内蒙古包头黄河湿地土壤碳氮磷含量及其生态化学计量学特征

杨 荣,塞 那,苏 亮,尚海军,刘永宏,郭永盛,*

1 内蒙古自治区林业科学研究院, 呼和浩特 010010 2 内蒙古自治区农业大学林学院, 呼和浩特 010019 3 包头市生态湿地保护管理中心,包头 014010

生态化学计量学是通过研究生态过程中各化学元素比例关系及其随生物、非生物等环境因子的变化规律,揭示各元素在生态过程中的耦合关系和共变规律[1- 3]。碳(C)、氮(N)、磷(P)作为生物体重要元素组成以及土壤重要的结构和养分元素[4],它们的生态化学计量学特征在探究生物系统的物质能量循环、养分限制以及多元素平衡过程中具有重要作用[5]。土壤的空间异质性、发育时间、气候带、植被、水文等综合环境因素,都将直接或者间接影响土壤中C、N、P的物质循环过程,从而形成不同的化学计量学特征[6]。而关于生态化学计量学的实验研究,近年来在国内得到了迅速发展,主要集中在区域C∶N∶P生态化学计量学特征及其驱动因素方面,以森林生态系统和草原生态系统的研究成果居多[7]。

湿地作为自然界生产力最高的生态系统之一,水陆生态系统之间的过渡带,水陆交互作用强烈,具有独特的生物地球化学循环模式,其生态系统特征与其他系统也存在明显的差别,因此,应特别重视[7]。2005年始,我国湿地生态系统化学计量学逐渐在三江平原[8]、河口[5,9-10]、滨海湿地[11]、沼泽[12]、湖泊[13]以及人工[14]等湿地开展了研究,关于黄河湿地生态化学计量学的研究则多集中在黄河三角洲[14- 17],这对于系统认识整个黄河流域湿地黄河水质、泥沙等对各元素生态系统化学计量学特征及影响因素远远不够。内蒙古包头黄河湿地因特殊地理位置、气候特征和水文地质条件,成为了稀缺的内陆半干旱高纬度的城市河流湿地生态系统[18]。它是由黄河改道形成,紧邻城市,湿地内以河流湿地、沼泽湿地为主[19]。由于包头市位于干旱半干旱区,且包头黄河湿地紧邻城市中心,受灌溉、农田用水、工业废水、人类活动干扰等综合因素影响,使得包头黄河湿地具有水分蒸发量大,土壤盐碱化严重,人类活动影响大等特点,包头湿地富营养化问题也备受学者关注[20]。本研究结合黄河在包头市内流经路线,从东到西沿线选择3大类6个不同特色类型湿地,以土壤C、N、P为研究对象,创新性将包头黄河湿地与其他黄河湿地、我国生态系统淋溶土、干旱土、沼泽湿地生态系统的土壤C、N、P化学计量学特征进行全面比较,探讨包头黄河湿地土壤内部C、N、P生态化学计量学特征。研究结果可以为包头黄河湿地生态恢复、湿地高效利用与保护提供科学依据,对完善和补充我国黄河沿线湿地生态系统土壤养分平衡和生态化学计量特征数据也具有重要科学价值。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古包头黄河湿地(40°14′39″N—40°33′20″N, 109°25′51″E—111°1′36″E)位于包头市南侧,黄河北岸,东至八里弯,南临鄂尔多斯市,西接巴彦淖尔市,北至黄河大堤以北2 km；全长约220 km,总面积为 29339 hm2,占全市湿地面积的81.4%[19](图1)。包头黄河湿地自西向东分别为昭君岛片区、小白河片区、南海湖片区、共中海片区、敕勒川片区,包括河流湿地、沼泽湿地、湖泊湿地和季节性积水人工湿地等类型,属黄河冲积下的形成的湿地平原,地处半干旱草原地带,典型的大陆性季风气候,年均气温8.5℃,全年无霜期148 d,年日照时数为2955—3255 h,年均降水量307.4 mm,水面年蒸发量2342 mm[21]。土壤类型为草甸土、沼泽土、盐碱土和风沙土,土壤表层以粉状沙粒为主,深层土壤以黏质颗粒为主[22],地下水位较浅(1 m左右),pH值在7.3—9.0之间,呈碱性[23]。

图1 包头黄河湿地项目区区位图Fig.1 The location map of Yellow River wetland in Baotou

1.2 分析方法和数据处理

1.2.1土壤样品的采集与处理

2016年6月,依据包头黄河各湿地积水情况和植物群落的不同,按照从西到东实地踏查,选择研究区最具有代表性和特色的3类湿地共6块样地,分别为昭君岛季节性积水区(Y1)、昭君岛常年积水区(Y2)、小白河季节性积水区(Y3)、四道沙河常年积水区(Y4)、南海子季节性积水区(Y5)和南海子常年积水区(Y6)共6个采样区,各样地基本情况见表1。其中,昭君岛属于河流型湿地,为研究区的最西端；小白河是黄河湿地包头段较大的人工湖；四道沙河为河流型湿地,该地段人为活动多；南海子属于湖泊型湿地,是黄河流域较大的牛轭湖,依靠黄河补水供水[18]。

为降低短期降水对数据的影响,雨季后采样。2016年11月,用GPS获取样地的坐标,分别于6块湿地里各确定一个100 m×100 m的固定样地,样地四周立标志桩,围封。每块样地随机选取3个土壤剖面作为重复。按0—10、10—20、20—40、40—60 cm分层取样,各相同土层样品均匀混合, 分别装入带编号的密封袋中带回实验室,去除杂质,经自然风干后,磨细过筛备用(测土壤pH、过20 目筛；测土壤有机碳、全氮和全磷含量过100目筛)。采样同时,用环刀法取样,带回测定土壤容重和含水量。土壤有机碳、全氮和全磷含量分别采用K2Cr2O7-H2SO4消煮法、凯氏定氮法和钼锑抗分光光度法测定；土壤酸碱度(pH)、含水量分别采用电位法、烘干法测定。

1.2.2数据处理

采用SPSS 20.0软件进行数据统计和比较分析,用单因方差分析(One-way ANVOA) 进行差异显著性分析。并采用 Duncan 法进行多重比较,以 T 检验,判断测定指标差异是否显著。土壤碳、氮、磷、含水量、容重等因子与 C/N、C/P、N/P 的相关性分析采用 Pearson 相关分析。采用Excel 2010进行数据作图。

表1 研究区样地概况

2 结果与分析

2.1 不同类型湿地的土壤理化性质

包头黄河湿地水土壤基本理化性质见表2。研究区域均为盐碱地,常年积水情况不同,土壤理化性状也不同(表2)。6处湿地的容重范围为1.01—1.49 g/cm3,容重比较为Y5>Y3>Y2>Y1>Y4>Y6；含水量变化范围为23.63%—57.32%,各湿地之间比较顺序为Y6> Y4> Y2> Y5> Y3> Y1；pH值变化范围为7.46—8.64,研究区土壤整体偏碱性,pH高于中国湿地 pH 范围(6. 5—7. 5)[14]；研究区湿地土壤含盐量在1.13—15.66 g/kg之间,不同湿地间含盐量差异显著。整体而言,常年积水性湿地土壤容重较低,含水量较高,pH值较低。季节性积水湿地土壤裸露,土壤水分蒸发较大,土壤全盐量较高,pH值高。

表2 包头黄河湿地不同类型湿地的土壤容重、含水量和pH值

表中字母表示同列不同样地差异显著(P<0.05)

2.2 不同湿地间土壤有机碳、全氮、全磷含量及垂直剖面分布特征

包头黄河各类型湿地土壤SOC、TN、TP含量变化范围较大,土壤TN含量比较低,变异系数较大,SOC、TP含量相对丰富,变异系数较小(表3)。各湿地0—60 cm土壤SOC含量范围为3.15—30.39 g/kg,均值为8.98 g/kg,水平分布差异明显；TN范围为0.15—1.14 g/kg,均值为0.34 g/kg,不同类型湿地土壤0—10 cm表层TN含量差异较大(图2)；TP为0.59—1.96 g/kg,均值为0.86 g/kg,各湿地有SOC、TN、TP变异系数分别为21.36%、37.38%、12.30%。垂直剖面上,土壤SOC、TN和TP含量均随土层深度增加呈现垂直波动减小的变化规律(图1)。除昭君岛季节性积水湿地、昭君岛常年积水湿地SOC含量垂直方向上下降趋势不太明显外,其他四个湿地的SOC含量下降趋势均较大,并且不同层次土壤SOC含量差异显著,峰值出现在0—10 cm土层,同一区域常年积水性湿地SOC含量高于季节性积水性湿地。TN含量在小白河季节性积水区、四道沙河常年积水区、南海子常年积水区样地各土层间差异性显著,在昭君岛季节性积水区、昭君岛常年积水区、南海子季节性积水区各土层间差异不显著；除南海子季节性积水区外,各湿地TN含量峰值出现在0—10 cm土层,同一区域常年积水型湿地TN含量显著高于季节性积水型湿地。TP含量在小白河季节性积水区、四道沙河常年积水区、南海子常年积水区样地0—10 cm土层较高,在其他各样地各层间差异性不显著。

表3 不同类型湿地0—60 cm土层土壤SOC、TN、TP及其统计学特征

图中字母表示同列不同样地间差异显著(P<0.05)

图2 不同类型湿地土壤有机碳、全氮及全磷的空间分布特征Fig.2 The spatial distribution characteristics of soil TOC, TN and TP in different wetlands图中不同字母表示同一样地不同土层间差异显著(P<0. 05);Y1: 昭君岛季节性积水型湿地;Y2: 昭君岛常年积水区型湿地;Y3: 小白河季节性积水型湿地;Y4: 四道沙河常年积水型湿地;Y5: 南海子季节性积水型湿地;Y6: 南海子常年积水型湿地

2.3 不同湿地的C、N、P生态化学计量特征

包头黄河湿地土壤C、N、P化学计量比在不同类型湿地间存在显著差异(P<0.05)(表4)。整体而言,包头黄河湿地土壤碳氮比(C/N)为18.26—36.02,均值为25.39,四道沙河常年积水湿地C/N显著高于其他湿地；土壤碳磷比(C/P)为4.99—8.84,均值9.26,、昭君岛季节性积水湿地、四道沙河常年积水湿地、南海子常年积水湿地C/P显著高于其他湿地；包头黄河湿地的氮磷比(N/P)整体偏低,范围在0.2—0.39之间,均值为0.37,昭君岛季节性积水湿地、昭君岛常年积水湿地、南海子常年积水区湿地N/P显著高于其他湿地。

表4 不同湿地土壤的C/N、C/P、N/P的比值

数据为平均值土标准差,同行不同字母表示差异显著(P<0. 05)

2.4 土壤C、N、P生态化学计量比与土壤各因子的相关性

土壤理化性质通过影响植物群落的生长和演替,进而影响土壤中各元素的含量及其分布[24]。由表4获知,包头黄河湿地土壤SOC仅与N/P不相关(P>0.05),与其他碳氮磷化学计量特征具有极显著正相关性(P<0.01)；TN与SOC、TP、N/P和C/P具极显著正相关(P<0.01),与C/N相关性不显著；TP与SOC、TN、C/N和C/P呈极显著正相关(P<0.01),与N/P相关性不显著。样地土壤物理性质与土壤C、N、P化学计量比之间均表现出一定的相关性。土壤含水量与SOC、TN、TP、C/N和C/P呈极显著正相关(P<0.01),与N/P相关性不显著；土壤pH与SOC、TN、TP、C/N、N/P呈显著负相关(P<0.05),和C/P呈极显著负相关(P<0.01)；土壤容重和TP、C/N呈极显著负相关(P<0.01),与其他化学计量特征之间负相关,但相关性不显著。

表5 土壤TN、TP、C/N、C/P、N/P与土壤理化因子的相关性

** 在 0.01 水平(双侧)上显著相关。* 在 0.05 水平(双侧)上显著相关

2.5 包头市黄河湿地与国内其他湿地营养状况的比较

将包头黄河湿地0—60 cm土层中的TN、SOC、TP、C/N、C/P和N/P与中国淋溶土壤、中国干旱土壤、中国沼泽湿地土壤以及黄河沿线的其他典型湿地进行比较。结果表明,包头市黄河湿地土壤的TN含量、C/P和N/P值,低于中国淋溶土、中国干旱土、中国沼泽湿地和其他典型湿地的平均值；TP含量和C/N值高于中国淋溶土、中国干旱土、中国沼泽湿地和其他典型湿地的平均值；而其SOC含量为11.20 g/kg,远高于黄河三角洲和宁夏湿地的SOC含量(表6)。

表6 包头黄河湿地土壤中C、N、P含量及其比值与国内其他湿地的比较

Table 6 The comparison of contents of C, N, P in the soil and their ratios of the Yellow River wetlands in Baotou and other wetlands in China

湿地名称Wetland nameTN/(g/kg)SOC/(g/kg)TP/(g/kg)C/NC/PN/P土壤深度Soil depth/cm参考文献References黄河三角洲Yellow River Delta0.47—1.274.33—7.740.43—0.636.71—12.3125.762.09表层[14-17]宁夏湿地Ningxia plain0.908.60.4310.28—12.8718.68—25.221.55—2.140—40[25]中国淋溶土壤China mollisols———12.1±0.2463.5±2.65.46±0.290—10[26]中国干旱土壤China aridisols11.24±0.2229.0±1.82.60±0.150—10[26]中国沼泽湿地Chinese wetland———18.22±7.51245.22±227.5213.60±16.81[27]包头黄河湿地Yellow River in Baotou0.42 11.20 0.98 25.39 9.26 0.37 0—60本研究

3 讨论

3.1 包头黄河不同类型湿地土壤有机碳、全氮和全磷含量特征

C、N、P不仅是表征土壤肥力水平的重要元素,在探究限制土壤生产力元素平衡和生物系统能量平衡过程中也起着重要作用[28-29]。生态系统中C、N、P等元素的循环是相互耦合,相互平衡的[30],在相对稳定的条件下,生态系统内元素的储量以及化学计量特征是由质量守恒原理和其他关键元素(如氮、磷等)的供应控制的[31]。土壤C、N、P化学计量特征因受到地貌、气候、植被、土壤动物和人类活动的多因素影响,外加包头黄河湿地供水主要依赖于黄河干流的供给或其渗漏地下水的补给,以及黄河河床对地下水的侧向补给,环境均一性较差,故其土壤C、N、P空间变异性较大[32]。本研究中SOC、TN含量在不同类型湿地0—10 cm土层含量均显著高于其他土层,且随着土层深度增加垂直方向上呈波动减少趋势,二者含量具明显的“表聚性”和一定范围内的“相随性”,在剖面上呈现出“倒金字塔”的分布,这与前人的研究结果一致[12,33-34]。包头黄河湿地植被大多数为一年生草本,植物根系多集中在0—20 cm,而土壤SOC、TN含量显著受植被生物量、微生物呼吸作用以及植被根系分布深度的影响,地表丰富的生物量以及凋落物的分解均为表层土壤提供了充足的碳、氮源[35]；此外,由于雨水淋溶以及水分作用,养分向土壤深层迁移扩散能力随土壤深度增加而下降,从而导致不同类型湿地土壤SOC、TN含量随土层加深而逐渐减小。包头黄河湿地TP含量范围在0.60—1.96 g/kg之间,含量较高,且TP含量在不同类型湿地垂直方向上变化不显著,变异系数较低。Walker等[36]和Qu等[37]认为 P的循环属于沉积型循环,土壤中的P部分来自沉积岩中P的释放,部分来自于枯枝落叶的分解,且主要由土壤母质决定,而成土母质来源于土壤矿物风化,0—60 cm土壤矿物风化程度差异不大,所以土壤TP含量的垂直递减速率要远慢于土壤SOC 和TN含量,导致土壤 TP具有相对稳定的垂直分布,变异系数较小。

包头黄河湿地常年积水性湿地(如：南海子常年积水区、四道沙河常年积水区)的 SOC、TN、TP含量均显著高于季节性类型湿地。常年积水性湿地植被生物量和凋落物量显著大于季节性积水湿地,此外,常年积水型湿地植被类型以芦苇、香蒲、酸模、大蓟等多年生草本植物为主,屈凡柱等[4]认为,芦苇沼泽湿地为高碳输入低碳输出,具有较高生产力,凋落物完全返还于土壤,而芦苇较发达的根系也可以缓冲水分对氮素的冲刷和淋溶等；豆鹏鹏等[38]认为,比叶面积越大的植物, 单位质量凋落物与水的接触面积也就越大, 有利于氮和磷的溶出,从而影响土壤的碳氮磷含量；再加上本研究中,常年积水型湿地多处于淹水状态,厌氧环境减少了氮素流失,抑制有机质分解,有利于土壤碳、氮储存。

3.2 包头黄河湿地土壤碳、氮、磷的生态化学计量学特征及其与主要环境因子的关系

包头黄河湿地因为受到黄河水分补给、黄河泥沙汇入、植被、水量盐度差异以及包头重工业的影响,使得其土壤C、N、P元素的循环和化学计量研究更为复杂。本研究中SOC与TN含量呈极显著正相关(表4),这说明包头黄河湿地中C、N源应该是一致的,主要来源于生物群落。包头黄河湿地TN含量和SOC、TP、N/P和C/P具极显著正相关(P<0.01),却与C/N相关性不显著,这和以往前人的研究大不相同[3,39-40]。分析认为,本研究中SOC、TN在各样地土壤垂直层中的变化趋势一样,两组数值相对平行性较高,弱化了TN与C/N的相关性,但是正是由于这样的不相关,以及TP与SOC、TN、C/N和C/P变现出来的极显著正相关(P<0.01)性,说明限制包头黄河湿地碳C、P有效循环的因素可能是N素的缺乏。土壤pH与SOC、TN、TP、C/N、N/P、C/P呈显著负相关(P<0.05), pH值影响土壤微生物活性,间接影响化学元素在土壤中的固定、分解和积累效率。pH降低,土壤有机质降解速率减缓,积累速率增加,反映了土壤C的累积,对应C/N比值升高,如果在淹水状态下,微生物呼吸作用将消耗大量的P,导致土壤N/P、C/P比值升高,如四道沙河常年积水区和南海子常年积水区。

Paul和Clark[40]认为C∶N∶P比值是预测土壤养分限制性和有机质分解速率的重要指标。土壤C/N是用来评价土壤N矿化能力和有机质分解能力是否会受土壤N限制的重要指标。C/N<25,表明土壤有机质腐殖化程度高,易于有机质矿化,增加土壤有效氮,且有机质的分解不会受到N的限制；反之,土壤微生物对有机质的分解速率将受到N含量限制[17,40]。包头黄河湿地C/N均值为25.39,显著高于全国淋溶土(12.1)、干旱土(12.1)、全国沼泽湿地(18.22)以及其他黄河沿线湿地C/N值,N/P值仅为0.37,远低于全国淋溶土(5.46)、干旱土(2.6)、沼泽湿地土(13.6)以及其他湿地土壤N/P的平均值,可以发现包头黄河湿地土壤处于N限制状态。对若尔盖湿地土壤碳、氮、磷化学计量学的研究表明,土壤C/N、C/P、N/P均随湿地退化而减小,较高的C/P与N/P<14揭示氮、磷元素均是影响植物生长的限制性因素,且受氮素限制高于磷素[41]。曾全超[42]对陕北地区不同纬度下5种典型植被区土壤生态化学计量指标研究发现,高纬度区域的植被更易受N素限制,低纬度植被更易缺P。而大量关于土壤固定过程C/N比值研究表明[32,43],植物是陆地生态系统土壤C、N的主要来源,而P含量主要取决于土壤母质和岩石风化。本研究结果表明包头黄河不同类型湿地土壤中C∶N∶P均值为69∶25∶1,该湿地生态系统的养分变化剧烈且具脆弱性。

4 结论

内蒙古包头黄河湿地土壤SOC、TN和TP 含量平均值分别为11.20、 0.42、0.98 g/kg,与全国湿地、黄河沿线湿地相比,其土壤中SOC、TP含量较高,TN含量较低。SOC与TN、TP含量都呈极显著正相关(P<0.01)。土壤SOC、 TN含量几乎在垂直方向上均表现出波动减小的趋势,二者含量具有明显的“相随性”和“表聚性″。TP含量变化稳定,除了2个常年积水型湿地(四道沙河常年积水区、南海子常年积水区)0—10 cm土层TP含量明显高于其他湿地各土层外,其他湿地的TP含量在垂直剖面上差异不大；总体上,包头黄河湿地土壤TN含量变异系数较高,SOC、TP含量变异系数较低。

包头黄河湿地含水量与SOC、TN、TP、C/N、C/P含量极显著负相关(P<0.01),与N/P不相关。土壤容重和TP、C/N极显著负相关(P<0.01),与其他不相关。SOC、TP与C/N、C/P极显著正相关,与N/P不相关；TN含量与C/P、N/P极显著正相关,与C/N不相关。与中国淋溶土、中国干旱土、中国沼泽湿地以及黄河沿线其他湿地相比,包头黄河湿地土壤C/N较高,为25.39,不利于微生物分解作用；C/P、N/P分别为9.26、0.37,TP含量较高,但是P有效性却较低,TN含量及其有效性可能是限制包头黄河湿地土壤碳、氮、磷等元素循环及其生态化学计量特征的关键因子。