駱馬湖濱岸帶4種植物氮磷與土壤氮磷含量關(guān)系

張翠英，徐德蘭，萬 蕾，韓寶平，閆 姍

（1．徐州工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 徐州221008；2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州221008）

濱岸帶指介于河溪和陸域之間的生態(tài)過渡帶，是陸地生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)交錯(cuò)的一種類型［1］，是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部國(guó)家自然資源保護(hù)局向美國(guó)公眾推薦的土地利用保護(hù)方式，具有明顯的邊緣效應(yīng)。濱岸帶特殊的地理位置為植被的生存提供了良好的條件，使其具有過濾截留污染物、為生物提供棲息地、保持水土以及美化景觀等功能［2－3］。植物是濱岸帶發(fā)揮作用的重要環(huán)節(jié)，研究不同植物組織對(duì)徑流污染物凈化效果的差異，對(duì)于濱岸帶的各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮具有十分重要的意義，但針對(duì)這一方面的研究大多數(shù)還處于初步試驗(yàn)階段［4］。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)濱岸帶的應(yīng)用研究多集中在對(duì)氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素的截留上［5］，而植物吸收是濱岸帶截留氮、磷的主要機(jī)理之一［6］。因此，本研究選擇駱馬湖東部濱岸帶的植物作為研究對(duì)象，分析立地土壤和植物組織的總氮、總磷含量，探討不同植物對(duì)氮、磷的吸收富集效應(yīng)以及與土壤氮、磷含量的關(guān)系，為闡明濱岸帶植物群落的凈化效果提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)域概況

駱馬湖（34°00′—34°14′N，118°06′—118°18′E）位于江蘇省北部，京杭大運(yùn)河中段，是江蘇省四大湖泊之一，湖區(qū)南北長(zhǎng)27km，東西平均寬13km，總面積為375km2。正常蓄水位23．0m，平均水深3．3 m，最大水深5．5m，年換水次數(shù)在10次左右，是典型的過水性淺水湖泊。駱馬湖濕地水生植物主要有浮游植物和維管植物。在駱馬湖的浮游植物中共發(fā)現(xiàn)了8個(gè)門，硅藻門、綠藻門、裸藻門等藻類的分布范圍大、密度較高，而黃藻門、金藻門等藻類則零星出現(xiàn)，浮游植物的分布位置和數(shù)量受到季節(jié)和環(huán)境等因素影響較大。維管植物中的雙子葉植物有33科共81個(gè)種類，單子葉植物共8個(gè)科44個(gè)種類，蕨類植物則有3個(gè)科共4個(gè)種類，其中的蓮、野菱和大豆均是國(guó)家Ⅱ級(jí)保護(hù)的濕地水生植物，而香蒲、金魚藻、柳樹、蘆葦、蓮等水生植物都是重要的經(jīng)濟(jì)作物。

1．2 樣點(diǎn)概況

本試驗(yàn)點(diǎn)選在駱馬湖宿遷段東部濱岸帶，按照近濱、前濱和后濱分為3個(gè)采樣區(qū)，植物群落組成見表1。近濱植物群落主要有蘆葦、水蓼、香蒲、水花生等，其中蘆葦覆蓋度為95%，群落距離湖泊約5m，寬200m；前濱植物群落主要有香蒲、扒根草、黃蒿等，其中香蒲覆蓋度為89%，群落距離湖泊約65m，寬240m；后濱植物群落主要有黃蒿、茅草、柳樹、楊樹等，其中在黃蒿優(yōu)勢(shì)區(qū)覆蓋度為85%，在茅草群落優(yōu)勢(shì)區(qū)覆蓋度為90%，距離湖泊約135m，寬220m。在采樣區(qū)中，選擇植物發(fā)育良好的濱岸帶進(jìn)行研究，植物帶寬度約為140m，植被覆蓋度大于85%。

1．3 采樣方法

于2010年8月27日對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行了采樣。主要采集了濱岸帶土壤、植物及植物的立地土壤等樣品。（1）濱岸帶土壤采集：分別選取駱馬湖東南濱岸帶的有植物群落分布區(qū)（植物區(qū)）與無植物群落分布區(qū)（無草區(qū)），在兩塊樣地中沿南北方向分別設(shè)置一個(gè)20m×20m的大樣方，并在大樣方內(nèi)以2m×2m的距離設(shè)置連續(xù)的小樣方，取小樣方內(nèi)的表層土壤（0—20cm），各設(shè)4個(gè)取樣點(diǎn)，共采集24個(gè)土壤樣品。（2）植物及植物的立地土壤采集：選取濱岸帶均一、沒有明顯間斷存在的植物群落為取樣點(diǎn)，在每個(gè)植物群落帶上分別采集植物優(yōu)勢(shì)種3株，除去淤泥、雜質(zhì)、枯根葉，稱其鮮質(zhì)量，仔細(xì)分為葉、莖、根三部分，共采集12個(gè)植物樣品；并對(duì)植物的立地土壤進(jìn)行垂向采集，以20cm為一層采集0—60cm的土壤樣品，其中，0—20cm為表層，20—40cm為次表層，40—60 cm為第三層，共采集了36個(gè)土壤樣品。

表1 采樣區(qū)植物群落情況

1．4 分析方法

（1）土壤總氮（TN）、總磷（TP）測(cè)定：土壤樣品在40℃下烘干，撿出土壤中的根系、石塊和雜物，放入研缽中反復(fù)研磨至粉末狀，過100目篩，備用；土壤的總氮測(cè)定采用半微量凱氏定氮法，總磷測(cè)定采用H2SO4—HClO4消解鉬銻抗比色法［7］。（2）植物樣品總氮、總磷測(cè)定：植物樣品在60℃下烘干，粉碎，過60目篩，備用；總氮、總磷測(cè)定分別采用 H2SO4—H2O2—靛酚藍(lán)比色法和H2SO4—H2O2—鉬銻抗比色法［8－9］。（3）數(shù)據(jù)分析：采用 SPSS 13．0和 Excel 2007進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 駱馬湖濱岸帶土壤營(yíng)養(yǎng)鹽概況

分別測(cè)定了駱馬湖濱岸帶有植物群落分布區(qū)（植物區(qū)）與無植物群落分布區(qū)（無草區(qū)）的土壤氮磷含量（表2）。由表2可知，駱馬湖濱岸帶植物區(qū)土壤TN和 TP分別為1．48，0．48mg／g，均高于無草區(qū)的1．16，0．33mg／g。土壤 TN 按照近濱、前濱和后濱的順序依次遞減，而土壤TP則為近濱＞前濱＞后濱，這可能與植物的種類、土壤的性質(zhì)以及人類活動(dòng)等因素有關(guān)。方差分析表明，植物區(qū)和無草區(qū)的TN差異顯著（P＜0．05），植物區(qū)和無草區(qū)的TP差異極顯著（P＜0．01）。

表2 駱馬湖濱岸帶土壤氮磷含量分析 mg／g

2．2 駱馬湖濱岸帶植物立地土壤氮磷含量變化

2．2．1 植物立地土壤氮磷含量水平變化 湖泊濕地中，植物的生長(zhǎng)能力、植被的類型及湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化程度均受濕地氮素含量的影響［10］。而氮素含量又受到植被的蓋度和類型的影響。動(dòng)植物殘?bào)w和生物固氮作用是濕地土壤氮素的兩個(gè)重要來源，此外，還有一部分氮素來源于大氣降水［11］。由駱馬湖濱岸帶植物立地土壤氮含量的水平變化（圖1）可知，植物立地土壤TN含量的變化規(guī)律明顯，按近濱（a區(qū)）—前濱（b區(qū)）—后濱（c區(qū)）依次遞減變化，即a＞b＞c。a區(qū)表層（0—20cm）TN 為2．96mg／g，是b區(qū)（1．95 mg／g）的1．52倍，是c區(qū)（1．87mg／g）的1．58倍。方差分析表明，植物立地土壤TN的水平變化差異顯著（P＜0．05）。

天然濕地的濱岸帶土壤中磷素含量主要來源于成土母質(zhì)和動(dòng)植物的殘?bào)w［12］。磷素在濕地生態(tài)系統(tǒng)中具有一定的穩(wěn)定性，這種穩(wěn)定態(tài)的存在對(duì)濕地來說非常重要，由于水文地理?xiàng)l件變化頻繁，磷素能夠從湖泊水體轉(zhuǎn)移到土壤中，被黏土吸附而留存于濕地濱岸帶土壤中［13］。由圖1可知，植物立地土壤TP含量變化規(guī)律與TN差異較大，按后濱（c區(qū)）—近濱（a區(qū)）—前濱（b區(qū)）依次遞減變化，即c＞a＞b。c區(qū)表層 TP為0．76mg／g，是a區(qū)（0．58mg／g）的1．31倍，是b區(qū)（0．39mg／g）的1．95倍。方差分析表明，植物立地土壤TP的水平變化呈極顯著差異（P＜0．01）。

圖1 駱馬湖濱岸帶植物立地土壤氮磷含量水平變化

2．2．2 植物立地土壤氮磷含量垂直變化 由植物群落立地土壤TN垂直變化（圖2）可見，蘆葦群落表層TN最高，為2．96mg／g；黃蒿群落第三層（40—60 cm）TN最低，為1．12mg／g。不同植物立地土壤表層的TN均最高，且由表層向下逐漸降低。就表層來看，蘆葦群落TN含量最高，而香蒲、黃蒿、茅草群落TN依次遞減；就第三層來看，黃蒿群落TN最低，而香蒲、茅草、蘆葦群落TN依次升高。

不同植物立地土壤各層TN含量差異顯著（P＜0．05），但蘆葦群落土壤各層的TN均最高，黃蒿群落最低。這是因?yàn)橥寥啦蓸訉游挥诘叵滤簧戏?，因此氮素不?huì)通過地下潛流的運(yùn)輸被帶走，換言之，氮素的消失只能通過植物吸收或脫氮還原作用來進(jìn)行。在茅草、黃蒿等草本類群落土壤中氮含量較低，主要是因?yàn)橹参镌谏L(zhǎng)發(fā)育過程中，對(duì)氮素的需求量更多，因此群落土壤中的氮含量較少。而在挺水植物群落中，香蒲群落土壤的總氮含量低于蘆葦群落，其原因可能是氮素發(fā)生了還原反應(yīng)，直接損失到大氣中。不同植物群落土壤表層的總氮含量均最高，并由表層向下逐漸降低。這與趙磊［14］的南磯山濕地典型群落植物—土壤系統(tǒng)氮磷轉(zhuǎn)化研究結(jié)果相一致。NO－3離子一般會(huì)依附于帶負(fù)電荷的土壤顆粒中，所以氮素在濕地中通過地下潛流主要以硝態(tài)氮的形式流失，也有可能發(fā)生了脫氮作用被釋放到大氣中。水生植物為滿足自身生長(zhǎng)需要對(duì)氮素的吸收實(shí)際上是一種持留機(jī)制，當(dāng)然不同種類的植物對(duì)土壤氮素的吸收富集能力也各不相同［15］。

從圖2可以看出，蘆葦群落次表層（20—40cm）TP最高，為1．19mg／g；茅草群落第三層TP最低，為0．20mg／g。另外，蘆葦、香蒲群落土壤的TP最大值出現(xiàn)在次表層，最小值出現(xiàn)在第三層；而黃蒿、茅草群落土壤的表層TP均最高，由表層向下逐漸降低，變化規(guī)律和TN相似。就表層而言，茅草群落TP最高，為0．96mg／g，而蘆葦、黃蒿、香蒲群落TP依次遞減；就第三層來看，茅草群落TP最低，而香蒲、黃蒿、蘆葦群落TP依次升高。不同植物立地土壤各層TP差異顯著（P＜0．05），在茅草、黃蒿群落中，土壤總磷含量隨著土層深度的增加而不斷降低，這一結(jié)果和很多濕地磷變化的研究結(jié)論相同。其主要原因在于磷沒有任何氣體形式或蒸汽形式的化合物，因此是比較典型的沉積型循環(huán)物質(zhì)，很多土壤中的磷酸鹽最終都被固結(jié)在深層沉積物中。而在蘆葦、香蒲群落中，表層土壤的總磷含量小于次表層，可能是因?yàn)檫@些群落距離湖泊較近，處于可能被淹沒的區(qū)域，表層土壤周期性的水淹和沖洗，會(huì)帶走一部分磷素，使其表層含量最低?？傊?，土壤對(duì)磷的吸附能力以及成土母質(zhì)全磷含量是形成該垂直分布格局的原因。此外，剖面間的差異可能還與植被覆蓋、干濕交替作用等有關(guān)。

圖2 駱馬湖濱岸帶植物立地土壤氮磷含量垂直變化

2．3 駱馬湖濱岸帶植物氮磷含量的變化

對(duì)駱馬湖濱岸帶植物葉、莖、根等組織的TN、TP的分析表明，4種植物不同組織的TN、TP差異較大，且TN含量普遍較高（圖3）。由圖3可知，4種植物組織的TN，均以葉中含量最高，尤其是蘆葦葉，高達(dá)27．47mg／g，茅草葉也較高為17．39mg／g；其次是植物的根，這些地下部分的TN也相對(duì)較高，茅草根達(dá)到9．91mg／g，蘆葦根為8．71mg／g；植物的莖中 TN含量最低，蘆葦、黃蒿莖的 TN分別為2．36，2．44 mg／g。4種植物組織的TP，除黃蒿外仍以葉中含量最高，尤其是茅草葉達(dá)7．35mg／g，蘆葦葉為3．43 mg／g；其次是根和莖，黃蒿等草本植物的根、莖的TP基本在2～3mg／g之間，香蒲等挺水植物的根、莖部分對(duì)P的吸收能力普遍較弱，而且草本植物的TP含量高于挺水植物。

對(duì)4種植物氮、磷含量的分析還發(fā)現(xiàn)，蘆葦和茅草全株TN較高，分別為12．85，12．18mg／g，對(duì) N有較強(qiáng)的吸收和同化作用；而且黃蒿和茅草全株TP較高，分別為3．03，3．90mg／g，對(duì)P的吸收和同化量也較大；但香蒲全株 TN、TP最低，分別為5．49，1．45 mg／g，對(duì)N、P的吸收和同化量較小。植物葉部TN含量遠(yuǎn)大于根部，可見植物葉部對(duì)濱岸帶土壤中的N具有顯著的吸收與固定作用；而除黃蒿根部TP含量大于葉部外，其他植物TP含量均為葉部大于根部，因此植物組織對(duì)P的吸收固定作用與植物種類有關(guān)，但總體上受葉部影響較大。

圖3 駱馬湖濱岸帶植物氮磷含量

不同植物對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)元素的吸收與積累具有選擇性。同時(shí)，植物對(duì)于不同化學(xué)元素的選擇性吸收還表現(xiàn)在，植物的不同組織器官對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)元素的吸收富集能力方面。有研究認(rèn)為，由于水生植物利用發(fā)達(dá)的根系吸收水中的營(yíng)養(yǎng)鹽等物質(zhì)，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體起到明顯的凈化作用，進(jìn)而達(dá)到凈化水體的目的［16］。也有研究發(fā)現(xiàn)，水生植物除了利用發(fā)達(dá)的根系吸收水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外，莖葉也可能是吸收氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素的重要器官［17］。植物各組織營(yíng)養(yǎng)元素含量有所差異主要受不同器官的結(jié)構(gòu)和功能影響［18］。比如植物的葉片是植物光合作用的載體，也是植物新陳代謝最為旺盛的部分。而莖和根中的營(yíng)養(yǎng)元素含量比較低，主要是由于營(yíng)養(yǎng)輸出的關(guān)系。草本植物和挺水植物的氮磷含量有所差異，具體表現(xiàn)在草本植物的根吸收能力普遍較強(qiáng)，而挺水植物的根吸收能力差異較大。

不同植物對(duì)氮磷的吸收富集效應(yīng)的差異可以通過植物干生物量中的氮磷比來體現(xiàn)。植物干生物量中的氮磷比是一個(gè)具有重要生態(tài)意義的指標(biāo)，它一方面可以反映植被的結(jié)構(gòu)和功能特征，另一方面也可以反映群落水平的營(yíng)養(yǎng)限制狀況［19－20］。當(dāng)生境中磷過剩而氮不足時(shí)，植物過量吸收磷，干生物量中的氮磷比通常小于14，植物生長(zhǎng)表現(xiàn)為氮限制；反之，則植物干生物量中的氮磷比大于16，植物生長(zhǎng)表現(xiàn)為磷限制［21］。駱馬湖濱岸緩沖帶四種植物的氮磷比范圍為2．88～6．98，表明采樣區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽水平為磷過剩而氮偏低，處于氮限制狀況，四種植物中以蘆葦?shù)目偟孔畲?，這是由于濕地水生植物蘆葦體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要來源于水體和沉積物。

2．4 駱馬湖濱岸帶植物與土壤氮磷含量相關(guān)性分析

植物的氮磷含量與土壤氮磷含量關(guān)系密切。由表3可以看出，植物葉、莖、根等組織的TN、TP與土壤各層TN、TP相關(guān)系數(shù)差異較大。植物的葉與土壤表層、次表層及0—60cm土層的TN顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為：r＝0．914，P＜0．05；r＝0．922，P＜0．05；r＝0．922，P＜0．05），植物的莖、根與土壤各層TN的相關(guān)性均不顯著；植物葉與土壤表層TP極顯著正相關(guān)（r＝0．995，P＜0．01），植物莖與土壤次表層TP顯著負(fù)相關(guān)（r＝－0．895，P＜0．05），植物根與土壤各層TP的相關(guān)性均不顯著。

表3 駱馬湖濱岸帶植物氮磷與土壤氮磷含量相關(guān)系數(shù)

3 結(jié) 論

（1）濱岸緩沖帶的近濱、前濱、后濱分別生長(zhǎng)著蘆葦、香蒲、茅草和黃蒿等植物群落，隨著離湖距離的增加，由水生植物向耐旱植物過渡。

（2）植物群落區(qū)TN、TP和無草區(qū)TN、TP差異顯著，說明植物群落區(qū)的土壤氮、磷富集效果更好。

（3）不同植物群落立地土壤各層TN、TP差異顯著，蘆葦群落土壤表層（0—20cm）中的TN最高，為2．96mg／g，蘆葦群落土壤次表層（20—40cm）中的TP最高，為1．19mg／g；土壤各層TN以表層最高，且由表層向下逐漸降低；土壤各層TP表現(xiàn)出兩種不同的變化特征，黃蒿、茅草群落土壤各層由表層向下逐漸降低，而蘆葦、香蒲群落土壤各層表現(xiàn)為次表層＞表層＞第三層。

（4）不同濕地植物的根、莖、葉等組織的TN、TP差異較大，且對(duì)磷素的吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氮素。在植物的不同組織中，葉的TN、TP最高，其中蘆葦葉TN高達(dá)27．47mg／g，茅草葉 TP最高為7．35mg／g，其次是根和莖。

（5）植物組織氮磷含量與土壤氮磷含量關(guān)系密切。植物葉TN與土壤表層、次表層的TN顯著正相關(guān)，植物葉TP與土壤表層TP極顯著正相關(guān)，植物莖TP與土壤次表層TP顯著負(fù)相關(guān)。植物利用根、莖、葉等吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及不同植物對(duì)氮、磷的吸收機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究。

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