邱思婷, 米慧珊,高 會,翟水晶,3,*

1 福建師范大學濕潤亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點實驗室, 福州 3500072 福建師范大學地理科學學院, 福州 3500073 福建師范大學地理研究所, 福州 350007

硅(Silicon,Si)是地殼中含量第二豐富的元素,也是濕地生物地球化學循環(huán)過程中的一種基本養(yǎng)分[1],在促進植物生長、緩沖土壤酸堿度、調(diào)節(jié)大氣二氧化碳濃度等許多生物地球化學過程中起著重要作用[2- 4]。一般認為,硅酸鹽礦物的風化作用和溶解作用控制著土壤溶液和水系中的二氧化硅通量[5],生物過程只通過影響礦物的風化程度和溶解速度參與硅的生物地球化學循環(huán)過程[6]。然而研究發(fā)現(xiàn)活生物體在地球硅循環(huán)過程中具有駐留和釋放硅的作用[3],特別是植物可以從土壤溶液中吸收大量的硅,最終通過凋落物返還到土壤中。不同類型的植物對土壤硅的利用程度不同,陸地硅循環(huán)明顯也依賴于植被類型。在硅的生物地球化學循環(huán)過程研究中,關于土壤生物硅、有效硅等形態(tài)的硅素研究占絕大多數(shù),而關于二氧化硅或全硅的研究偏少。由于對土壤硅的重視程度低,目前大多數(shù)國家的土壤監(jiān)測系統(tǒng)中,硅只作為一種作物養(yǎng)分,其研究范圍主要局限在水稻種植區(qū)[7],而在非水稻土壤數(shù)據(jù)庫(尤其是自然濕地)中很少有土壤全硅的記錄[8]。在中國早期對土壤全硅含量的調(diào)查,一般是全量(容量因素)和有效態(tài)(強度因素)研究同步進行,但局限于農(nóng)業(yè)土壤硅素研究[9-10]。

河口沼澤濕地是響應全球變化和人類活動最敏感的生態(tài)系統(tǒng)之一[1,11],也是重要的生物硅匯[12-13]。閩江河口濕地處于熱帶與亞熱帶的過渡地帶,其典型的酸性土壤在強降雨和高溫的影響下,風化淋溶作用明顯,且其復雜的水文狀況和植被生長能有效反映濕地硅生物地球化學變化的交互作用。目前已開展了濕地土壤間隙水中活性硅酸鹽[14-15]、土壤生物硅[16]和有效硅[17]等研究,研究發(fā)現(xiàn)植物對這些較為活躍的硅影響較大,而關于植物類型對土壤全硅含量的影響尚不清楚。鑒于此,本研究于2016年1—12月,以閩江河口鱔魚灘的短葉茳芏濕地、互花米草濕地及其二者的交錯帶濕地土壤為研究對象,采用定位研究方法,探討了生長不同類型植物的濕地土壤全硅的時空分布特征及其影響因素,以期為全面認識河口濕地土壤硅素的生物地球化學循環(huán)提供重要基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鱔魚灘濕地(119°34′12″—119°41′40″E,26°00′36″—26°03′42″N)是閩江河口最大(約120 hm2)的砂泥質(zhì)洲灘天然濕地,位于瑯岐島至長樂區(qū)潭頭鎮(zhèn)和梅花鎮(zhèn)的梅花水道,呈近東西走向的彎曲長條狀分布。研究區(qū)處于中亞熱帶和南亞熱帶的過渡地帶,氣候暖熱潮濕,雨熱同期,年平均氣溫19℃,年平均降水量可達1380 mm[18]。區(qū)內(nèi)潮汐屬于典型的正規(guī)半日潮,水文條件相對復雜。土壤類型為濱海鹽土和沙土,偏酸性。研究區(qū)位于閩江入海口,2002 年以來外來物種互花米草(Spartinaalterniflora)入侵本區(qū)中低潮灘,不斷向土著植被擴張。短葉茳芏(Cyperusmalaccensis)是該濕地的優(yōu)勢土著種。植物群落由陸向海方向總體呈帶狀分布,群落之間的交錯區(qū)域明顯,且有一定寬度(約50——100 m)。

1.2 樣品采集與處理

根據(jù)植物生長特點,在鱔魚灘濕地中西部的潮灘地段設置一條樣帶(圖1),由陸向海方向選取3個樣地,分別是短葉茳芏濕地(記為W1)、短葉茳芏與互花米草的交錯帶濕地(簡稱交錯帶濕地,記為W2)以及互花米草濕地(記為W3)。2016年1—12月,采用定位研究方法,在每個樣地里分別設置3個重復(相距5 m左右),每月用直徑10cm,高80cm的柱狀土壤采樣器采集0—60cm土壤樣品,以10cm厚度現(xiàn)場分割為6層(0—10、10—20、20—30、30—40、40—50和50—60 cm),立即將土壤樣品裝袋,帶回實驗室,待自然風干后,撿去雜質(zhì),研磨過80目篩,保存待測。

圖1 研究區(qū)和采樣點位置Fig.1 Locations of study area and sampling sites W1、W2和W3分別代表短葉茳芏濕地、交錯帶濕地和互花米草濕地

1.3 樣品測定

土壤全硅含量采用堿融-鉬藍比色法測定二氧化硅的方法測定[19- 20]。

每月采集土壤的同時,采用便攜式儀器原位測定各土層土壤的理化性質(zhì)。土壤電導率采用便攜式電導率儀(ECTestr11+)測定；土壤pH和溫度采用便攜式pH計(IQ150, USA)測定；土壤含水量采用便攜式土壤墑情速測儀(TZS- 1, China)測定；土壤有機質(zhì)用高溫外熱重鉻酸鉀容量法測定[20]。土壤粒度采用Master Sizer2000激光粒度分析儀測定,按照國際制分類[21]。閩江河口濕地2016年1—12月不同類型濕地土壤理化性質(zhì)見表 1,表中數(shù)值為12個月 6 層土壤的平均值±標準誤(n=216) 。

表1 不同類型濕地土壤理化性質(zhì)

1.4 指標計算

土壤剖面第j層單位面積全硅儲量LSi(kg/m2)：

LSi=CSi×dvj×hj/100

式中,CSi表示第j層土壤全硅含量(g/kg),dvj表示土壤容重(g/cm3),hj表示土壤剖面深度(cm),100為換算系數(shù)。

土壤全硅總儲量(TSi, kg/m2)為單位面積某深度(j到n層)土壤全硅儲量之和,即：

1.5 數(shù)據(jù)分析

運用Microsoft Excel 2010和Origin 8.0對土壤全硅含量、儲量以及土壤理化性質(zhì)等數(shù)據(jù)進行分析處理和制圖,采用SPSS 19.0對土壤全硅含量進行單因素方差分析(One-way ANOVA),并對土壤全硅含量和土壤理化性質(zhì)等數(shù)據(jù)進行Pearson相關分析(Pearson′s correlation coefficient)、主成分分析(Principal component analysis, PCA)和逐步線性回歸分析(Stepwise linear regression analysis),顯著性水平設定為0.05。

2 結果

2.1 閩江河口濕地各植被帶土壤全硅含量的時空變化特征

2016年1—12月期間,閩江河口濕地3種類型植物濕地土壤全硅含量均表現(xiàn)為先降低后升高、秋冬季高于春夏季的趨勢(圖2)不同植被帶土壤全硅含量在不同月份之間均存在顯著性差異(P< 0.01)。各植被帶土壤全硅含量在4—5月降到全年最低水平,1—3月與10—12月土壤全硅含量均在200mg/g以上,整體高于其他月份。其中,1—3月短葉茳芏濕地和互花米草濕地的土壤全硅含量基本保持不變,而二者交錯帶濕地的土壤全硅含量有明顯波動變化。

圖2 閩江河口不同類型濕地土壤全硅含量的時間變化特征Fig.2 Temporal variance of total silicon content in soils in different types of marshes in the Min River estuary

圖3 閩江河口不同類型濕地土壤全硅含量的剖面變化特征Fig.3 Vertical variance of total silicon content in soils in different types of marshes in the Min River estuary

圖4 閩江河口不同類型植物濕地土壤全硅儲量分布Fig.4 Distribution of total silicon storage in soils in different types of marshes in the Min River estuary

2.2 閩江河口濕地各植被帶土壤全硅含量的剖面變化特征

從剖面來看,閩江河口3種植物類型濕地土壤全硅年平均含量隨深度增加略呈下降趨勢(圖3),不同土層之間存在顯著性差異(P< 0.01)。不同植物類型濕地土壤全硅平均含量整體表現(xiàn)為短葉茳芏濕地(197.67 mg/g)<交錯帶濕地(201.21 mg/g)<互花米草濕地(210.33 mg/g),其中交錯帶濕地土壤全硅含量在20—30cm土層(193.17 mg/g)遠低于純植物群落濕地。3種植物類型濕地土壤全硅含量在30—40cm土層達到相同水平(206.28 mg/g),且均在40—50cm土層最低。

2.3 閩江河口濕地各植被帶土壤全硅儲量分布特征

閩江河口不同類型植物濕地0—60 cm土壤全硅儲量由陸向海方向整體上呈遞增趨勢(圖4),表現(xiàn)為短葉茳芏濕地(102.94kg/m2)<交錯帶濕地(106.02 kg/m2)<互花米草濕地(109.11 kg/m2)。3種植物類型濕地0—30cm土層土壤全硅儲量整體高于30—60cm土層,其中0—10cm土層土壤全硅儲量最高。方差分析表明,0—60 cm土層土壤全硅儲量在不同類型濕地之間均具有顯著性差異(P<0.01)。

3 討論

3.1 影響土壤全硅含量的主要因素

利用Pearson分析河口濕地土壤全硅的含量與土壤理化性質(zhì)(表1)的相關性發(fā)現(xiàn)：土壤全硅含量與pH、含水率和粘粒之間均呈極顯著正相關關系(P< 0.01)；與土溫呈極顯著負相關關系(P< 0.01),與有機質(zhì)和EC均呈顯著負相關關系(P< 0.05)(表2)。為了明確影響閩江河口濕地土壤全硅含量分布的主要因子,對影響不同類型濕地全硅含量(Y)的 主要環(huán)境因素(XEC,XpH,X含水率,X土溫,X有機質(zhì),X粘粒,X粉粒,X砂粒)進行主成分分析(表3)。結果表明：影響短葉茳芏濕地土壤全硅含量的主要因子是有機質(zhì)、土溫和粉粒；影響交錯帶濕地土壤全硅含量的主要因子是含水量、土溫和砂粒；影響互花米草濕地土壤全硅含量的主要因子是土溫、pH和砂粒。進一步對不同濕地識別出的主要影響因子進行逐步線性回歸分析,結果發(fā)現(xiàn)：短葉茳芏濕地中只有有機質(zhì)進入回歸方程,即YW1=223.651-4.690X有機質(zhì)(P< 0.01),說明其土壤全硅含量主要受土壤有機質(zhì)含量的影響；交錯帶濕地中只有含水率進入回歸方程,即YW2=123.446-1.581X含水率(P< 0.01),說明其土壤全硅含量主要受土壤水分含量的影響；互花米草濕地中只有pH進入回歸方程,即YW3=116.976-15.059XpH(P< 0.01),說明其土壤全硅含量主要受土壤酸堿狀況影響。綜上,閩江河口鱔魚灘濕地土壤全硅含量受土壤有機質(zhì)含量、含水率和pH值的共同影響。

表2 閩江河口濕地2016年土壤全硅含量與土壤理化性質(zhì)相關關系

有研究表明,含有機質(zhì)較多的土壤全硅含量較高[22],但也有研究發(fā)現(xiàn)土壤全硅含量與有機質(zhì)含量之間的相關關系并不顯著[23],甚至負相關[24]。本研究中有機質(zhì)與土壤全硅含量之間呈顯著負相關關系(P< 0.05),這可能與土壤容重有關。閩江河口濕地有效硅含量與土壤容重顯著負相關(P< 0.05)[25],容重大的土壤其土層堅硬度大,植物根系生長時根系遇到的阻力大,地下生物量小[26],不利于有效硅累積。研究發(fā)現(xiàn)土壤全硅含量與土壤有效硅含量之間無顯著相關性,或者變化趨勢相反[27- 28],原因可能是礦物分解使得土壤中可以轉(zhuǎn)化為單硅酸的成分增多。相關分析結果表明,閩江河口短葉茳芏濕地土壤全硅含量與土壤有效硅含量之間無顯著相關關系(P> 0.05)；短葉茳芏-互花米草交錯帶濕地、互花米草濕地中土壤全硅含量均分別與土壤有效硅含量存在顯著負相關關系(P< 0.05)。另外,土壤容重大、根系生物量少的情況下,由根系衰敗腐爛轉(zhuǎn)化而成的土壤有機質(zhì)也相應變少,因此導致閩江河口濕地土壤全硅含量與有機質(zhì)含量呈現(xiàn)一種反相關的趨勢。本研究也發(fā)現(xiàn)土壤含水率與土壤全硅含量之間呈極顯著正相關關系(P< 0.01),土壤中可溶性硅含量會隨土壤水分滯留時間增加而增加[1]。有研究發(fā)現(xiàn)互花米草濕地土壤間隙水含硅量(359mg/g)高于短葉茳芏(344mg/g)[14],原因可能在于互花米草濕地靠近海洋,受潮汐影響大,水淹時間較短葉茳芏濕地長,原本可能與硅結合的鐵在排水不良的土壤溶液中被還原而釋放出硅,而且有機質(zhì)的礦化速率在土壤通氣不良的條件下變低從而易于其累積保存和溶解,這都能夠增加土壤含硅量[16,22]。土壤酸堿度對土壤全硅的影響與土壤粘粒對硅酸的吸附作用有關。土壤中的單硅酸可吸附在各種氧化物及鋁硅酸鹽礦物表面裸露的—OH基團上成為吸附態(tài)硅酸[29],隨著pH值的增加,土壤粘粒對硅酸的吸附量也增加,硅酸鹽吸附到帶電的土壤顆粒上[30],淋溶作用減弱,硅酸不容易被淋失。但是這種正效應只在6 < pH < 8的情況下成立,即在土壤呈酸性或中性的濕潤地區(qū),pH值與土壤含硅量正相關；在土壤呈中性或堿性的干旱地區(qū),pH值與土壤含硅量負相關[23]。鱔魚灘濕地位于亞熱帶濕潤地區(qū),降水量豐富,土壤呈弱酸性,淋溶作用強,土壤pH值(均值為6.19)與全硅含量之間存在顯著正相關關系(P< 0.01)?？傊?土壤有機質(zhì)含量多,容重大,含水量高,以及酸性土和中性土的酸堿度增大都會造成土壤含硅量高。

表3 特征值及主成分矩陣

3.2 閩江河口濕地各植物帶土壤全硅的分布差異

除了土壤理化性質(zhì)對閩江口濕地全硅含量有一定影響,其生長的植物對土壤全硅的年平均含量和儲量也有重要的影響,大致上由陸向海方向整體上呈遞增趨勢。首先,有研究發(fā)現(xiàn)互花米草入侵使河口濕地土壤有機碳含量顯著增加[31],土壤結構得到改善,土壤吸附作用增強,土壤溶液中的單硅酸不易被淋失。而且互花米草濕地具有良好的促淤作用,能有效地將水體中的顆粒物、粘粒成分和營養(yǎng)物質(zhì)攔截下來[32],減緩了土壤硅水平遷移幅度的同時,粘粒在互花米草濕地累積變多,增強了土壤對硅酸的吸附能力。其次,閩江河口互花米草濕地由于淤積層的存在,土壤吸附硅酸的能力較強,且土壤還原性增強,硅的釋放量增加,這就導致互花米草濕地土壤全硅含量和儲量均高于其他兩個群落。翟水晶[14]研究閩江口潮灘濕地各植被帶土壤及間隙水中硅的分布特征時發(fā)現(xiàn)近海區(qū)互花米草濕地土壤生物硅含量和土壤間隙水中的活性硅酸鹽含量均大于近岸區(qū)短葉茳芏濕地,這與本文研究結論基本一致。由于互花米草的促淤功能以及對硅素較強的累積功能,導致短葉茳芏和互花米草的交錯帶濕地土壤全硅含量和儲量均高于短葉茳芏濕地。本研究中短葉茳芏濕地土壤全硅儲量(102.94 kg/m2)低于交錯帶濕地(106.02 kg/m2)和互花米草濕地(109.11 kg/m2),這與高會[25]在閩江口鱔魚灘得到的短葉茳芏濕地土壤生物硅儲量小于互花米草濕地的研究結果吻合。

鱔魚灘濕地3種類型植物濕地土壤全硅含量2016年1—12月整體表現(xiàn)為先降低再升高,秋冬季高于春夏季,這可能是由于秋冬季節(jié)土壤淋溶作用弱,土壤硅淋失量低,且植物枯落物返還地面顯著增加了土壤硅的含量。閩江河口濕地是閩江入海攜帶的物質(zhì)流、能量流的必經(jīng)之地,閩江汛期(4—9月)多年平均徑流量占年徑流量的71.2%—79.1%,其中4—6月徑流量約占全年的50%。而非汛期(1—3月、10—12月)徑流量只占年徑流量的20.9%—28.8%[33]。自4月份開始大量淡水被輸入到河口區(qū)域,對鱔魚灘濕地有一定的“稀釋”效應。同時,濕地植物一般在3—4月開始快速生長,從土壤中吸收硅酸鹽的量也大大增加,從而導致土壤全硅含量在4月份最低。另外,閩江河口不同植被類型濕地土壤全硅含量和儲量均表現(xiàn)為上部土層(0—30cm)高于下部土層(30—60cm),這一方面可能與地表巖石容易被風化侵蝕有關,另一方面與植物分解也有一定關系。一般來說土壤表層的礦物更易遭受風化剝蝕作用,硅素釋放量較多[34]。以巖石礦物的風化作用為起點,硅被釋放到土壤溶液中；植物生長時,依靠其發(fā)達的根系從土壤中吸收并累積硅素營養(yǎng)[34]；植物死亡后,枯落物在土壤表層堆積分解,釋放硅素[35],二者共同增加土壤表層硅的輸入。而濕地下層土壤受風化作用、枯落物返還作用、地表徑流和潮汐作用的影響比上層土壤弱,因此,導致其土壤全硅含量和儲量低于上部土層。

3.3 閩江口濕地土壤全硅含量與國內(nèi)外其他地區(qū)對比

有研究表明土壤全硅含量主要受母質(zhì)組成的影響[27,36]。據(jù)統(tǒng)計,中國東部熱帶、亞熱帶地區(qū)土壤中全硅的含量變化范圍是230.14—668.05 mg/g,其中發(fā)育于花崗巖母質(zhì)的土壤剖面中全硅的含量(> 66%)明顯高于發(fā)育于玄武巖母質(zhì)的土壤剖面中全硅的含量(< 45%)[27,36]。此外,土地利用方式和地域不同也會導致土壤全硅含量的差異。耕地、農(nóng)田經(jīng)常施加硅肥,其土壤的硅含量一般都較高[27,37]。同是耕作性土壤,安徽省的土壤全硅含量(594.50 mg/g)[26]明顯高過夏威夷(280.00mg/g)[38]、海南島(353.89mg/g)[27]的土壤全硅含量。這是由于土壤的脫硅富鋁化作用使熱帶和亞熱帶土壤中的硅酸和鹽基遭受淋失,黏粒和次生礦物不斷形成,鐵鋁氧化物明顯聚積。南方持續(xù)的濕熱天氣使土壤長期處于脫硅富鋁化的過程中,硅酸大量淋失。而北方地區(qū)的降雨量和地面徑流偏少,流域面積也偏小,能較好地保存土壤中可淋溶的那部分硅。一般越靠近赤道的地區(qū),其土壤受氣候和水文條件的影響越強烈,礦物風化淋溶作用較強,粘粒淋溶淀積作用十分明顯。緯度高的地區(qū),即使有充足的水分,土壤中的硅在低溫環(huán)境條件下也很難釋放出來[39]。閩江口濕地位于亞熱帶和南亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)的過渡帶,雨熱同期。一方面,高溫促進了巖石礦物的風化和硅的釋放,而另一方面,規(guī)律性的半日潮、豐富的降水量和地表徑流量加速了硅的流失。另外,閩江河口濕地土壤是偏酸性的濱海鹽土和沙土,透水通氣性能好,利于植物扎根生長,但是對硅酸的吸附能力不強,導致鱔魚灘濕地的土壤全硅含量低于其他地區(qū)(表4)。

表4 不同地區(qū)土壤全硅含量比較

4 結論

(1)閩江河口濕地各植被帶土壤全硅年平均含量大致呈現(xiàn)由陸向海逐漸上升的趨勢,表現(xiàn)為短葉茳芏濕地(197.67 mg/g)<交錯帶濕地(201.21 mg/g)<互花米草濕地(210.33 mg/g),三者之間存在顯著性差異(P<0.01),說明不同類型濕地植被生長對濕地土壤全硅的分布有重要的影響。

(2)閩江河口濕地各植被帶土壤全硅含量整體上有秋冬季高于春夏季的趨勢,不同土層土壤全硅含量和儲量均表現(xiàn)為上部土層(0—30cm)高于下部土層(30—60cm)。

(3)閩江河口濕地土壤全硅含量受有機質(zhì)、含水率和pH的共同影響。濕地土壤全硅含量與有機質(zhì)顯著負相關,與含水率和pH有極顯著正相關關系。研究閩江河口濕地不同植被帶土壤全硅含量的影響因素及其分布特征,可揭示濕地土壤全硅水平在不同類型濕地植被生長影響下的變化過程。