詹瀘成,馬芬艷,陳建生,辛 沛

(1. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098；2. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098；3. 河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

鹽沼作為濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分,具有耗散潮波能量、過濾污染物、提供物種棲息地、維持生物多樣性等重要功能[1]。然而由于氣候環(huán)境的變化和人類活動(dòng)的加劇,濕地植被的生境發(fā)生改變,植被種群的動(dòng)態(tài)平衡被打破,全球鹽沼濕地受到多種因素的共同影響,出現(xiàn)明顯的衰退現(xiàn)象[2]。受泥沙條件、圍墾活動(dòng)、物種入侵等因素的綜合影響,近年來中國鹽沼濕地的穩(wěn)定性正受到嚴(yán)重威脅[3-4]。雖然灘涂圍墾能夠有效緩解土地需求問題,但也改變了濱海地區(qū)原有的水動(dòng)力條件。已有的研究表明,水動(dòng)力過程是鹽沼演變的重要影響因素[5-6],圍墾活動(dòng)打破了原有的濕地生態(tài)格局,引起了濕地植被在新環(huán)境下的一系列發(fā)展趨勢[7-8]。此外,入侵物種互花米草憑借其較強(qiáng)的適應(yīng)性,在圍墾地區(qū)的生境下仍具有突出的擴(kuò)張優(yōu)勢,占據(jù)了堿蓬等其他濕地植被的生長區(qū)間,從而導(dǎo)致候鳥棲息地迅速縮減[4,9]。濱海濕地鹽沼植被的生長受到土壤水鹽、通氣條件、有機(jī)質(zhì)含量、種群競爭等因素的共同影響[10-12]。受這些因素的影響,在自然潮汐淹沒條件下,濱海鹽沼植被常常呈現(xiàn)出條帶狀的分布格局[13-15]。然而,目前對于圍墾后的植物自適應(yīng)發(fā)展機(jī)制仍然缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。

鹽城黃海濕地位于江蘇沿海,是中國最重要的鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)之一,于2019年被列入世界自然遺產(chǎn)名錄。江蘇沿海也擁有中國最大規(guī)模的圍墾活動(dòng),約占中國沿海圍墾總面積的17%[16]。在圍墾活動(dòng)和物種入侵的共同影響下,江蘇沿海不同濕地植物種群之間的協(xié)調(diào)關(guān)系正發(fā)生劇烈變化,候鳥生境面臨著嚴(yán)重威脅[9]。圍墾活動(dòng)造成水動(dòng)力條件缺失,降水和蒸發(fā)引起地表土壤水鹽條件變化,影響鹽沼植被的分布格局。筆者在鹽城東臺(tái)條子泥圍墾區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)不同植被呈圓環(huán)狀分布的格局,這與圍墾區(qū)的水鹽條件存在怎樣的聯(lián)系，這些問題對于濱海濕地的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

本文通過對條子泥圍墾區(qū)內(nèi)用作自然濕地恢復(fù)的區(qū)域進(jìn)行調(diào)查采樣,結(jié)合地球物理方法和同位素水文學(xué)方法,揭示該地區(qū)的水鹽分布規(guī)律,闡述環(huán)狀植被分布與水鹽特征的關(guān)系,研究結(jié)果將有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)圍墾區(qū)濕地植被的自適應(yīng)機(jī)制,為濕地生態(tài)修復(fù)工作提供參考。

1 研究區(qū)域概況

江蘇鹽城東臺(tái)市的沿海地區(qū)具有較快的泥沙淤積速度,這一特點(diǎn)為該地區(qū)灘涂圍墾工程的實(shí)施提供了基礎(chǔ)[17-18]。條子泥圍墾工程(32°42′N—32°53′N,120°53′E—120°58′E)位于東臺(tái)市弶港鎮(zhèn)東部(圖1),計(jì)劃匡圍面積約2.67萬hm2,其中一期工程匡圍面積約7 000 hm2,已于2013年完成。根據(jù)規(guī)劃,條子泥圍墾工程中約有20%用于生態(tài)修復(fù)建設(shè),本研究涉及的圍墾區(qū)塊(32°50′45″N—32°51′8″N,120°56′25″E—120°58′14″E)位于一期工程北部,是圍墾工程中濕地生態(tài)功能建設(shè)的重要組成部分。

條子泥濕地位于黃海濕地生態(tài)區(qū)南部,是黃(渤)海候鳥棲息地的重要組成部分?；セ撞荨A蓬、蘆葦是該地區(qū)最廣泛的鹽沼植被,圍墾活動(dòng)對該地區(qū)植被分布影響顯著,不少高潮灘區(qū)域的鹽沼植被已經(jīng)基本圍墾殆盡,不少岸段圍墾活動(dòng)已擴(kuò)展至互花米草生長區(qū)[4]。盡管如此,互花米草仍然能夠在圍墾區(qū)的堤內(nèi)外附近迅速擴(kuò)張,對新的生存環(huán)境顯示出優(yōu)越的適應(yīng)能力[19]?，F(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn),在條子泥圍墾區(qū)內(nèi)存在一種特殊的圓環(huán)狀分布現(xiàn)象,圓環(huán)不同半徑處生長著不同種類的植被(如圖1(b))。這些植被環(huán)直徑在3～16 m之間,不同規(guī)模的圓環(huán)對應(yīng)的優(yōu)勢植被種類也不同,其中規(guī)模較大的圓環(huán)由外向里依次分布有堿蓬、互花米草、蘆葦,以及一些低耐鹽植被(如白茅等)。

研究區(qū)受海洋性季風(fēng)的影響,年平均降雨量約1 061.2 mm,蒸發(fā)量約882.8 mm,相對濕度81%,平均氣溫15.0 ℃。該區(qū)域?qū)儆陂L江三角洲北部平原水文地質(zhì)區(qū),長江、古黃河、淮河攜帶的大量泥沙在此沉積形成巨厚的松散堆積物。地下水主要以松散巖孔隙水的形式存在,潛水含水層厚度20～35 m,地下水位埋深約1 m,表層5 m以上主要由輕粉質(zhì)砂壤土構(gòu)成(垂直滲透系數(shù)小于5×10-6m/s),下部以粉砂土為主(滲透系數(shù)約6×10-6m/s)(圖1(c))。潛水含水層下部被黏土層分割為不同的承壓含水層,承壓層主要由滲透性較好的粉砂、細(xì)砂、粗砂構(gòu)成。

2 研究方法

2.1 大地電阻率測量

如圖1,植被環(huán)主要分布于研究圍墾區(qū)塊的中間偏南部區(qū)域,數(shù)量眾多,并且在西南—東北走向上存在明顯的延伸。2019年9月25—27日,利用高密度電法儀(共64個(gè)電極)在研究區(qū)植被環(huán)密集區(qū)進(jìn)行大地電阻率測量(ERT,Electrical Resistivity Tomography)。地層電阻率主要受到含水率、離子濃度和土壤孔隙度的影響[20],研究區(qū)地下水位埋深較淺且地層性質(zhì)變化不大,地層電阻率成像結(jié)果雖然無法直接表征地下水鹽度水平,但能夠間接反映出地層的鹽分分布規(guī)律[20-21]。為了從不同空間尺度上探明植被環(huán)下方的電阻率分布情況,在植被環(huán)延伸方向上布設(shè)了A-A′、B-B′、C-C′ 3條二維斷面(如圖1(a)),斷面布設(shè)以盡可能多地穿過植被環(huán)為原則。A-A′斷面沿西南—東北方向,電極間距設(shè)置為10 m,總長為630 m,測量深度約120 m。B-B′斷面位于A-A′斷面的105～168 m(A對應(yīng)0 m),穿過3個(gè)植被環(huán),電極間距為1 m,總長63 m,測深約12 m。C-C′斷面為南北走向,位于B-B′斷面的39 m處(B對應(yīng)0 m),與B-B′斷面相交,覆蓋2個(gè)植被環(huán)(①和②,其中②為區(qū)域內(nèi)最大的植被環(huán)),電極間距設(shè)置為1 m,總長63 m,測深約12 m。此外,針對C-C′斷面上的2個(gè)植被環(huán)區(qū)域進(jìn)行了三維測量,電極布設(shè)方式如圖1(b)所示,X方向電極數(shù)8個(gè),極距為2.5 m,Y方向電極數(shù)8個(gè),極距為5 m,測量范圍為水平17.5 m×35 m,垂直約8.6 m。電阻率測量所采用的儀器為美國AGI 公司生產(chǎn)的SuperSting R8/IP 多通道高密度電法儀,測量結(jié)果采用EarthImager軟件進(jìn)行反演。為了使測量的信噪比更高,電極排列方式均采用溫納排列[22]。為了確保結(jié)果的可靠性,每次測量前儀器需首先通過接收機(jī)精度測試和接地電阻測試。

2.2 樣品采集及分析

為了在ERT測量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究圍墾區(qū)土壤水鹽特征與植被分布格局的關(guān)系,進(jìn)行了相關(guān)樣品的采集和分析(圖1)。為了獲取植被環(huán)下方淺部地層的含水率、鹽度實(shí)際情況,結(jié)合ERT的測量反演結(jié)果,選擇在植被環(huán)中心軸線(三維斷面x=7.5 m),利用土鉆在位于x=7.5 m的8個(gè)電極處分別采集了非飽和帶土壤剖面樣品,每隔20 cm取樣,剖面深度均為80 cm(地下水埋深約1 m)。同時(shí)利用Push Point孔隙水取樣器[23]在上述位置抽取1.5 m深度處的淺層地下水(4、13、52號(hào)電極處由于顆粒過細(xì)堵塞裝置未成功抽取水樣),共計(jì)5個(gè)。根據(jù)不同植被類型,將植被環(huán)由內(nèi)向外依次分為Ⅰ(白茅等)、Ⅱ(蘆葦)、Ⅲ(互花米草)、Ⅳ(堿蓬)4個(gè)區(qū)域,分別對各類植被的根圍區(qū)土壤(20 cm以上)進(jìn)行隨機(jī)采集,同一類樣品至少4組平行樣品,共計(jì)21個(gè)。對圍墾區(qū)內(nèi)的地表積水進(jìn)行了采集,包括南部的2個(gè)較大的池塘和東南部的低洼處積水,共計(jì)4個(gè)。此外,在圍墾區(qū)附近的弶港鎮(zhèn)對2019年全年的降水進(jìn)行了采集(共57個(gè)降水樣品)。

所有樣品均送至河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理和分析。采用水質(zhì)測量儀(YSI ProPlus)測量地表水和淺層地下水的鹽度(精度為讀數(shù)的±1%)。采用烘干法(105 ℃,48 h)測量土壤質(zhì)量含水率,并采用泡土法測量并換算土壤孔隙水鹽度[19]。采用真空蒸餾法[24]提取土壤樣品中的水分用于同位素分析。對地表/地下水、土壤水、大氣降水進(jìn)行氘(D)氧(18O)穩(wěn)定同位素分析,所使用的儀器為MAT-253同位素質(zhì)譜儀。D、18O的分析方法分別為高溫裂解法和水平衡法,結(jié)果采用VSMOW標(biāo)準(zhǔn)并表示為δ值,δD和δ18O的分析精度分別為±1‰和±0.1‰。根據(jù)2019年全年的降水同位素?cái)?shù)據(jù)擬合當(dāng)?shù)亟邓€(LMWL),通過對比不同樣品δD—δ18O關(guān)系點(diǎn)與LMWL的相對位置,判斷水體來源及混合、蒸發(fā)過程。另外計(jì)算了對應(yīng)樣品的lc-excess值[25],用于表征樣品同位素組成偏離LMWL的程度,以反映其受蒸發(fā)程度。利用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(ANOVA),判斷不同植物組別對應(yīng)數(shù)據(jù)的均值是否存在顯著性差異(p<0.05)。

3 結(jié)果和討論

3.1 圍墾區(qū)植被環(huán)下部電阻率變化特征

A-A′斷面從較大的空間尺度上顯示了圍墾區(qū)下部的含水層電阻率(鹽度)分布情況(圖2(a))。從垂直方向上看(圖2(b)),電阻率從淺層到深層顯示出明顯的變化:10 m深度以上電阻率相對較高(平均值2.1 Ω·m),10～30 m深度存在明顯的低電阻率區(qū)域,在20 m深度左右最低(平均值0.7 Ω·m),由20 m以下電阻率逐漸增大,在90 m深度左右出現(xiàn)電阻率最高值(平均值5.8 Ω·m)。在5 m深度以上的淺層區(qū)域,電阻率存在較大的水平變化,而越往深處電阻率在水平方向上的變化越小。由此可見,圍墾區(qū)不同深度處含水層的鹽度存在明顯差異。整體上10 m以內(nèi)的地下水鹽度相對較低,這是由于受到降雨入滲影響,并且這種影響在空間上不均勻,特別是在5 m以上的區(qū)域。30 m左右深度以上屬于潛水層(圖1(c)),10～30 m左右深度范圍內(nèi)的含水層鹽度最高,這與圍墾之前地層受到高鹽度海水的淹沒有關(guān)。更深處的含水層鹽度逐漸降低,并在30～60 m之間存在較高的變化梯度,結(jié)合水文地質(zhì)剖面資料分析(圖1(c)),該深度對應(yīng)于潛水層下部的弱透水層(粉質(zhì)黏土層),下部的承壓水鹽度較潛水層明顯降低。

測量尺度較小的B-B′(圖2(c))和C-C′斷面(圖2(e))從2個(gè)方向上顯示了植被圓環(huán)下方的電阻率變化情況,體現(xiàn)出了類似的特征:① 近地表存在明顯的局部高電阻率區(qū)域,如B-B′斷面上3 m深度以上的電阻率平均值(圖2(d))可高于3 Ω·m,而C-C′斷面局部位置電阻率超過了7 Ω·m(圖2(f))；② 高阻和低阻區(qū)域呈現(xiàn)水平方向間隔分布,之間存在明顯的過渡區(qū)域；③ 高阻區(qū)塊的下方對應(yīng)存在局部的電阻率極小區(qū)域,二者之間電阻率垂直變化梯度較大,如C-C′斷面的水平24 m位置,電阻率從大于7 Ω·m迅速降低至約1 Ω·m(圖2(f))；④ 高阻區(qū)域位置與地表的植被環(huán)相對應(yīng),植被環(huán)越大,對應(yīng)的高電阻率區(qū)塊越大,且電阻率相對越高。

從三維電阻率結(jié)果(圖2(g)和圖2(h))可以更加清楚地看到,地表存在2處高電阻率區(qū)域,分別對應(yīng)于地表植被環(huán)①和②。高阻區(qū)域的電阻率等值面呈現(xiàn)出不同大小嵌套的“碗狀”,電阻率碗口中心處最高,越往外環(huán)電阻率越低,表明土壤鹽度從植被環(huán)中心向四周逐漸增大。高阻區(qū)下部存在對應(yīng)的低阻塊,二者分界較為清晰,暗示上部的低鹽度水較難與下部的高鹽度地下水發(fā)生混合。這一現(xiàn)象可能與不同鹽度地下水的密度差異有關(guān),低鹽度水由于密度較小,更容易“漂浮”在高鹽度水上方。

3.2 植被種群與土壤水鹽的對應(yīng)關(guān)系

圖3顯示了植被環(huán)①和②下方80 cm深度范圍內(nèi)的土壤質(zhì)量含水率(后文簡稱含水率)、土壤水鹽度、δ18O以及l(fā)c-excess的分析結(jié)果及其空間變化。

土壤含水率變化范圍23.2%～56.5%。雖然土樣均取自地下水位以上,但取樣時(shí)發(fā)現(xiàn)在一些位置存在明顯的土壤飽和現(xiàn)象(例如土壤剖面S6的深度50 cm處含水率達(dá)56.5%,S7的深度30 cm處含水率36.4%),但隨著取樣深度增加含水率又降低。采樣區(qū)間內(nèi)土壤性質(zhì)沒有明顯變化,含水率的這一垂向變化特征對應(yīng)了上部水體的下滲過程,高含水率位于下滲鋒面附近。S6剖面具有最高的土壤含水率,該剖面位于發(fā)育程度更高的植被環(huán)②的中心處,對應(yīng)于植被類型Ⅰ,表明植被環(huán)中心土壤持有更多的水量。這一現(xiàn)象在規(guī)模較小的植被環(huán)①不明顯。

土壤水鹽度變化范圍為1.5～92.2,從地表向下逐漸降低(圖3(c))。在水平方向上,土壤水鹽度呈現(xiàn)出從植被環(huán)中心向兩邊增大的趨勢。土壤水鹽度與地表植被分布存在一定的對應(yīng)關(guān)系:植被環(huán)中心的植被類型Ⅰ下方土壤水鹽度較低,例如S2剖面和S6剖面的鹽度變化范圍分別為6.3～19.7和1.5～9.8；以堿蓬為主的區(qū)域Ⅳ整體鹽度較高,例如S4剖面和S8剖面的土壤鹽度分別為28.2～81.3和27.9～92.2。發(fā)育程度更高的植被環(huán)②下方土壤水鹽度整體低于植被環(huán)①。

不同植被對應(yīng)的根圍區(qū)土壤的水鹽和同位素分析結(jié)果如圖4所示。根圍區(qū)土壤受到入滲、植被耗水和蒸發(fā)作用的共同影響,不同位置處的土壤水含水率差異較大。盡管植被類型Ⅱ?qū)?yīng)的土壤含水率平均值相對較高(圖4(a)),但方差分析結(jié)果顯示4種植被對應(yīng)的含水率不存在顯著性差異(p>0.05)。然而,根圍區(qū)土壤水鹽度從植被類型Ⅰ到Ⅳ呈現(xiàn)出明顯的逐漸增大趨勢(Ⅰ:11.1±1.4,Ⅱ:20.4±2.0,Ⅲ:46.6±7.6,Ⅳ:57.1±10.2),并且Ⅲ(互花米草)和Ⅳ(堿蓬)的根圍區(qū)土壤水鹽度與Ⅰ(白茅等)和Ⅱ(蘆葦)存在顯著性差異(p<0.05)。Ⅲ和Ⅳ的土壤水鹽度值及其變化范圍明顯大于Ⅰ和Ⅱ,表明互花米草和堿蓬能夠適應(yīng)更高的土壤鹽度。

圖3 植被環(huán)下方土壤水鹽及同位素分布Fig.3Distribution of soil water content,salinity and isotopic composition beneath the plant circles

3.3 土壤水鹽來源

如圖5,根據(jù)2019年降水同位素?cái)?shù)據(jù),擬合得到了當(dāng)?shù)亟邓€LMWL:δD=6.7δ18O+6.5(R2=0.87)。降水線斜率和截距均小于全球雨水線δD=8δ18O+10,表明降水受到較明顯的不平衡二次蒸發(fā)影響,與董小芳等[26]在上海沿海地區(qū)的研究結(jié)果類似。圍墾區(qū)內(nèi)地表水重同位素較為富集(平均值δD=(-20.7±1.8)‰,δ18O=(0.60±0.79)‰),偏離LMWL明顯(lc-excess值為(-31.0±3.6)‰),表明地表水受到明顯的蒸發(fā)作用影響。依據(jù)地表水建立了當(dāng)?shù)卣舭l(fā)線EL:δD = 2.2δ18O -22.0 (R2= 0.94),其低斜率反映了圍墾區(qū)強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用。圖5顯示了7—9月(降水量占全年32%)的降水同位素組成,以及全年的降水同位素加權(quán)平均值(δD=-35.4‰,δ18O=-6.08‰)。與大多數(shù)季風(fēng)區(qū)類似,研究區(qū)降水同位素具有夏季貧化、冬季富集的特點(diǎn)[27]。1.5 m深度處的淺層地下水具有較為富集的重同位素(δD=(-15.2±1.5)‰,δ18O=(-0.66±0.81)‰)和較高的鹽度(26.4±0.8),體現(xiàn)出一定的海水同位素特征[28],表明含水層中保留了圍墾之前的海水成分,這一解釋也符合ERT的測量結(jié)果。

圖4 不同植被對應(yīng)的根圍土壤水鹽及同位素特征Fig.4Water content,salinity and isotopic composition of rhizosphere soil for different plant groups

圖5 圍墾區(qū)不同水體同位素δD—δ18O關(guān)系Fig.5Relationship between δD and δ18O for all water types in the reclamation area

土壤剖面的同位素組成顯示出較大的變化范圍(δD:-57.6‰～-19.4‰；δ18O:-8.12‰～-1.34‰),從圖3(d)看到,土壤水δ18O值呈現(xiàn)出從植被環(huán)中心向兩邊逐漸增大的趨勢,與地表植被分布也存在對應(yīng)關(guān)系:植被類型Ⅰ下方土壤水同位素相對偏負(fù),例如S2剖面和S6剖面的δ18O變化范圍分別為-6.40‰～-4.88‰和-8.12‰～-4.51‰；而植被類型Ⅳ下方土壤水同位素相對偏正,例如S4剖面和S8剖面的δ18O變化范圍分別為-2.34‰～-1.88‰和-2.42‰～-1.34‰。從圖5可以看到,非飽和土壤水整體上位于當(dāng)?shù)亟邓€下方,表明土壤水整體上受到一定程度的蒸發(fā)作用。此外,土壤水分散在夏季降水和淺層地下水之間,利用二者均值建立了混合線ML (δD = 5.5δ18O -11.6),發(fā)現(xiàn)土壤水主要分布混合線附近,這說明地下水位以上的土壤水主要是大氣降水入滲后和土壤中的高鹽度水混合的結(jié)果。需要說明的是,從ERT結(jié)果上看,所抽取的1.5 m深度的地下水不能完全代表高鹽度的淺層地下水。部分土壤水集中在降水的全年加權(quán)平均值附近,暗示著土壤水中可能混合保留了長期的降水成分。

不同植被的根圍區(qū)土壤同位素存在差異,對應(yīng)植被類型Ⅰ至Ⅳ土壤水δ18O值呈明顯增大趨勢(圖4(c))。根圍區(qū)土壤水在δD—δ18O關(guān)系圖上有較大的分布范圍,其中植被類型Ⅰ對應(yīng)的根圍土壤水的重同位素最為貧化,且更加接近LMWL,表明植被環(huán)中心的植被所利用的水分包含更多的降水成分,這一點(diǎn)與其低鹽度的特點(diǎn)吻合。植被類型Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ根圍區(qū)土壤水偏離LMWL明顯,甚至在不同程度上偏離了混合線ML(圖5),表明受到明顯的蒸發(fā)作用。

綜上,土壤水同位素的變化一方面可能來自于水源成分不同的影響,植被環(huán)中心區(qū)域較低的δ值來自于更大的降水混合比。另一方面,根圍區(qū)土壤較淺,受蒸發(fā)作用影響顯著。表征蒸發(fā)作用強(qiáng)弱的lc-excess值在地表附近較低,且呈植被環(huán)中心向外逐漸降低的趨勢(圖4(d)),由此判斷出根圍區(qū)土壤水自植被環(huán)中心向外受到的蒸發(fā)程度逐漸增加,在以堿蓬為主的外環(huán)區(qū)域最為明顯。

3.4 圍墾區(qū)水鹽特征與植被分布的關(guān)系討論

在世界上的一些干旱地區(qū)存在斑塊狀的植被分布格局,研究結(jié)果顯示土壤水分的空間分配對植被斑塊有重要影響[29-30]。根據(jù)條子泥圍墾區(qū)的ERT和土壤水鹽測試結(jié)果,不同植被根圍區(qū)土壤含水率沒有明顯差異,但是不同植被呈現(xiàn)圓環(huán)狀分布與淺層土壤的鹽分存在密切聯(lián)系。此外,植被圓環(huán)的規(guī)模與土壤的低鹽度程度和范圍存在一定的關(guān)聯(lián)。由此可見,土壤水鹽分的差異是影響不同種群形成植被環(huán)的重要因素,這與前人在國內(nèi)外其他濱海地區(qū)發(fā)現(xiàn)鹽度是植被分布的主要影響因子相一致[8,31-32]。蘆葦、互花米草、堿蓬是黃海濕地的主要優(yōu)勢種群,研究發(fā)現(xiàn)土壤鹽度決定了這些鹽沼濕地植物的分布格局[8]。不同植物有著不同的耐鹽能力,李偉[11]對長江口鹽沼濕地的3種典型植物(蘆葦、海三棱藨草、互花米草)的研究表明,互花米草的耐鹽閾值約44,而蘆葦耐鹽閾值僅為13。然而,堿蓬的耐鹽閾值可以達(dá)到互花米草的3倍左右[12]。條子泥圍墾區(qū)植被圓環(huán)的不同植物群落對應(yīng)的根圍區(qū)土壤水鹽度呈現(xiàn)出明顯的差異。隨著土壤水鹽度自圓心向外逐漸增加,地表植被類型從白茅等低耐鹽植被逐漸向外環(huán)過渡為蘆葦,以及互花米草、堿蓬等高耐鹽鹽沼植被。

利用環(huán)境同位素的指示作用,非飽和區(qū)土壤水鹽度一方面受到降水入滲的影響。研究區(qū)在圍墾之前受到海水潮汐淹沒,淺層地下水和上部的非飽和土壤水保留了大量海水成分,具有較高的鹽度。在一些干旱區(qū),人們發(fā)現(xiàn)降雨徑流在微地形和地表土壤性質(zhì)的控制下,形成了不均勻的水分空間分布,水分聚集之處因含水率高而更容易形成植被斑塊,稱之為“水文島效應(yīng)”[30]。與此類似,圍墾區(qū)域地勢平坦,土壤滲透性較差,降水到達(dá)地表后在微地形的控制下不斷向地勢相對較低的區(qū)域匯集,并逐漸與土壤中的高鹽度水分發(fā)生混合。在這一過程下,形成了地表局部的相對低鹽度區(qū)域,這一區(qū)域有利于一些耐鹽植物的優(yōu)先生長和發(fā)展。反過來,植物對降雨的截留作用和根系造成的大孔隙有助于降雨入滲,進(jìn)一步促進(jìn)了植被區(qū)域土壤水的淡化,這一點(diǎn)可以用來解釋在植被環(huán)中心區(qū)域下方存在土壤水含水率極大值的現(xiàn)象。在這樣的反饋機(jī)制下,植物群落不斷自適應(yīng)擴(kuò)張,加上物種之間的競爭,中心區(qū)域被低耐鹽的植被所占據(jù),形成由內(nèi)向外的植被類型的變化。由于淡水與咸水的密度差異,上部淡水難以進(jìn)一步向深處入滲,而是以“碗狀”“漂浮”在了近地面區(qū)域,在較高的地下水鹽度背景下形成了“淡水島”,為地表不同濕地植被的持續(xù)發(fā)育創(chuàng)造了條件。

根圍區(qū)土壤水同位素揭示,蒸發(fā)造成的鹽分集結(jié)是影響地表土壤水鹽度變化的另一個(gè)重要因素。根圍區(qū)土壤水鹽度局部達(dá)到了92,超過了海水的平均鹽度35,顯然是受到了蒸發(fā)鹽分集結(jié)的影響。隨著土壤中水分的蒸發(fā),圍墾區(qū)含鹽量較高的地下水以毛管水向上運(yùn)移,不斷向表層土壤補(bǔ)給,導(dǎo)致表層土壤鹽分不斷集結(jié)[33]。雖然蒸發(fā)作用的影響主要發(fā)生在淺部區(qū)域,但會(huì)直接影響表層的土壤水鹽度,從而影響植物的生存生長。此外,同位素揭示出根圍區(qū)土壤水的蒸發(fā)程度從植被環(huán)中心到四周有逐漸增大的趨勢,暗示著植物的存在也會(huì)影響地表蒸發(fā)的格局?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)植被環(huán)中心區(qū)域植被覆蓋度更高,地表蒸發(fā)和鹽分集結(jié)作用弱,而外環(huán)區(qū)域植被較稀疏,蒸發(fā)和鹽分集結(jié)作用更強(qiáng)。植物環(huán)對蒸發(fā)格局的影響進(jìn)一步影響了地表土壤水的鹽度分布。

綜上,根據(jù)本研究結(jié)果,土壤水鹽分的差異是影響地表植被種群分布的重要因素,而土壤鹽度和植被分布之間存在互反饋機(jī)制,降雨入滲對土壤水的淡化作用以及近地表不同程度的蒸發(fā)作用共同造就了地表的圓環(huán)狀鹽度變化格局,直接影響了地表植被種群的分布格局,而地表植被的分布也會(huì)反過來影響降雨入滲和蒸發(fā)過程,進(jìn)一步促進(jìn)了地表土壤水鹽度的空間差異化。

需要說明的是,本研究所揭示的植被區(qū)土壤鹽度分布特征除了受到降水、蒸發(fā)的影響外,可能還與植被自身生物過程對土壤鹽度的改良作用有關(guān)。有研究表明,耐鹽植物的根系吸水和根際的生物化學(xué)反應(yīng)會(huì)在一定程度上改變根圍區(qū)的土壤鹽度[34]。例如,隨著互花米草等濱海植物的生長,根圍土壤中的Na+、Cl-濃度呈現(xiàn)出下降趨勢[35-36],特別是在受潮汐影響較小的區(qū)域[37]，這一影響在本研究方案設(shè)計(jì)中暫未考慮。此外,由于研究區(qū)淺層的土壤含水率和鹽度在時(shí)間上存在動(dòng)態(tài)變化[22],本研究基于單次測量和采樣的結(jié)果不能代表長期情況。盡管如此,由于野外工作開展于旱季,氣象數(shù)據(jù)顯示測量和采樣前15 d內(nèi)降水量僅約1.9 mm,且前3 d內(nèi)無明顯降水過程,因此可以忽略偶然降水事件對土壤水鹽空間分布的影響。研究區(qū)植被擴(kuò)張存在明顯的季節(jié)性變化[19],這可能與季節(jié)性的土壤水鹽變化有關(guān)。另外,微地形作用下的降雨匯聚可能是植被分布格局形成的關(guān)鍵,但在本文中未作針對性測量和深入分析。因此,為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)圍墾區(qū)地表植被和土壤水鹽的長期作用關(guān)系,今后的研究需要進(jìn)一步結(jié)合考慮生物脫鹽、季節(jié)性變化、地形等因素的共同影響。

本研究對應(yīng)的圍墾區(qū)塊主要用于濕地生態(tài)功能建設(shè),目前在自然降水的影響下逐漸形成了本文所述的圓環(huán)狀植被分布。降水的混合脫鹽作用和蒸發(fā)的集結(jié)鹽分效應(yīng)是控制土壤鹽度的2個(gè)對立因素,然而降水的脫鹽過程極為緩慢,植被在各自所能承受的鹽度閾值附近生長,隨著時(shí)間的推移,圍墾狀態(tài)不利于濕地植被的健康發(fā)展。根據(jù)本文的結(jié)果,鹽分是該區(qū)域濕地植被分布格局的主要影響因素,因此,為了修復(fù)圍墾區(qū)的濕地生態(tài)功能,建議采取措施進(jìn)行土壤水鹽度的科學(xué)控制,例如開辟潮汐作用通道帶走地面集結(jié)鹽分,既要有效降低土壤的高鹽度,又不可破壞土壤鹽度的空間差異。

4 結(jié) 論

2019年9月在江蘇東臺(tái)條子泥圍墾區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場測量和采樣，揭示圍墾區(qū)水鹽特征與植被分布的關(guān)系，得到以下主要結(jié)論：

(1) 條子泥圍墾區(qū)內(nèi)植被圓環(huán)區(qū)域的電阻率測量結(jié)果顯示,植被環(huán)下方存在高電阻率區(qū)塊,且植被環(huán)越大,對應(yīng)的高電阻率區(qū)塊越大,電阻率越高。

(2) 根據(jù)土壤剖面樣品的水鹽測試,植物圓環(huán)狀的分布格局對應(yīng)于土壤水鹽度的空間變化:隨著土壤水鹽度自圓環(huán)中心向四周逐漸增大,地表植被從白茅等低耐鹽物種逐漸向外環(huán)過渡為蘆葦,以及互花米草、堿蓬等高耐鹽物種。

(3) D、18O環(huán)境同位素進(jìn)一步揭示,大氣降水入滲及其與高鹽度水的混合作用,以及近地表不同程度的蒸發(fā)作用,是影響圍墾區(qū)淺層土壤水鹽度空間分布的主要因素。

(4) 土壤鹽度和植被分布之間存在互反饋機(jī)制,土壤鹽度直接影響了地表植被種群的分布格局,而地表植被的存在也會(huì)通過影響入滲和蒸發(fā)過程而反過來影響土壤鹽度及其空間變化。