鄱陽湖濕地土壤有機碳氮同位素特征及其環(huán)境意義

王毛蘭,賴建平,胡珂圖,張丁苓 (南昌大學資源環(huán)境與化工學院,鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室,江西 南昌 330031)

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鄱陽湖濕地土壤有機碳氮同位素特征及其環(huán)境意義

王毛蘭*,賴建平,胡珂圖,張丁苓 (南昌大學資源環(huán)境與化工學院,鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室,江西 南昌 330031)

摘要：通過對2011年鄱陽湖及其主要入湖河流(贛江、撫河、信江、修水及饒河)15個濕地土壤樣品中δ13C及δ15N的測定,分析探討了鄱陽湖及其主支流濕地土壤有機質和氮素來源.結果表明:鄱陽湖湖區(qū)濕地土壤中總有機碳(TOC)的含量在0.45％～1.58％之間, 總氮(TN)含量變化范圍為0.06％～0.17％;各入湖河流TOC含量為0.41％～1.18％, TN含量在0.05％～0.13％之間.鄱陽湖湖區(qū)濕地土壤有機質δ13C及δ15N變化范圍分別為-28.35‰～-18.58‰和3.27‰～6.84‰;各入湖河流濕地土壤δ13C和δ15N分別為-25.93‰～-22.66‰和2.97‰～5.41‰.有機質來源分析表明:除湖口處主要來源于C4植物外,鄱陽湖區(qū)及其入湖河流濕地土壤有機質的主要來源是C3植物.湖區(qū)濕地土壤氮素來源分析表明吳城處主要受農業(yè)化肥使用的影響,而其他采樣點濕地土壤有機質氮素主要來源于生活污水;入湖河流濕地土壤氮素來源較復雜,生活污水、化肥及工業(yè)污水是其主要來源.

關鍵詞：碳同位素；氮同位素；鄱陽湖；濕地土壤；物質來源

*責任作者, 副教授, wml2001@163.com

土壤是地球表層系統(tǒng)中最大且最具有活動性的生態(tài)系統(tǒng)碳庫之一,在全球碳循環(huán)中起著關鍵性的作用, 全球約有1500～1600Pg的碳以有機質形態(tài)儲存于土壤中,約是大氣碳庫的3.3倍、生物碳庫的4.5倍[1-2].土壤碳庫微弱的變化將引起大氣CO2濃度的升高或降低,從而對全球變暖產生正反饋或負反饋[3].土壤有機質多數(shù)來自植物殘留物,是通過植被根部所積累的葉類物質與微生物轉化過程之間的相互作用形成的[4].土壤有機質的含量受分解和腐殖質化過程的影響,其過程受制于土壤的溫度、濕度、各類植被數(shù)量、土壤氧含量和營養(yǎng)狀態(tài)等,因此,植物殘留物的δ13C值對土壤有機質的碳穩(wěn)定同位素組成有直接影響,不同來源的土壤有機質具有明顯的δ13C值差異[5].氮同位素則反映了不同物源的貢獻,而且無機氮在吸收過程中的分餾會反饋到有機質的同位素組成中,能夠反映氮來源及氮循環(huán)過程中相關的生物地球化學循環(huán)過程[6-7].濕地土壤氮是天然濕地土壤中主要的限制性養(yǎng)分之一,其含量直接影響植物的生長狀況,從而影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和物質循環(huán)的平衡,是濕地營養(yǎng)水平重要的指示物[8].濕地土壤有機質含量直接影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產能力[9],同時還能夠指示濕地對氣候變化的響應[10].目前國外對濕地土壤有機碳氮同位素的研究較多[11-12],而國內大多集中于對黃土高原、荒漠草原、喀斯特地區(qū)等區(qū)域土壤的研究[13-15],對濕地土壤碳氮同位素的研究報道相對較少.丁喜桂等[16]對黃河三角洲濕地土壤、植被中碳氮穩(wěn)定同位素進行了分析,探討了其物質來源.段中華等[17]對黃河源區(qū)濕地和相鄰草地土壤的碳氮同位素組成征進行了分析.

鄱陽湖是我國最大的淡水湖泊,位于江西省北部,長江中下游南岸,是一過水性、吞吐型的淺水湖泊,受長江頂托和五河(贛江、撫河、信江、饒河和修水)來水的影響,形成了獨特的生態(tài)水文過程,湖區(qū)年水位變幅8～14m.年內周期性干濕交替的洲灘面積約占全湖正常水位面積的82％左右[18].自20世紀90年代以來鄱陽湖進入顯著增溫期,1991～2003年的平均溫度比1961～1990年的平均溫度高出約0.42℃ ,預計未來50年氣溫上升幅度將達到1.62℃[19-20].本研究通過對鄱陽湖濕地土壤中δ13Corg、δ15N及C/N等的測定,探討了鄱陽湖濕地土壤有機質碳、氮含量及其同位素分布特征,揭示了土壤有機質碳、氮的來源,以期為進一步研究鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機質的生物地球化學循環(huán)和富營養(yǎng)化防治提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2011年11月對鄱陽湖主要支流入湖河口及支流匯入后附近濕地土壤進行采集,以獲得支流匯入前后濕地土壤有機質碳、氮同位素值;鄱陽湖主航道常年有水,水上運輸比較繁忙,因此在主航道附近濕地土壤沿水流方向原則上每隔10km布設一個采樣點,其采樣點位見圖1.采集表層土壤樣時先刮去地表薄層浮土,采自地表以下2～ 3cm.現(xiàn)場除去動植物殘體、礫石、貝殼等雜物,立即運回實驗室,置于真空冷凍干燥機(ALPHA-1-4,德國Martin Christ)中冷凍干燥,待樣品完全干燥后研磨過篩(200目),過篩后的土壤置于聚乙烯袋中密封保存,以備實驗分析所用.

圖1　鄱陽湖采樣點示意Fig.1 The sampling sites in Poyang Lake

1.2 樣品的處理與分析

1.2.1 土壤樣品pH值的測定 稱取上述研磨過篩的風干土樣10.0000g,采用無二氧化碳的去離子水作浸提劑,以1:2.5的土水比測定土壤pH 值[21].

1.2.2 土壤樣品碳、氮含量及其同位素值的測定 研磨過篩后的土壤樣品,加入0.5mol/L HCl酸化以去除無機碳,再用去離子水淋洗樣品直至濾液呈中性,然后將去除無機碳的樣品進行冷凍干燥.經過上述處理后的樣品在國家海洋局第三海洋研究所用元素分析儀(Flash EA 1112HT)和同位素質譜儀(Delta V advantage)聯(lián)用測定有機碳、氮的含量及穩(wěn)定同位素組成,計算公式為:

式中:Rsample為待測樣品同位素比值；Rstandard為標準參比樣品同位素比值.13C/12C和15N/14N分別對應于國際標準ViennaPDB與大氣中的氮標準,分析誤差為<±0.2‰.樣品的C/N比值可由測定的總有機碳含量與總氮含量計算得到.

采用數(shù)理統(tǒng)計學方法處理數(shù)據,運用SPSS 18.0、sigmaplot6.0進行因子的相關分析和制圖.

2 結果與討論

2.1 研究區(qū)土壤基本理化性質

土壤酸堿性是土壤許多化學性質的綜合反映,也是影響土壤肥力和作物生長的重要因素之一.鄱陽湖濕地土壤pH值變化范圍為4.95～6.22,屬于偏酸性土壤(表1).星子處pH值最低,都昌處最高.土壤總有機碳(TOC)和總氮(TN)含量總體偏低,明顯低于三峽庫區(qū)消落帶土壤有機質和總氮含量[22].土壤有機碳含量的高低直接反映濕地的貯碳能力,研究區(qū)土壤有機碳含量均值為0.98％,低于世界土壤有機碳均值2％[17].較低的TOC和TN含量可能與鄱陽湖的水動力較強,不利于有機質和營養(yǎng)鹽的積累有關.支流入湖口濕地土壤TOC和TN總體上較主航道的低.主航道濕地土壤TOC和TN最大值均出現(xiàn)在老爺廟處,最小值均在吳城處;而各主支流入湖口濕地土壤TOC和TN最大值均出現(xiàn)在饒河入湖口處,最小值均出現(xiàn)在撫河入湖口處.同一氣候條件下,土壤有機碳含量與地表植被直接相關[23].各采樣點有機碳含量差異比較大,可能由于采樣范圍比較大,人為因素干擾的變化使得地表植被群落相應有所改變,從而導致土壤有機質含量變化幅度較大.研究區(qū)C/N相對較低,主航道略低于入湖口,這表明土壤中有機質具有較高的腐殖化程度,有機氮易于礦化,致使?jié)竦赝寥罒o機氮的增加[24].

2.2 鄱陽湖濕地土壤有機碳同位素特征

光合途徑是影響植物δ13C的主要因素,因此,不同光合途徑類型植物的有機質其δ13C不同,其中,C3型植物的有機質δ13C在-34‰～-21‰之間,平均值約為-27‰;C4型植物δ13C在-19‰～-9‰之間,平均值約為-13‰;CAM 植物的δ13C介于C4和C3植物之間,為-30‰～-10‰[25].由于CAM植物大多生長于干旱的沙漠地帶,因此其對鄱陽湖濕地土壤的δ13C的影響基本可以排除.

鄱陽湖主航道濕地土壤有機質δ13C平均值為-24.66‰,老爺廟處δ13C最負,湖口處δ13C最正(表1),相對較負的土壤δ13C反映了植被脫落的葉子和微生物活動對其值的影響[16].除湖口處外,其余采樣點土壤有機質δ13C都處于C3植物有機質δ13C的變化區(qū)間,說明除湖口處外,其余采樣點土壤有機質主要來源于C3型植物.而湖口處土壤有機質δ13C處于C4植物有機質δ13C的變化區(qū)間,推斷其土壤有機質主要由C4型植物貢獻,湖口縣種植有大面積的玉米,玉米為C4型植物,其對湖口濕地土壤有機質δ13C起了很大的作用,這與對湖口沉積物有機質來源的研究結論一致[26].

土壤中的δ13C可以體現(xiàn)土壤上部的植被特征,植物在生長過程中,其根、莖和葉通過各自的生理作用和轉化形式對土壤有機質δ13C產生直接影響[27],使得土壤有機質δ13C與相應地上植被δ13C具有相似的變化范圍,這種相似性通常被用來推斷植被和氣候的歷史變化[28],因而研究土壤中的δ13C可以反映該地區(qū)植被類型及生態(tài)環(huán)境,進而指示出采樣點溫度、水分、光照等環(huán)境因素的不同[29].由此可知湖口處采樣點環(huán)境較干燥且光照充裕,而老爺廟處采樣點環(huán)境則相對濕潤,植物所受到的光照也相對較少.

各支流入湖口處濕地土壤有機質δ13C平均值為-24.89‰,均處于C3植物δ13C的變化區(qū)間,說明各支流入湖口處濕地土壤有機質主要由C3植物貢獻,撫河入湖口處δ13C最“正”,修水入湖口處最“負”,說明植被脫落的葉子和微生物活動對修水入湖口處δ13C的影響較大,且采樣點環(huán)境則相對濕潤,植物所受到的光照也相對較少.

表1　研究區(qū)濕地土壤基本理化性質Table 1 General characteristics of wetland soil samples in Poyang Lake

表層土壤有機質δ13C的上升幅度主要由其周轉速度控制,周轉速度越慢,升幅越小[30].鄱陽湖主航道濕地土壤各采樣點δ13C差異比各支流入湖口處的大,這說明鄱陽湖主航道濕地土壤有機質的周轉速度較快,這可能是因為該區(qū)域微生物的活性較強,表層土壤有機質較高的分解速率和周轉速度產生較大的碳同位素分餾,從而使其土壤有機質具有較高的上升幅度.

2.3 土壤有機質δ13C與其有機碳含量相關性

圖2　土壤有機質δ13C與有機碳含量的關系Fig.2 Biplots of TOC and δ13C of organic matter in samples

土壤有機碳含量與其δ13C的正負關系可以反映土壤有機質分解的強弱程度,二者呈負相關說明有機質分解程度低,呈正相關則說明有機質分解程度較高[31].由圖2可知,研究區(qū)各采樣點濕地土壤δ13C與有機碳含量均呈負相關,各支流入湖口處的斜率更負,表明鄱陽湖濕地土壤有機質分解程度均較低,而各支流入湖口處濕度土壤有機質分解程度更低.造成這一區(qū)別的原因較為復雜,可能與植物在分解轉化成有機質過程中的同位素分餾情況有關;也可能與土壤呼吸狀況,包括根系呼吸(自養(yǎng)呼吸的一部分)以及土壤微生物和土壤動物的異養(yǎng)呼吸等作用的貢獻量有關[32];也可能由于土壤有機質在礦化過程中使得δ13C轉化進入無機碳庫中[33].土壤有機碳含量與有機質δ13C呈負相關也說明了土壤有機碳越高,土壤有機質δ13C越小,這與貧δ13C有機質輸入有關,也反映工業(yè)革命以來貧δ13C的化石燃料的燃燒導致大氣CO2的δ13C顯著降低[17].

2.4 鄱陽湖濕地土壤有機質氮同位素特征

鄱陽湖主航道濕地土壤有機質δ15N變化范圍為3.27‰～6.84‰,吳城處最低,康山處最高.各河流入湖口處濕地土壤有機質δ15N略低于鄱陽湖主航道,其最低值出現(xiàn)在贛江北支,最高值出現(xiàn)在信江.

土壤有機質的δ15N主要受環(huán)境的影響,不同環(huán)境條件下土壤有機質的δ15N差異較大,這種特征有助于識別土壤的利用方式和污染類型.墾植土壤和受生活污水污染的土壤δ15N為4‰～9‰,受化肥和工業(yè)廢水污染的土壤δ15N為-4‰～4‰[34],受糞肥污染的土壤δ15N為10‰～20‰[35],受大氣沉降N影響的土壤的δ15N在0.2‰～0.8‰之間變化[36].由此可知,除吳城外,鄱陽湖主航道濕地土壤有機質δ15N均處于墾植土壤和受生活污水污染的土壤δ15N范圍內,而所采樣品均為濕地土壤,并沒有墾植,且采樣點附近村鎮(zhèn)比較多,工業(yè)很少,居民生活污水的排放對濕地土壤氮素的影響比較大,因此可以推斷除吳城外,鄱陽湖主航道濕地土壤有機質氮素主要受生活污水的影響.而吳城處濕度土壤有機質δ15N處于受化肥和工業(yè)污水污染土壤的δ15N范圍內,吳城處工業(yè)相對較少,而農田相對較多,因此可以推斷其濕地土壤有機質氮素主要受農業(yè)化肥使用的影響.

各河流入湖口處濕度土壤有機質氮素來源也有2種情況:①撫河、信江及修水入湖口處濕地土壤有機質氮素主要來源于生活污水;②饒河、贛江北支及贛江南支入湖口處濕地土壤有機質δ15N處于受化肥和工業(yè)污水污染土壤的δ15N范圍內,贛江南支下游流經南昌重要農副產品生產基地—蔣巷鎮(zhèn),因此其濕地土壤有機質氮素受農業(yè)化肥影響比較大,這與對贛江南支入湖口處沉積物氮素來源的研究結論一致[37];而饒河和贛江北支流經工業(yè)比較發(fā)達地區(qū),推斷其入湖口處濕地土壤有機質氮素主要來源于工業(yè)污水.

3 結論

3.1 鄱陽湖區(qū)濕地土壤有機碳含量較低,為0.45％～1.58％,各入湖河流TOC含量略低于鄱陽湖區(qū);鄱陽湖區(qū)濕地土壤TN含量變化范圍為0.06％～0.17％,各入湖河流TN含量為0.05％～ 0.13％;各采樣點C/N相對較低,鄱陽湖區(qū)為8.39～16.20,而各入湖河流為10.18～19.83.

3.2 鄱陽湖區(qū)濕地土壤有機質δ13C變化范圍為-28.35‰～-18.58‰,湖口處最“正”,老爺廟處最“負”.湖口處濕地土壤有機質主要來源于C4植物,而其他采樣點處有機質均主要受C3植物的影響.

3.3 各河流入湖口處濕地土壤有機質δ13C 為-25.93‰～-22.66‰,處于C3植物有機質δ13C的變化區(qū)間,其濕地土壤有機質主要由C3植物貢獻.

3.4 鄱陽湖區(qū)濕地土壤有機質δ15N變化范圍為3.27‰～6.84‰,吳城處濕地土壤有機質氮素主要受農業(yè)化肥使用的影響,而其他采樣點土壤有機質氮素受生活污水影響比較大.

3.5 各河流入湖口處濕地土壤有機質δ15N為2.97‰～5.41‰, 撫河、信江及修水土壤有機質氮素主要來源于生活污水,贛江南支濕地土壤有機質氮素主要受農業(yè)化肥使用的影響,而饒河和贛江北支其氮素主要來源于工業(yè)污水.

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Compositions of stable organic carbon and nitrogen isotopes in wetland soil of Poyang Lake and its environmental implications.

WANG Mao-lan*, LAI Jian-ping, HU Ke-tu, ZHANG Ding-ling (Key Laboratory of Poyang Lake Environment and Resource Utilization, Ministry of Education, School of Resources Environmental and Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China). China Environmental Science, 2016,36(2)：500～505

Abstract：Fifteen wetland soil samples were collected from the Poyang Lake area and its main tributaries (Ganjiang River, Fuhe River, Xinjiang River, Xiushui River and Raohe River). Contents of carbon and nitrogen isotopes in these samples were quantified to identify the sources of organic matter and nitrogen in the wetland soil. The results showed that the total organic carbon (TOC) and the total nitrogen (TN) contents in the Poyang Lake area were in the ranges of 0.45％～1.58％ and 0.06％～0.17％, respectively. The TOC and TN contents in its major tributaries were in the ranges of 0.41％～1.18％ and 0.05％～0.13％, respectively. The organic carbon isotope composition (δ13C) ranged from -28.35‰ to -18.58‰, while the nitrogen isotope composition (δ15N) was from 3.27‰ to 6.84‰ in the Poyang Lake area wetland soils. In the main tributaries wetland soils, the δ13C and δ15N values ranged from -25.93‰ to -22.66‰ and 2.97‰ to 5.41‰, respectively. The C3 plants were the main sources of the wetland soil organic matter in Poyang Lake area and its main tributaries; however, C4 plants were the main sources in lake entrances. The sources of nitrogen in the wetland soils were mainly from domestic sewage in the Poyang Lake area, except in Wucheng, which was mainly from synthetic fertilizer there. For the major tributaries, the primary sources of nitrogen included domestic sewage, synthetic fertilizer and industrial sewage.

Key words：carbon isotope；nitrogen isotope；Poyang Lake；wetland soil；sources

作者簡介：王毛蘭(1979-),女,江西臨川人,副教授,博士,主要從事水環(huán)境等方面的研究.發(fā)表論文20余篇.

基金項目：江西省自然科學基金(20114BAB213023);江西省教育廳科學技術研究項目(贛教技字[GJJ11283]號);南昌大學鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室開放基金(13005868,13005873)

收稿日期：2015-07-15

中圖分類號：X142

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)02-0500-06