂扔垃圾等行為,而局部微環(huán)境和外來物質(zhì)的變化會引起土壤酸堿度的改變,這在一定程度上降低了土壤pH值[40]。濕地公園常伴有人工灌溉,區(qū)域內(nèi)有流水可見,當堿性土壤長期處于漬水環(huán)境時,土壤pH值會降低[41]。濕地公園有機碳含量較高,土壤有機碳含量增加會影響土壤中的陽離子,從而降低土壤pH值[42]。此外,本研究中的濕地公園位于自然保護區(qū)上游,越往下游土壤鹽分含量越高,而自然狀態(tài)下鹽堿土的堿度隨著鹽分積累而增加,所以自然保護區(qū)pH值較高。因此,土壤pH值的差異是受旅游干擾、人為澆灌、地理位置和有機碳含量等的影響所致。

3.2.2不同生態(tài)保護地土壤有機碳、氮和磷的變化

濕地土壤有機碳和氮含量是衡量濕地土壤質(zhì)量的良好指標[43]。本文研究結(jié)果顯示,濕地公園的土壤有機碳、全氮和速效氮含量顯著高于自然保護區(qū)。有研究發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果,人為參與有助于土壤有機碳和氮的積累[44]。濕地公園恢復(fù)前為耕地,有人為施肥殘留及定期噴藥等管理措施導(dǎo)致濕地公園的土壤有機碳、總氮和速效氮高于自然保護區(qū)[45]。濕地公園有人為種植蘆葦,有學(xué)者在研究濕地不同植物的土壤氮含量時發(fā)現(xiàn),與蘆葦相對應(yīng)的土壤氮含量最高[46]。濕地公園在植物生長狀況方面顯著好于自然保護區(qū),恢復(fù)濕地土壤氮素增減受植物生長情況影響[47]。因此土壤有機碳和氮含量的差異是受濕地保護前土地利用方式、人為施肥、植物生長狀況等的影響所致。

濕地土壤磷含量變化顯著影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[48]。研究結(jié)果顯示,濕地公園的土壤全磷含量顯著高于自然保護區(qū),這與Cohen等[10]、Barrico等[34]的研究結(jié)果相同。濕地公園大量的除草、噴藥等管理措施,極易導(dǎo)致殘余化學(xué)物質(zhì)流入水體造成污染,干擾強烈的區(qū)域水體具有較高的總氮和總磷含量[49],植物在生長過程中吸收水分導(dǎo)致植物具有較高的氮磷含量,而土壤中的磷主要來自植物殘體的輸入和成土母巖的風(fēng)化作用[46],這導(dǎo)致濕地公園土壤磷含量較高。濕地公園土壤碳氮含量高于自然保護區(qū),濕地土壤有機碳、氮和磷相互之間有著密切的聯(lián)系,通常當土壤有機碳含量高時,土壤氮磷含量也較高[37]。濕地公園有可能部分受以前耕地施肥殘留及人類廢棄物的影響出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象使土壤磷含量較高。此外,本研究中濕地公園的優(yōu)勢物種為蘆葦,蘆葦?shù)耐寥懒缀扛哂谄渌麧竦刂参颷46]。因此,濕地土壤碳氮磷之間的聯(lián)系、耕地施肥殘留等是導(dǎo)致濕地公園和自然保護區(qū)土壤磷含量差異的因素。

3.3 不同生態(tài)保護地土壤性質(zhì)與植物多樣性的關(guān)系

濕地物種多樣性與土壤性質(zhì)之間的關(guān)系在濕地生態(tài)系統(tǒng)的特征和穩(wěn)定性中起著重要作用[35]。本文研究結(jié)果表明,影響濕地公園和自然保護區(qū)物種多樣性的土壤因子不同。濕地公園中多樣性指數(shù)主要受全磷和速效磷的影響顯著,自然保護區(qū)中多樣性指數(shù)主要受鹽分的影響,這與多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果一致[13]。濕地公園中植物多度與土壤速效磷呈顯著相關(guān),自然保護區(qū)中植物多度與土壤因子無顯著相關(guān)性,這可能是由于濕地公園有施肥影響所致。

公園和保護區(qū)的植被特征與土壤性質(zhì)之間關(guān)系的不同可能是由于土壤性質(zhì)具有空間變異性[6]。人為活動會改變植物和土壤性質(zhì),因此人為干擾的差異也是影響濕地物種多樣性與土壤性質(zhì)之間關(guān)系不一致的原因[13]。土壤養(yǎng)分影響植物生長,土壤養(yǎng)分的差異會導(dǎo)致其與植物特征的關(guān)系不同[35]。也有學(xué)者認為物種多樣性是地理環(huán)境、土壤環(huán)境和干擾強度等因素共同作用的結(jié)果[50]。

3.4 對濕地保護和管理的啟示

濕地公園和自然保護區(qū)的植物特征和土壤性質(zhì)差異明顯,這是因為不同生態(tài)保護地的管理方式以及干擾強度不一致。從保護濕地景觀角度看,濕地公園有利于植物生長發(fā)育[10,34],良好的植物生長狀態(tài)又有利于吸引更多游客觀賞,從而提高濕地公園的收入。自然保護區(qū)的植物生長狀態(tài)較差,且保護區(qū)選擇性的開展參觀旅游活動,這對保護區(qū)帶來的收益較少。從維護物種多樣性角度看,自然保護區(qū)較少人為參與有利于維護物種多樣性,從而更好的維護植物群落結(jié)構(gòu)[29,32]。濕地公園由于人工傳統(tǒng)管理實踐和游客活動等干擾,使物種多樣性較低,植物群落結(jié)構(gòu)較單一,導(dǎo)致群落受外界影響大、自我調(diào)節(jié)能力弱、穩(wěn)定性差,不利于植物群落結(jié)構(gòu)的維護[9]。從土壤養(yǎng)分固存和土壤質(zhì)地改善角度看,濕地公園有利于保護土壤性質(zhì),自然保護區(qū)在土壤固碳、固氮等方面的成效不佳,這可能與濕地公園保護前土地利用方式、噴藥、濕地土層結(jié)構(gòu)改造等有關(guān)。綜上所述,濕地公園的植物生長狀態(tài)和濕地景觀較好,有利于土壤養(yǎng)分固存和土壤質(zhì)地的改善,并且滿足公眾需要和社會經(jīng)濟發(fā)展的需要,在管理保護過程中需要人工干預(yù),不斷的進行引水澆灌、栽種植等管理行為,需要投入大量人力物力。自然保護區(qū)有利于維護物種多樣性和植物群落結(jié)構(gòu),在保護過程中不需要使用大量的人力進行管理,投入較低。因此,濕地公園和自然保護區(qū)對干旱區(qū)濕地保護和可持續(xù)發(fā)展都很重要。

4 結(jié)論

黑河中游濕地不同生態(tài)保護地的土壤性質(zhì)和植被特征及其關(guān)系差異明顯。濕地公園的植物高度和土壤有機碳、全氮、速效氮、全磷、速效鉀含量顯著高于自然保護區(qū),土壤容重、pH顯著低于自然保護區(qū),表明濕地公園有利于植物生長發(fā)育、土壤養(yǎng)分固存、改善土壤質(zhì)地；自然保護區(qū)的植物科屬種、多度、多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)顯著高于濕地公園,表明自然保護區(qū)有利于維持植物多樣性；影響兩種保護地下植物多樣性的土壤因子不同,公園物種多樣性指數(shù)受土壤全磷和速效磷的影響顯著,自然保護區(qū)物種多樣性指數(shù)受土壤鹽分的影響顯著。兩種保護地對黑河中游濕地的保護具有重要作用。