膠州灣河口濕地土壤有機(jī)碳及氮含量空間分布特征研究

謝文霞，朱鯤杰，崔育倩，杜慧娜，陳劍磊

（青島大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266071）

濱海濕地處于海洋和陸地的交錯(cuò)地帶，同時(shí)受到海洋和陸地作用力的共同影響，對(duì)外界脅迫壓力反應(yīng)敏感，是一個(gè)脆弱的邊緣地帶。有機(jī)碳（TOC）和氮素（N）作為土壤重要的營養(yǎng)元素，是濕地環(huán)境質(zhì)量重要的參考指標(biāo)，它在濕地中的含量直接影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮。濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)水分波動(dòng)頻繁，從而對(duì)碳、氮、磷等生源元素的存儲(chǔ)、釋放及形態(tài)轉(zhuǎn)化具有獨(dú)特的調(diào)節(jié)作用［1］。目前，國內(nèi)關(guān)于濕地土壤碳氮空間分布的研究主要集中在內(nèi)陸濕地、黃河口濱海濕地、蘇北潮灘濕地等，對(duì)膠州灣河口濕地土壤碳氮空間分布特征的研究還未見報(bào)道。

膠州灣濕地是山東半島面積最大的河口海灣型濕地，但由于立法缺失、圍海造地、污水排放等原因，膠州灣濕地正逐漸萎縮。2009年青島市的調(diào)研報(bào)告顯示，從1988年到2008年的20年間，膠州灣濕地面積減少近1／3。濕地的減少與污染使?jié)竦厣鷳B(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞。近年來，不少學(xué)者從膠州灣景觀格局構(gòu)建、生物多樣性保護(hù)、濕地生態(tài)恢復(fù)等方面開展了一系列研究，但關(guān)于膠州灣濕地土壤營養(yǎng)元素分布特征的研究并不多見，而土壤營養(yǎng)元素的分布狀況會(huì)影響到植物的演替和濕地功能的發(fā)揮。為此，本研究選擇膠州灣大沽河口濕地作為研究區(qū)域，通過野外采樣和室內(nèi)分析，探討膠州灣河口濕地土壤中碳氮空間分布特征，為進(jìn)一步研究濕地土壤元素生物地球化學(xué)循環(huán)過程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

膠州灣（36°01′～36°15′N，120°03′～120°25′E）坐落于黃海中部、膠東半島南岸，是山東省青島市境內(nèi)與黃海相通的半封閉性海灣。膠州灣海岸屬于潮汐作用為主的海岸，潮汐為典型的正規(guī)半日潮，平均潮差2．71m，最大潮差6．87m，漲潮歷時(shí)小于落潮歷時(shí)，潮流為往復(fù)半日潮流，漲潮流速大于落潮流速。膠州灣濕地位于膠州灣沿岸，海拔0～5m，膠州灣濕地及其附近屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫約為12．2℃，平均降水量775．6mm，降水量年內(nèi)分配不均，年季差別懸殊。流入膠州灣的河流以大沽河為最大，其流量約占大沽河、白沙河、墨水河及洋河4條河總流量的85．6%。大沽河口濕地是青島市最大的一片濕地，位于青島市的西北部，大沽河流域的中下游。本研究試驗(yàn)區(qū)設(shè)在膠州灣大沽河流域中下游，研究區(qū)內(nèi)主要植被為蘆葦（Phragmitesaustralis）、堿蓬（Suaedaglauca）、白茅（Imperatacylindrica）、艾蒿（Artemisiaargyi）、黃蒿（Artemisiascoparia）、鹽角草（Salicorniaeuropaea）、中華結(jié)縷草（Zoysiasinica）、獐毛（Aeluropuslittoralis）等，土壤主要是粘質(zhì)土和沙質(zhì)土。研究區(qū)及采樣點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)位置Fig．1 Study area and sampling spots in the Jiaozhou Bay

1．2 樣品采集與測(cè)定

2012年11月，在膠州灣大沽河口濕地中選取A、B、C、D、E五個(gè)研究區(qū)，每個(gè)研究區(qū)內(nèi)設(shè)置3個(gè)平行采樣點(diǎn)，如圖1所示。A、B、C淹水頻率不同，A區(qū)大小潮均能淹沒，B區(qū)大潮能淹沒，小潮不能淹沒，C區(qū)大小潮均不能淹沒；其中A、B、C區(qū)為蘆葦濕地，A區(qū)植被全部為蘆葦，B、C區(qū)主要植被為蘆葦，并混有白茅、艾蒿、黃蒿等雜草，D區(qū)主要植被為堿蓬，E區(qū)為養(yǎng)殖池；A、D、E區(qū)取樣用管型土鉆取土（含水量高，不適宜挖剖面），B、C區(qū)則采用挖剖面方法取土，采用自下而上分層取樣法。每個(gè)采樣點(diǎn)分別取0～10cm，10～20cm，20～30cm，30～40 cm，40～50cm，50～60cm的土樣。取土后迅速將土壤裝入密封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，去除雜質(zhì)，測(cè)定含水量，自然風(fēng)干后磨細(xì)過篩，實(shí)驗(yàn)備用。

實(shí)驗(yàn)測(cè)定參照《土壤農(nóng)化分析》中相關(guān)方法［2］，分析土壤樣品中的pH、鹽度、含水量、土壤有機(jī)碳（total organic carbon，TOC）、總氮（total nitrogen，TN）、總磷（total phosphorus，TP）、硝態(tài)氮（NO3－－N）、銨態(tài)氮（NH4＋－N）等參數(shù)。每個(gè)樣品設(shè)3組平行，取平均值以減少誤差。

1．3 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析（One－way－ANOVA）進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗(yàn)，土壤中TOC、N、TP以及土壤pH、鹽度、含水量之間的相關(guān)性分析采用SPSS 17．0－Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)。應(yīng)用 Microsoft Excel 2003和 Origin 7．5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及列表繪圖。土壤C／N采用物質(zhì)的量之比（mol／mol）表示。

2 結(jié)果與分析

2．1 膠州灣河口濕地土壤TOC、N垂直分布特征

膠州灣河口濕地土壤中TN、NO3－－N、NH4＋－N、TOC、TP在垂直方向上（0～60cm）具有相似的變化趨勢(shì)（圖2），含量由表層向下總體呈逐漸降低趨勢(shì)，峰值大多出現(xiàn)在表層0～10cm處，這種變化趨勢(shì)與國內(nèi)外濱海濕地碳氮研究所得到的結(jié)果相類似［1，3］。單因素方差分析結(jié)果表明，TN、NO3－－N、NH4＋－N和TP含量剖面差異極顯著（P＜0．01），TOC含量剖面差異較顯著（P＝0．022）。

植物殘?bào)w的分解歸還是濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤營養(yǎng)元素的主要來源，濕地土壤表層含氧量一般較高且植物根系發(fā)達(dá)、根際微生物活躍，因而土壤表層腐殖化、礦化作用強(qiáng)烈［4］，植物根系隨土壤深度增加而減少，因而TN、NO3－－N、NH4＋－N以及TOC、TP主要集中在土壤表層，且隨土壤深度增加含量降低。但不同類型濕地中NO3－－N和NH4＋－N含量的垂直變異系數(shù)不同，蘆葦濕地 NO3－－N變異系數(shù)為13．39%，NH4＋－N為26．84%，而堿蓬濕地NO3－－N為20．54%，NH4＋－N為79．04%。蘆葦植株高大，根系較堿蓬更長，其生長所需的N素也相對(duì)較多，同時(shí)蘆葦根系周圍還存在一定數(shù)量的固氮菌，且其根際的泌氧和營養(yǎng)作用使得根系微生物的活動(dòng)深度大于堿蓬濕地［5］，微生物活躍，能夠加快N的礦化作用，因而蘆葦濕地上NO3－－N、NH4＋－N隨土壤深度的變異比堿蓬濕地小。對(duì)比2種濕地，NH4＋－N變異系數(shù)均高于NO3－－N變異系數(shù)，可能是NO3－－N帶有負(fù)電荷，不易被土壤膠體吸附［6］，潮汐作用帶來的規(guī)律性淹水促使NO3－－N極易向土壤剖面的下層淋移，而NH4＋－N帶有正電荷，進(jìn)入土壤包氣帶的NH4＋－N可以被土壤膠體所帶的負(fù)電荷迅速吸附，也有一部分銨離子會(huì)被2∶1型粘土礦物的晶格固定，因而NH4＋－N的含量隨土層深度的增加而明顯降低［7］。此外，個(gè)別研究區(qū)N隨土壤深度的變化并不明顯，E研究區(qū)TN含量先降低后增加，可能是人為的蓄水、放水、養(yǎng)殖等活動(dòng)使得TN含量的波動(dòng)較大，加之海水沖刷帶來的沉積物逐漸積累，也可能是造成TN含量先降低后增加的原因之一。

圖2 膠州灣河口濕地土壤中TOC、N、TP垂直分布Fig．2 Vertical distributions of TOC，N and TP in the estuarine wetlands of Jiaozhou Bay

2．2 膠州灣河口濕地表層土壤（0～20cm）TOC、N水平分布特征

植物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用和殘?bào)w的分解以及潮汐作用引起的規(guī)律性淹水影響著膠州灣河口濕地表層土壤N的水平分布特征。由于植物根系在0～20cm最豐富，將0～10cm和10～20cm土樣混合，測(cè)定其各組分的含量。圖3是不同研究區(qū)表層土壤TOC、N及TP含量水平分布圖。TOC含量E＞A＞D＞B＞C，而TN含量D＞E＞B＞A＞C，TP含量D＞E＞A＞C＞B，由此可見，淹水頻率越高，越有利于TOC的積累。對(duì)比堿蓬濕地和養(yǎng)殖池，TN、TP含量均明顯高于A、B、C點(diǎn)，究其原因，堿蓬能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，增加土壤養(yǎng)分和微生物數(shù)量，促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)分解，使N、P含量增加［8］，并且堿蓬植物的肉質(zhì)化葉片更易分解歸還。而養(yǎng)殖池因人為干擾以及海水沖刷累積的沉積物，導(dǎo)致營養(yǎng)元素含量較豐富。

總體而言，膠州灣河口濕地?zé)o機(jī)氮的構(gòu)成比例約為1%，土壤中氮的主要存在形式是有機(jī)氮。B研究區(qū)NH4＋－N含量明顯高于其他4點(diǎn)，一方面大潮淹沒時(shí)潮水將藻類、動(dòng)植物的殘?bào)w帶入，而小潮不能淹沒使其留在土壤表層，殘?bào)w的分解使土壤中增加一定數(shù)量的營養(yǎng)元素；另一方面可能是大潮能淹沒小潮不能淹沒的淹水頻率帶來的干濕交替為微生物的礦化作用提供了適宜的環(huán)境，促進(jìn)有機(jī)氮礦化速率增加［9］。由于蘆葦根際的泌氧和營養(yǎng)作用，使得蘆葦根區(qū)微生物礦化作用較強(qiáng)，因而生長蘆葦?shù)臐竦責(zé)o機(jī)氮含量略高于其他濕地。堿蓬濕地表層土壤中無機(jī)氮含量并不高，可能是堿蓬濕地淹水頻率高，土壤長期處于厭氧環(huán)境中，不利于氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的活動(dòng)造成的。養(yǎng)殖池表層土壤NH4＋－N的含量較高，NO3－－N含量較低。主要原因是水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中為了提升產(chǎn)量一般要施加以銨態(tài)形式存在的氮肥；另外，養(yǎng)殖池特殊的環(huán)境不利于硝化細(xì)菌的活動(dòng)，從而使得NO3－－N的含量較低。

圖3 不同研究區(qū)表層土壤TOC、N、TP含量分布圖Fig．3 Surface SOC，N，TP content distributions in different areas

2．3 膠州灣河口濕地TOC、N與TP、含鹽量、pH、含水量的相關(guān)關(guān)系

濱海河口濕地土壤營養(yǎng)元素分布規(guī)律與濕地植物群落、土壤鹽分狀況、潮汐作用、營養(yǎng)元素性質(zhì)、生物固氮、大氣沉降以及河流徑流等均有關(guān)系［10－11］。從物源上講，潮灘濕地有機(jī)碳主要有2種來源：本地植物的輸入（陸源）及浮游和底棲生物等（海源）。通常，陸源和海源有機(jī)質(zhì)的C／N分別是＞12和6～9［12］。膠州灣河口濕地C／N平均值為16．97＞12，陸源是膠州灣濕地TOC的主要來源。膠州灣濕地土壤的C／N介于11．50～29．05之間，比值相對(duì)較低，表明整個(gè)研究區(qū)內(nèi)土壤TOC的腐殖化程度較高，有機(jī)氮容易礦化，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的分解和礦質(zhì)氮的增加。對(duì)膠州灣濕地而言，植物殘?bào)w的分解歸還是決定其營養(yǎng)元素分布的關(guān)鍵因素。相關(guān)性分析（表1）表明，TN、TP與TOC極顯著相關(guān)，說明土壤保持營養(yǎng)元素的能力受制于土壤TOC的總量。NO3－－N與鹽度和含水量極顯著相關(guān)，說明潮汐作用引起的淹水與NO3－－N的產(chǎn)生和分布關(guān)系密切，NH4＋－N與含水量顯著相關(guān)，說明淹水在一定程度上也影響了NH4＋－N的分布，同時(shí)NO3－－N與NH4＋－N極顯著相關(guān)，說明2種無機(jī)氮之間也互相影響。土壤中NO3－－N和NH4＋－N主要來源于土壤有機(jī)氮的硝化和氨化等由土壤微生物進(jìn)行的礦化作用，因此其含量的高低受土壤有機(jī)質(zhì)含量、微生物類型和土壤環(huán)境條件，如溫度、濕度和鹽堿度等的多重影響。

2．4 不同濕地營養(yǎng)元素含量

表2列出了不同濕地營養(yǎng)元素含量的對(duì)比。膠州灣河口濕地同內(nèi)陸濕地生態(tài)系統(tǒng)相比，TOC含量較低，可能是因?yàn)闉I海濕地土壤鹽化嚴(yán)重，同內(nèi)陸濕地生態(tài)系統(tǒng)相比生物量較低，植物種類和數(shù)量均少于內(nèi)陸濕地，且濱海河口濕地耐鹽植物長勢(shì)相對(duì)較差，有機(jī)碳的補(bǔ)充和累積有限；TN的含量也不高，植物量偏低對(duì)N的輸入造成影響，NO3－－N和NH4＋－N的含量也處于較低水平，可能是高鹽度的環(huán)境限制了微生物的種類和活動(dòng)，礦化作用減弱。相對(duì)其他濱海濕地，膠州灣河口濕地TOC、TN含量較為豐富，一方面原因可能是膠州灣河口濕地主要植被是蘆葦、堿蓬，植被較其他濱海濕地相對(duì)豐富，生產(chǎn)力較高，蘆葦及各種雜草的凋落物對(duì)碳的歸還作用比較明顯，同時(shí)堿蓬肉質(zhì)化的葉片易分解歸還，N的輸入量主要取決于植物殘?bào)w的歸還量及淹水帶來的沉積物，也有少部分來源于生物固氮、大氣沉降。土壤中的有機(jī)質(zhì)主要來自于地表枯枝落葉層的分解補(bǔ)充與累積，有機(jī)質(zhì)在土壤剖面中的分布取決于土壤腐殖質(zhì)在下滲水作用下在土體中的淋溶、遷移、淀積以及其在土壤微生物作用下與礦質(zhì)土體振動(dòng)、混合的過程，C／N大于12也說明土壤TOC、TN含量較豐富在很大程度來源于陸源影響；另一方面，由于大沽河主要流經(jīng)即墨、膠州、平度等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，河流徑流也為河口濕地帶來N、P含量較高的沉積物，同時(shí)該區(qū)域處于海陸交界，經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，人為干擾作用（施肥、農(nóng)藥、洗滌、污染等）比較顯著，在一定程度上加速了沉積速率，使得膠州灣河口濕地的營養(yǎng)元素含量增加。

表1 土壤營養(yǎng)元素含量與土壤參數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients of nutrient content and related parameters in soils

表2 不同濕地土壤中TOC、N、TP含量比較Table 2 The TOC，N，TP content in soils of different wetlands

3 結(jié)論

膠州灣河口濕地TOC、TN、NO3－－N、NH4＋－N以及TP分布總體趨勢(shì)為含量隨深度增加而下降，除TOC外，TN、NO3－－N、NH4＋－N、TP含量的剖面差異極顯著，受規(guī)律性淹水和N本身性質(zhì)的影響，NH4＋－N含量的垂直變異系數(shù)大于NO3－－N的變異系數(shù)。膠州灣河口濕地土壤中N的主要存在形式為有機(jī)氮。膠州灣河口濕地土壤中TN、TP與TOC極顯著相關(guān)，土壤保持營養(yǎng)元素的能力受制于土壤TOC的總量，淹水對(duì)NO3－－N、NH4＋－N含量的分布產(chǎn)生一定程度的影響。

與內(nèi)陸濕地對(duì)比，膠州灣河口濕地TOC、TN、NO3－－N以及NH4＋－N均處于較低水平；與其他濱海濕地對(duì)比，膠州灣濕地土壤中營養(yǎng)元素含量較為豐富，TOC、TN以及NO3－－N和NH4＋－N均處于較高水平。陸源是膠州灣河口濕地有機(jī)質(zhì)的主要來源，且濕地中C／N值相對(duì)較低，TOC腐殖化程度較高，有機(jī)氮易礦化。

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