鄱阳湖湿地土壤有机碳氮同位素特征及其环境意义

王毛兰,赖建平,胡珂图,张丁苓 (南昌大学资源环境与化工学院,鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室,江西 南昌 330031)



鄱阳湖湿地土壤有机碳氮同位素特征及其环境意义

王毛兰*,赖建平,胡珂图,张丁苓 (南昌大学资源环境与化工学院,鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室,江西 南昌 330031)

摘要：通过对2011年鄱阳湖及其主要入湖河流(赣江、抚河、信江、修水及饶河)15个湿地土壤样品中δ13C及δ15N的测定,分析探讨了鄱阳湖及其主支流湿地土壤有机质和氮素来源.结果表明:鄱阳湖湖区湿地土壤中总有机碳(TOC)的含量在0.45％～1.58％之间, 总氮(TN)含量变化范围为0.06％～0.17％;各入湖河流TOC含量为0.41％～1.18％, TN含量在0.05％～0.13％之间.鄱阳湖湖区湿地土壤有机质δ13C及δ15N变化范围分别为-28.35‰～-18.58‰和3.27‰～6.84‰;各入湖河流湿地土壤δ13C和δ15N分别为-25.93‰～-22.66‰和2.97‰～5.41‰.有机质来源分析表明:除湖口处主要来源于C4植物外,鄱阳湖区及其入湖河流湿地土壤有机质的主要来源是C3植物.湖区湿地土壤氮素来源分析表明吴城处主要受农业化肥使用的影响,而其他采样点湿地土壤有机质氮素主要来源于生活污水;入湖河流湿地土壤氮素来源较复杂,生活污水、化肥及工业污水是其主要来源.

关键词：碳同位素；氮同位素；鄱阳湖；湿地土壤；物质来源

*责任作者, 副教授, wml2001@163.com

土壤是地球表层系统中最大且最具有活动性的生态系统碳库之一,在全球碳循环中起着关键性的作用, 全球约有1500～1600Pg的碳以有机质形态储存于土壤中,约是大气碳库的3.3倍、生物碳库的4.5倍[1-2].土壤碳库微弱的变化将引起大气CO2浓度的升高或降低,从而对全球变暖产生正反馈或负反馈[3].土壤有机质多数来自植物残留物,是通过植被根部所积累的叶类物质与微生物转化过程之间的相互作用形成的[4].土壤有机质的含量受分解和腐殖质化过程的影响,其过程受制于土壤的温度、湿度、各类植被数量、土壤氧含量和营养状态等,因此,植物残留物的δ13C值对土壤有机质的碳稳定同位素组成有直接影响,不同来源的土壤有机质具有明显的δ13C值差异[5].氮同位素则反映了不同物源的贡献,而且无机氮在吸收过程中的分馏会反馈到有机质的同位素组成中,能够反映氮来源及氮循环过程中相关的生物地球化学循环过程[6-7].湿地土壤氮是天然湿地土壤中主要的限制性养分之一,其含量直接影响植物的生长状况,从而影响生态系统的稳定性和物质循环的平衡,是湿地营养水平重要的指示物[8].湿地土壤有机质含量直接影响着湿地生态系统的生产能力[9],同时还能够指示湿地对气候变化的响应[10].目前国外对湿地土壤有机碳氮同位素的研究较多[11-12],而国内大多集中于对黄土高原、荒漠草原、喀斯特地区等区域土壤的研究[13-15],对湿地土壤碳氮同位素的研究报道相对较少.丁喜桂等[16]对黄河三角洲湿地土壤、植被中碳氮稳定同位素进行了分析,探讨了其物质来源.段中华等[17]对黄河源区湿地和相邻草地土壤的碳氮同位素组成征进行了分析.

鄱阳湖是我国最大的淡水湖泊,位于江西省北部,长江中下游南岸,是一过水性、吞吐型的浅水湖泊,受长江顶托和五河(赣江、抚河、信江、饶河和修水)来水的影响,形成了独特的生态水文过程,湖区年水位变幅8～14m.年内周期性干湿交替的洲滩面积约占全湖正常水位面积的82％左右[18].自20世纪90年代以来鄱阳湖进入显著增温期,1991～2003年的平均温度比1961～1990年的平均温度高出约0.42℃ ,预计未来50年气温上升幅度将达到1.62℃[19-20].本研究通过对鄱阳湖湿地土壤中δ13Corg、δ15N及C/N等的测定,探讨了鄱阳湖湿地土壤有机质碳、氮含量及其同位素分布特征,揭示了土壤有机质碳、氮的来源,以期为进一步研究鄱阳湖湿地生态系统土壤有机质的生物地球化学循环和富营养化防治提供理论参考.

1 材料与方法

1.1 样品采集

2011年11月对鄱阳湖主要支流入湖河口及支流汇入后附近湿地土壤进行采集,以获得支流汇入前后湿地土壤有机质碳、氮同位素值;鄱阳湖主航道常年有水,水上运输比较繁忙,因此在主航道附近湿地土壤沿水流方向原则上每隔10km布设一个采样点,其采样点位见图1.采集表层土壤样时先刮去地表薄层浮土,采自地表以下2～ 3cm.现场除去动植物残体、砾石、贝壳等杂物,立即运回实验室,置于真空冷冻干燥机(ALPHA-1-4,德国Martin Christ)中冷冻干燥,待样品完全干燥后研磨过筛(200目),过筛后的土壤置于聚乙烯袋中密封保存,以备实验分析所用.

图1　鄱阳湖采样点示意Fig.1 The sampling sites in Poyang Lake

1.2 样品的处理与分析

1.2.1 土壤样品pH值的测定 称取上述研磨过筛的风干土样10.0000g,采用无二氧化碳的去离子水作浸提剂,以1:2.5的土水比测定土壤pH 值[21].

1.2.2 土壤样品碳、氮含量及其同位素值的测定 研磨过筛后的土壤样品,加入0.5mol/L HCl酸化以去除无机碳,再用去离子水淋洗样品直至滤液呈中性,然后将去除无机碳的样品进行冷冻干燥.经过上述处理后的样品在国家海洋局第三海洋研究所用元素分析仪(Flash EA 1112HT)和同位素质谱仪(Delta V advantage)联用测定有机碳、氮的含量及稳定同位素组成,计算公式为:

式中:Rsample为待测样品同位素比值；Rstandard为标准参比样品同位素比值.13C/12C和15N/14N分别对应于国际标准ViennaPDB与大气中的氮标准,分析误差为<±0.2‰.样品的C/N比值可由测定的总有机碳含量与总氮含量计算得到.

采用数理统计学方法处理数据,运用SPSS 18.0、sigmaplot6.0进行因子的相关分析和制图.

2 结果与讨论

2.1 研究区土壤基本理化性质

土壤酸碱性是土壤许多化学性质的综合反映,也是影响土壤肥力和作物生长的重要因素之一.鄱阳湖湿地土壤pH值变化范围为4.95～6.22,属于偏酸性土壤(表1).星子处pH值最低,都昌处最高.土壤总有机碳(TOC)和总氮(TN)含量总体偏低,明显低于三峡库区消落带土壤有机质和总氮含量[22].土壤有机碳含量的高低直接反映湿地的贮碳能力,研究区土壤有机碳含量均值为0.98％,低于世界土壤有机碳均值2％[17].较低的TOC和TN含量可能与鄱阳湖的水动力较强,不利于有机质和营养盐的积累有关.支流入湖口湿地土壤TOC和TN总体上较主航道的低.主航道湿地土壤TOC和TN最大值均出现在老爷庙处,最小值均在吴城处;而各主支流入湖口湿地土壤TOC和TN最大值均出现在饶河入湖口处,最小值均出现在抚河入湖口处.同一气候条件下,土壤有机碳含量与地表植被直接相关[23].各采样点有机碳含量差异比较大,可能由于采样范围比较大,人为因素干扰的变化使得地表植被群落相应有所改变,从而导致土壤有机质含量变化幅度较大.研究区C/N相对较低,主航道略低于入湖口,这表明土壤中有机质具有较高的腐殖化程度,有机氮易于矿化,致使湿地土壤无机氮的增加[24].

2.2 鄱阳湖湿地土壤有机碳同位素特征

光合途径是影响植物δ13C的主要因素,因此,不同光合途径类型植物的有机质其δ13C不同,其中,C3型植物的有机质δ13C在-34‰～-21‰之间,平均值约为-27‰;C4型植物δ13C在-19‰～-9‰之间,平均值约为-13‰;CAM 植物的δ13C介于C4和C3植物之间,为-30‰～-10‰[25].由于CAM植物大多生长于干旱的沙漠地带,因此其对鄱阳湖湿地土壤的δ13C的影响基本可以排除.

鄱阳湖主航道湿地土壤有机质δ13C平均值为-24.66‰,老爷庙处δ13C最负,湖口处δ13C最正(表1),相对较负的土壤δ13C反映了植被脱落的叶子和微生物活动对其值的影响[16].除湖口处外,其余采样点土壤有机质δ13C都处于C3植物有机质δ13C的变化区间,说明除湖口处外,其余采样点土壤有机质主要来源于C3型植物.而湖口处土壤有机质δ13C处于C4植物有机质δ13C的变化区间,推断其土壤有机质主要由C4型植物贡献,湖口县种植有大面积的玉米,玉米为C4型植物,其对湖口湿地土壤有机质δ13C起了很大的作用,这与对湖口沉积物有机质来源的研究结论一致[26].

土壤中的δ13C可以体现土壤上部的植被特征,植物在生长过程中,其根、茎和叶通过各自的生理作用和转化形式对土壤有机质δ13C产生直接影响[27],使得土壤有机质δ13C与相应地上植被δ13C具有相似的变化范围,这种相似性通常被用来推断植被和气候的历史变化[28],因而研究土壤中的δ13C可以反映该地区植被类型及生态环境,进而指示出采样点温度、水分、光照等环境因素的不同[29].由此可知湖口处采样点环境较干燥且光照充裕,而老爷庙处采样点环境则相对湿润,植物所受到的光照也相对较少.

各支流入湖口处湿地土壤有机质δ13C平均值为-24.89‰,均处于C3植物δ13C的变化区间,说明各支流入湖口处湿地土壤有机质主要由C3植物贡献,抚河入湖口处δ13C最“正”,修水入湖口处最“负”,说明植被脱落的叶子和微生物活动对修水入湖口处δ13C的影响较大,且采样点环境则相对湿润,植物所受到的光照也相对较少.

表1　研究区湿地土壤基本理化性质Table 1 General characteristics of wetland soil samples in Poyang Lake

表层土壤有机质δ13C的上升幅度主要由其周转速度控制,周转速度越慢,升幅越小[30].鄱阳湖主航道湿地土壤各采样点δ13C差异比各支流入湖口处的大,这说明鄱阳湖主航道湿地土壤有机质的周转速度较快,这可能是因为该区域微生物的活性较强,表层土壤有机质较高的分解速率和周转速度产生较大的碳同位素分馏,从而使其土壤有机质具有较高的上升幅度.

2.3 土壤有机质δ13C与其有机碳含量相关性

图2　土壤有机质δ13C与有机碳含量的关系Fig.2 Biplots of TOC and δ13C of organic matter in samples

土壤有机碳含量与其δ13C的正负关系可以反映土壤有机质分解的强弱程度,二者呈负相关说明有机质分解程度低,呈正相关则说明有机质分解程度较高[31].由图2可知,研究区各采样点湿地土壤δ13C与有机碳含量均呈负相关,各支流入湖口处的斜率更负,表明鄱阳湖湿地土壤有机质分解程度均较低,而各支流入湖口处湿度土壤有机质分解程度更低.造成这一区别的原因较为复杂,可能与植物在分解转化成有机质过程中的同位素分馏情况有关;也可能与土壤呼吸状况,包括根系呼吸(自养呼吸的一部分)以及土壤微生物和土壤动物的异养呼吸等作用的贡献量有关[32];也可能由于土壤有机质在矿化过程中使得δ13C转化进入无机碳库中[33].土壤有机碳含量与有机质δ13C呈负相关也说明了土壤有机碳越高,土壤有机质δ13C越小,这与贫δ13C有机质输入有关,也反映工业革命以来贫δ13C的化石燃料的燃烧导致大气CO2的δ13C显著降低[17].

2.4 鄱阳湖湿地土壤有机质氮同位素特征

鄱阳湖主航道湿地土壤有机质δ15N变化范围为3.27‰～6.84‰,吴城处最低,康山处最高.各河流入湖口处湿地土壤有机质δ15N略低于鄱阳湖主航道,其最低值出现在赣江北支,最高值出现在信江.

土壤有机质的δ15N主要受环境的影响,不同环境条件下土壤有机质的δ15N差异较大,这种特征有助于识别土壤的利用方式和污染类型.垦植土壤和受生活污水污染的土壤δ15N为4‰～9‰,受化肥和工业废水污染的土壤δ15N为-4‰～4‰[34],受粪肥污染的土壤δ15N为10‰～20‰[35],受大气沉降N影响的土壤的δ15N在0.2‰～0.8‰之间变化[36].由此可知,除吴城外,鄱阳湖主航道湿地土壤有机质δ15N均处于垦植土壤和受生活污水污染的土壤δ15N范围内,而所采样品均为湿地土壤,并没有垦植,且采样点附近村镇比较多,工业很少,居民生活污水的排放对湿地土壤氮素的影响比较大,因此可以推断除吴城外,鄱阳湖主航道湿地土壤有机质氮素主要受生活污水的影响.而吴城处湿度土壤有机质δ15N处于受化肥和工业污水污染土壤的δ15N范围内,吴城处工业相对较少,而农田相对较多,因此可以推断其湿地土壤有机质氮素主要受农业化肥使用的影响.

各河流入湖口处湿度土壤有机质氮素来源也有2种情况:①抚河、信江及修水入湖口处湿地土壤有机质氮素主要来源于生活污水;②饶河、赣江北支及赣江南支入湖口处湿地土壤有机质δ15N处于受化肥和工业污水污染土壤的δ15N范围内,赣江南支下游流经南昌重要农副产品生产基地—蒋巷镇,因此其湿地土壤有机质氮素受农业化肥影响比较大,这与对赣江南支入湖口处沉积物氮素来源的研究结论一致[37];而饶河和赣江北支流经工业比较发达地区,推断其入湖口处湿地土壤有机质氮素主要来源于工业污水.

3 结论

3.1 鄱阳湖区湿地土壤有机碳含量较低,为0.45％～1.58％,各入湖河流TOC含量略低于鄱阳湖区;鄱阳湖区湿地土壤TN含量变化范围为0.06％～0.17％,各入湖河流TN含量为0.05％～ 0.13％;各采样点C/N相对较低,鄱阳湖区为8.39～16.20,而各入湖河流为10.18～19.83.

3.2 鄱阳湖区湿地土壤有机质δ13C变化范围为-28.35‰～-18.58‰,湖口处最“正”,老爷庙处最“负”.湖口处湿地土壤有机质主要来源于C4植物,而其他采样点处有机质均主要受C3植物的影响.

3.3 各河流入湖口处湿地土壤有机质δ13C 为-25.93‰～-22.66‰,处于C3植物有机质δ13C的变化区间,其湿地土壤有机质主要由C3植物贡献.

3.4 鄱阳湖区湿地土壤有机质δ15N变化范围为3.27‰～6.84‰,吴城处湿地土壤有机质氮素主要受农业化肥使用的影响,而其他采样点土壤有机质氮素受生活污水影响比较大.

3.5 各河流入湖口处湿地土壤有机质δ15N为2.97‰～5.41‰, 抚河、信江及修水土壤有机质氮素主要来源于生活污水,赣江南支湿地土壤有机质氮素主要受农业化肥使用的影响,而饶河和赣江北支其氮素主要来源于工业污水.

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Compositions of stable organic carbon and nitrogen isotopes in wetland soil of Poyang Lake and its environmental implications.

WANG Mao-lan*, LAI Jian-ping, HU Ke-tu, ZHANG Ding-ling (Key Laboratory of Poyang Lake Environment and Resource Utilization, Ministry of Education, School of Resources Environmental and Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China). China Environmental Science, 2016,36(2)：500～505

Abstract：Fifteen wetland soil samples were collected from the Poyang Lake area and its main tributaries (Ganjiang River, Fuhe River, Xinjiang River, Xiushui River and Raohe River). Contents of carbon and nitrogen isotopes in these samples were quantified to identify the sources of organic matter and nitrogen in the wetland soil. The results showed that the total organic carbon (TOC) and the total nitrogen (TN) contents in the Poyang Lake area were in the ranges of 0.45％～1.58％ and 0.06％～0.17％, respectively. The TOC and TN contents in its major tributaries were in the ranges of 0.41％～1.18％ and 0.05％～0.13％, respectively. The organic carbon isotope composition (δ13C) ranged from -28.35‰ to -18.58‰, while the nitrogen isotope composition (δ15N) was from 3.27‰ to 6.84‰ in the Poyang Lake area wetland soils. In the main tributaries wetland soils, the δ13C and δ15N values ranged from -25.93‰ to -22.66‰ and 2.97‰ to 5.41‰, respectively. The C3 plants were the main sources of the wetland soil organic matter in Poyang Lake area and its main tributaries; however, C4 plants were the main sources in lake entrances. The sources of nitrogen in the wetland soils were mainly from domestic sewage in the Poyang Lake area, except in Wucheng, which was mainly from synthetic fertilizer there. For the major tributaries, the primary sources of nitrogen included domestic sewage, synthetic fertilizer and industrial sewage.

Key words：carbon isotope；nitrogen isotope；Poyang Lake；wetland soil；sources

作者简介：王毛兰(1979-),女,江西临川人,副教授,博士,主要从事水环境等方面的研究.发表论文20余篇.

基金项目：江西省自然科学基金(20114BAB213023);江西省教育厅科学技术研究项目(赣教技字[GJJ11283]号);南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室开放基金(13005868,13005873)

收稿日期：2015-07-15

中图分类号：X142

文献标识码：A

文章编号：1000-6923(2016)02-0500-06