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高原城市湿地C、N、P生态化学计量特征分析

2019-12-30苏晓虾张志法陶亚琴

绿色科技 2019年22期
关键词:青藏高原

苏晓虾 张志法 陶亚琴

摘要:为揭示高原城市湿地底泥和植物养分的空间分布特征及其元素间的耦合关系,以青海省西宁市火烧沟河流湿地为研究时象,采用实验分析方法时火烧沟9级阶梯底泥和植物的破(C:)、氮(N)、磷(P)元素的生态化学计童学特征进行了对比分析。结果表明:①沮地底泥中C、N含量呈显著相关(P<0.05,r=0.74)、C与P,N与P相关性皆不显著;②植物体内C、N、P元素空间变异十分明显,尤其P元素,植物N、P含圣呈显著相关(P<0.01,r=0.84),C与N、P呈不显著的负相关;③植物N/P分別与底泥C含量、C/N呈显著相关(P<0.05)。湿地底泥C、N含量处于全国土壤“较丰富等级”及以上,P元素低于全国土壤“中等级”临界值;植物C、N、P含量整体偏低。底泥C、N、P、C/N、C/P、N/P与植物C、N、P无显著相关,这与其他研究结果存在差异,说明该高原河流湿地元素含量、空间变化、元素之间的耦合上可能与其它地区湿地存在差异。该研究结果时理解高原湿地生态系统特征,开展高原城市湿地保护和恢复研究具有重要意义。

关键词:生态化学计量特征;城市湿地;青藏高原

中图分类号:Q143 文献标识码:A 文章编号:1674-9944(2019)22-0001-06

1 引言

城市湿地是指城市区域之内的海岸与河口、河岸、浅水湖沼、水源保护区、自然和人工池塘以及污水处理厂等具有水陆过渡性质的生态系统[1]。城市湿地作为城市中一个特殊的生态系统,是城市生态环境结构的重要组成部分[2],具有重要的生态环境和社会服务功能3。随着城市化的进程加速一些不合理开发利用湿地的行为导致湿地问题日益突出,如湿地面积减少、水质污染、生物多样性减少、功能退化等[4]。

城市湿地功能的重要性及其生态退化的严重性使城市湿地的保护和恢复研究越来越受到重视,国内外从时空尺度、生态系统类型[5]、植被类型[6,7]等角度对城市湿地的保护、恢复、重建等方面开展研究[8~11]。由于城市湿地基础研究的缺乏和不足,对城市湿地退化的机制了解不深,城市湿地的保护和恢复关键过程和技术难以突破。城市湿地位于城市之中,受人类活动扰动更为强烈,其功能发挥过程和恢复机制与自然湿地存在明显的区别。青藏高原城市湿地处于高寒地区,生态环境脆弱,对气候变化和人为影响更为敏感,更易受到城市化的影响和冲击。以高原城市湿地为研究对象,开展生态化学计量特征分析,不仅有利于探寻城市湿地恢复的内在机理,而且有利于加深对青藏高原湿地独特性的认识,为青藏高原城市湿地的保护和修复提供相关参考。

城市湿地的生态化学计量特征研究是以把握城市湿地恢复关键过程和机理为前提和基础[5],C、N、P等元素是湿地生物化学循环中的重要组成元素,还是植物生长发育和功能发挥的必要营养基础[7],N、P是植物生长所需要的基础元素[12],它的循环影响着生态系统的生产力[13],对植物生长状况有重要的指示作用[14]:从C/N和C/P可了解生物的营养元素利用效率[15],对生物群落结构、功能和生产力有重要指示性作用[16];植物N/P反映了植物受营养元素N或P限制状况[17],也反映出湿地植物对氮磷的去除作用[18]。通过分析湿地生物系统能量平衡和各种化学元素(主要是C、N、P)平衡关系[6],不仅有助于深入认识湿地功能发挥的内在机制,而且有助于把握退化湿地恢复关键元素和过程。因此,探讨C、N、P生态化学计量特征,进一步认识城市湿地底泥一植物C、N、P之间的平衡制约关系[19],运用生态化学计量学对生态系统中的底泥一植物C、N、P等元素的平衡与耦合关系进行研究,能为城市湿地恢复提供相应理论支撑[20]。

本研究以高原城市河流湿地火烧沟为研究区,分析火烧沟湿地在不同梯级湿地的底泥一植物C、N、P含量差异及其元素间生态化学计量特征,从植物对底泥C、N、P的影响以及植物养分利用策略两个方面进行分析,深入了解城市湿地生态系统化学元素循环规律和系统平衡机制。

2 研究区概况

火烧沟流域主要位于在36°38′15″N~36°39′01″N,101°42′40″E~101°43′55″E(图1),流域面积为104443m2,海拔2243~2340m,河流均深为0.70m。河流火烧沟为涅水河一级支流,黄河二级支流,属大陆性高原半干旱气候,冬暖夏凉,年日照时数2600h,年总辐射量为2564kJ/cm3,年均温5.8℃,日较差较大,干旱少雨,年均降水量约为380mm,年蒸发量1100mm。

火烧沟流域植被稀疏,人类活动频繁,水土流失严重。2006年开始对火烧沟实施生态恢复工程,将火烧沟下游段建设成了9级梯级人工河流湿地(表1)。随着湿地生态系统生态结构和功能的恢复,火烧沟的生态和环境功能日益重要,成为西宁市重要的城市湿地景观。

3 研究方法

3.1 样品采集及预处理

样品采集于2017年6~10月,样品类型有底泥和植物。底泥样品采集:采集每级阶梯中受植物影响较小,质地较为均一的底泥,除去明显杂质,装袋标号。植物样品采集:针对火烧沟每级阶梯的不同优势植物种群,在河岸带进行随机取样。采集挺水植物选择长势、高度较为一致的群落,以保证采样的环境条件基本一致;沉水植物采用传统的收割缴获法,清洗干净后装自封袋保存。所有样品在105℃下烘烤30min后,在烘干箱内(80℃)条件下烘干至恒重,然后将底泥、植物样品磨碎过筛(100mm),装袋封存,标号待测。

3.2 室内测定

底泥有机碳(TOC)含量采用高锰酸钾氧化外加热法测定,植物TOC采用意大利欧维特元素分析仪(EA3000)测定,底泥-植物总氮(TN)、总磷(TP)分别用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、钼酸铵分光光度法测定。

3.3 数据处理

使用Excel 2003和SPSS 19对样品数据进行处理和分析。底泥与植物C、N、P含量和C/N、C/P、N/P的平均值、最大值、最小值、极差、变异系数以及C、N、P之间的相关性采用Excel 2003进行处理;底泥一植物之间的C、N、P、C/N、C/P、N/P的相关性采用SPSS 19进行处理。

4 研究结果

4.1 底泥C、N、P含皿总体特征

分析火烧沟湿地9级阶梯的底泥样品C、N、P含量数据如表2所示,得出C、N、P含量的平均值分别为24.36mg/g、2.64mg/g、0.76mg/g。C、N、P元素含量空间变化大,C、N、P元素含量极差分别为11.9、1.51、0.64,变异系数分别为0.17、0.23、0.43,C

火烧沟9级阶梯底泥C、N、P含量的空间变化显著,如图2~4所示。对比图2、3可以明显看出,C、N含量整体变化趋势基本一致,随阶梯降低呈现微小下降,在SPSS中检测得出底泥C、N在(P<0.05)上显著相关,相关系数达74.4%,表明C与N联系紧密,相互影响。C、N含量相同之处:C、N含量最高值在第3级,最低值都在第5级;不同之处:C、N含量分别在第6、7级骤然下降;C含量在第7级略有下降,N含量在第7级平缓变化。P含量随着阶梯的降低出现显著下降,最高值在第8级阶梯,最低值在第2级。

4.2 优势植物C、N、P含盘总体特征

如表3所示,植物C、N、P平均值分别为276.73mg/g、10.57mg/g、0.95mg/g。挺水植物C含量比沉水植物高;沉水植物N、P元素含量略高于挺水植物。挺水植物养分元素含量的空间变异性C

4.3 底泥一植物C、N、P生态化学计量学特征

如表4所示,底泥C/P>C/N>N/P,平均值分别为39.25、10.28、3.92,植物C/N、C/P、N/P的平均值分别为30.61、560.68、16.74,与底泥变化一致,也是C/P>C/N>N/P,说明底泥养分比值对植物养分比值有重要影响。底泥变异系数N/P>C/P>C/N,C/ N、C/P、N/P随着阶梯的变化而变化,但整体变化不大,与动态平衡理论相一致[21]。植物变异系数C/P>C/N>N/P,挺水植物与沉水植物之間C/N、C/P值差别大,因为不同生活型植物对C的吸收能力不同,而N/P值较相近。挺水植物C/N值(40.50)高于沉水植物(15.79),说明挺水植物对N利用效率高于沉水植物。挺水植物与沉水植物的C/N、C/P、N/P变异系数整体偏高,挺水植物C/P高达0.97。

5 讨论

5.1 植物对底泥C、N、P的影响

火烧沟湿地底泥C含量高,9个底泥样点中有5个样点的C含量处于土壤“丰富等级”[20](C≥23.2mg/g),另外4个样点处于“较丰富等级”[22](17.4mg/g≤C≤23.2mg/g)。底泥C含量平均值远高于长江流域沉积物平均值[23](0.82mg/g)、黄河流域沉积物[23](0.23mg/g),且空间变化稳定。长江与黄河流域水流速度快,火烧沟河流湿地存在较密集的人工阶梯障碍,水流速缓慢,特别是下游地区,受阶梯阻碍明显,“湖泊”沉积作用更显著[24],养分不易流失;另一方面,该湿地的植被覆盖率较高,以芦苇、小香蒲为优势种的挺水植物和以角果藻和穿叶眼子菜为优势种的沉水植物的大量枯落物沉积,加强了土壤腐殖质化,直接导致C的积累[25]。湿地底泥N元素有6个样点处于土壤“丰富等级”[22](N≥2.0mg/g),3个样点处于“较丰富等级”[22](1.5mg/g≤N≤2.0mg/g)。底泥中的N主要来源于植物残体和生物固氮[26],少量来自于大气降水和洪水输送[27]。湿地大量枯落物的输入和腐殖质化的加强,不仅仅增加C的积累,同时也会增加N的储量。N元素含量显著低于吉林东部山地沼泽湿地[28],主要是因为河流湿地C、N、P含量显著低于湖泊湿地和沼泽湿地[29],沼泽地泥炭堆积显著,导致土壤更加缺氧,有机物分解缓慢,氮素积累量越大。由于火烧沟湿地的“湖泊”沉积作用显著,导致火烧沟河流湿地N明显高于宁夏河流湿地[29]。湿地有8个样点的P元素含量均低于土壤“中等级”临界值[22](1.0mg/g),P主要来源于土壤母质,因作用过程漫长,P含量小,还可能与高寒环境有关,低温对微生物活性有抑制作用,枯落物分解缓慢,导致回归到底泥的P含量低[30]。我国C/N平均值为10~12[31],火烧沟湿地底泥C/N值在其范围之内;C/P低于我国平均值(105)[32],底泥C/P可衡量微生物矿化底泥物质释放磷和湿地固磷能力[29],较低的C/P指示磷的有效性高[19];火烧沟底泥N/P高于其他研究结果[29,33,34],说明P含量偏低。

空间变化上,底泥C、N含量最高值在第3级。芦苇、小香蒲在第3级阶梯盖度高,生产力高,枯落物丰富,对C、N元素的归还作用明显;C、N含量最低值都在第5级,第5级阶梯为人工沙滩的沙质土壤,沙质土壤有机质分解快,土壤保肥性差,不易积累,导致各种养分都比较缺乏。P含量随着阶梯的降低出现显著下降,其空间变异大,与黄土丘陵区草地生态系统的研究结果不同[35],可能是受湿地阶梯的影响,P溶于水不挥发,属典型沉积型循环,受阶梯的阻挡作用,地势越低,水中的P元素沉积作用越不明显,P浓度越低。P含量最高值(1.09mg/g)在第8级阶梯,水从第9级流向第8级,这两级阶梯落差大,水流急促,阶梯阻挡作用不明显,受到第7、8级之间阶梯的阻挡,水流速大大减缓,使P得到沉积。P含量最低值(0.45mg/g)在第2级,第1级的P含量稍有上升,很可能受到附近排污沟渠的影响。

5.2 植物养分利用策略

优势植物C含量低于我国东部南北样带森林生态系统C平均值480.1mg/g[36],N、P分别低于中国主要湿地N平均值(13.54mg/g)、P平均值(1.72mg/g)[37],从整体来看,植物对C、N、P的吸收能力不强,植物生产力较低下。植物N、P元素显著相关(P<0.01)(图5),相关系数达84.5%,C与N、P呈不显著的负相关。挺水植物的N、P显著相关,相关系数高达91.6%。沉水植物的C、N、P之间呈不显著的正相关,说明C与N、P两种元素协同性较差[21]。植物C/P的最大值为1799.57,远远高于底泥C/P最大值,说明P的有效性达到最大。N/P高于全国陆生植物平均值(14.4)[38],不同于研究中国主要湿地得出的结论:河流湿地植物具有较低的N/P[37],主要是受湿地底泥影响,火烧沟湿地底泥N元素相对丰富、P元素缺乏。

植物N/PG<14存在N限制,植物N/P>16存在P限制[39],养分的限制会影响到植物吸收底泥养分的有效性,进而影响植物叶片氮磷含量和光合作用能力[40]。1-5级阶梯的优势植物中,只有一个植物样品N/PG14,约66.7%的样品N/P>16,说明1-5级阶梯整体上植物受P限制,这与底泥P含量情况相一致,前5级阶梯底泥P含量整体明显低于6-9级阶梯;6-9级阶梯中,只有一个样品N/P>16,植物样品N/PG<14占75%,主要受N限制,很可能植物吸收N的效率不高所导致。对4种优势植物的限制性因素进行判断得出:以小香蒲与芦苇为代表的挺水植物,受到N的限制较少,主要受到P的限制,小香蒲更加明显,目前,湿地底泥基本能够满足这两种植物的对N的需求,应加强这两种植物群落的P输入与管理,增强其生产力;以穿叶眼子菜和角果藻为代表的沉水植物,主要受到N限制,因此需要加强这两种植物群落的N输入。根据上述限制特征,在湿地生态建设中,依据湿地具体污染状况,因地制宜选择不同净化能力的优势植物物种,可以有针对性提高湿地综合净化效率。将湿地不同阶梯上的植物以及不同生活型植物的养分限制状况结合分析,得出:1-5级阶梯需要增加P的输入,尤其是挺水植物群落;6-9级阶梯需要增加N的输入,以提高沉水植物的生产力。但有研究指出:受N、P限制的植物,不一定对N、P重吸收率就高,因此不能根据叶片某种元素含量低就判断相关养分供应不足[41]。应该按地域、生态系统、物种等不同,对不同叶片N/P阈值进行判断[42]。所以植物是否受N、P限制,需进一步研究。

底泥C、N、P、C/N、C/P、N/P与植物C、N、P无显著相关(表5),这与研究鄱阳湖[31]、闽江河口区[7]的结果存在差异。可能与区域差异、不同的土壤一植物采样方式等原因相关,研究结果需要通过更长周期的研究分析确认。底泥C含量、C/N与植物N/P呈显著相关(尸<0.05),有可能底泥C、N对植物的养分供给,间接影响了植物对N、P的吸收能力,从而导致植物N/P的变化。

6 结论

通过实验方法分析了高原城市火烧沟河流湿地底泥一植物中C、N、P的生态化学计量特征,从植物对底泥C、N、P的影响以及植物养分利用策略两个方面进行了分析。主要结论如下。

(1)植物枯落物的输入和腐殖质化的加强,丰富了火烧沟湿地底泥的C和N含量,使底泥C、N含量达到全国土壤“较丰富等级”及以上,底泥P含量较低,很可能与高寒气候有关。底泥C、N、P含量的空间差异显著,主要受植物分布以及阶梯的阻挡作用影响。

(2)火烧沟湿地植物对C、N、P的吸收能力不强,植物生产力整体较低下。通过判断植物的养分限制状况,得出:1~5级阶梯需要增加P的输入,尤其是挺水植物群落;6~9级阶梯需要增加N的输入,以提高沉水植物的生产力,确切判断还需要通过进一步的实验验证。

(3)火烧沟湿地底泥C、N、P、C/N、C/P、N/P与植物C、N、P无显著相关,底泥C含量、C/N与植物N/P呈显著相关(P<0.05),湿地底泥与植物的关系仍需作进一步研究。

由于研究时段和研究水平的限制,本文未能对研究结果进行更深一步的解释和分析。将来还需要更长时间、更全面监测的基础上,对高原城市湿地的生态化学计量特征进行分析,加深对青藏高原湿地独特性的认识,为青藏高原城市湿地的保护和修复提供相关参考。

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收稿日期:2019-10-14

基金项目:国家自然科学基金(编号:51669028);西宁科技局项目(编号:2019-M-10)

作者简介:苏晓虾(1994-),女,硕士研究生,研究方向为湿地生态过程。

通讯作者:张志法(1982-),男,高级工程师,硕士,研究方向为林业生态建设。

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