不同植被覆蓋對查干湖濕地土壤腐殖質的影響

田宇鑫, 姜珊, 劉騫

(長春大學園林學院, 長春 130022)

濕地作為地球之肺,在調節氣候方面起著非常重要的作用。濕地的形成、發育與演化是濕地理論研究的核心問題,其碳儲量巨大,在全球生態系統碳匯中占據重要地位[1]。加強研究濕地形成的原因及演變過程,對于濕地保護起著積極的影響[2]。濕地生態系統既是碳源,又是碳匯,這取決于不同的植被類型和環境變量[3-4]。在過去的幾十年里,農業開墾、堤壩建設及氣候變暖等因素導致大量自然濕地退化,植物多樣性和生物量銳減、土壤腐殖質碳大量損失,使濕地生態系統由碳匯向碳源轉變,造成的后果就是加劇了全球氣候變暖[5]。因此,濕地的研究調查和保護也越來越受到大家的重視。土壤中的腐殖質是有機物質中的主要成分,占總有機質的60%～70%[6],其膠結性能好,化學活性強,對改良土壤結構、保水和營養物質有一定的作用,可以提高土壤對環境的適應能力和應對各種污染的能力,且在不同的環境中存在著明顯的結構差異[7-9]。腐殖質是植物生長所需養分的主要來源,對于刺激植物生長和提高土壤肥力上有重要貢獻[10]。同時,植物的枯枝落葉等凋落物又再次進入土壤參與物質循環。目前,國內外有關土壤腐殖質的研究主要集中在農田、草原、森林和低海拔的沼澤等方面,對于鹽堿濕地土壤腐殖質的研究還是較少的[11-12]。中國鹽堿地主要集中在西北、東北、華北及濱海地區(約9.913×107hm2),約占總陸地面積的10.3%,且呈逐年增長的趨勢,是重要的土地資源[13-14]。尤其在轉化為農業用地過程中具有潛力大的獨特優勢[15-16]。土壤與植物之間的物質交換是環境中重要的循環過程,土壤鹽堿化促使土壤板結的特點使非耐鹽堿植物生長受到抑制[17],而優勢植物的生長具有其獨特性,能夠在鹽堿濕地中長勢良好,所以,對于鹽堿濕地與不同植被類型之間的響應研究是十分必要的。查干湖濕地具有廣泛的鹽生植物資源,現以查干湖濕地為例,從土壤環境及與植物之間響應關系的角度出發,主要分析蘆葦+香蒲、蘆葦+苔蘚、堿蓬、水稗、蘆葦5種類型植被所覆蓋的土壤腐殖質碳及其組分的空間分布情況和紅外光譜結構,闡明不同植被覆蓋對土壤腐殖質影響,以期為鹽堿濕地修復、優勢物種的篩選及植物抗逆性研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

查干湖(東經124°03′～124°34′,北緯45°09′～45°30′)地處松嫩平原西部,位于吉林省松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣境內,是國家級內陸濕地和水域生態系統類型自然保護區[18]。該區屬北溫帶大陸季風性半干旱氣候區,區內成土母質為第四紀沉積物[19],它與湖泊、沼澤、沼澤化草甸等組成了各種不同類型的濕地生態系統復合體。查干湖一度枯竭,因水中高堿性,所以在干涸后,會有白色的堿液出現,對植物的生長有很大的影響[20]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇與土壤樣品采集

根據文獻及實地調查,查干湖濕地保護區主要植被類型為沼澤性植物,實驗選取查干湖濕地中的5種優勢植被類型:蘆葦+香蒲、蘆葦+苔蘚、堿蓬、水稗、蘆葦為例進行研究,樣地基本信息如表1所示。采用土鉆法對土壤進行采樣,每一樣方采樣三次,將三孔土混合在一起,分別進行了0～20 cm和20～40 cm的采樣。把土樣放入封袋,帶回實驗室進行樣土處理,自然風干后過0.25 mm篩,裝袋待用。

表1 樣地植被類型、經緯度

1.2.2 樣品分析方法

腐殖質提取采用堿液提取法[21]。腐殖質及組分定碳采用重鉻酸鉀外加熱法[22]。腐殖質結構分析采用KBr壓片法在紅外光譜儀上測定[23]。

1.3 統計分析和計算

采用Excel 2003、SPSS 26.0、Origin軟件進行數據分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 不同植被覆蓋下土壤腐殖質碳及其組分分布特征

2.1.1 土壤腐殖質碳分布

不同植被下土壤中的腐殖質碳(humus carbon,HC)含量分布特征如圖1所示。在0～20 cm土層中,5種類型植被所覆蓋的土壤HC含量的分布特征為蘆葦>水稗>堿蓬>蘆苔>蘆蒲,其中,不管是在0～20 cm土層還是20～40 cm土層,蘆葦所覆蓋的HC含量都是最高的,高達36.64～54.95 g/kg,甚至高于蘆蒲、蘆苔的2～3倍,較其他4種類型植被的土壤有顯著差異。在20～40 cm土層中的分布特征與0～20 cm相似,只是蘆蒲所覆蓋的土壤HC含量高于蘆苔,但差異并不顯著。在垂直分布上,伴隨土層加深,水稗、堿蓬和蘆苔覆蓋的土壤HC逐漸降低,而蘆蒲、蘆葦覆蓋的土壤HC逐漸增高。

字母代表土壤指標在0.05水平上的差異顯著性,其中大寫字母代表不同土層,小寫字母代表不同植被

2.1.2 土壤胡敏酸碳分布

不同植被下土壤中的胡敏酸碳(humic acid carbon,HAc)含量分布特征如圖2所示。在0～20 cm土層中,5種類型植被所覆蓋的土壤HAc含量的分布特征為蘆葦>水稗>蘆苔>堿蓬>蘆蒲,在20～40 cm土層中,5種類型植被所覆蓋的土壤HAc含量的分布特征為蘆葦>水稗>蘆蒲>蘆苔>堿蓬,其中,無論在0～20 cm土層還是在20～40 cm土層,蘆葦所覆蓋的HAc含量都是最高的,高達18.98～33.28 g/kg,是其他4種植被的2～5倍,有顯著差異。水稗、堿蓬和蘆苔所覆蓋的HAc含量在兩個土層中變化不大,不具有明顯的差異性。在垂直分布上,伴隨土層加深,堿蓬和蘆苔覆蓋的土壤HAc逐漸降低,而蘆葦、水稗、蘆蒲覆蓋的土壤HAc逐漸增高。

字母代表土壤指標在0.05水平上的差異顯著性,其中大寫字母代表不同土層,小寫字母代表不同植被

2.1.3 土壤富里酸碳分布

不同植被下土壤中的富里酸碳(fulvic acid carbon,FAc)含量分布特征如圖3所示。在0～20 cm土層中,5種類型植被所覆蓋的土壤FAc含量的分布特征為蘆葦>水稗>堿蓬>蘆蒲>蘆苔,在20～40 cm土層中,5種類型植被覆蓋的土壤FAc含量的分布特征為蘆葦>水稗>堿蓬>蘆苔>蘆蒲,其中,無論在0～20 cm土層還是在20～40 cm土層,蘆葦所覆蓋的FAc含量都是最高的,高達11.55～15.68 g/kg,較其他4種土壤有顯著差異。蘆蒲和蘆苔所覆蓋的FAc含量在兩個土層中變化不大,不具有明顯的差異性,且在20～40 cm土層中,兩者的含量幾乎接近,相差甚少,僅相差0.48 g/kg。在垂直分布上,伴隨土層加深,蘆蒲覆蓋的土壤FAc逐漸降低,而蘆葦、水稗、蘆苔、堿蓬覆蓋土壤的FAc逐漸增高。堿蓬覆蓋的土壤FAc和蘆苔覆蓋的土壤FAc具有顯著差異,堿蓬和蘆蒲覆蓋的土壤FAc與水稗、蘆葦覆蓋的土壤FAc具有顯著差異。

字母代表土壤指標在0.05水平上的差異顯著性,其中大寫字母代表不同土層,小寫字母代表不同植被

2.1.4 土壤胡敏素碳分布

不同植被下土壤中的胡敏素碳(humin carbon,HMc)含量分布特征如圖4所示。在0～20 cm土層中,5種類型植被所覆蓋的土壤HMc含量的分布特征為蘆葦>水稗>蘆蒲>蘆苔>堿蓬,在20～40 cm土層中,5種類型植被所覆蓋的土壤HMc含量的分布特征為蘆葦>蘆蒲>蘆苔>水稗>堿蓬,其中,不管是在0～20 cm土層還是在20～40 cm土層,蘆葦覆蓋的土壤HMc含量都是最高的,較其他4種土壤有顯著差異,且在兩個土層中含量變化不大,僅減少了0.12 g/kg。在垂直分布上,伴隨土層加深,水稗和蘆葦覆蓋的土壤HMc逐漸降低,其中,水稗土壤的HMc減少量具有顯著差異,減少了3.22 g/kg,而蘆苔、堿蓬、蘆蒲覆蓋土壤的HMc逐漸增高。蘆苔、蘆蒲覆蓋的土壤HMc與蘆葦覆蓋的土壤HMc具有顯著差異性。

字母代表土壤指標在0.05水平上的差異顯著性,其中大寫字母代表不同土層,小寫字母代表不同植被

2.2 土壤腐殖質及其組分相關性分析

胡敏酸和富里酸比值HA/FA是反映土壤腐殖質成分變異的指標之一,可表征在不同土壤條件下,腐殖質的腐殖化程度和分子復雜程度,也可以表示土壤肥力的優良性[24]。如圖5所示,在0～20 cm土層中,5種類型植被所覆蓋的HA/FA比值的分布特征為蘆苔>蘆葦>水稗>堿蓬>蘆蒲,在20～40 cm土層中,5種植被所覆蓋的HA/FA比值分布特征為蘆葦>蘆蒲>蘆苔>水稗>堿蓬,其中,不管是在0～20 cm土層還是在20～40 cm土層,蘆葦覆蓋的土壤HA/FA比值都是最高的,在垂直分布上,伴隨土層加深,堿蓬和蘆苔覆蓋的土壤HA/FA比值逐漸降低,而蘆葦、水稗、蘆蒲覆蓋土壤的HA/FA增高。相關研究表明HAc和FAc的含量可以有效地降解土壤中的塑料物質[25]。同時,相對來講,胡敏酸是土壤腐殖質中比較穩定的成分,也就是說土壤中胡敏酸的含量越高其所富含的養分也就越多。因此,對于蘆蒲和蘆葦覆蓋的土壤來說,其土壤深層養分大于淺層,蘆苔覆蓋下的土壤表層營養成分比深層要多,這表明植被對土壤養分水平的影響是非常明顯的。

字母代表土壤指標在0.05水平上的差異顯著性,其中大寫字母代表不同土層,小寫字母代表不同植被

如表2所示,HA/FA比值呈現顯著正相關的關系(P<0.05),胡敏酸(HAc)與富里酸(FAc)和腐殖質碳(HEc)具有極顯著相關關系,且與HA/FA呈現顯著正相關的關系。FAc與HEc具有極顯著相關關系,與HAc呈顯著正相關的關系。胡敏素(HMc)與HAc和FAc呈現顯著正相關的關系,與HC具有極顯著相關的關系。HA/FA和植被類型、HAc呈現顯著正相關的關系。HC與HAc、FAc、HMc具有極顯著相關的關系。

表2 土壤腐殖質各組分相關性

2.3 不同植被覆蓋下土壤腐殖質結構紅外光譜特征

腐殖質成分含有多種功能基,如醚基、酮基、醛基、酯基和酰胺等。組分可以通過多種機制如氫鍵、范德華力、離子交換、配位交換等與金屬、黏土物、氧化物、有機污染物等有機污染物結合,從而對其進行化學性質的影響[26]。研究結果顯示,HAc和FAc由于具有多種功能基如醚基、羧酸、羥基等,這些官能團通常決定土壤的酸度、吸收容量及其與無機物形成有機-無機復合體的能力,因此,對植株的生長起到了促進作用,對土壤中的營養、水分、抗病蟲害的作用也很大[27]。

圖6 胡敏酸紅外光譜

如圖7所示,富里酸的吸收峰主要出現在:3 500～3 700 cm-1(締合醇羥基—OH伸縮振動吸收)、3 030～3 080 cm-1(碳氫伸縮振動)、1 540 cm-1(酸仲酰胺的—NH變形振動)、1 050～1 200 cm-1(醇酚碳氧伸縮振動)、625～725 cm-1(苯環單取代伸縮振動)區域表現顯著。蘆苔和水稗所覆蓋的土壤中富里酸的紅外光譜極為相似,在同一波長處兩者的透過率幾乎相同。在3 030～3 080 cm-1處,5種土壤都出現了較為明顯的特征峰,說明此處碳氫伸縮振動極為顯著。5種土壤中,堿蓬土壤中的富里酸紅外光譜分布特征與其他4種有差異,在特征峰分布上與其他4種也略有不同。總體上,在同一波長處,蘆蒲的透過率總是最低的,而蘆葦和堿蓬的透過率與其他3種相比較高。每種富里酸的透過率都在1 050～1 200 cm-1處最低,其中蘆葦的透過率低至0,在3 500 cm-1處最高,堿蓬高達157%。HAc、FAc中的醌基使得HAc、FAc能夠作為電子穿梭體提高電子傳遞效率,即FAc比HAc的電子傳遞性能更強[28]。

圖7 富里酸紅外光譜

3 討論

3.1 鹽堿土壤腐殖質分布特征對植被覆蓋的響應

腐殖質是土壤有機物的主要成分,在土壤中起到的作用是多種多樣的,例如,提高土壤含水量、提高土壤肥力、提高土壤微生物活性、提高土壤解毒性以及促進土壤團粒結構等功能[29]。胡敏素是腐殖質中經酸、堿提取后殘留的固體有機碳,聚合程度高,它既不溶于堿性溶液也不溶于酸性溶液[30]。植被類型不同,植物凋落物、根系分泌物在土壤中的積累不同[31]。研究表明,土壤中的腐殖質碳含量呈現深層大于淺層的現象,在垂直分布上,伴隨土層加深,水稗、堿蓬和蘆苔覆蓋的土壤HC逐漸降低,而蘆蒲、蘆葦覆蓋土壤的HC逐漸增高。其中水稗、堿蓬和蘆苔的分布特征與劉騫等[32]的研究結論相符,蘆蒲和蘆葦的分布特征呈反向趨勢,這與其周圍環境以及形成過程有關,濕地表面有少量積水,這就增加了土壤的黏結性,土壤團粒間的空隙也會增大,所以就會出現在有些植被所覆蓋的土壤中,其腐殖質組分含量會與大趨勢走向相反的現象。比如5種植被所覆蓋的土壤中胡敏酸的含量變化趨勢是深層大于淺層,但是堿蓬和蘆苔恰恰相反,隨著土層的加深其胡敏酸的含量減少,但是減少量不明顯,這與其本身特性以及形成條件有關。5種植被所覆蓋的土壤中富里酸的含量變化趨勢是深層大于淺層,而蘆蒲所覆蓋的土壤卻淺層含量大于深層。胡敏素是所有各個土層腐殖質組分中含量最少的物質,最高也僅僅是6.11 g/kg,這與譚美娟等[33]的研究結果相反。原因是腐殖質在查干湖鹽堿濕地中分布是不均勻的,加上受到人為活動的干擾,其本身的鹽堿含量高的特性決定了各腐殖質組分含量的特征,由此可推斷出在松嫩平原鹽堿濕地中胡敏素的含量遠遠小于胡敏酸和富里酸的含量。5種植被所覆蓋的土壤中,蘆葦所覆蓋的土壤中其胡敏酸、富里酸、胡敏素、腐殖質碳的含量都是最高的,因此蘆葦的腐殖質含量相對于其他4種植被所覆蓋的土壤是最高的,也就是說其土壤所富含的有機物以及微生物含量也相對較高,且胡富比也很高,代表其土壤的腐殖化程度也相對較高,由此可見其土壤肥力也比其他4種植被所覆蓋的土壤高,具有一定的耐鹽堿性。同一種植物,在其他因素以及適應能力不變的情況下,應首選蘆葦所覆蓋的土壤作為種植地。安素幫[34]研究也表明:當鹽堿濕地蘆葦生境發生變化,蘆葦的蓋度、密度、株高、葉片、生物量和抽穗數等均發生顯著變化。除此之外,蘆葦所覆蓋的土壤中腐殖質含量如此之高也可能與其形成條件有關,比如蘆葦是該地帶的多年生物種,每年入秋后蘆葦的枯枝殘葉常年堆積形成了腐殖質,而蘆葦自身的有機物含量又較高,所以其土壤中所富含的腐殖質含量也較高。趙宏亮等[35]研究表明:長苞香蒲能夠將土壤和水體中吸收的Na+從地下部分轉移至地上部分,能有效去除土壤和水體中的Na+和K+,即可通過收割的方法來降低土壤和水體中的鹽堿,從而達到去除鹽堿的目的。因此,種植適量面積的長苞香蒲對鹽堿地的改良有一定的效果。

3.2 鹽堿土壤腐殖質結構組成對植被覆蓋的響應

4 結論

通過對查干湖5種不同類型植被覆蓋的土壤腐殖質進行分析,得到以下結論。

(1)優勢植被蘆葦覆蓋的土壤中,腐殖質碳組分含量較高,腐殖化程度較高。

(2)查干湖鹽堿濕地腐殖質碳組分的分布與土層深度響應明顯,水稗、蘆葦濕地土壤在0～40 cm土層范圍內,隨著土壤深度的增加,腐殖質碳、胡敏酸碳和富里酸碳含量呈遞增趨勢,而胡敏素碳隨著深度的增加而下降。

(3)不同植物土壤中胡敏酸與富里酸的結構類似,具有相同的官能團,其中兩者都含有的締合醇羥基—OH具有還原性,對土壤的凈化有良好的作用,進而促進植物的生長。