闽江河口湿地不同植被带土壤全硅的含量及分布特征

2020-12-14邱思婷米慧珊翟水晶

生态学报 2020年22期

邱思婷, 米慧珊,高会,翟水晶,3,*

1 福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室, 福州 3500072 福建师范大学地理科学学院, 福州 3500073 福建师范大学地理研究所, 福州 350007

硅(Silicon,Si)是地壳中含量第二丰富的元素,也是湿地生物地球化学循环过程中的一种基本养分[1],在促进植物生长、缓冲土壤酸碱度、调节大气二氧化碳浓度等许多生物地球化学过程中起着重要作用[2- 4]。一般认为,硅酸盐矿物的风化作用和溶解作用控制着土壤溶液和水系中的二氧化硅通量[5],生物过程只通过影响矿物的风化程度和溶解速度参与硅的生物地球化学循环过程[6]。然而研究发现活生物体在地球硅循环过程中具有驻留和释放硅的作用[3],特别是植物可以从土壤溶液中吸收大量的硅,最终通过凋落物返还到土壤中。不同类型的植物对土壤硅的利用程度不同,陆地硅循环明显也依赖于植被类型。在硅的生物地球化学循环过程研究中,关于土壤生物硅、有效硅等形态的硅素研究占绝大多数,而关于二氧化硅或全硅的研究偏少。由于对土壤硅的重视程度低,目前大多数国家的土壤监测系统中,硅只作为一种作物养分,其研究范围主要局限在水稻种植区[7],而在非水稻土壤数据库(尤其是自然湿地)中很少有土壤全硅的记录[8]。在中国早期对土壤全硅含量的调查,一般是全量(容量因素)和有效态(强度因素)研究同步进行,但局限于农业土壤硅素研究[9-10]。

河口沼泽湿地是响应全球变化和人类活动最敏感的生态系统之一[1,11],也是重要的生物硅汇[12-13]。闽江河口湿地处于热带与亚热带的过渡地带,其典型的酸性土壤在强降雨和高温的影响下,风化淋溶作用明显,且其复杂的水文状况和植被生长能有效反映湿地硅生物地球化学变化的交互作用。目前已开展了湿地土壤间隙水中活性硅酸盐[14-15]、土壤生物硅[16]和有效硅[17]等研究,研究发现植物对这些较为活跃的硅影响较大,而关于植物类型对土壤全硅含量的影响尚不清楚。鉴于此,本研究于2016年1—12月,以闽江河口鳝鱼滩的短叶茳芏湿地、互花米草湿地及其二者的交错带湿地土壤为研究对象,采用定位研究方法,探讨了生长不同类型植物的湿地土壤全硅的时空分布特征及其影响因素,以期为全面认识河口湿地土壤硅素的生物地球化学循环提供重要基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

鳝鱼滩湿地(119°34′12″—119°41′40″E,26°00′36″—26°03′42″N)是闽江河口最大(约120 hm2)的砂泥质洲滩天然湿地,位于琅岐岛至长乐区潭头镇和梅花镇的梅花水道,呈近东西走向的弯曲长条状分布。研究区处于中亚热带和南亚热带的过渡地带,气候暖热潮湿,雨热同期,年平均气温19℃,年平均降水量可达1380 mm[18]。区内潮汐属于典型的正规半日潮,水文条件相对复杂。土壤类型为滨海盐土和沙土,偏酸性。研究区位于闽江入海口,2002 年以来外来物种互花米草(Spartinaalterniflora)入侵本区中低潮滩,不断向土著植被扩张。短叶茳芏(Cyperusmalaccensis)是该湿地的优势土著种。植物群落由陆向海方向总体呈带状分布,群落之间的交错区域明显,且有一定宽度(约50——100 m)。

1.2 样品采集与处理

根据植物生长特点,在鳝鱼滩湿地中西部的潮滩地段设置一条样带(图1),由陆向海方向选取3个样地,分别是短叶茳芏湿地(记为W1)、短叶茳芏与互花米草的交错带湿地(简称交错带湿地,记为W2)以及互花米草湿地(记为W3)。2016年1—12月,采用定位研究方法,在每个样地里分别设置3个重复(相距5 m左右),每月用直径10cm,高80cm的柱状土壤采样器采集0—60cm土壤样品,以10cm厚度现场分割为6层(0—10、10—20、20—30、30—40、40—50和50—60 cm),立即将土壤样品装袋,带回实验室,待自然风干后,捡去杂质,研磨过80目筛,保存待测。

图1 研究区和采样点位置Fig.1 Locations of study area and sampling sites W1、W2和W3分别代表短叶茳芏湿地、交错带湿地和互花米草湿地

1.3 样品测定

土壤全硅含量采用碱融-钼蓝比色法测定二氧化硅的方法测定[19- 20]。

每月采集土壤的同时,采用便携式仪器原位测定各土层土壤的理化性质。土壤电导率采用便携式电导率仪(ECTestr11+)测定；土壤pH和温度采用便携式pH计(IQ150, USA)测定；土壤含水量采用便携式土壤墒情速测仪(TZS- 1, China)测定；土壤有机质用高温外热重铬酸钾容量法测定[20]。土壤粒度采用Master Sizer2000激光粒度分析仪测定,按照国际制分类[21]。闽江河口湿地2016年1—12月不同类型湿地土壤理化性质见表 1,表中数值为12个月 6 层土壤的平均值±标准误(n=216) 。

表1 不同类型湿地土壤理化性质

1.4 指标计算

土壤剖面第j层单位面积全硅储量LSi(kg/m2)：

LSi=CSi×dvj×hj/100

式中,CSi表示第j层土壤全硅含量(g/kg),dvj表示土壤容重(g/cm3),hj表示土壤剖面深度(cm),100为换算系数。

土壤全硅总储量(TSi, kg/m2)为单位面积某深度(j到n层)土壤全硅储量之和,即：

1.5 数据分析

运用Microsoft Excel 2010和Origin 8.0对土壤全硅含量、储量以及土壤理化性质等数据进行分析处理和制图,采用SPSS 19.0对土壤全硅含量进行单因素方差分析(One-way ANOVA),并对土壤全硅含量和土壤理化性质等数据进行Pearson相关分析(Pearson′s correlation coefficient)、主成分分析(Principal component analysis, PCA)和逐步线性回归分析(Stepwise linear regression analysis),显著性水平设定为0.05。

2 结果

2.1 闽江河口湿地各植被带土壤全硅含量的时空变化特征

2016年1—12月期间,闽江河口湿地3种类型植物湿地土壤全硅含量均表现为先降低后升高、秋冬季高于春夏季的趋势(图2)不同植被带土壤全硅含量在不同月份之间均存在显著性差异(P< 0.01)。各植被带土壤全硅含量在4—5月降到全年最低水平,1—3月与10—12月土壤全硅含量均在200mg/g以上,整体高于其他月份。其中,1—3月短叶茳芏湿地和互花米草湿地的土壤全硅含量基本保持不变,而二者交错带湿地的土壤全硅含量有明显波动变化。

图2 闽江河口不同类型湿地土壤全硅含量的时间变化特征Fig.2 Temporal variance of total silicon content in soils in different types of marshes in the Min River estuary

图3 闽江河口不同类型湿地土壤全硅含量的剖面变化特征Fig.3 Vertical variance of total silicon content in soils in different types of marshes in the Min River estuary

图4 闽江河口不同类型植物湿地土壤全硅储量分布Fig.4 Distribution of total silicon storage in soils in different types of marshes in the Min River estuary

2.2 闽江河口湿地各植被带土壤全硅含量的剖面变化特征

从剖面来看,闽江河口3种植物类型湿地土壤全硅年平均含量随深度增加略呈下降趋势(图3),不同土层之间存在显著性差异(P< 0.01)。不同植物类型湿地土壤全硅平均含量整体表现为短叶茳芏湿地(197.67 mg/g)<交错带湿地(201.21 mg/g)<互花米草湿地(210.33 mg/g),其中交错带湿地土壤全硅含量在20—30cm土层(193.17 mg/g)远低于纯植物群落湿地。3种植物类型湿地土壤全硅含量在30—40cm土层达到相同水平(206.28 mg/g),且均在40—50cm土层最低。

2.3 闽江河口湿地各植被带土壤全硅储量分布特征

闽江河口不同类型植物湿地0—60 cm土壤全硅储量由陆向海方向整体上呈递增趋势(图4),表现为短叶茳芏湿地(102.94kg/m2)<交错带湿地(106.02 kg/m2)<互花米草湿地(109.11 kg/m2)。3种植物类型湿地0—30cm土层土壤全硅储量整体高于30—60cm土层,其中0—10cm土层土壤全硅储量最高。方差分析表明,0—60 cm土层土壤全硅储量在不同类型湿地之间均具有显著性差异(P<0.01)。

3 讨论

3.1 影响土壤全硅含量的主要因素

利用Pearson分析河口湿地土壤全硅的含量与土壤理化性质(表1)的相关性发现：土壤全硅含量与pH、含水率和粘粒之间均呈极显著正相关关系(P< 0.01)；与土温呈极显著负相关关系(P< 0.01),与有机质和EC均呈显著负相关关系(P< 0.05)(表2)。为了明确影响闽江河口湿地土壤全硅含量分布的主要因子,对影响不同类型湿地全硅含量(Y)的主要环境因素(XEC,XpH,X含水率,X土温,X有机质,X粘粒,X粉粒,X砂粒)进行主成分分析(表3)。结果表明：影响短叶茳芏湿地土壤全硅含量的主要因子是有机质、土温和粉粒；影响交错带湿地土壤全硅含量的主要因子是含水量、土温和砂粒；影响互花米草湿地土壤全硅含量的主要因子是土温、pH和砂粒。进一步对不同湿地识别出的主要影响因子进行逐步线性回归分析,结果发现：短叶茳芏湿地中只有有机质进入回归方程,即YW1=223.651-4.690X有机质(P< 0.01),说明其土壤全硅含量主要受土壤有机质含量的影响；交错带湿地中只有含水率进入回归方程,即YW2=123.446-1.581X含水率(P< 0.01),说明其土壤全硅含量主要受土壤水分含量的影响；互花米草湿地中只有pH进入回归方程,即YW3=116.976-15.059XpH(P< 0.01),说明其土壤全硅含量主要受土壤酸碱状况影响。综上,闽江河口鳝鱼滩湿地土壤全硅含量受土壤有机质含量、含水率和pH值的共同影响。

表2 闽江河口湿地2016年土壤全硅含量与土壤理化性质相关关系

有研究表明,含有机质较多的土壤全硅含量较高[22],但也有研究发现土壤全硅含量与有机质含量之间的相关关系并不显著[23],甚至负相关[24]。本研究中有机质与土壤全硅含量之间呈显著负相关关系(P< 0.05),这可能与土壤容重有关。闽江河口湿地有效硅含量与土壤容重显著负相关(P< 0.05)[25],容重大的土壤其土层坚硬度大,植物根系生长时根系遇到的阻力大,地下生物量小[26],不利于有效硅累积。研究发现土壤全硅含量与土壤有效硅含量之间无显著相关性,或者变化趋势相反[27- 28],原因可能是矿物分解使得土壤中可以转化为单硅酸的成分增多。相关分析结果表明,闽江河口短叶茳芏湿地土壤全硅含量与土壤有效硅含量之间无显著相关关系(P> 0.05)；短叶茳芏-互花米草交错带湿地、互花米草湿地中土壤全硅含量均分别与土壤有效硅含量存在显著负相关关系(P< 0.05)。另外,土壤容重大、根系生物量少的情况下,由根系衰败腐烂转化而成的土壤有机质也相应变少,因此导致闽江河口湿地土壤全硅含量与有机质含量呈现一种反相关的趋势。本研究也发现土壤含水率与土壤全硅含量之间呈极显著正相关关系(P< 0.01),土壤中可溶性硅含量会随土壤水分滞留时间增加而增加[1]。有研究发现互花米草湿地土壤间隙水含硅量(359mg/g)高于短叶茳芏(344mg/g)[14],原因可能在于互花米草湿地靠近海洋,受潮汐影响大,水淹时间较短叶茳芏湿地长,原本可能与硅结合的铁在排水不良的土壤溶液中被还原而释放出硅,而且有机质的矿化速率在土壤通气不良的条件下变低从而易于其累积保存和溶解,这都能够增加土壤含硅量[16,22]。土壤酸碱度对土壤全硅的影响与土壤粘粒对硅酸的吸附作用有关。土壤中的单硅酸可吸附在各种氧化物及铝硅酸盐矿物表面裸露的—OH基团上成为吸附态硅酸[29],随着pH值的增加,土壤粘粒对硅酸的吸附量也增加,硅酸盐吸附到带电的土壤颗粒上[30],淋溶作用减弱,硅酸不容易被淋失。但是这种正效应只在6 < pH < 8的情况下成立,即在土壤呈酸性或中性的湿润地区,pH值与土壤含硅量正相关；在土壤呈中性或碱性的干旱地区,pH值与土壤含硅量负相关[23]。鳝鱼滩湿地位于亚热带湿润地区,降水量丰富,土壤呈弱酸性,淋溶作用强,土壤pH值(均值为6.19)与全硅含量之间存在显著正相关关系(P< 0.01)。总之,土壤有机质含量多,容重大,含水量高,以及酸性土和中性土的酸碱度增大都会造成土壤含硅量高。

表3 特征值及主成分矩阵

3.2 闽江河口湿地各植物带土壤全硅的分布差异

除了土壤理化性质对闽江口湿地全硅含量有一定影响,其生长的植物对土壤全硅的年平均含量和储量也有重要的影响,大致上由陆向海方向整体上呈递增趋势。首先,有研究发现互花米草入侵使河口湿地土壤有机碳含量显著增加[31],土壤结构得到改善,土壤吸附作用增强,土壤溶液中的单硅酸不易被淋失。而且互花米草湿地具有良好的促淤作用,能有效地将水体中的颗粒物、粘粒成分和营养物质拦截下来[32],减缓了土壤硅水平迁移幅度的同时,粘粒在互花米草湿地累积变多,增强了土壤对硅酸的吸附能力。其次,闽江河口互花米草湿地由于淤积层的存在,土壤吸附硅酸的能力较强,且土壤还原性增强,硅的释放量增加,这就导致互花米草湿地土壤全硅含量和储量均高于其他两个群落。翟水晶[14]研究闽江口潮滩湿地各植被带土壤及间隙水中硅的分布特征时发现近海区互花米草湿地土壤生物硅含量和土壤间隙水中的活性硅酸盐含量均大于近岸区短叶茳芏湿地,这与本文研究结论基本一致。由于互花米草的促淤功能以及对硅素较强的累积功能,导致短叶茳芏和互花米草的交错带湿地土壤全硅含量和储量均高于短叶茳芏湿地。本研究中短叶茳芏湿地土壤全硅储量(102.94 kg/m2)低于交错带湿地(106.02 kg/m2)和互花米草湿地(109.11 kg/m2),这与高会[25]在闽江口鳝鱼滩得到的短叶茳芏湿地土壤生物硅储量小于互花米草湿地的研究结果吻合。

鳝鱼滩湿地3种类型植物湿地土壤全硅含量2016年1—12月整体表现为先降低再升高,秋冬季高于春夏季,这可能是由于秋冬季节土壤淋溶作用弱,土壤硅淋失量低,且植物枯落物返还地面显著增加了土壤硅的含量。闽江河口湿地是闽江入海携带的物质流、能量流的必经之地,闽江汛期(4—9月)多年平均径流量占年径流量的71.2%—79.1%,其中4—6月径流量约占全年的50%。而非汛期(1—3月、10—12月)径流量只占年径流量的20.9%—28.8%[33]。自4月份开始大量淡水被输入到河口区域,对鳝鱼滩湿地有一定的“稀释”效应。同时,湿地植物一般在3—4月开始快速生长,从土壤中吸收硅酸盐的量也大大增加,从而导致土壤全硅含量在4月份最低。另外,闽江河口不同植被类型湿地土壤全硅含量和储量均表现为上部土层(0—30cm)高于下部土层(30—60cm),这一方面可能与地表岩石容易被风化侵蚀有关,另一方面与植物分解也有一定关系。一般来说土壤表层的矿物更易遭受风化剥蚀作用,硅素释放量较多[34]。以岩石矿物的风化作用为起点,硅被释放到土壤溶液中；植物生长时,依靠其发达的根系从土壤中吸收并累积硅素营养[34]；植物死亡后,枯落物在土壤表层堆积分解,释放硅素[35],二者共同增加土壤表层硅的输入。而湿地下层土壤受风化作用、枯落物返还作用、地表径流和潮汐作用的影响比上层土壤弱,因此,导致其土壤全硅含量和储量低于上部土层。

3.3 闽江口湿地土壤全硅含量与国内外其他地区对比

有研究表明土壤全硅含量主要受母质组成的影响[27,36]。据统计,中国东部热带、亚热带地区土壤中全硅的含量变化范围是230.14—668.05 mg/g,其中发育于花岗岩母质的土壤剖面中全硅的含量(> 66%)明显高于发育于玄武岩母质的土壤剖面中全硅的含量(< 45%)[27,36]。此外,土地利用方式和地域不同也会导致土壤全硅含量的差异。耕地、农田经常施加硅肥,其土壤的硅含量一般都较高[27,37]。同是耕作性土壤,安徽省的土壤全硅含量(594.50 mg/g)[26]明显高过夏威夷(280.00mg/g)[38]、海南岛(353.89mg/g)[27]的土壤全硅含量。这是由于土壤的脱硅富铝化作用使热带和亚热带土壤中的硅酸和盐基遭受淋失,黏粒和次生矿物不断形成,铁铝氧化物明显聚积。南方持续的湿热天气使土壤长期处于脱硅富铝化的过程中,硅酸大量淋失。而北方地区的降雨量和地面径流偏少,流域面积也偏小,能较好地保存土壤中可淋溶的那部分硅。一般越靠近赤道的地区,其土壤受气候和水文条件的影响越强烈,矿物风化淋溶作用较强,粘粒淋溶淀积作用十分明显。纬度高的地区,即使有充足的水分,土壤中的硅在低温环境条件下也很难释放出来[39]。闽江口湿地位于亚热带和南亚热带海洋性季风气候区的过渡带,雨热同期。一方面,高温促进了岩石矿物的风化和硅的释放,而另一方面,规律性的半日潮、丰富的降水量和地表径流量加速了硅的流失。另外,闽江河口湿地土壤是偏酸性的滨海盐土和沙土,透水通气性能好,利于植物扎根生长,但是对硅酸的吸附能力不强,导致鳝鱼滩湿地的土壤全硅含量低于其他地区(表4)。