黄河三角洲盐地碱蓬湿地矿质元素分布特征及影响因子研究.pdf

第 39 卷 第 5 期2023 年 10 月天 津理工大学学报JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.39 No.5Oct.2023收稿日期:2022-12-09;修订日期:2023-03-10基金项目:国家自然科学基金(41303057);天津市应用基础与前沿技术研究计划项目(14JCYBJC23000)DOI:10.3969/j.issn.1673-095X.2023.05.008黄河三角洲盐地碱蓬湿地矿质元素分布特征及影响因子研究李琳,滕怡敏,李召阳,游冲,刘福德,李德生(天津理工大学 环境科学与安全工程学院,天津 300384)摘要:以黄河三角洲滨海潮间带和潮上带盐地碱蓬为研究对象,对土壤-植物系统中矿质元素的含量特征进行研究,并结合土壤理化性质揭示影响矿质元素分布和迁移的环境因子。结果显示:不同矿质元素在盐地碱蓬中的含量顺序依次为 Na,N,Mg,K,Ca,Fe,P,Mn,Zn 和 Cu。除 P 和 K 外,其他矿质元素在不同器官中的差异显著(p0.05),其中,叶中的 N,Na,Ca 和 Mg 等元素含量大于茎和根中的,根中的 Cu 元素含量大于茎和叶中的,而茎中的Fe,Mn 和 Zn 等元素含量大于根和叶中的。土壤中除 N,P 和 K 等生命元素外,潮间带其他矿质元素含量均大于潮上带,盐地碱蓬对 N,P,Na 和 Mg 的富集系数较高,说明其对滨海湿地氮磷污染物去除及盐碱地改良具有显著作用。关键词:矿质元素;黄河三角洲;滨海湿地;盐地碱蓬中图分类号:Q148 文献标识码:A 文章编号:1673-095X(2023)05-0049-07Study on distribution characteristics of mineral elements and their influencing factors in Suaeda salsa wetlands of the Yellow River DeltaLI Lin,TENG Yimin,LI Zhaoyang,YOU Chong,LIU Fude,LI Desheng(School of Environmental Science and Safety Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China)Abstract:Taking Suaeda salsa wetland in the coastal intertidal zone and the supratidal zone of the Yellow River Delta as the research object,the content characteristics of mineral elements in soil plant continuum are studied,and the environmental factors affecting the distribution and migration of mineral elements combined with soil physical and chemical properties are revealed.The results show that the order of contents of different mineral elements in the Suaeda salsa is Na,N,Mg,K,Ca,Fe,P,Mn,Zn and Cu.Except life elements of P and K,other mineral elements in different plant organs are significant differences(p0.05),wherein,elements such as N,Na,Ca and Mg n leaves is higher than that in stems and roots,while the content of Cu in roots is higher than that in stems and leaves,while the content of elements such as Fe,Mn,and Zn in stems is higher than that in roots and leaves.Except life elements of N,P and K in the soil,other mineral elements in the intertidal zone is higher than that in the supratidal zone.Suaeda salsa has a higher enrichment coefficient for N,P,Na,and Mg,indicating that it has a significant effect on the removal of nitrogen and phosphorus pollutants in coastal wetlands and the improvement of saline alkali lands.Key words:mineral elements;yellow river delta;coastal wetlands;suaeda salsa 盐地碱蓬是一年生的藜科碱蓬属草本植物,主要分布在亚洲及欧洲,在我国广泛分布于内蒙古地区、东北地区、河北地区、江苏地区和山东地区等,作为滨海和盐碱地区重要先锋植物1。盐地碱蓬有独特的天津理工大学学报第 39 卷 第 5 期耐逆机制,使得其具有耐盐碱、耐旱与耐涝等特性,能够吸收土壤中的大量可溶性盐类、降低盐土含盐量、增强土壤理化性状和增加土壤有机质及总氮含量,从而达到改善土壤和生态环境的效果2。近年来,诸多学者对盐地碱蓬的食用价值、生态价值与经济价值进行了大量深入的研究 3。但关于盐地碱蓬体内矿质元素的吸收、累积及与环境影响因子关系的研究却鲜有报道。矿质元素是生态系统发挥其功能的物质基础和植物生长发育的主要资源,与自然环境因素(光、温、水和大气)和植物遗传的生物学因子共同作用,构成了自然界中不同植被的种群结构,也决定了不同生态条件下植物生长发育过程中的能量流动与物质循环4。矿质元素在植物体各器官中分布的差异,一方面受各器官代谢水平和生理活动的影响;另一方面与元素本身的迁移和转化等特性有关5。为进一步了解盐地碱蓬湿地矿质元素在土壤-植物连续系统内的运移特征及其影响因子,文中以黄河三角洲不同湿地生境中的盐地碱蓬为研究对象,研究矿质元素在盐地碱蓬不同器官和湿地土壤中的空间分布规律,并结合土壤理化性质探讨盐地碱蓬对矿质元素的富集与分布和迁移的影响因子,为滨海地区盐碱地和退化湿地生态修复工具物种的栽培与管理提供科学依据,同时可探索建立不同生境条件下滨海湿地的管理模式及可持续开发利用与保护。1 材料与方法1.1 研究区概况研究区域地处我国山东省东营市黄河三角洲地区(东经 11851 11912,北纬 3645 3756),年室内平均温度为 11.90,无霜期为 169 天,一年的平均降水量约为 65 mm,多集中在春夏季,主要占据全国常年降水量的 65%,是暖温带大陆性季风气候,全年平均日照总时数为 2 728 h,年平均蒸发量为1 885 mm。黄河三角洲湿地总面积大约为 6.2104 km2,是我国发育最快的湿地,也是保存相对完整的湿地。黄河三角洲是鸟类迁徙的中转站,但最近几年,随着我国的快速发展,黄河附近工业、农业及生活用水需求增高,导致黄河下游水量变少,影响地上自然水与河流水间的交换,造成部分湿地区域萎缩和生物多样性减少等一系列环境生态问题6。1.2 样品的采集与预处理土壤与植物样品采集于 2018 年 8 月的黄河三角洲地区。在潮间带与潮上带处选择盐地碱蓬为优势物种的群落。设置 6 个沿平行海岸方向 1 m1 m 的样方,每一个样方间的间隔为 60 m。将所有植物都用工具挖出,处理好植物根部,将泥土分开后,装入纸袋中并编号,用环刀先采集植株下部 010 cm,1020 cm 和 2030 cm 土层的土壤,将其装入自封袋内并编号。将采到的植物样品用蒸馏水冲洗表层土壤与根系中的泥沙后,将植株根部、茎和叶片等进行分开,分别装入自分别装的纸袋。在烘干箱 105 下自然杀青,约 30 min 后改在 65 下自然烘烤至恒重。土试样则在实验室中自然风干至恒重后,去除其中的杂物,并将土试样抛光研磨过 100 目土壤筛,最后装入自封袋中编号备用。1.3 植物和土壤样品的矿质养分的测定采用元素分析仪(Varro-EL,德国)测定土壤中 C 元素含量及 N 元素含量与植物中 N 元素含量;采用电杆偶尔等离子发射光谱仪 ICP-OES(VISTA-MPX,美国)测定植物与土壤中其他矿质元素含量;火焰原子吸收分光光度计测定 K 元素含量和 Na 元素含量;采用 pH 计(Delta320,瑞士)测定土壤的 pH值;采用残渣烘干法测定土壤的盐度;采用重铬酸钾外加热法测定土壤中有机质含量。1.4 数据处理采用 Excel 软件对所有土壤样品和植物样品中矿质元素的数据进行计算和预处理;采用 Originpro 软件进行绘图,图中矿质元素所有数值均为多点的平均值,并用平均值标准误差的方式表示;采用 SPSS软件对土壤数据和植物样品中矿质元素含量数据进行单因素和双因素方差分析。2 结果分析与讨论2.1 不同湿地生境矿质元素在盐地碱蓬不同器官中的分布不同湿地盐地碱蓬器官中矿质元素的分布如图 1所示。05 2023 年 10 月李琳,等:黄河三角洲盐地碱蓬湿地矿质元素分布特征及影响因子研究图 1 不同湿地盐地碱蓬器官中矿质元素的分布Fig.1 Distribution of mineral elements in organs of Suaeda salsa in different wetlands由图 1 可知,不同矿质元素在盐地碱蓬中含量差异显著(p0.05),K 元素在茎与叶中差异不显著外(p0.05),剩余矿质元素在不同器官中均差异显著(p0.05),且其规律不尽相同。盐地碱蓬中叶的Na,Ca,Mg,N 和 P 元素含量大于茎和根中的,根中的 K 和 Cu 元素含量大于茎和叶中的,而茎中 Fe,Mn 和 Zn 等重金属元素含量大于根和叶中的。盐地碱蓬不同器官各矿质营养元素的分布规律不尽相同,其含量有明显的分布差异8。盐地碱蓬中叶的 Na,Ca,Mg,N 和 P 元素含量大于茎和根中的,根部 K 含量大于其他器官,诸多重要生理过程都与 K 密切相关9,这与文献 10 研究结论相一致,其原因可能是盐地碱蓬获得光照相对较少,而根系有较高的活跃程度。盐地碱蓬其他器官 K 元素含量低于根部,Cu 元素含量在根部最高,而茎中 Fe,Mn 和 Zn等重金属元素高于根和叶中的,这与 Trnkner11等研究一致。因此,在新陈代谢旺盛的叶和根中矿质营养元素含量较高,而在支持和输导组织发达的茎中含量较少,但对于盐地碱蓬所必需的微量重金属元素 Fe,Mn 和 Zn 来说,茎中含量较高,叶中含量最低。2.2 不同湿地生境土壤中矿质元素的分布不同盐地碱蓬湿地土壤中矿质元素的分布如图 2所示。由图 2 可知,矿质元素在不同生境的含量大都存在明显差异(p0.05)。潮间带 Na,Ca,Mg,Mn,Fe,Zn 和 Cu 元素含量显著大于潮上带(p0.05),且其同一生境土壤的不同分层之间差异较小;而潮间带 N 和 P 元素含量却显著低于潮上带(p0.05),且土壤不同分层间有差异;黄河三角洲新生湿地磷素的矿化程度较低,且 P 元素倾向于在土壤中停留或累积,不容易为盐地碱蓬所吸收12-13使得湿地土壤与盐地碱蓬中 P 元素含量较小。黄河三角洲不同生境潮间带与潮上带之间差异显著,潮间带受海水作用强烈,与土壤盐渍化相关的金属元素如 Na,Ca 和 Mg等也不容忽视,且受潮汐影响和蒸发作用,潮间带土壤 Na 元素含量明显高于潮上带。K 元素含量在潮间带、潮上带及不同分层土壤中差异均相对较小;土壤里不同矿质元素的含量依次表现为 Ca,Fe,Na,K,Mg,N,Mn,P,Zn 和 Cu。金属元素 Mn,Fe,Zn和 Cu 的主要来源为黄河泥沙输入、海水输入(通过潮汐和海水入侵等途径)14,因此,潮间带 Mn,15天津理工大学学报第 39 卷 第 5 期Fe,Zn 和 Cu 元素含量显著高于潮上带。潮间带与潮上带盐地碱蓬矿质元素差异较大的原因为其生长区域差异显著。图 2 不同盐地碱蓬湿地土壤中矿质元素的分布Fig.2 Distribution of mineral elements of soils in different Suaeda salsa wetlands2.3 不同湿地生境土壤的理化性质不同盐地碱蓬湿地的土壤理化性质如图 3 所示。由图 3 可知,潮间带土壤碳含量、土壤盐度和土壤有机质含量显著大于潮上带(p0.05)。碳含量和 pH 值在土壤不同分层中差异较小,其中,土壤盐度和有机质含量在土壤不同分层中有显著差异(p0.05)。图 3 不同盐地碱蓬湿地的土壤理化性质Fig.3 Physical and chemical properties of soil in different Suaeda salsa wetlands2.4 盐地碱蓬对土壤中矿质元素的富集与转移盐地碱蓬对土壤矿质元素的吸收富集能力用富集系数表示7-8为:Ef=Pe/Se(1)式中:Ef为富集系数;Pe为植物体内某种元素的浓度;Se为土壤中该元素的浓度。盐地碱蓬体内元素的迁移效果用转移系数表示9为:Tf=CL/CR(2)式中:Tf为转化系数;CL为植物叶中某种元素的浓度;CR为植物根中某种元素的浓度。盐地碱蓬对土壤中矿质元素的吸收积累能力与对元素中的需求量有关,也与土壤中该元素的含量与存在形态等有关。而元素的存在形态受众多因素影响,由图 4a 可知,盐地碱蓬各器官对 Na,N 和 P 元素的富集系数大于 1,表明盐地碱蓬对 Na,N 和 P 有较强的吸收积累富集能力。盐地碱蓬对土壤矿质元素的吸收富集系数取决于盐地碱蓬对矿质元素的需求量,同时也与土壤中该元素的含量和存在状态有关。由于黄河三角洲湿地土壤中的 Fe 元素含量过高,使得盐地碱蓬体内 Fe 元素的富集系数偏低。盐地碱蓬对 Na,N 和 P 元素有较强的吸收富集能力,前文提到 Na 元素是滩涂湿地土壤盐分的最主要成分,因此,盐地碱蓬对 Na 元素的高富集能力使得盐地碱蓬对于盐碱地的改良具有重要意义,这与杨策等15研究结论相一致,其研究发现种植盐地碱蓬能明显降低滨海重盐碱25 2023 年 10 月李琳,等:黄河三角洲盐地碱蓬湿地矿质元素分布特征及影响因子研究地的土壤含盐量,除植株吸收带走部分盐分外,更重要的是通过盐地碱蓬的生长能改善土壤结构、加速土壤水分入渗和促进土壤盐分的淋洗。盐地碱蓬对于 N和 P 元素的高富集系数既表明其在营养元素含量较低的滨海湿地生境中形成的一系列适应性策略16,又表明其可以用作海岸带氮磷污染物去除的工具物种。盐地碱蓬的根部对 Mg 元素的富集系数比较低,但对叶和茎中 Mg 元素的富集系数均大于 1,表明茎和叶对 Mg 元素有较强的吸收富集能力,但其根部富集能力较差。盐地碱蓬各器官富集情况表明,富集系数的大小与各矿质元素在盐地碱蓬不同器官中的分布规律一致。图 4 盐地碱蓬对土壤中矿质元素的富集系数及转移系数Fig.4 Enrichment coefficient and transfer coefficient of mineral elements in soil by Suaeda salsa矿质元素在植物体内的分布与矿质元素在植物体内的迁移密切相关,植物通过根部将元素从土壤中吸收,一些矿质元素在根部与有机物等形成螯合物,被吸附在根系表面或储存在根部细胞内;另一些则会通过共质体运输进入木质部,与其中的有机酸或氨基酸络合,并以络合态在木质部中运输至叶肉细胞。盐地碱蓬的转移系数如图 4b 所示,其中转移系数大于 1的元素包括 Mg,Ca 和 Na,表明在盐地碱蓬种植期间,较高浓度的 Mg,Ca 和 Na 元素被盐地碱蓬从根部转移到叶片中储存,其他矿质元素的转移能力较弱,均小于 1。徐笠等17研究表明,茎叶类中 As 和Cd 等重金属迁移系数均大于根类。张敏18研究发现,土壤中的 Fe2+和 Mn2+会因植物根系泌氧作用在植物根表形成胶膜,该胶膜对重金属具有吸附和吸收能力,因此,对重金属在土壤-植物中迁移产生显著影响。所以,盐地碱蓬环境适应能力较强,可作为盐渍土改良和污染修复的工具物种。2.5 生境和植物器官对矿质元素分布的影响生境和盐地碱蓬器官对矿质元素的多因素方差分析如表 1 所示。表 1 生境和盐地碱蓬器官对矿质元素的多因素方差分析Tab.1 Multivariate analysis of variance(habitat and organ)矿物质营养素生境器官生境和器官Na5.3124.94 3.01K48.88 80.56 60.98 N455.49 60.32 57.55 Ca0.34158.79 24.53 Mg0.81390.4 0.98Fe70.77 7.92 4.93P115.99 6.5714.68 Mn41.96 8.35 18.10 Zn52.23 21.67 21.23 Cu15.85 115.77 0.49 注:和分别表示 p0.01 及 p0.05 的显著差异性。由表 1 可知,盐地碱蓬不同器官对矿质元素均有显著或极显著影响(p0.05),而不同生境对 Ca,Mg 和 Fe 元素含量的影响不显著,但对其余矿质元素有显著影响(p0.05)。生境和器官间存在交互作用,生境和器官对 Na,Cu 和 Mg 元素含量没有显著影响,但对剩余矿质元素影响显著(p0.05)。2.6 土壤理化性质对盐地碱蓬矿质元素分布的影响文中采用冗余分析方法探究土壤理化质对盐地碱蓬矿质元素分布的影响。为获得更准确的结果,首先需对土壤的理化性质进行蒙特卡洛检验并排序,结果显示土壤的理化性质对盐地碱蓬矿质元素分布影响的重要值 F 的顺序依次为土壤碳含量、土壤盐度、土壤35天津理工大学学报第 39 卷 第 5 期磷含量、土壤有机质、土壤氮含量和 pH 值,如表 2所示。表 2 土壤理化性质解释盐地碱蓬矿质元素的重要性排序Tab.2 Soil physical and chemical properties explain importance of mineral elements in Suaeda salsa Pall理化性质重要性排序百分比/%重要值 Fp 值土壤碳含量123.810.6480.002土壤盐度220.08.4780.002土壤磷含量319.07.9930.002土壤有机质412.24.7140.004土壤氮含量54.71.6650.172pH 值63.21.1180.368 由图 2 可知,土壤碳含量、土壤盐度、土壤磷含量、土壤有机质的显著性均达到 p0.01 水平。6 种土壤理化性质均能显著影响盐地碱蓬矿质元素的整体分布特征。冗余分析中环境参数对盐地碱蓬矿质元素分布的影响用箭头表示,箭头的长度与其重要性成正比。土壤理化性质与盐地碱蓬矿质元素分布的冗余分析如图5 所示。图 5 土壤理化性质与盐地碱蓬矿质元素分布的冗余分析Fig.5 Redundant analysis of soil physical and chemical properties and mineral elements of Suaeda salsa Pall盐地碱蓬矿质元素分布在轴 1 和轴 2 的解释量分别为 87.1%和 7.3%,即土壤的理化性质前 2 个排序轴累加解释量为 94.4%。由此可得,冗余分析 1 和 2两轴能够反映盐地碱蓬矿质元素分布特征和理化性质的信息,主要是由 1 轴决定。土壤碳含量、盐度、土壤磷含量和有机质箭头的连线较长,表明它们是盐地碱蓬矿质元素中影响较大的环境因子。因此,盐地碱蓬矿质元素整体分布特征受土壤碳含量、土壤盐度、土壤磷含量和土壤有机质的影响最显著。盐地碱蓬矿质营养特征除了受器官、生境及器官与生境的交互影响外,还与土壤理化性质密切相关。河流和海洋的交汇点容易受到强烈的水动力,导致土壤盐度、pH 值等理化性质特征改变。黄河三角洲盐地碱蓬矿质营养特征与湿地土壤盐分状况、土壤营养元素含量及潮汐等关系密切。文中区域内盐地碱蓬矿质元素分布特征受土壤碳含量、盐度、土壤磷含量和有机质的影响极为显著19,其中,土壤碳含量的解释量为 23.8%,是影响盐地碱蓬矿质元素分布的最大变量。3 结论 盐地碱蓬的地上部分中矿质元素 N,P,Na,Mg和 Ca 含量高于地下部分,Cu 元素反之。在茎中 Fe,Mn 和 Zn 元素含量最高,在叶片中含量最低。土壤中除 N,P 和 K 等生命元素外,其他矿质元素含量均表现为潮间带大于潮上带,这与潮间带海水的潮汐作用及黄河入海带来的外源输入有关。盐地碱蓬对 N,P,Na 和 Mg 元素的富集系数较高,盐地碱蓬中矿质元素Mg,Ca 和 Na 转运系数高,表明其对滨海湿地氮磷污染物的去除及盐碱地的改良具有显著作用,可用于滨海地区盐碱地和退化湿地生态修复的工具物种。此外,生境条件和植物器官及其交互作用均对盐地碱蓬湿地的矿质元素有显著影响,且矿质元素与土壤中的碳含量、盐度、磷含量和有机质关系密切,其中,土壤碳的解释量为 23.8%,是影响矿质元素分布的关键环境因子,这在一定程度上为不同生境条件下滨海地区生态修复工具物种的栽培与管理提供了科学依据,有利于湿地资源的可持续开发利用与保护。参 考 文 献1黄丽萍,王立艳,杨勇,等.四种耐盐植物根际土壤盐分运移特征研究 J.天津农业科学,2014,20(6):73-76.2SONG J,WANG B S.Using euphyllophytes to understand salt tolerance and to develop saline agriculture:Suaeda salsa as a promising model J.Annals of 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