閩江河口淡水、半咸水沼澤土壤碳氮磷分布及計量學(xué)特征

胡敏杰,任洪昌,鄒芳芳,任　鵬,仝　川*(.福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶生態(tài)－地理過程教育部重點實驗室,亞熱帶濕地研究中心,地理科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350007；.福建農(nóng)林大學(xué)安溪茶學(xué)院,福建 福州 35000)

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閩江河口淡水、半咸水沼澤土壤碳氮磷分布及計量學(xué)特征

胡敏杰1,任洪昌1,鄒芳芳2,任鵬1,仝川1*(1.福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶生態(tài)－地理過程教育部重點實驗室,亞熱帶濕地研究中心,地理科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350007；2.福建農(nóng)林大學(xué)安溪茶學(xué)院,福建 福州 350002)

摘要：以閩江河口區(qū)淡水、半咸水短葉茳芏沼澤濕地為研究對象,于2013年11月～2014年8月分季節(jié)采集表層土壤樣品,研究土壤有機碳(SOC)、總氮(TN)、總磷(TP)含量時空變異格局及其計量學(xué)特征,并同步觀測相關(guān)環(huán)境因子.結(jié)果表明,淡水、半咸水沼澤土壤SOC、TN、TP含量范圍分別為(18.24～28.36,1.44～2.24,0.45～1.01)(14.96～26.19,1.55～2.45,0.67～1.18)g/kg.淡水沼澤土壤各元素含量均具有明顯的垂直變化規(guī)律;而半咸水沼澤除TN含量垂直變異明顯外,其他各指標則表現(xiàn)為波動變化的特征.淡水、半咸水沼澤土壤C/N、C/P、N/P均值分別為12.41±1.22,29.77±6.76,2.40±0.47以及10.89±1.09,24.92±3.80,2.29±0.25.方差分析顯示,各指標含量在兩個沼澤均存在顯著空間差異.兩個沼澤土壤SOC、TP、C/N、C/P均與土壤pH和EC呈顯著相關(guān)關(guān)系,而與含水率和容重相關(guān)性不顯著;土壤C/N均與粉砂粒和砂粒呈極顯著相關(guān)關(guān)系;土壤SOC、TN、TP含量對C/N、C/P、N/P影響顯著.淡水、半咸水沼澤土壤營養(yǎng)元素含量分布特征是水動力學(xué)作用、外源物質(zhì)輸入、植物生產(chǎn)力和人類活動等多因子綜合作用的結(jié)果.

關(guān)鍵詞：土壤；營養(yǎng)元素；短葉茳芏；潮汐沼澤；閩江河口

* 責(zé)任作者, 教授, tongch@fjnu.edu.cn

濕地是介于陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)之間,具有較高的初級生產(chǎn)力和氧化還原能力的過渡性生態(tài)系統(tǒng)[1],在全球變暖[2]、生物多樣性保護[3]、碳氮循環(huán)[4]以及環(huán)境修復(fù)[5]等方面均扮演著重要角色.濱海河口潮汐濕地作為天然濕地的重要組成部分,是對全球環(huán)境變化響應(yīng)最敏感的生態(tài)系統(tǒng)之一.不僅受到陸地徑流和海洋潮水的雙重影響,表現(xiàn)出周期性暴露與浸沒、低鹽與高鹽的交互作用[6],同時還受環(huán)境變化的持續(xù)影響,土壤理化特性變化頻繁,一直是全球碳(C)、氮(N)、磷(P)循環(huán)研究的重要一環(huán)[7].

土壤是河口濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是營養(yǎng)元素的主要截留者和儲存庫[8],對營養(yǎng)元素的吸收、儲存和轉(zhuǎn)化等過程均有重要影響,進而影響到生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程與功能.尤其是表層土壤,是對環(huán)境變化響應(yīng)最敏感、最脆弱的部分,承載著主要的外源物質(zhì)輸入,理化因子受外部環(huán)境影響頻繁,顯著影響著河口生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和初級生產(chǎn)力,其C、N、P含量的時空變異格局是河口濕地生物地球化學(xué)循環(huán)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié).同時,土壤C、N、P的生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征是反應(yīng)土壤元素含量平衡與有效性的重要指標,對于預(yù)測有機質(zhì)分解速率以及養(yǎng)分的限制與平衡等具有重要指示意義[9-10].目前,關(guān)于濱海河口濕地土壤C、N、P含量及其計量學(xué)特征的研究還較少并主要集中在空間分布上[11-12],很少考慮時間因素和鹽度差異的影響,但河口濕地不同季節(jié)外部環(huán)境往往差異明顯,顯著控制著表層營養(yǎng)元素的變異特征.

閩江河口濕地是我國亞熱帶區(qū)域主要的河口沼澤之一,面積廣闊,沿海－陸向鹽度梯度差異明顯.本研究以閩江河口淡水、半咸水沼澤為對象,研究不同鹽度水平下表層土壤C、N、P等含量的時空分布及計量學(xué)特征,這對于在全球變暖和環(huán)境問題日益嚴重的情況下,河口濕地土生物地球化學(xué)循環(huán)研究具有重要意義,以期為河口潮汐沼澤土壤C、N、P儲量的估算提供準確的數(shù)據(jù)支持.

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

閩江河口區(qū)位于福建閩江下游,地處中亞熱帶向南亞熱帶季風(fēng)區(qū)的過渡區(qū),氣候溫暖、濕潤,年均溫19.7℃,年均降雨量1905mm[2].該區(qū)是典型的開放式感潮河口,潮汐屬典型半日潮,土壤以紅壤、磚紅壤為主[13].主要優(yōu)勢植被群落包括土著種的短葉茳芏(Cyperus malaccensis)、蘆葦(Phragmites australis)以及外來入侵種的互花米草(Spartina alterniflora),相互之間呈斑塊狀鑲嵌分布[14].

基于河口區(qū)咸淡水差異特征,本研究由河口向上游選擇兩個鹽度差異明顯(淡水和半咸水)的沼澤濕地進行實驗布設(shè)(圖1),兩個樣地直線距離約28km.半咸水沼澤(26°01′48.0″N, 119°37′35.3″E)位于閩江口面積最大的半咸水濕地,受鹽水入侵的影響明顯,平均鹽度為3.79‰± 1.35‰;主要優(yōu)勢植被有土著種的短葉茳芏、蘆葦以及外來入侵花米草.淡水沼澤(25°57′21.4″N, 119°24′25.6″E)位于福州市營前鎮(zhèn)烏龍江南岸,長期受上游河流徑流影響,平均鹽度為0.20‰± 0.02‰,主要優(yōu)勢植被為短葉茳芏.本研究選擇短葉茳芏均有分布的淡水、半咸水沼澤,原位開展土壤C、N、P含量時空變化特征研究.

圖1　采樣點示意Fig.1　Distribution of sampling sites in the Min river estuary

1.2實驗設(shè)計

本研究原位采樣時間跨度為2013年11月～2014年8月,具體采樣時間為2013年11月(秋季)、2014年2月(冬季)、5月(春季)和8月(夏季).由河向岸方向,在2個短葉茳芏沼澤中部與河流平行的位置分別布設(shè)一條樣線,在每條樣線上各設(shè)置4個1m×1m的樣方(作為4個重復(fù)),樣方間隔約1.5m.使用直徑10cm土壤采樣器在樣方內(nèi)隨機采集原狀土壤剖面,采樣深度為0～5、5～10、10～15cm,將土樣裝入自封袋保存.同時,原位用注射器采集體積3cm3的各層土樣,用于測定土壤容重和含水率.土樣運回實驗室后,放置于陰涼通風(fēng)處自然晾干,去除雜質(zhì),分別過2mm和0.149mm網(wǎng)篩待測.間隙水采集是通過在樣方內(nèi)預(yù)埋間隙水采集管(直徑:5cm)的方法,與土壤同步采集.

1.3土壤理化因子測定

土壤pH和氧化還原電位(Eh)采用IQ150便攜式pH/mv儀(IQ Scientific Instruments,美國)測定;土壤溫度與電導(dǎo)率(EC)采用2265FS便攜式電導(dǎo)/溫度計(Spectrum Technologies Inc,美國)測定.土壤容重用環(huán)刀法測定,含水率用烘干法測定,土壤粒度則采用Master Sizer-2000激光衍射粒度分析儀(Malvern,英國)測定.土壤總氮(TN))使用碳氮元素分析儀測定(vario MAX,德國);有機碳(SOC)使用重鉻酸鉀-外加熱法測定;無機氮使用流動連續(xù)分析儀(Skalar San++,荷蘭)測定.總磷(TP)含量經(jīng)硫酸-高氯酸消解后使用流動連續(xù)分析儀測定(Skalar San++,荷蘭).間隙水和Cl-濃度使用離子色譜測定(Dionex 2100,美國).

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

同一沼澤不同季節(jié)之間,以及同一季節(jié)不同沼澤間各理化因子間的差異性檢驗采用SPSS17.0中的方差分析(ANOVA)進行統(tǒng)計分析.土壤理化因子之間的相關(guān)關(guān)系使用SPSS17.0中Pearson相關(guān)分析進行統(tǒng)計分析.數(shù)據(jù)作圖使用Original 8.0和Surfer 8.

2　結(jié)果

2.1土壤環(huán)境因子特征

表1和圖2為閩江河口淡水、半咸水沼澤土壤基本理化因子時空變化特征.淡水沼澤土壤EC、pH均表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而遞減,而半咸水沼澤則具有波動變化的特征.含水率在兩個沼澤均表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而遞減,而容重則相反.在土壤粒度組成上,兩個沼澤濕地均表現(xiàn)為粉砂粒＞砂粒＞黏粒,其中淡水沼澤土壤黏粒、粉砂粒含量均具有隨土壤深度的增加而增大的趨勢,砂粒則相反;而半咸水沼澤三種土壤粒度在垂直分布上則具有波動變化的特征,規(guī)律不明顯.

表1　閩江河口淡水、半咸水沼澤土壤理化特征Table 1　Physical and chemical properties of soils in the freshwater and brackish marshes

圖2　閩江河口淡水、半咸水沼澤土壤粒度組成Fig. 2　The grain-size distribution of surface soils in the freshwater and brackish marshes不同小寫字母代表同一深度不同季節(jié)差異性顯著;不同大寫字母代表同一季節(jié)不同深度差異性顯著

方差分析顯示,半咸水沼澤土壤EC、pH值在相同季節(jié)、相同土層上均顯著高于淡水沼澤(P＜0.05),而土壤含水率和容重在兩個沼澤濕地差異性均不顯著(P＞0.05).在粒度組成,土壤粉砂粒和砂粒含量在兩個沼澤間均存在顯著差異(P＜0.05),而黏粒差異不顯著(P＞0.05).淡水沼澤土壤黏粒、粉砂粒和砂粒含量在同一土層不同季節(jié)以及同一季節(jié)不同土層之間均不存在顯著差異(P＞0.05),而半咸水沼澤除粉砂粒外,差異均不顯著(P＞0.05).

2.2土壤碳、氮、磷分布特征

2.2.1SOC含量如圖3所示,淡水沼澤土壤SOC含量具有隨土壤深度的增加而增大的趨勢,而半咸水沼澤無明顯規(guī)律.淡水沼澤土壤SOC含量最高值和最低值分別出現(xiàn)在秋季和冬季,均值和變異系數(shù)分別為(24.37±1.01)g/kg(4.12%)和(21.31±1.77)g/kg(8.30%);半咸水沼澤最高值和最低值分別出現(xiàn)在春季和冬季,均值和變異系數(shù)分別為(22.04±0.84)g/kg(3.81%)和(19.65±0.87)g/ kg(4.40%).方差分析表明,SOC含量在兩個沼澤差異極顯著(P＜0.01).淡水沼澤0～5cm土壤SOC含量秋季均顯著高于春季(P＜0.05);半咸水沼澤5～10cm土壤SOC含量春季顯著高于夏季(P＜0.05).

圖3　閩江河口淡水、半咸水沼澤土壤SOC含量時空分布特征Fig.3　Contour maps of SOC contents of soils in the freshwater and brackish marshes

2.2.2TN和無機氮含量如圖4所示,淡水沼澤土壤TN含量存在隨土壤深度的增加而遞增的趨勢,而半咸水沼澤則相反.淡水沼澤土壤TN含量最高值和最低值分別出現(xiàn)在夏季和冬季,均值和變異系數(shù)分別為(1.96±0.09)g/kg(4.64%)和(1.71±0.10)g/kg(5.68%);半咸水沼澤土壤TN含量最高值和最低值分別出現(xiàn)在夏季和秋季,均值和變異系數(shù)分別為(2.08±0.10)g/kg(4.93%)和(1.83±0.03)g/kg(1.50%).方差分析表明,土壤TN含量在兩個沼澤差異顯著(P＜0.05).淡水沼澤各層土壤TN含量在各季節(jié)間存在顯著差異(P＜0.05);半咸水沼澤0～5cm土壤TN含量春季和夏季顯著高于秋季和冬季(P＜0.05).

圖4　閩江河口淡水、半咸水沼澤土壤TN、無機氮含量時空分布特征Fig.4　Contour maps of TN and inorganic nitrogen of soils in the freshwater and brackish marshes

2.2.3TP含量總體來看,淡水沼澤土壤TP含量存在隨土壤深度的增加而降低的趨勢,而半咸水沼澤規(guī)律不明顯(圖5).淡水沼澤土壤TP含量最高值和最低值分別出現(xiàn)在夏季和冬季,均值和變異系數(shù)分別為(0.84±0.08)g/kg(9.25%)和(0.73± 0.08)g/kg(11.15%);半咸水沼澤土壤TP含量最高值和最低值分別出現(xiàn)在夏季和秋季,均值和變異系數(shù)分別為(0.90±0.05)g/kg(5.20%)和(0.81± 0.02)g/kg(2.39%).方差分析表明,TP含量在兩個沼澤間存在極顯著差異(P＜0.01).淡水沼澤0～5cm土壤TP含量在冬季和夏季之間存在顯著差異(P＜0.05),10～15cm在冬季和春季差異顯著(P＜0.05);半咸水沼澤0～5cm土壤TP含量夏季顯著高于秋季和冬季(P＜0.05),5～10cm土壤TP含量夏季顯著高于冬季(P＜0.05).

圖5　閩江河口淡水、半咸水沼澤土壤TP含量時空分布特征Fig.5　Seasonal and spatial variations of TP of soils in the freshwater and brackish marshes

2.3生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征

閩江河口淡水、半咸水沼澤0～15cm土壤C/N范圍分別為9.38～15.47和8.03～13.36,平均值分別為12.41±1.22和10.89±1.09,變異系數(shù)分別為9.83%和10.04%;C/P范圍分別為19.49～56.19和16.01～33.71,平均值分別為(29.77±6.76)和(24.92± 3.80),變異系數(shù)分別為22.72%和15.27%; N/P范圍分別為1.60～4.19和1.51～3.07,平均值分別為(2.40± 0.47)和(2.29±0.25),變異系數(shù)分別為19.64%和10.98%.垂直分布上,除淡水沼澤C/P和N/P表現(xiàn)為隨深度遞增外,其他規(guī)律均不明顯.季節(jié)分布上,淡水、半咸水沼澤土壤C/N和C/P均表現(xiàn)為秋季＞冬季＞春季＞夏季,但未達到顯著性水平,而N/P季節(jié)變化不明顯,相對穩(wěn)定.方差分析顯示,淡水沼澤土壤C/N和C/P均顯著高于半咸水沼澤(P＜0.05), 而N/P在兩個沼澤間差異性不顯著(P＞0.05).

圖6　閩江河口淡水、半咸水沼澤土壤C/N、C/P、N/P時空分布特征Fig.6　Seasonal and spatial variations of C/N、C/P、N/P of soils in the freshwater and brackish marshes F和B分別代表淡水沼澤和半咸水沼澤,下同

2.4 相關(guān)關(guān)系

如表2所示,淡水、半咸水沼澤土壤SOC、TP、C/N、C/P均與土壤pH值和EC呈顯著(P＜0.05)和極顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),而與含水率和容重相關(guān)性不顯著(P＞0.05).兩個沼澤TN、TP、C/N均與土溫具有顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.01).在黏度上,2個沼澤土壤TN含量均與粉砂粒呈顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.05),C/N均與粉砂粒和砂粒呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.01),其他相關(guān)性不顯著(P＞0.05).此外,2個沼澤土壤SOC、TN、TP均與C/N、N/P、C/P存在顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.05).總體來說,土壤pH值、EC和土溫是影響不同沼澤土壤C、N、P及其計量比變化的關(guān)鍵因子.

表2　土壤C、N、P含量與土壤特性的相關(guān)關(guān)系Table 2　Correlation between soil C, N and P contents and soil characteristics

3　討論

3.1土壤碳、氮、磷含量時空變異格局

土壤C、N、P含量主要取決于輸入與輸出間的平衡.濱海河口濕地土壤營養(yǎng)元素主要通過潮汐作用、微生物作用、動植物殘體的歸還與分解以及人類活動等輸入和輸出過程的平衡來調(diào)節(jié)的[15].半咸水沼澤由于位于河流入海口,受潮汐、鹽水入侵、咸淡水交匯等水動力學(xué)作用影響顯著,因此在本研究中除TN具有明顯的垂直變化規(guī)律外,其他指標均呈現(xiàn)波動變化的特征;而淡水沼澤靠近內(nèi)陸,受外源干擾小,環(huán)境相對穩(wěn)定,其指標垂直分異規(guī)律明顯.季節(jié)分布上也延續(xù)了這一特點,不同季節(jié)半咸水沼澤的水淹頻率與深度、潮汐頂托作用強度、干濕交替程度、外源物質(zhì)輸入、植被群落結(jié)構(gòu)等均存在明顯差異,具有明顯的季節(jié)差異;而淡水沼澤季節(jié)變化相對較弱.

圖7　閩江河口淡水、半咸水沼澤土壤SOC和TN含量間相關(guān)關(guān)系Fig.7　Correlation of soil SOC, TN contents in the freshwater and brackish marshes

季節(jié)分布上,淡水沼澤土壤營養(yǎng)元素存在顯著的季節(jié)變化,這主要是因為在不同季節(jié)溫度、降水、徑流、外源物質(zhì)輸入以及動植物殘體的歸還等都存在顯著差異.兩個沼澤TN、TP、C/N與土溫間的極顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)也表明溫度是重要調(diào)控因子.高值出現(xiàn)在夏秋季節(jié)主要是由于處于生長季,植物生長茂盛,動植物殘體歸還量增加,根系分泌物增多,溫度較高根際微生物活性增強,直接影響根際土壤中養(yǎng)分含量的變化;而最低值出現(xiàn)在冬季主要是因為冬季氣溫較低,參與有機質(zhì)分解的微生物活性降低.半咸水沼澤土壤營養(yǎng)元素大多也存在顯著的季節(jié)變化,這主要與溫度、潮汐作用、咸淡水交互、氧化還原環(huán)境的差異有關(guān),春夏季節(jié)的高值主要是因為該季節(jié)植物生長旺盛,生產(chǎn)力高,凋落物等殘體歸還量大,植物根系分泌物增多并為微生物附著提供了更多的載體[20],較高的溫度也促進了動植物殘體的微生物分解,潮汐的頂托作用使潮汐帶來的營養(yǎng)鹽能夠在沼澤累積;同時,夏季相對干旱,使土壤處于相對較干的氧化環(huán)境,也易于植物固氮[16].冬季的低值主要是潮汐作用較弱,外源營養(yǎng)鹽輸入減少,較低的溫度也導(dǎo)致微生物活性降低,有機質(zhì)的礦化分解速率減弱.由于本研究未測定相關(guān)微生物活性指標,后續(xù)更長時間尺度的研究將進一步深化和揭示這一機理過程.

空間差異上,淡水沼澤土壤SOC含量顯著高于半咸水沼澤,這一方面與土壤的固持能力有關(guān),淡水沼澤相對穩(wěn)定,受外部環(huán)境變化較小,且其土壤主要由黏粒和粉砂粒等細顆粒物組成 (圖2),土壤粒度越細、表面積越大、質(zhì)地越黏重對營養(yǎng)鹽的吸附與固持能力相對較強[21-22],易于C的累積.另一方面則與人類活動有關(guān),淡水沼澤位于近岸,周圍灘涂養(yǎng)殖、生產(chǎn)生活垃圾排放等顯著影響C的輸入和累積.半咸水沼澤土壤TP、TN含量均顯著高于淡水沼澤,這是因為:①植被生長特征顯著影響著營養(yǎng)元素分布.研究期間半咸水沼澤植被生長茂盛,株高、株徑和密度等都高于淡水沼澤.植被可以通過改變土壤結(jié)構(gòu)、組成及滲透能力來影響其固持量,并且發(fā)達的根系可以提供更多的根系分泌物和凋落物,為微生物分解提供充足的原料.由于大量死根腐爛、分解,發(fā)達的植物根系為土壤提供了豐富的C源[23].同時,在枯落物分解過程中,更多的N或P可以快速釋放到土壤中[24].②潮汐作用引起的鹽水入侵和干濕交替等也顯著影響著元素分布.鹽水入侵導(dǎo)致土壤環(huán)境中濃度增加,會促進P的溶解與沉淀,進而促進土壤中各形態(tài)磷含量的增加[25-26]. Jordan等[27]也認為,鹽度可通過影響P的沉積速率來影響磷的含量.而鹽度對土壤N的影響主要是通過控制硝化和反硝化細菌的活性,進而控制N的釋放過程來實現(xiàn)的[12,28].本研究中,半咸水沼澤土壤EC和間隙水Cl-、均顯著高于淡水沼澤,也證實了這一點.同時,干濕交替和土壤水分飽和使半咸水沼澤土壤易形成還原環(huán)境,有利于N、P等元素的儲存與積累.③咸淡水交匯環(huán)境,酸堿性變化劇烈,而濱海土壤pH值接近7時,就有利于磷灰石的形成[29];同時,pH值的增加也促進了咸水中的還原,改變了的電荷,從而降低對的吸附[30-31];此外,pH也可通過影響微生物的活性來影響土壤對N、P的固定和累積能力.本研究中,半咸水沼澤土壤pH值(6.71±0.28)顯著高于淡水沼澤(4.98±0.30),相關(guān)性分析也顯示pH值是影響土壤營養(yǎng)元素分布的重要因子(表2).

3.2土壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征

相關(guān)分析顯示,淡水、半咸水沼澤土壤C/N、C/P、N/P比的時空分布特征明顯受土壤SOC、TN、TP含量的控制(表2),各指標計量比可以很好地指示土壤營養(yǎng)元素的限制及其有效性.綜合來看,閩江河口濕地土壤C/P＞C/N＞N/P,平均值分別為27.35、11.65和2.34,均低于全國平均值61、11.9和5.2[32],這表明潮汐沼澤土壤有機質(zhì)腐殖化程度更高,有機氮更易礦化[33],并且較低的C/N也表明微生物活性受C含量的控制.同時,較低的C/N/P也意味著河口沼澤與外部環(huán)境間土壤營養(yǎng)元素的交換可能更為活躍[24].而C/P較高說明土壤具有較強的固磷潛力,易出現(xiàn)微生物與植被共同競爭有效磷的情況[34].統(tǒng)計分析顯示,淡水沼澤C/N、C/P顯著高于半咸水沼澤,而N/P顯著低于半咸水沼澤,這主要是鹽度、pH、水淹狀況以及人類干擾等綜合作用的結(jié)果(表2).

本研究中,土壤EC、間隙水EC和Cl-含量等表明鹽度是影響碳氮磷分布的關(guān)鍵因子(表2).土壤鹽度可以通過控制參與分解的微生物種類、豐度和活性來影響土壤C、N、P的分解和釋放速率,并可影響N、P的礦化周轉(zhuǎn),進而影響土壤C、 N、P計量學(xué)特征[15].同時,鹽水入侵帶來的等電子受體在土壤碳分解過程中具有重要作用[35].pH值是通過控制土壤微生物的活性而顯著影響著土壤對C、N的固定和累積能力,在中性條件下微生物活性最強[33].水淹時間和頻率主要通過影響土壤的氧化還原環(huán)境和微生物活性來控制土壤C、N的累積與存儲.人類活動的干擾主要是通過影響外源物質(zhì)輸入來產(chǎn)生影響的.此外,也有研究表明,C/N一般與分解速率呈反比,有機質(zhì)分解速率越高,C/N就越低[36-37].

本研究中,半咸水沼澤受潮汐作用、鹽水入侵、干濕交替等影響,其淹水時間和頻率、土壤鹽度、氧化環(huán)境環(huán)境等的變化,通過各種化學(xué)、生物和物理過程,顯著影響著沼澤土壤的C、N、P的循環(huán)過程及其相應(yīng)的計量學(xué)特征.同時,半咸水沼澤植被生長相對茂盛,植物和微生物生長從土壤中吸收和釋放了較多的營養(yǎng)元素.相對于半咸水沼澤而言,淡水沼澤受人為影響較強,其接受的外源有機質(zhì)輸入較多,固碳潛力高于固氮.

4　結(jié)論

4.1閩江河口淡水沼澤土壤SOC、TN含量自表層向下依次遞減,而TP和則相反;半咸水沼澤除TN含量表現(xiàn)為深度遞減外,其他指標均無明顯的垂直變化規(guī)律.季節(jié)變化上,半咸水沼澤各元素含量季節(jié)變化較大,高值主要出現(xiàn)在春夏季節(jié),而淡水沼澤季節(jié)變化相對較小,高值主要出現(xiàn)在夏秋季節(jié).方差分析表明,淡水沼澤土壤SOC含量顯著高于半咸水沼澤,而TN、TP含量均顯著低于半咸水沼澤.

4.2垂直分布上,除淡水沼澤C/P和N/P表現(xiàn)為隨深度遞增外,其他規(guī)律均不明顯.季節(jié)分布上,淡水、半咸水沼澤土壤C/N和C/P均表現(xiàn)為秋季＞冬季＞春季＞夏季,而N/P季節(jié)變化不明顯,相對穩(wěn)定.方差分析顯示,淡水沼澤土壤C/N和C/P均顯著高于半咸水沼澤,而N/P在兩個沼澤間差異性不顯著.

4.3淡水、半咸水沼澤土壤SOC、TP、C/N、C/P均與土壤pH和EC呈顯著和極顯著相關(guān)關(guān)系,而與含水率和容重相關(guān)性不顯著.兩個沼澤土壤TN 均與粉砂粒呈顯著相關(guān)關(guān)系,C/N均與粉砂粒和砂粒呈極顯著相關(guān)關(guān)系,其他相關(guān)性不顯著(P＞0.05).總體來說,土壤pH、EC和土溫是影響不同沼澤土壤C、N、P及其計量比變化的重要環(huán)境因子.

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Spatiotemporal distribution and stoichiometry characteristics of carbon, nitrogen and phosphorus in surface soils of freshwater and brackish marshes in the Min River estuary.

HU Min-jie1, REN Hong-chang1, ZOU Fang-fang2, REN Peng1, TONG Chuan1(1.Key Laboratory of Humid Sub-tropical Eco-geographical Process of the Ministry of Education, Research Centre of Wetlands in Subtropical Region, School of Geographical Sciences, Fujian Normal Universities, Fuzhou 350007, China；2.Anxi Tea College, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China). China Environmental Science, 2016,36(3)：917～926

Abstract：During October 2013 to August 2014, the spatiotemporal distribution and stoichiometry characteristics of carbon, nitrogen and phosphorus in surface soils from the freshwater and brackish Cyperus malaccensis marshes were measured in different seasons, and examined the key environmental factors controlling the variation of nutrient elements simultaneously in Min River estuary. The contents of soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) in the freshwater and brackish marshes were greater variability, the ranges were (18.24～28.36, 1.44～2.24, 0.45～1.01)(14.96～26.19, 1.55～2.45, 0.67～1.18)g/kg, respectively. Overall, contents of SOC and TN showed increasing trends with depth in soil profiles, while TP exhibited decreasing gradually with depth in freshwater marsh. The nutrient element contents no significant vertical variation in the brackish marsh except TN. The average values of C/N、C/P and N/P in the freshwater and brackish marshes soils were 12.41± 1.22,29.77±6.76,2.40±0.47 and 10.89±1.09,24.92±3.80,2.29±0.25, respectively. The ANOVA revealed that most element contents were significant spatial differences in two marshes. The values of SOC, TP, C/N and C/P in both freshwater and brackish marshes had a significant correlation with soil pH and conductivity, while there were not significant correlations with soil moisture and bulk density. The soil C/N was significantly correlated with silt and sand content. The soil C/N, C/P and N/P values were affected significantly by soil SOC, TN and TP. Spatiotemporal distributions of nutrient elements in two marshes were the result of the combined effects of multiple factors, such as hydrodynamics, exogenous input, vegetation production and human activity.

Key words：soil；nutrient elements；Cyperus malaccensis；tidal marshes；Min River estuary

作者簡介：胡敏杰(1988-),男,安徽合肥人,博士研究生,主要從事河口濕地生物地球化學(xué)循環(huán)研究.

基金項目：國家自然科學(xué)基金(41371127);福建省科技計劃重點項目(2014R1034-1);福建師范大學(xué)亞熱帶河口生物地球化學(xué)創(chuàng)新團隊項目(IRTL1205);福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院研究生創(chuàng)新基金

收稿日期：2015-06-28

中圖分類號：X171,S153.6

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)03-0917-10