黃河三角洲濕地檉柳灌叢周圍有機質(zhì)富集及水分運動研究

劉亞琦+劉加珍+陳永金+馬春棟+毛甘霖

摘要：為研究濱海濕地檉柳灌叢水分推動下的土壤養(yǎng)分富集作用，對黃河三角洲單株檉柳個體周圍不同位點、不同土層土壤有機質(zhì)含量及土壤水、地表水和黃河水同位素進行分析。結(jié)果表明：（1）土壤有機質(zhì)在灌木主干周圍出現(xiàn)富集現(xiàn)象，形成深度為20 cm，半徑為1.5 m的富集圈層，有機質(zhì)含量空間分布呈現(xiàn)冠幅下明顯高于冠幅邊緣和株間空地，且隨土層深度增加而降低，表現(xiàn)出非常明顯的肥島效應(yīng)。（2）不同土壤剖面水分同位素值出現(xiàn)差異：0～5 cm表層土δD、δ18O同位素值表現(xiàn)為冠幅下>冠幅邊緣>株間空地，而5～10 cm土層δD、δ18O同位素值為冠幅下<冠幅邊緣<株間空地。0～5cm表層土同位素值大于5～10 cm土層同位素值。（3）水分運動對檉柳灌叢周圍有機質(zhì)含量產(chǎn)生影響，沿灌木主干流下的雨水沖刷和黃河水側(cè)滲作用是影響灌叢下土壤有機質(zhì)含量冠幅下>冠幅邊緣>株間空地的原因之一。有機質(zhì)等土壤養(yǎng)分在肥島效應(yīng)及水分運動影響下向檉柳主干周圍聚集，這種土壤養(yǎng)分的小尺度空間異質(zhì)性促進了檉柳自身及附近其他植物的生長，改變了土壤的理化性質(zhì)。本研究結(jié)果同時可以作為黃河三角洲鹽堿地土壤改良和植被恢復(fù)的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：黃河三角洲；檉柳；有機質(zhì)；氫氧同位素

中圖分類號：Q143文獻標志碼：A文章編號：1672-1683（2017）01-0113-08

Abstract：To investigate the promoting effect of water movement on soil nutrients beneath the Tamarix chinensis shrubs in the coastal wetlands，we analyzed the soil organic matter at different locations and soil layers around a Tamarix chinensis and the isotopes of soil water，surface water，and Yellow River water.The results showed that：（1） Soil organic matter is enriched around the trunk of Tamarix chinensis shrubs，forming a 20 cm-deep enriched circle-layer with a 1.5-m radius.Soils under shrub canopy have significantly higher content of organic matter compared to those under the canopy edge and at the open spaces between plants.Deeper soils have less content，showing prominent "fertile island" effects.（2） The hydrogen and oxygen stable isotopes at different soil profiles were different.In the 0-5cm topsoil，the δD and δ18O isotopic values are from large to small under shrub canopy，under canopy edge，and at the open spaces.In the 5-10cm soil layer，the δD and δ18O isotopic values are from small to large under shrub canopy，under canopy edge，and at the open spaces.The isotopic values in the 0～5 cm topsoil are greater than those in the 5～10 cm soil layer.（3） Water movement has an effect on the content of organic matter.The nutrients carried by stemflow and the lateral seepage of the Yellow River are two of the reasons why the content of organic matter is from large to small under shrub canopy，under canopy edge，and at the open spaces.The enrichment of soil organic matter has changed the physicochemical properties of the soil around the plant.The small-scale spatial heterogeneity of soil nutrients has promoted the growth of the Tamarix chinensisis and the surrounding plants.The research results can provide reference for the saline soil reclamation and vegetation recovery in the Yellow River Delta.

Key words： Yellow River Delta；Tamarix chinensisis；soil organic matter； hydrogen and oxygen stable isotopes

土壤養(yǎng)分在生物、非生物過程作用下易富集于灌叢周圍[1]。灌木通過改變冠層下物理環(huán)境，引起土壤資源分配發(fā)生變化[2]，并在局部形成了比周圍環(huán)境更加溫和的小氣候，使得其影響范圍內(nèi)土壤養(yǎng)分逐漸富集[3]。灌叢對土壤養(yǎng)分富集作用從土壤表層向深層遞減，從中心向邊緣遞減，且土壤養(yǎng)分富集率與灌叢的基徑、株高和冠幅有相關(guān)關(guān)系[4]。有學(xué)者將土樣養(yǎng)分在灌叢周圍的富集現(xiàn)象稱為肥島現(xiàn)象[5-7]。肥島現(xiàn)象常出現(xiàn)在資源脅迫的生態(tài)系統(tǒng)中，越是在養(yǎng)分脅迫的土壤環(huán)境，灌木的肥島效應(yīng)越顯著[8]。

水是天然溶劑，水分在不斷的循環(huán)運轉(zhuǎn)中，溶解和攜帶著多種礦物質(zhì)鹽類及營養(yǎng)物質(zhì)，構(gòu)成一個運動著的、統(tǒng)一的物質(zhì)流[9]。其中，土壤水鹽運移機理研究起步早[10-11]，不同假設(shè)條件下定量描述水鹽運動的模型發(fā)展較為成熟[12-14]，而水循環(huán)大背景下，土壤中水分運動對養(yǎng)分的影響研究相對較少，在水分的橫向與垂直運動過程中，水分的運動勢必會推動土壤中的養(yǎng)分相互轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換。

檉柳為黃河三角洲濕地天然原生灌木，具有較強的耐鹽、耐水濕、耐沙埋、耐貧瘠能力。在黃河三角洲濕地，檉柳的生長能夠影響立地土壤狀況，表現(xiàn)為土壤資源不斷聚集于灌叢周圍；而變化的立地土壤環(huán)境又增強檉柳對貧瘠鹽堿地生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性，促進檉柳自身的擴張。本文以黃河三角洲單株檉柳為研究對象，以土壤水、地表水及黃河水氫氧同位素值為指標，結(jié)合檉柳灌叢四周土壤有機質(zhì)分布，分析檉柳灌叢肥島效應(yīng)及其形成機制，以期為研究河口濕地土壤營養(yǎng)元素分布和濕地生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復(fù)與保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省東營市黃河入?？谖髂?，黃河三角洲河口濕地。該區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為12.3 ℃，年均降水量為542.3 mm，63.9 %的降水集中在夏季[15]。區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)主要是輕壤土和中壤土，土壤類型則是以隱域性潮土和鹽土為主[16]；地下水位埋深較淺，水質(zhì)礦化度較高；植物群落的組成較為簡單，以檉柳（Tamarix chinensis）、蘆葦（Phragmites communis）、堿蓬（Suaeda heteroptera）等水生植物和耐鹽植物為主，其分布主要受土壤的鹽堿化程度影響[17]。

1.2 樣點布設(shè)與數(shù)據(jù)采集

樣地布設(shè)在黃河三角洲濕地人為干擾較小的典型樣區(qū)內(nèi)，該樣區(qū)以檉柳為建群種，形成檉柳群落，檉柳個體根據(jù)鹽分含量的大小范圍選擇適宜自身生長的斑塊繁殖。本研究在樣地中隨機選取長勢優(yōu)良的單株檉柳（圖1），該株檉柳周圍地表受鹽漬化影響，3 m以內(nèi)為裸地，其他植物極少，可排除其他植物對土壤有機質(zhì)和水分的富集作用干擾。單株檉柳基徑、株高和冠幅分別為6 cm、1.8 m和2 m×2 m，植株位置采用GPS定位。在檉柳灌叢中心周圍半徑3 m以內(nèi)，以其主干為中心點向正東、正西、正南、正北4個方向，分別在距中心點0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m五個點位和中心點取樣，編號為CL-N（0-5）、CL-S（0-5）、CL-W（0-5）、CL-E（0-5）（圖1（b）），每個點位取0～5、5～10、10～20、20～30、30～50 cm五個土層，共采集土壤樣品105個。土壤樣品帶回實驗室，經(jīng)自然風(fēng)干后去除動植物殘體和石塊過篩裝袋備用。根據(jù)常規(guī)國際標準采用重鉻酸鉀容量法測定有機質(zhì)（SOM）含量。

對于同位素的測定，在距檉柳1 m、2 m和3 m處，選取0～5 cm和5～10 cm土層采集土樣放入樣品瓶，用封口膜密封帶回實驗室，采用真空蒸餾技術(shù)[18]提取土壤水。在研究區(qū)內(nèi)選取4處地表水（圖1（b）中B1-4）和4處黃河水（圖1（a）中H1-4），所有水樣使用樣品瓶采集，封口膜密封。將土壤水和水樣過濾后，立即采用美國Los Gatos Research公司生產(chǎn)的激光液態(tài)水同位素分析儀（型號：912-0032）測量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 有機質(zhì)富集率及分布特征測定

采用富集率（Enrichment rate，E）來測算灌叢對土壤養(yǎng)分的富集作用，公式如下：

EA=A/C

EB=B/C

式中：EA表示灌叢中心富集率；EB表示灌叢邊緣富集率；A、B和C分別表示檉柳個體灌叢中心、灌叢邊緣和株間空地的土壤有機質(zhì)含量。E值越大，則表明檉柳灌木灌叢內(nèi)外有機質(zhì)含量的差異越大[19]，當E>1時，表示灌叢對土壤養(yǎng)分具有富集作用[20]。

利用克里格空間插值分析灌叢周圍土壤有機質(zhì)富集程度的差異性，利用單因素方差分析（One-way-ANOVA）對不同取樣點有機質(zhì)含量的顯著性差異進行檢驗（a=0.05）?？臻g克里格插值使用Surfer 8.0，單因素方差分析使用SPSS 17.0。

1.3.2 δD、δ18O值測定

為分析灌叢周圍水分遷移機制，對不同來源水中δD、δ18O值進行測定。同位素的測量采用樣品的同位素比值與某種標準樣品的同位素比值的千分偏差δ來表示同位素之間的差異，公式為：

δD（‰）=（Rsample/Rstandard-1）×1000

δ18O（‰）=（Rsample/Rstandard-1）×1000

式中：δD和δ18O分別為對應(yīng)樣品的氫和氧同位素值；Rsample和Rstandard分別為樣品和國際通用標準物中元素的重輕同位素豐度之比（如18O/16O）。精確度（1δ） 18O/16O優(yōu)于0.1‰，D/H優(yōu)于0.3‰。δD值的測試誤差不超過1‰，δ18O值的測試誤差不超過0.2‰[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 檉柳灌叢土壤有機質(zhì)特征

2.1.1 不同方位上有機質(zhì)的水平變化

由圖2得出（圖中0～10 cm處有機質(zhì)含量為0～5 cm和5～10 cm處平均值），土壤有機質(zhì)含量在0.30 %～1.40 %之間。有機質(zhì)變化以20 cm土層為分界線，在土層20 cm以上（圖2（a）和圖2（b））各方向折線由左上方向右下方傾斜，表現(xiàn)為距離灌叢中心越遠，含量越低的特性；20 cm以下（圖2（c）和圖2（d））有機質(zhì)含量隨距灌叢中心的遠近變化規(guī)律不明顯。0～10 cm土層（圖2（a）），除檉柳南邊0.5 m處，基本表現(xiàn)為灌叢中心處有機質(zhì)含量最高；10～20 cm土層（圖2（b））距灌叢中心0.5 m處，有機質(zhì)含量相對最高，而在20～30 cm土層（圖2（c））和30～50 cm土層范圍內(nèi)，水平方向土壤有機質(zhì)含量變化較小。

2.1.2 不同方位上有機質(zhì)的垂直變化

將采樣地點按距離灌叢中心遠近分為三個部分，比較有機質(zhì)垂直方向變化，其中0～0.5 m范圍內(nèi)稱為冠幅下，0.5～1.5 m稱為冠幅邊緣，1.5～2.5 m稱為株間空地。由圖3可以看出，土壤表層有機質(zhì)含量最高，隨著土層的加深，檉柳個體周圍不同方位有機質(zhì)含量均降低，表現(xiàn)為右上向左下方傾斜。黃河三角洲是新生濕地，每年都產(chǎn)生新的泥沙淤積，區(qū)域內(nèi)檉柳地下根系并不發(fā)達，隨著土層的不斷加深植物根系明顯減少，土壤有機質(zhì)含量也相對降低。

2.2 檉柳灌叢土壤有機質(zhì)富集效應(yīng)

2.2.1 冠幅下及邊緣有機質(zhì)富集率差異

本文用土壤有機質(zhì)的富集率來反映其富集程度強弱差異。由表1可以看出，檉柳個體周圍土壤在冠幅下有機質(zhì)的富集率均大于1，冠幅邊緣除20～30 cm處均大于1，表明有機質(zhì)在冠幅下及冠幅邊緣有聚集現(xiàn)象。每層土壤冠幅下的富集率大于冠幅邊緣，5個土層從上到下，冠幅下分別比冠幅邊緣提高了32.7 %，4.2 %，19.5 %，31 %和11.8 %，水平方向上形成最大聚集率在半徑0.5 m的圈層；垂直方向上，5～10 cm土層土壤有機質(zhì)富集率最大，其它層次隨著土層的不斷加深富集率減小。

2.2.2 檉柳灌叢土壤有機質(zhì)空間富集差異

以灌木基部為軸心，距離灌叢中心距離為x軸，土層深度為y軸，做圖4。淺色區(qū)域代表為有機質(zhì)富集區(qū)，深色部分為有機質(zhì)含量相對較淺的區(qū)域。從圖4中知，該檉柳各方位有機質(zhì)明顯向冠幅下表層土壤聚集。垂直方向，有機質(zhì)在土壤表層北面、東面和西面形成高含量條帶，南面形成斑塊狀富集區(qū)，各方向均呈現(xiàn)出表層聚集的特點；隨著土層的加深，有機質(zhì)含量降低，在東、西、北三個方向20 cm處又出現(xiàn)一次聚集，但富集程度小于5 cm處。不同深度同一水平面比較，越靠近灌叢主干處富集度越高。比較四個方位的有機質(zhì)富集程度發(fā)現(xiàn)，灌叢東面富集范圍較大，南面克里格插值圖顏色明顯比其他方位深，有機質(zhì)含量少，富集范圍較小，可能因南面接受陽光照射時間長，有機質(zhì)分解速度快。

2.3 檉柳灌叢周圍水分運動規(guī)律

檉柳灌叢周圍土壤和水分δD、δ18O同位素對比分析結(jié)果（表2）顯示，地表水同位素值較大，δD變化于-23.91 ‰～-30.03 ‰，δ18O變化于-1.63 ‰～-2.78 ‰。黃河水同位素值較小，δD變化于-51.73 ‰～-54.36 ‰，δ18O變化于-6.59 ‰～-7.22 ‰。對比地表水、黃河水及土壤中氫氧同位素值，發(fā)現(xiàn)黃河水與土壤中氫氧同位素值更接近，其中5-10 cm土層土壤中的氫氧同位素值與黃河水同位素值在0.05水平上無顯著性差異，驗證了研究區(qū)的形成為黃河攜帶大量泥沙在渤海凹陷處沉積所致。

水平方向上對比冠幅下、冠幅邊緣和株間空地的同位素值，發(fā)現(xiàn)0～5 cm表層土δD值由冠幅下-35.08 ‰減小到株間空地的-44.90 ‰，δ18O由-3.48 ‰減小到-4.54 ‰，δD、δ18O同位素值冠幅下>冠幅邊緣>株間空地；而5～10 cm土層δD值則由冠幅下-58.02 ‰增加到株間空地的-49.77 ‰，δ18O由-7.87 ‰增加到-5.77 ‰，同位素值冠幅下<冠幅邊緣<株間空地。垂直方向上，0～5 cm表層土δD介于-35.08 ‰～-44.90 ‰，δ18O介于-3.48 ‰～-4.54 ‰；5～10 cm土層δD介于-49.77 ‰～-58.02 ‰，δ18O介于-5.77 ‰～-7.87 ‰，5～10 cm土層中同位素值均小于0～5 cm表層土。

分枯落后在土壤表層集聚分解，而植物殘體的分解是陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機質(zhì)的主要來源[22]，故冠幅下土壤表層有機質(zhì)含量高。

此外，有機質(zhì)富集率表現(xiàn)為冠幅下高于冠幅邊緣，這與植物根系的“營養(yǎng)泵”功能作用密切相關(guān)[23]，植物根系不斷的代謝活動，活躍的向根外分泌著各種無機和有機物質(zhì)，同時根表皮層物質(zhì)的衰老以及毛細根系的死亡也分解轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)物質(zhì)[8]，沉積在根際環(huán)境中，促進肥島的發(fā)育[24]。隨著到灌叢中心距離的增大，其根系逐漸減少，植物的吸收累積作用減弱，富集率逐漸減小。

在采樣過程中發(fā)現(xiàn)，灌叢中心處土壤有濕生蟲等土壤動物在活動，夜晚尤為頻繁，灌叢下的動物排泄物可肥沃土壤，提高土壤養(yǎng)分水平，而灌木下的動物洞穴可增加土壤的通透性和滲透性，適宜土壤微生物生長，加速營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，為肥島機制的形成提供條件，其中洞穴對肥島中的養(yǎng)分水平，特別是氮有重要的影響[25]。徐文軒[26]等研究表明，有大沙鼠定居檉柳沙包比無大沙鼠定居的檉柳沙包出現(xiàn)更為明顯的肥島效應(yīng)，且有大沙鼠定居檉柳沙包下土壤養(yǎng)分含量顯著高于丘間對照地。

3.2 δD、δ18O同位素富集效應(yīng)

土壤同位素組成依賴于水分混合過程的頻率和效率[27]。0～5 cm表層土冠幅下、冠幅邊緣和株間空地δD、δ18O同位素值依次減小，δD、δ18O同位素表現(xiàn)為冠幅下富集。降雨時，樹冠截留雨水，雨水經(jīng)過截流再分配沿灌木主干流下，形成灌叢主干徑流[8]，徑流對從冠幅下到株間空地0～5 cm表層土的影響依次減弱，且雨水（地表水）中δD、δ18O同位素偏大，使得同位素值冠幅下>冠幅邊緣>株間空地。而在5～10 cm土層，受植物根系對水分的滯留作用，冠幅下處根系發(fā)達，滯留作用最強，株間空地幾乎無植被根系，滯留作用最弱。土壤中水分在蒸發(fā)作用下，重同位素富集，輕同位素分餾[28]，同時受植物根系的滯留作用，造成δD、δ18O同位素值冠幅下<冠幅邊緣<株間空地，δD、δ18O同位素表現(xiàn)為株間空地處富集。

垂直方向，0～5 cm表層土同位素值大于5～10 cm土層，大氣降水是地表水的主要來源[29]，0～5 cm表層土直接受降雨影響，在無雨情況下受雨水堆積形成的地表水影響，地表水中同位素值偏大，地表水不斷滲入與土壤水分混合，提升表層土同位素值。5～10 cm土層在植物根系吸水作用下主要受地下水影響，因5～10 cm土層的氫氧同位素值與黃河水同位素值在0.05水平上無顯著性差異，故河水為地下水水源，黃河水中同位素值偏小，受黃河水影響5～10 cm土層中同位素值小于0～5 cm表層土。

3.3 檉柳灌叢周圍水分運動與有機質(zhì)變化

水循環(huán)是有機質(zhì)變化的外部推動力，檉柳灌叢周圍水分運動的同時會對土壤有機質(zhì)產(chǎn)生影響。在0～5cm表層土，δD、δ18O和有機質(zhì)含量變化走勢相同（圖5（a）和圖5（b）），灌叢主干徑流富集水分的同時通過淋溶植物組織上的營養(yǎng)物質(zhì)、淋洗林冠上的塵埃顆粒，在冠幅下富集土壤養(yǎng)分等資源[30]，使得表層土δD、δ18O同位素和有機質(zhì)含量表現(xiàn)為冠幅下>冠幅邊緣>株間空地。5～10 cm土層，δD、δ18O和有機質(zhì)含量變化走勢相反（圖5（c）和圖5（d）），經(jīng)分析得知該土層土壤水分由黃河水補給，黃河水在緩慢滲透補給地下水的過程中攜帶大量營養(yǎng)元素，補充土壤中的養(yǎng)分。檉柳灌叢冠幅下根系發(fā)達，黃河水長期緩慢的側(cè)滲作用將土壤養(yǎng)分推動到灌叢附近時，根系吸收水分，水分攜帶養(yǎng)分富集到冠幅下，使得有機質(zhì)含量冠幅下最大。而δD、δ18O同位素受冠幅下發(fā)達根系的滯留作用，且冠幅下蒸發(fā)作用最弱，使得δD、δ18O同位素值冠幅下最小。

4 結(jié)論

（1）檉柳灌叢地上部分凋落物在地表聚集分解補充土壤養(yǎng)分，地下部分受冠幅下發(fā)達根系吸收累積養(yǎng)分作用，以及根系及其周圍土壤生物的生命代謝活動，使得黃河三角洲鹽堿地內(nèi)有機質(zhì)的富集具有表聚性，檉柳灌叢周圍土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為冠幅下高于冠幅邊緣高于株間空地。

（2）因檉柳灌叢周圍水分運動，不同土層同位素的富集區(qū)域出現(xiàn)差異：0～5 cm表層土受大氣降水影響，在灌叢主干徑流作用下，徑流對從冠幅下到株間空地0～5 cm表層土的影響依次減弱，δD、δ18O同位素在冠幅下富集；5～10 cm土層受植物根系對水分的滯留作用和蒸發(fā)作用，株間空地處植物根系的滯留作用最弱、蒸發(fā)作用最強，δD、δ18O同位素在株間空地富集。且5～10 cm土層中δD、δ18O同位素值小于0～5 cm表層土。

（3）有機質(zhì)等土壤養(yǎng)分在肥島效應(yīng)影響下向檉柳主干周圍聚集，這種土壤養(yǎng)分的小尺度空間異質(zhì)性促進了檉柳自身的擴張，增強了檉柳對貧瘠鹽堿地生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性。同時，在水循環(huán)背景下，水分運動是土壤養(yǎng)分的重要推動力，土壤營養(yǎng)元素受水分推動作用在檉柳植株附近聚集，對檉柳個體及周圍其他植被生長產(chǎn)生重要促進作用。

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