防潮堤坝对山东昌邑滨海湿地植物及土壤性质的影响分析

陈 琤, 刘玉虹, 陆 滢, 4, 王光美, 张 华



防潮堤坝对山东昌邑滨海湿地植物及土壤性质的影响分析

陈 琤1, 2, 3, 刘玉虹1, 2, 陆 滢1, 2, 4, 王光美1, 张 华1

(1. 中国科学院烟台海岸带研究所, 山东烟台264003; 2. 河海大学环境学院, 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室, 江苏南京210098; 3. 中国科学院大学, 北京 100049; 4. 吉林建筑大学市政与环境工程学院, 吉林长春130118)

为研究防潮堤坝对滨海湿地植物及土壤性质的影响, 本研究在昌邑国家级海洋生态特别保护区内, 通过样线法进行野外调查采样, 进行防潮堤坝内外土壤、植被以及两者之间联系的分析, 研究了堤坝内外植被及土壤性质差异。结果表明: 堤坝内外土壤、植被有一定的差异; 堤坝外部土壤C、N、P含量小于堤坝内部, 堤坝外部土壤盐度大于堤坝内部; 堤坝外部是以盐地碱蓬()和獐毛()为主滨海湿地景观, 堤坝内部则是以柽柳()为主的灌草丛景观; 保护区内物种丰富度与土壤盐度值呈负相关关系, 随着盐度的升高, 堤坝外部物种丰富度低于堤坝内部; 芦苇()体内TC、TN、TP及C︰N︰P与土壤C、N、P含量及C︰N︰P没有明显相关性, 而柽柳体内N含量与土壤P含量呈明显负相关关系, 说明木本植物比草本植物更加依赖土壤中营养元素的供给。

防潮堤坝; 滨海湿地; 昌邑国家级海洋生态特别保护区

滨海湿地是陆地-海洋-大气相互作用最活跃的地带, 被喻为“海洋之肾”, 具有涵养水源、净化环境、调节气候、维持生物多样性、拦截陆源物质、护岸减灾、防风等生态功能, 并且能够通过生物地球化学过程促进大气及C、H、S 等关键元素的循环, 提高环境质量[1-2]。国内外学者对滨海湿地景观格局、沉积环境变化和碳的沉积、碳氮磷生物地球化学特征和人类活动的影响等进行了大量研究[3-8]。

防潮堤坝是指修建于沿海滩涂、入海口等地, 用以抵御暴潮, 防止海水入侵的堤坝[9]。对于经常发生风暴潮的沿海地区, 修建、加固防潮堤坝对防潮、防浪及防沙、汛期行洪排涝、控制海域污染、生态环境恢复等有重要的意义[10]。据统计, 潍坊市己建成防潮堤坝总长110 km左右, 对潍坊市海洋生态恢复和控制海洋污染作出重要贡献[11]。但防潮堤坝对滨海湿地生态环境的影响研究尚少。

昌邑国家级海洋生态特别保护区位于潮间带, 拥有多种滨海湿地生态系统, 包括柽柳林、滩涂湿地、浅海等[12]。国内学者对该保护区的研究主要关注保护区内水盐运移[13]、植物物种多样性[14]、大型底栖动物时空分布特征[15]、柽柳()分布与土壤性质的关系以及柽柳叶片生态化学计量学特征[16-18]。例如, 汤爱坤等[12]曾对昌邑国家级海洋生态特别保护区土壤养分的空间异质性与植物群落的分布特征进行过研究。但前者对该保护区的研究主要集中在自然环境方面, 并未涉及保护区内已建成的防潮堤坝对该区域滨海湿地的影响。傅新等[19]曾对人工堤坝影响下黄河三角洲海岸带湿地的生态特征进行分析, 结果表明人工堤坝的阻隔作用影响着土壤养分的梯度变化及植被演替方向。但是, 针对昌邑海洋生态特别保护区土壤养分和植被群落的研究较少, 且保护区内防潮堤坝修建对土壤养分和植物群落演替的影响鲜有研究。

作者以昌邑国家级海洋生态特别保护区内的防潮堤坝为界, 以堤坝外部自然滨海湿地和堤坝内部自然柽柳林为研究对象, 通过分析土壤pH、盐度、C、N、P含量和C︰N︰P生态化学计量学和植物体内TC、TN、TP和C︰N︰P之间的相互关系, 以及群落物种丰富度与土壤性质之间的相互联系, 揭示防潮堤坝对土壤养分元素、盐度、pH的改变和滨海湿地植被演替内部作用机制的影响, 为滨海湿地保护和生态重建提供理论依据。

1 研究区域概况

山东昌邑国家级海洋生态特别保护区(图1) (119°20′19″~119°23′49″E, 37°03′07″~37°07′12″N)于2007年10月底获得国家海洋局批准建立, 是中国唯一以柽柳为主的国家级海洋生态特别保护区, 总面积29.3 km2[16]。保护区位于山东省潍坊市昌邑市北部堤河以东、海岸线以下的滩涂区域, 属于渤海莱州湾南岸[15]。莱州湾属正规半日潮, 并受风暴潮影响[12]。地质构造属于华北地台渤海凹陷的一部分, 地层是第四纪堆积层, 堆积平原海岸是主要地貌形态, 土壤母质为近代黄河冲积物, 整个地势自南向北从高到低, 海拔6 m以下, 地下水位高, 潜水矿化度高[16]。气候类型是温带半湿润季风性大陆气候, 年降水量为580~ 660 mm, 年均蒸发量为1 764~1 859 mm, 平均气温12.9℃左右, 极端最高气温39.2℃, 极端最低气温–19℃, 无霜期195~225 d[16-17]。

保护区内生态类型主要由柽柳灌草丛、滩涂湿地、浅海构成, 土壤种类以潮土和盐土为主, 植被类型以灌木和草本为主, 优势灌木树种为柽柳, 优势草本植物有盐地碱蓬、二色补血草()等。保护区内建有防潮堤坝, 堤坝以北(简称堤坝内部)是柽柳林, 堤坝以南(简称堤坝外部)是大片的滩涂湿地、浅海。

2 研究方法

2.1 采样方法

2014年8月在山东昌邑国家级海洋生态特别保护区内堤坝内外分别设置采样带, 共设置5条采样带和 48个采样点。防潮堤坝外, 设置了3条采样带(A、B、C), 其中样带A平行海岸线, 样带B、C垂直于海岸线; 防潮堤坝内, 设置了2条采样带(D、E), 均垂直于防潮堤坝(图1)。每条样带中采样点之间的距离为50 m, 每个样点设置3 m×3 m的样方采集植物和土壤样品。在采样过程中, 为了保证样带连续, 不影响样带空间的关联性及造成空间的差异, 始终以大堤为采样起始点。

采用样方调查法, 记录样方内物种种类、数量、高度和盖度等数据, 采集每个样方内植物的地上部分, 并把茎和叶分别装入信封内保存。若样方内某种植物数量较少或生长状态较差, 为保护当地植被生态不受破坏, 则不采集该种植物。在每个样方中选取5个点(分别为样方4个角和样方中心位置), 使用土壤采样器收集0~10 cm, 10~20 cm, 20~30 cm深的土壤样品, 放入密封袋封装保存。

2.2 实验分析

植物样品在采集后24 h内放置电热鼓风干燥箱中105℃杀青30 min, 然后70℃烘干至恒质量。烘干植物样品通过粉碎机粉碎并封存。剔除石块与植物根、茎等杂物土壤样品自然风干后过100目筛并通过密封袋保存。通过元素分析仪(Various MACRO cube)测定植物和土壤样品总碳和总氮。通过硫酸消煮法处理后植物样品及浓硫酸-高氯酸消煮法处理后土壤样品分别进入连续流动分析仪(Auto Analyzer III)测定总磷。称取10.0 g土壤样品, 加入25 mL蒸馏水, 配成溶液, 经过低速离心机(3 500 r/min)处理后, 静置1 h, 上清液通过手持pH计(SoilStik)测定pH和盐度。

2.3 数据分析

通过箱形图和独立样本检验, 分析防潮堤内外土壤pH、盐度、C、N、P含量的差异性; 通过Pearson相关性检验, 分析了物种丰富度与土壤性质之间的关系[20-21]及植物体内营养含量特征(TC、TN、TP及C︰N︰P)与土壤性状之间的关系; 通过配对检验, 比较堤坝内外植物体内TN、TP、N︰P差异性; 物种丰富度是指一个群落或生境中物种数目多少, 在本研究中, 物种丰富度表示为单位样方内植物物种种类数量。所有统计分析及数据绘图均通过统计软件(Excel 2003、Origin Pro 8、SPSS 23.0)完成。

3 结果

3.1 防潮堤坝内外土壤养分空间差异

通过独立样本检验, 防潮堤内外土壤除pH (= –0.566, d=61.532,=0.573)以外, 盐度(=11.211, d=26.382,=0.00)、C(= –3.052, d=64,=0.001)、N(= –3.745, d=64,=0.00)、P(= –4.099, d=37.981,=0.00)均有显著差异。

防潮堤坝内外土壤pH差异不明显, 堤坝内土壤pH的离散程度大于堤坝外部, 说明堤坝内部土壤的pH空间上分布差异较大。堤坝外部土壤盐度及离散程度显著高于堤坝内部, 说明堤坝外盐度空间分布的差异大。堤坝内部土壤C、N、P含量均高于堤坝外部, 说明堤坝外部的土壤营养成分流失较大, 这可能与堤坝外潮汐作用的冲刷密切相关(图2)。因此,防潮堤坝造成了堤坝内外土壤盐度、C、N和P含量的差异, 而堤坝内外土壤pH没有受到较大影响。

3.2 防潮堤坝内外植物物种分布比较

堤坝外部盐地碱蓬出现频数最多为22次, 其次是獐毛()12次, 柽柳出现9次, 二色补血草出现7次, 碱蓬和芦苇()出现6次, 说明盐地碱蓬、獐毛和柽柳是堤坝外滩涂湿地优势种, 以草本、灌木为主要景观特征; 堤坝内部出现频数最多的物种是茵陈蒿() 18次, 其余依次是柽柳、芦苇9次, 狗尾草()6次, 鹅绒藤()、长裂苦苣菜()5次, 灰绿藜() 4次, 猪毛菜()3次, 二色补血草、苦荬菜()2次, 藜()和盐地碱蓬1次, 说明茵陈蒿、柽柳、芦苇在堤坝内属于优势物种。物种茵陈蒿、鹅绒藤、猪毛菜、长裂苦苣菜、灰绿藜、藜、苦荬菜、狗尾草只出现在堤坝内, 而碱蓬、獐毛只出现在堤坝外。优势种盐地碱蓬主要分布在堤坝外, 柽柳在堤坝内外均有分布(表1)。

表1 堤坝内外不同植物出现频数

3.3 土壤因子对物种丰富度的影响分析

植物丰富度分别与土壤pH (=0.371,<0.05)、土壤C含量(=0.5000,<0.01)呈正相关关系, 和土壤盐度呈负相关关系(= –0.657,<0.01), 而与土壤N、P含量无显著相关。因此, 植物丰富度主要受土壤pH、C含量和盐度的影响, 受土壤N和P含量的影响较小。土壤盐度分别与土壤C、N、P含量在0.01显著水平上呈现负相关关系, 相关系数分别为–0.630、–0.487、–0.428。土壤C含量与土壤N含量呈现正相关关系(=0.444,<0.01)(表2)。土壤pH对土壤养分含量无显著影响。

3.4 防潮堤坝内外典型植物物种TN、TP比较和土壤养分的关系

分别对堤坝内外典型植物芦苇和柽柳TN、TP和N︰P数据进行配对检验(表3)。结果显示在堤坝内外同种植物TN、TP差异不明显(>0.01), 说明堤坝内外相同植物养分含量水平相似。

表4说明芦苇与土壤之间C、N、P含量及化学计量特征相关性不显著。表5说明柽柳植物TC、TP含量与土壤C、N、P含量相关性不显著; 柽柳植物TN含量与土壤P含量呈负相关关系(<0.01), 与土壤C︰P含量存在正相关关系(<0.05); 柽柳植物C: N与土壤P含量呈现正相关关系(=0.611,<0.01)与土壤C︰P比呈现负相关关系(= –0.525,<0.01), 但与土壤C、N含量、C︰N及N︰P比相关性不显著; 柽柳植物C︰P正相关于土壤C︰P(=0.483,<0.05), 而柽柳的N︰P与土壤N︰P相关性不显著。

4 讨论

在昌邑海洋生态特别保护区内, 由于潮汐作用和风暴潮的影响差异, 防潮堤坝内外土壤性状和植物类型差异明显。堤坝外土壤含盐率高、养分含量偏低, 因此, 盐地碱蓬成为堤坝外的优势种, 并且其呈簇状分布, 这与郭晓丽[22]的研究结果相似。由于不受潮汐的影响, 堤坝内土壤盐度低于堤坝外部、土壤养分流失少, 而且植物凋落物分解营养物质[23]有利于提高土壤营养物质含量, 因此, 土壤N、P、C含量高于堤坝外, 形成了以柽柳为优势种景观类型, 并且柽柳作为一种泌盐植物, 可以改善土壤性质[24], 也是大坝内土壤盐度低的原因之一。植被群落景观特征与土壤性状具有一定的相关性, 并且土壤的差异将对湿地植物种类产生影响[25], 大量研究表明黄河三角洲盐生植被生长与分布受土壤盐分影响较大[26-28],随着盐度增加, 物种丰富度不断减少。作者的研究也发现, 由于防潮堤坝的存在, 物种丰富度主要受土壤pH、C含量和盐度的影响, 受土壤N和P含量的影响较小, 随着盐度的增加, 堤外物种丰富度小于堤内, 而且堤坝外部植物的平均生物量(372.67 g/m2)也小于大堤内部植物的平均生物量(655.26 g/m2), 该研究结果与王乐云等[26]的研究一致。堤坝外部适合生长的植物主要有碱蓬、盐地碱蓬、二色补血草、獐毛、柽柳、芦苇, 形成以盐地碱蓬、獐毛为优势种、柽柳稀疏分布的植被景观, 而堤坝内部植物种类增加, 物种丰富度提高, 形成以柽柳为优势种的灌草丛植被景观。傅新等[19]发现堤坝影响海岸带植被的盖度, 并在一定程度上加速了植物群落的正向演替, 依次形成裸滩涂-盐地碱蓬群落-柽柳群落-芦苇群落-柽柳群落的植物演替序列。本研究发现: 堤坝外的植物群落依次是裸滩涂-盐地碱蓬群落-芦苇群落-柽柳群落; 堤坝内为柽柳群落。因此, 堤坝改变了堤坝内的演替序列, 形成了柽柳顶级群落, 而堤坝外的演替方向与傅新的研究相似。

表2 采样点植物丰富度与土壤性质之间的相关性分析

注: *. 在0.05级别(双尾), 相关性显著, **. 在0.01级别(双尾), 相关性显著(表5同)

表3 昌邑海洋生态特别保护区典型植物柽柳与芦苇TN、TP和N︰P及其堤坝内外显著性

表4 昌邑海洋生态特别保护区土壤与芦苇TC、TN、TP含量及其化学计量比之间的相关性分析

表5 昌邑海洋生态特别保护区土壤与柽柳TC、TN、TP含量及化学计量比之间的相关性分析

在相似的气候环境条件下, 土壤性状影响着植物的群落特征[29], 例如土壤pH不仅能够反映了土壤的酸碱性, 而且能够影响土壤的养分, 对植物生长和种类有重要影响[30]; 土壤养分因子C、N、P对植物生长、发育和行为也起着重要作用, 尤其N︰P可以作为N的饱和指标, 用来判断环境对植物生长元素供应情况和植物自身生长速率[31], 同时可以对环境中的限制性元素起指示作用[32-33]。对于滨海湿地生态系统, 一些研究发现: 当N︰P>16时, 植物生长受到P元素控制; 当N︰P<14时, 植物生长受N元素限制; 当14

因此, 防潮堤坝阻隔了潮汐向堤坝内部输送盐分和水分, 导致堤坝内土壤性质发生改变, 主要包括盐度值降低、土壤C、N、P含量升高, 加速了以盐地碱蓬、獐毛为主滨海湿地植被景观演替成以柽柳为主灌草丛景观, 促进了湿生植被向中旱生植被的演化。

5 结论

防潮堤坝外部土壤pH、C、N、P含量均小于堤坝内部土壤, 堤坝外部土壤盐度大于堤坝内部; 堤坝外部是以盐地碱蓬和獐毛为主、柽柳伴生的滨海湿地景观, 堤坝内部则是以柽柳为主的灌草丛景观; 保护区内物种丰富度与土壤盐度值呈负相关关系, 随着盐度的升高, 物种丰富度降低, 堤坝外部物种丰富度低于堤坝内部。防潮堤坝的建立改变了堤坝内外土壤的养分状况, 加速了堤坝内部植物群落的正向演替及堤坝外部的生态脆弱性。

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Effects of tide dyke on plants and soil properties of coastal wetlands in Changyi, Shandong

CHEN Cheng1, 2, 3, LIU Yu-hong1, 2, LU Ying1, 2, 4, WANG Guang-mei1, ZHANG Hua1

(1. Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 2. Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development on Shallow Lake of Ministry of Education, College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. China School of Municipal and Environmental Engineering, the University of Jilin Architecture, Changchun 130118, China)

A field-survey sampling was conducted in Changyi National Marine Ecological Special Reserve to study the influence of tide dyke on the plant and soil properties of coastal wetlands. The analysis of the relation between soils and vegetation and that between the two sides of the dam was performed. Results showed that the soil and vegetation status inside and outside the dyke had some differences. While the salinity was contrary, the contents of soil such as C, N, and P outside the dyke were less than that inside the dyke. Outside the dyke,andare the dominant species of coastal wetlands, while inside the dyke, shrub-grasslandis the dominant species. The richness of species was negatively correlated with soil salinity; with the increasing soil salinity, the richness of soil outside the dyke was less than that inside the dyke. There was no significant correlation of C, N, and P, and the stoichiometric ratio C︰N︰P between the soil and, whereas a significant negative correlation existed between the contents of P of soil and content of N of, which indicated that woody plants depended on soil nutrient more than herbaceous plants.

Tide dyke; coastal wetland; Changyi National Marine Ecological Special Reserve

(本文编辑: 谭雪静)

[Key Project of Chinese Academy of Sciences, No .Y324021021; National Natural Science Foundation of China(General Program), No.31370474; A Project Funded by the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions, No. PAPD; The Fundamental Research Funds for the Central Universities, No.2016B12014]

Sep. 29, 2016

P76

A

1000-3096(2017)05-0050-09

10.11759//hykx20160929002

2016-09-29;

2017-03-04

中国科学院重点部署项目(Y324021021); 国家自然科学基金资助项目(31370474); 江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD); 中央高校基本科研业务费专项资金(2016B12014)

陈琤(1993-), 女, 安徽马鞍山人, 硕士研究生, 主要从事滨海湿地水文模型研究, 电话: 18363827098, E-mail: chen@yic.ac.cn; 刘玉虹, 通信作者, E-mail: yhliu@hhu.edu.cn