闽江口芦苇与短叶茳芏湿地土壤无机硫形态分布特征及其影响因素

王 华,孙志高,*,李家兵,何 涛,高 会,王 杰

1 福建师范大学地理研究所,福州 350007 2 福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室,福州 350007 3 福建师范大学福建省亚热带资源与环境重点实验室,福州 350007 4 福建师范大学环境科学与工程学院, 福州 350007

1 材料与方法

1.1 研究区概况

闽江河口湿地位于中亚热带和南亚热带过渡区,气候暖热潮湿,雨热同期,年平均气温19℃,年均降水日数153 d,降水量可达1300 mm。河口区地势低平,河口潮流涨落具有周期性变化,感潮段可延伸至福州市区,发育有良好的湿地生态系统。本研究选取的鳝鱼滩湿地地处闽江入海口(119°34′12″—119°40′40″ E,26°00′36″—26°03′42″ N),是闽江河口最大的一块湿地,湿地分布区内潮水涨落频繁,潮沟纵横,水文条件相对复杂。研究区的土壤类型属滨海盐土,富含铁、铝等黏土矿物。主要原生植被包括短叶茳芏(Cyperusmalaccensis)、芦苇(Phragmitesaustralis)和扁穗莎草(Cyperuscompressus)等,植被群落由陆向海整体呈条带状分布。

1.2 样地布设与样品采集

2016年7月,采用定位研究方法,在鳝鱼滩西北部由陆向海方向设置样带,在该样带上布设3个典型研究样地,即纯芦苇群落(P.australis,记为P)、纯短叶茳芏群落(C.malaccensis,记为C)以及两种植物空间扩展形成的交错带群落(P.australis-C.malaccensis,记为P-C)(图1)。采用土壤柱状采样器在上述典型样地内进行土壤样品采集,采样深度为60 cm(每10 cm一层),每个研究样地采集3个柱状样作为重复,共54个样品。

图1 研究区域及研究样地示意图Fig.1 Sketch of the study region and sampling sites

1.3 样品处理与测定

1.4 指标计算

土壤总无机硫储量Ls可采用下式计算：

式中,LSi表示第i层的土壤无机硫硫库储量(g/m2),dvi表示第i层土壤容重(g/m3),Si表示第i层土壤剖面总无机硫含量(mg/kg),hi表示土层深度(cm)。

1.5 数据处理与分析

运用Origin 8.0 软件对不同类型湿地土壤中各形态无机硫含量数据进行作图、计算和单因素方差分析,方差分析的显著性水平设定为α=0.05。采用SPSS 18.0 软件对影响不同类型湿地土壤中各形态无机硫含量的环境因子进行主成分分析和逐步线性回归分析。

2 结果与分析

2.1 无机硫形态水平分布特征

3种类型湿地土壤中的H2O-S和HCl-Soluble-S含量在0—40 cm土层整体表现为交错带湿地>短叶茳芏湿地>芦苇湿地(图 2)。其中,芦苇湿地与交错带湿地以及短叶茳芏湿地与交错带湿地的土壤H2O-S含量均不存在显著差异(P>0.05),而芦苇湿地与交错带湿地(P=0.002)以及交错带湿地与短叶茳芏湿地(P=0.007)土壤的HCl-Soluble-S含量均存在显著差异。在40—60 cm土层,3种类型湿地土壤的H2O-S和HCl-Soluble-S含量均表现为交错带湿地>芦苇湿地>短叶茳芏湿地。其中,三者之间的H2O-S含量均不存在显著差异(P>0.05),而短叶茳芏湿地土壤的HCl-Soluble-S含量分别与芦苇湿地(P=0.001)和交错带湿地(P=0.001)存在显著差异。另外,3种类型湿地土壤的Adsorbed-S含量在0—10 cm土层表现为交错带湿地>芦苇湿地>短叶茳芏湿地(P>0.05),而在40—60 cm土层则整体表现为短叶茳芏湿地>交错带湿地>芦苇湿地(P>0.05)。就10—40 cm土层而言,3种类型湿地土壤的Adsorbed-S含量均表现出交错带湿地>短叶茳芏湿地>芦苇湿地,且其值在芦苇湿地与交错带湿地(P=0.001)以及芦苇湿地与短叶茳芏湿地(P=0.029)均存在显著差异。另外,3种类型湿地土壤的HCl-Volatile-S含量在0—60 cm土层上整体表现为短叶茳芏湿地>芦苇湿地>交错带湿地。其中,短叶茳芏湿地土壤的HCl-Volatile-S含量分别与芦苇湿地(P=0.001)和交错带湿地(P=0.001)存在显著差异。

图2 不同类型湿地土壤不同形态无机硫含量水平分布特征Fig.2 Horizontal distributions of the contents of different inorganic sulfur forms in soils of different marshes

2.2 无机硫形态垂直分布特征

3种类型湿地土壤的H2O-S、Adsorbed-S和HCl-Soluble-S含量整体均自表层向下呈先降低而后增加的变化(图3)。其中,三者土壤中的H2O-S和Adsorbed-S含量在垂直方向上均不存在显著差异(P>0.05),而芦苇湿地与交错带湿地(P=0.002)以及短叶茳芏湿地与交错带湿地(P=0.003)土壤的HCl-Soluble-S含量在垂直方向上均存在显著差异。整体而言,短叶茳芏湿地(0—60 cm)土层的H2O-S含量垂直变化并不明显,而芦苇湿地和交错带湿地土壤中的H2O-S含量的垂直变化较为明显且也比较一致,其值在0—40 cm土层上随深度的增加而降低且二者之间存在显著差异(P=0.012),而在40—60 cm土层上则之相反(P>0.05)。尽管交错带湿地与短叶茳芏湿地土壤中Adsorbed-S含量的垂直变化趋势在0—40 cm土层正好相反,但二者之间不存在显著差异(P>0.05);但在40—60 cm土层,二者Adsorbed-S含量的垂直变化趋势较为一致,且二者之间亦不存在显著差异(P>0.05)。对于HCl-Soluble-S而言,其值在三种类型湿地土壤中的含量自表层向下整体均呈先降低后增加的变化。其中,交错带湿地与芦苇湿地土壤的HCl-Soluble-S含量的垂直变化较为明显,且二者之间存在显著差异(P=0.006)。与其他三种无机硫组分相比,芦苇湿地与短叶茳芏湿地土壤的HCl-Volatile-S含量在垂直方向上呈相反变化特征且二者存在显著差异(P=0.001),而交错带湿地土壤的HCl-Volatile-S含量在垂直方向上的变化较为平缓。方差分析表明,芦苇湿地土壤的H2O-S与Adsorbed-S(P=0.005)、H2O-S与HCl-Volatile-S(P=0.001)以及HCl-Soluble-S与HCl-Volatile-S(P=0.021)存在显著差异;交错带湿地土壤的H2O-S与Adsorbed-S(P=0.001)、H2O-S与HCl-Volatile-S(P=0.001)、HCl-Soluble-与Adsorbed-S(P=0.001)以及HCl-Soluble-S与HCl-Volatile-S(P=0.001)均存在显著差异;而短叶茳芏湿地土壤中四种形态无机硫之间均存在显著差异(P<0.05)。与芦苇湿地和短叶茳芏湿地相比,交错带湿地土壤的H2O-S、Adsorbed-S、HCl-Soluble-S和TIS含量整体均呈增加趋势,增幅分别为36.94%和54.31%、34.84%和13.03%、73.25%和67.59%以及45.72%和45.28%;与之不同,HCl-Volatile-S含量则呈降低趋势,降幅分别为2.78%和22.24%(表1)。

图3 不同类型湿地土壤不同形态无机硫含量垂直分布特征Fig.3 Vertical distributions of the contents of different inorganic sulfur forms in soils of different marshes

湿地类型Marsh types项目Items无机硫形态Inorganic sulfur forms水溶性硫H2O-S吸附性硫Adsorbed-S盐酸可溶性硫HCl-Soluble-S盐酸挥发性硫HCl-Volatile-S总无机硫TISP含量/(mg/kg)146.09±81.63a46.96±25.98a103.53±26.60a20.47±1.60a317.50±118.79a变异系数CV55.8755.3325.697.8237.47P-C含量/(mg/kg)200.05±42.33b63.32±18.24a179.37±46.46b19.90±1.18a462.65±100.52b变异系数CV21.1628.8025.905.9121.73C含量/(mg/kg)129.64±16.09b56.20±13.90a107.03±10.82a25.59±2.25b318.45±29.11a变异系数CV 12.4124.7310.118.799.14

a, b表示不同类型湿地之间的差异,字母不同表示二者在P<0.05水平上差异显著;纯芦苇群落P,P.australis；芦苇-短叶茳芏交错带群落P-C,P.australis-C.malaccensis; 纯短叶茳芏群落C ,C.malaccensis

2.3 无机硫总量及储量分布

芦苇湿地、交错带湿地和短叶茳芏湿地土壤的TIS平均含量分别为((317.05±118.79)mg/kg)、((462.65±100.52) mg/kg)和((318.45±29.11) mg/kg),占相应类型湿地全硫含量的22.29%—39.99%、32.39%—33.33%和30.20%—30.86%。另外,交错带湿地土壤的TIS含量明显高于芦苇湿地和短叶茳芏湿地(图4、图5),前者是后者的1.0—1.5倍。具体而言,0—10 cm土层的TIS含量整体表现为交错带湿地>芦苇湿地>短叶茳芏湿地,且芦苇湿地与短叶茳芏湿地(P=0.011)以及短叶茳芏湿地与交错带湿地(P=0.006)均存在显著差异;20—40 cm土层的TIS含量整体均表现为交错带湿地>短叶茳芏湿地>芦苇湿地,且芦苇湿地与交错带湿地(P=0.001)、芦苇湿地与短叶茳芏湿地(P=0.026)以及短叶茳芏湿地与交错带湿(P=0.030)均存在显著差异;与0—10 cm土层相似,50—60 cm土层的TIS含量亦表现为交错带湿地>芦苇湿地>短叶茳芏湿地,但仅交错带湿地与短叶茳芏湿地之间存在显著差异(P=0.036)。就垂直变化而言,不同类型湿地土壤的TIS含量和储量整体均随深度的增加呈先降低后增加变化,其中芦苇湿地与交错带湿地于30—40 cm土层取得最低值,而短叶茳芏湿地则于20—30 cm土层取得最低值。比较而言,3种类型湿地土壤的TIS储量整体表现为交错带湿地>芦苇湿地>短叶茳芏湿地,其值分别为((174.59±42.84) g/m2)、((252.19±18.46) g/m2)和((167.30±16.51) g/m2),与芦苇湿地和短叶茳芏湿地相比,交错带湿地土壤的TIS储量分别增加了44.44%和50.73%。

图4 不同类型湿地土壤总无机硫含量分布 Fig.4 Distribution of total inorganic sulfur contents in soils of different marshes

图5 不同类型湿地土壤无机硫储量分布 Fig.5 Distribution of inorganic sulfur stocks in soils of different marshes

2.4 无机硫赋量影响因素分析

通过主成分分析对影响无机硫赋存量的相关因子进行筛选结果表明(表2),芦苇湿地的第一主成分Z1与x2和x9存在明显的正相关,与x1和x3存在较为明显的负相关,故可看作是土壤氧化还原环境和金属矿物的代表;第二主成分Z2与x4、x6和x8存在明显的正相关,可看作是土壤水分、土壤细颗粒组成和金属矿物的组成的代表;第三主成分Z3与x5、x7和x10存在明显的正相关,可看作是土壤养分、细颗粒组成和金属矿物的代表。因此,土壤氧化还原环境、细颗粒组成和金属矿物含量是影响芦苇湿地土壤无机硫含量的关键因素(累积贡献率可达81.44%),而土壤养分也对其分布也具有重要影响(累积贡献率为11.51%)。交错带湿地的第一主成分Z1与x2、x5和x8存在明显的正相关,与x1和x3存在明显的负相关,可看作是土壤氧化还原环境、养分和金属矿物的代表;第二主成分Z2与x6和x7存在明显的正相关,而与x4和x10存在明显的负相关,可看作是土壤细颗粒组成的代表。因此,土壤氧化还原环境、养分和金属矿物是影响交错带湿地土壤无机硫含量的关键因素(累积贡献率可达58.23%),而土壤细颗粒组成也对其分布也具有重要影响(累积贡献率为32.35%)。短叶茳芏湿地的第一主成分Z1与x2和x8存在明显的正相关,而与x1存在明显的负相关,可看作是土壤氧化还原环境和金属矿物的代表;第二主成分Z2与x5和x6存在明显的正相关,而与x4存在明显的负相关,可看作是土壤养分和土壤细颗粒组成的代表;第三主成分Z3与x9存在明显的正相关,可看作是土壤金属矿物的代表。因此,土壤氧化还原环境、养分和细颗粒组成是影响短叶茳芏湿地土壤无机硫含量的关键因素(累积贡献率可达75.95%),而金属矿物对其分布也具有重要影响(累积贡献率达13.02%)。为了进一步识别影响不同无机硫形态分布的关键因子,对不同形态无机硫含量及主要环境因子进行多元逐步线性回归分析(表3),结果表明,芦苇湿地土壤的H2O-S、Adsorbed-S和TIS含量分布主要受有机质含量的影响(R2分别为0.68、0.73和0.93),而HCl-Soluble-S和HCl-Volatile-S含量无任何因子进入方程;交错带湿地土壤的HCl-Soluble-S和TIS含量主要受到粉粒含量的影响(R2分别为0.93和0.88),H2O-S和HCl-Volatile-S含量除受到粉粒含量的影响外,还分别受到氧化还原电位(Eh)和Fe含量的影响(R2分别为0.94和0.99),Adsorbed-S含量主要受Al含量的影响(R2为0.57);短叶茳芏湿地土壤的Adsorbed-S和HCl-Volatile-S含量主要受到黏粒和粉粒含量的影响(R2分别为0.91和0.99),TIS含量除受到黏粒含量的影响外,还受到有机质含量的影响(R2为0.96),而H2O-S和HCl-Soluble-S含量均未有任何因子进入方程。

表2 特征值及主成分矩阵

表3 不同类型湿地土壤无机硫分布与环境因子关系的逐步回归分析

x1至x9所代表的因子同表2

3 讨论

表4 不同研究区域湿地表层土壤无机硫含量对比

*a表示该形态无机硫数据缺失。*b表示研究区域为无植被覆盖地

表 5 不同类型湿地土壤表层理化性质

a, b表示不同类型湿地之间的差异,字母不同表示二者在P<0.05水平上差异显著

图6 湿地土壤H2O-S含量和Adsorbed-S含量的关系 Fig.6 Relationship between the contents of H2O-S and Adsorbed-S in marsh soils

本研究还表明,芦苇与短叶茳芏空间扩展形成的交错带湿地土壤的TIS含量明显高于纯群落湿地,前者是后者的1.0—1.5倍。前述分析表明,TIS含量主要受到土壤有机质和土壤细颗粒组成的重要影响。由于交错带湿地植物的枯落物归还能力和拦截细颗粒的能力较高,使得其土壤有机质含量和细颗粒含量也较芦苇湿地或短叶茳芏湿地高[32],进而导致其TIS含量亦高于纯群落湿地。另有研究表明,土壤无机硫含量与土壤TS含量呈显著正相关[14]。本研究中,交错带湿地土壤的TS平均含量((1.40±0.29) mg/g)要高于芦苇湿地((1.20±0.07) mg/g)和短叶茳芏湿地((1.04±0.08) mg/g),这就使得其无机硫含量可能高于纯群落湿地。此外,湿地土壤中的无机硫含量也可能与植物对硫养分的吸收利用密切相关[33]。关于交错带湿地与纯群落湿地的相关研究表明,交错带湿地的芦苇地下生物量分配比(29.46%)要高于纯群落芦苇湿地(25.79%),而其短叶茳芏地下生物量分配比(26.64%)与纯群落短叶茳芏湿地(26.77%)相差不大[22],说明交错带湿地植物的生物量主要分配在地下,而地上生物量的分配比相对降低,又因为硫直接参与植物叶绿素的合成以及植物光合作用等过程[34],故可能导致交错带植物地上器官所需的有效硫含量相对降低,进而使得土壤中存留的无机硫含量也就相对较高。

4 结论

(1)不同类型湿地土壤中各形态的无机硫含量整体表现为HCl-Soluble-S>H2O-S>Adsorbed-S>HCl-Volatile-S,分别占TS含量的22.29%—39.99%、32.39%—33.33%和30.20%—30.86%。闽江口湿地土壤中不同形态无机硫含量在全国处于较高水平,但明显低于国外潟湖沉积物和盐沼土壤的研究结果。

(2)芦苇与短叶茳芏的空间扩展明显增加了交错带湿地土壤的H2O-S、Adsorbed-S、HCl-Soluble-S和TIS含量,增幅分别为36.94%和54.31%、34.84%和13.03%、73.25%和67.59%以及45.72%和45.28%;而HCl-Volatile-S含量整体降低,降幅分别为2.78%和22.24%。

(3)不同类型湿地土壤中H2O-S、Adsorbed-S和TIS含量的变化主要受有机质含量和细颗粒组成的控制,而HCl-Soluble-S和HCl-Volatile-S含量主要受土壤氧化还原环境和金属元素分布的影响。

(4)芦苇与短叶茳芏的空间扩展增加了土壤中H2O-S、Adsorbed-S、HCl-Soluble-S和TIS含量,但降低了HCl-Volatile-S含量,说明二者的空间扩展在整体提高交错带湿地土壤有效硫供给能力的同时,亦降低了挥发性硫化物可能对二者生长产生的不利影响,这对于保持二者在交错带湿地中的竞争力具有重要生态意义。