小白河濕地土壤和植物N、P累積特征及分析

韓劍宏　杜方圓　李衛(wèi)平　高靜湉　王曉云　鮑交琦　樊愛(ài)萍

摘要：針對(duì)內(nèi)蒙古包頭黃河濕地植被的恢復(fù)和保護(hù)問(wèn)題，通過(guò)布設(shè)黃河濕地的小白河濕地片區(qū)4種典型植物群落，即Ⅰ區(qū)蘆葦混雜區(qū)、Ⅱ區(qū)藕草混雜區(qū)、Ⅲ區(qū)香蒲混雜區(qū)、Ⅳ區(qū)蘆葦區(qū)，研究了這4種典型植物群落土壤及優(yōu)勢(shì)植物N、P元素含量，并初步分析了影響植物生長(zhǎng)的因素。結(jié)果表明：濕地土壤中N含量在5-8月呈下降趨勢(shì)，之后有所回升，土壤P含量頻繁波動(dòng)，但波動(dòng)幅度較?。粷竦刂参镎wN、P含量在5-10月呈下降趨勢(shì)，植物整體對(duì)N元素的富集能力遠(yuǎn)高于對(duì)P元素的；5-9月4個(gè)區(qū)植物地上部分對(duì)N元素的富集能力高于地下部分的，5-7月植物地上部分對(duì)P元素的富集能力高于地下部分的。經(jīng)初步分析，藕草和蘆葦對(duì)黃河濕地小白河片區(qū)的修復(fù)效果較好，9月左右對(duì)植物進(jìn)行收割對(duì)濕地凈化效果最好。

關(guān)鍵詞：植物群落；富集系數(shù)；N/P；黃河濕地

濕地土壤N、P是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的元素，其中：N是植物的結(jié)構(gòu)物質(zhì)和生活物質(zhì)之一，在植物的初級(jí)生產(chǎn)活動(dòng)中占重要地位；P是生命信息元素，是構(gòu)成植物體內(nèi)的核酸、蛋白質(zhì)、磷脂、高能化合物及其他含磷有機(jī)物的重要元素，并參與植物的光合作用，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。N、P含量直接影響植物的生長(zhǎng)狀況，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和物質(zhì)循環(huán)的平衡。此外，N、P是引發(fā)湖泊濕地富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素之一，也是濕地營(yíng)養(yǎng)水平的重要指示物之一。因此，研究濕地植物群落及土壤營(yíng)養(yǎng)元素分布特征具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

包頭段黃河濕地處于干旱內(nèi)陸區(qū)，緯度較高，是包頭市乃至西北寒旱地區(qū)得天獨(dú)厚的寶貴資源。本研究以黃河濕地小白河段為研究對(duì)象，研究植物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)并分析影響植物生長(zhǎng)的因素，以期為黃河濕地的保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1區(qū)域概況

黃河包頭段位于東經(jīng)109°59′2″-110°2′26″，北緯40°30′8″-40°33′32″，總面積12 222 hm2，黃河濕地自西向東由昭君島、小白河、南海湖、共中海和敕勒川5個(gè)片區(qū)組成。黃河濕地地處半干旱區(qū)草原地帶，屬典型的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，光照充足，全年輻射最高期為5月。降水較少，蒸發(fā)劇烈。冬季漫長(zhǎng)而嚴(yán)寒，夏季短促而炎熱，9月下旬進(jìn)入早霜期，終霜期在5月中旬。年、日溫差大，春秋兩季氣溫變化劇烈，春季風(fēng)大，時(shí)遭寒潮侵襲，雨熱同季，積溫有效率高。黃河濕地土壤類(lèi)型分為草甸土、鹽土和風(fēng)沙土三類(lèi)。以黃河濕地的小白河濕地（總面積2 257 hm2）為研究對(duì)象，研究其典型植被區(qū)域土壤狀況及優(yōu)勢(shì)植物生長(zhǎng)狀況，初步探討影響植物生長(zhǎng)的因素。

2樣品采集與分析

2.1樣品采集

2015年5-10月。在小白河濕地選取4種典型的植物群落帶，分別為蘆葦混雜區(qū)（Ⅰ區(qū)）、藺草混雜區(qū)（Ⅱ區(qū)）、香蒲混雜區(qū)（Ⅲ區(qū)）、蘆葦區(qū)（Ⅳ區(qū)）（見(jiàn)表1），依據(jù)呂憲國(guó)的方法進(jìn)行植物和土壤的采集和觀測(cè)。在設(shè)定的樣地采集植物，每個(gè)樣地設(shè)5個(gè)1m×1m的樣方，在計(jì)數(shù)樣方中的植株數(shù)后，從中采集其高度屬于眾數(shù)的5株優(yōu)勢(shì)植物，做好標(biāo)記，用收獲法采集植物地上部分，挖掘法采集植物地下部分。采集的5株植物樣品用自封袋分別盛放并做標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室分析。在所取樣的1m×1m植物樣方里，5株植物附近采集土壤，土壤剖面深60 cm，并按0-20、20-40、40-60 cm劃分為3個(gè)層次，每個(gè)層次分別采集土壤樣品約100 g，混合后裝入樣品袋，做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

2.2樣品分析

樣品經(jīng)處理后，采用《土壤農(nóng)化分析》中的方法進(jìn)行試驗(yàn)分析，其中土壤主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為pH值、鹽度、含水率、全氮和全磷含量，植物主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為株高、總氮和總磷含量。土壤pH值采用便攜式pH計(jì)測(cè)定、鹽度采用便攜式電導(dǎo)鹽分計(jì)測(cè)定、含水率采用恒重法測(cè)定、全氮含量采用過(guò)硫酸鉀氧化一紫外分光光度法測(cè)定、全磷含量采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定，植物株高用直尺直接測(cè)量得到，總氮含量采用納氏試劑比色法測(cè)定、總磷含量采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定。

2.3數(shù)據(jù)處理

根據(jù)野外調(diào)查資料和室內(nèi)化學(xué)分析結(jié)果，采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件、EXCEL軟件和Origins軟件進(jìn)行分析作圖，得出植物和土壤N、P變化情況，并分析影響植物生長(zhǎng)的因素。

3結(jié)果與分析

3.1濕地土壤基本性質(zhì)

4-10月4個(gè)區(qū)域土壤含水率、pH值、鹽度監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2（其中4月處于裸地狀態(tài)，植物并未開(kāi)始生長(zhǎng)），可以看出，小白河濕地土壤pH值為8.21-8.84，整體偏堿性；部分區(qū)域含鹽量較高（如Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)），5-10月土壤含鹽量明顯低于4月的，這與植物的生長(zhǎng)有關(guān)；由于受黃河水的補(bǔ)給，因此濕地土壤平均含水率最高在4月和10月，其次是受降水影響的7月，但濕地土壤平均含水率不高，平均含水率為9.84%。

植被區(qū)土壤N、P含量監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。5-10月各區(qū)濕地土壤N含量平均值為0.02%-0.05%，由《全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》可知屬于最低的六級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，表明濕地土壤含N量偏低。各區(qū)濕地土壤P含量平均值為0.09%-0.13%，在一級(jí)和二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之間，小白河濕地土壤P含量較高。整體而言，5-10月土壤N平均含量Ⅰ區(qū)>Ⅲ區(qū)>IV區(qū)>Ⅱ區(qū)，土壤P平均含量Ⅰ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅳ區(qū)。與同區(qū)域土壤N含量相比，土壤P含量5-8月差異較小，變異系數(shù)為1.21%-15.96%。土壤P含量波動(dòng)幅度相對(duì)較小，但波動(dòng)頻率較高，這與P自身形態(tài)有關(guān)，P元素較為活躍，因此變化頻率較高，且無(wú)明顯規(guī)律。

3.2濕地植物基本情況

5-10月對(duì)4個(gè)區(qū)植物群落的株高及植物N、P含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，植物株高變化情況見(jiàn)圖5，可以看出，5-7月植物株高呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，7月之后4個(gè)區(qū)植物株高先后出現(xiàn)降低趨勢(shì)。

各區(qū)植物生長(zhǎng)期植物地上部分和地下部分N含量變化見(jiàn)圖6、圖7，可以看出，5-10月4個(gè)區(qū)植物地上部分和地下部分N含量都呈下降趨勢(shì)，植物地下部分N含量比地上部分的穩(wěn)定，平緩下降。7月I區(qū)和Ⅱ區(qū)植物地上部分N含量增加，這與7月降水量增加有關(guān)，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)土壤的環(huán)境條件與Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)的相比要差，因此水熱條件的改善對(duì)Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)植物生長(zhǎng)改善更為明顯，尤其是植物地上部分。

由圖8和圖9可知，4個(gè)區(qū)植物地下部分P含量相對(duì)地上部分較為穩(wěn)定，尤其是5-8月，4個(gè)區(qū)植物地下部分P含量的變異系數(shù)為0.28%-19.42%；Ⅳ區(qū)植物地上和地下部分的P含量在8月都呈略微增加趨勢(shì)，這與8月土壤中P元素較為活躍，且Ⅳ區(qū)蘆葦生長(zhǎng)最為茂盛，仍需要營(yíng)養(yǎng)元素有關(guān)；Ⅲ區(qū)香蒲地上部分在5月P含量高于其他區(qū)植物的，但6月之后整體P含量低于其他區(qū)植物的；Ⅱ區(qū)蔭草整體P含量在6月高于其他區(qū)植物的，原因是蔭草生長(zhǎng)速度低于其他區(qū)植物的，且植物生長(zhǎng)對(duì)P元素的需求遠(yuǎn)小于N元素，P濃度稀釋程度較低；Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)蘆葦整體P含量變化一致，含量相似，各時(shí)間段的差異性為1.73%～14.38%。

植物整體N、P含量在5-10月呈降低趨勢(shì)。5月植物處于初級(jí)生長(zhǎng)狀態(tài)，為了自身生長(zhǎng)的需求，植物吸收了大量營(yíng)養(yǎng)元素，此時(shí)植物整體N、P含量最高；6-8月隨著植物的不斷生長(zhǎng)，植物內(nèi)N、P濃度被稀釋?zhuān)肯陆?，尤其?-6月植物地上部分N、P含量下降最多，這一時(shí)期植物株高增長(zhǎng)最多，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被大量消耗；9-10月，植物枯萎，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)歸還于土壤，植物中N、P含量持續(xù)下降。

3.3植物N、P的富集

土壤通過(guò)植物根系向植物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此植物體內(nèi)養(yǎng)分含量與土壤養(yǎng)分含量存在一定程度的相關(guān)性，可用富集系數(shù)（EC）即植物體中某元素的含量與土壤中相應(yīng)元素含量的比值表示，以此來(lái)評(píng)定植物對(duì)土壤養(yǎng)分的富集能力。富集系數(shù)越大表示其富集能力越強(qiáng)，尤其是植物地上部分富集系數(shù)越大越有利于植物的生產(chǎn)。

由表2可知，5-10月4個(gè)區(qū)植物對(duì)N的富集系數(shù)遠(yuǎn)高于對(duì)P的，說(shuō)明植物對(duì)N元素的需求大于對(duì)P元素的；5-7月、9月4個(gè)區(qū)植物對(duì)N元素地上部分的富集系數(shù)高于地下部分的；8月、10月除Ⅲ區(qū)外，其他3個(gè)區(qū)植物對(duì)N元素的富集系數(shù)地上部分和地下部分較為接近，變異系數(shù)為6.01%-11.38%；5-6月4個(gè)區(qū)植物對(duì)P元素的富集系數(shù)為地上部分高于地下部分，7-10月植物對(duì)P元素的富集系數(shù)為地下部分高于地上部分。

從時(shí)間順序來(lái)看，5月Ⅱ區(qū)蔭草整體對(duì)N元素的富集系數(shù)高于其他區(qū)域的，其次為Ⅲ區(qū)香蒲，Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)的蘆葦對(duì)N元素的富集系數(shù)相對(duì)較低，Ⅲ區(qū)香蒲和Ⅳ區(qū)蘆葦整體對(duì)P元素的富集系數(shù)較高：6月4個(gè)區(qū)植物對(duì)N、P元素的富集能力迅速降低，此時(shí)Ⅳ區(qū)蘆葦對(duì)N元素的富集系數(shù)最高，Ⅱ區(qū)蔭草整體對(duì)P元素的富集系數(shù)最高；7月Ⅰ區(qū)蘆葦對(duì)降水量最為敏感，由于降水量增加，因此蘆葦整體對(duì)N、P元素的富集能力增強(qiáng)，此時(shí)對(duì)N元素富集能力最強(qiáng)，Ⅱ區(qū)蔭草整體對(duì)P元素富集能力最強(qiáng)；8月Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)的蘆葦整體對(duì)N、P元素的富集能力較強(qiáng)：9月Ⅳ區(qū)蘆葦對(duì)N元素的富集能力最強(qiáng)，Ⅱ區(qū)蔭草對(duì)P元素的富集能力較強(qiáng)，此時(shí)蘆葦和香蒲地上部分對(duì)P的富集系數(shù)已小于1：10月Ⅳ區(qū)蘆葦整體對(duì)N、P元素的富集能力最高，此時(shí)4個(gè)區(qū)植物地上部分對(duì)P元素的富集系數(shù)均小于1，且地上部分對(duì)N元素的富集能力小于地下部分的。

相對(duì)而言，5-7月蔭草整體對(duì)N、P的富集能力高于其他植物的，之后，Ⅳ區(qū)的蘆葦整體對(duì)N、P元素的富集能力最強(qiáng)，因此濕地中優(yōu)勢(shì)植物藺草和蘆葦對(duì)濕地的修復(fù)效果較好。在8月末9月初對(duì)植物進(jìn)行收割對(duì)濕地凈化效果最好，此時(shí)植物地上部分對(duì)N元素的富集能力仍高于地下部分的，且對(duì)P元素的富集系數(shù)大于1。

整體而言，Ⅰ區(qū)蘆葦對(duì)N、P元素的富集能力小于Ⅳ區(qū)蘆葦?shù)?，原因是，一方面Ⅰ區(qū)土壤的含鹽量高于Ⅳ區(qū)的，含水率低于Ⅳ區(qū)的，植物生長(zhǎng)受到限制，但植物的生長(zhǎng)也會(huì)調(diào)節(jié)土壤的鹽堿度，固土防沙、涵養(yǎng)水源、穩(wěn)固并增加濕地面積；另一方面Ⅳ區(qū)在封鎖路段，不受人為因素的干擾，植物生長(zhǎng)狀況較好，對(duì)N、P元素的富集能力較強(qiáng)，因此濕地管理部門(mén)仍需加強(qiáng)對(duì)濕地植物的保護(hù)和管理，增強(qiáng)植物對(duì)濕地的修復(fù)和凈化效果。

3.4植物N/P值

植物中的N/P值（N元素含量與P元素含量之比）可以用來(lái)說(shuō)明限制植物凈初級(jí)生產(chǎn)力的營(yíng)養(yǎng)因子。植物組織中養(yǎng)分的濃度受N和P綜合水平的影響，N/P值比例失調(diào)會(huì)影響對(duì)其他元素的吸收。植物凈初級(jí)生產(chǎn)力受N和P綜合水平的影響，因此盡管N對(duì)蘆葦?shù)葷竦刂参锷L(zhǎng)影響最顯著，但只有N/P值為10-33時(shí)，植物生長(zhǎng)才最旺盛。植物N、P含量的動(dòng)態(tài)變化不僅充分反映了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移的格局，而且與生物量的生長(zhǎng)速率密切相關(guān)。植物地上部分和地下部分N/P值見(jiàn)圖10、圖11。

5月，植物生長(zhǎng)初期植被地上部分的N/P值為7.60-11.14，地下部分N/P值為6.30-8.51，均小于14，說(shuō)明此時(shí)植物生長(zhǎng)受N元素含量的限制。5月是植物生長(zhǎng)的旺盛時(shí)期，植物生產(chǎn)力最高，因此5月植物株高增長(zhǎng)速率最大。6月除Ⅰ區(qū)植物地下部分N/P值升高外，其他N/P值均下降，植物生產(chǎn)力下降，除Ⅱ區(qū)外，7月植物株高增長(zhǎng)速率明顯小于5-6月的。7月Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)地上部分N/P值增大，Ⅲ、Ⅳ區(qū)整體處于下降趨勢(shì)，原因是7月降水量增大，明顯改善了Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)植物地上部分的生長(zhǎng)，植物對(duì)N元素的富集能力增強(qiáng)，植物生長(zhǎng)較為旺盛，仍處于生產(chǎn)力水平較高時(shí)期；Ⅲ、Ⅳ區(qū)植物整體N/P值降低，主要受N元素的限制，此時(shí)N元素富集能力降低，植物生長(zhǎng)速率降低。8-10月Ⅰ～Ⅲ區(qū)植物整體N/P值為0.68～6.24，雖然仍受N元素的限制，但此時(shí)對(duì)N元素的富集能力已明顯降低，不能滿足植物生長(zhǎng)發(fā)育的需要，植物此時(shí)幾乎停止生長(zhǎng)，植物株高不再增加，但Ⅰ-Ⅲ區(qū)植物地下部分N/P值略有增大。8-10月Ⅳ區(qū)蘆葦?shù)厣喜糠諲/P值一直處于增加趨勢(shì)，原因是Ⅳ區(qū)土壤環(huán)境優(yōu)于其他區(qū)域，水熱條件較好，該區(qū)域蘆葦?shù)纳L(zhǎng)優(yōu)于其他區(qū)域，此時(shí)該區(qū)域株高及N、P含量仍高于其他區(qū)域，其生產(chǎn)代謝水平高于其他區(qū)域。9-10月Ⅳ區(qū)蘆葦?shù)厣喜糠諲/P值為14-24，表明此時(shí)蘆葦?shù)厣喜糠稚L(zhǎng)主要受P元素的限制。

4結(jié)語(yǔ)

黃河濕地小白河片區(qū)土壤整體偏堿性，土壤N含量在5-8月呈降低趨勢(shì)，9-10月呈升高趨勢(shì)，土壤P含量頻繁波動(dòng)，但波動(dòng)幅度較小；小白河濕地4個(gè)區(qū)植物整體N、P含量在5-10月呈降低趨勢(shì)，植物地下部分N、P含量的變化幅度相對(duì)地上部分的較小；植物對(duì)N元素的富集能力遠(yuǎn)高于對(duì)P元素的，5-7月藺草整體對(duì)N、P元素的富集能力高于其他植物的，8-10月Ⅳ區(qū)蘆葦對(duì)N、P元素的富集能力較強(qiáng)；4個(gè)區(qū)植物的生長(zhǎng)受N元素的限制時(shí)間較長(zhǎng)，并且植物N/P值整體呈降低趨勢(shì)，這與植物生長(zhǎng)速率具有一定關(guān)聯(lián)性。