南匯東灘海三棱藨草群落區(qū)表層土壤中全氮和全磷含量的時空分布

張生樂，李高如，高美華，何培民,2，張伯倫，汪茂秋，王沁怡，李亞如，方淑波,2*

(1.上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋大學(xué)水環(huán)境與生態(tài)工程研究中心，上海 201306)

濱海濕地是海陸相互作用形成的生態(tài)過渡帶，具有重要的生態(tài)功能和豐富的生物多樣性[1-3]。隨著社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們在生產(chǎn)和生活中產(chǎn)生的大量含氮和磷的污染物以不同的形式被大量匯入河流和海洋中，導(dǎo)致了河口近海水域中的營養(yǎng)鹽含量和結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化[4-6]。濱海濕地作為生源要素重要的源、匯和轉(zhuǎn)化器，其氮、磷元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)研究是濕地生態(tài)修復(fù)與保護(hù)的重要環(huán)節(jié)[7-9]。

生物體的元素組成存在相當(dāng)大的差異，生物體與環(huán)境之間的能量流動和物質(zhì)循環(huán)有著根本性的聯(lián)系[10]。植物器官中的養(yǎng)分含量取決于土壤養(yǎng)分的供應(yīng)和植物養(yǎng)分需求間的動態(tài)平衡，元素的相對豐度能控制生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)和能量流動的速率[11]。土壤中的氮和磷元素是植物生長的必需礦質(zhì)營養(yǎng)元素，能影響植物的功能[12]。植物葉的氮磷比可以作為植物氮飽和的診斷指標(biāo)，用于確定氮、磷養(yǎng)分限制的閾值，也可以反映出土壤中氮和磷的有效性[13]。土壤氮磷比與植物氮磷比顯著相關(guān)[14]。植物與土壤之間存在著必然的物質(zhì)循環(huán)聯(lián)系。

海三棱藨草(Scirpus mariqueter)是一種多年生草本植物，隸屬莎草科(Cyperaceae)藨草屬(Scirpus)，其種子和地下球莖含有大量的淀粉，可以為濕地中的鳥類和底棲生物提供豐富的餌料，同時還具有消浪、護(hù)灘和促淤的功效[15-16]。目前，已經(jīng)開展了海三棱藨草種群恢復(fù)技術(shù)[17]、長江口鹽沼中海三棱藨草生物量隨高程的變化[18]、環(huán)境對崇明東灘上的海三棱藨草的生長和分布的影響[19]、海三棱藨草種子萌發(fā)和幼苗生長對鹽度的響應(yīng)[20-21]等研究。有關(guān)南匯東灘濕地土壤中氮和磷含量對海三棱藨草群落恢復(fù)的影響研究還未深入開展。

本研究測試分析了2016 年至2020 年期間采集的南匯東灘濕地修復(fù)區(qū)的土壤樣品，采用地理加權(quán)回歸(geographically weighted regression，GWR)方法，研究了土壤樣品中全氮和全磷含量的時空分布特征，量化土壤的全氮含量、全磷含量、含鹽量、含水量和高程對海三棱藨草群落的影響[22-23]，以期為濱海濕地的生態(tài)修護(hù)和管理提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)

上海市南匯邊灘濕地是指長江口31°10′N 以南、杭州灣口121°50′E以東和5 m等水深線以上的岸灘所圍區(qū)域，其由面向東海的南匯東灘濕地和面向杭州灣的南匯南灘濕地兩部分組成。該濕地屬于典型的沖淤型濕地，潮汐表現(xiàn)為非正規(guī)淺海半日潮，分帶性明顯，平均波高為0.9～1.0 m[24-25]。

上海市南匯東灘濕地北起機(jī)場圍合區(qū)，南至南匯新城鎮(zhèn)蘆潮港碼頭，西至九四塘，東至海邊灘涂，其面積為122.5 km2。該區(qū)氣候?qū)儆诒眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨、冬季溫和濕潤，年平均氣溫為15～16 ℃，年降水量大于1 000 mm。由于上海市圍墾造陸工程的影響，南匯東灘濕地的地貌發(fā)生了較大變化，原來的0 m 等水深線以上的灘涂大部分已經(jīng)被圍墾[25]。2016 年，上海海洋大學(xué)的科研人員對南匯東灘濕地的植物進(jìn)行了生態(tài)修復(fù)，重建了海三棱藨草群落，以防止南匯東灘濕地的進(jìn)一步退化[26]。

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)、土壤樣品采集和測試分析

2016 年5 月，在南匯東灘濕地，在野外調(diào)查[27]的基礎(chǔ)上，利用GPS 定位，布設(shè)了28 個采樣點(diǎn)(圖1a)。2019年4月，在南匯東灘濕地，根據(jù)地表高程和植物種類的空間分布，縮小了采樣點(diǎn)布設(shè)范圍，利用GPS定位，重新布設(shè)了16個采樣點(diǎn)(圖1b)，其中，采樣點(diǎn)2-4的下墊面是無植物生長的光灘。

圖1 2016年5月(a)和2019年4月(b)布設(shè)的采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the distribution of sampling points laid out in May 2016(a)and April 2019(b)

2016 年5 月 至2018 年10 月、2019 年4 月 至2020年10月期間，在每月中旬，在每個采樣點(diǎn)，設(shè)置規(guī)格為1 m×1 m 的植物調(diào)查樣方，記錄樣方內(nèi)的海三棱藨草的植株數(shù)量；在樣方內(nèi)，采用五點(diǎn)采樣法，利用鐵鍬，采集0～15 cm 深度土壤樣品5份；將采集到的5份土壤樣品混合均勻，放入聚乙烯袋中，密封，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

在實(shí)驗(yàn)室中，將土壤樣品自然風(fēng)干，研磨，過100 目篩，立即對一部分土壤樣品進(jìn)行了測試分析，將另一部分土壤樣品裝入自封袋，密封，在低溫冰箱中保存，備用。在本研究中，利用的2020年之前采集的土壤樣品為備用的土壤樣品，利用的2020年之后采集的土壤樣品是自然風(fēng)干的土壤樣品。采用凱氏定氮法，測定土壤樣品中的全氮含量；采用酸溶-鉬銻抗比色法，測定土壤樣品中的全磷含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用地理加權(quán)回歸方法，利用ArcGIS 10.2 軟件中的地理加權(quán)回歸工具條，獲得研究區(qū)土壤中全氮和全磷含量的時空分布信息。設(shè)置的主要參數(shù)如下：以土壤的各環(huán)境要素為自變量，以植物密度為因變量；以高斯核函數(shù)為默認(rèn)核函數(shù)；采用高斯距離法，按照要素樣本分布的疏密，創(chuàng)建核表面，使得原本線性不可分的數(shù)據(jù)在高緯度上可分；利用Akaike 信息準(zhǔn)則(AICc)值，確定核的范圍。利用殘差的估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差Sigma 值，計(jì)算AICc值。

利用Origin 2021b軟件和Office 2019軟件，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層土壤中全氮和全磷含量的時空分布

由表1可知，2016年5月至2020年10月期間，南匯東灘濕地所有采樣點(diǎn)表層土壤中全氮質(zhì)量比的平均值變化在0.11～0.47 g/kg之間，全磷質(zhì)量比的平均值變化在0.62～1.57 g/kg 之間，表層土壤中全氮和全磷含量的平均值波動變化，而且無明顯的季節(jié)變化。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算，表層土壤中全氮質(zhì)量比平均值與全磷質(zhì)量比平均值的比值變化在0.10～0.59之間。

表1 各采樣月所有采樣點(diǎn)表層土壤中全氮和全磷含量的平均值Table 1 The average contents of total nitrogen and total phosphorus in top soil of all sampling points in each sampling month

2018年1月、2019年4月、2020年7月和10月各采樣點(diǎn)表層土壤中的總氮含量都相對較小(圖2)，2016年5月和2019年4月、7月、10月各采樣點(diǎn)表層土壤中的總磷含量都相對較小(圖3)；2016年10月、12月和2017年4月、7月、10月、12月研究區(qū)表層土壤中的總氮含量有明顯的空間異質(zhì)性，2018年1月、10月和2020年7月、10月研究區(qū)表層土壤中的總磷含量有明顯的空間異質(zhì)性。

圖3 2016年至2020年期間各采樣月研究區(qū)表層土壤全磷含量空間分布示意圖Fig.3 Distribution map of total phosphorus contents in top soil of the study area in each sampling month from 2016 to 2020

2.2 表層土壤中全氮和全磷含量與海三棱藨草分布的關(guān)系

以下墊面生長著海三棱藨草的采樣點(diǎn)2-2 和下墊面為無植物生長的光灘的采樣點(diǎn)2-4 為代表采樣點(diǎn)，分析2019年和2020年各采樣月兩個采樣點(diǎn)表層土壤中的全氮和全磷含量的差異。

由表2可知，2019年和2020年各采樣月，采樣點(diǎn)2-2 表層土壤中的全氮含量都明顯大于采樣點(diǎn)2-4；2019 年10 月和2020 年7 月、10 月，采樣點(diǎn)2-2表層土壤中的全磷含量都明顯大于采樣點(diǎn)2-4，而2019年4月、7月和2020年1月，采樣點(diǎn)2-2表層土壤中的全磷含量都明顯小于采樣點(diǎn)2-4。這表明生長著植物的表層土壤中的總氮含量更大，而表層土壤中的總磷含量則與是否有植物生長無直接聯(lián)系。

表2 2019年和2020年各采樣月采樣點(diǎn)2-2和采樣點(diǎn)2-4表層土壤中的全氮和全磷含量值Table 2 The values of total nitrogen and total phosphorus contents in top soil at sampling points 2-2 and 2-4 in each sampling month in 2019 and 2020

2.3 海三棱藨草密度與表層土壤環(huán)境因素的關(guān)系

以海三棱藨草密度為因變量，以表層土壤的全氮含量、全磷含量、氮磷比、含水量、含鹽量以及采樣點(diǎn)高程為自變量，進(jìn)行地理加權(quán)回歸分析。因?yàn)槎竞Ｈ馑懖菟劳?，故只在海三棱藨草的生長季開展研究。

由表3 可知，表層土壤的含鹽量、含水量和采樣點(diǎn)高程的R2值較大，而全氮含量、全磷含量和氮磷比的R2值都很?。?月至5月和9月至11月，6個自變量的AICc 值差別很??；6 月至8 月，全氮含量、全磷含量和氮磷比的AICc 值非常相近，而且明顯大于含鹽量、含水量和采樣點(diǎn)高程的AICc值，含鹽量、含水量和采樣點(diǎn)高程的AICc 值差別很小。因此，表層土壤含鹽量、含水量和采樣點(diǎn)高程對海三棱藨草密度具有指示意義，其中，表層土壤含鹽量對海三棱藨草密度的影響最大。

表3 海三棱藨草密度與土壤環(huán)境因素的地理加權(quán)回歸分析結(jié)果中的參數(shù)值Table 3 Parameter values in the result of geographical weighted regression analysis between the density of Scirpus mariqueter and soil environmental factors

3 討 論

在本研究中，南匯東灘濕地海三棱藨草群落區(qū)表層土壤的氮磷比值變化在0.10～0.59之間，平均值為0.34，小于同為河口型濱海濕地的黃河三角洲表層土壤的氮磷比值(0.77[28]和1.6[29])。濕地土壤的氮磷比值較小，意味著濕地土壤有受氮元素限制的可能性。南匯東灘濕地表層土壤是否存在氮、磷元素限制問題，需要進(jìn)一步評判其表層土壤中全氮和全磷的含量。

目前，對于濕地土壤中氮、磷含量的環(huán)境影響評判標(biāo)準(zhǔn)，還沒有通用的準(zhǔn)則。1993年，加拿大安大略省環(huán)境和能源部發(fā)布指南，對沉積物中全氮含量的生態(tài)毒性級別界定范圍為0.55～4.80 g/kg，全磷含量的界定范圍為0.60～2.00 g/kg[30]。全國第二次土壤普查資料顯示，除了漠土和表土遭受侵蝕的少數(shù)土壤以外，表層自然土壤的全氮質(zhì)量比多為0.4～7.0 g/kg，表層土壤中的全磷質(zhì)量比為0.20～1.10 g/kg。本研究根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的原理，明確了南匯東灘濕地海三棱藨草群落區(qū)表層土壤中全氮和全磷含量的變化范圍。

本研究發(fā)現(xiàn)，表層土壤全氮含量與該區(qū)域有海三棱藨草生長有關(guān)，而表層土壤中的全磷含量與有無植物生長無關(guān)，由此推測，在一定程度上海三棱藨草的生長受氮元素的限制。當(dāng)植物氮磷比值小于6.32時，植物生長受氮元素的限制；當(dāng)植物氮磷比值大于7.23時，植物生長受磷元素的限制；當(dāng)?shù)妆戎禐?.32～7.23 時，植物生長受氮、磷元素的共同限制或不受二者限制[31]。對崇明島濕地海三棱藨草的研究表明，海三棱藨草地上部分氮磷比的平均值為5.05，其地下部分氮磷比的平均值為3.88，因此，崇明島濕地中的海三棱藨草的生長受氮元素限制。

在本研究中，南匯東灘濕地海三棱藨草群落區(qū)表層土壤中的全氮含量、全磷含量和氮磷比都不是海三棱藨草生長和分布的主要影響因素，而表層土壤的含鹽量和含水量以及采樣點(diǎn)高程才是海三棱藨草生長和分布的主要影響因素。濱海濕地的地表高程不僅影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的沉積作用，同時也影響著地表的被水淹沒時間、土壤含鹽量和透氣性等，進(jìn)而影響鹽沼植物的生長和分布[17-18,32-34]。濱海濕地土壤的含鹽量是決定某種植物物種是否能夠生存的關(guān)鍵因素[19-20,34-38]。

4 結(jié) 論

2016年5月至2020年10月期間，南匯東灘濕地海三棱藨草群落區(qū)表層土壤中全氮質(zhì)量比的平均值變化在0.11～0.47 g/kg之間，全磷質(zhì)量比的平均值變化在0.62～1.57 g/kg 之間。南匯東灘濕地海三棱藨草群落區(qū)表層土壤中全氮和全磷含量的時空分布表明，移植海三棱藨草斑塊對南匯東灘濕地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，取得了一定成效。

南匯東灘濕地海三棱藨草群落區(qū)表層土壤中全氮含量與海三棱藨草的生長和分布關(guān)系密切；表層土壤的含鹽量和含水量以及采樣點(diǎn)高程是海三棱藨草生長和分布的主要影響因素。