应用多参数示踪方法研究黄河口湿地土壤有机质来源和分布

湿地作为世界上最重要的碳贮库之一,在全球碳循环中起着重要作用,近年来由于全球气候变暖、环境及生存压力日益增加,湿地碳循环的研究变得极其重要^([1])。作为全球碳循环研究的重要内容之一,湿地土壤有机质的生物地球化学过程已成为湿地研究的重要命题,而湿地土壤有机质来源的示踪,是进一步了解有机质在湿地的分布、迁移、降解和转化等行为机制的基础^([2])。河口湿地作为陆海相互作用最活跃的耦合地带,具有独特的生态系统结构与功能,示踪河口湿地土壤有机质来源,对于深入了解河口湿地碳的源汇特征、时空变化和影响因素等具有重要意义^([2,3])。黄河口湿地是一个典型的滨海河口湿地,由黄河携带的大量泥沙在河口淤积而成,是中国暖温带保存最完整、最广阔、最年轻的湿地生态系统,也是我国及世界上研究河口新生湿地生态系统形成、演化及发展规律的最佳场所之一,自20世纪90年代以来便成为国内国际研究的热点^([4])。近年来,在黄河口湿地资源的开发利用,湿地生态评价,湿地环境影响,湿地变化和湿地修复等方面已经开展了很多的研究^(5^17)。由于黄河口湿地受到黄河径流、河口和近海等多重输入的影响,其土壤有机质具有来源多样、组成复杂等特点,虽然应用有机碳及其稳定同位素、化学生物标志物等工具已经对黄河、黄河口,以及邻近的莱州湾、渤海等开展了有机质来源、分布和变化等的研究^([18^24),但是对于黄河口湿地这一陆海交汇地带,类似的研究尚未见报道。以黄河口湿地为研究区域,对2009年4月和6月采集的表层土壤样品中粒度、总有机碳(TOC),总氮(TN)、稳定碳同位素(δ^(13)C)和化学生物标志物(正构烷烃和四醚膜脂)等参数进行了分析,计算了相关的有机地球化学指标(如C/N比、碳优势指数(CPI)、支链与类异戊二烯四醚指标(BIT)等)用来指示土壤有机质的来源,并建立了基于δ^([13])C和BIT等指标的端元混合模型用来区分不同的来源对黄河口湿地土壤有机质的贡献,在此基础上利用多参数示踪方法研究了黄河口湿地土壤有机质的来源和分布特征;结合两个采样时间前后水文和环境条件的变化,以及不同采样区域的位置、植被等的差异,探讨了不同环境条件对各参数和指标时空分布的影响。结果表明,黄河口湿地土壤粒度组成主要为粉砂,平均比例为75%。全样分析参数TOC、TN、C/N比和δ^(13)C的含量有比较明显的区域和季节分布特征。C/N比和δ^([13])C值显示,处于黄河口湿地核心恢复区和黄河入海前的最后一个浮桥南岸的采样点的土壤有机质以陆源输入占优势,而处于黄河故道的采样点土壤有机质主要来源于海源,并呈现从近黄河河岸的采样点向远离的方向,陆源输入的影响逐渐降低,而海源输入的影响逐渐升高的特点。2009年4月和6月两个采样时间具有明显不同的有机碳含量和分布特点。基于δ^(13)C的双端元模型计算结果表明黄河口湿地核心恢复区陆源有机质的平均贡献率为52%,而其他两个采样区域的贡献率分别为44%和34%。对黄河口湿地土壤中正构烷烃的分析表明,正构烷烃以高碳数烷烃为主,具有明显的奇碳优势,说明土壤中有机质主要来自于陆地高等植物,色谱图前端低碳峰处鼓包的存在表明土壤可能受到了油类污染。土壤中总的正构烷烃含量有明显的季节和区域差异,其变化趋势与总有机碳是一致的,而与中值粒径的变化趋势相反,反映了两个不同的采样时间水环境条件的差异。基于正构烷烃的分子指标表明黄河口湿地土壤的有机质的成熟度较低,有较强的陆源高等植物输入优势,且主要来自于草本植物,这些结果与黄河口湿地是一个新生湿地,植被类型稳定,且主要是芦苇、碱蓬等草本植物等特点是相符的。在黄河口湿地土壤中检测到大量的代表海洋来源的泉古菌醇和代表陆地土壤有机质来源的支链四醚膜脂,说明黄河口湿地同时受到海洋、陆地输入的强烈影响。BIT指标显示了明显的区域和季节分布,2009年4月的BIT值要高于6月份,尤其是黄河口湿地核心恢复区,指示了土壤微生物对此区域有机质贡献较大;浮桥南岸区域BIT值指示土壤有机质的贡献在中等水平;而黄河故道区域BIT值较小,表明有机质来源于土壤微生物的贡献很小,这与δ^(13)C、正构烷烃等指示的结果是一致的。利用包含δ^(13)C,C/N比和BIT指标在内的三端元混合模型计算了海源、陆地植物、土壤微生物对有机质的贡献,结果表明黄河口湿地核心恢复区和浮桥南岸区域土壤微生物有机质的贡献率较大,平均分别为89%和68%,而黄河故道区域贡献率仅为39%,显然海源贡献更大。双端元和三端元混合模型计算得到的陆源和海源贡献率不同,三端元模型得到的陆源贡献率要大于双端元模型,表明双端元模型可能忽略了来自土壤微生物有机质的贡献。综上所述,无论是全样分析参数还是化学生物标志物指标,均表明黄河口湿地土壤有机质来源和分布具有明显的区域和季节特征,有高度动态变化性。总的来说,各指标均显示黄河口湿地土壤有机质主要来自于陆源输入,并呈现从近河岸采样点向远河岸采样点逐渐降低的趋势,显示陆源输入贡献向海方向逐渐减小,而海源贡献逐渐升高。包含BIT指标在内的三端元模型可以将土壤有机质从陆地植物中区分出来,对研究流域植被、土壤流失、河流流量等有重要意义。本研究为深入理解黄河口湿地有机质的来源、分布、迁移和转化等提供了依据,有助于深入了解河口湿地碳的源汇特征及时空变化,也有助于丰富对河口湿地碳的生物地球化学循环及其对陆海相互作用的贡献等的认识。