水鹽梯度對(duì)閩江河口濕地土壤有機(jī)碳組分的影響

王 純,劉興土*,仝 川,陳曉旋,陳優(yōu)陽(yáng),牟曉杰,萬(wàn)斯昂

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水鹽梯度對(duì)閩江河口濕地土壤有機(jī)碳組分的影響

王 純1,劉興土1*,仝 川2,3,陳曉旋2,3,陳優(yōu)陽(yáng)2,3,牟曉杰1,萬(wàn)斯昂1

(1.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長(zhǎng)春130120；2.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福建福州350007；3.福建師范大學(xué)亞熱帶濕地研究中心,福建福州350007)

為了揭示水鹽梯度對(duì)河口濕地土壤有機(jī)碳組分的影響,對(duì)閩江河口不同淹水環(huán)境和鹽度下短葉茳芏()濕地土壤活性有機(jī)碳含量進(jìn)行了測(cè)定與分析.結(jié)果表明,無(wú)論半咸水濕地還是淡水濕地,土壤微生物生物量碳(MBC)含量均隨淹水頻率增加而增加,增幅分別為67.8%和38.8%.半咸水濕地高低潮灘的土壤MBC含量均低于淡水濕地,高低潮灘降幅分別為52.9%和43.1%.半咸水濕地高低潮灘土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)含量均高于淡水濕地,增幅分別為56.7%和105.6%.2種濕地土壤易氧化有機(jī)碳(EOC)含量均隨淹水頻率增加而降低,半咸水濕地高低潮灘間降幅18.0%,淡水濕地降幅50.1%.半咸水濕地高低潮灘土壤EOC含量均高于淡水濕地,增幅分別為20.2%和97.4%.微生物熵以及DOC和EOC占SOC的比值分別為0.42%~1.76%、0.39%~0.85% 和20.14%~36.49%.微生物熵隨鹽度增加而降低,土壤DOC和EOC的分配比例隨鹽度的增加而增加.相對(duì)于淹水環(huán)境變化,土壤TN含量和電導(dǎo)率對(duì)SOC及其活性組分含量影響的貢獻(xiàn)更大.土壤DOC、EOC與SOC顯著正相關(guān),土壤MBC與SOC、EOC和DOC均呈負(fù)相關(guān),暗示底物的有效性和土壤MBC周轉(zhuǎn)速率是影響土壤微生物活性和碳庫(kù)積累的重要因子.淹水頻率增加提高了土壤微生物的數(shù)量,但土壤微生物對(duì)淹水環(huán)境有一定的適應(yīng)機(jī)制.鹽度增加可提高土壤DOC、EOC含量,但降低土壤MBC含量.土壤氮含量和鹽度是影響閩江河口濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)演變的重要限制性參數(shù).

鹽度；淹水環(huán)境；土壤有機(jī)碳；活性組分；閩江河口

土壤活性有機(jī)碳是指土壤中穩(wěn)定性差、易分解礦化、周轉(zhuǎn)速率快的碳素[1-2].其中土壤微生物生物量碳(MBC)、可溶性有機(jī)碳(DOC)和易氧化有機(jī)碳(EOC)是其主要的表征指標(biāo)[3].雖然其占土壤總有機(jī)碳的比例很小,但它直接參與土壤營(yíng)養(yǎng)元素生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程,反應(yīng)了土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤質(zhì)量[4].相對(duì)于背景含量較高的土壤總有機(jī)碳,土壤活性有機(jī)碳對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)更敏感[5],已成為預(yù)測(cè)土壤質(zhì)量和土壤碳庫(kù)演變的重要指標(biāo)[6].

河口濕地位于陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)區(qū),是對(duì)全球變化和人類活動(dòng)響應(yīng)敏感的生態(tài)系統(tǒng)[7].鹽度為入海河口區(qū)一個(gè)常見(jiàn)的環(huán)境脅迫因子,可通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)和功能,影響濱海河口濕地碳源匯功能[8].特別是在全球氣候變暖、海平面上升背景下,含鹽量高的海水入侵加上周期性的潮汐漲落,對(duì)濱海濕地土壤碳截獲能力產(chǎn)生深刻影響.目前有關(guān)鹽度對(duì)河口濕地生態(tài)系統(tǒng)影響的研究已引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,包括鹽度變化影響土壤有機(jī)質(zhì)的礦化途徑[9]、溫室氣體的產(chǎn)生與排放[10-13]、微生物群落結(jié)構(gòu)與功能[8,14]及生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力[15]等.河口區(qū)由于河流和潮汐作用引起的水文波動(dòng)對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響也受到廣泛關(guān)注,包括水文變化影響沼澤濕地沉積[16-17]、營(yíng)養(yǎng)元素特征[18-21]、溫室氣體排放[22-23]、土壤碳庫(kù)組分[24]及微生物群落結(jié)構(gòu)[25]、濕地植物生長(zhǎng)[26-27]及枯落物分解[28]等.同時(shí)考慮鹽度和水文兩個(gè)濱海河口濕地最為典型的影響因子對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響也逐步受到關(guān)注,并已取得了一些成果,包括鹽度和水文協(xié)同變化影響溫室氣體排放[29]、生態(tài)系統(tǒng)呼吸和凈生產(chǎn)力[30]、濕地植物生長(zhǎng)[31]、枯落物分解和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)動(dòng)態(tài)[32]等.但對(duì)于同時(shí)探討鹽度和水文雙因子對(duì)濕地土壤碳庫(kù)特征,特別是對(duì)環(huán)境干擾敏感的土壤活性有機(jī)碳組分的綜合影響,這方面認(rèn)識(shí)仍存在一定局限.本文以我國(guó)東南沿海典型的感潮河口—閩江河口為研究區(qū),并沿鹽度梯度選擇閩江入海口的半咸水濕地(鱔魚(yú)灘濕地)和溯流而上的淡水濕地(塔礁洲濕地)2個(gè)典型的河口濕地,同時(shí)在每個(gè)濕地選擇2個(gè)潮水淹水環(huán)境差異顯著的高低潮灘作為研究樣地.旨在探討不同鹽度和水文條件下河口濕地土壤活性有機(jī)碳組分的空間分布特征;明確鹽度和水文條件變化對(duì)河口濕地土壤活性有機(jī)碳組分空間分布影響的大小.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于閩江河口區(qū),閩江河口區(qū)擁有閩江流域最大的天然河口濕地群(119°5′36″~ 119°41′5″E,25°50′43″~26°9′42″N),總面積約為467.6km2.該區(qū)氣候暖熱濕潤(rùn),年平均氣溫為19.7℃,年降水日數(shù)為153d,年降水量約為1 346mm,降水集中在3~9月,表現(xiàn)為雙峰型,峰值分別出現(xiàn)在6月和8月,前者為梅雨期,后者為臺(tái)風(fēng)期[33].潮汐屬正規(guī)半日潮,5~12月潮水鹽度均值為4.2‰[34].閩江入?？诘镊X魚(yú)灘濕地是閩江河口濕地群中面積最大的潮汐濕地,土壤以濱海鹽土為主[35].上游方向的塔礁洲濕地則為感潮區(qū)淡水濕地,土壤電導(dǎo)率一般< 0.5mS/cm[13].短葉茳芏()是這2個(gè)河口濕地的主要土著優(yōu)勢(shì)植物群落.本研究分別在鱔魚(yú)灘和塔礁洲短葉茳芏濕地沿高程選擇一個(gè)典型樣帶(高低潮灘)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)(圖1).

圖1 研究區(qū)和采樣點(diǎn)示意

1.2 土樣采集與處理

由于6~10月是閩江河口區(qū)臺(tái)風(fēng)的多發(fā)季節(jié)[36],且該區(qū)從10月開(kāi)始進(jìn)入枯水期.河流徑流減少疊加臺(tái)風(fēng)誘發(fā)的風(fēng)暴潮,導(dǎo)致10月海水上溯現(xiàn)象十分嚴(yán)重,河口濕地土壤碳庫(kù)特征對(duì)鹽度和水文變化的響應(yīng)尤為典型.故本研究于2016年10月在落潮后時(shí)段采集土壤樣品.分別在上述2個(gè)濕地短葉茳芏群落典型地段,沿高程先確定淹水頻率低的高潮灘和淹水頻率高的低潮灘樣線,然后沿海岸線或河岸線平行方向在高潮灘和低潮灘樣線分別隨機(jī)布置3個(gè)采樣點(diǎn)(樣點(diǎn)間距約5m),設(shè)為3個(gè)重復(fù).取樣時(shí)先去除樣地土壤表層凋落物,然后用直徑5.5cm不銹鋼取土器鉆取0~10cm深度的土柱.將采集的土樣裝入相應(yīng)樣品采集袋,置于有冰袋的便攜式保鮮盒中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室.回實(shí)驗(yàn)室后,先測(cè)量土壤電導(dǎo)率、含水率和容重.然后將采集的每個(gè)土樣挑除根系和砂礫,混合均勻后分成2份,一份過(guò)10目篩,4℃冷藏,在48h之內(nèi)測(cè)定土壤MBC和DOC含量;另一份自然風(fēng)干,過(guò)100目篩,用于測(cè)定土壤pH值、土壤全碳含量(TC)、全氮(TN)含量及EOC含量.

1.3 土壤理化性質(zhì)和活性碳組分測(cè)定與計(jì)算

土壤電導(dǎo)率采用2265FS便攜式電導(dǎo)(Spectrum Technologies Inc,USA)測(cè)定,用環(huán)刀法結(jié)合烘干法測(cè)定土壤含水率和容重.土壤pH值采用IQ150便攜式pH儀(IQ Scientific Instruments, USA)測(cè)定,土壤TC和TN含量用碳氮元素分析儀(vario MAX, Germany)測(cè)定.

土壤MBC含量采用氯仿熏蒸法--0.5mol/L K2SO4浸提法.浸提液用TOC-VCPH總有機(jī)碳分析儀(Shimadzu, Japan)測(cè)定,土壤MBC含量為熏蒸與未熏蒸土壤有機(jī)碳含量的差值除以浸提系數(shù),本研究取值0.38[37].

土壤DOC含量采用0.5mol/L K2SO4浸提法.稱10g過(guò)10目篩的鮮土樣品,加入40mL 0.5mol/L K2SO4,密封振蕩30min(250r/min),離心20min(4000r/min).浸提液用TOC-VCPH總有機(jī)碳分析儀(Shimadzu, Japan)直接測(cè)定.

土壤EOC采用K2MnO4氧化-比色法測(cè)定.稱1g 過(guò)100目篩的干土樣品,加入25mL 333mmol/L K2MnO4,密封振蕩1h(120r/min),離心5min(4000r/min).取上清液用去離子水稀釋250倍,用分光光度計(jì)在波長(zhǎng)為565nm處進(jìn)行比色.根據(jù)K2MnO4的消耗量計(jì)算土壤EOC含量,每減少1mmol/L的K2MnO4代表碳減少9mg[38].

同時(shí),計(jì)算土壤活性有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的比例.由于閩江河口濕地土壤總碳主要以有機(jī)碳為主(平均占比約93%)[25],因此,本研究擬定土壤總碳(TC)等同于土壤總有機(jī)碳(SOC).即計(jì)算土壤MBC/SOC、DOC/SOC和 EOC/SOC的比值大小,以明確土壤各活性有機(jī)碳組分在SOC中的分配比例,其中土壤MBC/SOC為微生物熵.

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用EXCEL 2010軟件計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤.采用origin 8.0繪圖軟件作圖.采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析.首先,檢驗(yàn)所有數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布和方差齊性,當(dāng)未通過(guò)檢驗(yàn)時(shí),將所有原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,直到數(shù)據(jù)符合條件后,進(jìn)行方差分析.采用獨(dú)立樣本檢驗(yàn)比較同一濕地不同潮灘或者不同濕地相同潮灘土壤活性有機(jī)碳的差異以及土壤理化性質(zhì)的差異.采用Pearson相關(guān)分析和逐步線性回歸方法分析土壤有機(jī)碳組分與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系以及土壤有機(jī)碳組分之間的關(guān)系.

2 結(jié)果與分析

2.1 水鹽梯度下土壤活性有機(jī)碳含量比較

2種濕地土壤MBC含量為74.67~220.05mg/ kg,同一濕地高低潮灘間土壤MBC含量均表現(xiàn)為低潮灘大于高潮灘(>0.05),即土壤MBC含量隨淹水頻率增加而增加,半咸水濕地高低潮灘間增幅67.8%,淡水濕地增幅38.8%.淡水濕地高低潮灘土壤MBC含量均高于半咸水濕地(>0.05),即土壤MBC含量隨鹽度增加而降低,不同濕地高潮灘的降幅為52.9%,低潮灘的降幅為43.1% (表1).2種濕地土壤DOC含量為68.95~ 141.78mg/kg,2種濕地高低潮灘土壤DOC含量差異均不顯著(>0.05).半咸水濕地高低潮灘土壤DOC含量均顯著高于淡水濕地(<0.05),即土壤DOC含量隨鹽度增加而增加,不同濕地高潮灘的增幅為56.7%,低潮灘的增幅為105.6%(表1).2種濕地土壤EOC含量為2.50~6.03g/kg,2種濕地土壤EOC含量均表現(xiàn)為低潮灘低于高潮灘(> 0.05),即土壤EOC含量隨淹水頻率增加而降低,半咸水濕地高低潮灘間降幅18.0%,淡水濕地降幅50.1%.半咸水濕地高低潮灘土壤EOC含量均高于淡水濕地,即土壤EOC含量隨鹽度增加而增加,不同濕地高潮灘的增幅為20.2%,低潮灘的增幅為97.4%(表1).

2.2 水鹽梯度下土壤活性有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的比例

2種濕地土壤微生物熵為0.42%~1.76%,塔礁洲濕地低潮灘土壤微生物熵顯著高于高潮灘,也顯著高于鱔魚(yú)灘濕地低潮灘(<0.05)(表2). 2種濕地土壤DOC/SOC的比值為0.39%~0.85%,2種濕地高低潮灘土壤DOC含量的分配比例均無(wú)顯著差異(>0.05),鱔魚(yú)灘濕地高低潮灘土壤DOC含量的分配比例均顯著高于塔礁洲濕地(<0.05) (表2). 2種濕地土壤EOC/SOC的比值為20.14~ 36.49%,2種濕地高低潮灘土壤EOC含量的分配比例均無(wú)顯著差異(>0.05),鱔魚(yú)灘濕地高潮灘土壤EOC含量的分配比例顯著高于塔礁洲濕地(<0.05)(表2).

表1 不同濕地土壤MBC、DOC和EOC含量

注:同列小寫(xiě)字母表示同一濕地高低潮灘之間的差異,大寫(xiě)字母表示不同濕地相同潮灘之間的差異,顯著性<0.05.

表2 土壤活性有機(jī)碳占SOC的比例

注:同列小寫(xiě)字母表示同一濕地高低潮灘之間的差異,大寫(xiě)字母表示不同濕地相同潮灘之間的差異,顯著性<0.05.

2.3 水鹽梯度下土壤理化性質(zhì)差異

鱔魚(yú)灘半咸水濕地高低潮灘土壤電導(dǎo)率均顯著高于塔礁洲淡水濕地(<0.05),塔礁洲濕地低潮灘土壤電導(dǎo)率顯著高于高潮灘(<0.05)(表3).土壤含水率和容重在2種濕地高低潮灘間均無(wú)顯著差異(>0.05)(表3). 2種濕地高低潮灘土壤pH值差異均不顯著(>0.05),鱔魚(yú)灘濕地高潮灘土壤pH值顯著高于塔礁洲濕地(<0.05)(表3).土壤TN和TC含量在2種濕地高低潮灘間具有相同的趨勢(shì),均表現(xiàn)為塔礁洲濕地高潮灘顯著高于低潮灘(<0.05),鱔魚(yú)灘濕地低潮灘顯著高于塔礁洲濕地(<0.05)(表3).

表3 土壤基本理化性質(zhì)

注:同列小寫(xiě)字母表示同一濕地高低潮灘之間的差異,大寫(xiě)字母表示不同濕地相同潮灘之間的差異,顯著性<0.05.

2.4 土壤有機(jī)碳組分與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系

相關(guān)分析(表4)表明, SOC含量與土壤EOC含量和C:N顯著正相關(guān)(<0.05),與土壤TN含量極顯著正相關(guān)(<0.01).土壤MBC含量與DOC含量顯著負(fù)相關(guān)(<0.05).土壤DOC含量與電導(dǎo)率極顯著正相關(guān)(<0.01),與土壤pH顯著正相關(guān)(<0.05).土壤EOC含量與TN含量極顯著正相關(guān)(<0.01).微生物熵與MBC含量極顯著正相關(guān)(<0.01),與土壤DOC、EOC和TN含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)(<0.05和<0.01).土壤DOC/SOC與DOC含量、電導(dǎo)率和pH極顯著正相關(guān)(<0.01).土壤EOC/SOC與DOC、EOC含量和電導(dǎo)率顯著或極顯著正相關(guān)(<0.05和<0.01),與土壤MBC含量顯著負(fù)相關(guān)(<0.05).

表4 土壤活性有機(jī)碳與土壤基本理化性質(zhì)的相關(guān)分析

注:* 表示顯著相關(guān)< 0.05,** 表示極顯著相關(guān)< 0.01.

表5 土壤活性有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)之間的回歸分析

為了進(jìn)一步探討土壤理化性質(zhì)對(duì)SOC及其各組分含量貢獻(xiàn)的大小,利用逐步線性回歸分析方法建立了SOC及其各組分與土壤理化性質(zhì)之間的最優(yōu)回歸方程(表5).結(jié)果表明,本研究區(qū)SOC含量主要受土壤TN含量、C:N以及土壤電導(dǎo)率的共同影響,三者對(duì)SOC含量的綜合貢獻(xiàn)率達(dá)99.9%.土壤DOC含量主要受電導(dǎo)率影響,其貢獻(xiàn)率達(dá)67%.土壤TN含量對(duì)土壤EOC含量的影響較大,其貢獻(xiàn)率為45.7%.土壤TN含量和pH對(duì)微生物熵的綜合貢獻(xiàn)率為52.9%.土壤電導(dǎo)率對(duì)土壤DOC/SOC比值的貢獻(xiàn)率達(dá)69%.土壤EOC/SOC比值主要受土壤電導(dǎo)率和容重影響,二者綜合貢獻(xiàn)率為59.3%.

3 討論

3.1 水鹽梯度下土壤活性有機(jī)碳組分的差異分析

水分是控制和維持濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要環(huán)境因子[39].水分條件的變化(包括土壤含水率和地表水位波動(dòng)等)會(huì)影響濕地土壤-植物-大氣連續(xù)體之間碳元素生物地球化學(xué)諸過(guò)程的方向與強(qiáng)度[40].在本研究中無(wú)論半咸水濕地還是淡水濕地,淹水頻率高的低潮灘土壤MBC含量稍高于高潮灘,增幅分別為67.8%和38.8% (表1).這一結(jié)論與以往研究存在一定差異.侯翠翠等[41]通過(guò)野外考察三江平原生長(zhǎng)季內(nèi)不同水分條件下濕地表層土壤輕組有機(jī)碳與微生物活性發(fā)現(xiàn),淹水環(huán)境下,由于供氧不足,土壤中微生物活性受到抑制,土壤MBC含量減少.萬(wàn)忠梅等[42]通過(guò)野外盆栽控制試驗(yàn)表明,土壤水分過(guò)干或過(guò)濕均不利于土壤MBC積累,干濕交替下土壤MBC含量最高.土壤MBC含量對(duì)水分變化的差異響應(yīng)可能因?yàn)橥寥牢⑸锘钚圆粌H受水分變化的限制,同時(shí)還受土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可獲得性和其他土壤理化性質(zhì)(如土壤含鹽量、pH和質(zhì)地)等的影響[43-45].Lipson等[46]認(rèn)為,枯落物的輸入也是影響土壤MBC含量的重要因素.Sun等[32]的研究發(fā)現(xiàn),在中國(guó)黃河口淹水頻率高的低潮灘濕地相對(duì)高潮灘有更高的枯落物分解速率,因而可為土壤微生物提供更多有效的碳底物和營(yíng)養(yǎng)元素,進(jìn)而有相對(duì)較高的土壤MBC含量.同時(shí),本研究通過(guò)分析高低潮灘土壤理化性質(zhì)發(fā)現(xiàn),無(wú)論半咸水濕地還是淡水濕地高低潮灘間土壤含水率和容重均無(wú)顯著差異(表3),表明本研究中盡管高低潮灘間地表淹水頻率不同,但土壤水分含量和通氣性已無(wú)顯著差異.已有研究表明土壤水分含量在有機(jī)碳分解礦化過(guò)程中有重要作用,Laiho 等[47]的研究表明,隨著土壤水分含量增加,土壤微生物會(huì)由于氧氣供給不足而使新陳代謝受阻,但適當(dāng)?shù)耐寥浪趾看龠M(jìn)土壤微生物活性,有利于有機(jī)質(zhì)的分解礦化.本研究中高低潮灘間土壤微生物的表觀活性差異不顯著,暗示這種水分體系適合微生物的生長(zhǎng)代謝,也表明土壤微生物對(duì)淹水環(huán)境有一定的適應(yīng)機(jī)制.相關(guān)分析表明土壤MBC含量與土壤各理化因子間關(guān)系不顯著(表4),逐步線性回歸分析也無(wú)土壤理化因子進(jìn)入回歸方程(表5),表明在這種淹水環(huán)境下土壤各理化因子在控制土壤MBC含量上影響較小,不足以產(chǎn)生空間異質(zhì)性上的顯著影響.

微生物熵在2種濕地類型均表現(xiàn)為低潮灘高于高潮灘,且淡水濕地低潮灘顯著高于半咸水濕地低潮灘(表2).微生物熵反映了輸入土壤中的有機(jī)質(zhì)向MBC的轉(zhuǎn)化效率[48].微生物熵越高,表明微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的利用效率越高[49].不同水鹽梯度下微生物熵的差異分布可能與研究區(qū)濕地土壤TN含量有關(guān).因?yàn)榈拗骗h(huán)境下濕地生產(chǎn)力和有機(jī)質(zhì)含量均降低[50],微生物為了維持其正常新陳代謝必須提高其對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的利用效率,進(jìn)而有更高的微生物熵.相關(guān)分析也發(fā)現(xiàn)微生物熵與土壤TN含量顯著負(fù)相關(guān)(表4),逐步線性回歸分析也表明土壤TN含量和pH對(duì)微生物熵的負(fù)作用綜合貢獻(xiàn)率達(dá)50%以上(表5).并且,塔礁洲淡水濕地和鱔魚(yú)灘半咸水濕地相比,低潮灘面積相對(duì)較小,在頻繁的潮水沖刷過(guò)程中,更不利于有機(jī)質(zhì)的滯留和顆粒沉積物的沉降.因而在土壤TN含量、潮水及土壤pH值等的綜合作用下,表現(xiàn)出2種濕地類型低潮灘均高于高潮灘,且淡水濕地低潮灘顯著高于半咸水濕地低潮灘的空間分布特征.

土壤DOC,其含量在2種濕地類型高低潮灘間差異均不顯著(表1).土壤DOC的含量取決于輸入土壤中的DOC與輸出之間的平衡.土壤DOC主要來(lái)源于近期的植物枯落物、根系分泌物及土壤有機(jī)質(zhì)中的腐殖質(zhì)等,是土壤微生物可直接利用的有機(jī)碳源[2,51],其輸出主要通過(guò)微生物礦化成CO2釋放到大氣中或隨水流失.本研究中2種濕地類型高低潮灘間差異均不顯著可能與其相似的土壤微生物活性有關(guān).而土壤EOC含量2種濕地均表現(xiàn)為高潮灘高于低潮灘(表1).土壤EOC是由一些分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易分解的腐殖質(zhì)和多糖等有機(jī)分子組成,短時(shí)間內(nèi)可為土壤微生物提供能源[52].2種濕地土壤EOC含量高潮灘均高于低潮灘可能因?yàn)楦叱睘┯休^低的淹水頻率,受潮水沖刷作用小,有利于有機(jī)質(zhì)的滯留和顆粒沉積物的沉降.

鹽度是濱海濕地常見(jiàn)的環(huán)境脅迫因子之一.本研究中無(wú)論高低潮灘,土壤MBC含量均隨鹽度增加而降低,降幅分別為52.9%和43.1%(表1).濱海濕地鹽度增加主要由海水入侵引起,海水入侵過(guò)程攜帶大量氯化鈉和硫酸根等離子可通過(guò)引起過(guò)高離子強(qiáng)度[53]以及硫酸鹽還原菌淘汰產(chǎn)甲烷菌[54]等途徑來(lái)影響濕地土壤微生物群落組成與活性.一般認(rèn)為,較高的離子強(qiáng)度可引起微生物的滲透壓失衡,干擾細(xì)胞的生長(zhǎng)和繁殖[55],從而影響土壤微生物的數(shù)量與活性.

本研究中,無(wú)論高低潮灘,土壤DOC和EOC含量均隨鹽度增加而增加,低潮灘的增幅更是達(dá)90%以上.這可能因?yàn)辂}度能增加土壤有機(jī)質(zhì)的溶解性,從而有利于不穩(wěn)定的活性有機(jī)碳從土壤中釋放出來(lái)[56].Wang等[57]在中國(guó)南部英羅灣紅樹(shù)林濕地研究中也發(fā)現(xiàn)土壤DOC和EOC含量均隨鹽度增加而增加.相關(guān)分析也表明土壤DOC和EOC含量及其分配比例均與土壤電導(dǎo)率呈正相關(guān)(表4).逐步線性回歸分析發(fā)現(xiàn)土壤電導(dǎo)率對(duì)DOC及其分配比例的貢獻(xiàn)率均達(dá)60%以上(表5).此外,土壤SOC含量和EOC含量與土壤TN含量極顯著正相關(guān)(表4),逐步線性回歸分析表明土壤TN含量和土壤電導(dǎo)率對(duì)SOC及其活性組分含量的影響顯著(進(jìn)入回歸方程次數(shù)最多的環(huán)境因子,表5),進(jìn)一步表明,相對(duì)水文條件變化,土壤氮素含量和鹽度對(duì)本研究區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)植物生長(zhǎng)和土壤碳庫(kù)演變影響的貢獻(xiàn)更大.

3.2 土壤有機(jī)碳組分之間的相關(guān)性

以往一些研究證明土壤SOC與各活性組分之間彼此依存、關(guān)系密切.有研究表明土壤MBC與SOC和其他有機(jī)碳活性組分之間存在顯著正相關(guān)[45,58].但本研究中,土壤MBC含量與SOC和其他有機(jī)碳活性組分之間均呈負(fù)相關(guān),且與土壤DOC含量呈顯著負(fù)相關(guān)(表4).土壤MBC含量與SOC、DOC和EOC含量之間的負(fù)相關(guān)可從以下幾方面解釋.一方面,SOC的質(zhì)量,即底物的有效性,是限制土壤MBC的重要因子[59].本研究中輸入土壤中的有機(jī)碳可能被土壤團(tuán)聚體物理包裹而不被微生物分解利用,或者通過(guò)土壤黏粒的吸附作用而被保護(hù)起來(lái)[60].閩江河口位于中亞熱帶和南亞熱帶過(guò)渡地區(qū),土壤發(fā)育較為成熟,鐵鋁富集.有大量研究表明鐵鋁礦物,特別是弱晶質(zhì)的鐵礦可與SOC通過(guò)化學(xué)或物理化學(xué)的鍵合作用,形成土壤有機(jī)-礦質(zhì)復(fù)合體,從而保護(hù)土壤SOC不被微生物分解礦化[60-62].因而,SOC及其活性組分(DOC和EOC)在土壤顆粒的物理或化學(xué)結(jié)合保護(hù)下,不易被土壤微生物分解利用,導(dǎo)致盡管碳源較豐富,但MBC含量仍相對(duì)較低的情況.盛浩等[59]在對(duì)亞熱帶不同稻田土壤MBC含量分布特征的研究中也觀測(cè)到這一現(xiàn)象.這一現(xiàn)象也從側(cè)面印證了SOC的滯留和穩(wěn)定不是分子屬性問(wèn)題,而是生態(tài)系統(tǒng)屬性問(wèn)題[63-64].另一方面,土壤MBC含量與SOC及其活性組分的負(fù)相關(guān)可能與土壤MBC周轉(zhuǎn)速率高有關(guān).土壤MBC的周轉(zhuǎn)不僅反映微生物的活性,還指示土壤與微生物之間在有機(jī)碳周轉(zhuǎn)和積累機(jī)理上的差異[65].土壤MBC周轉(zhuǎn)速率越高,微生物活性越強(qiáng),被分解礦化的有機(jī)碳就越多,SOC及其活性組分積累的就越少.

4 結(jié)論

4.1 閩江河口區(qū)無(wú)論半咸水濕地還是淡水濕地,土壤MBC含量隨淹水頻率增加而增加.同時(shí),土壤微生物對(duì)這種淹水環(huán)境有一定的適應(yīng)機(jī)制,水文條件變化不足以產(chǎn)生空間異質(zhì)性上的顯著差異.

4.2 土壤DOC、EOC含量及其分配比例隨鹽度的增加而增加,而土壤MBC含量和微生物熵隨鹽度的增加而降低.

4.3 相關(guān)分析與回歸分析表明,土壤氮含量和鹽度是影響閩江河口濕地生態(tài)系統(tǒng)植物生長(zhǎng)和土壤碳庫(kù)演變的重要限制性參數(shù).

4.4 土壤MBC含量與SOC、DOC和EOC之間均呈負(fù)相關(guān).暗示底物的有效性是限制土壤MBC的重要因子.也表明隨著土壤MBC周轉(zhuǎn)速率加快,SOC及其活性組分由于分解礦化而使積累量降低.

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致謝：在野外采樣以及室內(nèi)樣品處理過(guò)程中,得到了福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院王維奇老師的大力幫助;在樣品分析過(guò)程中,得到了福建師范大學(xué)濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)地理過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的林燕語(yǔ)和彭園珍老師的幫助,在繪制采樣點(diǎn)圖時(shí)得到了福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院譚立山同學(xué)的幫助,在此一并表示感謝！

Effects of hydrologic and salinity gradients on soil organic carbon composition in Min RiverEstuarine wetland.

WANG Chun1, LIU Xing-tu1*, TONG Chuan2,3, CHEN Xiao-xuan2,3, CHEN You-yang2,3, MOU Xiao-jie1, WAN Si-ang1

(1.Key Laboratory of Wetland Ecology and Environment, Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130120, China；2.Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China；3.Key Laboratory of Humid Subtropical Eco-geographical Process, Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China)., 2017,37(10)：3919~3928

In order to reveal the effects of hydrologic and salinity gradients on soil organic carbon composition in estuarine wetlands, the contents of soil organic carbon fractions along the hydrologic gradient within a freshwatermarsh and a brackishmarshes in the Min River Estuary were measured. Soil microibial biomass carbon (MBC) contents raised with increasing flooding frequency both in brackish-water marsh (67.8%) and freshwater marsh (38.8%), respectively. For both high tidal flat and low tidal flat, the MBC content in brackish-marsh was lower than that in freshwater marsh, and declining ranges were 52.9% and 43.1% high tidal flat via low tidal flat, respectively. Soil dissolved organic carbon (DOC) content in brackish marsh was higher than that in freshwater marsh, and increasing range were 56.7% and 105.6% high tidal flat via low tidal flat. Soil EOC content declined with increasing flooding frequency, and declining ranges were 18.0% and 50.1% brackish marsh via freshwater marsh, respectively. Soil EOC content in brackish marsh was higher than that in freshwater marsh, increased by 20.2% in high tidal flat and 97.4% in low tidal flat, respectively. The percentages of soil microbial entropy,DOC and EOCin SOC were 0.42% ~ 1.76%, 0.39% ~ 0.85% and 20.14% ~ 36.49%, respectively. Microbial entropy declined with increasing flooding frequency, while the proportions of soil DOC and EOCin SOC increased with increasing flooding frequency. Compared with the varied flooding environment, soil TN content and conductivity had a greater contribution on the SOC contents and its active components. Soil DOC and EOC contents were positively correlated with SOC content, and soil MBC content was negatively correlated with SOC, EOC and DOC contents, which implied substrate availability and soil MBC turnover rate exerted important impacts on controlling soil microbial activity and soil carbon pool accumulation in estuarine tidal marsh. Soil microbes increased with increasing flooding frequency, but they had a certain adaptation mechanism to the flooding environment. Elevated salinity increased soil DOC and EOC contents, but decreased soil MBC content. Soil nitrogen content and salinity which were important restrictive parameters demonstrated obviously effects on controlling soil carbon pool evolution in the tidal marsh ecosystemof the Min River estuary.

salinity；flooding environment；soil organic carbon；active fractions；Min River Estuary

X53,P95

A

1000-6923(2017)10-3919-10

王 純(1982-),女,湖南省益陽(yáng)人,博士后,主要從事濕地生物地球化學(xué)循環(huán)研究.發(fā)表論文20余篇.

2017-04-10

國(guó)家“973”項(xiàng)目(2013CB430401);中國(guó)博士后科學(xué)基金(2017M611337);國(guó)家自然科學(xué)基金資助(41371127)

*責(zé)任作者, 研究員, lxtmxh@163.com