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濕地表層土地要素計量學(xué)分析的理工論文
引言
生態(tài)化學(xué)計量學(xué)研究最早主要是針對水生生態(tài)系統(tǒng)開展的,海洋生態(tài)學(xué)家和地球化學(xué)家應(yīng)用了化學(xué)計量學(xué)原理指導(dǎo)養(yǎng)分限制和養(yǎng)分循環(huán)的研究已有50多年的歷史了[1]。生態(tài)化學(xué)計量學(xué)主要探究生物系統(tǒng)能量和多種元素的平衡,是當(dāng)今研究的熱點問題[2-3],關(guān)于碳(C)、氮(N)、磷(P)生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的研究最多,主要是因為碳是結(jié)構(gòu)性物質(zhì)[4],而氮和磷是生物生長的限制性養(yǎng)分[5],三者密切相關(guān)。生態(tài)化學(xué)計量學(xué)能更好地揭示生態(tài)系統(tǒng)各組分——包括植物、凋落物和土壤等養(yǎng)分比例的調(diào)控機(jī)制,能夠幫助我們更充分的認(rèn)識養(yǎng)分比例在生態(tài)系統(tǒng)過程中的功能作用,而且可以更明確的闡明生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、磷平衡的元素化學(xué)計量比格局,對于揭示生源要素各元素間的相互作用與制約變化規(guī)律,實現(xiàn)自然資源的可持續(xù)發(fā)展和利用具有十分重要的現(xiàn)實意義[6]。
1材料與方法
1.1樣品的采集本次研究地點為遼河口濕地,它由大遼河、外遼河、大凌河等河流入海沖積而形成的一個河口三角洲,是我國四大河口三角洲之一(黃河、長江、珠江、遼河),總面積達(dá)30×104hm2,是亞洲最大的暖溫帶濱海濕地,也是我國北方濱海濕地和灘涂分布最集中的區(qū)域。根據(jù)植被的生長情況及受人類干擾的程度,將濕地劃分為非退化區(qū)和退化區(qū)。其中非退化區(qū)包括翅堿蓬區(qū)(6個)和蘆葦區(qū)(13個)兩種區(qū)域類型,共計19個站位。退化區(qū)包括翅堿蓬退化區(qū)和蘆葦退化區(qū)兩大類退化區(qū),根據(jù)分布特點將翅堿蓬退化區(qū)分為灘涂赤堿蓬退化區(qū)和翅堿蓬蘆葦退化區(qū),由于蘆葦區(qū)存在油井,為考慮油井對濕地的影響,將蘆葦退化區(qū)分為葦田退化區(qū)和油井區(qū)葦田,每一類小退化區(qū)布設(shè)3個站點,共計12個站位。采樣時間為2009年5月,樣品采集后經(jīng)自然風(fēng)干、磨碎,混勻后過80目篩,裝入聚乙烯袋內(nèi)冷凍(4℃)保存直至分析。
1.2樣品分析有機(jī)碳和油類的測定方法參照國標(biāo)GB17378.5-2007[7]進(jìn)行。用凱氏法測定土壤中總氮含量。用消解-鉬抗銻抗分光光度法測定樣品中的總磷含量。實驗過程中選擇20%的樣品進(jìn)行平行雙樣測定,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于4%。土壤的鹽度和pH值采用電位法測定,分別使用DDS-307型電導(dǎo)儀和PHS-3C精密酸度計完成分析。
1.3數(shù)據(jù)處理與方法運用軟件Excel2003、suffer8.0、SPSS13.0和Origin7.5進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和繪圖處理。
2結(jié)果與討論
2.1非退化區(qū)濕地土壤生源要素計量學(xué)特征
2.1.1濕地壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征赤堿篷濕地土壤的碳、氮、磷元素的變化范圍分別為0.19%~0.36%,0.07%~0.10%,0.41‰~0.53‰,平均值為0.28%、0.09%、0.47‰,變異系數(shù)為22.2%,14.0%和10.9%,氮和磷元素的空間變異性低于碳。此外,相關(guān)分析表明,碳與氮元素間存在著明顯的相關(guān)關(guān)系(P<0.01),而碳和磷、氮和磷元素間不存在明顯相關(guān)性(p>0.05)。其中,碳和氮元素之間呈現(xiàn)良好的線性擬合關(guān)系,其R2值為0.9611,二者幾乎同步變化,碳和磷(R2值為0.4374)、氮和磷(R2值為0.4244)之間的線性擬合程度相對較低。赤堿篷濕地土壤C/N比為2.65~3.60,平均值為3.20,變異系數(shù)為10.1%;C/P比為4.53~7.18,平均值為5.92,變異系數(shù)為18.2%;N/P比為1.57~2.14,平均值為1.84,變異系數(shù)為10.9%,土壤C/N、N/P比變化相對較小,而C/P比變化較大。蘆葦濕地土壤的碳、氮、磷元素的變化范圍分別為1.11%~3.18%,0.12%~0.29%,0.42‰~0.66‰,平均值為1.70%、0.16%、0.56‰,變異系數(shù)為30.7%、25.6%和12.6%,在空間變異性性上碳>氮>磷。相關(guān)分析表明,碳與氮元素間均存在著明顯的相關(guān)關(guān)系(n=13,P<0.01),碳與磷、氮與磷元素間不存在相關(guān)關(guān)系(n=13,p>0.05)。此外,碳和氮元素元素之間呈現(xiàn)良好的線性擬合關(guān)系,其R2值為0.9605,二者幾乎同步變化,碳和磷(R2值為0.0108)、氮和磷(R2值為0.0229)之間的線性擬合程度較低。蘆葦濕地土壤C/N比為5.37~6.93,平均值為6.00,變異系數(shù)為7.5%;C/P比為10.55~29.28,平均值為17.95,變異系數(shù)為29.9%;N/P比為1.97~4.60,平均值為2.96,變異系數(shù)為24.7%,土壤C/N比變化相對較小,而C/P、N/P比變化較大。
2.1.2兩種濕地對比分析從數(shù)值上看,蘆葦濕地在TOC、TN、TP方面均比赤堿篷濕地高。蘆葦濕地TOC含量為1.63%,赤堿篷濕地TOC含量為0.31%,蘆葦濕地在TN含量上是赤堿篷濕地5倍;蘆葦濕地TN含量為0.16%,赤堿篷濕地TN含量為0.08%,蘆葦濕地在TN含量上是赤堿篷濕地2倍;蘆葦濕地TP含量為0.068%,赤堿篷濕地TP含量為0.056%,蘆葦濕地在TP含量上是赤堿篷濕地1.21倍。由于赤堿篷濕地與蘆葦濕地植被的不同是導(dǎo)致TOC方面存在高達(dá)5倍差異的主要原因。相對于翅堿蓬,蘆葦憑借其發(fā)達(dá)的根系和植物枯落物為表層土壤積累了較高含量的有機(jī)碳[8-9]。在TN方面,兩種濕地同樣存在較大差異,分析原因認(rèn)為除植被因素外,由于赤堿篷濕地生長在海邊灘涂區(qū),受漲落潮影響,在較短的干濕交替周期作用下,有助于濕地脫氮[10],其全氮含量較低。農(nóng)田灌溉水、工業(yè)及生活廢水的排放等人為擾動因素,在一定程度上縮小了兩種濕地在TN上的差異。相比TOC、TN,兩種濕地TP含量差別較小,可以認(rèn)為TP的含量與植被類型不大。原因是濕地自然土壤中的磷主要來源于成土母質(zhì)以及動植物殘體,其含量主要受到區(qū)域氣候條件和土壤類型的影響[11]。羅先香[12]等通過對遼河口濕地研究認(rèn)為,總磷含量的變異系數(shù)比較小,總磷在整個區(qū)域分布較均勻,這表明土壤中磷含量與該地區(qū)的成土母質(zhì)密切相關(guān)。
2.1.3影響土壤碳氮磷比變化的因子分析土壤元素的生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征受到氣候母質(zhì)地形和生物等成土因素的影響,本次調(diào)查的蘆葦生長區(qū)的土壤類型是鹽化草甸土、濱海沼澤鹽土,赤堿篷生長區(qū)的土壤類型是濱海潮灘土。這里主要從土壤理化性質(zhì)的角度進(jìn)行分析。土壤C/N、C/P、N/P比除受到各自比例元素的影響外,還受到土壤pH、鹽度、油類(調(diào)查區(qū)周邊存在油井)等因子的調(diào)控。利用SPSS13.0軟件分別進(jìn)行相關(guān)性計算,不同類型下的土壤元素生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征其影響因子也不一致。由表2-1的計算結(jié)果可知,pH與兩種濕地的C/N、C/P比存在顯著的相關(guān)性,與N/P比存在顯著的相關(guān)性;鹽度與蘆葦濕地的C/N、C/P比存在顯著的相關(guān)性,與N/P比存在顯著的相關(guān)性;由于赤堿篷本身是一種耐鹽植物,對鹽度的變化反應(yīng)不明顯,相關(guān)性分析證實了這一點,鹽度與赤堿篷濕地的C/N、C/P、N/P比無關(guān);石油類與兩種濕地沒有明顯的相關(guān)性。
2.2退化區(qū)土壤生源要素計量學(xué)特征
2.2.1赤堿篷濕地退化區(qū)土壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征土壤的碳、氮、磷元素的變化范圍分別為0.19%~0.25%,0.07%~0.10%,0.41‰~0.44‰,平均值為0.22%、0.08%、0.42‰,變異系數(shù)為10.7%,14.5%和2.8%,磷元素的空間變異性低于碳和氮。在赤堿篷退化區(qū),碳、氮、磷之間的不存在顯著的相關(guān)關(guān)系(n=6,P>0.05),線性擬合程度很低。翅堿蓬濕地土壤C/N比為2.19~3.07,平均值為2.63,變異系數(shù)為11.1%;C/P比為4.32~6.08,平均值為5.16,變異系數(shù)為11.8%;N/P比為1.63~2.43,平均值為1.98,變異系數(shù)為15.4%,土壤N/P比變化相對較小,而C/N、C/P比變化較大。如圖3-1,在TOC、TN、TP含量方面,非退化區(qū)比退化區(qū)要高,這表明蘆葦濕地植被對C、N、P有一定程度貢獻(xiàn)。相關(guān)性方面,退化區(qū)與非退化區(qū)的表現(xiàn)差異性較大。在非退化區(qū),碳與氮元素間存在著明顯的相關(guān)關(guān)系,而碳與磷,氮與磷元素間存在明顯相關(guān)性,而在退化區(qū),碳、氮、磷元素之間的不存在顯著的相關(guān)關(guān)系,線性擬合程度很低。分析原因可能是由于在翅堿蓬退化區(qū)植被較少,對碳、氮、磷元素的含量的控制力較弱,其更多的受到人類活動的影響,人類活動的不確定性致使碳、氮、磷元素之間相關(guān)性較小。
2.2.2蘆葦濕地退化區(qū)土壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征土壤的碳、氮、磷元素的變化范圍分別為:0.51%~1.36%,0.11%~0.20%,0.44‰~0.66‰,平均值為0.89%、0.15%、0.54‰,變異系數(shù)為33.4%,21.8%和18.5%,氮和磷元素的空間變異性低于碳。此外,通過對三種元素的關(guān)聯(lián)性研究表明,碳與氮元素間存在著極顯著的相關(guān)關(guān)系(n=6,P<0.01),碳與磷元素間存在著極顯著的相關(guān)關(guān)系(n=6,P<0.01),而氮與磷元素間存在明顯相關(guān)性(n=6,P<0.05)。碳和氮元素(r2值為0.9548)之間、氮和磷(r2值為0.9046)之間呈現(xiàn)良好的線性擬合關(guān)系,二者幾乎同步變化,碳和磷(r2值為0.8237)線性擬合程度相對較低。蘆葦濕地土壤c>退化區(qū),這表明蘆葦濕地植被對C、N、P有一定程度貢獻(xiàn),特別的是在TOC方面,由于凋落物分解的原因,使土壤中有機(jī)碳含量提高較為明顯。由于取樣點LH27、LH28、LH29離油井距離較近,但其在TOC方面并未表現(xiàn)出明顯高于周邊站位的現(xiàn)象,說明目前石油開發(fā)沒有發(fā)生泄漏現(xiàn)象,尚未對周邊環(huán)境造成明顯影響。相關(guān)性方面,蘆葦濕地退化區(qū)與非退化區(qū)類似,其TOC與TN表現(xiàn)出同步的變化趨勢,具有極顯著的相關(guān)性(P<0.01),而在翅堿蓬濕地,toc與tn沒有表現(xiàn)出相同的變化趨勢,可認(rèn)為不存在相關(guān)性(p>0.05)。通過對比兩種濕地退化區(qū)可以發(fā)現(xiàn),同樣受到人類活動的干擾而出現(xiàn)植被的退化,蘆葦表現(xiàn)出對碳、氮、磷元素更強(qiáng)的維持平衡的能力。在蘆葦濕地退化區(qū),碳、氮、磷元素依然有著顯著的相關(guān)性及較高的其線性擬合,這說明蘆葦較強(qiáng)的維持碳、氮、磷元素平衡的能力,而在翅堿蓬濕地,碳、氮、磷元素不存在相關(guān)性,線性擬合較低,表現(xiàn)出較差的抗干擾能力,在翅堿蓬退化的情況下保持碳、氮、磷元素之間的平衡能力不足,人類活動對碳、氮、磷的含量的影響較大。
3結(jié)論
(1)赤堿篷濕地與蘆葦濕地植被的不同是導(dǎo)致TOC方面存在高達(dá)5倍差異的主要原因。由于赤堿篷濕地生長在海邊灘涂區(qū),受漲落潮影響,在較短的干濕交替周期作用下,有助于濕地脫氮,農(nóng)田灌溉水、工業(yè)及生活廢水的排放等人為擾動因素,在一定程度上縮小了兩種濕地在TN上的差異。植被類型對TP影響不大,TP含量主要受土壤類型和區(qū)域氣候條件的影響。(2)由于碳、氮均是有機(jī)生物體的結(jié)構(gòu)性元素,它們在生物體內(nèi)含量基本恒定,且具有同源性,其來源均為有機(jī)物。因此,二者之間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。(3)通過對比兩種濕地退化區(qū)可以發(fā)現(xiàn),同樣受到人類活動的干擾而出現(xiàn)植被的退化,蘆葦較赤堿篷表現(xiàn)出更強(qiáng)的維持平衡碳、氮、磷元素平衡的能力
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