瀕危植物東方水韭 (Iso?tes orienta lis)自然生境土壤營養(yǎng)狀況及水體 pH值分析

朱文杰,陳 欣,唐建軍,①,朱圣潮

東方水韭 (Iso?tesorientalisH.L iu et Q.F. W ang)隸屬于水韭科 (Iso?taceae)水韭屬 (Iso?tesL.),該屬為孑遺屬。該種曾經(jīng)被稱作中華水韭 (Iso?tes sinensisPalm er)松陽居群,后來又被命名為東方水韭,成為1個新種[1]。東方水韭生長范圍狹窄,經(jīng)調(diào)查只分布于浙江松陽縣局部區(qū)域[2],瀕臨滅絕,為中國特有種,屬國家一級保護野生植物[3],2005年經(jīng)國際生物物種命名委員會確認為世界瀕危植物[1]。

目前,對水韭屬相關(guān)種類及東方水韭 (包括中華水韭松陽居群)的研究主要集中在 3種水韭屬植物的地理分布與生境特征分析、東方水韭居群間遺傳變異、浙江省中華水韭分布現(xiàn)狀和水韭屬植物的水體化學性質(zhì)分析等方面[2-5]。研究結(jié)果顯示,東方水韭的遺傳變異主要存在于居群內(nèi),居群間的變異較小[3]；水韭屬植物的地理分布及其生長狀況與海拔、水體pH值、基底 pH值以及種間競爭和水位波動密切相關(guān)[2]；生境破壞可能是導致中華水韭種群消失的主要原因之一[4]；生活水體的化學性質(zhì)差異不是導致水韭屬植物分布差異的原因[5]。近年來,筆者所在課題組對東方水韭(中華水韭松陽居群)進行了系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)東方水韭與多數(shù)伴生物種聯(lián)結(jié)性不顯著,在群落中相對獨立,僅少數(shù)優(yōu)勢種類與東方水韭間存在種間競爭；東方水韭群落演替過程中群落物種組成的改變、物種多樣性的提高、物種繁殖策略的變化以及群落物種組成中生化等因素,可能是導致東方水韭種群衰退的主要生物學原因[6-8]。

在以往的研究基礎(chǔ)上,作者以浙江松陽叔婆灣和小爛湖為研究樣地,通過測定分析 2個樣地土壤中主要營養(yǎng)成分的含量及叔婆灣樣地水體 pH值,試圖找出可能導致東方水韭瀕危的環(huán)境條件因素,以期為東方水韭瀕危機制的探討提供實驗依據(jù)。

1 樣地自然概況和研究方法

1.1 樣地自然概況

東方水韭叔婆灣樣地和小爛湖樣地均位于浙江省麗水市松陽縣箬寮峴,是目前發(fā)現(xiàn)的僅存的 2個東方水韭自然居群分布地。樣地位于中亞熱帶季風氣候區(qū),四季分明、溫暖潮濕、光照充足；年均溫 16℃,極端最高溫 37℃,極端最低溫 -12℃,年均日照時數(shù) 1 168 h,年均降雨量 1 769.7 mm,年均相對濕度79％；秋季多霧、春夏多雨；土壤為黃壤。2塊樣地內(nèi)的東方水韭均呈集群分布,取樣時株高約 5～8 cm。

叔婆灣樣地地理坐標為北緯 28°16′19″、東經(jīng)119°16′24″,海拔1 047m。該樣地為東方水韭分布最集中的樣地,大致呈矩形,呈西北—東南走向,面積約為 19m×9.5m,是山溪沖積形成的濕地,20世紀 70年代被開墾為農(nóng)田,20世紀 80年代中期棄耕荒蕪至今。緊靠濕地的旁邊有小溪渠,用于輸送小流域集水,雖有土堤隔開,但東方水韭分布區(qū)域滯水明顯。

小爛湖樣地地理坐標為北緯 28°16′26″、東經(jīng)119°16′11″,海拔 1 108m,與叔婆灣樣地直線相距約0.414 km。該樣地基本呈菱形,水流方向為西南至東北,開口于東北方向,粗測面積約為 300m2。該樣地原為山間小水塘,后因山泥沉積而逐漸成為沼澤濕地,旁側(cè)有人行小道沿樣地邊緣蜿蜒經(jīng)過,由于地勢相對較高,取樣時無明顯積水。該樣地內(nèi)東方水韭的自然分布密度明顯低于叔婆灣樣地,并且該樣地已經(jīng)被芒 (MiscanthussinensisAnderss.)、燈心草 (Juncus effusesL.)、谷精草 (EriocaulonbuergerianumKoern.)及水莎草〔Juncellusserotinus(Rottb.)C.B.C larke〕等優(yōu)勢種所占據(jù)。

1.2 方法

1.2.1 土樣和水樣的采集方法 于 2009年 3月 21日東方水韭生長早期采集土樣和水樣。叔婆灣樣地近似矩形,土壤狀況沿兩側(cè)坡向和溝谷方向變化較有規(guī)律,因此,采用網(wǎng)格 9點取樣法取樣,即沿溝谷方向取 3條水平線,沿兩側(cè)山坡取 3條水平線,各邊點距樣地邊緣 2m以上,共確定 9個采樣點。小爛湖樣地呈菱形,水面和地下潛流沿長對角線方向流動,一進一出,變化較有規(guī)律,采用 5點取樣法取樣,即沿長對角線取 3個點,2個邊點距地角約 5m,分別代表菱形地塊長對角線的上、中、下 3個位置,再在短對角線上距地角 5m處分別取樣,共確定 5個采樣點。分別采集各樣點 0～25 cm表層土壤,放入塑封袋內(nèi)帶回實驗,經(jīng)室內(nèi)自然風干后充分碾碎,按照樣地分別混合拌勻,再采用四分法或二分法多次等分,待測。

由于取樣時小爛湖樣地內(nèi)無明顯積水,因而,僅采集了叔婆灣樣地內(nèi)的積水。在叔婆灣樣地內(nèi)沿溝谷方向分別于上、中、下游 3個位置共采集 3個水樣,裝入干凈礦泉水瓶中帶回實驗室,待測。

1.2.2 土樣和水樣中各指標的測定方法 采用文獻[9]的方法測定土壤中有機質(zhì)含量；參照文獻[10]的消煮法測定土壤中的全氮含量；采用碳酸氫鈉浸提 -鉬銻抗比色法 (O lsen法)[10]測定土壤中的速效磷含量；采用 NH4OA c浸提 -火焰光度法[11]測定土壤中的速效鉀含量；參照文獻[12]的方法測定土壤中的總鐵離子(包括 Fe3+和 Fe2+)含量。使用雷磁 PHS-25型數(shù)字 pH計(上海精密科學儀器有限公司生產(chǎn))測定叔婆灣樣地內(nèi)水樣的 pH值。各指標均進行 3次平行測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用 Excel軟件進行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理,并采用SPSS軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 東方水韭樣地土壤中主要營養(yǎng)成分含量分析

有機質(zhì)是反映土壤綜合肥力的重要指標之一,是土壤養(yǎng)分的主要來源,對維持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要作用。中國南方地區(qū)雨水多、溫度高、植物生長茂盛,高產(chǎn)稻田的土壤有機質(zhì)含量多為 23.6～48.0 g·kg-1[10]；未經(jīng)深度耕作的高山草甸有機質(zhì)含量則較高,且海拔越高,表層土壤中有機質(zhì)的含量越高。

由于叔婆灣和小爛湖樣地均處于溝谷地帶,表層土壤植物凋落物十分豐富,加之樣地的海拔相對較高以及小流域的集水效應(yīng),使該樣地的滯水厭氧狀況明顯、有機質(zhì)分解緩慢,導致有機質(zhì)的積累速率大于分解速率,因此樣地土壤的有機質(zhì)含量遠遠高于一般土壤。東方水韭叔婆灣和小爛湖樣地土壤中主要營養(yǎng)成分含量見表 1。在叔婆灣和小爛湖樣地東方水韭分布較集中的區(qū)域,土壤有機質(zhì)含量均較高,分別為(102.7±4.866)和 (122.8±7.775)g·kg-1,后者土壤的有機質(zhì)含量顯著高于前者(P＜0.05)。

土壤中的氮素被認為是最易耗竭和限制植物生長的營養(yǎng)元素之一,植物所吸收的氮有 30％～60％來自土壤[13],因此土壤含氮量對植物生長尤為重要。表 1數(shù)據(jù)表明,叔婆灣和小爛湖 2個樣地土壤的含氮量非常豐富,總氮含量分別為 (3.1±0.208)和 (4.8 ±0.104)g·kg-1?？梢?這 2個樣地都屬于總氮含量極為豐富的土壤類型,且小爛湖樣地土壤的總氮含量極顯著高于叔婆灣樣地(P＜0.01)。

土壤速效磷水平表征了土壤中可交換性磷的數(shù)量[14]。測定結(jié)果 (表 1)表明,叔婆灣樣地土壤速效磷含量為 (18.1±2.112)μg·g-1,小爛湖樣地土壤速效磷含量為 (13.7±1.824)μg·g-1,2個樣地間土壤速效磷含量差異不顯著。

測定結(jié)果(表 1)表明,叔婆灣樣地土壤速效鉀含量為 (15.0±2.219)μg·g-1,小爛湖樣地土壤速效鉀含量為 (7.1±0.269)μg·g-1,2個樣地土壤速效鉀含量均較低,且 2個樣地間土壤速效鉀含量差異極顯著(P＜0.01)。結(jié)果顯示,東方水韭主要生長在土壤速效鉀含量較低的生境中。

鐵是一些重要酶的組成成分,在土壤和生物的氧化還原過程中起著極其重要的作用。土壤中鐵離子的含量不僅與成土母質(zhì)鐵含量有關(guān),而且與土壤酸堿度、土壤質(zhì)地、有機質(zhì)含量、土壤水土比,特別是土壤氧化還原電位有關(guān)[15]。測定結(jié)果 (表 1)顯示,叔婆灣樣地和小爛湖樣地土壤中總鐵離子含量 (即 Fe3+和 Fe2+總含量)分別為 (221.6±8.577)和 (240.0 ±0.861)μg·g-1,表明這 2個樣地土壤中總鐵離子含量均較高,但 2個樣地間差異不顯著。

2.2 東方水韭叔婆灣樣地水體 pH值分析

土壤溶液酸堿度的變化對于水生植物生長發(fā)育有直接影響,土壤的 pH值還會影響營養(yǎng)元素的有效性,從而影響植物對養(yǎng)分的攝取和吸收。測定結(jié)果表明,叔婆灣樣地水體 pH值在 pH 6.35～pH 6.53之間,其中,上、中和下游 3個區(qū)域的水體 pH值分別為pH 6.35、pH 6.53和 pH 6.49,均屬于中性范圍。

3 討論和結(jié)論

水韭屬植物在中國的自然分布范圍以及種群數(shù)量日益減少,瀕臨滅絕[3-4],而東方水韭瀕危狀況尤為嚴重,數(shù)量少且分布范圍狹窄。為此,作者從生境土壤和水體的理化狀況入手,對東方水韭分布密度有明顯差異的 2個樣地進行比較,并參照植物營養(yǎng)標準,探討了可能導致其瀕危的環(huán)境因素。

雖然東方水韭叔婆灣和小爛湖樣地土壤中有機質(zhì)含量有顯著差異,但都屬于有機質(zhì)含量極為豐富的土壤類型,可為東方水韭的生長提供較為充足的營養(yǎng),不是東方水韭的致危因素。雖然 2個樣地土壤中總氮含量也存在極顯著差異,但都屬于總氮含量豐富的土壤類型,也不可能是影響東方水韭生存的限制因素。由于 2個樣地土壤中的速效磷含量豐富且樣地間無顯著差異,故土壤中速效磷含量的高低也不是影響東方水韭種群發(fā)展的限制因素。2個樣地土壤中的速效鉀含量均極低,且小爛湖樣地的速效鉀含量極顯著低于叔婆灣樣地,這種差異趨勢與樣地間東方水韭種群密度差異趨勢相同。據(jù)此推測：2個樣地 (特別是小爛湖樣地)東方水韭種群的快速衰退可能與樣地土壤中鉀元素的極度缺乏有關(guān),缺鉀可能是導致東方水韭種群衰退的最重要的土壤因子之一。此外,2個樣地土壤中總鐵離子含量都很高,且含量差異不顯著,故總鐵離子含量的高低也不可能是東方水韭生存和發(fā)展的營養(yǎng)限制因子。但在強還原的滯水厭氧條件下,鐵元素多以 Fe2+的形式存在,土壤中 Fe2+過量可能導致植物發(fā)生鐵中毒現(xiàn)象[16]。值得注意的是,鐵中毒常與缺鉀代謝密切相關(guān),鐵中毒和缺鉀響應(yīng)互為促進[17]。

東方水韭叔婆灣樣地水體的 pH值約為 pH 6.5,與其他研究者報道的“中華水韭 2個居群 (包括松陽居群)生境水體 pH值呈偏酸性 (pH 5.9)”[2]有一定的差異,出現(xiàn)了一些值得關(guān)注的變化。隨著群落演替的不斷進行,生境逐漸發(fā)生變化,土壤逐漸走向中生化,水體也逐漸中性化,生境中缺鉀現(xiàn)象更為嚴重,導致群落中優(yōu)勢種類發(fā)生改變,適合更加濕生和弱酸環(huán)境的東方水韭不得不退出優(yōu)勢種的位置。

初步推測,土壤中鉀的極度缺乏、水體酸堿度的中性化以及生境的中生化,很可能是導致東方水韭種群走向瀕危的重要環(huán)境因素,具體原因?qū)⒂写M一步的實驗研究。

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