2. 沈阳农业大学水利学院, 110866, 沈阳
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项目名称
- 国家自然科学基金"辽河口翅碱蓬湿地退化及恢复机制研究"(31670711);国家自然科学基金"双台河口湿地生态系统稳定与预警研究"(31670711)
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第一作者简介
- 杨楚烨(1994-), 男, 硕士研究生。主要研究方向:湿地生态修复。E-mail:yangchuye@qq.com
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通信作者简介
- 王立(1963-), 男, 博士, 副教授。主要研究方向:水土保持与荒漠化防治。E-mail:wangli1963@tom.com
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文章历史
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收稿日期:2018-01-05
修回日期:2018-11-26
2. 沈阳农业大学水利学院, 110866, 沈阳
2. College of Water Conservancy, Shenyang Agricultural University, 110866, Shenyang, China
滨海湿地的生物多样性非常丰富且生态服务价值极高,作为该生态系统生产者的植物受土壤及水中盐分组成影响巨大。受全球气候变暖海平面上升和河水补给量下降的共同影响,河口区地下水位下降、海水入侵范围扩展,导致滨海河口湿地土壤盐渍化趋势增强,进而影响湿地系统生物地球化学过程及植被分布[1],海平面上升引起明显的盐水入侵,使沿海区域土壤盐渍化不断加剧[2],增加土壤盐分含量,对滨海湿地生态系统植被组成产生巨大影响[3]。
地处辽松平原南部的辽河口湿地作为辽河的入海口,是我国中高纬度地区重要的河口湿地[4],拥有着丰富多样的动植物群落,在为珍稀动植物提供栖息地和生物多样性保护方面具有非常重要的作用[5];极具区域特色的翅碱蓬群落形成了著名的“红海滩”景观,该湿地是濒危物种丹顶鹤(Grus japonensis)和斑海豹(Phoca largha)繁殖的最南缘,是全球最大的黑嘴鸥(Larus saundersi)繁育基地该物种生长及分布主要受土壤盐分影响,湿地的成土物质主要是由河水携带泥沙沉积而形成,pH值为7.2~7.6,主要建群为芦苇(Phragmites australis)和翅碱蓬(Suaeda heteroptera),气候类型为暖温带大陆性半湿润半干旱季风气候[6]。近年来受海水入侵、天然降水和河流来水量减少影响,辽河口湿地土壤盐分升高趋势日益明显[7]。
翅碱蓬属于黎科盐地碱蓬属,为一年生茎肉质化草本真盐生植物,具有显著的盐摄取和盐富集能力[8],主要生长于海滨、湖边、荒漠等盐碱荒地,有很高的耐盐性,能够降低土壤盐含量,增加土壤有机质含量[9]。有研究表明,翅碱蓬能够有效地降低土壤表层含盐量,增加土壤有机质含量,提高土壤中N、P和K的含量[10], 具有重要的经济和生态价值[11]。经过对辽河口湿地植被分布情况的实地考察,发现辽河口湿地的植物群落分布为从裸滩至翅碱蓬再至芦苇的依次演替分布。
笔者在辽河口湿地翅碱蓬分布区,测定翅碱蓬群落及其与芦苇群落和裸滩交错区土壤易溶性盐基离子组成、含量和土壤pH值,分析不同盐基离子之间及与土壤盐分含量的关系,探讨影响土壤盐渍化的主导因子,以期为深入了解辽河口湿地以及相似湿地翅碱蓬群落分布及其交错区的土壤盐分特征提供参考。
1 研究区概况辽河口湿地(E 122°5′~122°26′, N 40°40′~41°40′)位于辽河下游入海口,该区气候为暖温带季风气候,年平均气温为7.1~8.9 ℃,年降水量为557~682 mm,年蒸发量为1 392~1 705 mm,该区湿地的土壤类型属于滨海盐渍土,水分主要来源于河水的滞留和潮水的补给,该区地势平坦,以冲积平原和潮滩为主[12],主要植物群落为翅碱蓬和芦苇。距海较近的裸滩区域没有植物生长,过渡带为翅碱蓬沼泽和距海较远的区域为内陆芦苇沼泽。
2 材料与方法 2.1 土样采集河口地区春季土壤潜水位较低水分少处于强烈消耗期,土壤积盐表现为表土强烈积盐[13],易与心土与底土盐分形成区别。2018年4月份,在有翅碱蓬分布的湿地由海滩至内陆范围,分别裸滩与翅碱蓬交错区、翅碱蓬群落和翅碱蓬与芦苇交错区3种区域选择样地,因为一般情况下辽河口湿地的翅碱蓬根系长度均在0~30 cm范围内,在每个样地按“三点取样法”采集0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm深度的土壤样品,每个采样点在方圆10 m范围内3次重复取样,共采集81个土壤样品。将样品用自封袋封存后带回实验室自然风干。剔除土壤以外的侵入体(植物残茬、石粒、砖块等杂质),根据土壤盐基离子组成测试要求,研磨并过1 mm筛,于聚乙烯袋中保存使用。
2.2 测定方法取10 g土样与50 mL蒸馏水(水土比2.5:1)混合,经过充分震荡和离心之后,取上层清液过滤后得到的清液进行pH值、土壤盐分及其各组分的测定。pH值采用pHs-25测定:Cl-采用AgNO3滴定法测定;SO42-采用EDTA间接滴定法测定;Ca2+、Mg2+采用EDTA络合滴定法测定;K+和Na+采用火焰光度计法测定;HCO3-采用的双指示剂滴定法;总盐分采取的是离子加和方式进行估算。每个离子重复做3次, 取其平均值。实验数据采用Excel、SPSS20. 0软件进行统计分析。
3 结果与分析 3.1 翅碱蓬群落及其交错区土壤盐基离子含量和pH值特征土壤样品的易溶盐的组成主要是由K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-和SO42-等组成,这些盐离子和盐离子总和及pH值是土壤盐分的重要指标,作为盐分特征分析的重要因子进行研究。为了更直观的反映3个区域下0~30 cm深度的土壤盐分变化特征,对数据做统计分析并绘图比较,详见图 1。通过对土壤各盐离子在不同深度范围内各区域之间的差异比较即图 1的3种取样深度情况下3个区域盐离子含量的直方图可以看出:在0~10 cm的深度范围内,裸滩与翅碱蓬交错区的各离子的含量除HCO3-外远远高于纯翅碱蓬生长区域与翅碱蓬与芦苇交错区,总盐含量比它们分别多了96.3%和89.7%;在10~20 cm的深度范围内,3个区域的盐离子含量差异不显著,总盐含量比纯翅碱蓬生长区域和翅碱蓬与芦苇交错区多出了18.8%和25.8%;而在20~30 cm的深度范围内Mg2+和Ca2+离子含量最低,总盐含量比纯翅碱蓬生长区域少了4.5%,比翅碱蓬与芦苇交错区多出了7.3%。
由表层土壤盐分阴离子HCO3-、SO42-和Cl-含量占总盐离子含量百分比(图 2)可知,Cl-离子为20.7%,大于SO42-和HCO3-;因此可以看作是土壤盐分最主要的阴离子,Cl-在0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm的土壤盐基离子中分别占18.55%、17.3%、23.95%。阳离子中含量最多的为Na+离子,占到了39.4%;因此可以看做是土壤盐分最主要的阳离子,Na+离子在从上到下3层土壤中分别占了43.2%、42.2%、35.8%。裸滩与翅碱蓬交错区的总盐含量从0~30 cm有着较为明显的下降趋势,并且在0~10 cm的土壤盐离子明显高于其他各层,而翅碱蓬与芦苇交错区与纯翅碱蓬生长区域在0~30 cm内盐离子差异不显著。
翅碱蓬群落及其交错区土壤的pH值介于8.52~9.46之间,在0~10、10~20和20~30 cm 3层呈现依次上升趋势,0~10 cm的土壤pH平均值为8.78,10~20 cm的土壤pH平均值为9.05,20~30 cm的土壤pH平均值为9.16。根据土壤酸碱性分类(pH值>8.5为强碱性土)可知,翅碱蓬群落及其交错区的表层土壤总体属于强碱性土。
3.2 翅碱蓬群落及其交错区土壤盐基离子及pH的相关性离子相关性检验是为了研究与土壤总盐分相关性最大的离子,通过对各土壤盐分因子之间的相关性分析,得到因子间的相关系数矩阵(表 1)。由此可知,除HCO3-,总盐分和其他各盐离子均为正相关,在置信水平为0.01水平上为显著相关,相关性最弱的K+,相关性系数也达到了0.780,相关性最强的阴离子为Cl-,相关系数为0.966,与总盐分相关性最强的阳离子为Ca2+,相关系数为0.956,Na+的相关系数也达到了0.912,Cl-、Ca2+、Na+是与总盐相关最密切离子。说明氯盐、钙盐、钠盐在辽河口湿地翅碱蓬群落及其交错区的盐分组成具有重要作用。阴阳离子相关性最强的为Ca2+与Cl-,相关系数达到了0.914,显著正相关,其次为Na+与Cl-,也是显著正相关。由此可知,在翅碱蓬群落及其交错区Ca2+与Cl-、Na+与Cl-相互影响较强,这些离子均为海水冲刷侵蚀而积累。对于pH值相关因子分析,只与HCO3-不显著正相关,与其余离子为显著负相关,可以得出,这些盐离子不是导致该区域碱度的因子。
虽然土壤盐分含量与各盐分离子含量相关性密切,但土壤盐分及各离子含量分布特征的定量性描述较差[14]。为了深入研究翅碱蓬群落的分布受各盐基离子含量的影响程度,选取翅碱蓬群落及其交错区的表层土壤各盐分离子含量,采用主成分分析法,提取特征值大于1的主成分为主导因子,获得翅碱蓬群落及其交错区土壤盐基离子特征值及其方差贡献率和因子载荷(表 2)。由此可以看出第1主成分的特征值为4.849,第2主成分的特征值为1.249。方差贡献率表明主成分携带的原始变量的信息量[15],从表 2可以看出:第1主成分方差贡献率为69.266%,远远大于第2主成分的17.84%,说明第1主成分携带的原始变量的信息量较多;累计贡献率为87.106%,代表着前2个主成分包含了几乎所有盐分离子的主要信息。
分析可知,Na+、Ca2+、SO42-和Cl-在第1主成分上的因子荷载量较大,分别是0.885、0.946、0.869、0.96。该主成分是代表土壤盐分离子组成的,阴离子以SO42-和Cl-为主,阳离子以Na+和Ca2+为主,HCO3-在第2主成分上表现出较高的相关性,因子荷载量为0.917,说明第2主成分是土壤碱性特征的表现,主要影响土壤的碱度。Na+、Ca2+、Cl-和SO42-4种离子在各自主成分内有较高的因子荷载且分别占全部盐基离子的39.6%、8.7%、20.8%、16.1%,之和占全部盐基离子的85%以上,可以将其看做是影响土壤盐分的主要离子类型。
同时由原始变量因子旋转载荷图(图 3)可知,土壤盐分离子变量存在明显的“聚类”分布现象,Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+聚成一簇,位于第1主成分正端,HCO3-单独位于第2主成分正端,同样可以印证上述的分析结果。
为了更好地将原始变量因子与主成分之间的线性关系表现出来,选取第1主成分和第2主成分作为新的变量,建立单个主成分综合得分线性方程,其系数为主成分特征值所对应的特征向量,得到式(1)和式(2)。式中特征向量值越大,说明主成分更多地反映了该盐分离子指标的信息。
将各因子在主成分上的载荷与特征值进行计算,得出第1、2主成分的各因子的系数,详见表 3,由表 3得出主成分的表达式为:
$ {{F}_{1}}=0.211{{x}_{1}}+0.114{{x}_{2}}+0.247{{x}_{3}}+0.168{{x}_{4}}+\text{ }0.193{{x}_{5}}+ \\0.138{{x}_{6}}+0.\text{ }177{{x}_{7}}; $ | (1) |
$ {{F}_{2}}=-0.057{{x}_{1}}+0.205{{x}_{2}}-0.132{{x}_{3}}-\text{ }0.258{{x}_{4}}~+0.047{{x}_{5}}+ \\0.314{{x}_{6}}-0.715{{x}_{7}}。$ | (2) |
进一步综合F1和F2可以得到翅碱蓬群落及其交错区盐分离子指标综合得分模型,见式(3),该式的系数即为第1主成分F1和第2主成分F2各自所对应的方差贡献率与累积贡献率之比。
$ ~Y=0.795{{F}_{1}}+0.205{{F}_{2}}=0.156{{x}_{1}}+0.133{{x}_{2}}+\text{ }0.169{{x}_{3}}+0.080{{x}_{4}}+ \\0.163{{x}_{5}}+0.174{{x}_{6}}-0.\text{ }006{{x}_{7}}。$ | (3) |
其中:系数分别为主成分因子及各盐分离子指标在综合得分中的权重,系数越大,说明各指标在综合得分占据的重要性(权重)越大。进一步由该式可以计算出所有土样点的综合得分,分值范围为1.02~3.24之间,可为辽河口湿地翅碱蓬群落及其交错区的土壤盐分空间分布的综合分析与评价提供理论参考。
4 结论和讨论以上结果表明:研究区辽河口湿地主要以强碱性土为主,翅碱蓬与裸滩交错区的总盐含量在0~10 cm的深度范围内明显高于纯翅碱蓬生长区域和翅碱蓬与芦苇交错区。翅碱蓬与裸滩交错区的总盐含量在10~30 cm的深度范围略高于纯翅碱蓬生长区域和翅碱蓬与芦苇交错区,差异不显著,这印证了春季土壤表层强烈积盐的观念。翅碱蓬群落及其交错区的土壤总盐含量在0~10 cm与10~30 cm上差异显著,土壤盐分阴离子在0~30 cm的深度范围内均以Cl-为主,阳离子均以Na+离子为主,符合滨海盐渍土是以氯盐为主的观点。
相关性分析表明,总盐分和各盐基离子均为正相关,与总盐分相关性最强的阴离子为Cl-,相关性最强的阳离子为Ca2+和Na+,说明在辽河口湿地翅碱蓬群落及其交错区的盐分组成中,钙盐、钠盐具有主导因素。土壤中pH值和HCO3-为不显著正相关,与其他盐基离子为负相关,芦苇翅与碱蓬交错区与纯翅碱蓬生长区域的pH值要更高于裸滩与翅碱蓬交错区,并且随着土层的深入,pH值普遍上升。
主成分分析表明,Na+、K+为翅碱蓬群落及其交错区盐分特征的主导阳离子,Cl-、SO42-为翅碱蓬群落及其交错区盐分特征的主导阴离子,Na+、Ca2+、Cl-、SO42- 4种离子在各自主成分内有较高的因子荷载且之和占全部盐基离子的85%以上,可以将其看作是影响土壤盐分的主要离子类型。在第1主成分上,Na+、Ca2+、Cl-、SO42-这4种离子均为正向载荷,是影响翅碱蓬群落及其交错区土壤盐分特征的主导因子,在一定程度上影响土壤盐化特性;HCO3-是第2主成分的主要离子,第2主成分是土壤碱性特征的表现,主要影响土壤的碱度。通过计算得出的翅碱蓬群落及其交错区盐分离子指标综合得分模型可以快速计算出土样点的综合得分从而较准确地对翅碱蓬群落及其交错区的土壤盐度进行评价。
综上所述,可以得到辽河口湿地的翅碱蓬分布及其交错区中,翅碱蓬与裸滩交错区的总盐含量在0~10 cm的深度范围内达到了18.46 cmol/kg,明显高于纯翅碱蓬生长区域和翅碱蓬与芦苇交错区。可以将其视作为辽河口湿地翅碱蓬盐度生长上限阈值,纯翅碱蓬生长区域和翅碱蓬与芦苇交错区的平均含盐量为9.54 cmol/kg,可以视作辽河口湿地翅碱蓬盐度生长下限阈值,低于这个盐度的区域翅碱蓬被芦苇取代。
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