王浩,陳永金,劉加珍,萬波,張麗
聊城大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院,山東 聊城 252059
河口鹽沼濕地是重要的濕地類型之一,雖然占地面積比其他生態(tài)系統(tǒng)小的多,但確能有效沉積、捕獲土壤有機(jī)碳,是重要的碳匯(Li et al.,2019;初小靜等,2016)。黃河三角洲是中國(guó)三大河口三角洲之一,擁有世界上最廣闊的暖溫帶濱海河口濕地生態(tài)系統(tǒng),也是中國(guó)最年輕的新生濕地。然而受黃河改道和人為活動(dòng)等因素的作用,不同類型生態(tài)系統(tǒng)彼此交錯(cuò)重疊,植被的正向演替和逆向演替頻繁發(fā)生,生態(tài)系統(tǒng)極不穩(wěn)定,影響土壤碳的固存(Feng et al.,2021;李連偉等,2018)。
檉柳是鹽堿地土壤改良和植被構(gòu)建的先鋒物種,通過積累土壤養(yǎng)分、加速鹽分淋洗防止積鹽返鹽等生態(tài)特征,充分發(fā)揮了其抑制鹽漬化、改良土壤的作用(Yin et al.,2010;Xie et al.,2019);特別是檉柳灌叢冠覆下的土壤資源相對(duì)集中,土壤養(yǎng)分含量由植株向外逐漸降低,形成肥島(Li et al.,2021;張立華等,2015)。作為灌叢植物由于其相對(duì)較為發(fā)達(dá)的根系系統(tǒng),可以從周圍的土壤中聚集營(yíng)養(yǎng),進(jìn)而導(dǎo)致植物周邊土壤的物質(zhì)循環(huán)發(fā)生改變(Li et al.,2007;Zhao et al.,2016),這種土壤肥力的小尺度空間異質(zhì)性,不僅是檉柳提高養(yǎng)分利用效率和適應(yīng)貧瘠環(huán)境的主要對(duì)策和重要機(jī)制,也對(duì)植被分布格局和生態(tài)系統(tǒng)整體的穩(wěn)定平衡有重要影響(Zhao et al.,2005;Rong et al.,2016)。
在黃河三角洲新生濕地的植被演替過程中,檉柳灌叢生態(tài)系統(tǒng)是由沼生鹽生植物生態(tài)系統(tǒng)逐漸向暖溫帶落葉闊葉林生態(tài)系統(tǒng)演替的中間環(huán)節(jié)(Sun et al.,2020;張緒良等,2009)。在潮汐作用、降水徑流等交互作用下,檉柳灌叢的植物組成也存在明顯的變化規(guī)律,隨土壤養(yǎng)分的累積、鹽分的降低和地表的抬升,群落的物種組成逐漸由檉柳與堿蓬逐漸演替為檉柳和禾草(Zhang et al.,2021;宋創(chuàng)業(yè)等,2008)。不同的植物會(huì)影響土壤有機(jī)碳的固存和釋放,而土壤有機(jī)質(zhì)等肥力因素的變化也會(huì)影響植物的生產(chǎn)力和競(jìng)爭(zhēng)力,植物和土壤間的這種反饋?zhàn)饔糜绊懼参锶郝涞难萏孢^程(Zhang et al.,2007;白世紅等,2010)?,F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)不同類型檉柳灌叢下土壤有機(jī)碳等肥力因子有顯著的差異(Guo et al.,2021;Yang et al.,2021),然而目前對(duì)檉柳灌叢在不同演替階段土壤有機(jī)碳空間分布特征的論述還較少見諸報(bào)道;特別是在黃河三角洲新生濕地,檉柳灌叢演替過程中土壤有機(jī)碳分布特征的變化規(guī)律及其與土壤鹽分、水分的關(guān)系還需進(jìn)一步研究。
本研究在黃河三角洲新生濕地區(qū),選擇3種檉柳灌叢群落,分析其土壤有機(jī)碳的空間分布特征,研究檉柳群落在演替變化過程中的土壤有機(jī)碳及其分布的變化規(guī)律,探討土壤有機(jī)碳與水鹽環(huán)境的關(guān)系,可為深入研究河口鹽沼濕地動(dòng)態(tài)變化和生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。
研究區(qū)位于山東省東營(yíng)市,區(qū)域年均氣溫為12.2 ℃,年均降水量約為550 mm,其中主要集中于夏季,降水量年際變化較大,年均蒸發(fā)量約為1800 mm,大概是降水量的3倍。地貌類型主要為河成高地、微斜平地、洼地等;潮灘地貌分高潮帶、潮間帶兩種;潮下帶地貌由河口水下三角洲與廢棄河口水下崖坡等組成(宋創(chuàng)業(yè)等,2008)。土壤形成時(shí)間短,物質(zhì)組成以粉砂為主,沙黏層次變化復(fù)雜,土壤類型以潮土和鹽土為主。
新生濕地是由于 1855年以來黃河尾閭不斷擺動(dòng)而形成的,并受河道擺動(dòng)、黃河徑流側(cè)滲和水量變化等因素的影響,生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出易變性、不穩(wěn)定性和脆弱性,植被正向演替和逆向演替交替進(jìn)行(Tao et al.,2011)。本研究區(qū)以耐鹽植物為主,優(yōu)勢(shì)種為鹽地堿蓬(Suaeda salsa (L.) Pall.)、檉柳(Tamarix chinensis Lour.)、白茅(Imperata cylindrica(L.) Beauv.)和獐茅(Aeluropus littoralis (Gouan)Parl.)等。
本研究樣地位于黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)南側(cè)約1 km 處,位置坐標(biāo)為 37°43′46.57′′—37°42′38.59′′N,118°59′23.78′′—118°58′15.41′′E。在樣地內(nèi)選擇檉柳-堿蓬(Tamarix-Suaeda)群落、檉柳(Tamarix chinensis)群落和檉柳-禾草(Tamarix-Gramineae)群落3種類型為研究對(duì)象,其中檉柳-堿蓬群落樣地最靠海,檉柳-禾草群落樣地最靠黃河,檉柳群落樣地位于二者之間的過渡地帶。檉柳-堿蓬群落以檉柳和堿蓬為優(yōu)勢(shì)種,極少見其他伴生物種;檉柳群落以檉柳為優(yōu)勢(shì)種,林下零星可見中華補(bǔ)血草(Limonium sinense(Girard) Kuntze)、蘆葦(Phragmites australis (Cav.)Trin.)等物種;檉柳-禾草群落以檉柳、白茅為優(yōu)勢(shì)種,并伴生獐茅、荻(Miscanthus sacchariflorus(Maximowicz) Hackel)等物種。
研究于2019年7月,分別在3個(gè)群落樣地各選取3株長(zhǎng)勢(shì)良好,冠幅接近的灌叢(周圍3 m內(nèi)無其他檉柳)進(jìn)行采樣(圖1)。選取的檉柳株高在170—205 cm,冠幅直徑在290—310 cm,群落蓋度為60%—80%,地下水位深度為0.7—1.2 m。在每一檉柳灌叢冠下及周圍土壤采樣,以主莖為中心按照0.5、1.0、1.5和2.0 m共4個(gè)距離,沿東西南北4個(gè)方向分別設(shè)置土壤剖面,每個(gè)剖面分 5層(0—10、10—20、20—30、30—40、40—60 cm),用不銹鋼鏟進(jìn)行土壤樣品采集。每層采集土壤樣品不低于1 kg,共采集土壤樣品720個(gè),樣品用密封袋封裝后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理和測(cè)定;同時(shí)每層用鋁盒采集土壤約20 g用于含水率的測(cè)定。
圖1 研究區(qū)地理位置圖Figure 1 Location of the study area
鋁盒采集的土樣采用烘干的方法測(cè)定水分含量(中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部,1987)。其他土樣經(jīng)自然風(fēng)干,去除植物殘?bào)w與石塊,壓細(xì)過 18目篩后充分混合并測(cè)定土壤pH與電導(dǎo)率;再取過18目篩后的土壤樣品50 g,研磨并過100目篩后進(jìn)行土壤有機(jī)碳的測(cè)定。其中,土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法進(jìn)行測(cè)定(中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部,1988),土壤pH采用電位法進(jìn)行測(cè)定(中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部,2018),土壤電導(dǎo)率采用電極法進(jìn)行測(cè)定(中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部,2016)。
采用富集率(Enrichment rate,E)來表征土壤養(yǎng)分富集程度(劉耘華,2010)。將檉柳灌叢下土壤分為3種生境,即冠幅下、冠緣、灌叢間地,其中灌下土壤有機(jī)碳和理化性質(zhì)數(shù)據(jù)取自距灌叢中心0.5 m梯度的土剖面樣品均值,冠緣數(shù)據(jù)取自1.0 m和1.5 m兩個(gè)梯度的土剖面樣品均值,灌叢間取自2.0 m梯度的土剖面樣品均值。冠幅下聚集率和冠緣富集系數(shù)的計(jì)算公式如下:
其中:
DA、DB、DC——表冠幅下、冠緣、灌叢間地的有機(jī)碳或電導(dǎo)率等指標(biāo)的均值。
利用 Spss 18.0軟件對(duì)各土層深度下不同采樣位置的土壤有機(jī)碳和鹽分等數(shù)據(jù)進(jìn)行一般統(tǒng)計(jì)分析、雙因素方差分析(Two-way,ANOVA)、差異顯著性分析(Duncan法,統(tǒng)計(jì)顯著性的評(píng)價(jià)為P<0.05的水平)和相關(guān)性分析(Pearson)。數(shù)據(jù)整理和作圖在Excel 2019中進(jìn)行。
3種檉柳灌叢土壤各層有機(jī)碳的濃度均呈現(xiàn)出與灌叢中心距離的增加而降低的趨勢(shì)(圖2)。其中,0—10 cm表層土壤有機(jī)碳濃度的變化最明顯,3種灌叢距離中心 0.5 m處的表層土壤有機(jī)碳濃度在4.11—11.84 g·kg-1之間,而距灌叢中心 1、1.5 和 2 m處的表層土壤有機(jī)碳濃度分別為 3.52—8.07、3.23—7.1和2.77—6.13 g·kg-1。3種群落其余各土層,土壤有機(jī)碳濃度也呈現(xiàn)出在與灌叢中心距離的增加而降低的趨勢(shì),但不同距離梯度的變化不夠顯著,僅檉柳-禾草群落的10—20 cm土層和檉柳-堿蓬群落30—40 cm土層距灌叢中心0.5 m處的有機(jī)碳濃度明顯高于同土層的其他3個(gè)梯度。
圖2 3種檉柳灌叢距中心不同距離土壤有機(jī)碳的變化Figure 2 Changes in soil organic carbon at different depths around the individual of Tamarix
3種檉柳灌叢在與基莖距離不同的4個(gè)梯度上,土壤有機(jī)碳濃度均呈現(xiàn)出隨剖面深度增加而下降的趨勢(shì)(圖2);而不同類型檉柳灌叢之間存在差異,各土層以檉柳-禾草群落土壤有機(jī)碳濃度最高。其中表層0—10 cm的差異最為顯著,檉柳-禾草群落在距灌叢中心的4個(gè)梯度的土壤有機(jī)碳濃度在6.13—11.84 g·kg-1之間,有機(jī)碳濃度分別是檉柳-堿蓬群落的1.53—2.59倍,是檉柳群落的2.20—2.88倍。并且,檉柳-禾草群落在距離基莖0.5 m的10—20 cm土層,土壤有機(jī)碳的濃度也明顯高于其他類型檉柳灌叢,然而3種檉柳灌叢在其他各梯度不同土層的土壤有機(jī)碳濃度差異則不夠顯著。
3種檉柳灌叢土壤有機(jī)碳均體現(xiàn)了比較明顯的冠幅下聚集的特征(圖 3),其中檉柳-禾草群落表層0—10 cm土壤有機(jī)碳的冠幅下富集系數(shù)最高達(dá)1.93,其次為檉柳群落和檉柳-堿蓬群落,富集系數(shù)分別為1.48和1.14。同時(shí),檉柳灌叢與檉柳-禾草灌叢冠幅下土壤有機(jī)碳的富集系數(shù)總體隨土層深度的增加而降低,但檉柳-堿蓬灌叢土壤有機(jī)碳富集系數(shù)的變化與二者不同,其最大富集系數(shù)為1.23,出現(xiàn)在30—40 cm土層。3種檉柳灌叢之間冠幅下土壤有機(jī)碳富集系數(shù)以表層0—10 cm土層差異最為顯著,且檉柳-禾草灌叢在10—20 cm土層(1.61)也顯著高于檉柳和檉柳-堿蓬灌叢,3種檉柳灌叢其他土層冠幅下有機(jī)碳的富集系數(shù)則差異并不顯著。
3種檉柳灌叢冠緣土壤有機(jī)碳也表現(xiàn)出一定的聚集效應(yīng)(圖3),但聚集率明顯低于冠幅下土壤,檉柳-禾草群落和檉柳群落灌叢邊緣的聚集效應(yīng)較為明顯,冠緣表層0—10 cm土層有機(jī)碳富集系數(shù)分別為1.24和1.22,但檉柳-堿蓬群落冠緣富集系數(shù)為1.04,聚集效應(yīng)不夠明顯。3種檉柳灌叢冠緣土壤各層有機(jī)碳的富集系數(shù)也隨深度增加而降低,且在10 cm之下各土層聚集效應(yīng)均不明顯。3種檉柳灌叢之間冠緣土壤有機(jī)碳的富集系數(shù)僅在 0—10 cm表層土壤有較為明顯的差異,其余各土層的差異均不顯著。
圖3 不同生境土壤有機(jī)碳的富集系數(shù)Figure 3 Concentration factor of soil organic carbon in different habitat
3種檉柳灌叢土壤電導(dǎo)率隨演替進(jìn)程有降低的趨勢(shì)(圖4),以檉柳-堿蓬群落最高,檉柳-禾草群落最低,且均呈現(xiàn)出隨與灌叢中心距離的增加而升高的趨勢(shì),即表現(xiàn)出鹽谷的特點(diǎn),其中檉柳-禾草和檉柳群落較為明顯,其冠幅下土壤電導(dǎo)率約為灌叢間地的66%和67%,檉柳-堿蓬群落為76%。然而3種檉柳灌叢土壤pH并未表現(xiàn)出隨與灌叢中心距離增加的變化趨勢(shì),3種檉柳灌叢之間的差異也不顯著。3種灌叢土壤含水率隨演替進(jìn)程有升高的趨勢(shì),3種灌叢中檉柳-堿蓬的土壤含水率相對(duì)較低,在距灌叢中心4個(gè)梯度均低于檉柳和檉柳-禾草灌叢;且土壤含水率有隨與灌叢中心距離增加而降低的趨勢(shì),檉柳和檉柳-禾草群落土壤含水率冠下聚集的特征較為明顯,其冠幅下土壤水分約為灌叢間地的1.18倍和1.16倍。
圖4 土壤理化性質(zhì)Figure 4 Physical and chemical properties of soil
對(duì) 3種檉柳灌叢土壤有機(jī)碳與電導(dǎo)率、pH和含水率進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示土壤有機(jī)碳與電導(dǎo)率之間有極顯著負(fù)相關(guān)性,與含水率有極顯著正相關(guān)性,而與pH相關(guān)性不明顯(表1)。同時(shí),土壤電導(dǎo)率與pH和含水率均有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,但pH與含水率相關(guān)性不明顯。
表1 土壤有機(jī)碳與理化性質(zhì)之間的關(guān)系Table 1 Correlations between SOC and soil properties
本研究中3種檉柳灌叢冠緣下土壤有機(jī)碳均表現(xiàn)較為明顯的富集效應(yīng)(圖3),這進(jìn)一步證實(shí)了多年生植物會(huì)明顯促進(jìn)冠下土壤養(yǎng)分的聚集,從而形成顯著的肥島效應(yīng)。現(xiàn)有研究中,檉柳灌叢下土壤有機(jī)碳的聚集效率及其在不同土層深度的表現(xiàn)有明顯的差異(Zhou et al.,2020;李君等,2007;張立華等,2015)。本研究通過對(duì)三類檉柳灌叢的對(duì)比發(fā)現(xiàn),檉柳灌叢的類型是影響土壤有機(jī)碳空間分布特征的重要因素(圖 2),其中檉柳-禾草及檉柳群落均為表層土壤冠幅下土壤有機(jī)碳聚集率最高,而檉柳-堿蓬群落的最高值出現(xiàn)在30—40 cm土層。3種檉柳群落有機(jī)碳的富集特征與群落的分布位置有關(guān),在黃河三角洲潮間帶至潮上帶地區(qū),由海至陸分布著不同的物種類型,其中檉柳-堿蓬灌叢生長(zhǎng)地區(qū)海拔相對(duì)較低,而檉柳-禾草灌叢的海拔較高(Zhang et al.,2021;白世紅等,2010)。海水漲落潮對(duì)檉柳-堿蓬灌叢土壤的淋洗和侵蝕作用最為頻繁,表層土壤有機(jī)質(zhì)的流失也最為明顯(Zhang et al.,2007;Yang et al.,2021),這可能是檉柳-堿蓬群落表層土壤有機(jī)碳聚集效應(yīng)較低,而30—40 cm深層土壤有機(jī)碳具有較高聚集率的主要原因;而檉柳-禾草灌叢受潮汐影響相對(duì)較小,表現(xiàn)出明顯的表聚性。
本研究中隨著檉柳群落的演替,3種檉柳灌叢土壤有機(jī)碳的聚集率及含量均呈升高的趨勢(shì)(圖3)。首先,不同的物種組成是影響有機(jī)碳聚集作用的重要因素,植物通過凋落物的形式將有機(jī)質(zhì)聚集在灌下形成資源庫(kù)從而形成肥島(Zhao et al.,2016;Li et al.,2021);本研究中檉柳-禾草灌叢冠幅下和冠緣土壤有機(jī)碳的聚集率均高于檉柳灌叢和檉柳-堿蓬灌叢,這是由于白茅和獐茅等物種具有更高的生產(chǎn)量,其凋落物等有機(jī)質(zhì)回歸土壤的效率相對(duì)更高,從而表現(xiàn)出顯著的中心聚集性(Li et al.,2007;Rong et al.,2016)。其次,在河口濕地地區(qū),河流攜帶泥沙在海水頂托作用下沉積并出露,只有耐鹽植物可以生存,檉柳灌叢的生長(zhǎng)繁育進(jìn)一步促進(jìn)了泥沙淤積,使海拔高度增高,降低了潮汐對(duì)土壤的侵蝕作用,其肥島效應(yīng)有助于冠幅下土壤有機(jī)質(zhì)的積累,提高土壤肥力和生產(chǎn)能力,是改良土壤促進(jìn)植被正向演替的有利條件(Sun et al.,2020;Zhang et al.,2021)。因此,在本研究中 3種檉柳灌叢從海拔較低的檉柳-堿蓬群落到海拔較高的檉柳-禾草群落,不僅土壤有機(jī)碳有明顯的表聚性,且聚集率更高,土壤有機(jī)碳的濃度也更高。
本研究中隨著檉柳群落的演替,3種檉柳灌叢土壤含鹽量明顯降低,呈現(xiàn)鹽谷的特性(圖 4)。檉柳作為泌鹽植物,冠幅下凋落物的輸入帶來了更多的鹽分累積,并往往導(dǎo)致較高的pH;同時(shí),較高的土壤鹽分還會(huì)抑制土壤微生物的活性,降低土壤有機(jī)質(zhì)的分解與礦化速率(Li et al.,2007;Dong et al.,2009;張喚等,2016);因此半干旱干旱草原地區(qū)檉柳灌叢對(duì)養(yǎng)分的積累,被認(rèn)為是導(dǎo)致土壤侵蝕加劇、草地蓋度下降草原植被逆向演替的重要因素之一(Li et al.,2021;蘇永中等,2002;瞿王龍等,2015)。但本研究結(jié)果與之不同,不僅 3種類型檉柳灌叢均表現(xiàn)出一定的鹽谷效應(yīng),且有機(jī)碳與鹽分呈顯著的負(fù)相關(guān)性,與土壤含水率有顯著的正相關(guān)性(表 1),這說明檉柳灌叢的演替不僅有利于土壤肥力的積累,也為其他對(duì)鹽分耐受較低的植物生存創(chuàng)造了條件。有研究認(rèn)為非干旱區(qū)較為豐沛的降雨會(huì)促進(jìn)鹽分隨檉柳的樹干莖流而流走,使得檉柳冠幅下出現(xiàn)低鹽的環(huán)境(王海洋等,1999;李從娟等,2012);也有研究認(rèn)為檉柳灌叢較大的冠幅為林下土壤提供了遮蓋,降低了冠幅下土壤的蒸發(fā)率,而灌叢間地由于沒有遮蓋,水分蒸發(fā)速率較快從而導(dǎo)致鹽谷效應(yīng)(Dong et al.,2009;李君等,2007)。本研究中檉柳灌叢和檉柳-禾草灌叢蓋度高于檉柳-堿蓬灌叢,土壤含水率也相對(duì)較高,其鹽谷效應(yīng)也最為明顯??梢娫邳S河三角洲新生濕地區(qū)域,檉柳灌叢的演替不僅有利于土壤有機(jī)碳的聚集,也對(duì)改良土壤理化性質(zhì)起到了積極作用,為進(jìn)一步植物演替提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。然而本研究中3種檉柳灌叢對(duì)有機(jī)碳的聚集效應(yīng)主要局限于冠幅下,對(duì)冠緣的影響相對(duì)較小;而在干旱半干旱地區(qū),檉柳灌叢有機(jī)碳聚集的空間范圍往往明顯超出冠幅覆蓋區(qū)域(Wang et al.,2019;李君等,2007),這也說明河口濕地地區(qū)檉柳灌叢受到潮汐、地表徑流等其他干擾因素相對(duì)更多,肥力富集作用和群落演替過程的影響因素更為復(fù)雜,仍需進(jìn)一步研究與探討。
本文對(duì)黃河三角洲濕地3種檉柳灌叢土壤有機(jī)碳的聚集效應(yīng)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:
(1)3種檉柳灌叢土壤有機(jī)碳的濃度均呈現(xiàn)出與灌叢中心距離的增加而降低,距基莖不同距離各梯度均隨土層深度的增加而降低;土壤有機(jī)碳濃度隨演替進(jìn)程而增加,以檉柳-禾草群落最高,差距主要體現(xiàn)在0—10 cm表層土壤。
(2)3種檉柳灌叢冠幅下土壤有機(jī)碳均有明顯的聚集性,但最大聚集率出現(xiàn)的土層深度明顯不同,檉柳和檉柳禾草群落為0—10 cm表層土壤,而檉柳-堿蓬群落是30—40 cm。檉柳-禾草灌叢與檉柳灌叢土壤有機(jī)碳冠幅邊緣聚集率低于冠幅下,而檉柳-堿蓬群落冠緣聚集性不明顯。
(3)3種檉柳灌叢土壤均表現(xiàn)出顯著的鹽谷特點(diǎn),且土壤含水率表現(xiàn)出冠下聚集的特征,且隨演替進(jìn)程土壤電導(dǎo)率下降、含水率上升,但pH的差異并不明顯。土壤有機(jī)碳與電導(dǎo)率有顯著的負(fù)相關(guān)性,與土壤含水率有顯著的正相關(guān)性,而與pH沒有顯著的關(guān)系。
綜上所述,在河口濕地區(qū)域檉柳灌叢有利于土壤有機(jī)碳的聚集和鹽分的降低,檉柳灌叢群落的演替為區(qū)域土壤改良和生態(tài)環(huán)境改進(jìn)提供了前置條件。在全球變化背景下,探討水鹽脅迫條件下影響檉柳灌叢土壤有機(jī)碳空間分布的相關(guān)因素,分析河口濕地植被演替對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳元素循環(huán)與平衡的影響作用,是進(jìn)一步亟待研究的重要課題。
生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)2022年1期