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东北地理所在利用土壤元素组成特征评估湿地恢复效果研究中取得进展

2020-06-03 东北地理与农业生态研究所
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  湿地是地球上最富有生物多样性的生态系统和人类最重要的生存环境之一,具有不可替代的生态功能,被称为"地球之肾"。自20世纪初以来,由于人类的大规模开发利用,全球约有一半以上的湿地丧失。20世纪80年代以来,随着对湿地重要性认识的深入以及湿地保护的加强,世界范围内实施了大规模的生态恢复工程,以期恢复重要的湿地生态系统服务功能。

  在评估湿地恢复效果的科研工作中,多数研究重点关注湿地植被的恢复过程,对湿地生态工程能否使土壤生物地球化学过程恢复到原始状态仍缺乏足够的认识。土壤元素化学是湿地生物地球化学过程的重要指征,受景观特征、水文条件和人为干扰等因素的影响。土壤元素组成通常由气候和成土母质共同决定。目前已开展的研究多关注一个或少数几个元素,关于湿地恢复前后土壤元素组成的变化规律尚不清楚,而相关研究对于揭示湿地生物地球化学变化过程非常重要,将为湿地恢复效果评估与管理决策提供重要的参考信息。

  中国科学院东北地理与农业生态研究所科研人员以我国湿地生态恢复工程重点实施区域——三江平原为研究区,选取天然湿地、恢复湿地和开垦农田三种土地利用类型,在湿地植被恢复研究的基础上,开展了湿地恢复前后土壤元素组成特征(55种)及其指示的生物地球化学变化过程研究。研究结果表明,三种土地利用类型的土壤元素组成特征具有显著差异,恢复湿地的土壤元素含量整体介于天然湿地和开垦农田之间。其中,氮、硫养分元素以及少数过渡金属元素含量在天然湿地中最高,在开垦农田中最低。相反,钠、钾元素以及大部分镧系金属元素含量在天然湿地中最低,在开垦农田中最高。磷元素在恢复湿地含量最高。

  土壤有机质含量、电导率和pH是影响土壤元素组成的最主要环境因子。其中,土壤有机质含量与氮、硫、磷以及少数金属元素含量显著正相关,而与其他大部分金属元素含量显著负相关。湿地生态工程在一定程度上恢复了土壤有机质,使得土壤元素组成特征向未受干扰的自然状态方向发展。湿地生态工程实施10-15年,土壤元素组成指示的生物地球化学功能可恢复到天然湿地50%左右的水平。然而,土壤特性的差异使得恢复湿地的生物地球化学难以完全达到未受干扰的自然水平。

  土壤质地类型及吸附作用,以及植物生长、根际过程和微生物介导的反硝化作用等生物过程显著影响碳吸收、养分积累和金属元素迁移,调控土壤元素组成和生物地球化学循环。土壤元素组成特征与土壤有机质和电导率是生物地球化学功能的敏感指标,可结合已有生物指标,综合评价湿地生态系统结构和功能的恢复效果。

  该研究由东北地理所副研究员王国栋、研究员姜明、副研究员薛振山,东北地理所海外特聘研究员、美国北达科他州立大学教授Marinus Otte、博士袁宇翔等共同完成。成果发表于国际土壤学专业期刊Geoderma Land Degradation and Development。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院青年创新促进会人才项目以及东北地理所优秀青年人才基金等共同资助。

  论文信息列表如下:1 2

图1 土壤元素组成与约束环境变量的RDA排序图

图2 土壤元素含量与土壤有机质含量的相关性

图3 基于Bray-Curtis算法的样地(天然湿地、恢复湿地、开垦农田)NMDS排序图

图4 不同样地类型(天然湿地、恢复湿地、开垦农田)土壤元素组成聚类分析

表1 不同类型样地(天然湿地、恢复湿地、开垦农田)土壤元素含量及环境因素差异

  

Unit 

Undisturbed 

Restored 

Paddy 

P 

Environmental Factors 

OM 

% 

16.00±1.50 

8.26±0.49 

4.65±0.41 

<0.001 

EC 

μs/cm 

2360±620 

592±47 

751±77 

<0.001 

pH 

- 

6.08±0.10 

6.37±0.13 

6.84±0.16 

<0.001 

Element concentrations, no significant variation (U=R=P) 

Ag 

mg/kg 

0.19±0.01 

0.17±0.01 

0.20±0.02 

0.243 

Al 

g/kg 

57.4±1.8 

59.1±1.5 

58.0±1.5 

0.754 

As 

mg/kg 

3.24±0.17 

3.16±0.16 

3.22±0.29 

0.956 

B 

mg/kg 

32.4±2.8 

35.1±1.4 

35.0±2.9 

0.676 

Ca 

g/kg 

7.63±0.37 

7.49±0.37 

7.71±0.43 

0.930 

Fe 

g/kg 

25.4±0.97 

28.2±0.80 

27.0±1.20 

0.117 

Gd 

mg/kg 

4.56±0.17 

4.68±0.12 

5.05±0.15 

0.075 

In 

mg/kg 

0.06±0.001 

0.06±0.002 

0.05±0.01 

0.060 

Mg 

g/kg 

5.46±0.17 

5.52±0.24 

5.22±0.33 

0.681 

Pb 

mg/kg 

19.9±0.40 

20.9±0.53 

21.6±0.87 

0.136 

Rb 

mg/kg 

79.4±1.6 

80.4±2.0 

80.3±1.8 

0.912 

Se 

mg/kg 

0.25±0.01 

0.27±0.02 

0.24±0.01 

0.275 

Sc 

mg/kg 

9.31±0.21 

9.37±0.19 

9.18±0.25 

0.829 

Sn 

mg/kg 

2.93±0.12 

3.19±0.08 

2.95±0.11 

0.165 

U 

mg/kg 

3.62±0.51 

2.97±0.23 

2.48±0.15 

0.098 

Element concentrations, decreasing (U ≥ R ≥ P) 

Bi 

mg/kg 

0.25±0.01 

0.22±0.005 

0.21±0.005 

0.001 

Cd 

mg/kg 

0.28±0.01 

0.26±0.01 

0.22±0.01 

0.007 

Cu 

mg/kg 

28.0±0.9 

28.6±0.7 

23.2±0.6 

<0.001 

Cr 

mg/kg 

76.0±5.0 

72.4±3.6 

60.1±2.8 

0.024 

Mo 

mg/kg 

2.24±0.19 

1.17±0.08 

1.00±0.05 

<0.001 

N 

g/kg 

5.08±0.44 

3.51±0.21 

1.65±0.15 

<0.001 

Ni 

mg/kg 

27.9±1.8 

23.1±0.7 

20.5±0.9 

<0.001 

S 

g/kg 

1.36±0.19 

0.51±0.04 

0.43±0.10 

<0.001 

Zn 

mg/kg 

46.0±2.5 

35.7±2.0 

32.8±2.7 

<0.001 

Increasing (U ≤ R ≤ P) 

Ba 

g/kg 

0.49±0.02 

0.55±0.01 

0.57±0.01 

<0.001 

Be 

mg/kg 

2.26±0.06 

2.58±0.06 

2.47±0.07 

0.001 

Ce 

mg/kg 

56.5±1.5 

56.9±1.7 

65.5±1.9 

<0.001 

Co 

mg/kg 

10.2±0.4 

11.4±0.3 

12.6±0.9 

0.010 

Dy 

mg/kg 

3.31±0.07 

3.50±0.09 

3.75±0.11 

0.004 

Er 

mg/kg 

1.78±0.04 

1.85±0.05 

2.01±0.07 

0.008 

Eu 

mg/kg 

1.00±0.02 

1.06±0.03 

1.17±0.03 

<0.001 

Ho 

mg/kg 

0.63±0.01 

0.66±0.02 

0.70±0.02 

0.02 

K 

g/kg 

14.3±0.4 

15.7±0.3 

16.9±0.3 

<0.001 

La 

mg/kg 

28.8±0.7 

29.6±0.8 

32.3±0.9 

0.007 

Lu 

mg/kg 

0.23±0.01 

0.24±0.01 

0.26±0.01 

0.011 

Mn 

mg/kg 

160±7 

160±11 

233±31 

0.005 

Na 

g/kg 

7.86±0.52 

9.66±0.40 

12.41±0.42 

<0.001 

Nd 

mg/kg 

26.9±0.9 

27.4±0.8 

29.9±0.9 

0.042 

Pr 

mg/kg 

6.81±0.16 

7.04±0.20 

7.73±0.22 

0.004 

Sb 

mg/kg 

1.20±0.04 

1.16±0.02 

1.61±0.18 

0.003 

Sm 

mg/kg 

4.94±0.12 

5.20±0.14 

5.67±0.16 

0.002 

Sr 

mg/kg 

115±6 

130±6 

157±7 

<0.001 

Ti 

g/kg 

2.90±0.11 

3.34±0.06 

3.30±0.05 

<0.001 

Tl 

mg/kg 

0.53±0.02 

0.57±0.01 

0.56±0.01 

0.015 

Tb 

mg/kg 

0.61±0.01 

0.64±0.02 

0.69±0.02 

0.004 

Th 

mg/kg 

7.67±0.18 

8.05±0.17 

8.46±0.17 

0.009 

Tm 

mg/kg 

0.25±0.01 

0.26±0.01 

0.28±0.01 

0.010 

Yb 

mg/kg 

1.59±0.04 

1.66±0.04 

1.80±0.06 

0.008 

Y 

mg/kg 

29.9±0.5 

31.7±0.5 

31.6±0.8 

0.039 

Zr 

mg/kg 

164±4 

194±4 

194±5 

<0.001 

U<R>P 

Cs 

mg/kg 

7.24±0.22 

7.40±0.16 

6.56±0.20 

0.012 

Li 

mg/kg 

27.5±1.2 

28.6±0.6 

25.1±0.8 

0.037 

Nb 

mg/kg 

12.3±0.3 

14.3±0.3 

14.0±0.2 

<0.001 

P 

g/kg 

0.69±0.03 

0.74±0.05 

0.59±0.02 

0.021 

V 

mg/kg 

74.0±1.6 

81.9±1.7 

75.1±2.0 

0.003 

打印 责任编辑:叶瑞优

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