濱海不同生境濕地土壤有機碳官能團特征與其影響因子

2024年2月15日發(作者：那時年少)

《應用與環境生物學報》 Chin J Appl Environ Biol Doi: 10.19675/.1006-687x.2020.11047

?

濱海不同生境濕地土壤有機碳官能團特征及其影響因子李召陽 劉 晟 劉嘉元 李德生 劉福德**

天津理工大學環境科學與安全工程學院 天津 300384

摘 要 近年來，圍填海等濱海濕地的開發和利用活動較為頻繁，造成濱海濕地土壤有機碳儲量和分布格局不斷發生變化，這對正確評估濱海濕地應對人為干擾的能力及制定合理的可持續發展對策是一種挑戰。以天津、東營和昌邑濱海地區的潮上帶和潮間帶濕地為研究對象，采用傅里葉紅外光譜法研究不同生境濱海濕地土壤有機碳官能團的組成與數量特征，并結合理化性質的變化揭示土壤有機碳官能團的影響因子。結果顯示，東營、天津和昌邑濕地土壤有機碳官能團類型大致相同，其中糖類、脂肪類、氨基酸和酚類占比較大，芳香烴、苯類和酮類占比較小。雖然不同地點濱海濕地的土壤有機碳官能團結構大致相同，但東營與天津濕地土壤各吸收峰強度顯著大于昌邑濕地（P < 0.05）。主成分分析結果表明前2軸累計解釋了79.6%的土壤有機碳官能團的變化，表明上述官能團能夠反映濱海濕地土壤有機碳的分布特征。研究同時發現東營和昌邑濱海潮間帶與潮上帶濕地的土壤樣品區分度較高，潮上帶濕地土壤中屬于疏水基團的烯烴類、酮類、苯系物和芳香化合物的吸收峰強度與相對峰面積顯著大于潮間帶，但天津采樣點距離河口較近，淡咸水的交替作用使潮間帶與潮上帶區分并不明顯。蒙特卡洛檢驗結果表明土壤總磷（P = 0.002）、有機碳（P = 0.002）、總碳（P = 0.002）、總氮（P = 0.004）、pH（P = 0.006）和鹽度（P = 0.03）對土壤有機碳官能團的數量分布均有顯著影響，但土壤總磷含量的解釋量最高，達到了39.7%。綜上，濱海濕地土壤有機碳官能團結構不隨地點和生境發生變化，但其數量特征受植被生長和土壤理化性質影響顯著，各理化性質中土壤總磷含量是影響濱海濕地土壤有機碳官能團數量分布最大的驅動因子，該發現對于氮磷輸入比例日益增加的河口海岸濕地及近海水域富營養化的修復與治理尤為重要。圖4 表3 參33

關鍵詞 濱海濕地；生境類型；有機碳官能團；紅外光譜分析；冗余分析

The characteristics and influencing factors of soil organic carbon functional

groups in coastal wetlands with different habitats

LI Zhaoyang, LIU Sheng, LIU Jiayuan, LI Desheng & LIU Fude**

School of Environmental Science and Safety Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China

Abstract

In recent years, the frequent development and utilization of coastal wetlands such as reclamation resulted in continuous

changes in the storage and distribution pattern of soil organic carbon in coastal wetlands. It is challenging to evaluate the ability of

coastal wetlands to cope with human disturbance and formulate sustained development countermeasures. Here, the characteristics of

soil organic carbon quantity and composition in supratidal and intertidal wetlands in coastal regions of Tianjin, Dongying and

Changyi were studied by Fourier transform infrared spectroscopy. They were also linked to the physical and chemical properties to

reveal the influencing factors of soil organic carbon functional groups. Results showed that the types of soil organic carbon

functional groups in Dongying, Tianjin and Changyi wetlands are almost identical, which mostly belonged to sugars, lipids, amino

acids and phenols, and a few of them belonged to aromatic hydrocarbons, benzene and ketones. The types of soil organic carbon

functional groups were similar in three coastal wetlands, but the intensity of absorption peak of functional groups in Dongying and

Tianjin wetlands were significantly higher than Changyi (P < 0.05). Principal component analysis showed that the first two axes

cumulatively explained 79.6% of the variations in soil organic carbon functional groups, indicating that the functional groups could

reflect the distribution characteristics of soil organic carbon in coastal wetlands. Results also suggested significant differentiation of

soil samples between intertidal and supratidal wetlands in Dongying and Changyi, i.e., the absorption peak intensity and relative peak

area of olefins, ketones and aromatic hydrocarbons which belong to hydrophobic grouping were significantly higher in supratidal

收稿日期 Received: 2020-11-21 接受日期 Accepted: 2021-01-31

國家自然科學基金項目（41303057）和天津市應用基礎與前沿技術研究計劃項目（14JCYBJC23000）資助 Supported by the National Natural Science

Foundation of China (41303057) and the Tianjin Rearch Program of Application Foundation and Advanced Technology (14JCYBJC23000)

**通訊作者 Corresponding author (E-mail: lfdsy@)

wetlands than intertidal wetlands. However, the sampling site in Tianjin is clo to the estuary, and the alternate action of fresh water

and awater resulted in no difference between intertidal and supratidal zones. The results of Monte Carlo test showed that soil

phosphorus (P = 0.002), organic carbon (P = 0.002), total carbon (P = 0.002), nitrogen (P = 0.004), pH (P = 0.006) and salinity (P =

0.03) had significant effects on the amount distribution of soil organic carbon functional groups, and the soil phosphorus had the

highest explanation of 39.7%. In conclusion, the structure of soil organic carbon functional group in coastal wetlands does not change

with the variation of location and habitat, but the quantitative feature is affected by vegetation growth and the physical and chemical

properties of soil significantly. Among the physical and chemical properties, the content of soil phosphorus is the biggest driving

factor affecting the amount distribution of soil organic carbon functional groups in coastal wetlands. The results are particularly

important for the restoration and treatment of eutrophication in estuarine and coastal wetlands and offshore waters, where the

proportion of nitrogen and phosphorus input is increasing.

Keywords coastal wetland; habitat type; organic functional group; infrared spectrum analysis; RDA

濱海濕地是介于陸地和海洋之間的重要生態系統，受到水鹽脅迫及海陸作用的影響，其生物地球化學循環過程比較復雜。且近年來隨著經濟的發展，海岸線的開發和利用較為頻繁，濱海濕地面積萎縮嚴重，對濱海濕地的保護與修復迫在眉睫。濱海濕地修復的關鍵在于恢復土壤的生態功能，而土壤生態功能中關鍵固碳過程及其穩定性變化可通過有機碳組成結構，即土壤有機碳官能團特征的變化來反映。土壤有機碳官能團是決定有機化合物化學性質的原子或原子團[1]，其可以使土壤表現出離子交換、對金屬離子的絡合作用、氧化還原性及生理活性等特征[2]。由于土壤有機碳官能團的組成與土壤有機碳的分解密切相關[3]，通過分析濕地土壤有機碳官能團種類與數量的變化，可以揭示濕地土壤腐殖化與礦化過程中有機碳的時空演變規律，進而可以辨識或預測土壤環境質量及生態修復潛力。

近年來，土壤有機碳官能團組成與結構的研究越來越廣泛，多集中在森林、草地、農田等陸地生態系統[4-10]。比如李婷等[8]研究發現，植被恢復能促進不同層次土壤中脂肪-C、酮-C含量的增加，且隨著恢復時間的延長促進作用增強。蘇冬雪等[10]研究發現，可溶性有機物中芳香性及疏水性官能團的比例、分子量大小均不受植物生長時間及土壤深度的影響，但這類官能團參數隨著土壤可溶性有機碳含量的增加而下降。隨著研究的不斷深入，濱海濕地土壤有機碳官能團特征的報道亦有企及，例如李哲等[11]對黃河三角洲不同鹽沼群落的土壤有機碳、可溶性有機碳官能團特征進行了剖析，發現鹽沼土壤官能團結構以醇酚類和芳烴類為主，還包括脂肪族、烯烴、鹵代烴和仲酰胺等類型，其中惰性碳含量在鹽地堿蓬群落中含量最高，而在蘆葦群落中含量最低。孫慧敏等[12]發現，河口海岸帶互花米草的入侵顯著增加了表層土壤有機碳中烷基碳/烷氧碳的含量，而降低了芳香碳與酚基碳的含量。

上述研究在一定程度上推動了我們對濱海濕地有機碳官能團類型及其空間分布規律的認識和理解。但我們也清醒的認識到相對于森林、草地和其他類型濕地，濱海濕地受氣候變化的影響更為顯著，脅迫因子之間的交互作用也更復雜，這對我們正確評估其應對氣候變化的能力及制定合理的可持續發展對策是一種挑戰。本研究以位于渤海海岸帶的天津、東營、昌邑三地的潮上帶和潮間帶濕地為研究對象，研究不同生境條件下濱海濕地土壤有機碳官能團的組成與數量特征，并結合理化性質的變化揭示土壤有機碳官能團的影響因子，為氣候變化影響下濱海濕地保護與修復提供理論和數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本論文涉及的研究區域屬于渤海西海岸的濱海濕地類型區，采樣點自南向北分別位于山東省東營市、山東省昌邑市以及天津市境內，各采樣點所在區域的自然概況如下：

昌邑市位于山東半島西北部，濰河下游，萊州灣畔，本研究選取的實驗樣地位于昌邑國家級海洋生態特別保護區內，采樣點具體位置為東經119°23'-119°23'30″，北緯37°03'-38°07'。昌邑氣候類型是溫帶半濕潤季風區大陸性氣候，年降水量為580-660 mm，年平均蒸發量為1 764-1 859 mm，平均氣溫12.9 ℃左右，無霜期195-225 d。

東營市位于山東省北部黃河三角洲腹地，東營東部和北部瀕臨渤海，西與濱州市毗鄰，南與淄博市、濰坊市接壤。本研究選取的實驗樣地位于河口海岸濕地保護區內，采樣點具體位置為東經118°15'-119°19'，北緯37°24'-38°10'。東營屬暖溫帶季風型大陸性氣候，多年平均氣溫12.8 ℃，全年平均日照時數2 728.5 h，多年平均年降水量為556 mm，多年平均蒸發量為1 885 mm。

天津位于環渤海中心位置，天津濱海新區地處華北平原北部，位于山東半島與遼東半島交匯點上、海河流域下游，渤海

灣頂端，瀕臨渤海，北與河北省豐南縣為鄰，南與河北省黃驊市為界。本研究選取的研究地點正處于濱海新區，具體位置位于東經117°20'-118°00'，北緯38°40'-39°00'。天津屬于暖溫帶季風性大陸氣候，并具有海洋性氣候特點，全年平均氣溫13.3 ℃，年平均降水量566 mm，年平均蒸發量1 500 mm。

1.2 樣品收集與處理

樣品采集于2014年8月，在每個研究區域沿垂直海岸帶方向設置12個采樣點（潮間帶和潮上帶濕地各6個），各采樣點之間的距離為50 m，每個樣點設置1 m×1 m的樣方，采集樣方內表層土壤樣品。土壤樣品的采集按照對角線法在每個樣方中選取5個點（4個角和樣方中心），采用土壤采集器收集表層土壤樣品，將土壤樣品混合后放入密封袋封裝保存，之后帶回實驗室風干。將風干后的土壤樣品使用球磨機進行粉碎后過100目篩，將過篩后的土壤樣品保存在塑料樣品瓶中備用。

1.3 土壤有機碳官能團與理化性質的測定

傅里葉紅外光譜儀（FTIR）析：將通過100目篩的每個平行樣品與溴化鉀（KBr）置入瑪瑙研缽在紅外燈下充分混合研磨，在15 Mpa的壓力下保持1 min制成壓片，壓好的薄片以純KBr壓片作為背景使用傅里葉紅外光譜儀（Frontier，美國）掃描，分辨率1 cm-1，累積掃描16次。所有實驗中每個樣品均設置3組重復。

土壤碳、氮的測定：采用元素分析儀（Varro-EL Ⅲ，德國）測定土壤樣品的碳、氮含量。稱取2-3 mg樣品并用錫箔紙包裹，確保錫箔紙不漏樣品后放入元素分析儀，經儀器分析后得到碳、氮數據。

土壤磷的測定：采用ICP-OES（VISTA-MPX，美國）測定土壤樣品中的磷含量。準確稱取0.15 g樣品到消解管中，土壤加入10 ml硝酸-氫氟酸（9:1），植物加入10 ml硝酸，蓋上蓋子后在160 ℃下消解2 h，趕酸，冷卻，定容后上機檢測。

土壤pH的測定：采用pH計（Delta320，瑞士）測定。

土壤鹽度的測定:采用殘渣烘干法測定（土壤：水 = 1：5）。

土壤有機碳的測定：采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[13]，在外加熱的條件下（油浴溫度為180 ℃，沸騰5 min），用標準濃度的重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化土壤有機碳，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵滴定。

1.4 數據處理

FTIR吸收圖譜應用Originpro2019b軟件進行分析，選基線（吸收峰谷底的連線），對每個官能團特征峰進行面積積分[14]，應用Excel2003計算每個官能團吸收峰面積占樣品所有官能團吸收峰總面積百分比，取平行樣平均值。土壤理化性質的計算與繪制同樣使用Excel2003與Originpro2019b。運用SPSS軟件進行ANOVA分析及LSD test，分析不同生境濕地土壤有機碳官能團與其對應的理化性質的分布差異；在Canoco4.5軟件進行主成分分析（PCA）以及冗余分析（RDA）以進一步分析不同生境濕地土壤有機碳官能團的定性差異和土壤理化性質對官能團的影響。

2 結果與分析

2.1 不同生境濕地土壤有機碳官能團分布特征

FTIR測定結果顯示不同生境濕地土壤有機碳官能團紅外吸收光譜中出現的吸收峰共有12個，波數分別為3 621、3 440、2 516、2 361、1 870、1 798、1 646、1 438、1 029、874、777、690 cm-1，通過查閱文獻[15-21]對這些吸收峰進行指認歸屬（表1）。

表1 不同生境濱海濕地FTIR光譜官能團歸屬

Table 1 FTIR spectroscopic functional group assignment of coastal wetlands in different habitats

波長 Wave number (cm-1)

3621

3440

2516

2361

1870

1798

1627

1438

1029

ν(O-H)

ν(O-H), ν(N-H)

ν(X-H,

ammonium salt), ν(O-H) of carboxyl group

-C=C=C, -C=C=O

benzene derivatives, methyl-C, keto-C

keto-C

dilute hydrocarbon-C, aromatics-C, carbonyl-C

δ(CH3,CH2)

of fat-C, phenol ν(O-H)

ν(Si-O), ν(C-O-C)

of ester group, ν(C-O)

of polysaccharides

結構歸屬 Structure attribution 吸收峰強 Absorption peak strength

m

m, br

w, sh

br

v, w

v, w

w

s

v

874

777

690

β(CO32-)

=C-H, ν(C-Cl), β(CO32-)

aromatic γ(C-H), olefin C=C

m, sh

m

w

v：周期性變化；w：弱；m：中等強度；s：強；sh：肩吸收；br：寬吸收. ν：伸縮振動；β：面內彎曲振動；γ：面外彎曲振動；δ：變形振動。

v: Periodic change; w: Weak; m: Medium strength; s: Strong; sh: Shoulder absorption; br: Wide absorption. ν: Stretching vibration; β: Inplane bending vibration;

γ: Out-of-plane bending vibration; δ:

Deformation vibration.

圖譜顯示，東營和天津濱海濕地土壤中存在的官能團種類基本一致，但部分吸收峰吸光度的強弱存在差異，而昌邑濱海濕地土壤不存在874 cm-1的吸收峰（圖1）。天津濕地土壤在2 361 cm-1處的-C=C=C、-C=C=O，1 029 cm-1處的ν(Si-O)，酯基ν(C-O-C)，多糖ν(C-O)的吸收峰顯著高于其他地點的濕地（P<0.05），東營濕地土壤在1 870、1 798、1 646、874、777和690 cm-1（苯衍生物、甲基-C、酮-C、稀烴-C、芳烴-C、羰基-C、β(CO32-)、=C-H、ν(C-Cl)、芳香族γ(C-H)、烯烴C=C）處的吸收峰顯著高于其它地點的濕地（P < 0.05）。通過對比潮間帶和潮上帶土壤的吸收峰強度可看出，東營和天津潮上帶土壤在1 870 cm-1，1 798 cm-1和690 cm-1處對應官能團（分別為苯衍生物、酮-C、甲基-C、烯烴C=C和芳香族C-H）的吸收峰強度顯著高于潮間帶。

0.80.6 昌邑潮間帶 Changyi intertidal zone

昌邑潮上帶 Changyi supratidal zone 東營潮間帶 Dongying intertidal zone

東營潮上帶 Dongying supratidal zone 天津潮間帶 Tianjin intertidal zone 天津潮上帶 Tianjin supratidal zone1029吸光度

Absorbance0.4236114388740.23621344025160.波數Wave number500

圖1 不同生境濱海濕地的FTIR吸收峰.

Fig. 1 FTIR absorption peaks of coastal wetlands in different habitats.

為了定量研究不同生境濕地官能團質量的差異，計算了FTIR光譜中主峰的相對峰面積（一個峰的面積除以所有考察峰的面積之和），見表2。不同生境濕地土壤中，3 621、3 440、2 361、1 438、1 029和777 cm-1處的吸收峰最明顯且其相對峰面積較大，這些吸收峰對應的官能團主要屬于糖類、氨基酸、脂肪、酚類化合物等有機質和硅酸鹽礦物。而剩余2 516、1 798、1 646、874和690 cm-1處的相對峰面積較小，對應的官能團是與苯類相關的官能團（苯衍生物、芳烴-C、芳香族C-H、酚-OH）和酮-C為主，以及可能來自氨基酸和多糖的N-H、O-H、C-H的伸縮振動和β(CO32-)。

表2

紅外光譜中主峰的相對峰面積

Table 2 The relative peak area of the main peak in the infrared spectrum

濕地類型 Wetland type

波長

Wave number

東營潮間帶

zone

690 cm-1

777 cm-1

0.61 ± 0.59d

2.14 ± 0.36cd

東營潮上帶

zone

0.78 ± 0.34d

2.75 ± 0.02c

天津潮間帶

zone

0.98 ± 0.12cd

1.47 ± 0.14d

天津潮上帶

zone

1.05 ± 0.57cd

1.73 ± 0.69d

昌邑潮間帶

zone

1.88 ± 0.08b

3.78 ± 0.98b

昌邑潮上帶

zone

2.29 ± 0.08a

4.49 ± 0.30a

Dongying intertidal Dongying supratidal Tianjin intertidal Tianjin supratidal Changyi intertidal Changyi supratidal

874 cm-1

1029 cm-1

1438 cm-1

1646 cm-1

1798 cm-1

1870 cm-1

2361 cm-1

2516 cm-1

3440 cm-1

3621 cm-1

1.96 ± 0.10b

46.19 ± 1.08b

18.20 ± 1.19a

4.53 ± 0.54bc

0.81 ± 0.11d

1.33 ± 0.23d

1.73 ± 0.21c

0.34 ± 0.06b

15.39 ± 1.30c

6.77 ± 0.99c

2.04 ± 0.06b

39.97 ± 0.72c

9.11 ± 6.14c

7.66 ± 3.23a

2.74 ± 2.66c

3.46 ± 0.69c

1.30 ± 0.34c

0.36 ± 0.05b

25.11 ± 2.54a

4.72 ± 0.71d

1.55 ± 0.07c

43.28 ± 1.38bc

13.47 ± 0.36b

4.65 ± 0.38bc

0.78 ± 0.09d

1.21 ± 0.16d

4.77 ± 0.95b

0.36 ± 0.08b

16.50 ± 1.48c

10.97 ± 0.92a

1.45 ± 0.32c

41.94 ± 1.21c

14.99 ± 0.17ab

4.99 ± 0.49b

0.83 ± 0.21d

1.30 ± 0.49d

5.94 ± 0.74a

0.37 ± 0.004b

14.46 ± 2.38c

10.93 ± 0.50a

—

38.88 ± 1.73d

2.07 ± 0.65d

2.47 ± 0.06c

5.10 ± 1.40b

6.82 ± 2.46a

3.77 ± 0.95b

6.44 ± 1.12a

20.91 ± 0.58b

7.89 ± 0.20bc

—

39.25 ± 4.12bc

3.43 ± 2.57d

4.88 ± 0.25bc

9.51 ± 0.31a

10.10 ± 0.31b

4.95 ± 0.21b

0.37 ± 0.13b

13.41 ± 2.22c

7.31 ± 1.02bc

表中給出了平均值和標準差；字母表示不同生境濕地之間的顯著差異；用LSD檢驗的方差計算顯著性差異（P < 0.05，N = 3），從最高值到最低值進行標記；“—”表示樣品中不存在此類峰。

The average and standard deviation are given in the table; the letters indicate the significant differences between wetlands in different habitats; the variance of

the LSD test is ud to calculate the significant difference (P < 0.05, N = 3), from the highest value to the lowest value; "—" means there is no such peak in the

sample.

2.2 不同生境濕地土壤有機碳官能團主成分分析

本研究應用主成分分析（PCA）法對不同生境濕地土壤FTIR峰面積積分數據進行分析，研究東營、天津和昌邑濱海濕地土壤有機碳官能團之間的定性差異。分析結果表明，第一主成分（PC1）解釋了不同土壤的12個光譜指標的60.6%的方差，第二主成分（PC2）解釋了12個光譜指標的19.0%的方差（圖2）。從圖可以看出，昌邑各點在PC1上為正半軸，而東營和天津各樣點分布在PC1負半軸，區分明顯。3 621、1 798、1 438和874 cm-1處的相對峰面積具有較強的負權重，2 361、1 870和690 cm-1的峰面積在軸1上具有較強的正權重，這些官能團有助于區分不同生境濕地的土壤特征。東營和天津在PC2的相反象限也被區分開來，由于PC2僅解釋了19.0%的變化，所以二者差異較小。

1.0東營潮間帶Dongying intertidal zone東營潮上帶Dongying supratidal zone天津潮間帶Tianjin intertidal zone天津潮上帶Tianjin supratidal zone昌邑潮間帶Changyi intertidal zone

昌邑潮上帶Changyi supratidal zone23613621PC2

(19.0%)69-1.0-1.5PC1 (60.6%)1.5

圖2 不同生境濱海濕地的FTIR峰面積積分的雙點主成分分析.

Fig. 2 PCA of FTIR peak area integration of coastal wetlands in different habitats.

2.3 不同生境濕地的土壤理化性質

分析結果顯示，天津、昌邑濱海濕地土壤的pH為8.23-8.49顯著高于東營（7.49-7.58）（圖3a，P < 0.05）。東營和昌邑潮間帶土壤鹽度分別為1.24 mg/g、0.71 mg/g顯著高于潮上帶0.65 mg/g、0.03 mg/g（圖3b，P < 0.05），而天津則呈現是潮間帶顯著低于潮上帶，造成此現象是因為天津潮間帶采樣點位于河口位置，河流與海洋交匯，淡水咸水交替降低了此處的土壤鹽度。天津、昌邑濱海濕地土壤氮含量范圍為0.42-0.65 mg/g顯著高于東營0.18-0.35 mg/g，且東營和天津潮間帶土壤氮含量顯著高于潮上帶（圖3c，P < 0.05）。東營和天津濱海濕地土壤的磷含量為0.43-0.61 mg/g，土壤總碳含量為10.3-20.1 mg/g，土壤有機碳含量為7.2-17.3 mg/g；而昌邑濕地土壤的磷含量為0.35 mg/g左右，土壤總碳含量為6.1 mg/g左右，有機碳含量為5 mg/g左右，均顯著低于東營和天津兩地（圖3d、圖3e、圖3f P < 0.05）。

10aAaA8bA 東營DongyingaA 天津TianjinaA 昌邑ChangyibAaA2.00.70.6aAaBbAbBcASalinity

(mg/g)6aAaBTN（mg/g）1.50.50.40.30.2pH41.0bAbBcB20.5cB0.10.000.0潮間帶Intertidal zone 潮上帶Supratidal zone潮間帶Intertidal zon潮上帶Supratidal zone潮間帶Intertidal zone 潮上帶Supratidal zoneabaA20aAbB2016128cA40bAaBcaA0.6bA0.5bBcAaAaATP（mg/g）0.40.30.2cAbB10cA5cASOC（mg/g）TC（mg/g）15bBcA0.10.00潮間帶Intertidal zone 潮上帶Supratidal zone潮間帶Intertidal zone 潮上帶Supratidal zone潮間帶Intertidal zone 潮上帶Supratidal zoned表潮間帶與潮上帶差異顯著。

ef

圖3 不同生境濱海濕地的土壤理化性質。數據為平均值±標準誤差，不同小寫字母代表東營、天津和昌邑之間差異顯著；不同大寫字母代Fig. 3 Soil physical and chemical properties of coastal wetlands in different habitats. Data are means ± SE. Different lowerca letters

reprent significant differences between Dongying, Tianjin and Changyi; different capital letters reprent significant differences between intertidal zone and

supratidal zone

2.4 土壤理化性質對不同生境濕地土壤有機碳官能團的影響

本研究采用冗余分析（RDA）方法研究土壤理化性質這組變量與不同生境濕地土壤有機碳官能團之間的關系。為了獲得更準確的結果，首先需要對5個土壤理化性質進行蒙特卡洛檢驗并排序，結果顯示土壤理化性質對土壤有機碳官能團影響的重要值（F）的順序為土壤磷>土壤有機碳>土壤總碳>土壤氮>土壤pH>土壤鹽度（表3）。其中，土壤總碳、有機碳、氮、磷、pH的顯著性均達到P < 0.01水平，土壤鹽度達到P < 0.05水平。本研究涉及的土壤理化性質對FTIR峰面積的解釋量分別為39.7%、38.5%、28.6%、20.7%、13.5%、9.3%，表明本研究中6種土壤理化性質均能顯著影響土壤有機碳官能團的整體分布特征。

表3 土壤理化性質解釋FTIR峰面積的重要性排序

Table 3 Soil physicochemical properties explain the importance of FTIR peak area

土壤理化性質

Soil physical and chemical properties

TP

SOC

重要性排名

Importance ranking

1

2

解釋量(r/%)

Interpretation

39.7

38.5

F

22.366

21.287

P

0.002

0.002

TC

TN

pH

Salinity

3

4

5

6

28.6

20.7

13.5

9.3

13.594

8.853

5.293

3.489

0.002

0.004

0.006

0.03

RDA分析中環境參數對FTIR峰面積積分參數的影響用箭頭表示，箭頭的長度與其重要性成正比。RDA結果顯示（圖4），不同生境濕地中FTIR峰面積在軸1、2的解釋量分別為66.7%和21.6%，即6種土壤理化性質前2個排序軸累計解釋了88.3%。由此可得，RDA1、2兩軸能夠反映不同生境濕地官能團分布特征與土壤理化性質的絕大部分信息，且主要由軸1決定。土壤磷、土壤有機碳、總碳和氮含量箭頭的連線較長，表明它們是土壤有機碳官能團特征中影響較大的環境因子，其次為土壤pH和鹽度。

2(21.6%)TC.2516.690.1029.01438874·..1870777..-0.6.1.0

-1.0RDA1 (66.7%)圖4 土壤理化性質與不同生境濕地FTIR峰面積的冗余分析.

Fig. 4 RDA of soil physicochemical properties and FTIR peak areas of coastal wetlands in different habitats.

3 討 論

土壤的主要成分之一是硅酸鹽礦物（砂粒以原生硅酸鹽為主，粘粒以次生硅酸鹽為主），因此Si-O是土壤中含量最多的官能團[22]，而本研究中1029 cm-1處Si-O官能團相應地的吸收峰強度與相對峰面積（38.88-46.19）最大也證實了上述觀點。不同生境濕地在1029 cm-1處Si-O官能團的差異狀況主要體現在含量大小上，這與各地土壤的成土母質密切相關[23]。結合圖譜與相對峰面積來看，糖類、氨基酸、脂肪、酚類化合物等有機質和硅酸鹽礦物對應的吸收峰最明顯且相對峰面積也較大，因此濱海濕地土壤中的有機碳官能團主要屬于糖類、脂肪類、氨基酸、酚類，少部分屬于芳香烴、苯類和酮類，這與李哲等人對黃河三角洲不同鹽沼群落土壤有機碳官能團組成的研究結果[11]是一致的。不同的是上述研究發現各類官能團中芳烴類含量較高，脂肪類含量較低，這與我們的結果正好相反。以往的研究發現，植被演替和土壤層次變化不影響有機碳官能團的組成和結構，但能顯著影響官能團數量的變化，這與植物根系的作用密切相關[8]。本研究的采樣點均設在植物群落內部，表層土壤內根系分布較多，植物根系的吸收和代謝作用導致土壤內脂肪C含量較高，而芳烴類官能團含量較少。

除植物自身的影響外，向土壤施肥會顯著提高土壤有機氮，無機氮含量，以及土壤有機質的C/N和C/O比值，繼而會提高有機質中酚基，羥基，羧基，芳香碳和酰胺含量，在圖譜上表示為吸收峰強度顯著增強[24]。另外，王楠等[22]研究發現施肥會影響土壤有機碳官能團中芳香類化合物、脂肪烴類化合物的相對比例，這些都表明吸收峰強度變化規律受到土壤肥力參數的密切影響。本研究中不同地點濱海濕地土壤中總磷、總碳和有機碳含量的變化規律相同，且均表現為東營和天津濱海濕地顯著大于昌邑濱海濕地，因而圖譜中對應芳香類、脂肪烴類等吸收峰的強度亦表現出與土壤肥力參數相同的規律。

盡管以往對濱海濕地土壤有機碳官能團的研究拓寬了我們對鹽沼、河口等多種類型濕地碳庫及碳匯潛力的認識，但卻忽略了潮上帶濕地這一重要的濕地類型。不同于潮間帶灘涂濕地，潮上帶濕地受氣候變化影響和人類活動干擾更加顯著，通常會經歷一段時期的干旱后出現季節性淹水的狀態[25]，這在一定程度上加劇了其表層土壤中有機碳官能團的變化。本研究發現東營和昌邑潮上帶濕地土壤中屬于疏水基團的烯烴類、酮類、苯系物和芳香化合物的吸收峰強度與相對峰面積顯著大于潮間帶，這是由于潮間帶受潮汐作用、高鹽、低溫等影響強烈，該生境條件下鹽地堿蓬的地上和地下部分的生長均小于潮上帶，而土壤有機碳的主要來源為植被的根系分泌物和殘落物[26]，因此其土壤碳儲量、腐殖質結構和化學穩定性均小于潮上帶，土壤有機碳官能團中穩定性較強的疏水基團的數量也小于潮上帶。本研究中，天津潮間帶和潮上帶土壤有機碳官能團的差距較小，這主要是因為天津潮間帶的植被類型為互花米草，互花米草的入侵顯著增加了土壤中的水溶性有機碳[27]，且其地上和地下部分的生長量顯著高于潮上帶的鹽地堿蓬，這降低了其與潮上帶土壤中有機碳官能團數量的差異。另外，潮間帶采樣點距離獨流減河河口較近，淡水與海水的交替作用使潮間帶與潮上帶的區分并不明顯，因此在圖譜上表現出部分重合的情況。

土壤有機碳官能團的變化與土壤理化性質的變化也密切相關[28]。土壤有機碳官能團是決定土壤有機碳化合物化學特性的原子或原子團[1]，因而土壤有機碳的變化，如分解和礦化，必然會導致有機碳官能團數量的變化，例如土壤有機碳分解過程中芳香族與脂肪族基團會相對增加[29]。Margenot等[30]研究發現有機番茄田中有機碳官能團組成存在顯著差異的原因與土壤有機碳和氮的特定不穩定組分密切相關。汲常萍等[31]研究發現土壤分級組分官能團相對含量與碳含量、氮含量呈現顯著的正相關關系，反映了官能團具有維持土壤碳氮的功能。因此，土壤碳、氮含量及影響碳氮循環的理化因子均可能是土壤有機碳官能團的主要驅動因子。本研究中發現土壤有機碳、總碳和總氮含量對土壤有機碳官能團的數量分布均有顯著影響，且解釋量分別達到了38.5%、28.6%、20.7%，這很好的支撐了前人的研究結論。但除了碳和氮，本研究還發現土壤總磷含量是影響濱海濕地土壤有機碳官能團數量分布最大的驅動因素，其解釋量達到了39.7%，這可能與研究區域土壤磷素的礦化程度較低[32]，磷是濕地植物生長的主要限制性因子有關。另外，我們選擇的研究地點均位于河口海岸地區，近年來隨著氮磷輸入比例的逐漸增加，河口海岸濕地逐漸由氮限制向磷限制轉變[33]，磷在濱海濕地有機碳官能團數量分布中的驅動作用越來越大。

4 結 論

（1）不同地點濱海濕地土壤有機碳官能團的種類大致相同，但東營與天津濕地土壤的吸收峰強度顯著大于昌邑濕地，這與不同區域土壤理化性質的變化及成土母質密切相關。通過對不同濕地土壤有機碳官能團結構的辨識有助于我們了解濱海濕地有機碳儲量的變化及對人為干擾的響應機制。

（2）東營和昌邑潮上帶濕地土壤中屬于疏水基團的烯烴類、酮類、苯系物和芳香化合物的吸收峰強度與相對峰面積顯著大于潮間帶，這與其生境條件下植被的生長量、土壤碳儲量、腐殖質結構和化學穩定性高有關。天津采樣點距離河口較近，淡水與海水的交替作用使潮間帶與潮上帶的區分并不明顯。

（3）土壤總磷（P = 0.002）、有機碳（P = 0.002）、總碳（P = 0.002）、總氮（P = 0.004）、pH（P = 0.006）和鹽度（P =

0.03）對土壤有機碳官能團的分布均有顯著影響，其解釋量分別為39.7%、38.5%、28.6%、20.7%、13.5%、9.3%。由此可見，土壤中總磷含量是影響濱海濕地土壤有機碳官能團分布最大的因素，該發現對于氮磷輸入比例日益增加的河口海岸濕地及近海水域富營養化的修復與治理尤為重要。

本研究結果豐富了人們對濱海濕地土壤有機碳儲量及其環境響應的認識，但是土壤腐殖質及其組分均是復雜的準高分子化合物，影響其結構特征的因素較多，還需要結合元素組成、核磁共振等測試技術進一步分析比較。

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