閩江口濕地典型群落土壤植物體系有機碳分布特征

閩江口濕地典型群落土壤植物體系有機碳分布特征

濕地是由水和土壤相互作用形成的獨特生態(tài)系統(tǒng)。它在防洪、調(diào)節(jié)排水、儲存洪水、防止干旱、控制污染等方面發(fā)揮著不可替代的作用。因其具有巨大的環(huán)境功能和環(huán)境效益,被譽為“地球之腎”,是自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀和人類最重要的生存環(huán)境之一。濕地作為一種重要的生態(tài)系統(tǒng),其碳儲量是全球碳儲量的重要組成部分,一般認為,濕地是CO2等溫室氣體的“源”、“匯”和全球尺度上的氣候“穩(wěn)定器”,其對全球氣候變化具有重要影響,因此,濕地碳素變化對全球變化的影響也就一直是國內(nèi)外濕地研究的熱點。濕地碳儲量占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的10%-30%以上,濕地單位面積碳儲量是森林的3倍,是陸地上各種生態(tài)系統(tǒng)中單位面積碳儲量最高的,濕地中的碳主要儲存在泥炭和富含有機質(zhì)的土壤中,在氣候穩(wěn)定且沒有人類干擾的情況下,濕地相對于其他生態(tài)系統(tǒng)能夠更長期地儲存碳。因此,濕地碳分布及其動態(tài)變化在全球碳循環(huán)過程中有著極其重要的作用。由于濕地類型多樣,受環(huán)境影響的時空變化大,人們對濕地碳分布、碳流動過程,及其在全球變化中的作用了解得還不多。因此,加強濕地碳的研究對全球碳循環(huán)和全球碳變化研究具有十分重要的意義。目前,我國有關濕地碳數(shù)量、分布、行為及其動態(tài)變化特征的研究主要集中于青藏高原東部的若爾蓋高原和東北的三江平原、大小興安嶺等有泥炭堆積的沼澤區(qū)域。福建省擁有較大面積的濕地資源,但對濕地碳分布特征及其流動過程的研究尚少,因此,本研究通過定量分析閩江口濕地土壤—植物系統(tǒng)有機碳的分布特征,旨在了解該濕地對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和區(qū)域氣候變化的作用和影響,從而為深入探討閩江口濕地碳匯機理提供依據(jù)。1濕地的人為破壞閩江口濕地是閩江流域最大的天然濕地,介于東經(jīng)119°10′-120°30′,北緯25°45′-26°35′之間,水深不超6m的濕地達數(shù)千公頃。該濕地位于南亞熱帶,暖熱濕潤,幾乎無冬,年均氣溫19.3℃,年降水量1380mm。濕地上生長禾本科、菊科、燈心草科等植物80多種,浮游生物100多種,以及40多種魚類、蝦蟹、貝類等,既是候鳥的集散地,又是眾多水禽的越冬地和黑臉琵鷺、鵜鶘等珍稀水禽的棲息地。然而,近年來隨著閩江兩岸工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,閩江口濕地遭受到越來越多的人為破壞和非法占用。閩江上游和閩江口周圍地區(qū)不斷排放的生活污水和工業(yè)廢水使得濕地水質(zhì)受到極大破壞,大面積的圍墾造田使?jié)竦孛娣e大為減少。2樣品采集與測定在對閩江口濕地進行實地考察的基礎上,分別選取了蘆葦(Phragmitescommunis)、秋茄(Kandeliacandel)、鋪地黍(Panicumrepens)、香蒲(Typhalatifolia)及短葉茳芏(Cyperusmalaccensis)5種典型群落作為研究對象,利用多點混合方法,對每個群落類型分別選取4種植物分布均勻的代表性地段設置采樣點,植物分器官采集,同時自上而下分5個層次(0-10cm,10-20cm,20-30cm,30-50cm,50-70cm)采集土壤樣品,在每層分別采集4個環(huán)刀樣和1kg左右土壤樣品供室內(nèi)分析測定。各植株樣品分別用自來水、蒸餾水洗滌,濾紙吸干,先置于105℃烘箱中殺青2h,然后于80℃烘箱內(nèi)烘干24h,研磨粉碎備用,分析前再次烘干。土壤樣品室內(nèi)風干,磨碎,過100目尼龍篩后置于密封袋中,貼上標簽避光保存。土壤與植物有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定;土壤全氮與植物全氮采用凱氏定氮法;土壤全磷采用氫氧化鈉堿熔,鉬銻抗比色法測定;植物總磷采用高氯酸——硫酸消解,鉬銻抗比色法測定。3結(jié)果與分析3.1不同群落土壤有機碳含量的差異由表1可知,在調(diào)查的閩江口濕地5種群落土壤剖面中,雖然有機碳在不同土層中的含量存在著明顯差異,但各群落土壤有機碳含量隨土壤深度的變化則呈現(xiàn)出相似的規(guī)律,即有機碳含量沿著土壤剖面整體呈現(xiàn)先升后降的趨勢,在土壤亞層(10-20cm)出現(xiàn)最大值。天然土壤有機物質(zhì)的輸入量主要依賴于有機殘體歸還量的多少及有機殘體的腐殖化系數(shù),5種群落中土壤亞層具有較高的有機碳含量,主要因為此層中植物根系生物量相對較高,根系死亡腐解,為土壤提供了豐富的碳源,提高了有機碳含量。此外,大量的地表枯枝落葉也是土壤有機碳的重要來源,有機質(zhì)由表層向深層的機械遷移及未成型泥炭的累積,成為有機碳累積峰值形成的重要原因之一。土壤表層相對于土壤亞層有機碳含量較低,這是由于該濕地處于亞熱帶氣候區(qū),濕熱的氣候條件不利于有機碳的積累,表層土壤相對于其它層次土壤更易受外界環(huán)境影響,有機碳的分解轉(zhuǎn)化較快,同時表層有機質(zhì)向深層的遷移活動也造成該層有機碳源的降低。各群落土壤有機碳含量中,秋茄群落的10-20cm層最大,為33.43g·kg-1,最小值出現(xiàn)在蘆葦群落的50-70cm層,為15.88g·kg-1,最大值是最小值的2.1倍。對不同群落土壤有機碳含量進行比較,秋茄群落土壤有機碳除30-50cm層小于短葉茳芏香蒲群落外,在其余各層的含量均高于其它群落,具有較高的碳含量;其次是香蒲及短葉茳芏群落;含量相對較低的是蘆葦群落土壤。由于本研究中各群落所受環(huán)境因素影響大致相同,出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是不同植物自身有機碳含量存在差異,以及不同類型植物向土壤提供的凋落物數(shù)量及其轉(zhuǎn)化效率存在的差異所致。由圖1可知,不同土層有機碳占自身剖面總有機碳的比例也不盡相同,變化范圍為14.04%-28.3%,比例最大的為鋪地黍群落土壤的10-20cm層,比例最小的為秋茄群落土壤的30-50cm層。同時,各群落土壤有機碳沿土壤剖面的垂直分異系數(shù)也不相同(表2),其中鋪地黍群落的變異系數(shù)最大,達到30.93%,說明該群落土壤對環(huán)境因子及有機質(zhì)輸入的響應相對敏感,而香蒲群落不同土層有機碳含量的變異系數(shù)較小,為19.58%,表明該處濕地受到外界的干擾相對較少,各層次土壤有機碳含量相對穩(wěn)定且變化相對較小。3.2材料碳貯量的區(qū)域差異植物的有機碳含量主要來源于空氣中的CO2。植物在生長過程中吸收CO2,形成光合產(chǎn)物并作為生物量固定貯存起來,而有機碳則包含在這部分生物量當中。濕地植物作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其碳貯存能夠消減大氣日益增加的CO2,在穩(wěn)定全球氣候、減緩溫室效應方面發(fā)揮了重要作用。但由于植被類型的多樣性和不同地區(qū)植物種類的差異,使得同一類型植被或同一區(qū)域植物碳貯量差異較大,存在著不一致性。因此,如何精確評估不同類型濕地植被的碳貯量成為闡明植被恢復對全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡影響的重要內(nèi)容。從表3可以看出,5種不同類型濕地植物各部位的含碳量呈現(xiàn)出一定的差異性,其中最大值出現(xiàn)在秋茄的枝干,為42.15g·kg-1;最小值為30.13g·kg-1,出現(xiàn)在鋪地黍根部。比較同一植株不同部位間的含碳量可知,各植物枝干的有機碳含量均高于根部與葉片,這是由于枝干含有較多的木質(zhì)素,而木質(zhì)素的碳含量較高;同時葉片相對于根部具有較高的有機碳含量,這是由于葉片中含有豐富的葉綠體,存在大量有機物。對不同植物同一部位的有機碳含量進行比較,結(jié)果表明根系中有機碳含量最大的是香蒲根系,為33.99g·kg-1,枝干有機碳含量相對較高的是秋茄,為42.15g·kg-1,葉片有機碳含量最大的是香蒲,為36.99g·kg-1?？梢姴煌L類型植物有機碳的差異來自于次生結(jié)構(gòu),而同一類型植物不同部位有機碳含量的差異則來自于它們的自身功能和生理特點。3.3土壤中各氮、全氮含量的關系土壤中各營養(yǎng)元素之間的關系是土壤固相物質(zhì)與多種元素在一定環(huán)境條件下相互作用的結(jié)果。氮磷作為土壤生物地球化學循環(huán)過程中2類重要的營養(yǎng)元素,其含量一直是影響土壤的理化性質(zhì)及碳貯存的重要指標。從圖2可以看出,不同類型群落土壤中各土層全氮與全磷含量具有明顯的差異,但整體的變化趨勢與有機碳的基本相似,均呈現(xiàn)土壤亞層含量較大,且隨土層深度的增加而含量變小。為了分析土壤有機碳與氮磷的相互關系并確定該類元素對有機碳積累的影響程度,就不同層次土壤有機碳與氮磷含量的關系進行相關性分析(表4)。從表4可以看出,不同群落土壤中全氮與全磷含量均與相應土層有機碳含量呈現(xiàn)出正相關的關系,但兩者的表現(xiàn)形式有所不同,其中土壤全氮與有機碳呈現(xiàn)線性正相關,而土壤全磷與有機碳則呈現(xiàn)指數(shù)正相關,這表明該地區(qū)土壤中氮磷含量在有機碳的積累過程中具有不同的影響作用。而比較不同群落土壤氮磷與有機碳含量擬合模型的決定系數(shù),則進一步反映出兩者對土壤有機碳積累的影響程度,其中在蘆葦群落中,雖然土壤氮磷對有機碳的積累具有不同的作用,但全氮與有機碳的決定系數(shù)(R2=0.82)遠大于全磷與有機碳的決定系數(shù)(R2=0.49),這說明與全磷相比,該群落土壤有機碳積累主要受全氮的影響;短葉茳芏群落中,情況則恰好相反,土壤全氮與有機碳的決定系數(shù)(R2=0.49)遠小于土壤全磷與有機碳的決定系數(shù)(R2=0.73),說明該群落中土壤全磷對土壤有機碳的影響較大;在其它三類群落中,土壤氮磷與有機碳都具有較好的相關性,表明在這些群落中,土壤氮磷對有機碳積累均具有較大的影響作用。4教學因素對土壤理化性質(zhì)的影響(1)閩江口濕地5種不同類型群落中,土壤各剖面有機碳含量分布具有相似的規(guī)律,其最大值均出現(xiàn)在土壤亞層,且整體表現(xiàn)出隨剖面深度的增加而降低的趨勢,同時與其它群落相比,秋茄群落土壤具有較高的有機碳含量。土壤有機碳分布之所以出現(xiàn)此類情況,主要是受植被類型、凋落物分解程度及氣候條件三者共同影響所致。(2)不同類型植物各部位中有機碳含量具有一定的差異性,5種植物中枝干部分的有機碳含量均要大于其在葉片與根系