胶州湾河口湿地土壤有机碳及氮含量空间分布特征研究

谢文霞，朱鲲杰，崔育倩，杜慧娜，陈剑磊

（青岛大学化学科学与工程学院，山东 青岛266071）

滨海湿地处于海洋和陆地的交错地带，同时受到海洋和陆地作用力的共同影响，对外界胁迫压力反应敏感，是一个脆弱的边缘地带。有机碳（TOC）和氮素（N）作为土壤重要的营养元素，是湿地环境质量重要的参考指标，它在湿地中的含量直接影响着湿地生态系统功能的发挥。滨海湿地生态系统水分波动频繁，从而对碳、氮、磷等生源元素的存储、释放及形态转化具有独特的调节作用［1］。目前，国内关于湿地土壤碳氮空间分布的研究主要集中在内陆湿地、黄河口滨海湿地、苏北潮滩湿地等，对胶州湾河口湿地土壤碳氮空间分布特征的研究还未见报道。

胶州湾湿地是山东半岛面积最大的河口海湾型湿地，但由于立法缺失、围海造地、污水排放等原因，胶州湾湿地正逐渐萎缩。2009年青岛市的调研报告显示，从1988年到2008年的20年间，胶州湾湿地面积减少近1／3。湿地的减少与污染使湿地生态环境遭受严重破坏。近年来，不少学者从胶州湾景观格局构建、生物多样性保护、湿地生态恢复等方面开展了一系列研究，但关于胶州湾湿地土壤营养元素分布特征的研究并不多见，而土壤营养元素的分布状况会影响到植物的演替和湿地功能的发挥。为此，本研究选择胶州湾大沽河口湿地作为研究区域，通过野外采样和室内分析，探讨胶州湾河口湿地土壤中碳氮空间分布特征，为进一步研究湿地土壤元素生物地球化学循环过程提供基础数据。

1 材料与方法

1．1 研究区概况

胶州湾（36°01′～36°15′N，120°03′～120°25′E）坐落于黄海中部、胶东半岛南岸，是山东省青岛市境内与黄海相通的半封闭性海湾。胶州湾海岸属于潮汐作用为主的海岸，潮汐为典型的正规半日潮，平均潮差2．71m，最大潮差6．87m，涨潮历时小于落潮历时，潮流为往复半日潮流，涨潮流速大于落潮流速。胶州湾湿地位于胶州湾沿岸，海拔0～5m，胶州湾湿地及其附近属暖温带季风气候区，年平均气温约为12．2℃，平均降水量775．6mm，降水量年内分配不均，年季差别悬殊。流入胶州湾的河流以大沽河为最大，其流量约占大沽河、白沙河、墨水河及洋河4条河总流量的85．6%。大沽河口湿地是青岛市最大的一片湿地，位于青岛市的西北部，大沽河流域的中下游。本研究试验区设在胶州湾大沽河流域中下游，研究区内主要植被为芦苇（Phragmitesaustralis）、碱蓬（Suaedaglauca）、白茅（Imperatacylindrica）、艾蒿（Artemisiaargyi）、黄蒿（Artemisiascoparia）、盐角草（Salicorniaeuropaea）、中华结缕草（Zoysiasinica）、獐毛（Aeluropuslittoralis）等，土壤主要是粘质土和沙质土。研究区及采样点位置如图1所示。

图1 研究区及采样点位置Fig．1 Study area and sampling spots in the Jiaozhou Bay

1．2 样品采集与测定

2012年11月，在胶州湾大沽河口湿地中选取A、B、C、D、E五个研究区，每个研究区内设置3个平行采样点，如图1所示。A、B、C淹水频率不同，A区大小潮均能淹没，B区大潮能淹没，小潮不能淹没，C区大小潮均不能淹没；其中A、B、C区为芦苇湿地，A区植被全部为芦苇，B、C区主要植被为芦苇，并混有白茅、艾蒿、黄蒿等杂草，D区主要植被为碱蓬，E区为养殖池；A、D、E区取样用管型土钻取土（含水量高，不适宜挖剖面），B、C区则采用挖剖面方法取土，采用自下而上分层取样法。每个采样点分别取0～10cm，10～20cm，20～30cm，30～40 cm，40～50cm，50～60cm的土样。取土后迅速将土壤装入密封袋中带回实验室，去除杂质，测定含水量，自然风干后磨细过筛，实验备用。

实验测定参照《土壤农化分析》中相关方法［2］，分析土壤样品中的pH、盐度、含水量、土壤有机碳（total organic carbon，TOC）、总氮（total nitrogen，TN）、总磷（total phosphorus，TP）、硝态氮（NO3－－N）、铵态氮（NH4＋－N）等参数。每个样品设3组平行，取平均值以减少误差。

1．3 数据处理

采用单因素方差分析（One－way－ANOVA）进行数据差异显著性检验，土壤中TOC、N、TP以及土壤pH、盐度、含水量之间的相关性分析采用SPSS 17．0－Pearson相关系数评价。应用 Microsoft Excel 2003和 Origin 7．5进行数据处理及列表绘图。土壤C／N采用物质的量之比（mol／mol）表示。

2 结果与分析

2．1 胶州湾河口湿地土壤TOC、N垂直分布特征

胶州湾河口湿地土壤中TN、NO3－－N、NH4＋－N、TOC、TP在垂直方向上（0～60cm）具有相似的变化趋势（图2），含量由表层向下总体呈逐渐降低趋势，峰值大多出现在表层0～10cm处，这种变化趋势与国内外滨海湿地碳氮研究所得到的结果相类似［1，3］。单因素方差分析结果表明，TN、NO3－－N、NH4＋－N和TP含量剖面差异极显著（P＜0．01），TOC含量剖面差异较显著（P＝0．022）。

植物残体的分解归还是湿地生态系统土壤营养元素的主要来源，湿地土壤表层含氧量一般较高且植物根系发达、根际微生物活跃，因而土壤表层腐殖化、矿化作用强烈［4］，植物根系随土壤深度增加而减少，因而TN、NO3－－N、NH4＋－N以及TOC、TP主要集中在土壤表层，且随土壤深度增加含量降低。但不同类型湿地中NO3－－N和NH4＋－N含量的垂直变异系数不同，芦苇湿地 NO3－－N变异系数为13．39%，NH4＋－N为26．84%，而碱蓬湿地NO3－－N为20．54%，NH4＋－N为79．04%。芦苇植株高大，根系较碱蓬更长，其生长所需的N素也相对较多，同时芦苇根系周围还存在一定数量的固氮菌，且其根际的泌氧和营养作用使得根系微生物的活动深度大于碱蓬湿地［5］，微生物活跃，能够加快N的矿化作用，因而芦苇湿地上NO3－－N、NH4＋－N随土壤深度的变异比碱蓬湿地小。对比2种湿地，NH4＋－N变异系数均高于NO3－－N变异系数，可能是NO3－－N带有负电荷，不易被土壤胶体吸附［6］，潮汐作用带来的规律性淹水促使NO3－－N极易向土壤剖面的下层淋移，而NH4＋－N带有正电荷，进入土壤包气带的NH4＋－N可以被土壤胶体所带的负电荷迅速吸附，也有一部分铵离子会被2∶1型粘土矿物的晶格固定，因而NH4＋－N的含量随土层深度的增加而明显降低［7］。此外，个别研究区N随土壤深度的变化并不明显，E研究区TN含量先降低后增加，可能是人为的蓄水、放水、养殖等活动使得TN含量的波动较大，加之海水冲刷带来的沉积物逐渐积累，也可能是造成TN含量先降低后增加的原因之一。

图2 胶州湾河口湿地土壤中TOC、N、TP垂直分布Fig．2 Vertical distributions of TOC，N and TP in the estuarine wetlands of Jiaozhou Bay

2．2 胶州湾河口湿地表层土壤（0～20cm）TOC、N水平分布特征

植物对养分的吸收利用和残体的分解以及潮汐作用引起的规律性淹水影响着胶州湾河口湿地表层土壤N的水平分布特征。由于植物根系在0～20cm最丰富，将0～10cm和10～20cm土样混合，测定其各组分的含量。图3是不同研究区表层土壤TOC、N及TP含量水平分布图。TOC含量E＞A＞D＞B＞C，而TN含量D＞E＞B＞A＞C，TP含量D＞E＞A＞C＞B，由此可见，淹水频率越高，越有利于TOC的积累。对比碱蓬湿地和养殖池，TN、TP含量均明显高于A、B、C点，究其原因，碱蓬能提高土壤有机质含量，增加土壤养分和微生物数量，促进有机物质分解，使N、P含量增加［8］，并且碱蓬植物的肉质化叶片更易分解归还。而养殖池因人为干扰以及海水冲刷累积的沉积物，导致营养元素含量较丰富。

总体而言，胶州湾河口湿地无机氮的构成比例约为1%，土壤中氮的主要存在形式是有机氮。B研究区NH4＋－N含量明显高于其他4点，一方面大潮淹没时潮水将藻类、动植物的残体带入，而小潮不能淹没使其留在土壤表层，残体的分解使土壤中增加一定数量的营养元素；另一方面可能是大潮能淹没小潮不能淹没的淹水频率带来的干湿交替为微生物的矿化作用提供了适宜的环境，促进有机氮矿化速率增加［9］。由于芦苇根际的泌氧和营养作用，使得芦苇根区微生物矿化作用较强，因而生长芦苇的湿地无机氮含量略高于其他湿地。碱蓬湿地表层土壤中无机氮含量并不高，可能是碱蓬湿地淹水频率高，土壤长期处于厌氧环境中，不利于氨化细菌和硝化细菌的活动造成的。养殖池表层土壤NH4＋－N的含量较高，NO3－－N含量较低。主要原因是水产养殖过程中为了提升产量一般要施加以铵态形式存在的氮肥；另外，养殖池特殊的环境不利于硝化细菌的活动，从而使得NO3－－N的含量较低。

图3 不同研究区表层土壤TOC、N、TP含量分布图Fig．3 Surface SOC，N，TP content distributions in different areas

2．3 胶州湾河口湿地TOC、N与TP、含盐量、pH、含水量的相关关系

滨海河口湿地土壤营养元素分布规律与湿地植物群落、土壤盐分状况、潮汐作用、营养元素性质、生物固氮、大气沉降以及河流径流等均有关系［10－11］。从物源上讲，潮滩湿地有机碳主要有2种来源：本地植物的输入（陆源）及浮游和底栖生物等（海源）。通常，陆源和海源有机质的C／N分别是＞12和6～9［12］。胶州湾河口湿地C／N平均值为16．97＞12，陆源是胶州湾湿地TOC的主要来源。胶州湾湿地土壤的C／N介于11．50～29．05之间，比值相对较低，表明整个研究区内土壤TOC的腐殖化程度较高，有机氮容易矿化，有利于土壤有机质的分解和矿质氮的增加。对胶州湾湿地而言，植物残体的分解归还是决定其营养元素分布的关键因素。相关性分析（表1）表明，TN、TP与TOC极显著相关，说明土壤保持营养元素的能力受制于土壤TOC的总量。NO3－－N与盐度和含水量极显著相关，说明潮汐作用引起的淹水与NO3－－N的产生和分布关系密切，NH4＋－N与含水量显著相关，说明淹水在一定程度上也影响了NH4＋－N的分布，同时NO3－－N与NH4＋－N极显著相关，说明2种无机氮之间也互相影响。土壤中NO3－－N和NH4＋－N主要来源于土壤有机氮的硝化和氨化等由土壤微生物进行的矿化作用，因此其含量的高低受土壤有机质含量、微生物类型和土壤环境条件，如温度、湿度和盐碱度等的多重影响。

2．4 不同湿地营养元素含量

表2列出了不同湿地营养元素含量的对比。胶州湾河口湿地同内陆湿地生态系统相比，TOC含量较低，可能是因为滨海湿地土壤盐化严重，同内陆湿地生态系统相比生物量较低，植物种类和数量均少于内陆湿地，且滨海河口湿地耐盐植物长势相对较差，有机碳的补充和累积有限；TN的含量也不高，植物量偏低对N的输入造成影响，NO3－－N和NH4＋－N的含量也处于较低水平，可能是高盐度的环境限制了微生物的种类和活动，矿化作用减弱。相对其他滨海湿地，胶州湾河口湿地TOC、TN含量较为丰富，一方面原因可能是胶州湾河口湿地主要植被是芦苇、碱蓬，植被较其他滨海湿地相对丰富，生产力较高，芦苇及各种杂草的凋落物对碳的归还作用比较明显，同时碱蓬肉质化的叶片易分解归还，N的输入量主要取决于植物残体的归还量及淹水带来的沉积物，也有少部分来源于生物固氮、大气沉降。土壤中的有机质主要来自于地表枯枝落叶层的分解补充与累积，有机质在土壤剖面中的分布取决于土壤腐殖质在下渗水作用下在土体中的淋溶、迁移、淀积以及其在土壤微生物作用下与矿质土体振动、混合的过程，C／N大于12也说明土壤TOC、TN含量较丰富在很大程度来源于陆源影响；另一方面，由于大沽河主要流经即墨、胶州、平度等经济发达地区，河流径流也为河口湿地带来N、P含量较高的沉积物，同时该区域处于海陆交界，经济比较发达，人为干扰作用（施肥、农药、洗涤、污染等）比较显著，在一定程度上加速了沉积速率，使得胶州湾河口湿地的营养元素含量增加。

表1 土壤营养元素含量与土壤参数的相关系数Table 1 Correlation coefficients of nutrient content and related parameters in soils

表2 不同湿地土壤中TOC、N、TP含量比较Table 2 The TOC，N，TP content in soils of different wetlands

3 结论

胶州湾河口湿地TOC、TN、NO3－－N、NH4＋－N以及TP分布总体趋势为含量随深度增加而下降，除TOC外，TN、NO3－－N、NH4＋－N、TP含量的剖面差异极显著，受规律性淹水和N本身性质的影响，NH4＋－N含量的垂直变异系数大于NO3－－N的变异系数。胶州湾河口湿地土壤中N的主要存在形式为有机氮。胶州湾河口湿地土壤中TN、TP与TOC极显著相关，土壤保持营养元素的能力受制于土壤TOC的总量，淹水对NO3－－N、NH4＋－N含量的分布产生一定程度的影响。

与内陆湿地对比，胶州湾河口湿地TOC、TN、NO3－－N以及NH4＋－N均处于较低水平；与其他滨海湿地对比，胶州湾湿地土壤中营养元素含量较为丰富，TOC、TN以及NO3－－N和NH4＋－N均处于较高水平。陆源是胶州湾河口湿地有机质的主要来源，且湿地中C／N值相对较低，TOC腐殖化程度较高，有机氮易矿化。

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