黑河中游濕地不同恢復方式對土壤和植被的影響
——以張掖國家濕地公園為例

周遠剛,趙銳鋒,*,趙海莉,張麗華,趙 敏,鄒建榮

1 西北師范大學地理與環境科學學院,蘭州 730070 2 甘肅省土地利用與綜合整治工程研究中心,蘭州 730070 3 張掖國家濕地公園管委會,張掖 734000

濕地是地球上水-陸相互作用形成的獨特生態系統,是自然界最富生物多樣性的生態景觀之一,在保護生物多樣性、存儲碳氮、維護區域生態安全等方面發揮著重要作用[1-3]。隨著經濟發展、人口增加和城市擴張,越來越多的濕地退化甚至消失[4],導致濕地生態功能衰減,嚴重威脅區域生態安全[5-6]。為減緩和扭轉濕地退化及濕地生態環境功能的衰減,世界上許多國家實施了濕地保護和修復措施,隨之相關的濕地恢復與保護研究也開始興起[7],已成為當前國際濕地科學研究的前沿領域和熱點問題[8]。

近年來,濕地的恢復與保護、濕地恢復效應等問題獲得了國內外學者廣泛關注,并取得了大量的研究成果。Yepsen等[7]、Koos等[9]針對濕地恢復對植被恢復、植物物種多樣性的影響進行了研究,發現恢復濕地有利于恢復區植被恢復和物種多樣性提高；An等[10]針對自然恢復濕地對植被特征的影響展開了研究,得出隨著時間增加恢復濕地植被物種多樣性高于未恢復濕地,無干擾濕地恢復物種多樣性隨時間變化而減少,植被蓋度和高度隨時間變化而增加的結論；Wolf等[11]、Badiou等[12]針對人工恢復濕地在土壤碳、氮恢復效應等方面展開了研究,發現人工恢復濕地有利于土壤碳氮恢復；Huang等[13]研究了濕地恢復對不穩定碳和氮的影響,認為短期內土壤碳氮含量會降低,但隨時間變化會逐漸增加；Ballantine等[14]、Roon等[15]研究了濕地恢復對土壤特性、植被生長、植物多樣性的影響,表明濕地恢復有利于土壤恢復、植被生長和物種多樣性的增加；Dodds等[16]研究了濕地恢復對生態系統服務的影響,認為濕地恢復有利于生態系統的快速恢復,從而提供更多的生態系統服務；Henry等[17]在濕地恢復對濕地水生生態的影響方面進行了相關研究,發現長期的濕地恢復,水生生態表現出明顯的恢復效果。干旱環境背景控制的干旱區濕地,因其地處氣候敏感區和生態脆弱區,一旦破壞則會威脅整個區域的生態安全和社會經濟發展,因此展開對干旱區濕地資源保護與恢復研究顯得尤為重要。然而,目前國內相關研究主要集中于三江平原濕地、黃河三角洲濕地等東部濕潤地區[13,18],干旱區僅有艾比湖濕地、塔里木河濕地在濕地恢復和保護對植被、土壤、濕地面積影響等方面的初步研究[19-20],對于中國第二大內陸河黑河濕地的恢復與保護研究還鮮見報道。

黑河中游濕地位于我國西北內陸干旱區,具有涵養水源、防風固沙、調節氣候等多種生態功能,在黑河流域乃至河西走廊生態平衡中發揮著重要作用[21]。關于黑河濕地的研究主要集中在土壤化學性質的空間分布[21-22]、植被性狀[23]、動物多樣性等[24],對濕地恢復與保護研究、濕地不同恢復與保護方式效應研究不夠深入。為此,本研究選擇黑河中游張掖國家濕地公園為研究區域,通過野外調查和采樣,研究黑河中游張掖國家濕地公園不同恢復方式對土壤和植被的影響,為干旱區濕地恢復、保護與重建提供理論支持和決策參考。

1 研究區域概況

張掖濕地公園(100°06′—100°45′ E,38°32′—39°24′ N)位于張掖市甘州區城郊北部、黑河東側與市區緊密相連,總面積約46.02 km2(圖1)。屬于典型的溫帶大陸性氣候,年均降水量129 mm,年均蒸發量2047 mm,年平均溫度7.4℃,干旱指數達15.87,日照充足,光能資源豐富,年日照時數在3085 h[21]。受黑河及地下水影響,區域內水資源較為充足。研究區的主要植物物種有拂子茅(Calamagrostisepigeios)、蘆葦(Phragmitesaustralias)、豬毛菜(Salsolacollina)、賴草(Leymussecalinus)等。濕地恢復前,該區域主要由耕地和部分自然濕地和人為濕地組成,地勢較為平坦,水源主要來源于黑河地表徑流和地下滲水。主要植物物種有蘆葦、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、拂子茅以及各種農作物。

圖1 張掖國家濕地公園的地理位置及恢復區分布Fig.1 Location of Zhangye National Wetland Park and distribution of restoration areasRU：恢復利用方式,Restoration and utilization；RP：恢復保護方式,Restoration and protection；Nr：自然恢復方式,Natural restoration；Nw：自然濕地,Natural wetland

2 分析方法和數據處理

2.1 樣品采集

2017年夏季在張掖國家濕地公園主體區調查3類典型恢復方式：1)退耕后無人為澆灌、管理等人為參與的濕地恢復方式,簡稱自然恢復方式(Natural restoration, Nr)；2)退耕后人為建立柵欄隔離,幾乎無人類和大型動物踩踏、干擾,并定時人為澆灌的濕地恢復方式,簡稱恢復保護方式(Restoration and Protection, RP)；3)退耕后建設為旅游景點,修建棧道、觀光車道、長廊等基礎設施,且常有澆灌、栽種、刈割蘆葦等人為參與濕地恢復管理的濕地恢復方式,簡稱恢復利用方式(Restoration and Utilization, RU)以及一個臨近自然濕地(Natural wetland, Nw)作為參考濕地。3種濕地恢復方式于2009—2011年開始濕地恢復,恢復時間差異較小。

同步進行植物與土壤采樣,根據區域面積大小和道路分布情況確定3—14個1 m×1m樣方,盡量保證均勻分布于樣地內,共調查樣方25個。現場鑒定每個樣方中的物種類別,同時記錄各物種個體數、高度等植物特征,并將個別物種采集標本帶回實驗室鑒定。采用環刀法在樣方中心采集0—10,10—20,20—40 cm土樣3個裝入鋁盒并稱鮮重。每個樣方另取一份土壤樣品帶回實驗室,撿出枯落物和根,自然風干,用1、0.25、0.15 mm直徑的土篩篩取土樣,進行土壤有機碳、速效氮、全氮、全磷、速效磷、pH、鹽分等的測定。

2.2 樣品測定

土壤樣品的pH值用酸度計(PHS-3C) 測定(水土比5∶1)；水溶性鹽總量用重量法測定(水土比5∶1)；有機碳(SOC)含量用重鉻酸鉀容量法-消煮法測定；全氮含量采用開式消煮法測定；全磷含量采用硫酸-高氯酸消煮法測定；速效氮采流動分析儀(SKALAR 8505)測定；速效磷含量采用雙酸浸提-鉬銻抗比色法測定[21]；土壤含水量和容重測定采用烘干法,在105℃烘箱中烘8—12 h至恒重。室內分析中,全氮全磷在蘭州大學西部環境教育部重點實驗室完成,其他實驗都在西北師范大學土壤地理實驗室完成。

2.3 數據處理

根據測得的土壤容重、pH、水分含量、全鹽量、有機碳、全氮、速效氮、全磷、速效磷以及野外記錄的植物個體數、高度等特征值,對不同區域濕地的典型植被和土壤特征進行統計分析。運用EXCEL進行統計數據處理,運用SPSS 17.0均值比較T檢驗法進行差異性分析,運用Origin對處理后的數據制圖。

采用豐富度指數、Shannon-Wiener指數來表征植物群落的物種多樣性。

豐富度指數：R=S

重要值(VI)：VI=(相對高度+相對多度+相對蓋度)/3

相對蓋度=某種植物的蓋度/所有植物物種的蓋度之和

相對高度=某種植物的平均高度/所有植物平均高度之和

相對多度=某種植物的株數/所有植物的株數之和

式中,Pi為物種i的重要值,S為物種i所在樣方的物種數。

采用總蓋度和總多度來表征植物的生長狀態。總蓋度指樣方內各物種蓋度之和,總多度指樣方內各物種數量之和。

3 結果

3.1 不同恢復方式對植物的影響

3.1.1不同恢復方式對植物生長狀態的影響

由圖2可知,自然恢復方式(53.33±1.71)植被覆蓋度顯著低于恢復利用方式(98.34±1.66)和恢復保護方式(95.62±2.51)(P<0.05),且恢復保護方式下植被蓋度更接近自然濕地。不同濕地恢復方式下單位面積植被多度亦存在較大差異。3種恢復方式植被多度變化趨勢為RP>RU>Nr,恢復保護方式與自然恢復方式植被多度差異顯著(P<0.05),恢復保護方式植被多度更接近自然濕地(圖2)。

圖2 3種濕地恢復方式下的植被生長狀態Fig.2 Vegetation growth status in three wetland restoration methods誤差線為標準誤差；誤差線上的不同字母表示同一指數不同恢復區顯著性差異分組(P=0.05)

3.1.2不同恢復方式對植物多樣性的影響

由圖3可知,恢復利用方式、恢復保護方式、自然恢復方式物種豐富度指數分別為4.21±0.39、2.67±0.33、4.50±1.26,且恢復保護方式物種豐富度顯著低于自然恢復方式和恢復利用方式(P<0.05),優勢種分別為蘆葦、蘆葦、賴草。不同濕地恢復方式下物種多樣性指數也表現出較大差異,其變化趨勢與物種豐富度指數一致,自然恢復方式物種多樣性指數顯著高于恢復保護方式(P<0.05)(圖3)。自然恢復方式在物種多樣性方面更接近自然濕地,但優勢物種不是濕生植被。

圖3 3種濕地恢復方式下的物種多樣性Fig.3 Species diversity in three wetland restoration methods誤差線為標準誤差；誤差線上的不同字母表示同一指數不同恢復區顯著性差異分組(P=0.05)

3.2 不同恢復方式對土壤性狀的影響

3.2.1不同恢復方式對土壤水分含量、鹽分、PH和容重的影響

由圖4可知,在0—10、10—20 cm和20—40 cm土層,土壤含水量的分布規律均為RU>RP>Nr,恢復利用方式與自然恢復方式間各層土壤含水量差異顯著(P<0.05)。土壤鹽分含量與土壤含水量相反(圖4)。自然恢復方式土壤各層鹽分含量與兩種人為恢復方式差異顯著(P<0.05)。恢復利用方式土壤含水量與鹽分含量更接近自然濕地。

不同濕地恢復方式中,0—10、10—20 cm和20—40 cm土壤容重、pH均以自然恢復方式最高,恢復利用方式最低,恢復保護方式居中(圖4)。除0—10 cm自然恢復方式與恢復利用方式土壤容重外,3種濕地恢復方式土壤容重、pH無顯著差異(P>0.05)。

圖4 不同濕地恢復方式下的土壤容重、pH、水分含量、鹽分Fig.4 Soil bulk density, pH, moisture content, and salt content under different wetland restoration methods誤差線為標準誤差；誤差線上的不同字母表示同一土壤層次土壤性狀不同恢復區顯著性差異分組(P=0.05)

3.2.2不同恢復方式對土壤碳、氮、磷的影響

由圖5可知,在0—10、10—20 cm和20—40 cm土層,土壤有機碳量的分布規律均為RU>RP>Nr。恢復利用方式土壤有機碳含量顯著高于自然恢復方式和恢復保護方式(P<0.05),土壤有機碳含量分別為(18.98±2.72)、(14.38±1.40)、(13.71±1.97) g/kg；(12.27±1.58)、(10.10±0.50)、(9.1±2.7) g/kg；(11.56±1.67)、(9.38±1.19)、(7.30±0.57) g/kg,自然恢復方式與恢復保護方式無顯著差異(P>0.05)。

土壤全氮含量與土壤有機碳含量分布規律一致(圖5)。恢復利用方式各層土壤全氮顯著高于自然恢復方式和恢復保護方式(P<0.05)。0—10 cm和10—20 cm土層土壤全磷含量以自然恢復方式最高,恢復利用方式最低。20—40 cm土層土壤全磷含量以自然恢復方式最高(圖5)。除20—40 cm外,自然恢復方式其余土層土壤全磷顯著高于兩種人為恢復方式(P<0.05)。恢復利用方式土壤有機碳、全氮、全磷含量更接近自然濕地。

3種濕地恢復方式中,各層土壤速效氮含量的變化趨勢均為Nr>RU>RP(圖5)。自然恢復方式速效氮顯著高于恢復保護方式和恢復利用方式(P<0.05),恢復保護方式與恢復利用方式差異并不顯著(P>0.05)。各層土壤速效磷含量變化趨勢與有機碳相反(圖5)。自然恢復方式與恢復利用方式各層土壤速效磷含量差異顯著(P<0.05)。恢復利用方式土壤速效氮、速效磷含量更接近自然濕地。

圖5 不同濕地恢復方式下的土壤碳、氮、磷Fig.5 Soil carbon, nitrogen and phosphorus under different wetland restoration methods誤差線為標準誤差；誤差線上的不同字母表示同一土壤層次土壤性狀不同恢復區顯著性差異分組(P=0.05)

4 討論

4.1 不同恢復方式下植物多樣性的變化

本研究結果表明,人工恢復濕地更有助于植被的生長。這與國內外學者的研究結果一致,Kolos等[9]研究發現人工恢復濕地并進行管理,有利于提高植被蓋度；An等[10]研究發現濕地恢復有利于提高植被蓋度,而且短期內單位面積上的植株密度會顯著增加；唐娜等[25]研究表明人工恢復濕地,區域內植被蓋度增加,單位面積上植株數量增多。這可能是恢復利用方式和恢復隔離方式下,人為澆灌滿足植被生長的水源需求[26]。

物種多樣性是描述生態系統穩定性和持續性的一個指標[27]。本文的研究結果顯示自然恢復方式物種多樣性指數高于恢復和恢復保護方式,三種恢復方式中恢復利用方式人為干擾相對較強,自然恢復方式適中,恢復保護方式干擾較弱,符合中度干擾假說[28]。張立敏等[29]認為封閉管理更容易導致物種減少甚至消失。本研究中恢復保護方式物種多樣性指數最低,正好符合這一觀點。

物種豐富度指數表現出與多樣性指數相同的特點,自然恢復方式物種豐富度指數最高,恢復保護方式物種豐富度指數最低。陳利項等[28]認為干擾是影響植物多樣性的因素。因此,這種現象出現可能是因為自然恢復方式干擾相對適中,而恢復利用方干擾較高式,恢復保護方式干擾較低。張立敏等[29]發現封閉管理會降低植物物種豐富度,因此,恢復保護方式物種豐富度指數低于恢復利用方式,可能是因為恢復保護方式下植物群落受外界物種影響小,群落抗干擾能力弱,穩定性差,易達到物種局不滅局或獨占所需。

3種濕地恢復方式對于植被的恢復都有一定的促進作用,自然恢復有助于維護物種多樣性,但對各物種植被的生長發育的促進作用不明顯。隔離恢復與自然恢復相反,對物種的生長發育有促進作用,但會影響物種多樣性。恢復利用方式介于二者之間,對物種多樣的發展有較好的促進作用,對物種多樣性的影響相對較低,是一種比較均衡的恢復方式。

4.2 不同恢復方式下土壤性狀的變化

4.2.1不同恢復方式下土壤水分含量、鹽分、pH和容重的變化

不同濕地恢復方式對土壤容重影響較小,表現出恢復利用方式各層土壤容重最低,自然恢復方式各層容重最高。3種濕地恢復方式所在區域濕地恢復前均為退耕地,土壤容重受濕地恢復前土壤容重差異的影響小,因此土壤容重差異主要是由于人為澆灌引起的土壤水分含量差異導致的。這一結果與趙連春等[30]研究發現一致,即土壤容重與土壤水分含量呈負相關關系。恢復利用方式與恢復保護方式屬于人為恢復濕地,在濕地恢復過程中,恢復保護方式與恢復利用方式有人為澆灌,且恢復利用方式區域內保持有流水。

不同濕地恢復方式對土壤pH值影響較小,表現為恢復利用方式pH值最低,恢復保護方式pH最高。Feyisa等[31]認為人工恢復濕地有機碳含量增加會影響土壤中的陽離子,從而影響土壤pH值。本研究3種恢復方式中恢復利用方式有機碳含量最高,自然恢復方式最低,與pH的趨勢一致。因此,3種恢復方式pH值的差異可能是有機碳含量的差異導致。唐羅忠等[32]的研究結果表明堿性土壤在漬水條件下,土壤處于還原狀態,pH值會由酸性降為中性左右。恢復保護方式與恢復利用方式,特別是恢復利用方式,長期人為澆灌,土壤處于漬水狀態,滿足還原反應條件。因此,3種恢復方式土壤pH值的差異也有可能是受人為澆灌引起土壤含水量差異導致。

不同濕地恢復方式對土壤鹽分影響顯著,恢復利用方式和恢復保護方式土壤鹽分顯著低于自然恢復方式。田長彥等[33]認為灌溉排水有溶堿洗鹽的作用,能夠降低土壤鹽堿性。本研究中,恢復利用方式和恢復保護方式經常有人為的灌溉排水,特別是恢復利用方式內經常保持有流水。因此,自然恢復方式鹽分顯著高于恢復利用方式和恢復保護方式,是因為自然恢復方式缺少人為灌排導致。高進長等[34]在研究黑河下游河流沿岸土壤養分和鹽分是發現土壤含水量越低,鹽分越容易積累,本研究3種恢復方式土壤水分含量和鹽分差異正好符合這一觀點。

4.2.2不同恢復方式下土壤有機碳、全氮、速效氮的變化

土壤有機碳、氮是土壤養分的重要組成部分,是濕地生態系統的重要生源要素[35]。研究結果表明,土壤有機碳、全氮呈現出恢復利用方式高于恢復保護方式,恢復保護方式高于自然恢復方式的特征。盡管恢復保護方式與自然恢復方式差異極小,但仍能夠反映人工恢復更有助于有機碳、全氮的積累。對比國內外學者的研究,發現有類似的結果,Yu等[11]在研究美國人工恢復濕地后土壤碳氮恢復狀況時發現,濕地土壤碳氮含量均增加；Larkin等[36]在研究中發現人工恢復濕地土壤有機碳含量會顯著增加；Ballantine等[14]研究發現人工恢復濕地土壤總氮含量增加；董凱凱等[18]在黃河濕地恢復研究中發現人工恢復濕地土壤碳氮含量均顯著增加。表明干旱區同其他地區相似,人工恢復濕地更有利于土壤碳氮積累。

董凱凱等[18]指出土壤有機碳和氮含量取決于有機物的輸入與輸出量,在無人為碳氮輸入影響的環境中,土壤有機碳的輸入與輸出量主要取決于有機殘體歸還量和有機殘體的腐殖化系數,其中輸出量主要包括分解、侵蝕、各種生物和非生物條件(土壤含水量等)影響等；氮元素的輸入和輸出量主要受植物殘體的歸還量和生物固氮的影響。白軍紅等[35]認為恢復淡水濕地中土壤粘粒含量、植物凋落物、土壤含水量、水位顯著影響有機碳和總氮的空間分布。Noe等[37]認為恢復濕地土壤氮素增減受植被生長狀況、水文狀況等影響。3種恢復方式在土壤水分含量方面、植被生長性狀方面都存在較大的差異,因此本研究中3種恢復方式土壤有機碳、全氮的差異可能是受土壤水分含量、植被等因素的影響。

土壤速效氮是可以被植物直接利用的氮,研究結果顯示,研究區土壤速效氮變化與總氮變化趨勢完全相反,自然恢復方式明顯高于恢復利用方式和恢復保護方式。李曉東等[38]發現土壤速效氮與土壤pH之間呈負相關關系；王長庭等[39]在研究中發現土壤速效氮含量與土壤水分含量呈顯著正相關關系。表明土壤pH值越低且水分含量越高時,土壤速效氮含量也就越高。本文的研究結果與之截然相反,恢復利用方式和恢復保護方式土壤pH低于自然恢復方式,且土壤水分含量高于自然恢復方式,但恢復利用方式和恢復保護方式土壤速效氮顯著低于自然恢復方式。李磊等[40]在研究短期土壤漬水對土壤肥力的關系中發現隨漬水天數增加,土壤速效氮含量顯著降低；Huang等[13]認為濕地恢復中短期內氮素會減少,然后受自然過程影響,隨時間變化緩慢增加。本研究中恢復利用方式與恢復保護方式濕地恢復年限較短,且經常人工灌溉,較長時間處于漬水狀態,土壤速效氮含量有可能降低。

4.2.3不同恢復方式下土壤全磷、速效磷的變化

磷是植物生長發育的必要營養元素之一,在人類賴以生存的土壤-植物-動物生態系統中起著不可替代的作用[40]。研究結果表明,自然恢復方式全磷、速效磷含量最高,恢復利用方式最低。王長庭等[39]指出磷來源于土壤,不可再生,磷的輸入與輸出量取決于磷的遷移。Mcdowell等[41]在研究中發現,磷會融于水中,隨著流水流失；尹煒等[42]認為,恢復濕地會促進濕地植被生長,從而吸收土壤中的磷,降低了土壤中的磷含量。恢復利用方式、恢復保護方式常有人為澆灌,尤其是恢復利用方式內常保持有流水,磷元素更容易隨流水流失。另一方面,從植被生長狀況看,恢復利用方式和恢復保護方式植被生長狀況良好,對磷的吸收優于自然恢復方式,降低了土壤中的磷含量。

4.3 對濕地恢復和管理的啟示

理解干旱區不同的濕地恢復方式對土壤和植被特性影響的方向和范圍,可以極大的幫助干旱區濕地恢復與管理工作的開展。從植物多樣性保護和植物群落結構維護的角度來看,自然恢復這種適度干擾的恢復方式盡管增加了物種的數量[9,28,43],有利于物種多樣性的維護,卻因缺乏水源補給,促進了旱生植被的生長,不利于維護濕地物種多樣性,不滿足濕地恢復的要求。而恢復利用方式物種多樣性較高且優勢物種為濕地植被,更有利于維護濕地物種多樣性。長期的隔離恢復不是土地可持續利用的恢復方法,因為恢復保護這種干擾極低的恢復方式對植物多樣性有負面的影響,而且其他的研究結果也表明了低干擾會降低植物物種多樣性[28,43]。從固碳和固氮角度來看,恢復利用方式這類有人為參與濕地恢復和管理的方式對土壤有機碳和總氮的積累是比較有效的[18,36]。從植被多樣性保護和土壤固碳、固氮兩方面考慮,恢復利用方式這種人為濕地恢復方式是比較適用的,根據之前研究結果可以發現,恢復利用方式土壤碳氮含量最高,且物種多樣性與自然恢復方式差異并不顯著。恢復利用方式植被生長發育狀況顯著優于自然恢復方式,良好的植被生長、發育狀態又有利于碳、氮的積累。此外,良好的植被覆蓋,可以減少土壤流失和侵蝕,有利于有機碳的保護和存儲。恢復利用方式有最高的有機碳和全氮含量,表明在研究區進行類似于恢復利用方式的濕地恢復具有很高的提高土壤碳氮的潛力。

5 結論

黑河中游張掖國家濕地公園的不同區域的土壤和植被特征由于恢復方式的不同(RU、RP、Nr)而差異明顯(P<0.05)。在自然恢復方式下,濕地各層土壤全磷、土壤速效磷、土壤速效氮、植物多樣性值最高,反映出干旱區自然恢復方式可能成為干旱區土壤磷固存的有效手段,適當干擾可能成為干旱區提高物種多樣性的有效方法。恢復保護方式下,濕地植物多度值最高,其值為165.67±25,表明恢復保護方式有助于植被的生長繁殖。恢復利用方式下濕地各層土壤含水量、有機碳、全氮、植被蓋度值最高、濕地物種多樣性較高,全鹽、pH值最低。表明恢復利用方式可以有效降低濕地土壤鹽分,提高土壤碳氮含量的潛力,適當的人為管理可能成為干旱區濕地恢復過程中提高物種多樣性的有效管理方法。濕地保護和恢復管理部門應該仔細考慮其恢復目標,針對不同恢復目標制定不同濕地恢復方式。