黄河三角洲湿地土壤_植物碳氮稳定同位素的组成特征_丁喜桂_图文

1、ISSN1009-2722 CN37-1475/P海洋地质前沿Marine Geo logy Frontiers第27卷第2期Vol27No2文章编号:1009-2722(201102-0066-06黄河三角洲湿地土壤、植物碳氮稳定同位素的组成特征丁喜桂1,2,叶思源1,2,王吉松3(1国土资源部海洋油气资源和环境地质重点实验室,青岛266071;2青岛海洋地质研究所,青岛266071;3青岛地矿岩土工程有限公司,青岛266071摘要:对黄河三角洲湿地表层土壤和植被进行了碳氮同位素调查,发现本区植物的碳氮同位素值域变化幅度较大,生态系统以喜湿的C3植被类型为主,也生长C4植物。植物的碳、氮同位

2、素之间不存在相关关系。表层土壤中碳氮同位素组成存在着弱负相关关系,反映本区表层土壤中有机质有多种来源。土壤C org/N比值差异很大,大部分地区土壤C org/N比值大于12,指示土壤有机质来源以黄河流域有机质为主,当地植被的贡献较小。关键词:黄河三角洲;湿地;碳同位素;氮同位素中图分类号:P597.2文献标识码:A黄河三角洲位于山东省东营市黄河入海口处,北临渤海,东靠莱州湾,是典型的滨海湿地,处于海洋和陆地的交错地带,是各界学者研究的热点区域。在近几十年中,国内学者着重从沉积学、地层学及生态学角度出发,对黄河三角洲开展了大量的研究工作,内容涉及现代黄河三角洲的形成、演化、结构、地貌特征、岸线

3、变迁、沉积环境、灾害地质、生物多样性、氢氧稳定同位素、有机污染等1-16。但是有关黄河三角洲湿地碳氮稳定同位素的研究却鲜见报道17。碳氮同位素已被广泛应用于探讨各种生态环境中的物质来源、迁移规律和生物氮循环的示踪研究18-23。陈志华等通过对楚科奇海及邻近的北冰洋深水区表层沉积物中有机碳、氮同位素含量的分析指出,该区陆源有机质主要来源于北美和西伯利亚地区现代植被,收稿日期:2010-12-10基金项目:国土资源公益性行业科研专项滨海湿地生态系统的固碳能力探测与评价行业基金(201111023;国土资源部海洋油气资源和环境地质重点实验室开放基金(M RE200920;国家自然科学基金(40872

4、167;大地调项目(1212010611402作者简介:丁喜桂(1979,女,助理研究员,硕士,从事海洋地质和地球化学研究工作.E-mail:din gxigui 海源有机质主要来源于海水和海冰中浮游硅藻和冰藻,其分布与海区环流结构和营养盐结构关系密切19;魏秀国等研究了珠江流域水体悬浮物的碳稳定同位素组成,指出珠江河流悬浮物有机质主要来源于流域植被、土壤有机质,且随季节的变化表现出不同植被特征20;沈承德等指出地表植被类型是制约土壤有机碳变化的主要因素。土壤有机碳稳定同位素平均值不但可用于区分C3、C4植被,还可用于区分阔叶林、针叶林等植被类型21。本文拟对黄河三角洲湿地土壤、植被中碳氮稳定

5、同位素组成特征进行分析,并探讨其物质来源。1材料和方法20062009年在黄河三角洲(图1采集了60个表层土壤样和67个植物样品用于有机碳、有机氮及碳氮同位素测试。采集表层土壤样时采用竹勺等无玷污用具,刮去地表薄层浮土(<1cm,采集地表至20cm深度的土柱,并去除杂草、草根、砾石、砖块等杂物,放入塑料袋中至室内后冷冻保存备用。在采集土壤样第27卷第2期丁喜桂,等:黄河三角洲湿地土壤、植物碳氮稳定 同位素的组成特征图1研究区域及取样站位图Fig.1T he study area and sampling stations的点位附近同步采集生长较好的不同种类植物样品(植物叶子,装入网兜悬挂

6、晾干备用。本次采集的植物样品包括芦苇、柽柳、碱蓬、龙须草、白蜡、刺槐、黄蒿、松柳、杨树等,均取其叶片部分。土壤和植物样品均由中国科学院广州地球化学研究所有机分析测试中心进行处理及分析。土壤样品处理方法:准确称取1.5g土壤样品置于50 mL离心管中,缓慢注入20mL浓度为3mol/L的稀盐酸,搅拌均匀,于65e水浴中加热6h,每1h 搅拌1次,离心弃上清液,再用30mL去离子水洗涤沉淀物离心,重复清洗4遍,再加入30mL浓度为6mol/L的稀盐酸于80e水浴中加热12h,每2 h搅拌1次,离心弃上清液,再用30mL去离子水洗涤沉淀物离心,重复清洗至上清液呈中性并烘干,用玛瑙研钵磨均匀备用。采用

7、德国Finnigan公司生产的Deltaplus XL同位素仪测定同位素D13C、D15N,测量精度为?012j。采用德国Elementar公司生产的vario ELÓ元素分析仪测定有机碳、有机氮含量,测量精度为?015%。2结果与讨论2.1植物样品中碳、氮同位素组成及分布特征通常C3植物D13C值处于-34j-23j范围;C4植物D13C值处于-22j-6j范围; CAM植物D13C值处于-20j-10j范围24,25。在黄河三角洲湿地采集的植物样品的D13C值范围是-3015j-1312j,平均值为-2613j(表1。本区主要植物芦苇、碱蓬、柽柳的D13C值的范围分别是-2618

8、-2417j、-2911-2419j、-3015-2715j,属C3植物。白蜡的D13C值为-201839j,龙须草的D13C 值为-131162j,两者为C4植物。松柳、杨树、刺槐、黄蒿的D13C值均在C3植物范围内。这说明本研究区生态系统以喜湿的C3植被类型为主,也生长C4植物植物。本区植物D15N值的变化范围为-311j 111303j,平均值为11353j。有88%的植物的D15N值集中在-016j418j的范围内。其中C3植物的D15N值的范围为-31099j 111303j,平均值为113j(N=65;两种C4植物的D15N值分别为01109j、61052j。D15N值最高的是碱蓬

9、,最低的是柽柳(表1。表1黄河三角洲湿地植物的碳氮稳定同位素组成T able1Stable car bo n and nitro gen isoto pe composit ions of plants in the Yello w R iver Delta/j样品名称均值D13C D15N白蜡-20183901109柽柳-26160501643碱蓬-28196641141柳树-27150511692芦苇-25168401935刺槐-26135901367黄蒿-301454-01454龙须草-131*松柳-251518-11132杨树-261864117132.2表层土壤D13C、D15N组成

10、及分布特征黄河三角洲湿地表层土壤D13C值的范围是-26144j-3112j,平均值为-17137j;D15N 值的范围是-2179j5173j,平均值为0187j;有机碳值的范围是0108%2162%,平均值为0197%;有机氮值的范围是01003% 01174%,平均值是01045%(表2。在区域分布67M arine Geo lo gy Fr ontiers 海洋地质前沿 2011年2月上,土壤的D 13C 高值集中在研究区北部,并由北向南呈明显的递减变化规律(图2;而D 15 N 值则呈相反的变化规律,以黄河口湿地保护区为高值区向外,主要是向北逐渐减小(图3;有机碳的分布特征与D 13

11、C 分布特征基本相似(图4;有机氮的高值中心分布于孤岛水库北,其他地区有机氮值较低(图5。黄河三角洲湿地表层土壤中D 13C 值与D 15N 值呈弱负相关关系(图6,说明本区土壤有机质有多种来源。研究还显示,黄河三角洲湿地表层土壤中D 13C 值在孤东水库至仙河镇一线以南地区/偏负0,而土壤D 15N 值则相反(图2、图3。相对较负的土壤D 13C 值反映了植被脱落的叶子和微生物活动对其值的影响。黄河三角洲除国家湿地自然保护区外,大多数区域已开发成农用地,其土壤D 15 N 值较高可能与化肥及有机肥料的使用有关。表2 黄河三角洲湿地土壤碳氮稳定同位素、有机碳氮及C org /N 比值的组成特征

12、Table 2 Stable carbon and nitr ogen isotope,Organic carbonand nitro gen,C org /N r atio s o f soils in the Y ellowRiver D elta Wet land参数均值范围D 13C/j -17137-26144-3112D 15N/j机碳/%019701082162有机氮/%010*01174C org /N31164219915914 图2 黄河三角洲湿地土壤D 13C 的分布F ig.2 D 13C of soils in the Yellow Ri

13、ver Delta Wetland图3 黄河三角洲湿地土壤D 15N 的分布Fig.3 D 15N o f so ils in t he Y ellowRiver D elta Wet land图4 黄河三角洲湿地土壤有机碳含量分布Fig.4 O rg anic car bo n o f so ils in t he Y ellowRiver D elta Wet land图5 黄河三角洲湿地土壤有机氮含量分布Fig.5 Or ganic nitr og en o f so ils in t he Y ellowRiver D elta Wet land68第27卷第2期丁喜桂,等:黄河三角洲

14、湿地土壤、植物碳氮稳定 同位素的组成特征图6黄河三角洲湿地土壤的碳氮稳定同位素组成F ig.6Stable ca rbon and nitro gen isoto pe co mpo sitionsof so ils in the Yello w R iver Delta2.3土壤有机质来源分析根据黄河三角洲湿地植被、土壤的碳同位素调查结果,本区土壤D13C和D15N与植被的D13C 和D15N有较大的差异,说明本区土壤有机质主要来源于黄河流域的有机质,当地植被的贡献较小。另外,C or g/N比值也已被广泛用于区分沉积物有机质来源于海洋藻类还是来源于陆地26-35。这个示踪的应用是建立在不同

15、的有机质类型有不同的C org/N比值基础上,C or g/N比值是蛋白质含量的指示剂。Bordovsky36认为C org/N比值<8是典型的海洋物质;Prahl等37给出了比值>12代表沉积物陆源有机质的值。然而C org/N比值有时会因人为因素的影响而不能反映出真实的物源信息。假如C org/N比值能严格体现物源影响,那么C org/N比值应与碳同位素和氮同位素值有比较理想的相关关系38。本区土壤C org/N比值差异非常大(表2,其范围介于314715914,平均值为40189。北部一千二林场湿地保护区及孤北水库以北的大部分区域其土壤C org/N比值大于12(图7,而且C

16、 org/N 比值与碳同位素和氮同位素均有较好的相关关系(图8,表明本区土壤有机质主要来源于陆域有机质。黄河三角洲现行河道两侧部分站位表层土壤C or g/N比值小于8或12,据野外调查记录,土壤C or g/N比值小于8或12的站位均位于棉花地、天然堤或村庄附近,人类活动改造强烈,农业施肥或生活污水的排放可能导致有机氮含量增加,而且这些站位D13C与C org/N并无理想的相关 关系(图9,不能严格体现物源影响。图7黄河三角洲湿地表层土壤C org/N比值分布Fig.7C org/N r atios o f so ils in the Y ellow River Delta图8土壤C org

17、/N比值与碳氮同位素对应关系(C org/N>12Fig.8T he corresponding relationship of C org/N ratio,carbon and nitro gen isot ope co mpo sitio ns in soils(C org/N>12图9土壤C org/N比值与碳氮同位素对应关系(C org/N<12 Fig.9T he cor responding relationship of C org/N r atio,carbon and nitro gen isot ope co mpo sitio ns in soils(C

18、 org/N<1269M arine Geo lo gy Fr ontiers海洋地质前沿2011年2月3结论(1黄河三角洲湿地植被中D13C值的范围是-3015-1312j,D15N值的变化范围为-311 111303j,以喜湿的C3植被类型为主,也生长少量C4植被;植被碳氮同位素之间并无明显的相关关系。黄河三角洲湿地表层土壤中D13C值的范围是-26144-3112j,D15N值的范围是-21795173j。(2根据黄河三角洲湿地植被、土壤的碳同位素调查结果,本区土壤D13C和D15N与植被的D13 C和D15N有较大的差异,且大部分地区土壤C org/ N比值大于12,指示本区土壤

19、有机质主要来源于黄河流域的有机质,当地植被的贡献较小;而黄河三角洲现行河道附近土壤C org/N比值小于8或介于812之间,可能是农业施肥或生活污水的排放而导致有机氮含量增加,而且这些站位D13C 与C or g/N并无理想的相关关系,不能严格体现物源影响。参考文献:1成国栋,薛春汀.黄河三角洲沉积地质学M.北京:地质出版社,1997.2薛春汀.现代黄河三角洲叶瓣的划分和识别J.地理研究,1994,13(2:59-66.3成国栋.黄河三角洲现代沉积作用及模式M.北京:地质出版社,1991.4薛春汀,叶思源,高茂生,等.现代黄河三角洲沉积物沉积年代的确定J.海洋学报(中文版,2009,31(1:

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