辽河口湿地碳、氮、磷空间分布及季节动态特征*

罗先香,张珊珊,敦 萌

(中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室,山东青岛266100)

辽河口湿地碳、氮、磷空间分布及季节动态特征*

罗先香,张珊珊,敦 萌

(中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室,山东青岛266100)

以2008年10月和2009年5月2次对辽河口湿地野外调查获取的数据为基础,研究了辽河口湿地生源要素碳、氮和磷的时空分布特征、湿地植被对营养元素的累积及对土壤营养元素氮、磷分布的影响。结果表明:辽河口湿地表层土壤有机碳5月和10月含量分别在0.62～13.17 mg/g和11.06～40.74 mg/g之间,10月盐化草甸土和滨海沼泽盐土有机碳含量较高,5月4种类型土壤有机碳含量无明显差异;全氮5月和10月含量分别在0.80～3.43 mg/g和0.77～2.90 mg/g之间,盐化草甸土和滨海沼泽盐土表层土壤氮含量相对较高,滨海潮滩盐土最低;无机氮(NH+4-N和NO-3-N)含量较低,且以铵态氮为主,5月略高于10月含量;全磷含量均在0.36～0.66 mg/g之间,无显著季节差异。碳、氮和磷的垂直剖面分布特征表明,土壤表层有机碳、全氮、无机氮和全磷含量明显高于各底层,以芦苇为主要植被的盐化草甸土各剖面的营养元素含量高于以翅碱蓬为主的滨海潮滩盐土含量。5月芦苇对氮磷的积累量高于10月,且氮磷含量在芦苇地上器官的分布趋势为叶>茎>穗。植被的生长对湿地土壤中生源要素碳、氮和磷含量的季节变化有重要影响,其对营养元素氮、磷的累积降低了表层土壤中氮、磷的储量。

辽河口湿地;生源要素碳、氮、磷;分布特征;季节变化

河口湿地是陆海相互作用形成的自然综合体,处于陆地生态系统和海洋生态系统之间的过渡地带,具有较高的净初级生产力和固碳能力[1]。湿地土壤氮、磷和有机碳含量变化显著影响着湿地生态系统的生产力,氮、磷是湿地营养水平指示剂,是天然湿地或人工湿地(水稻田)土壤中的主要限制性养分,湿地土壤有机碳是气候变化的一种敏感性指示物,能对气候变化作出响应[2]。同时,湿地对碳、氮和磷等营养元素具有较强的截留和过滤作用[3],使其在氮、磷和有机污染物的去除方面发挥着重要作用,河口湿地是削减氮磷入海量防止近海水体富营养化的最后一道天然屏障[4]。因此,研究河口湿地碳、氮和磷的生物地球化学循环对于正确认识河口湿地的生态服务功能及其引起的环境生态效应有十分重要意义。

双台子河口湿地位于辽宁省盘锦市境内,辽东湾北岸,是辽河三角洲的核心地带和我国重要的石油开发和粮食生产基地。该湿地植被以水稻、芦苇和碱蓬为主,区内分布着世界第二大的芦苇沼泽及我国第三大油田——辽河油田。本文通过对双台子河口湿地野外调查、取样分析,研究了双台子河口湿地土壤有机碳、氮和磷分布特征、植被对营养元素氮、磷的累积作用,以期为河口湿地生态保护和可持续管理提供基础数据。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区概况

双台子河口湿地属于暖温带大陆性半湿润季风气候,气候的总体特点为冷凉湿润、四季分明、雨热同季,年平均气温8.3～8.4℃[5],地貌类型以冲积平原和潮滩为主,地势低洼平坦、北高南低,坡度在2(°)以内,平均海拔4 m[6]。辽河下游进入盘锦市区即称双台子河,1968年在双台子河中上游修建了盘山拦河闸,建闸前潮流可到达闸址以上15 km处的常家窝铺,建闸后阻截了外海潮流上溯,现状潮区(流)界在闸址处,距河口65.8 km(大流子沟口)。本研究区位于盘山拦河闸以下,范围为40°48′N～41°15′N,121°41′E～122°08′E,面积约为2 496 km2,包括盘山营口一线以东地区的人工湿地水稻田,该区域为辽宁省最大的稻谷产区;盘山县境内的东郭苇场、大洼县境内的赵圈河苇场,该区域为人工管理的天然或半天然苇塘;以及辽东湾以北双台子河口两岸的潮间带滩涂,该区域分布有世界著名的“红海滩”景观。土壤类型以盐渍水稻土、盐化草甸土、滨海沼泽盐土和滨海潮滩盐土为主,植被主要为水稻、芦苇和翅碱蓬。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与预处理 于2008年10月底和2009年5月初对双台子河口湿地进行了2次野外调查,根据土壤类型和植被分布特征,采集了该区域具有代表性的4种类型土壤样品43个,分别为表层土壤(0～20 cm)样品25个,包括8个盐渍水稻土样品、9个盐化草甸土样品、4个滨海沼泽盐土样品和4个滨海潮滩盐土样品;2008年10月在9号站位设置1个土壤剖面,2009年5月在9号和15号站位各设置1个土壤剖面,剖面深60 cm,每10 cm采集1个土壤样品,共计18个[7]。芦苇是区域内分布面积最广的湿地植被,其分布区土壤类型包括盐化草甸土和滨海沼泽盐土,芦苇调查采用样方收获法,在芦苇湿地内随机选取1 m×1 m样方,在计数其中的植株数后,将芦苇全部齐地面割下,任选10株芦苇,测定其高度和径周长,然后将所有芦苇装入采样袋内,带回实验室80℃烘干后,称其干重,并计算芦苇的地上生物量[8-9],共采集芦苇样品10个(2008年5个,2009年5个)具体采样站位图见图1。

图1 双台子河口湿地采样点分布图Fig.1 Distribution of samp ling sites in the wetland of Shuangtaizi Estuary

1.2.2 样品分析 土壤样品经自然风干、磨碎,混匀后分别过14目、60目、80目和100目筛。有机碳称取过80目筛的样品进行测定(德国耶拿EA 2000元素分析仪,2006),检出限为1 mg/g,采用土壤标准样品GBW 07403作为内控样,回收率控制在98%～104%之间;全氮称取过60目筛的样品,采用硒粉-硫酸铜-硫酸消化法[10],用土壤标准样品GBW 07403作为内控样,回收率控制在97%～100%范围内;氨氮称取过14目筛的样品,采用靛酚蓝比色法[7],加标回收率控制在90%～104%之间;硝态氮称取过14目筛的样品,采用酚二磺酸比色法[10],加标回收率控制在100%～105%之间;全磷称取过100目筛的样品,采用酸溶-钼锑抗比色法[7],用土壤标准样品GBW 07403作为内控样,回收率控制在90%～100%范围内。将采集到的植被样品烘干后粉碎,采用硫酸-双氧水消解方法[7],植物总氮采用靛酚蓝比色法,总磷采用钼锑抗比色法,加标回收率分别控制在93%～96%和91%～95%之间。实验过程中选择20%的样品进行平行双样测定,相对标准偏差均<4%。

1.2.3 数据处理与方法 运用Excel 2003、suffer 8.0、SPSS13.0和O rigin 7.5等软件进行数据分析和绘图处理。

2 结果与讨论

2.1 湿地表层土壤生源要素C,N,P含量及分布特征

图2为双台子河口湿地表层土壤有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮和全磷含量分布图。由图2a可知,双台子河口湿地表层土壤有机碳5月含量在0.62～13.17 mg/g之间,10月含量范围在11.06～40.74 mg/g之间。总体上,10月有机碳含量明显高于5月,其主要原因是土壤有机碳的积累主要由有机质输入与不同类型碳的矿化速率间的平衡决定[11],10月水稻、芦苇和翅碱蓬3种植被都已进入成熟期,植物根系固定了较多的碳,且地表大量的枯落物也是表层土壤有机碳重要的来源[12]。盘锦地区进入11月以后土壤开始结冻,次年3月底土壤开始解冻,5月初植物逐渐进入旺盛生长季,土壤中的有机碳主要取决于上1年的积累,且经过较长时间的土壤冻结过程,冻融作用加速了有机碎屑的分解和碳矿化过程[13],使得5月初土壤有机碳含量明显小于10月。

5月4种类型土壤有机碳含量无明显差异,10月盐化草甸土和滨海沼泽盐土表层土壤有机碳含量较高(6～13站位),因为这些区域分布的植被为芦苇,相对于水稻和翅碱蓬,其发达的根系和植物枯落物为表层土壤积累了较高含量的有机碳[11,14]。

由图2b可知,研究区表层土壤全氮含量无显著差异,10月含量为0.77～2.90 mg/g,5月份含量在0.80～3.43 mg/g之间,盐化草甸土和滨海沼泽盐土表层土壤氮含量相对较高,滨海潮滩盐土最低。在该研究区域内,气候和成土母质基本一致,土壤中氮含量的变化主要受植被的影响[15]。盐化草甸土、滨海沼泽盐土分布的主要植被为芦苇,盐渍水稻土主要种植水稻,滨海潮滩盐土分布大面积的翅碱蓬,芦苇相对于水稻和翅碱蓬,有发达的根系,且在发育过程中有大量的枯枝落叶进入土壤中,使土壤中氮的积累量高于水稻和翅碱蓬;滨海潮滩盐土受涨落潮影响,在较短的干湿交替周期作用下,有助于湿地脱氮[16],其全氮含量较低。

由图2c和图2d看出,湿地表层土壤无机氮(N H+4-N和NO-3-N)含量不到全氮含量的10%,且以铵态氮为主,10月、5月铵态氮含量分别为3.26～13.75 mg/kg和6.85～13.79 mg/kg,硝态氮含量相对较低,基本都在2 mg/kg以下,10月、5月含量分别为0.02～1.80 mg/kg和0.01～3.02 mg/kg。无机态氮与总氮和总有机碳的季节分布特征差异较大,5月铵态氮和硝态氮含量略高于10月含量。因为无机态氮是植物直接吸收利用的形态,相对于10月植被成熟期而言,5月正值植被的生长期,对营养元素的需求旺盛,能促进氮素的矿化作用,使有机态氮转化成可供植物直接吸收利用的无机态氮。双台子河口湿地土壤C/N5月介于0.25～18.23之间,10月在10.42～21.35之间,相对较低[17],表明整个研究区内土壤有机碳的腐殖化程度较高、有机氮容易矿化,这样有利于土壤有机质的分解和矿质氮的增加。

图2 湿地表层土壤C,N,P含量分布Fig.2 Distribution of C,N and P in the surface soil of wetlands

由图2e可以看出,该区域表层土壤全磷含量5月在0.36～0.66 mg/g之间,10月在0.46～0.66 m g/g之间,无明显的季节差异性。原因是自然土壤中的磷主要来源于成土母质和动植物残体,其含量主要受土壤类型和区域气候条件的影响[18],研究区表层土壤全磷含量的变异系数在5%～30%之间,比较小,表明全磷在整个区域分布比较均匀,与该地区的成土母质密切相关。

图3a为10月TN,TP与黏土粒度的相关关系图,由表3a看出,全氮、全磷与黏粒含量Pearson相关系数分别达到0.64(n=15,P<0.05)和0.82(n=15,P<0.01),说明土壤粒径越细,质地越黏重,土壤有机质含量越高,其氮、磷含量越高。

图3 TN,TP与黏土粒度和TOC的相关关系Fig.3 Correlation among TN,TP and clay granularity o r TOC

图3b,3c分别为10月和5月TN、TP与TOC的相关关系图,10月土壤全氮、全磷与有机碳含量呈极显著和显著正相关关系,Pearson相关系数分别达到0.83(n=15,P<0.01)和0.50(n=15,P<0.05),土壤有机碳、氮和磷均处于累积阶段;5月土壤全氮、全磷与有机碳含量无显著相关性(见图3c),其原因是5月初正值植物的旺盛生长期,对无机氮、磷的需求较大,促进了有机氮的矿化和土壤无机磷的释放,导致有机碳和氮、磷的消涨趋势不一致。

与黄河口、长江口湿地土壤营养元素比较,辽河口湿地表层土壤全氮含量远远高于黄河口湿地表层土壤全氮含量(10月含量为0.21～0.52 mg/g,5月含量为0.23～0.99 m g/g)[19],无机氮含量略高于黄河口湿地表层土壤无机氮含量(10月,铵态氮和硝态氮含量分别为1.43～8.24 mg/kg,0.01～1.10 mg/kg,5月含量分别为1.13～9.44 m g/kg,0.01～2.31 mg/kg)[19];10月,全氮含量略高于长江口崇明东滩湿地表层土壤全氮含量(1.00～2.00 mg/g)[20],全磷含量略微低于长江口崇明东滩湿地表层土壤全磷含量(0.60～0.80 m g/g)[20]。

2.2 湿地土壤营养元素垂直含量分布

图4是湿地土壤有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮和全磷含量的垂直分布图。9号站位采自半天然苇塘内,土壤类型为盐化草甸土,15号站位采自双台子河口东岸的滩涂,该区域覆盖有大面积的翅碱蓬,土壤类型为滨海潮滩盐土。

图4 2008年10月和2009年5月剖面含量分布图Fig.4 Vertical distribution in October,2008 and May,2009

从图4可以看出:9号站位表层土壤有机碳含量10月明显高于5月,10 cm以下土壤有机碳含量无明显差异;5月,15号站位有机碳含量的垂直变化不大,但各层土壤有机碳含量均明显小于9号站位。植物根系的分布直接影响到土壤有机碳的垂直分布,大量的死根腐解,为土壤提供了丰富的碳源[21]。9号站位植被为芦苇,其发达的根系和枯落物为表层土壤积累了较高含量的有机碳,其底层土壤有机碳的含量也高于以翅碱蓬为主的15号站位。

9号站位剖面土壤全氮、铵态氮和硝态氮含量分布显示,5月和10月无明显差异,0～10 cm的表层土壤各形态氮含量明显高于底层,氮素主要分布于生物活动区,尤其是土壤表层植物根系分布区。5月,15号站位全氮、铵态氮和硝态氮含量的垂直变化不大,且各层全氮含量均低于9号站位。全氮含量的变化趋势与有机碳的变化趋势一致。氮素的垂直分布特征主要受制于土壤有机质的分布,表层土壤有机质含量丰富,其氮素含量也最高,剖面下层土壤有机质含量较低,所以其氮素含量也较少[13]。

9号和15号剖面土壤全磷含量随着土壤深度的增加逐渐降低,无明显的季节差异,9号站位表层土壤含磷量明显高于底层,10 cm以下全磷含量的变异系数<5%,几乎无变化。

3 湿地植被对土壤营养元素氮、磷分布的影响

3.1 湿地植被对营养元素氮、磷的累积

芦苇是双台子河口湿地系统分布最广的植物,是该区域湿地生态的主体。通过比较芦苇地上、地下部位及不同器官体内氮磷含量来讨论植被对氮磷的累积作用。

图5 河口湿地植被芦苇地上、地下部分N、P含量(以单位干重含量表示)Fig.5 Content of N,P in the aboveground and underground of reed in the estrary wetlands(exp ressed by every dry weight unit)

图5为2008年10月和2009年5月双台子河口湿地芦苇地上、地下部分单位干重N,P含量。由图可知,5月芦苇单位干重中,地上部分氮含量在15.16～25.37 mg/g之间,磷含量在1.17～2.58 mg/g之间,地下部分氮含量在2.64～11.62 mg/g之间,磷含量在0.53～0.98 mg/g之间,地上部分氮、磷含量明显高于地下氮、磷含量,10月芦苇单位干重中,地上部分氮含量在2.61～8.50 mg/g之间,磷含量在0.35～1.30 mg/g之间,地下部分氮含量在4.14～9.79 mg/g之间,磷含量在0.51～1.55 mg/g之间,地下部分氮含量略高于地上部分,磷含量无显著差异。总体上,芦苇对氮磷营养元素的累积5月远远高于10月,其原因5月是芦苇的生长期,对营养物质需求量大,在植物生长旺盛期养分不断由根输送到植株地上部分,因此地上部分单位干重氮磷含量较高;10月芦苇都已经成熟,植物生物量较大,各器官氮磷含量表现出“稀释效应”[22],含量较低。

图6 5月河口湿地植被芦苇不同器官对氮、磷的累积量Fig.6 Accumulation of nitrogen and phospho rus in the different fraction of reed in May

图6为2009年5月芦苇不同器官对氮、磷的累积量分布图,其中枯茎、枯穗为上1年的枯落物。由图6可以看出,芦苇地上叶、茎中氮磷含量明显高于地下根部分;地上器官氮磷含量的分布趋势为叶>茎>穗,绿色部分高于相应的立枯部分。植物各器官N,P含量的差异是由相应器官的结构和功能决定的,5月初是芦苇进入旺盛生长的初期,叶是植物的同化器官,是新陈代谢最旺盛的部位,因此其N,P含量的累积量最高,同时,芦苇是禾本科水生植物,其茎也能进行光合作用,故茎中的氮磷累积量也较高。枯落物经过1个冬季的自然降解,枯茎和枯穗的含量相对绿色部分含量低,表明了枯落物将营养元素氮磷归还到土壤中,使养分得以循环。

3.2 湿地植被对土壤营养元素氮、磷分布的影响

不同区域和不同季节,芦苇对营养元素氮、磷的累积量是不同,由于芦苇是多年生草本植物,随根状茎向四面延伸,形成庞大的须根系,芦苇地下生物量很难确定。因此,在本文中只计算了芦苇地上部分对营养元素氮、磷的累积量。单位面积芦苇地上部分对氮、磷的累积量Qi可以用式(1)表示:

其中Ci为单位干重芦苇中营养元素氮、磷含量(m g·kg-1),q为芦苇地上生物量(g·m-2),以干重计。表层土壤(0～20 cm)营养元素氮、磷储量Pi可以用式(2)表示:

其中di为表层土壤容重(g·cm-3),Ni为表层土壤氮磷浓度(mg·kg-1)。

图7 表层土壤与芦苇地上部分氮磷储量分布图Fig.7 Distribution of accumulation of nitrogen and phosphorus in the surface soils and underground of reed

图8 芦苇和表层土壤氮磷储量的相关系Fig.8 Correlation between the accumulation of nitrogen and phosphorus in the reed and the surface soils

图7为2008年10月和2009年5月芦苇和表层土壤氮磷储量分布图。从图可以看出,5月,芦苇对氮储量在9.59～31.68 g/m2之间,对磷储量在0.73～3.64 g/m2之间,10月芦苇对氮储量在3.08～19.92 g/m2之间,对磷储量在0.64～2.98 g/m2之间,芦苇对氮、磷的储量5月大于10月;5月,土壤中氮的储量在1084.49～4633.26 g/m3之间,磷的储量在669.98～888.73 g/m3之间,10月,土壤中氮的储量在1385.92～4782.34 g/m3之间,磷的储量在826.54～1087.72 g/m3之间,土壤中氮、磷储量10月略高于5月。通过对芦苇氮磷储量和表层土壤氮磷储量的相关分析,如图8所示,显示二者具有弱的负相关趋势(见图8),这说明植物对营养元素氮、磷的累积降低了表层土壤中氮、磷储量,尤其对土壤中磷的储量影响较大,这是由于芦苇对磷的吸收完全来自土壤。

4 结论

(1)辽河口湿地表层土壤有机碳含量10月明显高于5月,5月4种类型土壤含量差别不大,10月盐化草甸土和滨海沼泽盐土表层含量较高。全氮含量在2个月无显著差异,盐化草甸土和滨海沼泽盐土表层土壤氮含量相对较高,滨海潮滩盐土最低;无机氮(NH+4-N和NO-3-N)含量较低,且以铵态氮为主,5月略高于10月含量。全磷在2个月含量差别不大,在整个区域分布比较均匀。辽河口湿地表层土壤全氮、无机氮含量高于黄河口湿地表层土壤含量;10月全氮含量略高于长江口崇明东滩湿地表层土壤全氮的含量,全磷含量略微低于长江口崇明东滩湿地表层土壤全磷含量。

(2)辽河口湿地剖面土壤碳氮磷的变化趋势总体都是随着深度的降低逐渐减小,表层含量最高,以芦苇为主要植被的盐化草甸土剖面营养元素含量高于以翅碱蓬为主的滨海潮滩盐土剖面含量。

(3)辽河口湿地主要植被芦苇对氮磷的积累量表现为5月地上部分氮、磷含量明显高于地下氮、磷含量,10月地下部分氮含量略高于地上部分,磷含量无显著差异;对芦苇不同部位分析表明氮磷含量在地上器官的分布趋势为叶>茎>穗,绿色部分高于相应的立枯部分;植物对营养元素氮、磷的累积降低了表层土壤中氮、磷储量,二者呈现弱的负相关关系,植物中营养元素的累积作用对湿地土壤氮、磷含量分布有一定的影响。

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Spatial Distribution and Seasonal Dynamics Characteristics of Carbon,Nitrogen and Phosphorus in the Liaohe Estuary Wetlands

LUO Xian-Xiang,ZHANG Shan-Shan,DUN Meng
(Key Lab of Marine Environmental Science and Ecology,Ministry of Education,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

Based on the data obtained from two field surveys in October,2008 and May,2009,the spatial and temporal distribution characteristics of biogenic elements including carbon,nitrogen and phospho rus in the Liaohe estuary wetlands,and the accum ulation of nutrients in p lants and the influence of the plants to the distribution of nitrogen and phosphorus in soils were analyzed.The results showed that the content of organic carbon was between 0.62 and 13.17 mg/g in May,11.06 and 40.74 mg/g in October fo r the surface soil.In October,the content of organic carbon was higher in the salinized meadow soil and coastal marsh solonchak,while no significant difference wasobserved among the organic carbon content in these four kinds of soils in May.The content of total nitrogen was between 0.80 and 3.43 mg/g in May,0.77 and 2.90 mg/g in October,and was higher in the salinized meadow soil and coastalmarsh solonchak,and the lowest in the tidal shallow solonchak.The content of inorganic nitrogen(NH+4-N and NO-3-N),dominated by ammonium nitrogen,was lower.The content in May was higher than that in October slightly.On average,the content of total phosphorus was between 0.36 and 0.66 mg/g,and no significant seasonal difference was observed.The profile characteristics of canbon,nitrogen and phosphorus showed that the content of organic carbon,total nitrogen,inorganic nitrogen and total phosphorus in the surface soilsw ere higher than those in the bottom soils separately.The content of profile nutrients in the salinized meadow soil dominated by reed was higher than that in the tidal shallow so lonchak dominated by Suaeda heterop tera.Accumulation of nitrogen and phosphorus in the reed in May was higher than that in October.The concentration of nitrogen and phosphorus in aboveground fraction of the reed was ordered as follow s:leaves>stem s>ears.The grow th of plants had an important influence on the seasonal changes in biogenic elements including carbon,nitrogen and phosphorus in the wetlands,and the accumulation of nutrients of nitrogen and phosphorus in plants decreased the accumulation of nitrogen and phosphorus in the surface soils.

Liaohe estuary wetlands;biogenic elements including carbon,nitrogen and phosphorus;distribution characteristics;seasonal changes

O613

A

1672-5174(2010)12-097-08

国家“水专项”《辽河河口区大型湿地生态修复关键技术与示范研究》(2008ZX07208-009)资助

2010-05-29;

2010-06-20

罗先香(1972-),女,博士,副教授,主要从事湿地生态过程及环境效应、海洋生态环境预警及评价研究。E-mail:lxx81875@ouc.edu.cn

责任编辑 庞 旻