小叶樟植物-土壤系统硫素分布特征

小叶樟植物-土壤系统硫素分布特征

湿地是世界上一种具有不同功能的独特生态系统。湿地生态系统养分循环研究是现代湿地生态研究的热点。硫作为第五养分钠的第四个重要养分，在植物生长发育过程中起着重要作用，如蛋白质、氨基酸的合成、光合作用和呼吸作用。此外，它对于维持生态系统的健康发展也很重要。作为主要生产区的植物系统，硫的缺乏将导致代谢紊乱、生长发育障碍和死亡。三江平原是我国湿地面积最大、类型最齐全的地区之一。在本区的湿地植被中,沼泽化草甸和沼泽是主要的植被类型,而沼泽化草甸又以小叶樟群系最为普遍,占湿地面积的34.45%。到目前为止,有关三江平原沼泽湿地营养元素动态的研究主要集中在N、P和K等元素上,而对小叶樟湿地植物-土壤系统硫素分布状况的研究尚不多见,本文选择三江平原小叶樟沼泽化草甸研究土壤-植物系统硫的分布状况,旨在进一步认识三江平原典型湿地生态系统营养元素的生物地球化学过程和循环机制,同时对三江平原沼泽湿地的保护、合理利用也有着一定的指导意义。1研究领域的总结和研究方法1.1地貌、地貌本项研究是在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站以东12km的野外试验场(E133°31′,N47°35′)进行,该地属温带大陆性季风气候,冬季严寒漫长,夏季温暖湿润,年平均气温1.9℃,≥10℃的年有效积温为2300℃左右,年降水量为600mm左右,年内降水分配不均,60%以上集中在6～9月。试验场内的地貌类型为三江平原沼泽发育最为普遍的碟形洼地,主要植被类型有小叶樟(Calamagrostisangustifolia)、乌拉苔草(C.meyeriana)、毛果苔草(C.lasiocarpa)和漂筏苔草(C.pseudocuraica)等。土壤类型主要为草甸沼泽土、腐殖质沼泽土和潜育白浆土。1.2样品的采集与测定植物地上部分采用收获法,即在样地区内按植物生长特点每15天左右采样一次。采样时,在样地内随机选取3～4个25cm×25cm的小样方,用剪刀沿地面剪下植物的地上部分并将其带回实验室分离为茎、叶和叶鞘,然后置于80℃烘干箱中烘干,至恒重。地下根的采集采用挖掘法,和植物地上部分的采集同步进行。采样时将样方内0～50cm的根全部挖出,每次2～3个重复。将取出的植物根用水冲洗至无泥土为止,区分死根和活根,并将其置于烘干箱中烘干至恒重。磨碎,装袋待测。土壤样品的采集:在植物生长季,每月采集一次。每次在小叶樟沼泽化草甸内随机采集3个样方进行混合,土壤样品按10cm间隔分层进行采集,采样深度为40cm。为了减小空间异质性,土壤样品的采集均在小范围内采集,除表层采用挖掘方式采样外,其它各层均采用NZ型泥炭钻进行采样,以防止各层之间的干扰。样品采集后放入自封袋中,密封以防止样品的污染。每个点的3个样品混合为一个样品。采集的土样在室温下自然风干,捡去石块、残根等杂物,磨碎后过100目筛,装袋备测。植物全硫的测定采用HNO3-HClO4消煮BaSO4比浊法,土壤全硫的测定采用Mg(NO3)2-BaSO4比浊法,有效硫采用Ca(H2PO4)2-HOAC浸提BaSO4比浊法,有机质的测定采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法。2结果与分析2.1植物硫含量的分配植物各器官不仅对不同元素具有选择吸收性,即使对同种元素也具有不同的累积能力。对比小叶樟植物体不同器官中硫素浓度发现,硫的平均含量在各器官中存在差异,其中根的平均含量最高,其次是叶,再者是鞘和茎(表1)。植物各器官硫含量的差异是由相应器官的结构和功能决定的。根是主要的供硫器官,植物地上部分的硫素都来源于根,因此根需要富集大量的硫素才能满足植物生长的需要,因此根中硫含量最高,这与汪诗平等在内蒙古草原上的研究相一致。叶是小叶樟植物生长过程中最幼嫩的器官,是新陈代谢最旺盛的部位,硫优先分配给植物最幼嫩的部位。小叶樟是多年生禾本科植物,其鞘和茎也能进行光合作用,故鞘和茎中的硫含量也较高。总之,植物各器官硫含量的分布与其功能是一致的。2.2根中总硫含量的变化在生长季内,小叶樟植物体各器官因生长阶段和自身组织结构的不同,其总硫含量均有着明显的季节变化。总体上,茎、叶和鞘各器官中硫含量呈波动性变化,但总体上呈递减趋势。5月末,茎、叶和叶鞘中的总硫含量最高,之后随时间的推移虽有一定波动但整体单调下降,并于9月底达到最低值(图1),地上各器官中总硫含量所表现出的波动可能与各器官生物量增加而表现出的“稀释效应”有关。若以总硫含量表示植物体地上各器官的硫素利用状况,则硫素含量越高,利用率越低,于是各器官的硫素利用率表现为茎>鞘>叶,这也从侧面反映了硫素在叶和鞘中含量高。根中总硫的变化与地上各器官总硫的变化不同(图1)。根中总硫含量在生长季内表现为先增加后迅速减小而后又迅速增加。5～6月根中总硫的含量迅速增加,并在6月末取得第一次峰值,6月末至7月末是小叶樟植物的第二次生长高峰期,地上各器官对各营养元素的需求量很大,根作为营养元素的输出库,必须在生长高峰到来前蓄积足够的营养以满足植物此间生长发育的需要,由此导致根中总硫含量在5～6月逐渐增加。在6～7月的生长高峰期内,植物地上部分需要从根部转移大量的营养元素来满足生长需要,从而导致根中总硫含量逐渐下降,并于7月末达到最低值。之后,地上各器官渐趋衰老,作为多年生植物,根需要积累大量的营养元素以供冬季呼吸消耗,因此地上各器官的营养元素开始向地下转移,从而导致根中总硫含量再次迅速增加。总之,根中硫素含量波动较大,说明根是硫素的重要“集散库”,它对于地上部硫素供给有着重要意义。2.3土壤总硫含量的垂真分层性与土壤有机质的垂直分布关系土壤全硫平均含量在土壤剖面上从上到下依次为:1100.31、841.52、365.01和351.96mgkg-1,呈明显的分层性,即随着剖面的加深,总硫含量逐渐降低(表2),这种变化与金泰龙、郝庆菊等的研究相一致。土壤总硫的垂直分布受有机质垂直分布的影响,对二者进行相关分析表明,二者呈显著正相关(r=0.985,P<0.05),可见土壤总硫含量的垂真分层性受制于土壤有机质的垂直分布。各层土壤总硫的变化范围均在世界土壤硫变幅范围(30～10000mgkg-1)之内,但只有0～20cm的土壤硫含量高于世界土壤含量均值(700mgkg-1)。有效硫在各层次上的平均含量依次为:90.73、53.69、40.51和37.15mgkg-1,和土壤总硫含量的垂直分布相同,也表现为随剖面加深而逐渐减少(表2)。有效硫的分布受到土壤吸附性能、淋溶、大气沉降和植物等多种因素的影响。随着土壤剖面的加深,有机质含量逐渐降低,其对SO42-吸附能力逐渐下降,同时土壤质地变得粘重,紧实,由淋溶作用引起的离子迁移能力减弱,另外大气沉降和植物残体分解是土壤SO42-的一个重要来源,而植物残体一般集中在土壤的上层,因此造成上层有效硫含量较高。2.4种植过程中土壤有效硫含量的季节变化生长季内,各层次土壤总硫的季节变化不尽相同(图2B),0～40cm各层土壤硫含量的季节变化范围依次为:954.76～1121.07mgkg-1、714.73～944.03mgkg-1、311.42～452.00mgkg-1和284.32～422.08mgkg-1。0～10cm和10～20cm土壤总硫含量的变化为先降低后升高而后又降低,0～20cm是根系集中区,该层土壤硫的含量受到植物生长过程的影响,和根中总硫的季节变化相比较(图1),发现土壤中总硫的变化和根中总硫的变化相异,相关分析表明0～10cm和10～20cm土壤总硫含量和根中总硫的含量存在负相关关系,相关系数分别为:r=-0.781和r=-0.464。5～6月份,是小叶樟植物的第一次旺盛生长期,根系需要从土壤中吸收大量的营养元素来满足植物生长的需要,另外6月末至7月末是小叶樟植物的第二次生长高峰期,地上各器官对各营养元素的需求量很大,根作为营养元素的输出库,必须在生长高峰到来前蓄积足够的营养以满足植物此间生长发育的需要,因此根在此期间从土壤中吸收了大量的营养元素,伴随着根中硫含量的升高,土壤中总硫含量降低。6月末到7月末,土壤中总硫含量升高,这可能与这段时间温度较高,微生物活性强,对植物残体的分解能力增强,由植物残体分解引起的元素归还量增加,从而导致土壤中总硫含量升高。7～8月,0～10cm土壤总硫含量降低,而10～20cm总硫含量增高,此段时间降雨较多,地表积水,淋溶作用引起表层硫的损失,致使下层总硫含量增加。8～9月,0～20cm土壤总硫含量均降低,这是因为小叶樟是多年生植物,根在冬季来临前需积累大量的营养物质以供冬季呼吸消耗,由此导致土壤总硫和有效硫含量降低。20～40cm,植物根系相对较少,因此土壤总硫含量的变化幅度也较上层小,20～30cm的土壤总量在5～7月变化平稳,7月末到9月末为先升高而后降低。30～40cm土壤总硫为升高-降低交替的变化。有效硫是植物可以直接利用的部分,其变化更易受到植物生长过程的影响。除20～30cm土层外,其余三层土壤有效硫含量具有一致的季节变化规律(图2A),5～6月份,这三层土壤有效硫含量均显著降低,但30～40cm层的土壤有效硫含量降低的幅度较上两层小,0～20cm是根系集中区,在5～6月份植物生长旺盛,需要从土壤中吸收大量的营养元素满足自身生长的需要,由此导致有效硫含量迅速降低。之后6月末到8月末,三层土壤有效硫含量明显增加,这可能与下列因素有关,一是枯落物残体分解释放出大量的无机硫,其次6～8月份,降水较多,由降水输入的SO42-增加,再者大量的降水使地表由无积水变为积水,干湿交替变化能引起SO42-的大量释放。30～40cm土壤有效硫含量的增加可能与上层土壤SO42-淋溶有关。8月至9月三层土壤有效硫含量又都降低,其原因和总硫降低的原因相同。20～30cm土壤有效硫含量在生长季内呈逐渐减少的趋势。3土壤总硫和有效硫含量的季节动态小叶樟植物体各器官中平均硫含量存在差异,为根>叶>鞘>茎,即根为硫的主要累积器官。各器官具有明显的季节变化规律,在生长季内地上各器官中总硫含量均为生长初期最高,之后近