互花米草對(duì)蘇北濱海濕地表土有機(jī)碳更新的影響

張耀鴻,張富存,周曉冬,謝曉金,王小巍,李 強(qiáng),雷 俊 (南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇 南京210044)

互花米草對(duì)蘇北濱海濕地表土有機(jī)碳更新的影響

張耀鴻*,張富存,周曉冬,謝曉金,王小巍,李 強(qiáng),雷 俊 (南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇 南京210044)

自互花米草引入蘇北濱海濕地后,逐漸替代本土植物鹽蒿并形成單一植被的互花米草濕地.選擇蘇北地區(qū)鹽蒿濕地及不同生長(zhǎng)年限的互花米草濕地,采集其表層土壤樣品,分別測(cè)定全土和分離的土壤粒徑組分中總有機(jī)碳及 δ13C值,分析濕地土壤有機(jī)碳濃度及其同位素組成的變化.結(jié)果表明,互花米草引入鹽蒿濕地后,表層土壤有機(jī)碳濃度顯著增加(增量達(dá) 70%),且隨著互花米草生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而明顯增加.與鹽蒿濕地相比,互花米草濕地土壤中大團(tuán)聚體(＞250μm)和微團(tuán)聚體組分(53～250μm)有機(jī)碳濃度均顯著增加,而粉粒組分(2～53μm)則無明顯變化.互花米草濕地土壤原狀土及各粒徑組分的 δ13C值均明顯高于鹽蒿土壤,源于互花米草的新碳在各粒徑組分中均有分布,但主要富集在大團(tuán)聚體組分中,占該組分總碳的31%～43%,說明互花米草生長(zhǎng)對(duì)土壤有機(jī)碳濃度增加主要反映在粗粒徑組分中,而對(duì)粉、黏粒組分則影響較小.

δ13C值；互花米草；濱海濕地；有機(jī)碳更新

濱海濕地作為海陸過渡帶,人類活動(dòng)的影響較為劇烈,生態(tài)環(huán)境脆弱,自然災(zāi)害頻繁,是全球變化的敏感區(qū)域[1].該生態(tài)系統(tǒng)中碳的生物地球化學(xué)過程已經(jīng)日益成為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一.

江蘇沿海灘涂濕地面積達(dá)到 6524km2,約占全國(guó)灘涂面積的1/4左右[2].為了達(dá)到海岸防護(hù)、保灘促淤的目的,我國(guó)于1982年人為把互花米草(Spartina alterniflora)從原產(chǎn)地美國(guó)引種到江蘇沿海灘涂[3].互花米草具有光合能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn).與當(dāng)?shù)赝林参稃}蒿相比,競(jìng)爭(zhēng)力顯著,其不斷侵入當(dāng)?shù)赝林参稃}蒿生長(zhǎng)的區(qū)域并最終替代,形成單一的互花米草群落.這種植物種類的變更不僅改變了生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程[4],而且也改變了土壤有機(jī)碳庫(kù)的大小和結(jié)構(gòu).高建華等[5]和 Cheng等[6]的測(cè)定結(jié)果表明,互花米草與土著植物相比,更有利于土壤有機(jī)碳的積累.

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳庫(kù),在全球碳循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用.土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化過程和固持機(jī)制是土壤學(xué)研究的核心內(nèi)容之一[7].對(duì)草地、草地開墾為農(nóng)田和草地先開墾為農(nóng)田再恢復(fù)為草地后土壤中有機(jī)碳含量的比較研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)碳含量以長(zhǎng)期用作草地的土壤最高,而用作農(nóng)田的土壤最低.草地土壤中有機(jī)碳含量高是因?yàn)橥寥来髨F(tuán)聚體中以及與粉沙結(jié)合的有機(jī)碳多[8].Liao等[9]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),土壤大團(tuán)聚體是很不穩(wěn)定的,因?yàn)樾纬纱髨F(tuán)聚體的結(jié)合劑主要是植物根系分泌物、真菌菌絲、多聚糖等土壤中的活性有機(jī)碳.土壤一旦受到擾動(dòng),該部分有機(jī)碳極易分解,使得這些將微團(tuán)聚體結(jié)合在一起的有機(jī)碳消失,大團(tuán)聚體就會(huì)分散成為微團(tuán)聚體;相反,微團(tuán)聚體則由淀積時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)且抗分解能力強(qiáng)的有機(jī)物質(zhì)組成[10-11].研究結(jié)果似乎表明土壤顆粒越小,其中的有機(jī)碳被固持得越牢固.但是,Christensen等[12]則發(fā)現(xiàn),粉沙結(jié)合有機(jī)碳的可分解性明顯低于黏粒結(jié)合的有機(jī)碳.因?yàn)椴糠峙c黏粒結(jié)合的有機(jī)碳包括C/N小的碳水化合物、脂肪和羰基物質(zhì)[13].Galdo等[14]認(rèn)為,粉沙和黏粒等細(xì)顆粒組分中的有機(jī)碳存留時(shí)間長(zhǎng)不完全是因?yàn)橐郧爸苯舆M(jìn)入該組分的有機(jī)碳一直長(zhǎng)久地被保存了,而是其它較大顆粒組分中比較老的有機(jī)碳(或者分解的中間產(chǎn)物)不斷轉(zhuǎn)入到該部分所致.

本研究分析鹽蒿濕地被互花米草替代后土壤粒徑組分的有機(jī)碳分布變化,并利用13C同位素分析方法比較互花米草生長(zhǎng)不同年份后,土壤粒徑組分中不同來源有機(jī)碳的分布與動(dòng)態(tài),為闡明互花米草入侵我國(guó)濕地后土壤碳固定效應(yīng)的機(jī)理提供理論依據(jù).

1 材料與方法

采樣點(diǎn)為江蘇省大豐市王港口潮灘濕地(33°12′N,120°48′E).該地區(qū)潮汐為典型的正規(guī)半日潮,潮灘地勢(shì)平坦,研究區(qū)域內(nèi)表土母質(zhì)相同.原生植被為鹽蒿;人工引種互花米草后生長(zhǎng)面積不斷擴(kuò)展,逐漸替代鹽蒿并形成生長(zhǎng)不同年份的互花米草濕地.利用TM衛(wèi)星影像資料和GPS野外定位的方法,確定了形成成片互花米草濕地的各個(gè)時(shí)期.本試驗(yàn)選用互花米草 1995、1997和2001年替代鹽蒿的區(qū)域作為采樣點(diǎn)(分別表示為SA-14,SA-12和 SA-8),與一直生長(zhǎng)鹽蒿的區(qū)域(表示為Ref)進(jìn)行比較.于2008年10月用土壤采樣器分別從以上 4個(gè)區(qū)域采集表土(0～10cm)樣品.每個(gè)區(qū)域設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)采集3份樣品,野外混勻后獲得混合樣.揀出植物根系后帶回實(shí)驗(yàn)室.其中一部分樣品風(fēng)干磨細(xì)過100目篩,測(cè)定總有機(jī)碳含量和穩(wěn)定性同位素 δ13C 值.另一部分原狀土作土壤團(tuán)聚體粒徑組分的分離.

1.2 土壤團(tuán)聚體粒徑組分樣品的制備

依據(jù) Stemmer對(duì)團(tuán)聚體顆粒組的分離方法[15],團(tuán)聚體顆粒組的分級(jí)從粗到細(xì)依次為:＞250μm,53～250μm,2～53μm和＜2μm.將采集的原狀土壤樣品揀去植物碎片和根系,稱取土樣100.0g,置于盛有 250mL蒸餾水的燒杯中,浸泡12h后用超聲波發(fā)生器低能量(170J/min)分散5min.然后用濕篩法分離出＞250μm 和 53～250μm的團(tuán)聚體組分,然后采用離心法分離出 2～53μm和＜2μm 土壤粒徑組分.將各土壤組分于 60℃烘干后稱重.用部分干燥后的樣品在瑪瑙研缽中磨碎后過 100目篩(磨前再揀去可見有機(jī)碎屑),用于測(cè)定有機(jī)碳含量和δ13C值.

1.3 有機(jī)碳及同位素測(cè)定

原狀土壤以及土壤組分的有機(jī)碳含量采用外濕熱滴定法測(cè)定.有機(jī)碳的δ13C值用MAT253質(zhì)譜儀測(cè)定.采用 PDB標(biāo)準(zhǔn),測(cè)定誤差≤0.1‰,δ13C (PDB)值由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)形式給出:

式中, R = (13C/12C), δsam為樣品的相對(duì)豐度, δstd為標(biāo)準(zhǔn)樣品的相對(duì)豐度.

1.4 不同來源有機(jī)碳的計(jì)算

互花米草入侵鹽蒿濕地后,進(jìn)入土壤的新有機(jī)物質(zhì)相對(duì)富集13C,故可根據(jù)所測(cè)土壤樣品的δ13C‰( PDB),依式(2)計(jì)算出源于鹽蒿的土壤有機(jī)碳(SOC3)和源于互花米草的土壤有機(jī)碳(SOC4)各占的比例.

使用氯霉素快速檢測(cè)試紙條及LC-MS/MS評(píng)價(jià)金標(biāo)記BLI方法的可靠性，檢測(cè)20份兩個(gè)加標(biāo)水平的牛乳樣品中氯霉素殘留，金標(biāo)記BLI與所采用的對(duì)照方法的結(jié)果見表1，其靈敏度優(yōu)于膠體免疫層析試紙條，檢測(cè)結(jié)果與LC-MS/MS一致。

式中,δ為所測(cè)土壤樣品的δ13C值;δ0為對(duì)比樣品的δ13C值;δ1為C4植物的δ13C值; f為SOC4所占比例.

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003進(jìn)行計(jì)算與分析,用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS13.0進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和相關(guān)性分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 總有機(jī)碳濃度及δ13C值

從表 1可以看出,互花米草濕地的總有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著高于鹽蒿濕地,并且隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)增加量達(dá)到70%.互花米草生長(zhǎng)12a和14a的土壤有機(jī)碳含量沒有差異,可能與生長(zhǎng)年限相差較短有關(guān).根據(jù)表 1可以計(jì)算出互花米草替代鹽蒿后 0～10cm 表層土壤有機(jī)碳的年累積速率為0.142g/kg,固碳能力為 213kg/(hm2?a),遠(yuǎn)高于我國(guó)農(nóng)田的平均固碳能力[151kg/(hm2?a)][16].土壤有機(jī)碳δ13C值的變化是光合途徑不同的植物對(duì)地表凈初級(jí)生產(chǎn)力相對(duì)貢獻(xiàn)的綜合結(jié)果[17],地面植物種類是制約土壤有機(jī)質(zhì)δ13C 值變化的決定因素.因此,在地表植物種類長(zhǎng)期穩(wěn)定條件下,表層土壤有機(jī)質(zhì)的δ13C值強(qiáng)烈受到植物δ13C值的影響[18].不同來源的土壤有機(jī)質(zhì)也具有明顯的 δ13C值差異(長(zhǎng)期生長(zhǎng) C3植物條件下,介于-24‰～-29‰,而生長(zhǎng) C4植物則介于-9‰～-15‰)[19].因此本試驗(yàn)中 4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)氣候環(huán)境條件相同,可以通過分析米草入侵后濕地土壤的同位素組成變化來研究有機(jī)碳的更新特征.

表1 不同類型濕地土壤容重、有機(jī)碳濃度、C/N、δ13C值以及C4新碳的貢獻(xiàn)率 (f 值)Table 1 Bulk density,SOC concentration,C/N ratios and δ13C values of different community and contribution (f value) of invasive Spartina alterniflora (C4plant) to the SOC in coastal wetlands

互花米草侵入鹽蒿濕地后,由于互花米草植物本身重碳的影響,互花米草濕地表層土壤有機(jī)碳的δ13C值顯著高于一直生長(zhǎng)鹽蒿的濕地土壤.根據(jù)式(2)可以計(jì)算出,互花米草濕地表層土壤中源于互花米草的新碳隨著侵入后生長(zhǎng)年份的增長(zhǎng)而顯著增加,達(dá)到10.8%～18.7%.說明互花米草入侵鹽蒿濕地后,來自互花米草的新碳積累是總有機(jī)碳濃度增加的重要因素.鹽蒿和互花米草濕地土壤的C/N存在顯著差異,這是因?yàn)榛セ撞葜仓闏/N值比土著植物鹽蒿高,說明地表植被有機(jī)物性質(zhì)是濕地土壤有機(jī)質(zhì) C/N值發(fā)生變化的重要因素.4個(gè)試驗(yàn)區(qū)表層土壤的容重為1.38～1.41g/cm3,表明沿海濕地植被演替對(duì)土壤容重沒有影響.

2.2 土壤組分有機(jī)碳及δ13C值

土壤顆粒組分在土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性上起重要作用,同時(shí)又影響土壤結(jié)構(gòu)和有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)[20-21].有機(jī)碳被團(tuán)聚體包裹后或者以顆粒形式存在于孔隙中,或者直接與組成微團(tuán)聚體的礦物顆粒密切聯(lián)系. 大團(tuán)聚體(＞250μm)孔隙度較大,其充足的空氣和水分使得有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率很快;而微團(tuán)聚體(53～250μm)的孔隙度通常小于細(xì)菌尺寸,其有機(jī)碳的降解只能依靠胞外酶進(jìn)行,因而周轉(zhuǎn)速率低;砂、黏粒土壤組分(＜53μm)中,有機(jī)碳受微生物活動(dòng)影響很小,其周轉(zhuǎn)速率最低[20].Carter[22]研究結(jié)果表明,不同土壤顆粒組分上的有機(jī)碳受到物理保護(hù)程度的順序?yàn)?黏砂粒結(jié)合態(tài)＞微團(tuán)聚體結(jié)合態(tài)＞大團(tuán)聚體結(jié)合態(tài)＞游離態(tài).

表2 濕地土壤不同粒徑組分的有機(jī)碳濃度、C/N以及δ13C值Table 2 Carbon concentration,C/N ratios and δ13C values in the particle-size fractions from different communities in the 0～10cm soil layer in Wanggang coastal wetlands

由表 2可見,互花米草濕地土壤的大、微團(tuán)聚體組分的有機(jī)碳濃度均顯著高于鹽蒿濕地土壤,且隨著互花米草生長(zhǎng)時(shí)間的增加,有機(jī)碳濃度明顯增大;而砂粒土壤組分有機(jī)碳含量則沒有差異;黏粒組分中,有機(jī)碳濃度呈現(xiàn)出鹽蒿濕地土壤高于互花米草濕地土壤.這說明互花米草替代鹽蒿后,大、微團(tuán)聚體組分有機(jī)碳濃度增大是總有機(jī)碳濃度增加的主要原因,在大團(tuán)聚體中有機(jī)碳濃度增幅最為明顯,達(dá)到173%～224%.Six等[20]研究證實(shí),土地利用方式、植被變化等措施的影響首先在大團(tuán)聚體級(jí)別上體現(xiàn)出來,而微團(tuán)聚體內(nèi)的有機(jī)碳則維持在較穩(wěn)定的水平.鹽蒿土壤各粒徑組分C/N均小于互花米草土壤,而且隨著土壤粒徑增加這種差異趨勢(shì)愈發(fā)明顯,可能與表層土壤受植被有機(jī)物C/N影響有關(guān).鹽蒿濕地土壤有機(jī)碳 δ13C值受 C3植物有機(jī)碳的影響,介于-22.7‰～-24.0‰之間,明顯低于互花米草濕地土壤.互花米草土壤的δ13C值隨著入侵年限延長(zhǎng)逐漸增加,且在不同粒徑組分中以大團(tuán)聚體有機(jī)碳的 δ13C 值為最大,達(dá)到-19.4‰,說明粗粒徑組分有機(jī)碳的δ13C值受植物有機(jī)物的影響最大.

2.3 土壤有機(jī)碳分布

土壤各粒徑組分對(duì)有機(jī)碳的固存起著重要作用.Schulten等[23]指出,土壤中植物的根系以及分泌物對(duì)新鮮的有機(jī)碳保護(hù)和粗團(tuán)聚體顆粒的形成有重要作用.從圖1看出,互花米草土壤各粒徑組分的有機(jī)碳濃度隨著互花米草生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而增加;與鹽蒿土壤相比,互花米草濕地土壤＞250μm 團(tuán)聚體組分中,有機(jī)碳濃度提高了10～11.5倍.4個(gè)濕地的微團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度則沒有顯著差異,說明互花米草入侵鹽蒿濕地后增加的有機(jī)碳主要積累到大團(tuán)聚體中.

圖1 有機(jī)碳在各土壤粒徑組分中的分布Fig.1 Carbon content of the particle-size fractions of the 0～10cm soil layer

根據(jù)土壤粒徑組分穩(wěn)定性同位素的變化,按照式(2)可以計(jì)算出米草土壤組分中不同來源(鹽蒿或互花米草)有機(jī)碳的百分比.各個(gè)土壤組分中均有來自鹽蒿或互花米草的有機(jī)碳,且來自互花米草的有機(jī)碳在各個(gè)組分中均隨著互花米草生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而增大.大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體、粉粒和黏粒中來自互花米草的有機(jī)碳分別占組分總碳的 30.6%～42.9%、12.2%～19.7%、9.4%～12.3%和 4.8%～6.6%,說明來源于互花米草的新碳主要集中在大團(tuán)聚體組分中,黏粒和粉粒組分中少有積累.已有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)[24],草原和森林土壤中原先被物理保護(hù)的有機(jī)碳不穩(wěn)定,新碳主要進(jìn)入粗的團(tuán)聚體中.本試驗(yàn)中,植被演替引起的土壤有機(jī)碳更新主要反映在大團(tuán)聚體碳組分的變化,新碳主要是被粗團(tuán)聚體所物理保護(hù).說明濱海濕地土壤中被大團(tuán)聚體組分物理保護(hù)的碳對(duì)于植被變化十分敏感,互花米草引入后對(duì)于提高沿海濕地有機(jī)碳匯潛力具有積極意義.

圖2 土壤各粒徑組分中源于鹽蒿和互花米草的有機(jī)碳濃度以及百分比Fig.2 Concentrations and percents of Suaeda salsa- and Spartina alterniflora-derived SOC for each particle-size fraction from the 0～10cm layer across the chronosequence

3 結(jié)論

3.1 互花米草引入鹽蒿濕地后,0～10cm 土壤表層的有機(jī)碳濃度明顯增加,且隨著生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而增加.估算出表土有機(jī)碳的積累量達(dá) 213kg/(hm2?a),與國(guó)內(nèi)其他沿海地區(qū)的互花米草濕地有機(jī)碳含量增加趨勢(shì)相同,說明互花米草入侵后生長(zhǎng)促進(jìn)了蘇北濱海濕地土壤有機(jī)碳匯的增加.

3.2 互花米草替代鹽蒿后,土壤不同粒徑組分有機(jī)碳濃度發(fā)生了明顯變化,大團(tuán)聚體作為土壤中相對(duì)活躍的碳庫(kù),是受植被變化影響最顯著的組分,互花米草生長(zhǎng)后,這個(gè)土壤組分有機(jī)碳濃度顯著提高,使得土壤中固碳過程與碳更新主要反映在大團(tuán)聚體粒徑組分上的變化.互花米草新碳主要積累在大團(tuán)聚體中,隨著土壤粒徑減小新碳所占比例也相應(yīng)減小.穩(wěn)定性同位素的結(jié)果也支持了大團(tuán)聚體是新碳固存的主要組分.這可能與互花米草入侵時(shí)間較短新碳還沒充分向細(xì)粒徑組分中轉(zhuǎn)移、老化有關(guān).

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Effects of plant invasion along a Spartina alterniflora chronosequence on organic carbon dynamics in coastal wetland in north Jiangsu.

Z HANG Yao-hong*, ZHANG Fu-cun, ZHOU Xiao-dong, XIE Xiao-jin, WANG Xiao-wei, LI Qiang, LEI Jun (College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China). China Environmental Science, 2011,31(2)：271～276

Spartina alterniflora, an invasive grass, had rapidly replaced native plant Suaeda salsa since its intentional introduction to the coastal wetlands in Eastern China. Impacts of plant invasion along a Spartina alterniflora chronosequence on soil organic carbon (SOC) dynamics were investigated. The concentrations of SOC in bulk soil increased 70% from 2.89g/kg soil in remnant Suaeda salsa-vegetated soil to 4.90g/kg in 14-year Spartina alterniflora soil,and these values enhanced significantly along its chronosequence. The increase mainly resulted from a high quantity of organic residues incorporated in the soil. Compared with Suaeda salsa-vegetated soil, The SOC concentration increased significantly in coarse fraction (＞250μm and 53～250μm) of Spartina alterniflora-vegetated soil, while there was no obvious difference in fine fraction (2～53μm). The δ13C values of SOC for either bulk soil or particle-size fractions were evidently higher in Spartina alterniflora-vegetated soil than in Suaeda salsa-vegetated soil. There was Spartina alterniflora-derived C in all particle-size fraction, however 31%～43% of the Spartina alterniflora-derived C distributed in the coarse fraction (＞250μm). It was concluded in this study that Spartina alterniflora invasion significantly promoted SOC accumulation of surface soil in coastal wetland, and new C accumulation profoundly resulted in increasing SOC concentration of the coarse fraction (＞250μm).

δ13C value；Spartina alterniflora；coastal wetland；organic carbon dynamics

X53

A

1000-6923(2011)02-0271-06

2010-06-02

江蘇省高校自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(08KJB210001);土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(Y052010031)

? 責(zé)任作者, 副教授, yhzhang@nuist.edu.cn

張耀鴻(1977-),男,山西汾陽人,副教授,博士,主要從事陸地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放與全球變化研究.發(fā)表論文8篇.