鹽度對濕地枯落物分解過程中碳氮磷化學計量比的影響

王維奇,王 純,劉白貴 (福建師范大學地理研究所,亞熱帶濕地研究中心,福建 福州 350007)

鹽度對濕地枯落物分解過程中碳氮磷化學計量比的影響

王維奇*,王 純,劉白貴 (福建師范大學地理研究所,亞熱帶濕地研究中心,福建 福州 350007)

為了闡明鹽度對枯落物分解過程中碳氮磷化學計量比的影響,采用分解袋法對閩江河口濕地不同鹽度條件下短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物分解過程中生態化學計量學特征進行了測定.結果表明,鹽度較高的生境,枯落物具有較快的分解速率、氮和磷的釋放速率,較慢的碳和能量釋放速率;整個分解期間內,枯落物C/N呈下降的趨勢,C/P和N/P表現為先上升后下降的趨勢;高鹽度生境短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物分解過程中平均C/N、C/P和N/P分別為34.3和36.4、1210.4和1710.3、35.4和47.1;低鹽度生境短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物分解過程中平均C/N、C/P和N/P分別為33.2和35.1、1170.0和1636.8、35.9和47.3;高鹽度生境短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物C/N、C/P高于低鹽度生境,N/P低于低鹽度生境;較低的枯落物碳與養分比值具有較高的能量釋放.

枯落物；化學計量學；鹽度；閩江河口

目前,以碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素的耦合關系為先導的生態化學計量學研究受到了日益關注[1-2].相關的研究主要是對植物組織和土壤的元素生態化學計量學進行研究[3-4],而且主要是對陸地生態系統和水生生態系統元素生態化學計量學的相關研究[1,5],對介于陸地和水生生態系統過渡帶的濕地生態系統元素生態化學計量學的研究較少[6-7],枯落物分解過程是濕地生物地球化學循環過程中的關鍵一環[8],其元素生態化學計量學的研究對揭示枯落物分解速率以及養分的積累和釋放機制具有重要意義[2].

河口濕地生境鹽度的差異與潮汐淹水頻率和土壤養分的供應息息相關,并可通過調節分解者的種群數量和活性進一步影響枯落物的分解速率及其生態化學計量學特征,但相關研究尚未見報道.基于此,本研究選取閩江河口濕地鹽度較高的生境和鹽度較低的生境,探討不同鹽度條件下濕地枯落物生態化學計量學特征的變化,較低的碳與養分比值是否可以表征較快的枯落物分解速率、養分釋放速率以及能量釋放速率,旨在為預測未來海水入侵對濕地生物地球化學循環的影響提供依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

選取閩江河口鱔魚灘濕地為研究區域,區內氣候暖熱濕潤,年均溫19.3℃,年降水量1346mm.短葉茳芏和蘆葦是鱔魚灘濕地最為典型的天然植被,其在鹽度較高和較低的生境均有分布.本研究選取的高鹽度和低鹽度生境,兩個樣地相距約500m.鹽度分別為1.3,0.7mS/cm,水分含量分別為55%和50%,土溫分別為20.2, 20.3℃,水分和溫度條件的相對一致,為探討鹽度對枯落物分解過程中碳、氮、磷的生態化學計量學特征及其指示意義的影響提供了理想的實驗地.2007年 5～12月潮水鹽度平均值為 4.2‰,12月潮水中硫酸鹽含量為714mg/L[9].

1.2 土壤樣品處理及測定

2007年1月在閩江河口鱔魚灘,按照鹽度的差異選取高鹽度生境和低鹽度生境的短葉茳芏濕地和蘆葦濕地進行樣地布置,為了保證實驗所用枯落物來源的一致性,在低鹽度生境和高鹽度生境之間,短葉茳芏和蘆葦分別占絕對優勢的地段,剪取立枯體,帶回實驗室用自來水沖洗立枯體表面污泥,然后剪成10cm左右小段,風干,在70℃下烘干至恒重,裝袋(孔徑 0.2mm,規格為 20cm× 25cm),每袋稱重25g.2007年1月7日將系有尼龍繩的分解袋栓到事先分別在高鹽度生境和低鹽度生境埋設好的木樁上,各埋設2個木樁.分解袋隨機分布在以木樁為圓心、約1.5m為半徑的范圍內.分解袋投放后的 20,67,97,127,157,186,218, 249,280d分別取回12袋(每種植物每個樣地分別取 3袋),回實驗室后撿去枯落物中的雜質,清洗干凈枯落物表面,放烘箱中在70℃下烘干至恒重并稱重,粉碎,過100目孔篩.植物碳、氮元素含量采用碳氮元素分析儀(Vario EL III,德國生產)測定,磷采用鉬銻抗比色法(UV-2450,日本生產)測定,熱值采用微電腦數顯兩用熱量計(WGR-WSR,中國生產)測定.

1.3 數據處理

應用Excel 2003和SPSS 13.0統計分析軟件對測定數據進行整理.原始數據的處理采用Excel 2003,應用SPSS 13.0統計分析軟件中的成對樣本T檢驗對高低鹽度下的枯落物分解速率、碳、氮、磷和能量釋放、C/N、C/P、N/P進行差異性檢驗.枯落物C/N、C/P、N/P采用的是物質的量之比(mol/mol).

2 結果與分析

2.1 鹽度對濕地枯落物分解過程中枯落物分解速率的影響

閩江河口濕地高鹽度生境整個觀測期內(280d),短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物的干物質損失量分別為初始量的75.2%和62.8%,分解速率分別為 0.00528,0.00384d-1;低鹽度生境,短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物的干物質損失量分別為初始量的 70.7%和 60.9%,分解速率分別為0.00413,0.00317d-1.短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物分解速率均表現為隨著鹽度的增加,枯落物分解速率加快(P＜0.01),2種鹽度生境均表現為短葉茳芏枯落物分解速率快于蘆葦枯落物(P＜0.01).

2.2 鹽度對濕地枯落物分解過程中碳、氮、磷釋放的影響

閩江河口濕地高鹽度生境短葉茳芏和蘆葦枯落物在280d的分解期內,碳、氮、磷釋放分別占初始枯落物儲量的 72.7%、59.6%,58.6%、53.1%,79.6%、79.1%;低鹽度生境短葉茳芏和蘆葦枯落物在280d的分解期內,碳、氮、磷釋放分別占初始枯落物儲量的 73.1%、60.1%,46.9%、44.4%,73.6%、73.5%.短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物氮和磷的釋放速率均表現為在隨著鹽度的增加而加快(P＜0.01),碳的釋放速率均表現為隨著鹽度的增加而減慢(P＜0.01),2種鹽度生境均表現為短葉茳芏枯落物碳、氮、磷的釋放速率快于蘆葦枯落物(P＜0.01).

2.3 鹽度對濕地枯落物分解過程中能量釋放的影響

閩江河口濕地高鹽度生境整個觀測期內(280d),短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物的能量損失量分別為初始量的 70.3%和 57.9%;低鹽度生境,短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物的干物質損失量分別為初始量的 71.3%和 58.7%.短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物分解速率均表現為隨著鹽度的增加,枯落物能量釋放速率減慢(P＜0.01),2種鹽度生境均表現為短葉茳芏枯落物能量釋放速率快于蘆葦枯落物(P＜0.01).

2.4 鹽度對濕地枯落物分解過程中碳、氮、磷相關性的影響

碳、氮、磷是生物生長過程中最為關鍵的元素,為了揭示鹽度對枯落物分解過程中3種元素相關性的影響,對高鹽度生境和低鹽度生境短葉茳芏和蘆葦枯落物分解過程中的碳、氮、磷的相關性作以分析(表1).高鹽度生境短葉茳芏和蘆葦枯落物碳與氮相關性顯著(P＜0.05)和極顯著(P＜0.01),碳與磷、氮與磷相關性不顯著;低鹽度生境短葉茳芏和蘆葦均表現為氮與磷之間相關性顯著(P＜0.05),碳與氮、碳與磷相關性不顯著.可見,生境鹽度的變化影響著枯落物分解過程中碳、氮、磷元素之間的相關性,植物種類對元素的相關性亦有影響.

表1 枯落物分解過程中碳氮磷相關性Table 1 Correlation of carbon, nitrogen and phosphorus during litter decomposition

2.5 鹽度對濕地枯落物分解過程中 C/N、C/P和N/P的影響

高鹽度生境短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物分解過程中C/N、C/P和N/P均具有明顯的季節變化,其變異系數分別為18.2%和10.8%,41.3%和49.8%,37.7%和44.3%;低鹽度生境短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物分解過程中C/N、C/P和N/P的季節變化與高鹽度生境趨勢相似,其變異系數分別為 23.8%和 12.2%,44.2%和 54.9%,39.7%和53.7%.總體來看,枯落物 C/N表現為下降的趨勢,C/P和N/P表現為先上升后下降的趨勢(圖1);高鹽度生境的短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物C/N、C/P高于低鹽度生境(P＜0.01,表 2),N/P為高鹽度生境低于低鹽度生境(P＜0.01,表 2),兩種鹽度生境均表現為短葉茳芏枯落物分解過程中C/N、C/P、N/P低于蘆葦枯落物(P＜0.01,表2).

表2 枯落物分解過程中C/N、C/P和N/P特征Table 2 C/N, C/P and N/P during litter decomposition

圖1 枯落物分解過程中C/N、C/P、N/P動態Fig.1 Dynamics of C/N, C/P and N/P during litter decomposition

3 討論

3.1 枯落物分解過程中C/N與枯落物分解速率的關系

短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物分解速率均表現為隨著鹽度的增加,枯落物分解速率加快,枯落物分解過程中C/N的變化表現為同樣的趨勢,這與較低的 C/N具有較高的枯落物分解速率[8]的結論并不一致.與此同時,對生境比較接近的短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物分解速率與 C/N的變化進行比較,發現無論在高鹽度生境還是低鹽度生境,短葉茳芏枯落物均表現為具有較低的C/N和較高的枯落物分解速率.可見,在小尺度的微生境,環境條件相對均一,枯落物的元素化學計量比可以很好地指示枯落物的分解速率.

3.2 枯落物分解過程中C/N、C/P和N/P與養分動態的關系

分解者在枯落物分解過程中扮演著重要的角色,其碳、氮、磷比的變化是驅動枯落物分解過程中相應比值變化的主要動力,并調節著養分元素的積累和釋放[10].一般來說,分解者的生長過程中其 C/N需求為 9.33～17.50,C/P需求為51.67～266.67,N/P需求為5.54～15.24[8].在本研究中,分解的枯落物具有較高的C/N,難以維持微生物的生長,分解者為了維持自身的生長,必須從C/N較低的環境中吸取養分(如本研究中的潮水、降水和土壤環境等)使得氮含量逐漸升高[9],形成較低的C/N.此外,枯落物分解過程中其殘留物具有較高的C/P和N/P.根據Koerselman等[11]的研究結果,當植物N/P＞16時,系統受到P的限制,當N/P＜14時,系統受到N的限制,當N/P在14～16范圍內,系統受到 2種元素的共同限制或者2種元素均不缺乏.在本研究中,不同生境枯落物分解過程中的N/P比均大于16,這說明在系統中植物中 P的供應水平可能決定了其枯落物分解過程中的化學計量學過程變化.

3.3 枯落物分解過程中 C/N、C/P與能量釋放的關系

短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物分解速率均表現為隨著鹽度的增加,枯落物能量釋放速率減慢,與 C/N、C/P的變化趨勢相反,這與較低的C/N、C/P條件下,碳釋放將增加[12],伴隨著的能量釋放也會增加有關.從短葉茳芏枯落物和蘆葦枯落物分解過程中的能量釋放看,短葉茳芏枯落物具有較低的C/N、C/P,同樣表現為較高的能量釋放速率.由此可見較低的C/N、C/P具有較高的能量釋放速率,因為較低的碳與養分比值可以降低枯落物分解酶物質生產過程中能量消耗水平[13],促使更多的能量釋放到環境中.

4 結論

4.1 閩江河口濕地枯落物分解速率表現為隨著鹽度的增加,分解速率、氮和磷的釋放加快,碳和能量的釋放則減慢.

4.2 閩江河口濕地枯落物分解過程中的 C/N、C/P隨著鹽度的增加而增大,N/P隨著鹽度的增加而減小.

4.3 枯落物具有較低的碳與養分比值,其能量釋放速率較快.

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Effect of salinity on carbon, nitrogen and phosphorus stoichiometry during the decomposition of wetland litter.

WANG Wei-qi*, WANG Chun, LIU Bai-gui (Research Centre of Wetlands in Subtropical Region, Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China). China Environmental Science, 2012,32(9)：1683～1687

In order to clarify the effect of salinity on carbon, nitrogen and phosphorus stoichiometry during the decomposition of wetland litter, the ecological stoichiometry characteristics of Cyperus malaccensis var. brevifolius, Phragmite australis litter from Minjiang River estuarine wetland under different salinity conditions were analyzed using mesh bags method. The results showed that, in higher salinity habitat, litter had higher decomposition rate, nitrogen (N) and phosphorus (P) release rate, and lower carbon (C) and energy release rate. The C/N was declined, and C/P and N/P were increased and then declined during the litter decomposition. In higher salinity habitat, the values of litter C/N, C/P and N/P of C. malaccensis and P. australis were on average 34.3 and 36.4, 1210.4 and 1710.3, 35.4 and 47.1 during the litter decomposition, respectively. In lower salinity habitat, the average values of C/N, C/P, N/P of C. malaccensis var. brevifolius and P. australis litters were 33.2 and 35.1, 1170.0 and 1636.8, 35.9 and 47.3 during the litter decomposition. The C/N and C/P of C. malaccensis var. brevifolius and P. australis in higher salinity habitat were higher than that of lower salinity habitat, but N/P was lower than that of lower salinity habitat. The lower carbon to nutrient ratios indicated a higher energy release.

litter；stoichiometry；salinity；Minjiang River estuary

2012-02-15

國家自然科學基金資助項目(31000209);福建省公益類研究所專項(2011R1037-5);福建省教育廳資助項目(JB11030);福建師范大學優秀青年骨干教師培養基金(fjsdky2012007)

* 責任作者, 助理研究員, wangweiqi15@163.com

X131.3

A

1000-6923(2012)09-1683-05

致謝：本文在資料收集與過程中得到中國科學院地理科學與資源研究所王紹強、王晶苑老師的幫助,在此一并表示感謝.

王維奇(1982-),男,遼寧沈陽人,助理研究員,博士,主要從事濕地生物地球化學研究.發表論文40篇.