小白河湿地土壤和植物N、P累积特征及分析

韩剑宏　杜方圆　李卫平　高静湉　王晓云　鲍交琦　樊爱萍

摘要：针对内蒙古包头黄河湿地植被的恢复和保护问题，通过布设黄河湿地的小白河湿地片区4种典型植物群落，即Ⅰ区芦苇混杂区、Ⅱ区藕草混杂区、Ⅲ区香蒲混杂区、Ⅳ区芦苇区，研究了这4种典型植物群落土壤及优势植物N、P元素含量，并初步分析了影响植物生长的因素。结果表明：湿地土壤中N含量在5-8月呈下降趋势，之后有所回升，土壤P含量频繁波动，但波动幅度较小；湿地植物整体N、P含量在5-10月呈下降趋势，植物整体对N元素的富集能力远高于对P元素的；5-9月4个区植物地上部分对N元素的富集能力高于地下部分的，5-7月植物地上部分对P元素的富集能力高于地下部分的。经初步分析，藕草和芦苇对黄河湿地小白河片区的修复效果较好，9月左右对植物进行收割对湿地净化效果最好。

关键词：植物群落；富集系数；N/P；黄河湿地

湿地土壤N、P是植物生长发育必需的元素，其中：N是植物的结构物质和生活物质之一，在植物的初级生产活动中占重要地位；P是生命信息元素，是构成植物体内的核酸、蛋白质、磷脂、高能化合物及其他含磷有机物的重要元素，并参与植物的光合作用，将光能转化为化学能。N、P含量直接影响植物的生长状况，进而影响生态系统的稳定性和物质循环的平衡。此外，N、P是引发湖泊湿地富营养化的重要因素之一，也是湿地营养水平的重要指示物之一。因此，研究湿地植物群落及土壤营养元素分布特征具有重要的理论价值和实际意义。

包头段黄河湿地处于干旱内陆区，纬度较高，是包头市乃至西北寒旱地区得天独厚的宝贵资源。本研究以黄河湿地小白河段为研究对象，研究植物生长动态并分析影响植物生长的因素，以期为黄河湿地的保护提供理论基础。

1区域概况

黄河包头段位于东经109°59′2″-110°2′26″，北纬40°30′8″-40°33′32″，总面积12 222 hm2，黄河湿地自西向东由昭君岛、小白河、南海湖、共中海和敕勒川5个片区组成。黄河湿地地处半干旱区草原地带，属典型的大陆性季风气候区，光照充足，全年辐射最高期为5月。降水较少，蒸发剧烈。冬季漫长而严寒，夏季短促而炎热，9月下旬进入早霜期，终霜期在5月中旬。年、日温差大，春秋两季气温变化剧烈，春季风大，时遭寒潮侵袭，雨热同季，积温有效率高。黄河湿地土壤类型分为草甸土、盐土和风沙土三类。以黄河湿地的小白河湿地（总面积2 257 hm2）为研究对象，研究其典型植被区域土壤状况及优势植物生长状况，初步探讨影响植物生长的因素。

2样品采集与分析

2.1样品采集

2015年5-10月。在小白河湿地选取4种典型的植物群落带，分别为芦苇混杂区（Ⅰ区）、蔺草混杂区（Ⅱ区）、香蒲混杂区（Ⅲ区）、芦苇区（Ⅳ区）（见表1），依据吕宪国的方法进行植物和土壤的采集和观测。在设定的样地采集植物，每个样地设5个1m×1m的样方，在计数样方中的植株数后，从中采集其高度属于众数的5株优势植物，做好标记，用收获法采集植物地上部分，挖掘法采集植物地下部分。采集的5株植物样品用自封袋分别盛放并做标记，带回实验室分析。在所取样的1m×1m植物样方里，5株植物附近采集土壤，土壤剖面深60 cm，并按0-20、20-40、40-60 cm划分为3个层次，每个层次分别采集土壤样品约100 g，混合后装入样品袋，做好标记，带回实验室分析。

2.2样品分析

样品经处理后，采用《土壤农化分析》中的方法进行试验分析，其中土壤主要监测项目为pH值、盐度、含水率、全氮和全磷含量，植物主要监测项目为株高、总氮和总磷含量。土壤pH值采用便携式pH计测定、盐度采用便携式电导盐分计测定、含水率采用恒重法测定、全氮含量采用过硫酸钾氧化一紫外分光光度法测定、全磷含量采用钼锑抗分光光度法测定，植物株高用直尺直接测量得到，总氮含量采用纳氏试剂比色法测定、总磷含量采用钼锑抗分光光度法测定。

2.3数据处理

根据野外调查资料和室内化学分析结果，采用SPSS统计软件、EXCEL软件和Origins软件进行分析作图，得出植物和土壤N、P变化情况，并分析影响植物生长的因素。

3结果与分析

3.1湿地土壤基本性质

4-10月4个区域土壤含水率、pH值、盐度监测结果见图1、图2（其中4月处于裸地状态，植物并未开始生长），可以看出，小白河湿地土壤pH值为8.21-8.84，整体偏碱性；部分区域含盐量较高（如Ⅰ区和Ⅱ区），5-10月土壤含盐量明显低于4月的，这与植物的生长有关；由于受黄河水的补给，因此湿地土壤平均含水率最高在4月和10月，其次是受降水影响的7月，但湿地土壤平均含水率不高，平均含水率为9.84%。

植被区土壤N、P含量监测结果见图3、图4。5-10月各区湿地土壤N含量平均值为0.02%-0.05%，由《全国第二次土壤普查养分分级标准》可知属于最低的六级标准，表明湿地土壤含N量偏低。各区湿地土壤P含量平均值为0.09%-0.13%，在一级和二级标准之间，小白河湿地土壤P含量较高。整体而言，5-10月土壤N平均含量Ⅰ区>Ⅲ区>IV区>Ⅱ区，土壤P平均含量Ⅰ区>Ⅲ区>Ⅱ区>Ⅳ区。与同区域土壤N含量相比，土壤P含量5-8月差异较小，变异系数为1.21%-15.96%。土壤P含量波动幅度相对较小，但波动频率较高，这与P自身形态有关，P元素较为活跃，因此变化频率较高，且无明显规律。

3.2湿地植物基本情况

5-10月对4个区植物群落的株高及植物N、P含量进行监测，植物株高變化情况见图5，可以看出，5-7月植物株高呈增长趋势，7月之后4个区植物株高先后出现降低趋势。

各区植物生长期植物地上部分和地下部分N含量变化见图6、图7，可以看出，5-10月4个区植物地上部分和地下部分N含量都呈下降趋势，植物地下部分N含量比地上部分的稳定，平缓下降。7月I区和Ⅱ区植物地上部分N含量增加，这与7月降水量增加有关，Ⅰ区和Ⅱ区土壤的环境条件与Ⅲ区和Ⅳ区的相比要差，因此水热条件的改善对Ⅰ区和Ⅱ区植物生长改善更为明显，尤其是植物地上部分。

由图8和图9可知，4个区植物地下部分P含量相对地上部分较为稳定，尤其是5-8月，4个区植物地下部分P含量的变异系数为0.28%-19.42%；Ⅳ区植物地上和地下部分的P含量在8月都呈略微增加趋势，这与8月土壤中P元素较为活跃，且Ⅳ区芦苇生长最为茂盛，仍需要营养元素有关；Ⅲ区香蒲地上部分在5月P含量高于其他区植物的，但6月之后整体P含量低于其他区植物的；Ⅱ区荫草整体P含量在6月高于其他區植物的，原因是荫草生长速度低于其他区植物的，且植物生长对P元素的需求远小于N元素，P浓度稀释程度较低；Ⅰ区和Ⅳ区芦苇整体P含量变化一致，含量相似，各时间段的差异性为1.73%～14.38%。

植物整体N、P含量在5-10月呈降低趋势。5月植物处于初级生长状态，为了自身生长的需求，植物吸收了大量营养元素，此时植物整体N、P含量最高；6-8月随着植物的不断生长，植物内N、P浓度被稀释，含量下降，尤其是5-6月植物地上部分N、P含量下降最多，这一时期植物株高增长最多，营养物质被大量消耗；9-10月，植物枯萎，将营养物质归还于土壤，植物中N、P含量持续下降。

3.3植物N、P的富集

土壤通过植物根系向植物提供营养物质，因此植物体内养分含量与土壤养分含量存在一定程度的相关性，可用富集系数（EC）即植物体中某元素的含量与土壤中相应元素含量的比值表示，以此来评定植物对土壤养分的富集能力。富集系数越大表示其富集能力越强，尤其是植物地上部分富集系数越大越有利于植物的生产。

由表2可知，5-10月4个区植物对N的富集系数远高于对P的，说明植物对N元素的需求大于对P元素的；5-7月、9月4个区植物对N元素地上部分的富集系数高于地下部分的；8月、10月除Ⅲ区外，其他3个区植物对N元素的富集系数地上部分和地下部分较为接近，变异系数为6.01%-11.38%；5-6月4个区植物对P元素的富集系数为地上部分高于地下部分，7-10月植物对P元素的富集系数为地下部分高于地上部分。

从时间顺序来看，5月Ⅱ区荫草整体对N元素的富集系数高于其他区域的，其次为Ⅲ区香蒲，Ⅰ区和Ⅳ区的芦苇对N元素的富集系数相对较低，Ⅲ区香蒲和Ⅳ区芦苇整体对P元素的富集系数较高：6月4个区植物对N、P元素的富集能力迅速降低，此时Ⅳ区芦苇对N元素的富集系数最高，Ⅱ区荫草整体对P元素的富集系数最高；7月Ⅰ区芦苇对降水量最为敏感，由于降水量增加，因此芦苇整体对N、P元素的富集能力增强，此时对N元素富集能力最强，Ⅱ区荫草整体对P元素富集能力最强；8月Ⅰ区和Ⅳ区的芦苇整体对N、P元素的富集能力较强：9月Ⅳ区芦苇对N元素的富集能力最强，Ⅱ区荫草对P元素的富集能力较强，此时芦苇和香蒲地上部分对P的富集系数已小于1：10月Ⅳ区芦苇整体对N、P元素的富集能力最高，此时4个区植物地上部分对P元素的富集系数均小于1，且地上部分对N元素的富集能力小于地下部分的。

相对而言，5-7月荫草整体对N、P的富集能力高于其他植物的，之后，Ⅳ区的芦苇整体对N、P元素的富集能力最强，因此湿地中优势植物蔺草和芦苇对湿地的修复效果较好。在8月末9月初对植物进行收割对湿地净化效果最好，此时植物地上部分对N元素的富集能力仍高于地下部分的，且对P元素的富集系数大于1。

整体而言，Ⅰ区芦苇对N、P元素的富集能力小于Ⅳ区芦苇的，原因是，一方面Ⅰ区土壤的含盐量高于Ⅳ区的，含水率低于Ⅳ区的，植物生长受到限制，但植物的生长也会调节土壤的盐碱度，固土防沙、涵养水源、稳固并增加湿地面积；另一方面Ⅳ区在封锁路段，不受人为因素的干扰，植物生长状况较好，对N、P元素的富集能力较强，因此湿地管理部门仍需加强对湿地植物的保护和管理，增强植物对湿地的修复和净化效果。

3.4植物N/P值

植物中的N/P值（N元素含量与P元素含量之比）可以用来说明限制植物净初级生产力的营养因子。植物组织中养分的浓度受N和P综合水平的影响，N/P值比例失调会影响对其他元素的吸收。植物净初级生产力受N和P综合水平的影响，因此尽管N对芦苇等湿地植物生长影响最显著，但只有N/P值为10-33时，植物生长才最旺盛。植物N、P含量的动态变化不仅充分反映了营养物质转移的格局，而且与生物量的生长速率密切相关。植物地上部分和地下部分N/P值见图10、图11。

5月，植物生长初期植被地上部分的N/P值为7.60-11.14，地下部分N/P值为6.30-8.51，均小于14，说明此时植物生长受N元素含量的限制。5月是植物生长的旺盛时期，植物生产力最高，因此5月植物株高增长速率最大。6月除Ⅰ区植物地下部分N/P值升高外，其他N/P值均下降，植物生产力下降，除Ⅱ区外，7月植物株高增长速率明显小于5-6月的。7月Ⅰ区和Ⅱ区地上部分N/P值增大，Ⅲ、Ⅳ区整体处于下降趋势，原因是7月降水量增大，明显改善了Ⅰ区和Ⅱ区植物地上部分的生长，植物对N元素的富集能力增强，植物生长较为旺盛，仍处于生产力水平较高时期；Ⅲ、Ⅳ区植物整体N/P值降低，主要受N元素的限制，此时N元素富集能力降低，植物生长速率降低。8-10月Ⅰ～Ⅲ区植物整体N/P值为0.68～6.24，虽然仍受N元素的限制，但此时对N元素的富集能力已明显降低，不能满足植物生长发育的需要，植物此时几乎停止生长，植物株高不再增加，但Ⅰ-Ⅲ区植物地下部分N/P值略有增大。8-10月Ⅳ区芦苇地上部分N/P值一直处于增加趋势，原因是Ⅳ区土壤环境优于其他区域，水热条件较好，该区域芦苇的生长优于其他区域，此时该区域株高及N、P含量仍高于其他区域，其生产代谢水平高于其他区域。9-10月Ⅳ区芦苇地上部分N/P值为14-24，表明此时芦苇地上部分生长主要受P元素的限制。

4结语

黄河湿地小白河片区土壤整体偏碱性，土壤N含量在5-8月呈降低趋势，9-10月呈升高趋势，土壤P含量频繁波动，但波动幅度较小；小白河湿地4个区植物整体N、P含量在5-10月呈降低趋势，植物地下部分N、P含量的变化幅度相对地上部分的较小；植物对N元素的富集能力远高于对P元素的，5-7月蔺草整体对N、P元素的富集能力高于其他植物的，8-10月Ⅳ区芦苇对N、P元素的富集能力较强；4个区植物的生长受N元素的限制时间较长，并且植物N/P值整体呈降低趋势，这与植物生长速率具有一定关联性。