不同入侵年限的互花米草對(duì)閩江口濕地沉積物礦化速率的影響

＊林燕臻

（福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 福建 350007）

濕地是指人工或天然、暫時(shí)性或長(zhǎng)久的沼澤地、泥炭地、水域地帶，靜止或流動(dòng)的咸水、半咸水、淡水，包括低潮時(shí)水深≤6m的海水水域[1]。沿海濕地處于海陸相互作用的中間地帶，它是響應(yīng)全球環(huán)境變化和人類活動(dòng)較為敏感的重要生態(tài)系統(tǒng)之一[2]。沿海地區(qū)人口的爆發(fā)式增長(zhǎng)以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，使得大量的氮磷營(yíng)養(yǎng)通過(guò)大氣干濕沉降、地表與地下徑流或污水排放等不同途徑進(jìn)入濕地生態(tài)系統(tǒng)，打破了濕地生態(tài)系統(tǒng)原有的氮素平衡，影響著濕地氮素生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程[3-5]。本文以閩江河口濕地為研究對(duì)象，研究互花米草入侵年限不同時(shí)不同濕地沉積物之間礦化速率的差異，其研究結(jié)果有助于深入認(rèn)識(shí)和理解互花米草入侵對(duì)濕地氮素生物地球化學(xué)過(guò)程的影響。

1.材料與方法

(1)研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)研究區(qū)位于福建省閩江河口區(qū)面積最大的天然濕地—鱔魚(yú)灘濕地。為了研究不同入侵年限的互花米草對(duì)濕地沉積物礦化作用的影響，本次采樣點(diǎn)選擇是在互花米草群落分布面積大、地勢(shì)平坦和長(zhǎng)期穩(wěn)定的濕地地段，取樣點(diǎn)的位置設(shè)置在同一等高線上，以保證沉積物樣品都處在相同的生境下。

(2)樣品采集

實(shí)驗(yàn)采用時(shí)空互換方法，即通過(guò)遙感影像和實(shí)地觀察了解互花米草的空間分布得知互花米草的入侵時(shí)間長(zhǎng)短順序是從東南到西北，因此沿東南到西北設(shè)計(jì)8個(gè)采樣點(diǎn)位分別代表入侵時(shí)間從長(zhǎng)到短，每個(gè)采樣點(diǎn)位做3個(gè)重復(fù)，采集0～10cm的沉積物樣品（圖1）。將采集的沉積物樣品立即用自封袋密封并避光保存。在實(shí)驗(yàn)室挑出可見(jiàn)的動(dòng)植物殘?bào)w、石頭和其余雜物等，等自然風(fēng)干后剔除根系和砂礫，并將3個(gè)重復(fù)樣的沉積物樣品混合研磨并使其通過(guò)20目篩后保存，為后續(xù)各項(xiàng)沉積物指標(biāo)的測(cè)定和培養(yǎng)提供樣品。

圖1 閩江河口濕地（鱔魚(yú)灘濕地）采樣點(diǎn)示意圖

(3)室內(nèi)培養(yǎng)與沉積物理化指標(biāo)測(cè)定

濕地沉積物中有機(jī)質(zhì)的礦化反應(yīng)和NH3的揮發(fā)作用是指含氮的有機(jī)物在微生物等的作用下降解為NH4+的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程和NH3揮發(fā)進(jìn)入大氣的過(guò)程[6]，通過(guò)無(wú)機(jī)氮隨著時(shí)間的變化率來(lái)反映濕地沉積物氮素礦化過(guò)程，其培養(yǎng)過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 濕地沉積物氮素礦化淹水密閉培養(yǎng)法流程示意圖

沉積物pH采用IQ150便攜式測(cè)定；氧化還原電位采用2265 FS便攜式電導(dǎo)/溫度計(jì)測(cè)定；含水率用烘干法測(cè)定；TC和TN測(cè)定使用碳氮元素分析儀測(cè)定；無(wú)機(jī)氮經(jīng)KCl浸提后使用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定。

(4)數(shù)據(jù)處理

利用SPSS17.1對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，Origin 8.0對(duì)數(shù)據(jù)作圖。采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析其影響因素的相關(guān)性。

沉積物礦化速率是利用培養(yǎng)后和培養(yǎng)前沉積物硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的差值來(lái)計(jì)算，凈礦化速率為單位時(shí)間內(nèi)無(wú)機(jī)氮含量變化，無(wú)機(jī)氮為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮之和，具體計(jì)算公式為[7]：

式中：ti為培養(yǎng)起始時(shí)間；ti+1為培養(yǎng)結(jié)束時(shí)間；△t為培養(yǎng)時(shí)間。

2.結(jié)果與分析

(1)理化性質(zhì)分析

本次研究中閩江河口濕地沉積物各采樣點(diǎn)理化因子分布特征如表1所示。由表1可以看出，pH、含水率、電導(dǎo)率、C/N和TN都有明顯的變化規(guī)律，即pH、含水率、電導(dǎo)率和C/N總體上隨著互花米草入侵年限從長(zhǎng)到短呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，pH在6.55～6.80之間；C/N在10.38～12.55之間，電導(dǎo)率在0.67～1.16之間。只有TN隨著互花米草入侵年限從長(zhǎng)到短呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。

表1 互花米草入侵不同時(shí)間序列下沉積物理化性質(zhì)的變化

(2)沉積物氮礦化速率變化特征

沉積物中氮素礦化速率可以用礦化過(guò)程中產(chǎn)生的無(wú)機(jī)氮含量隨時(shí)間的變化率來(lái)反映?；セ撞萑肭植煌瑫r(shí)間序列下沉積物的礦化速率總體隨著入侵年限的延長(zhǎng)呈先增后減的規(guī)律，如圖3所示。其中D5、D6和D7點(diǎn)位沉積物的礦化速率在第1-3周期間呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，在第7周礦化速率降至最低值。在第7-14周期間礦化速率呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)。D2、D3點(diǎn)礦化速率從培養(yǎng)第1周的3.56mg·kg-1·d-1和2.01mg·kg-1·d-1下降到第10周的最低值-0.06mg·kg-1·d-1和0.03mg·kg-1·d-1，后緩慢上升至0.15mg·kg-1·d-1和0.37mg·kg-1·d-1。D8光灘的礦化速率由第1周的6.92mg·kg-1·d-1經(jīng)培養(yǎng)10周后持續(xù)降至最低值-0.19mg·kg-1·d-1后又增至0.27mg·kg-1·d-1。經(jīng)14個(gè)周期培養(yǎng)結(jié)束后，互花米草各采樣點(diǎn)處沉積物的礦化速率均趨于0.01～0.37mg·kg-1·d-1。

圖3 不同時(shí)間序列下沉積物礦化速率

(3)沉積物理化性質(zhì)對(duì)沉積物礦化速率的影響

對(duì)互花米草入侵不同年限下沉積物理化性質(zhì)與礦化速率的相關(guān)性進(jìn)行分析，可以得出礦化速率與含水率、TN、NH4+-N呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與pH、電導(dǎo)率、C/N均無(wú)相關(guān)關(guān)系（P＞0.05），見(jiàn)表2。

表2 入侵不同年限沉積物理化性質(zhì)與礦化速率的Person相關(guān)性分析

3.分析與討論

(1)互花米草濕入侵年限對(duì)濕地氮素來(lái)源的影響

河口濕地碳氮元素主要是河流和海洋潮汐輸入，其中C/N比值可以指示有機(jī)質(zhì)的來(lái)源，通常C/N≥12的劃定為陸源有機(jī)物，而C/N＜8的劃分為海源有機(jī)物[8]，本研究中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明C/N的分布情況與變化規(guī)律表明陸源輸入氮素對(duì)沉積物有機(jī)質(zhì)的來(lái)源有著重要影響。C/N隨著互花米草的入侵時(shí)間的延長(zhǎng)而遞增，表明互花米草在濕地沉積物中對(duì)陸源有機(jī)質(zhì)的攝入比例影響越來(lái)越大，而對(duì)海源有機(jī)質(zhì)的輸入比例影響則越來(lái)越小，這與王剛等[9]對(duì)鹽城所在的濱海濕地的研究結(jié)果一致。

互花米草一方面入侵時(shí)間越長(zhǎng)其生物量越大，然后通過(guò)植被的掉落物和根系所分泌的有機(jī)和無(wú)機(jī)產(chǎn)物進(jìn)入沉積物，進(jìn)而直接對(duì)有機(jī)氮含量產(chǎn)生影響[10]。另一方面隨著入侵年限的增長(zhǎng)互花米草生長(zhǎng)的濕地沉積物中有機(jī)氮較易被分解成組分所占比例較小的物質(zhì)，有機(jī)氮雖隨著入侵種互花米草帶來(lái)的陸源有機(jī)質(zhì)輸入的量的增大而增大，但隨著礦化速率的下降使總氮的儲(chǔ)量隨著入侵時(shí)間的增加而減少?；钚杂袡C(jī)氮分解速率均隨互花米草入侵濕地時(shí)間的增加而下降[11]，同時(shí)來(lái)源于互花米草中有機(jī)碳、有機(jī)氮的輸入顯著改變了活性有機(jī)氮組分在沉積物有機(jī)氮中的分配比例，隨著入侵年限延長(zhǎng)，比值先減后增，從而加快了活性氮組分流失，降低了沉積物氮聚集能力[12]。

(2)互花米草入侵對(duì)濕地沉積物礦化因素的影響

①互花米草入侵對(duì)濕地沉積物理化性質(zhì)的影響

影響濕地沉積物中有機(jī)氮素礦化反應(yīng)的理化性質(zhì)主要包括pH、C/N和TN含量等。沉積物中的pH與礦質(zhì)氮的含量表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系，pH值升高可提高沉積物中NH4+產(chǎn)生的量。其變化產(chǎn)生原因主要是由于pH值的升高，增加了沉積物中有機(jī)質(zhì)的可溶解性，提供了大量富含碳氮基質(zhì)，使得微生物的生長(zhǎng)、繁殖條件更加有利，進(jìn)而促進(jìn)了氮素的礦化[13]。

另外互花米草發(fā)達(dá)的根系和高莖葉會(huì)減弱潮水動(dòng)力，固結(jié)海灘面的沉積物，使海水中粒徑較小的顆粒物大量聚集沉積[12]，且隨著互花米草入侵年限越長(zhǎng)，沉積物粘粒組成越高、平均顆粒越細(xì)，沉積物氮素礦化作用與粘粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由于細(xì)小顆粒物的比表面積較大，會(huì)優(yōu)先得到腐殖質(zhì)化產(chǎn)物和根系的分泌物，進(jìn)而增加了沉積物中TN、TC的含量。沉積物的平均粒徑越小，通氣透水的性能越差，從而影響到沉積物呼吸，不利于TOC、有機(jī)氮的分解。

②互花米草入侵對(duì)濕地生物區(qū)系的影響

一般來(lái)說(shuō)，沉積物有機(jī)氮的礦化反應(yīng)與植物枯落物的C/N呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)C/N比值較高時(shí)，缺乏氮源，沉積物礦化反應(yīng)后產(chǎn)生的氮素會(huì)迅速地被微生物固持，因此礦化速率較低[14]。由于濕地沉積物中有機(jī)氮的礦化過(guò)程的實(shí)質(zhì)是在微生物的作用下的氨化反應(yīng)過(guò)程，所以濕地中的各類生物的種類、數(shù)量、種群結(jié)構(gòu)以及其之間的相互關(guān)系等均會(huì)對(duì)礦化過(guò)程產(chǎn)生重要的影響。

4.結(jié)論

互花米草入侵年限對(duì)沉積物的pH、含水率、電導(dǎo)率、C/N和TN均產(chǎn)生影響。

不同互花米草入侵年限的沉積物礦化速率總體上隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。

礦化速率與互花米草入侵所導(dǎo)致的濕地沉積物理化性質(zhì)和生物要素變化有關(guān)。