水沙條件及氮輸入對(duì)黃河口濱岸潮灘濕地堿蓬和土壤15N吸收特征的影響

宋紅麗, 劉前進(jìn), 安 娟, 王立志, 郁萬妮

山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 臨沂 276005

受自然條件和人為活動(dòng)的影響,黃河流域水沙關(guān)系存在不協(xié)調(diào)現(xiàn)象[1],一方面,受氣候影響7—10月(汛期)是黃河下游的主要水流、泥沙輸移和淤積期,期間約有85%的泥沙和60%的年徑流量輸送入海[2]。另一方面,受調(diào)水調(diào)沙等人為活動(dòng)的影響,每年的6月中旬至7月初調(diào)水調(diào)沙期間,僅用20 d左右的時(shí)間通過人造洪峰的形式將大量徑流(約30%)和泥沙(約50%)輸送入海[3]。從而使得徑流量及輸沙量年內(nèi)分配和年際變化幅度不均勻,造成了黃河三角洲水沙條件的劇烈變化。徑流量及輸沙量的變化尤其是調(diào)水調(diào)沙期間對(duì)三角洲穩(wěn)定性帶來巨大干擾,河口入海泥沙擴(kuò)散及沉積[4- 6]、元素運(yùn)移及生物地球化學(xué)循環(huán)[7- 8]以及濕地水文情勢(shì)[9- 11]等均發(fā)生不同程度的改變。目前針對(duì)水沙變化影響下黃河入?？谔幍暮拥兰敖^(qū)域開展了大量的研究,而針對(duì)黃河三角洲濱岸潮灘濕地的研究較少,尤其是水沙條件及由水沙帶來的外源營養(yǎng)物質(zhì)的短時(shí)間增加,對(duì)潮灘濕地植被生長及元素吸收利用的影響研究有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。

土壤氮素是植物生長發(fā)育所必須的營養(yǎng)要素,氮的有效性決定了植物生長的類型和植物的生產(chǎn)力[12],研究表明氮素是黃河三角洲濕地尤其是堿蓬濕地主要限制養(yǎng)分[13]。然而近年來黃河三角洲的外源氮輸入始終處于較高的水平。一方面,該區(qū)氮沉降量從1980 年的1— 2 g m-2a-1增至2010 年的3—4.5 g m-2a-1[14]；另一方面,承接上游攜帶的大量含氮物質(zhì),黃河口營養(yǎng)鹽入海通量一直保持在較高水平(1.41—4.22×104t)[15],尤其是調(diào)水調(diào)沙期間短時(shí)間內(nèi)會(huì)有大量的營養(yǎng)鹽進(jìn)入三角洲地區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)三角洲地區(qū)調(diào)水調(diào)沙期間硝酸鹽和無機(jī)氮是平時(shí)的2—3倍,調(diào)水調(diào)沙后亞硝酸鹽和銨鹽則增加2—4倍[7]。外源氮的輸入給黃河三角洲地區(qū)產(chǎn)生較大影響,目前針對(duì)外源氮輸入影響濕地土壤有機(jī)碳、磷、硫等形態(tài)分布[16-17]、溫室氣體排放[18],尤其是植被的生長發(fā)育[19]等均開展了較多的研究,研究發(fā)現(xiàn)外源氮添加影響植物的豐度、物種組成、生物量分配以及各部分氮含量[20- 22]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)多為單因素氮輸入或者氮輸入與鹽分、磷、硫等兩因素帶來的影響[23]。而針對(duì)上游水沙尤其是調(diào)水調(diào)沙期間帶來的多因素變化對(duì)潮灘濕地的影響研究相對(duì)較少[24],尤其缺乏淹水和泥沙沉積情況對(duì)植被氮元素吸收利用的影響研究。為此本研究以調(diào)水調(diào)沙期間水沙過程的三個(gè)關(guān)鍵因子(淹水、泥沙沉積和氮輸入)為切入點(diǎn),選取黃河三角洲潮灘濕地先鋒物種堿蓬(SuaedaSalsa)為研究對(duì)象,利用15N示蹤方法研究水沙條件及氮輸入對(duì)黃河口濱岸潮灘濕地堿蓬和土壤15N吸收特征的影響,以期為進(jìn)一步完善調(diào)水調(diào)沙工程的實(shí)施提供一定的數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河三角洲是我國暖溫帶地區(qū)最完整、最廣闊、最年輕的新生濕地生態(tài)系統(tǒng),是由黃河攜帶的泥沙沖淤而成。該區(qū)年平均氣溫 12.1℃,無霜期196 d,年均蒸發(fā)量1962 mm,年均降水量為551.6 mm,70%的降水集中于7、8月份。黃河三角洲濕地可分為淺海濕地、灘涂/潮灘濕地、河流濕地和沼澤濕地等,其中淺海濕地面積最大(41.22%)、灘涂/潮灘濕地次之(24.64%)[25]。該區(qū)主要植被類型為蘆葦(Phragmitesaustralis)群落、蘆葦-荻(Triarrhenasacchariflora)群落、穗狀狐尾藻(Myriophyllumspicatum)群落、檉柳(Tamarixchinensis)群落、堿蓬群落(S.salsa)及補(bǔ)血草(Limoninumsinense)群落等,其中蘆葦群落、檉柳群落及堿蓬群落分布廣泛。

1.2 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1供試種子及土壤

于2016年11月中旬在黃河三角洲潮灘濕地堿蓬群落采集試驗(yàn)供試堿蓬種子,帶回實(shí)驗(yàn)室處理干凈后將種子放置于4℃的冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆谩Ｍ瑫r(shí)采集黃河三角洲堿蓬濕地(37°41′14″N, 118°47′3″E)0—30 cm鹽堿土(野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)堿蓬的根系主要分布在0—30 cm的范圍內(nèi))作為試驗(yàn)供試土壤。

1.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年4月底試驗(yàn)于溫室內(nèi)(位于山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)進(jìn)行。選擇直徑為25 cm,高為30 cm的花盆,裝入質(zhì)量相同的鹽堿土,挑選30粒籽粒飽滿的堿蓬種子均勻播種于花盆中,表面覆蓋約2 cm的鹽堿土(為保證試驗(yàn)的一致性,保證每盆質(zhì)量相同)。按照已有關(guān)于模擬黃河三角洲堿蓬生長的補(bǔ)水方案[26],精心管理待堿蓬萌發(fā)成長,在此過程中分三次去除長勢(shì)不好的幼苗,直至每個(gè)花盆中留6株長勢(shì)相近的堿蓬幼苗。

設(shè)置不同的淹水深度(W)、泥沙沉積厚度(S)和外源氮輸入量(N)。其中(1)淹水深度：水平的設(shè)置考慮到堿蓬的生態(tài)閾值區(qū)間(-0.92—0.08 m)[27]、處理時(shí)堿蓬株高、已有研究關(guān)于調(diào)水調(diào)沙過程中核心區(qū)淹水深度(30 cm)[10- 11],為此本研究淹水深度取四個(gè)水平W1、W2、W3和W4,分別為2 cm、8 cm、15 cm和30 cm,代表水位生態(tài)閾值內(nèi)的值、生態(tài)閾值邊界值、堿蓬在6月底7月初的株高均值以及核心區(qū)淹水深度。由于水是調(diào)水調(diào)沙過程中運(yùn)輸泥沙和氮進(jìn)入濕地的載體,為此淹水深度的設(shè)置不能為0；(2)泥沙沉積：水平的設(shè)置主要參考已有研究,泥沙埋深處理低于2/3株高能一定程度上促進(jìn)堿蓬幼苗生長[28](本研究處理時(shí)堿蓬幼苗平均株高為18 cm),以及調(diào)水調(diào)沙期間潮灘濕地大約有5—6 cm的泥沙沉積[29],為此泥沙沉積S1、S2、S3和S4的值設(shè)置為：0 cm、3 cm、6 cm和12 cm,分別表征無泥沙沉積、輕微泥沙沉積、實(shí)際泥沙沉積以及對(duì)堿蓬起到促進(jìn)作用的泥沙沉積厚度；(3)氮輸入：水平的設(shè)定主要參考黃河三角洲陸源氮輸入量2.5—3.5 g/m2[30],N1、N2、N3和N4的值分別設(shè)置為：0 g/m2、3 g/m2、6 g/m2和9 g/m2。利用三因素四水平正交實(shí)驗(yàn),共16個(gè)處理(表1),每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)設(shè)置,參考?xì)v年調(diào)水調(diào)沙時(shí)間,于6月22日對(duì)堿蓬進(jìn)行處理。

表1 水沙條件及氮輸入對(duì)堿蓬和土壤氮吸收特征影響的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

泥沙沉積埋深用的泥沙均采集于黃河三角洲堿蓬濕地鹽堿土,采用15NH4Cl(豐度為99%)進(jìn)行氮添加,依據(jù)設(shè)定的添加量換算成相應(yīng)的15NH4Cl重量進(jìn)行添加。由于調(diào)水調(diào)沙輸入到黃河三角洲的是淡水,為此采用暴曬過的自來水添加到相應(yīng)深度模擬淹水,處理為期18 d[24]。于9月11號(hào)結(jié)束本試驗(yàn),用小鏟將堿蓬植株小心從盆中取出,并用蒸餾水沖洗干凈后分離為根、莖、葉。將根、莖和葉樣品先于105℃下殺青,后于80℃下烘干至恒重,稱量干重粉碎過篩備用,采集植物的同時(shí)進(jìn)行盆中土壤樣品的采集,風(fēng)干研磨過篩備用。利用vario PYRO cube元素分析儀測(cè)定土壤和植被全氮含量,利用ISOPRIME- 100穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測(cè)定土壤和植被15N豐度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖,用Spss 20.0軟件進(jìn)行多因素方差分析,文中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。Ndff(nitrogen derived from fertilizer)為樣品所含氮中來自標(biāo)記物氮的量;Ndff%為樣品所含氮中來自標(biāo)記物氮的質(zhì)量百分比；植物對(duì)15N的吸收量(Ndff)及比例(Ndff%)和土壤對(duì)15N的固持量(Ndff)及比例(Ndff%)計(jì)算公式如下[31- 33]：

植物Ndff%=(植物樣品15N豐度-15N自然豐度)/(外源氮添加15N豐度-15N自然豐度)×100%；

植株Ndff=Ndff%×器官全氮含量；

土壤Ndff%=(土壤樣品15N豐度-15N自然豐度)/(外源氮添加15N豐度-15N自然豐度)×100%；

土壤Ndff=Ndff%×土壤全氮含量；其中15N自然豐度為0.3663。

2 結(jié)果與分析

2.1 堿蓬各器官及土壤全氮含量

所有處理土壤全氮含量的變化范圍為(295.5±2.5)—(367.5±1.5)mg/kg(圖1),方差分析結(jié)果表明淹水深度、泥沙沉積及氮輸入對(duì)土壤全氮含量的影響均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)(表2)。堿蓬根、莖和葉中全氮含量的變化范圍分別為(4.64±0.46)—(6.98±0.33)g/kg、(4.01±0.40)—(11.38±0.67)g/kg和(14.92±0.88)—(21.94±3.15)g/kg,其中根中全氮含量最大值出現(xiàn)在W3S2N4(15 cm淹水+3 cm泥沙沉積+9 g/m2氮輸入)處理,莖和葉全氮含量最大值則出現(xiàn)在W4S3N2(30 cm淹水+6 cm泥沙沉積+3 g/m2氮輸入)處理,根全氮含量的最小值出現(xiàn)在W1S3N3(2 cm淹水+6 cm泥沙沉積+6 g/m2氮輸入)處理,莖和葉最小值則出現(xiàn)在W1S1N1(2 cm淹水+0 cm泥沙沉積+0 g/m2氮輸入)處理。方差分析結(jié)果表明淹水和泥沙沉積對(duì)堿蓬莖中全氮含量的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05),而氮輸入對(duì)根中全氮含量的影響達(dá)到顯著水(P<0.05)。

圖1 淹水、泥沙沉積及氮輸入對(duì)土壤、堿蓬葉、莖及根中氮含量的影響Fig.1 Influence of water depth, sediment burial and nitrogen input on sediment, leaf, stem and root nitrogen content of Suaeda salsaW1S1N1: 2 cm淹水+0 cm泥沙沉積+0 g/m2氮輸入; W1S2N2: 2 cm淹水+3 cm泥沙沉積+3 g/m2氮輸入; W1S3N3: 2 cm淹水+6 cm泥沙沉積+6 g/m2氮輸入; W1S4N4: 2 cm淹水+12 cm泥沙沉積+9 g/m2氮輸入; W2S1N2: 8 cm淹水+0 cm泥沙沉積 +3 g/m2氮輸入; W2S2N1: 8 cm淹水+3 cm泥沙沉積+0 g/m2氮輸入; W2S3N4: 8 cm淹水+6 cm泥沙沉積+9 g/m2氮輸入; W2S4N3: 8 cm淹水+ 12 cm泥沙沉積+6 g/m2氮輸入; W3S1N3: 15 cm淹水+0 cm泥沙沉積+6 g/m2氮輸入; W3S2N4: 15 cm淹水+ 3 cm泥沙沉積+9 g/m2氮輸入; W3S3N1: 15 cm淹水+ 6 cm泥沙沉積+0 g/m2氮輸入; W3S4N2: 15 cm淹水+12 cm泥沙沉積 +3 g/m2氮輸入; W4S1N4: 30 cm淹水+ 0 cm泥沙沉積 +9 g/m2氮輸入; W4S2N3: 30 cm淹水+3 cm泥沙沉積+6 g/m2氮輸入; W4S3N2: 30 cm淹水+ 6 cm泥沙沉積+3 g/m2氮輸入; W4S4N1: 30 cm淹水+12 cm泥沙沉積+0 g/m2氮輸入

表2 淹水、泥沙沉積和氮輸入對(duì)土壤、堿蓬葉、莖及根中氮含量、Ndff%、Ndff影響的方差分析

2.2 堿蓬各器官及土壤對(duì)15N的吸收比例

淹水、泥沙沉積及外源氮輸入對(duì)土壤及堿蓬各器官中15N所占百分比的影響較大,變化趨勢(shì)相對(duì)一致(圖2),方差分析結(jié)果表明除淹水對(duì)土壤及葉Ndff%的影響未達(dá)到顯著水平外(P>0.05),其余均達(dá)到顯著水平(P<0.05)(表2)。土壤、堿蓬葉、莖及根在W1S1N1、W2S2N1、W3S3N1和W4S4N1處理時(shí)Ndff%的值均較低,即外源氮輸入為0 g/m2時(shí)土壤和堿蓬對(duì)15N的吸收低。土壤和葉中Ndff%的最大值(3.83%和21.81%)均出現(xiàn)在W4S2N3(30 cm淹水+3 cm泥沙沉積+6 g/m2氮輸入)處理,即較深的淹水處理時(shí)堿蓬葉中15N的比例較高,其次W1S3N3、W3S2N4、W2S3N4處理時(shí)Ndff%值也相對(duì)較高；莖和根中Ndff%的最大值(18.01%和18.21%)出現(xiàn)在W1S4N4(2 cm淹水+12 cm泥沙沉積+9 g/m2氮輸入)處理,即較深的泥沙沉積和高氮輸入有利于莖和根對(duì)15N的吸收,其次W1S3N3、W2S3N3、W4S2N3處理時(shí)Ndff%的值相對(duì)較高。

圖2 淹水、泥沙沉積及氮輸入對(duì)土壤、堿蓬葉、莖及根中Ndff%的影響Fig.2 Influence of water depth, sediment burial and nitrogen input on sediment, leaf, stem and root Ndff% of Suaeda salsaNdff%: 氮中來自氮標(biāo)記物的百分?jǐn)?shù) Percentage of nitrogen derived from 15N-marked fertilizer;Ndff:氮中來自氮標(biāo)記物的量 Nitrogen derived from 15N-marked fertilizer

與Ndff%的變化趨勢(shì)類似,土壤、堿蓬葉、莖及根15N吸收量在W1S1N1、W2S2N1、W3S3N1和W4S4N1處理時(shí)較低(圖3)。土壤15N固持量的最大值(10.44 mg/kg)在W4S2N3處理時(shí)取得,W3S2N4(8.06 mg/kg)和W1S3N3(8.03 mg/kg)處理時(shí)次之。莖和葉15N吸收量的最大值也出現(xiàn)在W3S2N4處理,分別為1.31 g/kg和4.28 g/kg,其次為W2S3N4(0.95 g/kg和3.62 g/kg)和W1S4N4(0.93 g/kg和3.60 g/kg)處理。根15N吸收量的最大值(1.10 g/kg)則出現(xiàn)在W1S4N4處理,其次為W2S3N4(0.98 g/kg)和W3S2N4(0.86 g/kg)處理。方差分析結(jié)果表明淹水對(duì)莖和根15N吸收量、泥沙沉積對(duì)土壤和根15N吸收量以及外源氮輸入對(duì)土壤、葉、莖和根15N吸收量均達(dá)到顯著水平(P<0.05)(表2)。

圖3 淹水、泥沙沉積及氮輸入對(duì)土壤、堿蓬葉、莖及根中Ndff的影響Fig.3 Influence of water depth, sediment burial and nitrogen input on sediment, leaf, stem and root Ndff of Suaeda salsa

3 討論

3.1 對(duì)土壤氮的影響

有別于土壤全氮,淹水深度及泥沙沉積對(duì)土壤15N的吸收比例和固持量的影響不顯著(P>0.05),而外源氮輸入對(duì)其影響達(dá)到顯著水平(P<0.05),并表現(xiàn)為外源氮輸入水平較高時(shí)土壤Ndff%及Ndff相對(duì)較高。但兩者的最大值均出現(xiàn)在W4S2N3(30 cm淹水+3 cm泥沙沉積+6 g/m2氮輸入)處理,而不是外源氮輸入最大的N4(9 g/m2氮輸入)處理,主要原因在于堿蓬對(duì)15N吸收作用,本研究中堿蓬在N4處理時(shí)葉、莖及根中Ndff%及Ndff較高,由此造成土壤Ndff%及Ndff在高氮(N4)處理時(shí)不取得最大值。

3.2 對(duì)堿蓬氮吸收利用的影響

堿蓬對(duì)氮元素的吸收利用與生長節(jié)律、生理生態(tài)特征以及土壤營養(yǎng)水平密切相關(guān)[13]。本研究中淹水深度和泥沙沉積對(duì)莖全氮含量以及氮輸入對(duì)根全氮含量的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05),且根全氮的最大值出現(xiàn)在W3S2N4處理,莖和葉的最大值則出現(xiàn)在W4S3N2處理,即高濃度氮輸入時(shí)根全氮含量高,而較深淹水和泥沙沉積時(shí),葉和莖的全氮含量高。Grechi 等[36]和Wang等[37]研究發(fā)現(xiàn)植物會(huì)分配較多的氮給生長旺盛的器官,生長相對(duì)不旺盛的器官獲得的氮較少。淹水和泥沙埋深,尤其是過量的淹水和泥沙埋深會(huì)抑制堿蓬的生長,W4S3N2處理(淹水30 cm)超過了堿蓬水分生態(tài)閾值區(qū)間(-0.92—0.08 m)[27]。研究發(fā)現(xiàn)水深與濕地植物株高、生物量、生物量分配、葉綠素含量、最大光化學(xué)效率以及光化學(xué)性能均存在相關(guān)性,且持續(xù)的淹水會(huì)減低根冠比[38],可能的原因是降低地下生物量以減少根系的呼吸消耗[39],同時(shí)增加地上生物量以提高光合與呼吸效率來適應(yīng)淹水生境[40]。為此葉成為淹水時(shí)較為活躍的器官,會(huì)分配更多的氮元素,從而使得本研究中較深淹水和泥沙沉積時(shí),葉和莖的全氮含量高。

總體上外源氮的添加會(huì)促進(jìn)植被對(duì)氮的吸收,但研究發(fā)現(xiàn)氮輸入處理后,植物地下部分的氮含量和地上部分變化并不一致。其中氮輸入對(duì)茭草(Zizaniacaduciflora)地上部分氮吸收的影響比地下部分顯著。N添加為20 g m-2a-1時(shí)對(duì)水蔥(Scirpusvalidus)地下部分的氮吸收影響比地上部分顯著,N添加為40 g m-2a-1時(shí)對(duì)水蔥地上部分的氮吸收影響比地下部分顯著[19]。在本研究中也同樣發(fā)現(xiàn)高氮輸入條件下堿蓬根對(duì)氮的吸收作用顯著。

與全氮含量相似的是,根中Ndff%及Ndff在較高氮輸入較大,而葉和莖中Ndff%及Ndff在較高淹水和泥沙沉積時(shí)較大；與之不同的是葉Ndff%及Ndff最大值在W4S2N3處理取得,莖Ndff%及Ndff最大值分別在W1S4N4和W4S2N3處理取得,根Ndff%及Ndff最大值在W1S4N4處理取得,即淹水、泥沙沉積和氮輸入對(duì)外源氮(15N)吸收利用的影響會(huì)區(qū)別于總氮的吸收利用。研究發(fā)現(xiàn),W1S4N4(2 cm淹水+12 cm泥沙沉積+9 g/m2氮輸入)處理即適當(dāng)?shù)难退湍嗌吵练e及高氮輸入,最有利于堿蓬的生長[24],而在此處理時(shí)根對(duì)外源氮的吸收也最大,由此可見根對(duì)外源氮的吸收利用對(duì)于堿蓬生長具有較大的作用。

綜上,淹水、泥沙沉積和氮輸入對(duì)堿蓬和土壤氮吸收特征具有一定的影響。在黃河三角洲水沙變化大的背景下,堿蓬濕地生態(tài)系統(tǒng)健康必定會(huì)受到一定程度的影響。本研究發(fā)現(xiàn)不同水沙條件及氮輸入條件下堿蓬葉、莖和根對(duì)外源氮的吸收利用特征有所不同,且適當(dāng)?shù)难退湍嗌吵练e條件可促進(jìn)對(duì)外源氮的吸收利用,有助于堿蓬的生長,從而增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜多變的外界環(huán)境的適應(yīng)。為此在調(diào)水調(diào)沙過程中,適度把控淹水、泥沙沉積和氮輸入有利于維護(hù)黃河三角洲堿蓬濕地的健康。

4 結(jié)論

(1)外源氮輸入對(duì)土壤15N吸收比例和固持量的影響達(dá)到顯著水平,且土壤Ndff%及Ndff的最大值(3.83%和10.44 mg/kg)均出現(xiàn)在W4S2N3(30 cm淹水+3 cm泥沙沉積+6 g/m2氮輸入)處理；

(2)根中全氮含量、Ndff%及Ndff在較高氮輸入較大,而在較深淹水和泥沙沉積時(shí),堿蓬會(huì)將更多的氮分配給生長活躍的器官(葉和莖)以適應(yīng)環(huán)境,為此葉和莖中全氮含量、Ndff%及Ndff在較深淹水和泥沙沉積時(shí)較大；

(3)根Ndff%及Ndff最大值(18.21%和1.10 mg/kg)在W1S4N4處理取得時(shí),此處理時(shí)堿蓬的生長情況最好,表明根對(duì)外源氮的吸收情況對(duì)堿蓬生長的影響較大,且適當(dāng)?shù)难退湍嗌陈裆钜约案叩斎?9 g/m2)處理有利于根系對(duì)外源氮的吸收,從而促進(jìn)植株的生長。