田宇鑫, 姜珊, 劉騫

(長春大學(xué)園林學(xué)院, 長春 130022)

濕地作為地球之肺,在調(diào)節(jié)氣候方面起著非常重要的作用。濕地的形成、發(fā)育與演化是濕地理論研究的核心問題,其碳儲量巨大,在全球生態(tài)系統(tǒng)碳匯中占據(jù)重要地位[1]。加強(qiáng)研究濕地形成的原因及演變過程,對于濕地保護(hù)起著積極的影響[2]。濕地生態(tài)系統(tǒng)既是碳源,又是碳匯,這取決于不同的植被類型和環(huán)境變量[3-4]。在過去的幾十年里,農(nóng)業(yè)開墾、堤壩建設(shè)及氣候變暖等因素導(dǎo)致大量自然濕地退化,植物多樣性和生物量銳減、土壤腐殖質(zhì)碳大量損失,使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)由碳匯向碳源轉(zhuǎn)變,造成的后果就是加劇了全球氣候變暖[5]。因此,濕地的研究調(diào)查和保護(hù)也越來越受到大家的重視。土壤中的腐殖質(zhì)是有機(jī)物質(zhì)中的主要成分,占總有機(jī)質(zhì)的60%～70%[6],其膠結(jié)性能好,化學(xué)活性強(qiáng),對改良土壤結(jié)構(gòu)、保水和營養(yǎng)物質(zhì)有一定的作用,可以提高土壤對環(huán)境的適應(yīng)能力和應(yīng)對各種污染的能力,且在不同的環(huán)境中存在著明顯的結(jié)構(gòu)差異[7-9]。腐殖質(zhì)是植物生長所需養(yǎng)分的主要來源,對于刺激植物生長和提高土壤肥力上有重要貢獻(xiàn)[10]。同時,植物的枯枝落葉等凋落物又再次進(jìn)入土壤參與物質(zhì)循環(huán)。目前,國內(nèi)外有關(guān)土壤腐殖質(zhì)的研究主要集中在農(nóng)田、草原、森林和低海拔的沼澤等方面,對于鹽堿濕地土壤腐殖質(zhì)的研究還是較少的[11-12]。中國鹽堿地主要集中在西北、東北、華北及濱海地區(qū)(約9.913×107hm2),約占總陸地面積的10.3%,且呈逐年增長的趨勢,是重要的土地資源[13-14]。尤其在轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)用地過程中具有潛力大的獨(dú)特優(yōu)勢[15-16]。土壤與植物之間的物質(zhì)交換是環(huán)境中重要的循環(huán)過程,土壤鹽堿化促使土壤板結(jié)的特點(diǎn)使非耐鹽堿植物生長受到抑制[17],而優(yōu)勢植物的生長具有其獨(dú)特性,能夠在鹽堿濕地中長勢良好,所以,對于鹽堿濕地與不同植被類型之間的響應(yīng)研究是十分必要的。查干湖濕地具有廣泛的鹽生植物資源,現(xiàn)以查干湖濕地為例,從土壤環(huán)境及與植物之間響應(yīng)關(guān)系的角度出發(fā),主要分析蘆葦+香蒲、蘆葦+苔蘚、堿蓬、水稗、蘆葦5種類型植被所覆蓋的土壤腐殖質(zhì)碳及其組分的空間分布情況和紅外光譜結(jié)構(gòu),闡明不同植被覆蓋對土壤腐殖質(zhì)影響,以期為鹽堿濕地修復(fù)、優(yōu)勢物種的篩選及植物抗逆性研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

查干湖(東經(jīng)124°03′～124°34′,北緯45°09′～45°30′)地處松嫩平原西部,位于吉林省松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣境內(nèi),是國家級內(nèi)陸濕地和水域生態(tài)系統(tǒng)類型自然保護(hù)區(qū)[18]。該區(qū)屬北溫帶大陸季風(fēng)性半干旱氣候區(qū),區(qū)內(nèi)成土母質(zhì)為第四紀(jì)沉積物[19],它與湖泊、沼澤、沼澤化草甸等組成了各種不同類型的濕地生態(tài)系統(tǒng)復(fù)合體。查干湖一度枯竭,因水中高堿性,所以在干涸后,會有白色的堿液出現(xiàn),對植物的生長有很大的影響[20]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇與土壤樣品采集

根據(jù)文獻(xiàn)及實(shí)地調(diào)查,查干湖濕地保護(hù)區(qū)主要植被類型為沼澤性植物,實(shí)驗(yàn)選取查干湖濕地中的5種優(yōu)勢植被類型:蘆葦+香蒲、蘆葦+苔蘚、堿蓬、水稗、蘆葦為例進(jìn)行研究,樣地基本信息如表1所示。采用土鉆法對土壤進(jìn)行采樣,每一樣方采樣三次,將三孔土混合在一起,分別進(jìn)行了0～20 cm和20～40 cm的采樣。把土樣放入封袋,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣土處理,自然風(fēng)干后過0.25 mm篩,裝袋待用。

表1 樣地植被類型、經(jīng)緯度

1.2.2 樣品分析方法

腐殖質(zhì)提取采用堿液提取法[21]。腐殖質(zhì)及組分定碳采用重鉻酸鉀外加熱法[22]。腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)分析采用KBr壓片法在紅外光譜儀上測定[23]。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算

采用Excel 2003、SPSS 26.0、Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被覆蓋下土壤腐殖質(zhì)碳及其組分分布特征

2.1.1 土壤腐殖質(zhì)碳分布

不同植被下土壤中的腐殖質(zhì)碳(humus carbon,HC)含量分布特征如圖1所示。在0～20 cm土層中,5種類型植被所覆蓋的土壤HC含量的分布特征為蘆葦>水稗>堿蓬>蘆苔>蘆蒲,其中,不管是在0～20 cm土層還是20～40 cm土層,蘆葦所覆蓋的HC含量都是最高的,高達(dá)36.64～54.95 g/kg,甚至高于蘆蒲、蘆苔的2～3倍,較其他4種類型植被的土壤有顯著差異。在20～40 cm土層中的分布特征與0～20 cm相似,只是蘆蒲所覆蓋的土壤HC含量高于蘆苔,但差異并不顯著。在垂直分布上,伴隨土層加深,水稗、堿蓬和蘆苔覆蓋的土壤HC逐漸降低,而蘆蒲、蘆葦覆蓋的土壤HC逐漸增高。

字母代表土壤指標(biāo)在0.05水平上的差異顯著性,其中大寫字母代表不同土層,小寫字母代表不同植被

2.1.2 土壤胡敏酸碳分布

不同植被下土壤中的胡敏酸碳(humic acid carbon,HAc)含量分布特征如圖2所示。在0～20 cm土層中,5種類型植被所覆蓋的土壤HAc含量的分布特征為蘆葦>水稗>蘆苔>堿蓬>蘆蒲,在20～40 cm土層中,5種類型植被所覆蓋的土壤HAc含量的分布特征為蘆葦>水稗>蘆蒲>蘆苔>堿蓬,其中,無論在0～20 cm土層還是在20～40 cm土層,蘆葦所覆蓋的HAc含量都是最高的,高達(dá)18.98～33.28 g/kg,是其他4種植被的2～5倍,有顯著差異。水稗、堿蓬和蘆苔所覆蓋的HAc含量在兩個土層中變化不大,不具有明顯的差異性。在垂直分布上,伴隨土層加深,堿蓬和蘆苔覆蓋的土壤HAc逐漸降低,而蘆葦、水稗、蘆蒲覆蓋的土壤HAc逐漸增高。

字母代表土壤指標(biāo)在0.05水平上的差異顯著性,其中大寫字母代表不同土層,小寫字母代表不同植被

2.1.3 土壤富里酸碳分布

不同植被下土壤中的富里酸碳(fulvic acid carbon,FAc)含量分布特征如圖3所示。在0～20 cm土層中,5種類型植被所覆蓋的土壤FAc含量的分布特征為蘆葦>水稗>堿蓬>蘆蒲>蘆苔,在20～40 cm土層中,5種類型植被覆蓋的土壤FAc含量的分布特征為蘆葦>水稗>堿蓬>蘆苔>蘆蒲,其中,無論在0～20 cm土層還是在20～40 cm土層,蘆葦所覆蓋的FAc含量都是最高的,高達(dá)11.55～15.68 g/kg,較其他4種土壤有顯著差異。蘆蒲和蘆苔所覆蓋的FAc含量在兩個土層中變化不大,不具有明顯的差異性,且在20～40 cm土層中,兩者的含量幾乎接近,相差甚少,僅相差0.48 g/kg。在垂直分布上,伴隨土層加深,蘆蒲覆蓋的土壤FAc逐漸降低,而蘆葦、水稗、蘆苔、堿蓬覆蓋土壤的FAc逐漸增高。堿蓬覆蓋的土壤FAc和蘆苔覆蓋的土壤FAc具有顯著差異,堿蓬和蘆蒲覆蓋的土壤FAc與水稗、蘆葦覆蓋的土壤FAc具有顯著差異。

字母代表土壤指標(biāo)在0.05水平上的差異顯著性,其中大寫字母代表不同土層,小寫字母代表不同植被

2.1.4 土壤胡敏素碳分布

不同植被下土壤中的胡敏素碳(humin carbon,HMc)含量分布特征如圖4所示。在0～20 cm土層中,5種類型植被所覆蓋的土壤HMc含量的分布特征為蘆葦>水稗>蘆蒲>蘆苔>堿蓬,在20～40 cm土層中,5種類型植被所覆蓋的土壤HMc含量的分布特征為蘆葦>蘆蒲>蘆苔>水稗>堿蓬,其中,不管是在0～20 cm土層還是在20～40 cm土層,蘆葦覆蓋的土壤HMc含量都是最高的,較其他4種土壤有顯著差異,且在兩個土層中含量變化不大,僅減少了0.12 g/kg。在垂直分布上,伴隨土層加深,水稗和蘆葦覆蓋的土壤HMc逐漸降低,其中,水稗土壤的HMc減少量具有顯著差異,減少了3.22 g/kg,而蘆苔、堿蓬、蘆蒲覆蓋土壤的HMc逐漸增高。蘆苔、蘆蒲覆蓋的土壤HMc與蘆葦覆蓋的土壤HMc具有顯著差異性。

字母代表土壤指標(biāo)在0.05水平上的差異顯著性,其中大寫字母代表不同土層,小寫字母代表不同植被

2.2 土壤腐殖質(zhì)及其組分相關(guān)性分析

胡敏酸和富里酸比值HA/FA是反映土壤腐殖質(zhì)成分變異的指標(biāo)之一,可表征在不同土壤條件下,腐殖質(zhì)的腐殖化程度和分子復(fù)雜程度,也可以表示土壤肥力的優(yōu)良性[24]。如圖5所示,在0～20 cm土層中,5種類型植被所覆蓋的HA/FA比值的分布特征為蘆苔>蘆葦>水稗>堿蓬>蘆蒲,在20～40 cm土層中,5種植被所覆蓋的HA/FA比值分布特征為蘆葦>蘆蒲>蘆苔>水稗>堿蓬,其中,不管是在0～20 cm土層還是在20～40 cm土層,蘆葦覆蓋的土壤HA/FA比值都是最高的,在垂直分布上,伴隨土層加深,堿蓬和蘆苔覆蓋的土壤HA/FA比值逐漸降低,而蘆葦、水稗、蘆蒲覆蓋土壤的HA/FA增高。相關(guān)研究表明HAc和FAc的含量可以有效地降解土壤中的塑料物質(zhì)[25]。同時,相對來講,胡敏酸是土壤腐殖質(zhì)中比較穩(wěn)定的成分,也就是說土壤中胡敏酸的含量越高其所富含的養(yǎng)分也就越多。因此,對于蘆蒲和蘆葦覆蓋的土壤來說,其土壤深層養(yǎng)分大于淺層,蘆苔覆蓋下的土壤表層營養(yǎng)成分比深層要多,這表明植被對土壤養(yǎng)分水平的影響是非常明顯的。

字母代表土壤指標(biāo)在0.05水平上的差異顯著性,其中大寫字母代表不同土層,小寫字母代表不同植被

如表2所示,HA/FA比值呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的關(guān)系(P<0.05),胡敏酸(HAc)與富里酸(FAc)和腐殖質(zhì)碳(HEc)具有極顯著相關(guān)關(guān)系,且與HA/FA呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的關(guān)系。FAc與HEc具有極顯著相關(guān)關(guān)系,與HAc呈顯著正相關(guān)的關(guān)系。胡敏素(HMc)與HAc和FAc呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的關(guān)系,與HC具有極顯著相關(guān)的關(guān)系。HA/FA和植被類型、HAc呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的關(guān)系。HC與HAc、FAc、HMc具有極顯著相關(guān)的關(guān)系。

表2 土壤腐殖質(zhì)各組分相關(guān)性

2.3 不同植被覆蓋下土壤腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)紅外光譜特征

腐殖質(zhì)成分含有多種功能基,如醚基、酮基、醛基、酯基和酰胺等。組分可以通過多種機(jī)制如氫鍵、范德華力、離子交換、配位交換等與金屬、黏土物、氧化物、有機(jī)污染物等有機(jī)污染物結(jié)合,從而對其進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)的影響[26]。研究結(jié)果顯示,HAc和FAc由于具有多種功能基如醚基、羧酸、羥基等,這些官能團(tuán)通常決定土壤的酸度、吸收容量及其與無機(jī)物形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的能力,因此,對植株的生長起到了促進(jìn)作用,對土壤中的營養(yǎng)、水分、抗病蟲害的作用也很大[27]。

圖6 胡敏酸紅外光譜

如圖7所示,富里酸的吸收峰主要出現(xiàn)在:3 500～3 700 cm-1(締合醇羥基—OH伸縮振動吸收)、3 030～3 080 cm-1(碳?xì)渖炜s振動)、1 540 cm-1(酸仲酰胺的—NH變形振動)、1 050～1 200 cm-1(醇酚碳氧伸縮振動)、625～725 cm-1(苯環(huán)單取代伸縮振動)區(qū)域表現(xiàn)顯著。蘆苔和水稗所覆蓋的土壤中富里酸的紅外光譜極為相似,在同一波長處兩者的透過率幾乎相同。在3 030～3 080 cm-1處,5種土壤都出現(xiàn)了較為明顯的特征峰,說明此處碳?xì)渖炜s振動極為顯著。5種土壤中,堿蓬土壤中的富里酸紅外光譜分布特征與其他4種有差異,在特征峰分布上與其他4種也略有不同。總體上,在同一波長處,蘆蒲的透過率總是最低的,而蘆葦和堿蓬的透過率與其他3種相比較高。每種富里酸的透過率都在1 050～1 200 cm-1處最低,其中蘆葦?shù)耐高^率低至0,在3 500 cm-1處最高,堿蓬高達(dá)157%。HAc、FAc中的醌基使得HAc、FAc能夠作為電子穿梭體提高電子傳遞效率,即FAc比HAc的電子傳遞性能更強(qiáng)[28]。

圖7 富里酸紅外光譜

3 討論

3.1 鹽堿土壤腐殖質(zhì)分布特征對植被覆蓋的響應(yīng)

腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)物的主要成分,在土壤中起到的作用是多種多樣的,例如,提高土壤含水量、提高土壤肥力、提高土壤微生物活性、提高土壤解毒性以及促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等功能[29]。胡敏素是腐殖質(zhì)中經(jīng)酸、堿提取后殘留的固體有機(jī)碳,聚合程度高,它既不溶于堿性溶液也不溶于酸性溶液[30]。植被類型不同,植物凋落物、根系分泌物在土壤中的積累不同[31]。研究表明,土壤中的腐殖質(zhì)碳含量呈現(xiàn)深層大于淺層的現(xiàn)象,在垂直分布上,伴隨土層加深,水稗、堿蓬和蘆苔覆蓋的土壤HC逐漸降低,而蘆蒲、蘆葦覆蓋土壤的HC逐漸增高。其中水稗、堿蓬和蘆苔的分布特征與劉騫等[32]的研究結(jié)論相符,蘆蒲和蘆葦?shù)姆植继卣鞒史聪蜈厔?這與其周圍環(huán)境以及形成過程有關(guān),濕地表面有少量積水,這就增加了土壤的黏結(jié)性,土壤團(tuán)粒間的空隙也會增大,所以就會出現(xiàn)在有些植被所覆蓋的土壤中,其腐殖質(zhì)組分含量會與大趨勢走向相反的現(xiàn)象。比如5種植被所覆蓋的土壤中胡敏酸的含量變化趨勢是深層大于淺層,但是堿蓬和蘆苔恰恰相反,隨著土層的加深其胡敏酸的含量減少,但是減少量不明顯,這與其本身特性以及形成條件有關(guān)。5種植被所覆蓋的土壤中富里酸的含量變化趨勢是深層大于淺層,而蘆蒲所覆蓋的土壤卻淺層含量大于深層。胡敏素是所有各個土層腐殖質(zhì)組分中含量最少的物質(zhì),最高也僅僅是6.11 g/kg,這與譚美娟等[33]的研究結(jié)果相反。原因是腐殖質(zhì)在查干湖鹽堿濕地中分布是不均勻的,加上受到人為活動的干擾,其本身的鹽堿含量高的特性決定了各腐殖質(zhì)組分含量的特征,由此可推斷出在松嫩平原鹽堿濕地中胡敏素的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于胡敏酸和富里酸的含量。5種植被所覆蓋的土壤中,蘆葦所覆蓋的土壤中其胡敏酸、富里酸、胡敏素、腐殖質(zhì)碳的含量都是最高的,因此蘆葦?shù)母迟|(zhì)含量相對于其他4種植被所覆蓋的土壤是最高的,也就是說其土壤所富含的有機(jī)物以及微生物含量也相對較高,且胡富比也很高,代表其土壤的腐殖化程度也相對較高,由此可見其土壤肥力也比其他4種植被所覆蓋的土壤高,具有一定的耐鹽堿性。同一種植物,在其他因素以及適應(yīng)能力不變的情況下,應(yīng)首選蘆葦所覆蓋的土壤作為種植地。安素幫[34]研究也表明:當(dāng)鹽堿濕地蘆葦生境發(fā)生變化,蘆葦?shù)纳w度、密度、株高、葉片、生物量和抽穗數(shù)等均發(fā)生顯著變化。除此之外,蘆葦所覆蓋的土壤中腐殖質(zhì)含量如此之高也可能與其形成條件有關(guān),比如蘆葦是該地帶的多年生物種,每年入秋后蘆葦?shù)目葜埲~常年堆積形成了腐殖質(zhì),而蘆葦自身的有機(jī)物含量又較高,所以其土壤中所富含的腐殖質(zhì)含量也較高。趙宏亮等[35]研究表明:長苞香蒲能夠?qū)⑼寥篮退w中吸收的Na+從地下部分轉(zhuǎn)移至地上部分,能有效去除土壤和水體中的Na+和K+,即可通過收割的方法來降低土壤和水體中的鹽堿,從而達(dá)到去除鹽堿的目的。因此,種植適量面積的長苞香蒲對鹽堿地的改良有一定的效果。

3.2 鹽堿土壤腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)組成對植被覆蓋的響應(yīng)

4 結(jié)論

通過對查干湖5種不同類型植被覆蓋的土壤腐殖質(zhì)進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論。

(1)優(yōu)勢植被蘆葦覆蓋的土壤中,腐殖質(zhì)碳組分含量較高,腐殖化程度較高。

(2)查干湖鹽堿濕地腐殖質(zhì)碳組分的分布與土層深度響應(yīng)明顯,水稗、蘆葦濕地土壤在0～40 cm土層范圍內(nèi),隨著土壤深度的增加,腐殖質(zhì)碳、胡敏酸碳和富里酸碳含量呈遞增趨勢,而胡敏素碳隨著深度的增加而下降。

(3)不同植物土壤中胡敏酸與富里酸的結(jié)構(gòu)類似,具有相同的官能團(tuán),其中兩者都含有的締合醇羥基—OH具有還原性,對土壤的凈化有良好的作用,進(jìn)而促進(jìn)植物的生長。