闽江口湿地典型群落土壤植物体系有机碳分布特征

闽江口湿地典型群落土壤植物体系有机碳分布特征

湿地是由水和土壤相互作用形成的独特生态系统。它在防洪、调节排水、储存洪水、防止干旱、控制污染等方面发挥着不可替代的作用。因其具有巨大的环境功能和环境效益,被誉为“地球之肾”,是自然界最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一。湿地作为一种重要的生态系统,其碳储量是全球碳储量的重要组成部分,一般认为,湿地是CO2等温室气体的“源”、“汇”和全球尺度上的气候“稳定器”,其对全球气候变化具有重要影响,因此,湿地碳素变化对全球变化的影响也就一直是国内外湿地研究的热点。湿地碳储量占陆地生态系统碳储量的10%-30%以上,湿地单位面积碳储量是森林的3倍,是陆地上各种生态系统中单位面积碳储量最高的,湿地中的碳主要储存在泥炭和富含有机质的土壤中,在气候稳定且没有人类干扰的情况下,湿地相对于其他生态系统能够更长期地储存碳。因此,湿地碳分布及其动态变化在全球碳循环过程中有着极其重要的作用。由于湿地类型多样,受环境影响的时空变化大,人们对湿地碳分布、碳流动过程,及其在全球变化中的作用了解得还不多。因此,加强湿地碳的研究对全球碳循环和全球碳变化研究具有十分重要的意义。目前,我国有关湿地碳数量、分布、行为及其动态变化特征的研究主要集中于青藏高原东部的若尔盖高原和东北的三江平原、大小兴安岭等有泥炭堆积的沼泽区域。福建省拥有较大面积的湿地资源,但对湿地碳分布特征及其流动过程的研究尚少,因此,本研究通过定量分析闽江口湿地土壤—植物系统有机碳的分布特征,旨在了解该湿地对陆地生态系统碳循环和区域气候变化的作用和影响,从而为深入探讨闽江口湿地碳汇机理提供依据。1湿地的人为破坏闽江口湿地是闽江流域最大的天然湿地,介于东经119°10′-120°30′,北纬25°45′-26°35′之间,水深不超6m的湿地达数千公顷。该湿地位于南亚热带,暖热湿润,几乎无冬,年均气温19.3℃,年降水量1380mm。湿地上生长禾本科、菊科、灯心草科等植物80多种,浮游生物100多种,以及40多种鱼类、虾蟹、贝类等,既是候鸟的集散地,又是众多水禽的越冬地和黑脸琵鹭、鹈鹕等珍稀水禽的栖息地。然而,近年来随着闽江两岸工农业的发展,闽江口湿地遭受到越来越多的人为破坏和非法占用。闽江上游和闽江口周围地区不断排放的生活污水和工业废水使得湿地水质受到极大破坏,大面积的围垦造田使湿地面积大为减少。2样品采集与测定在对闽江口湿地进行实地考察的基础上,分别选取了芦苇(Phragmitescommunis)、秋茄(Kandeliacandel)、铺地黍(Panicumrepens)、香蒲(Typhalatifolia)及短叶茳芏(Cyperusmalaccensis)5种典型群落作为研究对象,利用多点混合方法,对每个群落类型分别选取4种植物分布均匀的代表性地段设置采样点,植物分器官采集,同时自上而下分5个层次(0-10cm,10-20cm,20-30cm,30-50cm,50-70cm)采集土壤样品,在每层分别采集4个环刀样和1kg左右土壤样品供室内分析测定。各植株样品分别用自来水、蒸馏水洗涤,滤纸吸干,先置于105℃烘箱中杀青2h,然后于80℃烘箱内烘干24h,研磨粉碎备用,分析前再次烘干。土壤样品室内风干,磨碎,过100目尼龙筛后置于密封袋中,贴上标签避光保存。土壤与植物有机质采用重铬酸钾外加热法测定;土壤全氮与植物全氮采用凯氏定氮法;土壤全磷采用氢氧化钠碱熔,钼锑抗比色法测定;植物总磷采用高氯酸——硫酸消解,钼锑抗比色法测定。3结果与分析3.1不同群落土壤有机碳含量的差异由表1可知,在调查的闽江口湿地5种群落土壤剖面中,虽然有机碳在不同土层中的含量存在着明显差异,但各群落土壤有机碳含量随土壤深度的变化则呈现出相似的规律,即有机碳含量沿着土壤剖面整体呈现先升后降的趋势,在土壤亚层(10-20cm)出现最大值。天然土壤有机物质的输入量主要依赖于有机残体归还量的多少及有机残体的腐殖化系数,5种群落中土壤亚层具有较高的有机碳含量,主要因为此层中植物根系生物量相对较高,根系死亡腐解,为土壤提供了丰富的碳源,提高了有机碳含量。此外,大量的地表枯枝落叶也是土壤有机碳的重要来源,有机质由表层向深层的机械迁移及未成型泥炭的累积,成为有机碳累积峰值形成的重要原因之一。土壤表层相对于土壤亚层有机碳含量较低,这是由于该湿地处于亚热带气候区,湿热的气候条件不利于有机碳的积累,表层土壤相对于其它层次土壤更易受外界环境影响,有机碳的分解转化较快,同时表层有机质向深层的迁移活动也造成该层有机碳源的降低。各群落土壤有机碳含量中,秋茄群落的10-20cm层最大,为33.43g·kg-1,最小值出现在芦苇群落的50-70cm层,为15.88g·kg-1,最大值是最小值的2.1倍。对不同群落土壤有机碳含量进行比较,秋茄群落土壤有机碳除30-50cm层小于短叶茳芏香蒲群落外,在其余各层的含量均高于其它群落,具有较高的碳含量;其次是香蒲及短叶茳芏群落;含量相对较低的是芦苇群落土壤。由于本研究中各群落所受环境因素影响大致相同,出现以上现象的原因是不同植物自身有机碳含量存在差异,以及不同类型植物向土壤提供的凋落物数量及其转化效率存在的差异所致。由图1可知,不同土层有机碳占自身剖面总有机碳的比例也不尽相同,变化范围为14.04%-28.3%,比例最大的为铺地黍群落土壤的10-20cm层,比例最小的为秋茄群落土壤的30-50cm层。同时,各群落土壤有机碳沿土壤剖面的垂直分异系数也不相同(表2),其中铺地黍群落的变异系数最大,达到30.93%,说明该群落土壤对环境因子及有机质输入的响应相对敏感,而香蒲群落不同土层有机碳含量的变异系数较小,为19.58%,表明该处湿地受到外界的干扰相对较少,各层次土壤有机碳含量相对稳定且变化相对较小。3.2材料碳贮量的区域差异植物的有机碳含量主要来源于空气中的CO2。植物在生长过程中吸收CO2,形成光合产物并作为生物量固定贮存起来,而有机碳则包含在这部分生物量当中。湿地植物作为湿地生态系统的重要组成部分,其碳贮存能够消减大气日益增加的CO2,在稳定全球气候、减缓温室效应方面发挥了重要作用。但由于植被类型的多样性和不同地区植物种类的差异,使得同一类型植被或同一区域植物碳贮量差异较大,存在着不一致性。因此,如何精确评估不同类型湿地植被的碳贮量成为阐明植被恢复对全球陆地生态系统碳平衡影响的重要内容。从表3可以看出,5种不同类型湿地植物各部位的含碳量呈现出一定的差异性,其中最大值出现在秋茄的枝干,为42.15g·kg-1;最小值为30.13g·kg-1,出现在铺地黍根部。比较同一植株不同部位间的含碳量可知,各植物枝干的有机碳含量均高于根部与叶片,这是由于枝干含有较多的木质素,而木质素的碳含量较高;同时叶片相对于根部具有较高的有机碳含量,这是由于叶片中含有丰富的叶绿体,存在大量有机物。对不同植物同一部位的有机碳含量进行比较,结果表明根系中有机碳含量最大的是香蒲根系,为33.99g·kg-1,枝干有机碳含量相对较高的是秋茄,为42.15g·kg-1,叶片有机碳含量最大的是香蒲,为36.99g·kg-1。可见不同生长类型植物有机碳的差异来自于次生结构,而同一类型植物不同部位有机碳含量的差异则来自于它们的自身功能和生理特点。3.3土壤中各氮、全氮含量的关系土壤中各营养元素之间的关系是土壤固相物质与多种元素在一定环境条件下相互作用的结果。氮磷作为土壤生物地球化学循环过程中2类重要的营养元素,其含量一直是影响土壤的理化性质及碳贮存的重要指标。从图2可以看出,不同类型群落土壤中各土层全氮与全磷含量具有明显的差异,但整体的变化趋势与有机碳的基本相似,均呈现土壤亚层含量较大,且随土层深度的增加而含量变小。为了分析土壤有机碳与氮磷的相互关系并确定该类元素对有机碳积累的影响程度,就不同层次土壤有机碳与氮磷含量的关系进行相关性分析(表4)。从表4可以看出,不同群落土壤中全氮与全磷含量均与相应土层有机碳含量呈现出正相关的关系,但两者的表现形式有所不同,其中土壤全氮与有机碳呈现线性正相关,而土壤全磷与有机碳则呈现指数正相关,这表明该地区土壤中氮磷含量在有机碳的积累过程中具有不同的影响作用。而比较不同群落土壤氮磷与有机碳含量拟合模型的决定系数,则进一步反映出两者对土壤有机碳积累的影响程度,其中在芦苇群落中,虽然土壤氮磷对有机碳的积累具有不同的作用,但全氮与有机碳的决定系数(R2=0.82)远大于全磷与有机碳的决定系数(R2=0.49),这说明与全磷相比,该群落土壤有机碳积累主要受全氮的影响;短叶茳芏群落中,情况则恰好相反,土壤全氮与有机碳的决定系数(R2=0.49)远小于土壤全磷与有机碳的决定系数(R2=0.73),说明该群落中土壤全磷对土壤有机碳的影响较大;在其它三类群落中,土壤氮磷与有机碳都具有较好的相关性,表明在这些群落中,土壤氮磷对有机碳积累均具有较大的影响作用。4教学因素对土壤理化性质的影响(1)闽江口湿地5种不同类型群落中,土壤各剖面有机碳含量分布具有相似的规律,其最大值均出现在土壤亚层,且整体表现出随剖面深度的增加而降低的趋势,同时与其它群落相比,秋茄群落土壤具有较高的有机碳含量。土壤有机碳分布之所以出现此类情况,主要是受植被类型、凋落物分解程度及气候条件三者共同影响所致。(2)不同类型植物各部位中有机碳含量具有一定的差异性,5种植物中枝干部分的有机碳含量均要大于其在叶片与根系