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茅尾海茳芏及沉积物有机碳、全氮、全磷分布特征与季节动态



全 文 :茅尾海茳芏及沉积物有机碳、全氮、全磷
分布特征与季节动态
潘良浩 1,2,韦江玲 1,2,陈元松 1,2,曾 聪 1,范航清 1,2﹡
(1.广西红树林研究中心,广西北海 536000;2.广西大学林学院,广西南宁 530005)
摘要:为了研究中国东南沿海滨海湿地生态系统植物的养分循环机制,于2010年1月、4月、7月和10月,对广西
茅尾海茳芏(Cyperus malaccensis)种群中的茳芏进行采样,并测定其有机碳含量、全氮含量、全磷含量和生物量。
结果表明,茳芏种群地上部分的有机碳含量、全氮含量和全磷含量都高于地下部分的有机碳含量、全氮含量和
全磷含量;其有机碳含量的季节变化规律为春季和冬季低、夏季和秋季高,全氮含量和全磷含量的季节变化规
律表现为春季和冬季高、夏季和秋季低;茅尾海茳芏生产力主要受氮元素限制,但磷元素的作用不可忽视。
关 键 词:茅尾海;茳芏;氮磷循环;季节动态
中图分类号:X173;X55 文献标识码:A 文章编号:1672-5948(2012)04-467-07
滨海盐沼处于海洋和陆地两大生态系统的过
渡地带,被海水周期性淹没,是一种具有较高草本
或低灌木植物覆盖的湿地生态系统[1~3]。盐沼植物
是潮间带生态系统主要的初级生产者,并具有抵
御风暴潮灾害、过滤污染物、净化海水、促淤护岸
和为野生动植物提供适宜生境等多种重要的生态
功能[4,5]。
盐沼生态系统的物质循环研究是当今该领域
研究的热点之一。其中,碳、氮、磷元素循环是现
代湿地科学前沿领域研究的关键问题[6~8]。对碳、
氮、磷元素在盐沼植物群落中的积累、动态变化和
循环的研究有助于深入研究盐沼生态过程和生态
机理,可以为盐沼的合理开发、利用和退化生态系
统的恢复提供重要的理论依据[9]。
中国的盐沼湿地主要集中在北部和东部沿
海,有关南部沿海盐沼湿地的研究较少。原生盐
沼植物是未来盐沼生态保护和恢复的重要选择,
然而中国东南沿海有关原生盐沼植物的研究极
少。本文以茅尾海原生盐沼植物茳芏(Cyperus ma⁃
laccensis)以及研究区内沉积物为研究对象,分析其
生物量和碳、氮、磷元素的季节变化,探讨茳芏对
碳、氮、磷元素的吸收及变化规律,旨在为研究东
南沿海滨海湿地生态系统植物的养分循环机制提
供基础数据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
广西茅尾海(21°46′N~21°54′N,108°28′E~
108°37′E)地处北部湾三大海湾之一——钦州湾
的顶部,是以钦江、茅岭江为主要入湾径流的河
口滨海湿地,面积约135 km2。研究区气候为南亚
热带季风气候,年平均气温为 22.1 ℃,年降水量
为2 170.9 mm,年平均相对湿度为81%[10]。茅尾海
有大片沙质和泥质浅滩,形成了丰富的海岸滩涂
资源。茅尾海具有典型的红树林生态系统,植物
群落主要有桐花树(Aegiceras corniculatum)群落、茳
芏群落、桐花树—茳芏群落、桐花树—短叶茳芏
(Cyperus malaccensis var. brevifolius)群落。其中,茳
芏常形成单优势种群,且分布范围较广。茳芏群
落分布于潮间带滨海湿地,生长区一年四季积
收稿日期:2012-05-28;修订日期:2012-10-23
基金项目:广西科学院基本科研业务费项目(10YJ25HS04、12YJ25HS15)、广西北部湾基础研究重大专项项目(2010GXNSFE013002)和广
西红树林保护重点实验室基金项目资助。
作者简介:潘良浩(1986-),广西壮族自治区梧州人,实习研究员,主要从事滨海湿地生态学方面的研究。E-mail:panlh86@163.com
*通讯作者:范航清,研究员。E-mail:fanhq666@126.com
第10卷第4期 湿 地 科 学 Vol.10 No.4
2012年12月 WETLAND SCIENCE Dec. 2012
DOI:10.13248/j.cnki.wetlandsci.2012.04.007
水,涨潮时茳芏被水淹没,退潮时露出水面。
1.2 样方设置与采样时间
根据前期调查结果,设置样地A和样地B。样
地A为茳芏天然生长区,样地B为人工种植区(图
1)。样地A共设 3个断面,分别在每个断面的内
滩、中滩和外滩各设1个样方,共设9个样方,每个
样方面积为50 cm×50 cm。样地B共设3个断面,
根据水体的盐度梯度设置断面,每个断面设1个具
有代表性的样方,共设3个样方,每个样方面积为
50 cm×50 cm。样方总数为12个,采样时尽量避免
选择群落的边缘。
图 1茅尾海茳芏样方设置示意图
Fig. 1 The distribution and sampling sites of
Cyperus malaccensis in Maoweihai
注:A1-1、A2-1、A3-1为内滩,A1-2、A2-2、A3-2为中滩,A1-3、
A2-3、A3-3为外滩。
茳芏主要分布于内滩,使用手持麦哲伦GPS
进行绕测时,遵循纳入绕测的草斑必须相连成片
且面积  50 m2、相邻草斑之间的空白距离  3 m
的原则,中滩和外滩的天然斑块难以绕测,因此在
样方设置图上未能完全显示中滩和外滩的斑块,
实际中低潮滩采样点都处于天然茳芏群落中。
茳芏天然生长区和人工种植区的茳芏群落全
年平均密度分别为268株/m2和255株/m2,相对应
的茳芏高度为118 cm和140 cm。
植物的采样时间为 2010年 1月 21~26日、4
月 13~19日、7月 11~15日和 10月 21~25日,代
表一年的四季。沉积物的采样时间为 2010年 7
月 11~15日。样品采集回来后马上进行处理和
测定。
1.3 植物和沉积物样品采集及处理
茳芏植物样品和沉积物样品的采集时间都安
排在退潮期间,在此期间茳芏群落都露出水面,沉
积物采集的时候会有少量积水。
茳芏地上部分样品采集:采用收获法齐地面
刈割采集,将采集的样品放入编好号的聚乙烯封
口袋中,带回实验室处理。茳芏地下部分样品的
采集:预实验发现,茳芏地下部分绝大部分分布在
地下 0~30 cm处,因此挖取深度为 0~30 cm,并
且对地下部分的采集不分多层次取样。先将土壤
表面的残落物和杂质清除干净,挖取茳芏地下部
分。茳芏地下部分样品采集后,就近用水洗去样
品上的泥后,放入聚乙烯封口袋中,带回实验室。
在调查中发现,茳芏凋落物在夏季、秋季和冬
季3个季节非常少,春季略多,但春季时茳芏干枯
部分倒伏并紧贴地面,对新生苗的地上生物量采
集几乎无影响,因此本实验未收集茳芏植物凋落
物。
沉积物的采集与植物采样同步进行,在收获
植物样后,先将土壤表面的残落物和杂质清除干
净,然后在 0~30cm取沉积物样,取湿样约 1 kg,
放入编好号的封口袋中,带回实验室。
将植物样品在称量干重后,四分法取样,用粉
碎机对植物干样进行粉碎,过 0.25 mm尼龙筛[7],
放入样品瓶待测。沉积物样品带回实验室后,放
在阴凉处风干剔除根系及动物残体,然后使用四
分法取样,把样品磨碎,过120目筛,放入样品瓶内
待测。
1.4 植物和沉积物元素测定
采用重铬酸钾氧化—还原容量法测定植物及
沉积物中有机碳(Oragnic Carbon,OC)的含量。采
用凯氏滴定法测定全氮(Total Nitrogen,TN)的含
量。采用钼锑抗比色法测定全磷(Total Phospho-
rus,TP)的含量[11]。
1.5 数据处理
数据的统计分析使用 MS Excel2007 和
SPSS17.0软件,采用单因素方差分析 (one-way
ANOVA)和最小显著差异法(LSD),或者Tamhane’
s T2检验比较不同数据组间的差异,用Pearson相
关系数评价不同因子间的关系。
湿 地 科 学 10卷468
2 结果与分析
2.1 茳芏植株及沉积物中元素含量及其季节变化
2.1.1 茳芏植株中有机碳含量、全氮含量和全磷含
量的分布及季节变化
茳芏地上部分的有机碳含量在 365.9~447.4
mg/g之间变化,有机碳含量在春季和冬季低,夏季
和秋季高,且有机碳含量在夏季和秋季显著高于
春季和冬季(n=12, p<0.01),春季和冬季、夏季和
秋季之间则无显著差别(n=12, p>0.05);茳芏地下
部分的有机碳含量在 353.0~416.9 mg/g之间变
化,其季节动态变化表现为,有机碳含量在春季和
夏季高,而秋季和冬季低,秋季开始减少,夏季最
高,显著高于秋季和冬季(n=12, p<0.01),也显著
高于春季(n=12, p<0.05),秋季和冬季之间则无明
显差异;比较茳芏地上部分的有机碳含量与地下
部分的有机碳含量发现,除秋季地上部分的有机
碳含量显著高于地下部分外(n=12, p<0.05),其余
季节二者无明显差异(表 1)。这与闽江河口盐沼
有机碳含量的季节变化规律一致[12]。
表1 2010年茅尾海茳芏有机碳含量、全氮含量和全磷含量
Table 1 Total organic carbon, total nitrogen, and total phosphorus of Cyperus malaccensis
in Maoweihai in 2010
季 节
春季(4月13~19日)
夏季(7月11~15日)
秋季(10月21~25日)
冬季(1月21~26日)
茳芏地上部分
有机碳含量
(mg/g)
365.9±24.9
441.0±21.7
447.4±59.1
370.4±21.3
全氮含量
(mg/g)
10.58±0.83
6.91±0.73
6.23±1.39
7.47±2.12
全磷含量
(mg/g)
1.79±0.35
1.06±0.19
1.07±0.24
1.03±0.42
茳芏地下部分
有机碳含量
(mg/g)
382.0±56.1
416.9±46.0
367.6±36.0
353.0±42.0
全氮含量
(mg/g)
5.67±1.76
4.46±1.25
3.18±0.52
5.05±1.49
全磷含量
(mg/g)
1.37±0.30
0.96±0.31
1.01±0.26
1.35±0.32
茳芏地上部分的全氮含量在6.23~10.58 mg/g
之间变化。其全氮含量在春季最高,夏季开始下
降,秋季最低,冬季略有回升;春季全氮含量显著
高于其余3个季节(n=12,p<0.01),夏季、秋季和冬
季 3个季节无明显差异。茳芏地下部分的全氮含
量在 3.18~5.67 mg/g之间变化,呈现出与地上部
分全氮含量相似的变化规律;全氮含量在春季、夏
季和冬季较高,而在秋季最低。方差分析显示,秋
季茳芏地下部分的全氮含量极显著低于春季和冬
季 (n=12,p<0.01),也显著低于夏季 (n=12, p<
0.05),春季、夏季和冬季的全氮含量则无明显差
异;茳芏地上部分的全氮含量都显著大于地下部
分的含量(n=12, p<0.01)。
茳芏地上部分的全磷含量在 1.03~1.79 mg/g
之间变化,其春季含量最高,夏季开始下降,并在
秋季和冬季保持稳定;春季全磷含量显著高于其
余 3个季节(n=12, p<0.01),其他 3个季节的全磷
含量无明显差异。茳芏地下部分的全磷含量在
0.96~1.37 mg/g之间变化,全磷含量在春季和冬
季较高,夏季和秋季较低。方差分析显示,春季和
冬季全磷含量显著高于夏季(n=12, p<0.01)和秋
季(n=12, p<0.05),夏季和秋季的全磷含量无明显
差异;春季地上部分的全磷含量显著高于地下部
分(n=12, p<0.01),冬季地上部分的全磷含量则显
著低于地下部分(p<0.01),其他两个季节植物地
上与地下部分的全磷含量无明显差异。
茳芏的N/P有明显的季节变化,其比值都小
于14(图2)。茳芏地上部分的N/P在5.9~7.6之间
变化,冬季最大,其他3个季节之间无明显差异;茳
芏地下部分的N/P在 3.4~4.9之间变化,夏季最
大,显著大于秋季(n=12, p<0.01),也显著大于冬
季(n=12, p<0.05),但和春季无显著差异;茳芏地
上部分的 N/P都显著大于地下部分 (n=12, p<
0.01)。
2.1.2 茳芏植株平均有机碳含量、平均全氮含量、
平均全磷含量及积累动态
植物群落中营养元素的积累与分配主要取决
于植物现存生物量的积累以及各组分中营养元素
3期 潘良浩等:茅尾海茳芏及沉积物有机碳、全氮、全磷分布特征与季节动态 469
的含量。根据茳芏各部位元素的含量以及相应时
期的生物量计算各部位元素的积累量;各元素的
总积累量除以茳芏地上总生物量,即为茳芏地上
部分的平均氮、磷元素含量。
图2 2010年茅尾海茳芏的氮磷比
Fig.2 The N/P of Cyperus malaccensis in Maoweihai in 2010
茳芏植株的平均有机碳的含量在 363.7~
434.4 mg/g之间变化,春季和冬季的平均有机碳含
量低,夏季和秋季高。方差分析表明,平均有机碳
的含量在夏季(434.4 mg/g)和秋季 (420.8 mg/g)显
著高于春季 (377.8 mg/g)和冬季 (363.7 mg/g) (n=
12, p<0.01) (表 2)。这表明茳芏在生长最旺盛期
和成熟期植株内,有机碳的含量比生长初期和生
长末期高。
茳芏的平均全氮和全磷含量的季节变化基本
一致,都为春季最高,且春季含量显著高于其他季
节(n=12, p<0.01),这表明在春季茳芏生长初期,
茳芏对氮、磷的需求最大。
茳芏地上部分有机碳的积累量在 0.18~1.24
kg/m2之间变化,夏季、秋季和冬季的积累量明显
大于春季;茳芏地下部分的积累量在 0.34~0.56
kg/m2之间变化,与地上部分的积累规律不同的
是,地下部分的积累量在春季、夏季和秋季几乎一
致,在冬季最大(图3)。
图3 2010年茅尾海茳芏有机碳的积累量
Fig.3 Accumulation of organic carbon of Cyperus
malaccensis in Maoweihai in 2010
茳芏地上部分、地下部分和整个植株的全氮、
全磷积累的季节变化规律基本一致,都为春季和
秋季低、夏季和冬季高(图4,图5)。茳芏地上部分
全氮积累量为 5.3~19.4 g/m2,地下部分全氮的积
累量为3.0~8.0 g/m2;茳芏地上和地下部分的全磷
积累量分别为0.90~2.97 g/m2和0.93~2.15 g/m2。
通常情况下,湿地植物的生物量具有很高的
根冠比。一般地下部分是营养元素积累的主要器
官,但本研究中茳芏地上部分的全氮、全磷的积累
量始终显著高于地下部分,但在冬季此趋势不明
显,这与茳芏根冠比前3个季度较小,而冬季较大
这一特征有关。茅尾海茳芏地上部分氮、磷元素
的积累量大于地下部分,这一规律与闽江河口互
花米草[14]对氮、磷元素的积累规律一致。
表2 2010年茅尾海茳芏植株的平均有机碳含量、平均全氮含量和平均全磷含量
Table 2 The average content of total organic carbon, total nitrogen, and total phosphorus of
Cyperus malaccensis in Maoweihai in 2010
季 节
春季(4月13~19日)
夏季(7月11~15日)
秋季(10月21~25日)
冬季(1月21~26日)
平均有机碳含量(mg/g)
377.80±42.36
434.40±19.32
420.80±40.54
363.70±25.89
平均全氮含量(mg/g)
7.2777±1.3904
6.2624±0.7031
5.2622±0.8344
6.2792±1.1903
平均全磷含量(mg/g)
1.5181±0.2637
1.0290±0.2020
1.031.±0.2190
1.1550±0.3290
湿 地 科 学 10卷470
图4 2010年茅尾海茳芏全氮的积累量
Fig.4 Accumulation of total nitrogen of Cyperus malaccensis
in Maoweihai in 2010
图5 2010年茅尾海茳芏全磷的积累量
Fig.5 Accumulation of total phosphorus of
Cyperus malaccensis in Maoweihai in 2010
总之,茳芏植株平均全氮含量和积累量都显
著大于平均全磷含量和积累量(n=12, p<0.01)。
这与其他研究区的盐沼植物全氮和全磷的分布和
积累规律类似[7,13,14~17]。
2.2 沉积物元素含量
通过测定,可以得到茅尾海茳芏沉积物中各
元素含量及N/P。茅尾海茳芏沉积物中,有机碳的
含量为(17.1±6.1) mg/g,全氮的含量为(1.20±0.23)
mg/g,全磷的含量为(0.04±0.01)mg/g,N/P为(31.4±
10.4)。与中国东部沿海的盐沼[5,18~21]沉积物碳、氮、
磷含量的对比发现,茅尾海茳芏土壤中的有机碳
含量和全氮含量高,而全磷含量低。
3 讨 论
3.1 茳芏植株中有机碳、全氮和全磷的含量变化
本研究中,茳芏全氮的平均含量低于闫芊等
对崇明东滩芦苇的全氮含量[18],以及曾从盛等对
闽江河口芦苇、互花米草及苏北潮滩湿地植物测
定的全氮含量[13,19],茳芏全磷的平均含量与闽江河
口芦苇、互花米草以及苏北潮滩湿地植物全磷含
量差异不大[13,19],但低于钦佩对互花米草植株的测
定值[20]。茳芏对氮元素的积累量明显小于闽江河
口[18]芦苇和茳芏氮的积累量,对磷元素的积累量
则相差不大;与苏北潮滩湿地[19]不同植物类型比
较,茳芏全氮和全磷的积累量显著小于苏北潮滩
的互花米草和芦苇植物,但大于盐蒿植物。
茅尾海茳芏种群有机碳、全氮和全磷含量表
现出一致的变化,即地上部分的含量大于地下部
分的含量。茳芏的地上部分是进行光合作用的部
位,是新陈代谢和生产活动比较旺盛的部位,而茳
芏的地下部分(包括地下茎和须根)是贮藏器官,负
责供给地上部分的养分,所以元素含量低。因此,
地上部分碳、氮、磷元素的含量大于地下部分的含
量是茳芏各元素含量分布的共同特点。
茳芏植株内氮、磷元素含量的季节变化规律
也具有一定的相似性,表现为春季和冬季高,夏
季和秋季低。地上茎、叶在生长初期,特别是春
季,迅速生长,对营养元素的需求量大,植株内
氮、磷的含量为全年的最大值,之后逐渐下降,有
时出现微小波动。夏季和秋季地上部分氮、磷的
含量是全年中最小值,这是因为生长旺盛季节,
地上生物量迅速增加,植物体不断扩大,细胞逐
渐老化,纤维物质增加,其氮、磷含量表现出“稀
释效应”[22~24]。这与三江平原湿地植物各器官中营
养元素浓度季节变化[7]、闽江河口湿地植物[16]比较
得到的规律一致。
N/P比在养分循环和生态系统功能上的研究
极为重要,通过植物植株内N/P比变化可以监测
土壤养分的有效性和说明植物生长的限制营养因
子[25~27]。一般来说,当N/P比小于 14时,氮元素是
植物生长的限制因子,而N/P比大于16时,磷元素
是植物生长的限制因子[25]。本研究中,茳芏各部
位各季节的N/P比都小于 14,说明茳芏生产力主
要受氮元素限制。由于河口湿地是较为特殊的生
态系统类型,植物对氮、磷的吸收不仅取决于植物
对土壤氮、磷的有效吸收,还取决于水体氮、磷的
供给。此外,植物的生产力还受众多因子如潮汐、
气候以及植物类型的演替等综合影响[6,13,15,16],这些
都需要在今后进一步加深研究。
3期 潘良浩等:茅尾海茳芏及沉积物有机碳、全氮、全磷分布特征与季节动态 471
3.2 茳芏植株与沉积物有机碳、全氮和全磷含量
的关系
本研究中,茳芏土壤全磷的含量均小于中国
华东地区滨海盐沼植物下土壤含量,而茳芏植株
内全磷的含量和积累量与部分植物相当[28~32],同时
植物净初级生产与土壤全磷的含量,植物全磷的
含量与土壤全磷的含量之间都呈显著的正相关,
表明本研究中土壤全磷含量对茳芏的生长起着重
要的作用。
N/P比的分析表明茅尾海茳芏的生长主要受
氮元素的限制,因此,在茳芏移植的过程中,适当
增加氮的含量,可有助于茳芏的生长。但是在目
前的营养水平下,土壤磷元素的含量对茳芏的生
长和分布同样起着重要的作用。
4 结 论
2010年 1月、4月、7月和 10月对茅尾海茳芏
的有机碳含量、全氮含量和全磷含量进行采样研
究,结果表明,茅尾海茳芏种群地上部分的有机碳
含量、全氮含量和全磷含量都高于其地下部分的
有机碳含量、全氮含量和全磷含量。茅尾海茳芏
有机碳含量的季节变化规律为春季和冬季低,夏
季和秋季高,全氮和全磷含量的季节变化规律表
现为春季和冬季高,夏季和秋季低。
茅尾海茳芏的生产力主要受氮元素的限制,
但同时沉积物中磷元素的含量对茳芏的生长和分
布同样起着重要的作用。磷元素对茅尾海茳芏生
长季节变化的影响需考虑水体、沉积物、气候及植
被类型的综合影响。
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Distribution Characteristics and Seasonal Dynamics of Organic Carbon,
Total Nitrogen, Total Phosphorus of Cyperus malaccensis
and Sediments in Maoweihai Bay
PAN Liang-hao1,2, WEI Jiang-ling1,2, CHEN Yuan-song1,2, ZENG Cong1, FAN Han-qing1,2
(1.Guangxi Mangrove Research Center, Beihai 536000, Guangxi, P.R.China;2.College of Forestry, Guangxi University,
Nanning 530005, Guangxi, P.R.China)
Abstract: To understand the nutrient cycling mechanism of plants in southeast coastal wetland ecostystem,
samples of Cyperus malaccensis Lam. in Maoweihai bay, had been collected in January, April, July and Octo-
ber in 2010, and their organic carbon, total nitrogen, total phosphorus content and biomass had also been eval-
uated and analysed. The results showed that, the organic carbon, total nitrogen and total phosphorus content in
aboveground part of Cyperus malaccensis was higher than underground part. The organic carbon content was
low in Spring and Winter but high in the rest. But total nitrogen, total phosphorus content was opposite. The
productivity of Cyperus malaccensis Lam. in Maoweihai bay was mainly limited by total nitrogen, but the ef-
fect of phosphorus could not be ignored.
Keywords: Maoweihai bay; Cyperus malaccensis; nitrogen and phosphorus cycle; seasonal dynamic
3期 潘良浩等:茅尾海茳芏及沉积物有机碳、全氮、全磷分布特征与季节动态 473