黄河三角洲新生湿地3种柽柳灌丛对土壤有机碳空间分布的影响研究

2022-03-11王浩陈永金刘加珍万波张丽

生态环境学报 2022年1期

王浩，陈永金，刘加珍，万波，张丽

聊城大学地理与环境学院，山东聊城 252059

河口盐沼湿地是重要的湿地类型之一，虽然占地面积比其他生态系统小的多，但确能有效沉积、捕获土壤有机碳，是重要的碳汇（Li et al.，2019；初小静等，2016）。黄河三角洲是中国三大河口三角洲之一，拥有世界上最广阔的暖温带滨海河口湿地生态系统，也是中国最年轻的新生湿地。然而受黄河改道和人为活动等因素的作用，不同类型生态系统彼此交错重叠，植被的正向演替和逆向演替频繁发生，生态系统极不稳定，影响土壤碳的固存（Feng et al.，2021；李连伟等，2018）。

柽柳是盐碱地土壤改良和植被构建的先锋物种，通过积累土壤养分、加速盐分淋洗防止积盐返盐等生态特征，充分发挥了其抑制盐渍化、改良土壤的作用（Yin et al.，2010；Xie et al.，2019）；特别是柽柳灌丛冠覆下的土壤资源相对集中，土壤养分含量由植株向外逐渐降低，形成肥岛（Li et al.，2021；张立华等，2015）。作为灌丛植物由于其相对较为发达的根系系统，可以从周围的土壤中聚集营养，进而导致植物周边土壤的物质循环发生改变（Li et al.，2007；Zhao et al.，2016），这种土壤肥力的小尺度空间异质性，不仅是柽柳提高养分利用效率和适应贫瘠环境的主要对策和重要机制，也对植被分布格局和生态系统整体的稳定平衡有重要影响（Zhao et al.，2005；Rong et al.，2016）。

在黄河三角洲新生湿地的植被演替过程中，柽柳灌丛生态系统是由沼生盐生植物生态系统逐渐向暖温带落叶阔叶林生态系统演替的中间环节（Sun et al.，2020；张绪良等，2009）。在潮汐作用、降水径流等交互作用下，柽柳灌丛的植物组成也存在明显的变化规律，随土壤养分的累积、盐分的降低和地表的抬升，群落的物种组成逐渐由柽柳与碱蓬逐渐演替为柽柳和禾草（Zhang et al.，2021；宋创业等，2008）。不同的植物会影响土壤有机碳的固存和释放，而土壤有机质等肥力因素的变化也会影响植物的生产力和竞争力，植物和土壤间的这种反馈作用影响植物群落的演替过程（Zhang et al.，2007；白世红等，2010）。现有研究发现不同类型柽柳灌丛下土壤有机碳等肥力因子有显著的差异（Guo et al.，2021；Yang et al.，2021），然而目前对柽柳灌丛在不同演替阶段土壤有机碳空间分布特征的论述还较少见诸报道；特别是在黄河三角洲新生湿地，柽柳灌丛演替过程中土壤有机碳分布特征的变化规律及其与土壤盐分、水分的关系还需进一步研究。

本研究在黄河三角洲新生湿地区，选择3种柽柳灌丛群落，分析其土壤有机碳的空间分布特征，研究柽柳群落在演替变化过程中的土壤有机碳及其分布的变化规律，探讨土壤有机碳与水盐环境的关系，可为深入研究河口盐沼湿地动态变化和生态保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省东营市，区域年均气温为12.2 ℃，年均降水量约为550 mm，其中主要集中于夏季，降水量年际变化较大，年均蒸发量约为1800 mm，大概是降水量的3倍。地貌类型主要为河成高地、微斜平地、洼地等；潮滩地貌分高潮带、潮间带两种；潮下带地貌由河口水下三角洲与废弃河口水下崖坡等组成（宋创业等，2008）。土壤形成时间短，物质组成以粉砂为主，沙黏层次变化复杂，土壤类型以潮土和盐土为主。

新生湿地是由于 1855年以来黄河尾闾不断摆动而形成的，并受河道摆动、黄河径流侧渗和水量变化等因素的影响，生态系统表现出易变性、不稳定性和脆弱性，植被正向演替和逆向演替交替进行（Tao et al.，2011）。本研究区以耐盐植物为主，优势种为盐地碱蓬（Suaeda salsa (L.) Pall.）、柽柳（Tamarix chinensis Lour.）、白茅（Imperata cylindrica(L.) Beauv.）和獐茅（Aeluropus littoralis (Gouan)Parl.）等。

1.2 土壤采集

本研究样地位于黄河三角洲自然保护区南侧约1 km 处，位置坐标为 37°43′46.57′′—37°42′38.59′′N，118°59′23.78′′—118°58′15.41′′E。在样地内选择柽柳-碱蓬（Tamarix-Suaeda）群落、柽柳（Tamarix chinensis）群落和柽柳-禾草（Tamarix-Gramineae）群落3种类型为研究对象，其中柽柳-碱蓬群落样地最靠海，柽柳-禾草群落样地最靠黄河，柽柳群落样地位于二者之间的过渡地带。柽柳-碱蓬群落以柽柳和碱蓬为优势种，极少见其他伴生物种；柽柳群落以柽柳为优势种，林下零星可见中华补血草（Limonium sinense(Girard) Kuntze）、芦苇（Phragmites australis (Cav.)Trin.）等物种；柽柳-禾草群落以柽柳、白茅为优势种，并伴生獐茅、荻（Miscanthus sacchariflorus(Maximowicz) Hackel）等物种。

研究于2019年7月，分别在3个群落样地各选取3株长势良好，冠幅接近的灌丛（周围3 m内无其他柽柳）进行采样（图1）。选取的柽柳株高在170—205 cm，冠幅直径在290—310 cm，群落盖度为60%—80%，地下水位深度为0.7—1.2 m。在每一柽柳灌丛冠下及周围土壤采样，以主茎为中心按照0.5、1.0、1.5和2.0 m共4个距离，沿东西南北4个方向分别设置土壤剖面，每个剖面分 5层（0—10、10—20、20—30、30—40、40—60 cm），用不锈钢铲进行土壤样品采集。每层采集土壤样品不低于1 kg，共采集土壤样品720个，样品用密封袋封装后带回实验室进行处理和测定；同时每层用铝盒采集土壤约20 g用于含水率的测定。

图1 研究区地理位置图Figure 1 Location of the study area

1.3 实验分析

铝盒采集的土样采用烘干的方法测定水分含量（中华人民共和国农业部，1987）。其他土样经自然风干，去除植物残体与石块，压细过 18目筛后充分混合并测定土壤pH与电导率；再取过18目筛后的土壤样品50 g，研磨并过100目筛后进行土壤有机碳的测定。其中，土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法进行测定（中华人民共和国农业部，1988），土壤pH采用电位法进行测定（中华人民共和国生态环境部，2018），土壤电导率采用电极法进行测定（中华人民共和国环境保护部，2016）。

1.4 数据处理

采用富集率（Enrichment rate，E）来表征土壤养分富集程度（刘耘华，2010）。将柽柳灌丛下土壤分为3种生境，即冠幅下、冠缘、灌丛间地，其中灌下土壤有机碳和理化性质数据取自距灌丛中心0.5 m梯度的土剖面样品均值，冠缘数据取自1.0 m和1.5 m两个梯度的土剖面样品均值，灌丛间取自2.0 m梯度的土剖面样品均值。冠幅下聚集率和冠缘富集系数的计算公式如下：

其中：

DA、DB、DC——表冠幅下、冠缘、灌丛间地的有机碳或电导率等指标的均值。

利用 Spss 18.0软件对各土层深度下不同采样位置的土壤有机碳和盐分等数据进行一般统计分析、双因素方差分析（Two-way，ANOVA）、差异显著性分析（Duncan法，统计显著性的评价为P<0.05的水平）和相关性分析（Pearson）。数据整理和作图在Excel 2019中进行。

2 结果与分析

2.1 柽柳灌丛土壤有机碳浓度的特征

3种柽柳灌丛土壤各层有机碳的浓度均呈现出与灌丛中心距离的增加而降低的趋势（图2）。其中，0—10 cm表层土壤有机碳浓度的变化最明显，3种灌丛距离中心 0.5 m处的表层土壤有机碳浓度在4.11—11.84 g·kg-1之间，而距灌丛中心 1、1.5 和 2 m处的表层土壤有机碳浓度分别为 3.52—8.07、3.23—7.1和2.77—6.13 g·kg-1。3种群落其余各土层，土壤有机碳浓度也呈现出在与灌丛中心距离的增加而降低的趋势，但不同距离梯度的变化不够显著，仅柽柳-禾草群落的10—20 cm土层和柽柳-碱蓬群落30—40 cm土层距灌丛中心0.5 m处的有机碳浓度明显高于同土层的其他3个梯度。

图2 3种柽柳灌丛距中心不同距离土壤有机碳的变化Figure 2 Changes in soil organic carbon at different depths around the individual of Tamarix

3种柽柳灌丛在与基茎距离不同的4个梯度上，土壤有机碳浓度均呈现出随剖面深度增加而下降的趋势（图2）；而不同类型柽柳灌丛之间存在差异，各土层以柽柳-禾草群落土壤有机碳浓度最高。其中表层0—10 cm的差异最为显著，柽柳-禾草群落在距灌丛中心的4个梯度的土壤有机碳浓度在6.13—11.84 g·kg-1之间，有机碳浓度分别是柽柳-碱蓬群落的1.53—2.59倍，是柽柳群落的2.20—2.88倍。并且，柽柳-禾草群落在距离基茎0.5 m的10—20 cm土层，土壤有机碳的浓度也明显高于其他类型柽柳灌丛，然而3种柽柳灌丛在其他各梯度不同土层的土壤有机碳浓度差异则不够显著。

2.2 柽柳灌丛对土壤有机碳聚集效应的影响

3种柽柳灌丛土壤有机碳均体现了比较明显的冠幅下聚集的特征（图 3），其中柽柳-禾草群落表层0—10 cm土壤有机碳的冠幅下富集系数最高达1.93，其次为柽柳群落和柽柳-碱蓬群落，富集系数分别为1.48和1.14。同时，柽柳灌丛与柽柳-禾草灌丛冠幅下土壤有机碳的富集系数总体随土层深度的增加而降低，但柽柳-碱蓬灌丛土壤有机碳富集系数的变化与二者不同，其最大富集系数为1.23，出现在30—40 cm土层。3种柽柳灌丛之间冠幅下土壤有机碳富集系数以表层0—10 cm土层差异最为显著，且柽柳-禾草灌丛在10—20 cm土层（1.61）也显著高于柽柳和柽柳-碱蓬灌丛，3种柽柳灌丛其他土层冠幅下有机碳的富集系数则差异并不显著。

3种柽柳灌丛冠缘土壤有机碳也表现出一定的聚集效应（图3），但聚集率明显低于冠幅下土壤，柽柳-禾草群落和柽柳群落灌丛边缘的聚集效应较为明显，冠缘表层0—10 cm土层有机碳富集系数分别为1.24和1.22，但柽柳-碱蓬群落冠缘富集系数为1.04，聚集效应不够明显。3种柽柳灌丛冠缘土壤各层有机碳的富集系数也随深度增加而降低，且在10 cm之下各土层聚集效应均不明显。3种柽柳灌丛之间冠缘土壤有机碳的富集系数仅在 0—10 cm表层土壤有较为明显的差异，其余各土层的差异均不显著。

图3 不同生境土壤有机碳的富集系数Figure 3 Concentration factor of soil organic carbon in different habitat

2.3 土壤理化性质及其与有机碳的相关性分析

3种柽柳灌丛土壤电导率随演替进程有降低的趋势（图4），以柽柳-碱蓬群落最高，柽柳-禾草群落最低，且均呈现出随与灌丛中心距离的增加而升高的趋势，即表现出盐谷的特点，其中柽柳-禾草和柽柳群落较为明显，其冠幅下土壤电导率约为灌丛间地的66%和67%，柽柳-碱蓬群落为76%。然而3种柽柳灌丛土壤pH并未表现出随与灌丛中心距离增加的变化趋势，3种柽柳灌丛之间的差异也不显著。3种灌丛土壤含水率随演替进程有升高的趋势，3种灌丛中柽柳-碱蓬的土壤含水率相对较低，在距灌丛中心4个梯度均低于柽柳和柽柳-禾草灌丛；且土壤含水率有随与灌丛中心距离增加而降低的趋势，柽柳和柽柳-禾草群落土壤含水率冠下聚集的特征较为明显，其冠幅下土壤水分约为灌丛间地的1.18倍和1.16倍。

图4 土壤理化性质Figure 4 Physical and chemical properties of soil

对 3种柽柳灌丛土壤有机碳与电导率、pH和含水率进行相关性分析，结果显示土壤有机碳与电导率之间有极显著负相关性，与含水率有极显著正相关性，而与pH相关性不明显（表1）。同时，土壤电导率与pH和含水率均有明显的负相关关系，但pH与含水率相关性不明显。

表1 土壤有机碳与理化性质之间的关系Table 1 Correlations between SOC and soil properties

3 讨论

本研究中3种柽柳灌丛冠缘下土壤有机碳均表现较为明显的富集效应（图3），这进一步证实了多年生植物会明显促进冠下土壤养分的聚集，从而形成显著的肥岛效应。现有研究中，柽柳灌丛下土壤有机碳的聚集效率及其在不同土层深度的表现有明显的差异（Zhou et al.，2020；李君等，2007；张立华等，2015）。本研究通过对三类柽柳灌丛的对比发现，柽柳灌丛的类型是影响土壤有机碳空间分布特征的重要因素（图 2），其中柽柳-禾草及柽柳群落均为表层土壤冠幅下土壤有机碳聚集率最高，而柽柳-碱蓬群落的最高值出现在30—40 cm土层。3种柽柳群落有机碳的富集特征与群落的分布位置有关，在黄河三角洲潮间带至潮上带地区，由海至陆分布着不同的物种类型，其中柽柳-碱蓬灌丛生长地区海拔相对较低，而柽柳-禾草灌丛的海拔较高（Zhang et al.，2021；白世红等，2010）。海水涨落潮对柽柳-碱蓬灌丛土壤的淋洗和侵蚀作用最为频繁，表层土壤有机质的流失也最为明显（Zhang et al.，2007；Yang et al.，2021），这可能是柽柳-碱蓬群落表层土壤有机碳聚集效应较低，而30—40 cm深层土壤有机碳具有较高聚集率的主要原因；而柽柳-禾草灌丛受潮汐影响相对较小，表现出明显的表聚性。

本研究中随着柽柳群落的演替，3种柽柳灌丛土壤有机碳的聚集率及含量均呈升高的趋势（图3）。首先，不同的物种组成是影响有机碳聚集作用的重要因素，植物通过凋落物的形式将有机质聚集在灌下形成资源库从而形成肥岛（Zhao et al.，2016；Li et al.，2021）；本研究中柽柳-禾草灌丛冠幅下和冠缘土壤有机碳的聚集率均高于柽柳灌丛和柽柳-碱蓬灌丛，这是由于白茅和獐茅等物种具有更高的生产量，其凋落物等有机质回归土壤的效率相对更高，从而表现出显著的中心聚集性（Li et al.，2007；Rong et al.，2016）。其次，在河口湿地地区，河流携带泥沙在海水顶托作用下沉积并出露，只有耐盐植物可以生存，柽柳灌丛的生长繁育进一步促进了泥沙淤积，使海拔高度增高，降低了潮汐对土壤的侵蚀作用，其肥岛效应有助于冠幅下土壤有机质的积累，提高土壤肥力和生产能力，是改良土壤促进植被正向演替的有利条件（Sun et al.，2020；Zhang et al.，2021）。因此，在本研究中 3种柽柳灌丛从海拔较低的柽柳-碱蓬群落到海拔较高的柽柳-禾草群落，不仅土壤有机碳有明显的表聚性，且聚集率更高，土壤有机碳的浓度也更高。

本研究中随着柽柳群落的演替，3种柽柳灌丛土壤含盐量明显降低，呈现盐谷的特性（图 4）。柽柳作为泌盐植物，冠幅下凋落物的输入带来了更多的盐分累积，并往往导致较高的pH；同时，较高的土壤盐分还会抑制土壤微生物的活性，降低土壤有机质的分解与矿化速率（Li et al.，2007；Dong et al.，2009；张唤等，2016）；因此半干旱干旱草原地区柽柳灌丛对养分的积累，被认为是导致土壤侵蚀加剧、草地盖度下降草原植被逆向演替的重要因素之一（Li et al.，2021；苏永中等，2002；瞿王龙等，2015）。但本研究结果与之不同，不仅 3种类型柽柳灌丛均表现出一定的盐谷效应，且有机碳与盐分呈显著的负相关性，与土壤含水率有显著的正相关性（表 1），这说明柽柳灌丛的演替不仅有利于土壤肥力的积累，也为其他对盐分耐受较低的植物生存创造了条件。有研究认为非干旱区较为丰沛的降雨会促进盐分随柽柳的树干茎流而流走，使得柽柳冠幅下出现低盐的环境（王海洋等，1999；李从娟等，2012）；也有研究认为柽柳灌丛较大的冠幅为林下土壤提供了遮盖，降低了冠幅下土壤的蒸发率，而灌丛间地由于没有遮盖，水分蒸发速率较快从而导致盐谷效应（Dong et al.，2009；李君等，2007）。本研究中柽柳灌丛和柽柳-禾草灌丛盖度高于柽柳-碱蓬灌丛，土壤含水率也相对较高，其盐谷效应也最为明显。可见在黄河三角洲新生湿地区域，柽柳灌丛的演替不仅有利于土壤有机碳的聚集，也对改良土壤理化性质起到了积极作用，为进一步植物演替提供了物质基础。然而本研究中3种柽柳灌丛对有机碳的聚集效应主要局限于冠幅下，对冠缘的影响相对较小；而在干旱半干旱地区，柽柳灌丛有机碳聚集的空间范围往往明显超出冠幅覆盖区域（Wang et al.，2019；李君等，2007），这也说明河口湿地地区柽柳灌丛受到潮汐、地表径流等其他干扰因素相对更多，肥力富集作用和群落演替过程的影响因素更为复杂，仍需进一步研究与探讨。