橫斷山區草本沼澤濕地水體氮含量空間分布特征

張 勇, 岳海濤, 2, 劉振亞, 2, 李麗萍, 田 昆,2,*, 鄭秋竹, 張 昆

1 西南林業大學國家高原濕地研究中心, 昆明 650224 2 云南滇池濕地生態系統國家定位觀測研究站, 昆明 650224

濕地水體中氮的含量(尤其是硝氮和氨氮含量)不僅對濕地水質、濕地植物生長有直接作用,還可指示區域環境的變化趨勢[1]。通常,隨著濕地逆向演替過程的推進,濕地土壤中總氮的貯量下降[2-4]、濕地水體中的硝氮和氨氮含量增加、濕生植物逐漸被中旱生植物替代[5]。從全球范圍來看,自然環境因素變化(如降水、氣溫等)和社會經濟發展(如人口、GDP、農業生產活動等)是導致濕地退化的原因[6-8]。

中國40%以上的濕地生態系統位于青藏高原、云貴高原、黃土高原和內蒙古高原,四大高原上約有60%的濕地類型為草本沼澤濕地[9],它們具有很強的蓄水能力和固碳能力[10-11]。橫斷山區位于青藏高原東南部、云貴高原北部,其東西跨度和南北跨度均約1000 km,該區域分布著大量的草本沼澤濕地。有研究表明由于排水疏干、過度放牧等原因[12-13],橫斷山區北部的草本沼澤濕地面積逐漸縮減[14-16]、水位下降、水質發生變化[17]。此外,由于空間跨度和海拔跨度均很大,橫斷山區草本沼澤濕地的水質指標有可能受自然地帶性的控制。

截至目前,整個橫斷山區草本沼澤濕地水體氮含量的空間分布特征尚未見報道。為探明橫斷山區草本沼澤濕地水體中總氮、硝氮和氨氮的空間分布特征及其成因,本研究對橫斷山區典型草本沼澤濕地進行水樣采集以分析濕地水體中氮含量的空間分布特征,并探討分布特征與自然環境因素和社會經濟發展因素的關系。我們假設橫斷山區草本沼澤濕地水體氮含量的空間分布受自然地帶性和人為干擾兩重因素控制。

1 材料和方法

1.1 野外調查及統計數據收集

(1)水樣采集及測定

在2014—2017年,于每年的10月(此時橫斷山區的降水量減少,可最大限度排除降水導致的差異)在橫斷山區及其周邊地區開展草本沼澤濕地水體樣品采集,以確保不同年份采集的水樣具有可比性。本研究的水樣采集范圍南北跨度約1169 km,東西跨度約1174 km,海拔800—4600 m,涉及云南省、四川省、貴州省和青海省,共17個縣/市(圖1)。參考《中國沼澤志》中的記載,在上述區域選擇了37塊典型草本沼澤濕地采集表層(0—20 cm)的水體樣品,根據所調查沼澤的特征,每塊沼澤設置3—5個取樣點,每個取樣點重復取3個水樣,野外共采集了384份水樣,在采集樣品的同時原位測定水深以及表層水體溫度。采集的水樣放入便攜式冰箱低溫保存,然后送到實驗室用流動分析儀(SEAL Analytical GmbH,AA3,德國)測定總氮、硝氮和氨氮的含量。

圖1 橫斷山區及周邊典型沼澤濕地采樣點分布

(2)氣象數據和社會經濟數據收集

通過國家氣象信息中心(http://data.cma.cn/)收集濕地斑塊所在區域1981—2017年的年均降水量、年均氣溫數據。橫斷山區(尤其是高海拔地區)經濟發展相對滯后,沼澤濕地分布區的社會經濟發展主要以第一產業為支柱,對沼澤濕地利用強度較大的生產門類為畜牧業,因此,通過各省2018年的統計年鑒以及各縣/市2017—2018年的國民經濟和社會發展統計公報等文獻搜集調查區域17個縣/市的人口、GDP、第一產業GDP、家畜數量(包括存欄量和出欄量)等數據用以分析沼澤濕地水體氮含量與社會經濟發展的關系。

1.2 統計分析

用Origin 9.0繪制沼澤濕地水體中總氮、硝氮和氨氮在緯度、經度和海拔上的三維分布圖。在SPSS Statistics 17.0.1中計算自然環境因素(包括年均降水量、地面年均溫、水體表層溫度和水深)和社會經濟發展因素(包括人口、GDP、第一產業產值和家畜數量)與緯度、經度和海拔的Pearson相關系數,以探討這些環境因素的空間分布規律。在R軟件中采用一元回歸模型分別分析沼澤濕地水體中總氮、硝氮和氨氮含量與自然環境因素和社會經濟發展因素的回歸關系。其中,鑒于數據的可獲取性,以縣為統計單元分析水體中氮含量(同一個縣內的多塊濕地數據取均值)與社會經濟發展因素的回歸關系。

2 結果與分析

2.1 橫斷山區沼澤濕地水體氮含量及其環境因素的空間分布特征

隨緯度增加,橫斷山區沼澤濕地水體中總氮含量整體呈下降趨勢,總氮含量最高的沼澤濕地位于調查區域的南端(約北緯27.73°,含量為1.47 mg/L),總氮含量最低的沼澤濕地位于較靠北的區域(約北緯31.85°,含量為0.25 mg/L)；隨經度增加,水體中總氮含量呈自西向東增加的趨勢；隨海拔高度增加,水體總氮含量呈下降趨勢,其中,在海拔3000 m左右檢測到最高的總氮含量(1.47 mg/L),在海拔4000 m左右檢測到最低含量(0.25 mg/L)(圖2)。

圖2 橫斷山區沼澤濕地水體總氮、硝氮和氨氮的空間分布特征

橫斷山區沼澤濕地水體中硝氮含量和氨氮含量分別介于0.059—1.035 mg/L和0.032—0.312 mg/L,兩者在海拔高度和東—西分布上呈現相似的空間分布特征：硝氮和氨氮含量未隨海拔高度發生明顯變化；隨經度增加,硝氮和氨氮含量逐漸增加。在緯向變化上,硝氮含量隨緯度增高而逐漸增加,氨氮含量則無明顯變化趨勢。硝氮和氨氮含量的空間分布還有一個明顯特征：它們在四川省紅原縣境內的含量最高,該區域海拔介于3500—4000 m,北緯32°—34°,東經102°—104°。進一步統計發現,紅原縣境內的沼澤濕地水深((0.32±0.02)m)比其他調查區域水深((0.45±0.04)m)低10 cm左右。

特別的,本研究中大部分的采樣點位于紅原縣和若爾蓋縣境內(共20塊沼澤,占總調查數的54.1%),在該范圍內,沼澤濕地水體中總氮含量在緯向和經向上沒有明顯的變化趨勢,但其隨海拔的升高而顯著下降(R2=0.253,P=0.024)；硝氮和氨氮含量均未隨緯度和海拔發生顯著變化,但均隨經度的增加而顯著升高(硝氮：R2=0.240,P=0.028；氨氮：R2=0.334,P=0.008)。

橫斷山區沼澤濕地分布區的自然環境因素(包括年均降水量、年均氣溫、水溫和水深)以及17個縣/市的社會經濟發展指標(包括人口數量、GDP、第一產業產值和家畜數量)與緯度和海拔均呈負相關(表1)。大部分社會經濟發展因素與經度呈弱正相關關系,即：表現出越靠東社會經濟發展水平越高的趨勢(表1)。

表1 自然環境因素(n=37)和社會經濟發展因素(n=17)與緯度、經度和海拔的關系

2.2 橫斷山區沼澤濕地水體氮含量與自然環境的關系

橫斷山區沼澤濕地水體中總氮含量與自然環境因素均呈顯著的線性回歸關系,即總氮含量隨年均降水量、年均大氣溫度、水溫和水深的增加而顯著升高(圖3)。硝氮含量與年均降水量無顯著回歸關系,其隨年均大氣溫度和水深增加而顯著下降,其隨水溫增加呈顯著的單峰變化。氨氮含量與上述自然環境因素均無顯著回歸關系。以全部384個水樣進行統計,硝氮、氨氮與總氮含量均呈顯著正相關,相關系數分別為0.46和0.39。

圖3 橫斷山區沼澤濕地水體總氮、硝氮和氨氮含量與降水量、大氣溫度、水溫和水深的關系

2.3 橫斷山區沼澤濕地水體氮含量與社會經濟發展的關系

橫斷山區沼澤濕地水體總氮含量與社會經濟發展因素均呈顯著的正相關關系,即總氮含量隨人口數量、GDP、第一產業產值和家畜數量的增加而顯著升高(圖4)。硝氮和氨氮含量與社會經濟發展因素沒有顯著相關性。

圖4 橫斷山區沼澤濕地水體總氮、硝氮和氨氮含量與人口數量、GDP、第一產業產值和家畜數量的關系

3 討論

水體中營養元素的來源主要包括三個方面：土壤養分礦化、植物殘體分解和外源輸入[18-19]。溫度是控制濕地生態系統中土壤養分礦化、植物殘體分解等養分循環過程的重要因素,一定范圍的溫度升高可增加這些養分循環過程的速率[20-22]。自然狀態下,地表溫度隨緯度和海拔增加而下降,有明顯的緯向地帶性和垂直地帶性。本研究發現,橫斷山區草本沼澤濕地水體中總氮含量隨緯度和海拔的增加而降低,進一步的分析發現總氮含量與溫度(尤其是水溫)有很強的正相關性。這說明橫斷山區草本沼澤濕地水體中總氮含量分布具有緯向地帶性和垂直地帶性特征,溫度可能是控制這種分布規律的主要因素。本研究還發現,橫斷山區草本沼澤濕地水體中總氮含量自西向東呈增加的趨勢,這種變化趨勢可能與社會經濟活動密切相關。因為自西向東,該區域內的人口數量和社會經濟發展水平也逐漸增高,回歸分析也發現沼澤濕地水體中總氮含量與所有社會經濟發展指標(尤其是人口數量)均存在顯著的正向回歸關系。

本研究發現橫斷山區草本沼澤濕地中硝氮和氨氮含量的空間分布規律與總氮含量不盡相同。硝氮和氨氮含量的緯向和垂直地帶性不明顯,它們在若爾蓋高原紅原縣沼澤濕地水體中含量最高。該現象可能由沼澤濕地退化(主要是水位下降)導致。遙感監測發現,自2000年以來四川若爾蓋高原草本沼澤面積不斷縮減,沼澤逐漸轉變為草地[23-24],造成若爾蓋草本沼澤濕地退化的主要原因是人工開渠排水導致的水位下降[25]。局域尺度的研究表明,如果沼澤淹水條件變差,表層土壤中氧化酶等土壤胞外酶活性會顯著增加[26],這可導致沼澤濕地中的土壤氮礦化速率增加、釋放出大量的無機氮[27-28],從而引起水體中硝氮和氨氮含量升高。本研究發現紅原縣境內沼澤濕地的淹水條件(水深)較其他區域的沼澤濕地差(水深低約10 cm),這可能為沼澤濕地中泥炭的分解創造了氧化條件、導致水體中硝氮含量與水深呈顯著負相關的現象。此外,若爾蓋高原上的研究表明,沼澤濕地植物多樣性隨沼澤水位下降呈增加趨勢[29],植物種間關系發生變化[30],物種組成變化也可能會對沼澤濕地水體中硝氮和氨氮的含量造成影響。此外,水溫變化對有機氮礦化過程有顯著影響[31],本研究發現橫斷山區沼澤濕地的水溫和硝氮含量呈二次函數關系,根據該關系,當水溫介于14—16℃時,硝氮含量最高,當水溫高于或低于該范圍時,硝氮含量均下降。導致該現象的原因可能是：當溫度過低時,橫斷山區草本沼澤濕地中參與土壤氮礦化的微生物活性受到抑制；隨著表層水溫升高,表層水體的溶解氧降低,同時,由于表層溫度高水體會出現熱分層現象,導致底層水體中的溶解氧減少[32],這些過程使得沼澤濕地土壤中參與反硝化過程的酶活性(如亞硝酸還原酶、硝酸還原酶等)增強[33],進而導致水體中的硝氮含量降低。

本研究中硝氮和氨氮含量與社會經濟發展指標之間沒有顯著的統計相關性,但橫斷山區濕地水體的硝氮和氨氮含量、社會經濟發展指標(包括人口、GDP、第一產業產值)均自西向東呈增加趨勢。已有研究表明人口集中分布區產生的生產、生活污水也可導致濕地水體中硝氮和氨氮含量增加[34]。因此,社會經濟因素對橫斷山區草本沼澤濕地水體中硝氮和氨氮含量可能還是有一定影響。后續研究需獲取更細致的數據分析社會經濟因素對橫斷山區草本沼澤濕地水體硝氮和氨氮含量造成影響的方式和程度。

4 結論

本研究明晰了橫斷山區草本沼澤濕地水體中氮素(總氮、硝氮和氨氮)在經度、緯度和海拔上的分布特征,并通過自然環境因子和社會經濟發展指標分析了氮素分布特征的控制因素。主要得出以下結論：(1)橫斷山區草本沼澤濕地水體中總氮含量的分布具有明顯的緯度地帶性(總氮含量隨緯度增加而下降)和垂直地帶性(總氮含量隨海拔增加而下降),同時受社會經濟活動因素的控制(總氮含量與經濟活動因素顯著正相關)。其中,水溫和人口數量是影響總氮含量最主要的自然因素和社會經濟因素。(2)橫斷山區草本沼澤濕地水體中硝氮含量未隨海拔發生顯著變化,但隨著經度和緯度增加,硝氮含量逐漸增加,水溫和水深是影響其分布的主要因素。(3)橫斷山區草本沼澤濕地水體中氨氮含量不隨海拔和緯度發生顯著變化,但隨經度增加,氨氮含量逐漸增加,但氣溫、降水、水溫、水深、人口數量、GDP、家畜數量等因素與氨氮含量的關系不密切。