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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)系統開(kāi)展的,海洋生態(tài)學(xué)家和地球化學(xué)家應用了化學(xué)計量學(xué)原理指導養分限制和養分循環(huán)的研究已有50多年的歷史了[1]。生態(tài)化學(xué)計量學(xué)主要探究生物系統能量和多種元素的平衡,是當今研究的熱點(diǎn)問(wèn)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,主要是因為碳是結構性物質(zhì)[4],而氮和磷是生物生長(cháng)的限制性養分[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)系統各組分——包括植物、凋落物和土壤等養分比例的調控機制,能夠幫助我們更充分的認識養分比例在生態(tài)系統過(guò)程中的功能作用,而且可以更明確的闡明生態(tài)系統碳、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律,實(shí)現自然資源的可持續發(fā)展和利用具有十分重要的現實(shí)意義[6]。
1材料與方法
1.1樣品的采集本次研究地點(diǎn)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(gè)河口三角洲,是我國四大河口三角洲之一(黃河、長(cháng)江、珠江、遼河),總面積達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域。根據植被的生長(cháng)情況及受人類(lèi)干擾的程度,將濕地劃分為非退化區和退化區。其中非退化區包括翅堿蓬區(6個(gè))和蘆葦區(13個(gè))兩種區域類(lèi)型,共計19個(gè)站位。退化區包括翅堿蓬退化區和蘆葦退化區兩大類(lèi)退化區,根據分布特點(diǎn)將翅堿蓬退化區分為灘涂赤堿蓬退化區和翅堿蓬蘆葦退化區,由于蘆葦區存在油井,為考慮油井對濕地的影響,將蘆葦退化區分為葦田退化區和油井區葦田,每一類(lèi)小退化區布設3個(gè)站點(diǎn),共計12個(gè)站位。采樣時(shí)間為2009年5月,樣品采集后經(jīng)自然風(fēng)干、磨碎,混勻后過(guò)80目篩,裝入聚乙烯袋內冷凍(4℃)保存直至分析。
1.2樣品分析有機碳和油類(lèi)的測定方法參照國標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(shí)驗過(guò)程中選擇20%的樣品進(jìn)行平行雙樣測定,相對標準偏差均小于4%。土壤的鹽度和pH值采用電位法測定,分別使用DDS-307型電導儀和PHS-3C精密酸度計完成分析。
1.3數據處理與方法運用軟件Excel2003、suffer8.0、SPSS13.0和Origin7.5進(jìn)行數據分析和繪圖處理。
2結果與討論
2.1非退化區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(zhù)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良好的線(xiàn)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(xiàn)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,變異系數為10.1%;C/P比為4.53~7.18,平均值為5.92,變異系數為18.2%;N/P比為1.57~2.14,平均值為1.84,變異系數為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(zhù)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良好的線(xiàn)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(xiàn)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,變異系數為7.5%;C/P比為10.55~29.28,平均值為17.95,變異系數為29.9%;N/P比為1.97~4.60,平均值為2.96,變異系數為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致TOC方面存在高達5倍差異的主要原因。相對于翅堿蓬,蘆葦憑借其發(fā)達的根系和植物枯落物為表層土壤積累了較高含量的有機碳[8-9]。在TN方面,兩種濕地同樣存在較大差異,分析原因認為除植被因素外,由于赤堿篷濕地生長(cháng)在海邊灘涂區,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。農田灌溉水、工業(yè)及生活廢水的排放等人為擾動(dòng)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,可以認為T(mén)P的含量與植被類(lèi)型不大。原因是濕地自然土壤中的磷主要來(lái)源于成土母質(zhì)以及動(dòng)植物殘體,其含量主要受到區域氣候條件和土壤類(lèi)型的影響[11]。羅先香[12]等通過(guò)對遼河口濕地研究認為,總磷含量的變異系數比較小,總磷在整個(gè)區域分布較均勻,這表明土壤中磷含量與該地區的成土母質(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,本次調查的蘆葦生長(cháng)區的土壤類(lèi)型是鹽化草甸土、濱海沼澤鹽土,赤堿篷生長(cháng)區的土壤類(lèi)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(lèi)(調查區周邊存在油井)等因子的調控。利用SPSS13.0軟件分別進(jìn)行相關(guān)性計算,不同類(lèi)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的計算結果可知,pH與兩種濕地的C/N、C/P比存在顯著(zhù)的相關(guān)性,與N/P比存在顯著(zhù)的相關(guān)性;鹽度與蘆葦濕地的C/N、C/P比存在顯著(zhù)的相關(guān)性,與N/P比存在顯著(zhù)的相關(guān)性;由于赤堿篷本身是一種耐鹽植物,對鹽度的變化反應不明顯,相關(guān)性分析證實(shí)了這一點(diǎn),鹽度與赤堿篷濕地的C/N、C/P、N/P比無(wú)關(guān);石油類(lèi)與兩種濕地沒(méi)有明顯的相關(guān)性。
2.2退化區土壤生源要素計量學(xué)特征
2.2.1赤堿篷濕地退化區土壤碳、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,碳、氮、磷之間的不存在顯著(zhù)的相關(guān)關(guān)系(n=6,P>0.05),線(xiàn)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,變異系數為11.1%;C/P比為4.32~6.08,平均值為5.16,變異系數為11.8%;N/P比為1.63~2.43,平均值為1.98,變異系數為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,非退化區比退化區要高,這表明蘆葦濕地植被對C、N、P有一定程度貢獻。相關(guān)性方面,退化區與非退化區的表現差異性較大。在非退化區,碳與氮元素間存在著(zhù)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,碳、氮、磷元素之間的不存在顯著(zhù)的相關(guān)關(guān)系,線(xiàn)性擬合程度很低。分析原因可能是由于在翅堿蓬退化區植被較少,對碳、氮、磷元素的含量的控制力較弱,其更多的受到人類(lèi)活動(dòng)的影響,人類(lèi)活動(dòng)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(guò)對三種元素的關(guān)聯(lián)性研究表明,碳與氮元素間存在著(zhù)極顯著(zhù)的相關(guān)關(guān)系(n=6,P<0.01),碳與磷元素間存在著(zhù)極顯著(zhù)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)之間呈現良好的線(xiàn)性擬合關(guān)系,二者幾乎同步變化,碳和磷(r2值為0.8237)線(xiàn)性擬合程度相對較低。蘆葦濕地土壤c>退化區,這表明蘆葦濕地植被對C、N、P有一定程度貢獻,特別的是在TOC方面,由于凋落物分解的原因,使土壤中有機碳含量提高較為明顯。由于取樣點(diǎn)LH27、LH28、LH29離油井距離較近,但其在TOC方面并未表現出明顯高于周邊站位的現象,說(shuō)明目前石油開(kāi)發(fā)沒(méi)有發(fā)生泄漏現象,尚未對周邊環(huán)境造成明顯影響。相關(guān)性方面,蘆葦濕地退化區與非退化區類(lèi)似,其TOC與TN表現出同步的變化趨勢,具有極顯著(zhù)的相關(guān)性(P<0.01),而在翅堿蓬濕地,toc與tn沒(méi)有表現出相同的變化趨勢,可認為不存在相關(guān)性(p>0.05)。通過(guò)對比兩種濕地退化區可以發(fā)現,同樣受到人類(lèi)活動(dòng)的干擾而出現植被的退化,蘆葦表現出對碳、氮、磷元素更強的維持平衡的能力。在蘆葦濕地退化區,碳、氮、磷元素依然有著(zhù)顯著(zhù)的相關(guān)性及較高的其線(xiàn)性擬合,這說(shuō)明蘆葦較強的維持碳、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(xiàn)性擬合較低,表現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(lèi)活動(dòng)對碳、氮、磷的含量的影響較大。
3結論
(1)赤堿篷濕地與蘆葦濕地植被的不同是導致TOC方面存在高達5倍差異的主要原因。由于赤堿篷濕地生長(cháng)在海邊灘涂區,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,農田灌溉水、工業(yè)及生活廢水的排放等人為擾動(dòng)因素,在一定程度上縮小了兩種濕地在TN上的差異。植被類(lèi)型對TP影響不大,TP含量主要受土壤類(lèi)型和區域氣候條件的影響。(2)由于碳、氮均是有機生物體的結構性元素,它們在生物體內含量基本恒定,且具有同源性,其來(lái)源均為有機物。因此,二者之間具有顯著(zhù)的正相關(guān)關(guān)系。(3)通過(guò)對比兩種濕地退化區可以發(fā)現,同樣受到人類(lèi)活動(dòng)的干擾而出現植被的退化,蘆葦較赤堿篷表現出更強的維持平衡碳、氮、磷元素平衡的能力
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