閩江口蘆葦與短葉茳芏濕地土壤無機硫形態分布特征及其影響因素

王 華,孫志高,*,李家兵,何 濤,高 會,王 杰

1 福建師范大學地理研究所,福州 350007 2 福建師范大學濕潤亞熱帶生態地理過程教育部重點實驗室,福州 350007 3 福建師范大學福建省亞熱帶資源與環境重點實驗室,福州 350007 4 福建師范大學環境科學與工程學院, 福州 350007

1 材料與方法

1.1 研究區概況

閩江河口濕地位于中亞熱帶和南亞熱帶過渡區,氣候暖熱潮濕,雨熱同期,年平均氣溫19℃,年均降水日數153 d,降水量可達1300 mm。河口區地勢低平,河口潮流漲落具有周期性變化,感潮段可延伸至福州市區,發育有良好的濕地生態系統。本研究選取的鱔魚灘濕地地處閩江入海口(119°34′12″—119°40′40″ E,26°00′36″—26°03′42″ N),是閩江河口最大的一塊濕地,濕地分布區內潮水漲落頻繁,潮溝縱橫,水文條件相對復雜。研究區的土壤類型屬濱海鹽土,富含鐵、鋁等黏土礦物。主要原生植被包括短葉茳芏(Cyperusmalaccensis)、蘆葦(Phragmitesaustralis)和扁穗莎草(Cyperuscompressus)等,植被群落由陸向海整體呈條帶狀分布。

1.2 樣地布設與樣品采集

2016年7月,采用定位研究方法,在鱔魚灘西北部由陸向海方向設置樣帶,在該樣帶上布設3個典型研究樣地,即純蘆葦群落(P.australis,記為P)、純短葉茳芏群落(C.malaccensis,記為C)以及兩種植物空間擴展形成的交錯帶群落(P.australis-C.malaccensis,記為P-C)(圖1)。采用土壤柱狀采樣器在上述典型樣地內進行土壤樣品采集,采樣深度為60 cm(每10 cm一層),每個研究樣地采集3個柱狀樣作為重復,共54個樣品。

圖1 研究區域及研究樣地示意圖Fig.1 Sketch of the study region and sampling sites

1.3 樣品處理與測定

1.4 指標計算

土壤總無機硫儲量Ls可采用下式計算：

式中,LSi表示第i層的土壤無機硫硫庫儲量(g/m2),dvi表示第i層土壤容重(g/m3),Si表示第i層土壤剖面總無機硫含量(mg/kg),hi表示土層深度(cm)。

1.5 數據處理與分析

運用Origin 8.0 軟件對不同類型濕地土壤中各形態無機硫含量數據進行作圖、計算和單因素方差分析,方差分析的顯著性水平設定為α=0.05。采用SPSS 18.0 軟件對影響不同類型濕地土壤中各形態無機硫含量的環境因子進行主成分分析和逐步線性回歸分析。

2 結果與分析

2.1 無機硫形態水平分布特征

3種類型濕地土壤中的H2O-S和HCl-Soluble-S含量在0—40 cm土層整體表現為交錯帶濕地>短葉茳芏濕地>蘆葦濕地(圖 2)。其中,蘆葦濕地與交錯帶濕地以及短葉茳芏濕地與交錯帶濕地的土壤H2O-S含量均不存在顯著差異(P>0.05),而蘆葦濕地與交錯帶濕地(P=0.002)以及交錯帶濕地與短葉茳芏濕地(P=0.007)土壤的HCl-Soluble-S含量均存在顯著差異。在40—60 cm土層,3種類型濕地土壤的H2O-S和HCl-Soluble-S含量均表現為交錯帶濕地>蘆葦濕地>短葉茳芏濕地。其中,三者之間的H2O-S含量均不存在顯著差異(P>0.05),而短葉茳芏濕地土壤的HCl-Soluble-S含量分別與蘆葦濕地(P=0.001)和交錯帶濕地(P=0.001)存在顯著差異。另外,3種類型濕地土壤的Adsorbed-S含量在0—10 cm土層表現為交錯帶濕地>蘆葦濕地>短葉茳芏濕地(P>0.05),而在40—60 cm土層則整體表現為短葉茳芏濕地>交錯帶濕地>蘆葦濕地(P>0.05)。就10—40 cm土層而言,3種類型濕地土壤的Adsorbed-S含量均表現出交錯帶濕地>短葉茳芏濕地>蘆葦濕地,且其值在蘆葦濕地與交錯帶濕地(P=0.001)以及蘆葦濕地與短葉茳芏濕地(P=0.029)均存在顯著差異。另外,3種類型濕地土壤的HCl-Volatile-S含量在0—60 cm土層上整體表現為短葉茳芏濕地>蘆葦濕地>交錯帶濕地。其中,短葉茳芏濕地土壤的HCl-Volatile-S含量分別與蘆葦濕地(P=0.001)和交錯帶濕地(P=0.001)存在顯著差異。

圖2 不同類型濕地土壤不同形態無機硫含量水平分布特征Fig.2 Horizontal distributions of the contents of different inorganic sulfur forms in soils of different marshes

2.2 無機硫形態垂直分布特征

3種類型濕地土壤的H2O-S、Adsorbed-S和HCl-Soluble-S含量整體均自表層向下呈先降低而后增加的變化(圖3)。其中,三者土壤中的H2O-S和Adsorbed-S含量在垂直方向上均不存在顯著差異(P>0.05),而蘆葦濕地與交錯帶濕地(P=0.002)以及短葉茳芏濕地與交錯帶濕地(P=0.003)土壤的HCl-Soluble-S含量在垂直方向上均存在顯著差異。整體而言,短葉茳芏濕地(0—60 cm)土層的H2O-S含量垂直變化并不明顯,而蘆葦濕地和交錯帶濕地土壤中的H2O-S含量的垂直變化較為明顯且也比較一致,其值在0—40 cm土層上隨深度的增加而降低且二者之間存在顯著差異(P=0.012),而在40—60 cm土層上則之相反(P>0.05)。盡管交錯帶濕地與短葉茳芏濕地土壤中Adsorbed-S含量的垂直變化趨勢在0—40 cm土層正好相反,但二者之間不存在顯著差異(P>0.05);但在40—60 cm土層,二者Adsorbed-S含量的垂直變化趨勢較為一致,且二者之間亦不存在顯著差異(P>0.05)。對于HCl-Soluble-S而言,其值在三種類型濕地土壤中的含量自表層向下整體均呈先降低后增加的變化。其中,交錯帶濕地與蘆葦濕地土壤的HCl-Soluble-S含量的垂直變化較為明顯,且二者之間存在顯著差異(P=0.006)。與其他三種無機硫組分相比,蘆葦濕地與短葉茳芏濕地土壤的HCl-Volatile-S含量在垂直方向上呈相反變化特征且二者存在顯著差異(P=0.001),而交錯帶濕地土壤的HCl-Volatile-S含量在垂直方向上的變化較為平緩。方差分析表明,蘆葦濕地土壤的H2O-S與Adsorbed-S(P=0.005)、H2O-S與HCl-Volatile-S(P=0.001)以及HCl-Soluble-S與HCl-Volatile-S(P=0.021)存在顯著差異;交錯帶濕地土壤的H2O-S與Adsorbed-S(P=0.001)、H2O-S與HCl-Volatile-S(P=0.001)、HCl-Soluble-與Adsorbed-S(P=0.001)以及HCl-Soluble-S與HCl-Volatile-S(P=0.001)均存在顯著差異;而短葉茳芏濕地土壤中四種形態無機硫之間均存在顯著差異(P<0.05)。與蘆葦濕地和短葉茳芏濕地相比,交錯帶濕地土壤的H2O-S、Adsorbed-S、HCl-Soluble-S和TIS含量整體均呈增加趨勢,增幅分別為36.94%和54.31%、34.84%和13.03%、73.25%和67.59%以及45.72%和45.28%;與之不同,HCl-Volatile-S含量則呈降低趨勢,降幅分別為2.78%和22.24%(表1)。

圖3 不同類型濕地土壤不同形態無機硫含量垂直分布特征Fig.3 Vertical distributions of the contents of different inorganic sulfur forms in soils of different marshes

濕地類型Marsh types項目Items無機硫形態Inorganic sulfur forms水溶性硫H2O-S吸附性硫Adsorbed-S鹽酸可溶性硫HCl-Soluble-S鹽酸揮發性硫HCl-Volatile-S總無機硫TISP含量/(mg/kg)146.09±81.63a46.96±25.98a103.53±26.60a20.47±1.60a317.50±118.79a變異系數CV55.8755.3325.697.8237.47P-C含量/(mg/kg)200.05±42.33b63.32±18.24a179.37±46.46b19.90±1.18a462.65±100.52b變異系數CV21.1628.8025.905.9121.73C含量/(mg/kg)129.64±16.09b56.20±13.90a107.03±10.82a25.59±2.25b318.45±29.11a變異系數CV 12.4124.7310.118.799.14

a, b表示不同類型濕地之間的差異,字母不同表示二者在P<0.05水平上差異顯著;純蘆葦群落P,P.australis；蘆葦-短葉茳芏交錯帶群落P-C,P.australis-C.malaccensis; 純短葉茳芏群落C ,C.malaccensis

2.3 無機硫總量及儲量分布

蘆葦濕地、交錯帶濕地和短葉茳芏濕地土壤的TIS平均含量分別為((317.05±118.79)mg/kg)、((462.65±100.52) mg/kg)和((318.45±29.11) mg/kg),占相應類型濕地全硫含量的22.29%—39.99%、32.39%—33.33%和30.20%—30.86%。另外,交錯帶濕地土壤的TIS含量明顯高于蘆葦濕地和短葉茳芏濕地(圖4、圖5),前者是后者的1.0—1.5倍。具體而言,0—10 cm土層的TIS含量整體表現為交錯帶濕地>蘆葦濕地>短葉茳芏濕地,且蘆葦濕地與短葉茳芏濕地(P=0.011)以及短葉茳芏濕地與交錯帶濕地(P=0.006)均存在顯著差異;20—40 cm土層的TIS含量整體均表現為交錯帶濕地>短葉茳芏濕地>蘆葦濕地,且蘆葦濕地與交錯帶濕地(P=0.001)、蘆葦濕地與短葉茳芏濕地(P=0.026)以及短葉茳芏濕地與交錯帶濕(P=0.030)均存在顯著差異;與0—10 cm土層相似,50—60 cm土層的TIS含量亦表現為交錯帶濕地>蘆葦濕地>短葉茳芏濕地,但僅交錯帶濕地與短葉茳芏濕地之間存在顯著差異(P=0.036)。就垂直變化而言,不同類型濕地土壤的TIS含量和儲量整體均隨深度的增加呈先降低后增加變化,其中蘆葦濕地與交錯帶濕地于30—40 cm土層取得最低值,而短葉茳芏濕地則于20—30 cm土層取得最低值。比較而言,3種類型濕地土壤的TIS儲量整體表現為交錯帶濕地>蘆葦濕地>短葉茳芏濕地,其值分別為((174.59±42.84) g/m2)、((252.19±18.46) g/m2)和((167.30±16.51) g/m2),與蘆葦濕地和短葉茳芏濕地相比,交錯帶濕地土壤的TIS儲量分別增加了44.44%和50.73%。

圖4 不同類型濕地土壤總無機硫含量分布 Fig.4 Distribution of total inorganic sulfur contents in soils of different marshes

圖5 不同類型濕地土壤無機硫儲量分布 Fig.5 Distribution of inorganic sulfur stocks in soils of different marshes

2.4 無機硫賦量影響因素分析

通過主成分分析對影響無機硫賦存量的相關因子進行篩選結果表明(表2),蘆葦濕地的第一主成分Z1與x2和x9存在明顯的正相關,與x1和x3存在較為明顯的負相關,故可看作是土壤氧化還原環境和金屬礦物的代表;第二主成分Z2與x4、x6和x8存在明顯的正相關,可看作是土壤水分、土壤細顆粒組成和金屬礦物的組成的代表;第三主成分Z3與x5、x7和x10存在明顯的正相關,可看作是土壤養分、細顆粒組成和金屬礦物的代表。因此,土壤氧化還原環境、細顆粒組成和金屬礦物含量是影響蘆葦濕地土壤無機硫含量的關鍵因素(累積貢獻率可達81.44%),而土壤養分也對其分布也具有重要影響(累積貢獻率為11.51%)。交錯帶濕地的第一主成分Z1與x2、x5和x8存在明顯的正相關,與x1和x3存在明顯的負相關,可看作是土壤氧化還原環境、養分和金屬礦物的代表;第二主成分Z2與x6和x7存在明顯的正相關,而與x4和x10存在明顯的負相關,可看作是土壤細顆粒組成的代表。因此,土壤氧化還原環境、養分和金屬礦物是影響交錯帶濕地土壤無機硫含量的關鍵因素(累積貢獻率可達58.23%),而土壤細顆粒組成也對其分布也具有重要影響(累積貢獻率為32.35%)。短葉茳芏濕地的第一主成分Z1與x2和x8存在明顯的正相關,而與x1存在明顯的負相關,可看作是土壤氧化還原環境和金屬礦物的代表;第二主成分Z2與x5和x6存在明顯的正相關,而與x4存在明顯的負相關,可看作是土壤養分和土壤細顆粒組成的代表;第三主成分Z3與x9存在明顯的正相關,可看作是土壤金屬礦物的代表。因此,土壤氧化還原環境、養分和細顆粒組成是影響短葉茳芏濕地土壤無機硫含量的關鍵因素(累積貢獻率可達75.95%),而金屬礦物對其分布也具有重要影響(累積貢獻率達13.02%)。為了進一步識別影響不同無機硫形態分布的關鍵因子,對不同形態無機硫含量及主要環境因子進行多元逐步線性回歸分析(表3),結果表明,蘆葦濕地土壤的H2O-S、Adsorbed-S和TIS含量分布主要受有機質含量的影響(R2分別為0.68、0.73和0.93),而HCl-Soluble-S和HCl-Volatile-S含量無任何因子進入方程;交錯帶濕地土壤的HCl-Soluble-S和TIS含量主要受到粉粒含量的影響(R2分別為0.93和0.88),H2O-S和HCl-Volatile-S含量除受到粉粒含量的影響外,還分別受到氧化還原電位(Eh)和Fe含量的影響(R2分別為0.94和0.99),Adsorbed-S含量主要受Al含量的影響(R2為0.57);短葉茳芏濕地土壤的Adsorbed-S和HCl-Volatile-S含量主要受到黏粒和粉粒含量的影響(R2分別為0.91和0.99),TIS含量除受到黏粒含量的影響外,還受到有機質含量的影響(R2為0.96),而H2O-S和HCl-Soluble-S含量均未有任何因子進入方程。

表2 特征值及主成分矩陣

表3 不同類型濕地土壤無機硫分布與環境因子關系的逐步回歸分析

x1至x9所代表的因子同表2

3 討論

表4 不同研究區域濕地表層土壤無機硫含量對比

*a表示該形態無機硫數據缺失。*b表示研究區域為無植被覆蓋地

表 5 不同類型濕地土壤表層理化性質

a, b表示不同類型濕地之間的差異,字母不同表示二者在P<0.05水平上差異顯著

圖6 濕地土壤H2O-S含量和Adsorbed-S含量的關系 Fig.6 Relationship between the contents of H2O-S and Adsorbed-S in marsh soils

本研究還表明,蘆葦與短葉茳芏空間擴展形成的交錯帶濕地土壤的TIS含量明顯高于純群落濕地,前者是后者的1.0—1.5倍。前述分析表明,TIS含量主要受到土壤有機質和土壤細顆粒組成的重要影響。由于交錯帶濕地植物的枯落物歸還能力和攔截細顆粒的能力較高,使得其土壤有機質含量和細顆粒含量也較蘆葦濕地或短葉茳芏濕地高[32],進而導致其TIS含量亦高于純群落濕地。另有研究表明,土壤無機硫含量與土壤TS含量呈顯著正相關[14]。本研究中,交錯帶濕地土壤的TS平均含量((1.40±0.29) mg/g)要高于蘆葦濕地((1.20±0.07) mg/g)和短葉茳芏濕地((1.04±0.08) mg/g),這就使得其無機硫含量可能高于純群落濕地。此外,濕地土壤中的無機硫含量也可能與植物對硫養分的吸收利用密切相關[33]。關于交錯帶濕地與純群落濕地的相關研究表明,交錯帶濕地的蘆葦地下生物量分配比(29.46%)要高于純群落蘆葦濕地(25.79%),而其短葉茳芏地下生物量分配比(26.64%)與純群落短葉茳芏濕地(26.77%)相差不大[22],說明交錯帶濕地植物的生物量主要分配在地下,而地上生物量的分配比相對降低,又因為硫直接參與植物葉綠素的合成以及植物光合作用等過程[34],故可能導致交錯帶植物地上器官所需的有效硫含量相對降低,進而使得土壤中存留的無機硫含量也就相對較高。

4 結論

(1)不同類型濕地土壤中各形態的無機硫含量整體表現為HCl-Soluble-S>H2O-S>Adsorbed-S>HCl-Volatile-S,分別占TS含量的22.29%—39.99%、32.39%—33.33%和30.20%—30.86%。閩江口濕地土壤中不同形態無機硫含量在全國處于較高水平,但明顯低于國外潟湖沉積物和鹽沼土壤的研究結果。

(2)蘆葦與短葉茳芏的空間擴展明顯增加了交錯帶濕地土壤的H2O-S、Adsorbed-S、HCl-Soluble-S和TIS含量,增幅分別為36.94%和54.31%、34.84%和13.03%、73.25%和67.59%以及45.72%和45.28%;而HCl-Volatile-S含量整體降低,降幅分別為2.78%和22.24%。

(3)不同類型濕地土壤中H2O-S、Adsorbed-S和TIS含量的變化主要受有機質含量和細顆粒組成的控制,而HCl-Soluble-S和HCl-Volatile-S含量主要受土壤氧化還原環境和金屬元素分布的影響。

(4)蘆葦與短葉茳芏的空間擴展增加了土壤中H2O-S、Adsorbed-S、HCl-Soluble-S和TIS含量,但降低了HCl-Volatile-S含量,說明二者的空間擴展在整體提高交錯帶濕地土壤有效硫供給能力的同時,亦降低了揮發性硫化物可能對二者生長產生的不利影響,這對于保持二者在交錯帶濕地中的競爭力具有重要生態意義。