黃河三角洲濱海濕地土壤總硫分布特征及其影響因素

硫是濕地生物地球化學循環的重要因素之一。它通過酸沉降、地表徑流和植物吸收進入濕地。同時，濕地以h2s、dms、co、dd和cs2的形式釋放。濕土是硫生物化合過程的重要支撐。濕地土壤中硫等元素的時空分布特征不僅能反映濕地土壤結構狀況和養分的可利用水平,而且會影響濕地植被生長,關系到濕地環境的形成和植被演替過程。黃河三角洲地區濕地面積大,類型多,結構復雜,獨特的自然地理位置和氣候特征使該地區蘊藏著豐富的濕地資源,是世界上生物多樣性最豐富的地區之一。由于自身的的典型性和特殊性,黃河三角洲濕地成為維護物種多樣性和監測環境污染的重要科研場所。目前,已有不少學者在黃河三角洲開展了濕地元素生物地球化學過程研究[4~7],但是對此區域內土壤中硫分布的研究較少,且主要是集中在小區域樣帶上的研究,在大范圍尺度衡量硫空間分布的研究尚未見報道。本研究選擇黃河三角洲新生濱海濕地、退化濕地和穩定濕地等大范圍樣區以及小尺度典型植物演替樣帶區為研究對象,分析黃河三角洲總硫的空間分布規律及其影響因素,為進一步探討氣候變化影響下濱海濕地元素生物地球化學循環過程和濕地資源可持續利用研究提供科學依據。1材料和方法1.1小尺度生物生態學特性大尺度研究區主要為1855年以后形成的黃河三角洲,可分為新生濕地、退化濕地和穩定濕地3個組成部分(圖1)。本研究將大尺度研究區的土地類型劃分為無植被覆蓋區(河灘、荒地和光灘)、以香蒲(Typhaorientalis)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、檉柳(Tamarixchinensis)、鹽地堿篷(SuaedaheteropteraKitagawa)和天然柳林(Salicaceae)等為優勢種群的自然植被覆蓋區、農田和防護林區(棉花田、玉米、麥田和防護林等)3大類型。小尺度研究區域位于黃河三角洲濕地保護區內的新生濱海濕地,主要為1996年黃河改道后形成的新生濕地,人為干擾小,優勢植物包括鹽地堿蓬、蘆葦、檉柳和白茅(Imperatacylindrical)等。研究區屬溫帶季風型大陸性氣候,四季分明,春季干旱多風回暖快,夏季炎熱多雨,秋季涼爽多晴天,冬季寒冷少雪干燥。年平均氣溫為12.1℃,無霜期為196d,年降水量為551.6mm,70%的降水集中于7月和8月,年蒸發量為1962mm。土壤為隱域性潮土和鹽土。1.2采樣點布設和樣品采集根據植物分布和土地利用狀況,采用網格法在黃河三角洲區域共布設79個固定采樣點S1~S79(圖1),在2009年5月~2012年9月,分層采集0~30cm深土壤,自上而下每層隔10cm取樣,共取3層。按照天然濕地植物分布規律,在新生天然濕地(小尺度樣帶)上分兩組布設10個平行采樣點S80~S89(圖1和圖2),從河至海方向依次為河灘、三棱蔗草(Scirpusmariqueter)―朝天委陵菜(Potentillasupine)區、假葦拂子茅(Calamagrostispseudophragmites)區、白茅區、蘆葦區、鹽地堿蓬―蘆葦區、鹽地堿蓬―檉柳區、鹽地堿蓬―檉柳(過渡帶)區、鹽地堿蓬區和無植被光灘區。小尺度樣帶設置的目的之一是監測土壤理化指標的月變化,因此,在每年的植物生長季(5~10月)按月分層采集土壤樣品,采樣深度為60cm,每層10cm。土壤樣品經自然風干后研磨,過100目篩待測。土壤硫元素和氮元素含量采用VarioMAC-ROcube型大進樣量元素分析儀(德國Elmentar公司)測定。有機質含量采用TOC-VCPH型有機碳分析儀(日本島津公司)測定,土壤容重和含鹽量等理化指標采用常規方法測定。1.3處理數據采用SAS8.0軟件分析處理數據,采用Excel2003軟件作圖。2結果與討論2.1土壤養分分布新生濕地、退化濕地和穩定濕地土壤中硫含量的分布見表1。黃河三角洲濱海濕地土壤中總硫的平均質量比為822.43mg/kg(0.08%),處于較高水平,高于中國吉林西部向海濕地土壤的0.07%和世界土壤的平均含量的0.07%,但低于中國南方紅樹林濕地土壤的0.207%。HowarthRW和HaeringK等研究表明,濕地土壤硫含量的差異與可獲得的鐵源有關,當濕地含有豐富的鐵元素時,硫元素主要以FeS2形式積累。黃河三角洲濱海濕地土壤發育處于初始階段,土壤結構發育程度低,暗色礦物較多,因此母質里鐵含量也較多。相關研究發現,黃河三角洲新生濱海濕地土壤中鐵質量比為22.25g/kg,約是中國和世界土壤平均值的2倍,這很好地解釋了黃河三角洲濱海濕地土壤總硫含量偏高的原因。單因素方差分析結果顯示,黃河三角洲不同濕地類型0~30cm深土壤中,總硫的平均含量表現為新生濕地最高,退化濕地次之,穩定濕地最低(p<0.01)。退化濕地由于岸線蝕退和海平面上升等原因,植被遭到毀壞,植物對土壤中硫元素的返還和固定積累減弱,造成了土壤中硫元素的流失。穩定濕地土壤中總硫的含量顯著小于新生濕地和退化濕地,原因可能為內陸天然濕地多被開墾占用,轉變為棉田等農業用地,破壞了原土結構,導致硫元素含量顯著降低。新生濕地土壤中的硫元素主要來源于海水和沖淤積的黃土,長距離的運輸導致泥沙中的碳、氮等元素在輸運過程中大量流失,而鐵、錳等元素含量富集,而硫元素與鐵元素極易結合,從而使新生濕地土壤中硫的含量高于退化濕地和穩定濕地。營養元素的分布與土地利用方式存在極其密切的關系。本研究黃河三角洲濱海濕地的13種土地利用方式中,光灘土壤的平均總硫質量比最高,為1144.45mg/kg,玉米田土壤的平均總硫質量比最低,為424.07mg/kg(圖3)。光灘土壤中,總硫含量約為農田土壤總硫含量的3倍,這也驗證了硫元素來源于海水和淤積黃土顆粒的理論,同時說明農業耕作對硫元素的移除作用。根據植被狀況和人類活動影響可將研究區土地分為無植被覆蓋區、自然植被覆蓋區、農田和防護林區3個類型。方差分析結果顯示,這3個類型的土壤總硫含量差異顯著(p<0.05),土壤總硫含量最高的為無植被覆蓋區,其次是自然植被覆蓋區,土壤總硫含量最低的是農田和防護林區(圖3),這一結果說明,人類活動是導致區域硫空間分異的主要原因之一。在無植被覆蓋區,光灘的土壤總硫含量最高,其次為河灘,荒地的土壤總硫含量最低;自然植被覆蓋區中,檉柳的土壤總硫含量最高,蘆葦/堿蓬的土壤總硫含量較高,香蒲/柳林的土壤總硫含量最低(“/”表示差異不顯著,下同);農田和防護林區中,大豆的土壤總硫含量最高,棉花田/麥田的土壤總硫含量較高,防護林/玉米的土壤總硫含量最低。無植被區以光灘為主,土壤中的硫元素主要來源于黃土沉積顆粒硫的累積,而農田土壤硫含量相對較低主要是隨著人類對黃河三角洲的利用,大量的原生濕地被開墾為農田使得濕地原有結構遭到破壞,土壤總硫含量大幅下降,從而使農田和防護林區土壤總硫含量顯著低于自然植被覆蓋區,實際上濕地開墾會引起土壤中硫元素的大量流失,這在東北三江平原濕地和南方紅樹林濕地的研究中都有發現。為了探討陸海相互作用對濱海區域土壤硫元素分布的影響,將大區域尺度上采樣點根據垂直海岸方向由近及遠以5km為梯度劃分樣地(共分為6組)。為排除黃河水側滲對土壤理化性質的影響,剔除距離黃河河岸3km以內的采樣點。結果表明,0~30cm深各土層總硫含量由海岸到內陸呈遞減趨勢,且0~30cm深土壤總硫的平均含量隨著海岸到陸地距離的增加而減小(R2=0.8922)(圖4)。在近海區域,除了新淤積土粒中原來固定的硫元素以外,海水也可能是土壤中硫元素的重要來源。在較高的土壤含水量條件下,嫌氣還原狀態使還原硫的專性厭氧菌如脫磷弧菌屬進行厭氧呼吸,使硫酸鹽發生還原反應生成0價和-2價的硫,Fe2+和S2-結合成FeS和FeS2,從而把海水中的硫酸鹽固定,而濕地植物吸收了硫酸根后,以總硫含量較高的枯落物形式歸還土壤,從而使土壤中總硫含量大大增加。另外,黃河三角洲是由黃河攜帶泥沙填海造陸形成,受河流頂托和海潮侵襲等影響,土壤含鹽量高,含鹽量由近海岸到內陸隨著距離和海拔高度的增加而遞減,而濕地的總硫含量與鹽度呈顯著正相關關系,土壤鹽度差異是影響硫的關鍵因子。因此,海水中硫元素的輸入及土壤鹽度由海洋到陸地遞減是土壤硫含量從海洋到陸地減少的主要原因。從土壤硫元素在0~30cm深土層中分布的統計結果看,雖然濕地土壤中總硫含量由表層向下呈下降趨勢,但總的來說各層土壤之間總硫含量差異不顯著(p>0.05)(表1)。這與三江平原內陸沼澤濕地土壤總硫沿剖面顯著遞減的研究結果有所差異,三江平原土壤總硫和有機質聯系密切,在土壤剖面上總硫含量隨著有機質含量減少而遞減。而黃河三角洲土壤硫元素的垂直分布很可能與高鐵和高鹽有關,導致各土層之間總硫含量無顯著差異。從各土地利用方式來看,除檉柳、麥田、河灘和荒地土壤各層差異顯著(p<0.05)外,其余無顯著差異。存在差異的原因與不同植物對硫的吸收和分解歸還能力及不同類型植物的根系對營養元素在土壤中的遷移狀況影響有關。黃河三角洲濱海濕地總硫的時空分布具有較高的異質性(表1)。按CambardellaCA等對變異系數的分級標準,當變異系數小于10%,屬于弱變異性;當變異系數在10%~100%,屬于中等變異性;當變異系數大于100%,屬于強變異性。由表1可知,黃河三角洲濕地土壤總硫分布整體屬于中等變異。研究表明,大氣硫沉降、母質、水文和植被等因素的差異,是土壤硫元素空間異質性的主要原因,而黃河三角洲濕地硫元素空間變異主要與人類活動和鹽分影響有關。例如,研究區域內旱田面積僅約占總面積的30%,強烈的人為活動必然導致營養元素分布的異質性。2.2不同土層土壤總硫含量的垂直分布為了研究天然濕地土壤硫含量分布情況,本研究在黃河三角洲新生濕地區從黃河河灘到光灘方向布設了平行定位監測樣帶(圖1、圖2,采樣點S80~S89),該區域主要為1996年黃河改道后形成的新生天然濕地,人為干擾小。結果表明,土壤總硫質量比在光灘向河灘植物演替方向上呈降低趨勢,最大值為1086.22mg/kg,位于采樣點S88(堿蓬區),最小值為409.99mg/kg,位于采樣點S80(黃河河灘),且在采樣點S81~S84、采樣點S85~S87和采樣點S88~S89之間無顯著差異(圖5),這種變化趨勢充分體現了海水作用對硫元素分布的影響。靠近河岸的采樣點因為受黃河水側滲影響而導致土壤總硫含量較小;采樣點S88和采樣點S89是堿蓬沼澤和光灘,受低潮影響頻繁,兩地都以海水作為重要的硫輸入源,因此這兩個區域土壤總硫含量保持較高的水平。結合土壤容重數據,估算出黃河三角洲天然濕地在0~60cm深土層總硫密度為355~700g/m2,平均值約為(480±130)g/m2。土壤硫含量在小區域典型樣帶上垂直分布如圖6。根據總硫在各土層自上而下的分布特征,可將其分為4種類型:(1)單調遞增(采樣點S83)或遞減分布(采樣點S80);(2)不規則波動分布(采樣點S81、S82、S84、S85、S86和S87);(3)呈“C”型分布(采樣點S89);(4)無顯著變化(采樣點S88)。可以看出,除光灘外,黃河到海岸中間區域的土壤剖面總硫含量變化程度顯著高于濱海和近河區域,于海濤等研究顯示,土壤硫含量的垂直分布受制于各土層中的有機質含量。樣帶上的不同植物群落,其有機質以枯落物形式返還于樣帶各區域土壤中,且演替的植物群落土壤有機質垂直分布變異系數相對較大,硫含量隨之波動顯著。而河灘和光灘受黃河淡水和海水的影響較大,使得采樣點S80和采樣點S89的土壤剖面硫元素含量分別為最低值和最高值。另外,植物根系和硫的淋溶對底層土壤影響較小,靠近底層的土壤總硫含量分布主要與土壤的成土母質和鹽分狀況有關。2.3土壤硫元素和總硫含量的關系土壤保持硫元素的能力主要取決于土壤的理化性質(表2)。結果可知,鹽分是影響黃河三角洲濱海濕地土壤中硫元素分布的主要影響因素之一,二者相關性達到極顯著水平。在濱海地區,鹽分主要來源于海水,海水中硫元素和鹽分的輸入具有一致性,由此可見,除了土壤母質外,黃河三角洲濱海濕地海水中的硫是土壤硫元素的重要輸入源,而人類活動和植物作用加劇了硫的分異作用,該觀點與關于潮汐和植被導致的土壤鹽度差異是影響硫關鍵因子的這一結果具有一致性。同時,黃河三角洲濱海濕地土壤總硫的分布同有機質含量和總氮含量也顯著相關