田莉萍,孫志高,*,牟曉杰,胡星云

1 福建師范大學(xué)地理研究所, 濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)地理-過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350007 2 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)春 130012

黃河口潮間帶堿蓬濕地植物-土壤系統(tǒng)V和Co生物累積的季節(jié)變化

田莉萍1,孫志高1,*,牟曉杰2,胡星云1

1 福建師范大學(xué)地理研究所, 濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)地理-過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350007 2 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)春 130012

2008年5—11月,對(duì)黃河口濱岸潮灘不同表現(xiàn)型堿蓬(Suaedasalsa)(中潮灘堿蓬,MMS,S.salsain middle marsh；低潮灘堿蓬,LMS,S.salsain low marsh)濕地植物-土壤系統(tǒng)V和Co含量的季節(jié)動(dòng)態(tài)及其生物累積特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：MMS和LMS濕地表層土壤中V或Co含量的季節(jié)變化差異明顯,但同一種濕地土壤中V和Co含量的變化模式相似。MMS(或LMS)濕地土壤的V含量均明顯高于Co含量,二者在生長(zhǎng)季的變異系數(shù)分別為12.01%、12.35%(MMS)和4.08%、4.94%(LMS)。MMS和LMS濕地表層土壤V的地累積指數(shù)(Igeo)大多介于1—2,處于輕度污染狀況；Co的Igeo大多介于0—1之間,處于無污染到輕度污染狀態(tài)。V和Co含量在MMS不同部分中整體表現(xiàn)為枯落物>根>葉>莖(P<0.05),而在LMS中表現(xiàn)為枯落物>葉>莖>根(P<0.001)。MMS和LMS不同器官的V或Co轉(zhuǎn)移能力存在較大差異,前者V和Co的R/S(根莖比)、R/L(根葉比)和S/L(莖葉比)大多大于1,后者中兩種元素的相應(yīng)比值則大多小于1。MMS和LMS不同部分的V和Co累積系數(shù)(AF)整體均表現(xiàn)為AFV

V和Co；轉(zhuǎn)移與分配；生物累積；堿蓬濕地；黃河口

植物在生長(zhǎng)過程中不但需要攝取土壤中的大量元素來滿足自身生長(zhǎng)的需要,而且微量元素也是其必需的。釩(V)是植物生長(zhǎng)必需的微量元素,其可參與到蛋白質(zhì)、糖類和脂肪的代謝。V不但可促進(jìn)土壤中微生物與氮的同化作用,而且能夠促進(jìn)植物對(duì)鐵的吸收和利用,促進(jìn)葉綠素的合成,產(chǎn)生希爾反應(yīng)[1]；但過量的V又會(huì)限制植物生長(zhǎng),導(dǎo)致植株枯萎、矮化、產(chǎn)量降低以及對(duì)鈣、磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收量減少等[2]。鈷(Co)也是植物生長(zhǎng)過程中不可缺少的微量元素,其可參與植物呼吸作用以及蛋白質(zhì)、酶類的合成,并對(duì)植物生長(zhǎng)以及豆科植物和非豆科植物的固氮具有重要影響。低濃度的Co有利于植物生長(zhǎng),高濃度的Co則對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生明顯抑制作用[3]。目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于濕地植物營(yíng)養(yǎng)元素的相關(guān)研究主要是集中于碳、氮、磷、鉀等大量元素[4- 5],硫、鈣、鎂等中量元素[5-6]以及鐵、錳、鋅、硼等微量元素[6-8],而關(guān)于硅、釩和鈷等元素的研究還非常薄弱。

黃河三角洲是中國(guó)暖溫帶保存最完整、最廣闊和最年輕的濕地生態(tài)系統(tǒng)。堿蓬(Suaedasalsa)作為1年生植物,是黃河三角洲重要的鹽生植被之一。作為潮灘濕地生態(tài)系統(tǒng)演替先鋒階段的堿蓬鹽沼是黃河三角州丹頂鶴、白鷺、鷸形目等鳥類的主要棲息地,同時(shí)還起著維持濕地系統(tǒng)正常演替、防風(fēng)固堤、調(diào)節(jié)氣候等功能。在堿蓬分布區(qū)內(nèi),由于潮灘不同位置環(huán)境條件特別是水鹽條件的差異,分別在中潮灘和低潮灘形成了兩種不同表現(xiàn)型的堿蓬群落[中潮灘堿蓬的植株較高(生長(zhǎng)旺期為(52.51±9.91)cm)葉和莖均為綠色；低潮灘堿蓬的植株矮小(生長(zhǎng)旺期為(33.64±7.96)cm),葉和莖均為紫紅色[9],其對(duì)于水分和鹽分的變化極為敏感[5]。同時(shí),本地區(qū)又是勝利油田開采的主要區(qū)域,而煤、石油、重油等化石燃料的開采及使用又可顯著影響土壤中V和Co的富集,進(jìn)而可能對(duì)堿蓬植物的生長(zhǎng)與發(fā)育產(chǎn)生深刻影響。目前,國(guó)內(nèi)針對(duì)黃河口濕地植物營(yíng)養(yǎng)元素的研究主要集中于碳、氮、磷[4]、硫[9]以及鐵、錳、鉛、鉻、銅、鋅等[10- 11]元素,而關(guān)于V和Co等對(duì)植物生長(zhǎng)有益元素的相關(guān)研究還鮮有報(bào)道,特別是關(guān)于潮間帶不同表現(xiàn)型堿蓬濕地植物-土壤系統(tǒng)中V和Co生物累積動(dòng)態(tài)的對(duì)比研究還比較缺乏。為此,選擇黃河口濱岸潮灘不同表現(xiàn)型堿蓬濕地為研究對(duì)象,探討V和Co在濕地植物-土壤系統(tǒng)中的季節(jié)動(dòng)態(tài)及生物累積特征,以期為黃河口濕地生物地球化學(xué)循環(huán)以及濕地生態(tài)保育等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2008年5—11月在山東黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)今黃河口北部的濱岸潮灘進(jìn)行。黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)于1992年經(jīng)國(guó)家林業(yè)局批準(zhǔn)建立,是全國(guó)最大的河口三角洲自然保護(hù)區(qū)。黃河三角洲屬暖溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū),氣候溫和,四季分明,全年平均氣溫12.3℃,大于10℃以上積溫4183℃。該區(qū)平均無霜期210 d,年均蒸發(fā)量1962.1 mm,年均降水量551.6 mm,且多集中在夏季。保護(hù)區(qū)的土壤類型主要為隱域性潮土和鹽土,主要植被類型為蘆葦(Phragmitesaustralis)、蘆葦-荻(Phragmitesaustralis-Triarrhenasacchariflora)、檉柳(Tamarixchinensis)、堿蓬及補(bǔ)血草(Limoniumsinense)等,其中蘆葦、檉柳及堿蓬分布較廣。位于中潮灘與低潮灘上堿蓬濕地的環(huán)境條件差異較大,其表層土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 不同潮灘濕地表層土壤(0—10cm)的理化性質(zhì)對(duì)比

Table 1 Comparison of physical and chemical properties of topsoil (0—10cm) in different tidal marshes

因子Parameters濕地類型WetlandtypeMMSLMS容重Bulkdensity/(g/cm3)1.33±0.031.64±0.03粒度組成粘粒Clay8.67±0.6610.14±0.04Graincomposition/%粉粒Silt49.67±0.5357.13±0.14砂粒Sand41.66±0.1432.74±0.18土壤含水量Soilmoisture/(cm3/cm3)0.289±0.0130.346±0.031ECElectricalconductivity/(mS/cm)5.58±2.8018.07±0.43土壤有機(jī)質(zhì)Soilorganicmatter/%1.07±0.060.93±0.04pH8.55±0.068.86±0.04

MMS:中潮灘堿蓬S.salsain middle marsh；LMS: 低潮灘堿蓬S.salsain low marsh

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與處理

采用定位研究方法,按照“典型性、代表性、一致性”的原則,在黃河入?？诒辈繛I岸潮灘堿蓬分布區(qū)內(nèi),選擇中潮灘堿蓬濕地(37°45′57.0″N,119°09′40.7″E,MMS)和低潮灘堿蓬濕地(3°746′38.9″N，119°09′41.4″E,LMS)為研究對(duì)象,分別設(shè)置30 m×30 m的典型樣地,測(cè)定堿蓬的地上、地下生物量及枯落物量。地上生物量采用收獲法,即在樣地按植物生長(zhǎng)特點(diǎn)每20 d左右采樣1次。采樣時(shí),隨機(jī)選取4—5個(gè)50 cm×50 cm的樣方,用剪刀沿地面剪下植物地上部分,帶回實(shí)驗(yàn)室,并將其分離為莖、葉。由于成熟期堿蓬的果實(shí)與小葉緊密相連,難以準(zhǔn)確區(qū)分,所以實(shí)際為葉+果實(shí)。地下生物量采用挖掘法,并在地上生物量測(cè)定小區(qū)內(nèi)進(jìn)行測(cè)定。采樣時(shí),將樣方內(nèi)0—40 cm的根全部挖出,帶回實(shí)驗(yàn)室放于細(xì)紗網(wǎng)袋中將泥土沖洗干凈至無。枯落物采樣與生物量測(cè)定同步,隨機(jī)選取4—5個(gè)50 cm×50 cm的樣方,割除植物地上部分,摘除立枯物(實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行)。同時(shí),收集樣方內(nèi)散落在地面上的當(dāng)年凋落物。由于研究地區(qū)為不規(guī)則半日淺海潮,少部分植物體(主要為葉子)及枯落物可被潮汐帶走或在潮灘上重新分配,所以本研究測(cè)定的生物量及枯落物量均為現(xiàn)存量。將采集的地上、地下植物及枯落物(立枯物+凋落物)樣品置于80 ℃烘干箱中烘干至恒重。稱量后將樣品粉碎,過0.25 mm篩后備用。植物樣品采集的同時(shí),分別在中潮灘和低潮灘堿蓬群落內(nèi)采集土壤樣品,并測(cè)定土壤容重和含水量。采樣時(shí),每個(gè)典型樣區(qū)采集3個(gè)土壤剖面,剖面深度為60 cm,每10 cm一層,共6層。由于堿蓬的根系主要生長(zhǎng)在0—10 cm土層中,故本研究只選擇0—10 cm的土壤樣品進(jìn)行測(cè)試。將采集的土樣及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后,撿去殘根等雜物,用球磨機(jī)磨碎,過100目篩后裝袋待測(cè)。采用1∶5土水比浸提液的方法測(cè)pH,采用便攜式鹽度計(jì)測(cè)定土壤EC,采用重鉻酸鉀溶量法測(cè)定土壤的有機(jī)質(zhì),采用激光粒度分析儀測(cè)定土壤粒度,粒度采用國(guó)際制。

1.2.2 樣品分析

稱取0.1000 g土壤樣品,加入2 mL HNO3、1mL HClO4和5mL HF,并置于160—190℃烘箱中16 h。殘?jiān)苡? mL 4mol/LHCL后,再用去離子水稀釋至10 mL待測(cè)。稱取0.2000 g植物樣品,加入2mL 65%的HNO3和1mL 30%的H2O2消解后,殘?jiān)萌ルx子水稀釋至10 mL待測(cè)。所有樣品均在Agilent 7500 ICP-MS上測(cè)定V和Co的含量。測(cè)定過程中,采用標(biāo)準(zhǔn)樣品(GBW07401和GBW08513,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心)和空白樣進(jìn)行質(zhì)量控制,每20個(gè)樣品加一個(gè)空白樣和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

1.2.3 指標(biāo)計(jì)算

地累積指數(shù)(Igeo)是利用元素總含量與其地球化學(xué)背景值的關(guān)系來直觀反映該元素在沉積物中的富集程度。土壤中V和Co的Igeo可用下式計(jì)算[12]：

Igeo=log2[Ci/(k×Bi)]

式中,Ci為濕地土壤中元素i的實(shí)測(cè)值,Bi為參比元素含量(評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)或背景值)；K為矯正系數(shù)(一般取1.5),用以消除造巖運(yùn)動(dòng)可能引起的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的自然波動(dòng)。當(dāng)Igeo≤0,視為無污染；05，為重度污染。

植物不同器官V和Co的累積系數(shù)AF(Accumulation factor)可用不同器官V(或Co)含量與土壤中V(或Co)含量的比值來表征[13],計(jì)算公式如下：

AFR=CR/CSE

AFS=CS/CSE

AFL=CL/CSE

AFLI=CLI/CSE

式中,CR、CS、CL、CLI分別為植物中根、莖、葉和枯落物中V或Co的平均含量,CSE表示土壤中V或Co的平均含量。

植物中V(或Co)含量的根/莖比(R/S)、根/葉比(R/L)和莖/葉比(S/L)可依據(jù)Dahmani-Muller 等[14]提出的公式計(jì)算：

R/S=CR/CS

R/L=CR/CL

S/L=CS/CL

植物體 V和Co的儲(chǔ)量Hn(mg/m2)可用下式計(jì)算：

Hn=Cn×Bn

式中,Cn為植物體中V或Co的含量(mg/kg),Bn表示植物體的生物量(kg/m2)。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用Origin 8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖和計(jì)算,并對(duì)MMS和LMS表層土壤中的V和Co的含量以及植物不同器官的V和Co含量進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中V和Co含量季節(jié)變化

兩種濕地表層土壤中V或Co含量的季節(jié)變化特征差異較大(P>0.05),且同一種濕地土壤中V和Co含量的季節(jié)變化模式相似(P>0.05)(圖1)。生長(zhǎng)季MMS和LMS濕地表層土壤V和Co含量的變化范圍分別介于93.53—129.87、11.74—13.45 mg/kg和99.59—111.58、11.75—16.73 mg/kg,均值為109.70、12.60 mg/kg和106.31、13.68 mg/kg。MMS表層土壤中的V和Co平均含量均高于LMS,且同一種濕地表層土壤的V含量均明顯高于Co含量,前者為后者的8.02(MMS)和8.44(LMS)倍。整體而言,MMS濕地土壤的V和Co含量均分別于5月末和8月上旬取得最低值和最高值,其在生長(zhǎng)季的變異系數(shù)分別為12.01%和12.35%,均屬于中等變異(10%

2.2 植物中V和Co含量季節(jié)變化

MMS和LMS不同器官的V和Co含量均具有明顯的季節(jié)變化特征(圖3)。MMS根和莖的V含量均在生長(zhǎng)初期較低,并于7月中旬達(dá)到最大值后整體呈波動(dòng)降低趨勢(shì)；葉的V含量則在生長(zhǎng)初期取得最大值后呈較緩降低變化。盡管LMS不同器官V含量的變化特征亦比較一致,但其變化模式與MMS差別較大,特別是根、莖中V含量峰值取得的時(shí)間要比MMS滯后1個(gè)月左右。就Co而言,其在MMS不同器官中的含量變化在8月末前較為一致,之后則呈不同變化特征。其中,根和莖中的Co含量整體呈降低趨勢(shì),葉中的Co含量則于9月下旬取得最大值后呈驟然降低變化。與之不同,LMS莖和葉中Co含量的變化模式較為一致且均于8月取得最大值,而根中的Co含量整體呈較大波動(dòng)變化。盡管MMS(或LMS)根、莖、葉和枯落物中V(或Co)含量的變化特征比較一致,但兩種元素之間的變化模式差異較大(圖3)。除MMS莖的V含量以及葉的Co含量在生長(zhǎng)季的變化均屬?gòu)?qiáng)變異以外(CV>100%),二者不同部分V或Co含量的季節(jié)變化均屬中等變異(表2)。比較而言,V和Co在MMS不同部分中的含量整體均表現(xiàn)為枯落物>根>葉>莖(PV<0.001,PCo=0.011),在LMS中則均表現(xiàn)為枯落物>葉>莖>根(PV<0.001,PCo<0.001)。除根外,MMS和LMS不同部分的V或Co含量亦均達(dá)到顯著差異水平(莖：PV=0.002,PCo=0.016；葉：PV<0.001,PCo=0.036；枯落物：PV=0.013,PCo=0.010)。

圖1 濕地土壤中V和Co含量的季節(jié)變化Fig.1 Seasonal variations of V and Co contents in marsh soilsV: 釩vanadium；Co: 鈷 cobalt；NCBV-V: 華北克拉通V的背景值North China craton background value-vanadium；LMBV-V: 黃土母質(zhì)V的背景值,Loess parent material background value-vanadium；NCBV-V: 華北克拉通Co的背景值,North China craton background value-cobalt；LMBV-V: 黃土母質(zhì)Co的背景值,Loess parent material background value-cobalt；MMS: 中潮灘堿蓬S. salsa in middle marsh；LMS: 低潮灘堿蓬S. salsa in low marsh

圖2 濕地土壤中V和Co的地累積指數(shù)Fig.2 Geoaccumulation indices (Igeo) of V and Co in marsh soilsIgeo:地累積指數(shù) Geoaccumulation indices；當(dāng)Igeo ≤ 0,視為無污染；0< Igeo≤ 1,為無污染到輕度污染；1< Igeo≤ 2之間,為輕度污染；V:釩vanadium；Co:鈷 cobalt；MMS:中潮灘堿蓬S. salsa in middle marsh；LMS:低潮灘堿蓬S. salsa in low marsh

圖3 濕地植物不同部分V 和Co含量的季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variations of V and Co contents in different parts of marsh plantsV：釩vanadium； Co:鈷 cobalt；MMS:中潮灘堿蓬S. salsa in middle marsh；LMS:低潮灘堿蓬S. salsa in low marsh

項(xiàng)目ItemsMMSLMSVCoVCo均值(±SD)CV/%均值(±SD)CV/%均值(±SD)CV/%均值(±SD)CV/%根Root2.27±0.9541.670.61±0.2947.411.91±1.0153.190.64±0.4062.43莖Stem0.78±0.86110.570.33±0.2989.243.83±2.1756.580.90±0.5358.45葉Leaf0.84±0.4048.010.45±0.54121.484.74±2.3248.881.10±0.5852.61枯落物L(fēng)itter5.30±3.3362.841.21±0.7158.5810.81±3.0327.992.60±0.8030.81

V：釩vanadium； Co: 鈷 cobalt

2.3 V和Co的累積與分配

2.3.1 V和Co的轉(zhuǎn)移

MMS中V和Co的R/S、R/L和S/L的比值范圍分別為1.34—9.43、1.01—6.79、0.32—2.83(V)和1.00—26.00、0.90—7.87、0.04—4.05(Co),而在LMS中二者的相應(yīng)比值分別為0.19—3.36、0.15—0.88、0.26—1.95(V)和0.14—2.92、0.12—2.83、0.38—2.09(Co)(表3)。比較而言,MMS中V和Co的R/S、R/L和S/L大多大于1,而LMS中兩種元素的相應(yīng)比值大多小于1,說明二者不同器官V或Co的轉(zhuǎn)移能力存在較大差異。

表3 生長(zhǎng)季植物不同部分V和Co的R/S、R/L和S/L比值

Table 3 Root/stem (R/S)，root/leaf (R/L) and stem/leaf (S/L) ratios of V and Co in different parts of plants during the growing season

項(xiàng)目Items比值Ratios05-1705-3107-1208-0908-3109-2010-1911-15VMMSR/S1.766.191.348.383.709.432.925.35R/L1.011.023.806.794.233.062.973.01S/L0.570.172.830.811.140.321.020.56LMSR/S3.360.190.610.280.500.380.740.29R/L0.880.360.520.220.520.380.550.15S/L0.261.950.850.801.030.990.740.51CoMMSR/S1.0026.001.939.761.113.961.422.93R/L0.900.934.517.871.490.465.742.93S/L0.900.042.330.811.340.124.051.00LMSR/S1.670.142.920.350.630.601.030.22R/L0.630.292.830.290.680.630.680.12S/L0.382.090.970.831.091.050.660.54

2.3.2 V和Co的分配

MMS和LMS不同部分的V和Co儲(chǔ)量分別為0.118—2.743、0.012—1.071 g/m2和0.090—2.136、0.028—0.516 g/m2,前者V和Co的儲(chǔ)量在生長(zhǎng)季均要高于后者。對(duì)MMS和LMS不同部分分配比的研究發(fā)現(xiàn),葉是生長(zhǎng)初期二者V的主要儲(chǔ)庫(kù),其分配比分別介于52.97%—59.97%(MMS)和49.62%—63.07%(LMS)；生長(zhǎng)旺期,根和莖是主要儲(chǔ)庫(kù),二者根分配比分別介于23.19%—37.37%(MMS)和11.78%—49.01%(LMS),而莖分配比分別介于18.08%—37.26%(MMS)和19.77%—59.68%(LMS)；生長(zhǎng)末期,枯落物是V的主要儲(chǔ)庫(kù),其分配比分別高達(dá)87.95%(MMS)和89.94%(LMS)(表4)。與之相比,MMS和LMS不同部分的Co分配比與V差異較大。生長(zhǎng)初期,葉和莖是二者Co的主要儲(chǔ)庫(kù),其分配比分別高達(dá)68.03%、68.87%(MMS)和57.87%、60.48%(LMS)；生長(zhǎng)旺期,二者莖的Co分配比最高,其值分別介于37.56%—53.10%(MMS)和36.98%—53.25%(LMS)；生長(zhǎng)末期,葉是Co的主要儲(chǔ)庫(kù),其變化范圍分別介于37.56%—53.10%(MMS)和36.98%—53.25%(LMS)。

表4 生長(zhǎng)季植物不同部分V和Co的分配比(%)

R,根root；S,莖stem；L,葉leaf；LI,枯落物litter

2.3.3 V和Co的生物累積

MMS莖、葉和枯落物的AFV(或AFCo)均顯著低于LMS(AFV∶P莖=0.003,P葉=0.001,P枯=0.016；AFCo∶P莖=0.016,P葉=0.020,P枯=0.008),而根的AFV表現(xiàn)為MMS>LMS(P>0.05)；AFCo表現(xiàn)為MMS0.05)(圖4)。另外,MMS和LMS根、莖、葉和枯落物的AFV均小于AFCo,前者分別為后者的0.31—1.32、0.12—5.56、0.08—1.23、0.38—0.65倍(MMS)和0.14—0.84、0.23—0.68、0.34—0.77、0.43—0.56倍(LMS)

圖4 生長(zhǎng)季植物不同部分V和Co的累積系數(shù)Fig.4 Accumulation factors (AFs) of V and Co in different parts of plants during the growing seasonV:釩vanadium； Co:鈷 cobalt；MMS:中潮灘堿蓬S. salsa in middle marsh；LMS:低潮灘堿蓬S. salsa in low marsh

3 討論

3.1 土壤中V和Co含量

本研究表明,MMS和LMS濕地表層土壤V和Co含量在生長(zhǎng)季的均值分別為109.70、12.60 mg/kg和106.31、13.68 mg/kg,不僅高于黃土母質(zhì)背景值(73.5 mg/kg和11.5 mg/kg)[15],而且還高于華北克拉通背景值(78 mg/kg和12 mg/kg)[16],說明在以華北克拉通為背景的黃河三角洲地區(qū),潮灘濕地存在V和Co的富集過程。原因可能主要有兩方面：一是,研究區(qū)位于勝利油田開采區(qū)域,石油、天然氣等化石燃料的開采、使用及泄露較多。由于重油、石油等燃料中均含有大量的V,并可在燃燒后的灰渣中富集,所以這些化石燃料可能對(duì)濕地表層土壤中V和Co的富集產(chǎn)生重要影響。另有研究表明,在煤、石油等燃料的燃燒過程中,煤中的V以易揮發(fā)的有機(jī)V或含V化合物的顆粒形式進(jìn)人大氣。在高溫下,它可參與各種反應(yīng)形成釩氧化物、釩氯化物或V的磷酸鹽等；隨著溫度的降低,V又進(jìn)入顆粒相。大氣顆粒物中的V主要以可溶于水的形式存在,通過大氣沉降,最后在潮灘濕地表層土壤富集[17]。隨著化石燃料使用量的增加,潮灘濕地表層土壤的Co含量也會(huì)提高。Co在煤和石油中的含量分別為1—90 mg/kg(平均為4 mg/kg)和0.1 mg/kg[1],燃燒煤和石油造成大氣總懸浮顆粒物(TSP)沉降所提供的Co可能成為植物吸收鈷的重要來源[3],而植物吸收Co后通過殘?bào)w分解又可將部分Co轉(zhuǎn)移到土壤中。二是,隨著黃河流域工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展,黃河可攜帶大量含V和Co的污染物進(jìn)入河口,并在河海水動(dòng)力的影響下在潮灘濕地土壤中富集[18]。研究還表明,盡管MMS和LMS濕地表層土壤中V或Co含量的季節(jié)變化特征差異較大,但并未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。由于黃河口潮灘濕地土壤主要來源于黃河從黃土高原攜帶而來的泥沙以及部分中下游泥沙的淤積,所以其土壤母質(zhì)主要為黃土、褐土和棕壤?？赡苷怯捎谥谐睘┖偷统睘A蓬濕地土壤的母質(zhì)基礎(chǔ)較為一致,導(dǎo)致二者表層土壤中V或Co含量的季節(jié)變化特征差異不大。盡管如此,MMS和LMS濕地土壤中的V或Co含量的季節(jié)動(dòng)態(tài)由于受到生物與非生物因素的影響亦存在一定差異(圖1)。前者土壤中的V和Co含量在生長(zhǎng)季整體呈較大波動(dòng)變化且最大值出現(xiàn)在生長(zhǎng)旺期,而后者土壤中的V和Co含量整體呈現(xiàn)較緩波動(dòng)變化。MMS濕地土壤中V和Co含量在8月份的驟然升高可能主要與8月份溫度較高,植物分解速率快,植物中的V和Co向表層土壤大量歸還有關(guān)。LMS濕地由于受潮汐的周期性影響,土壤中不斷富集的V和Co可能極易被帶走,由此導(dǎo)致其整體呈較緩波動(dòng)變化。

3.2 V和Co的累積與分配

本研究表明,MMS和LMS不同部分V和Co含量的季節(jié)變化具有顯著差異(P<0.05),且整體表現(xiàn)為MMS>LMS。原因可能在于,相對(duì)于MMS,LMS由于經(jīng)常受到海流、潮汐等海洋作用力的影響,不僅面臨鹽分脅迫,而且還受到海水漬澇等帶來的綜合逆境脅迫,由此導(dǎo)致其植株矮小、葉片肥厚且光合速率低[23]。相關(guān)研究亦發(fā)現(xiàn),MMS和LMS的葉片肉質(zhì)化程度[24]、葉片色素積累及光合特性[23]、葉片抗氧化系統(tǒng)[25]等均具有明顯差異,內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的差異必然會(huì)影響植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收與利用[7],進(jìn)而導(dǎo)致二者不同器官V和Co累積與分配特征的差異。研究還表明,MMS和LMS堿蓬中V和Co的平均含量在生長(zhǎng)初期和生長(zhǎng)末期的變化趨勢(shì)相似,而在生長(zhǎng)旺期則呈現(xiàn)相反規(guī)律變化。原因可能主要與生長(zhǎng)旺期氣溫偏高,蒸發(fā)旺盛,MMS濕地表層土壤較高的鹽分不利于植物生長(zhǎng),進(jìn)而使得其對(duì)V和Co的吸收與累積受到明顯抑制有關(guān)。與之相比,LMS濕地表層土壤的水分條件較好,其受到的鹽分脅迫可能不如MMS強(qiáng),故其對(duì)V和Co的吸收與累積能力相對(duì)較高。此外,MMS和LMS的V和Co平均含量在生長(zhǎng)末期均呈現(xiàn)增加趨勢(shì),這主要與此間植物種子發(fā)育需從地下轉(zhuǎn)移大量V和Co養(yǎng)分有關(guān)。研究還表明,MMS和LMS不同部分中V和Co的含量分布存在顯著差異,前者整體均表現(xiàn)為枯落物>根>葉>莖(P<0.05),后者均表現(xiàn)為枯落物>葉>莖>根(P<0.001)。原因除了與二者的生理生態(tài)學(xué)特性以及所處生境等因素的差異有關(guān)外,還可能與V和Co在MMS和LMS不同器官中的生態(tài)功能差異有關(guān)。值得注意的是,MMS和LMS枯落物中的V和Co含量均最高,原因可能與植物死亡前V和Co的轉(zhuǎn)移和滯留有關(guān)。在生長(zhǎng)初期和旺期,莖和葉是二者V和Co的主要儲(chǔ)庫(kù),其分配比均較高(表4),但此間莖和葉中V和Co的轉(zhuǎn)移能力卻較低(表3),由此導(dǎo)致其在莖葉中不斷累積,直至最終死亡成為枯體。由于LMS濕地土壤的鹽分含量較高,不利于根系從土壤中吸收V和Co養(yǎng)分,由此導(dǎo)致兩種元素在根中的含量較低；莖和葉作為L(zhǎng)MS地上V和Co的主要累積器官,其可通過根系相對(duì)較弱的吸收能力而不斷累積,進(jìn)而使得其含量較高。與之相比,MMS濕地土壤的鹽分含量較低,利于根系向土壤中大量吸收V和Co養(yǎng)分,由此導(dǎo)致兩種元素在根中的含量較高。盡管莖和葉亦是MMS地上V和Co的主要累積器官,但因其地上生物量較LMS高(MMS地上生物量為L(zhǎng)MS的1.97—6.31倍)[5],稀釋效應(yīng)明顯,由此導(dǎo)致兩種元素的含量較低。此外,MMS不同部分V和Co含量的最大值均未出現(xiàn)在生長(zhǎng)旺期,而LMS不同部分的最大值則出現(xiàn)在生長(zhǎng)旺期。導(dǎo)致這種差異的原因可能主要與前述生長(zhǎng)旺期氣溫度偏高,蒸發(fā)旺盛,MMS和LMS濕地表層土壤鹽脅迫強(qiáng)度的差異有關(guān)。研究還表明,MMS不同部分V和Co的儲(chǔ)量在生長(zhǎng)季均要高于LMS,原因主要與MMS的生物量要明顯高于LMS有關(guān)(MMS地上生物量和地下生物量分別為L(zhǎng)MS的1.97—6.31和2.46—6.91倍)[5]。

研究還表明,MMS和LMS不同器官的V或Co轉(zhuǎn)移能力存在較大差異,前者V和Co的R/S、R/L和S/L比大多大于1,后者中兩種元素的相應(yīng)比值則大多小于1,說明MMS地下吸收及轉(zhuǎn)移V和Co的能力較LMS強(qiáng),而這主要與LMS的根系不如MMS發(fā)達(dá)且地下生物量較低有關(guān)。另外,MMS莖、葉和枯落物的AFV(或AFCo)均顯著低于LMS,而根的AFV表現(xiàn)為MMS>LMS,AFCo表現(xiàn)為MMS

4 結(jié)論

MMS(或LMS)濕地土壤的V含量均明顯高于Co含量,且存在V和Co的富集過程。MMS和LMS濕地表層土壤V的地累積指數(shù)(Igeo)大多介于1—2,處于輕度污染狀況；Co的Igeo大多介于0—1之間,處于無污染到輕度污染狀態(tài)。

V和Co含量在MMS不同部分中整體表現(xiàn)為枯落物>根>葉>莖(P<0.05),而在LMS中表現(xiàn)為枯落物>葉>莖>根(P<0.001)。LMS中莖、葉和枯落物對(duì)V或Co的累積能力較強(qiáng),而MMS中根對(duì)兩種元素的吸收能力較強(qiáng),這與二者的生理生態(tài)學(xué)特性、所處生境水鹽條件以及V和Co在不同器官扮演生態(tài)功能的差異有關(guān)。LMS可用于未來受V污染濕地修復(fù)的備選物種。

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Seasonal variations of vanadium and cobalt bioaccumulation in plant-soil system ofSuaedasalsain the intertidal zone of the Yellow River Estuary

TIAN Liping1, SUN Zhigao1,*, MU Xiaojie2, HU Xingyun1

1InstituteofGeography,KeyLaboratoryofHumidSubtropicalEco-geographicalProcess(FujianNormalUniversity),MinistryofEducation,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130012,China

From May to November 2008, the seasonal variations of vanadium (V) and cobalt (Co) bioaccumulation ofSuaedasalsa(S.salsain middle marsh, MMS;S.salsain low marsh, LMS) in the intertidal zone of the Yellow River Estuary were investigated. The results showed that the seasonal variations of V and Co contents in surface sediments of MMS and LMS were significantly different whereas those in the same marsh were similar. The V content in sediments of MMS or LMS was significantly higher than that of Co, and the coefficient of variations (CVs) during the growing season were 12.01%, 12.35% (MMS) and 4.08%, 4.94% (LMS), respectively. Geoaccumulation indices (Igeo) of V in surface sediments of MMS and LMS were mostly between 1 and 2, which could be classified as a moderately polluted level. TheIgeovalues of Co were mostly between 0 and 1, which could be classified as an unpolluted to moderately polluted level. The V and Co contents in different parts of MMS were generally in the order of litter > root > leaf > stem (P<0.05), while those of LMS followed the order of litter > leaf > stem > root (P<0.001). The transference of V and Co among different organs of MMS and LMS showed great difference. The R/S (root to stem), R/L (root to leaf), and S/L (stem to leaf) of V and Co in MMS were mostly greater than 1, whereas those in LMS were mostly less than 1. The accumulation factors (AFs) of both V and Co in different parts (root, stem, leaf, and litter) of MMS and LMS showedAFV>AFCo, with the values being 0.31—1.32, 0.12—5.56, 0.08—1.23, and 0.38—0.65 times (MMS) and 0.14—0.84, 0.23—0.68, 0.34—0.77, and 0.43—0.56 times (LMS), respectively. The present study found that the differences of organic matter and Fe-Mn oxide contents in marsh sediments of MMS and LMS were the key factors resulting in the differences of their V and Co contents. Differences of the ecological and physiological characteristics, the water and salinity conditions in the habitat, and the ecological functions of V and Co between MMS and LMS showed significant influences on their transference, distribution, and bioaccumulation of the two elements. With increasing oil exploitation intensity and oil fuel usage, the V and Co (particularly for V) pollution in surface sediments of intertidal zone will be gradually highlighted, and the LMS can be used as the alternative species for marsh remediation resulting from V pollution.

vanadium and cobalt; transference and allocation; bioaccumulation;Suaedasalsamarsh; Yellow River Estuary

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(41371104); 福建省“閩江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”資助項(xiàng)目

2016- 08- 05;

2016- 11- 04

10.5846/stxb201608051614

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhigaosun@163.com

田莉萍,孫志高,牟曉杰,胡星云.黃河口潮間帶堿蓬濕地植物-土壤系統(tǒng)V和Co生物累積的季節(jié)變化.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(1):204- 214.

Tian L P, Sun Z G, Mu X J, Hu X Y.Seasonal variations of vanadium and cobalt bioaccumulation in plant-soil system ofSuaedasalsain the intertidal zone of the Yellow River Estuary.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):204- 214.