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濕地表層土地要素計量學分析的理工論文
引言
生態化學計量學研究最早主要是針對水生生態系統開展的,海洋生態學家和地球化學家應用了化學計量學原理指導養分限制和養分循環的研究已有50多年的歷史了[1]。生態化學計量學主要探究生物系統能量和多種元素的平衡,是當今研究的熱點問題[2-3],關于碳(C)、氮(N)、磷(P)生態化學計量學的研究最多,主要是因為碳是結構性物質[4],而氮和磷是生物生長的限制性養分[5],三者密切相關。生態化學計量學能更好地揭示生態系統各組分——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系統過程中的功能作用,而且可以更明確的闡明生態系統碳、氮、磷平衡的元素化學計量比格局,對于揭示生源要素各元素間的相互作用與制約變化規律,實現自然資源的可持續發展和利用具有十分重要的現實意義[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。根據植被的生長情況及受人類干擾的程度,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)和蘆葦區(13個)兩種區域類型,共計19個站位。退化區包括翅堿蓬退化區和蘆葦退化區兩大類退化區,根據分布特點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,每一類小退化區布設3個站點,共計12個站位。采樣時間為2009年5月,樣品采集后經自然風干、磨碎,混勻后過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的測定方法參照國標GB17378.5-2007[7]進行。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特征
2.1.1濕地壤碳、氮、磷生態化學計量學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,相關分析表明,碳與氮元素間存在著明顯的相關關系(P<0.01),而碳和磷、氮和磷元素間不存在明顯相關性(p>0.05)。其中,碳和氮元素之間呈現良好的線性擬合關系,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。相關分析表明,碳與氮元素間均存在著明顯的相關關系(n=13,P<0.01),碳與磷、氮與磷元素間不存在相關關系(n=13,p>0.05)。此外,碳和氮元素元素之間呈現良好的線性擬合關系,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以及動植物殘體,其含量主要受到區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為,總磷含量的變異系數比較小,總磷在整個區域分布較均勻,這表明土壤中磷含量與該地區的成土母質密切相關。
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化學計量學特征受到氣候母質地形和生物等成土因素的影響,本次調查的蘆葦生長區的土壤類型是鹽化草甸土、濱海沼澤鹽土,赤堿篷生長區的土壤類型是濱海潮灘土。這里主要從土壤理化性質的角度進行分析。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(調查區周邊存在油井)等因子的調控。利用SPSS13.0軟件分別進行相關性計算,不同類型下的土壤元素生態化學計量學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比存在顯著的相關性,與N/P比存在顯著的相關性;鹽度與蘆葦濕地的C/N、C/P比存在顯著的相關性,與N/P比存在顯著的相關性;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;石油類與兩種濕地沒有明顯的相關性。
2.2退化區土壤生源要素計量學特征
2.2.1赤堿篷濕地退化區土壤碳、氮、磷生態化學計量學特征土壤的碳、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的相關關系(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明顯的相關關系,而碳與磷,氮與磷元素間存在明顯相關性,而在退化區,碳、氮、磷元素之間的不存在顯著的相關關系,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、磷元素之間相關性較小。
2.2.2蘆葦濕地退化區土壤碳、氮、磷生態化學計量學特征土壤的碳、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,通過對三種元素的關聯性研究表明,碳與氮元素間存在著極顯著的相關關系(n=6,P<0.01),碳與磷元素間存在著極顯著的相關關系(n=6,P<0.01),而氮與磷元素間存在明顯相關性(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)之間呈現良好的線性擬合關系,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,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,說明目前石油開發沒有發生泄漏現象,尚未對周邊環境造成明顯影響。相關性方面,蘆葦濕地退化區與非退化區類似,其TOC與TN表現出同步的變化趨勢,具有極顯著的相關性(P<0.01),而在翅堿蓬濕地,toc與tn沒有表現出相同的變化趨勢,可認為不存在相關性(p>0.05)。通過對比兩種濕地退化區可以發現,同樣受到人類活動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、磷元素依然有著顯著的相關性及較高的其線性擬合,這說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、磷元素不存在相關性,線性擬合較低,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,人類活動對碳、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,其來源均為有機物。因此,二者之間具有顯著的正相關關系。(3)通過對比兩種濕地退化區可以發現,同樣受到人類活動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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