東北地理所在利用土壤元素組成特征評估濕地恢復(fù)效果研究中取得進展
濕地是地球上最富有生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)和人類最重要的生存環(huán)境之一，具有不可替代的生態(tài)功能，被稱為"地球之腎"。自20世紀初以來，由于人類的大規(guī)模開發(fā)利用，全球約有一半以上的濕地喪失。20世紀80年代以來，隨著對濕地重要性認識的深入以及濕地保護的加強，世界范圍內(nèi)實施了大規(guī)模的生態(tài)恢復(fù)工程，以期恢復(fù)重要的濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。
在評估濕地恢復(fù)效果的科研工作中，多數(shù)研究重點關(guān)注濕地植被的恢復(fù)過程，對濕地生態(tài)工程能否使土壤生物地球化學(xué)過程恢復(fù)到原始狀態(tài)仍缺乏足夠的認識。土壤元素化學(xué)是濕地生物地球化學(xué)過程的重要指征，受景觀特征、水文條件和人為干擾等因素的影響。土壤元素組成通常由氣候和成土母質(zhì)共同決定。目前已開展的研究多關(guān)注一個或少數(shù)幾個元素，關(guān)于濕地恢復(fù)前后土壤元素組成的變化規(guī)律尚不清楚，而相關(guān)研究對于揭示濕地生物地球化學(xué)變化過程非常重要，將為濕地恢復(fù)效果評估與管理決策提供重要的參考信息。。
東北地理所科研人員以我國濕地生態(tài)恢復(fù)工程重點實施區(qū)域—三江平原為研究區(qū)，選取天然濕地、恢復(fù)濕地和開墾農(nóng)田三種土地利用類型，在濕地植被恢復(fù)研究的基礎(chǔ)上，開展了濕地恢復(fù)前后土壤元素組成特征（55種）及其指示的生物地球化學(xué)變化過程研究。研究結(jié)果表明，三種土地利用類型的土壤元素組成特征具有顯著差異，恢復(fù)濕地的土壤元素含量整體介于天然濕地和開墾農(nóng)田之間。其中，氮、硫養(yǎng)分元素以及少數(shù)過渡金屬元素含量在天然濕地中最高，在開墾農(nóng)田中最低。相反，鈉、鉀元素以及大部分鑭系金屬元素含量在天然濕地中最低，在開墾農(nóng)田中最高。磷元素在恢復(fù)濕地含量最高。
土壤有機質(zhì)含量、電導(dǎo)率和pH是影響土壤元素組成的最主要環(huán)境因子。其中，土壤有機質(zhì)含量與氮、硫、磷以及少數(shù)金屬元素含量顯著正相關(guān)，而與其他大部分金屬元素含量顯著負相關(guān)。濕地生態(tài)工程在一定程度上恢復(fù)了土壤有機質(zhì)，使得土壤元素組成特征向未受干擾的自然狀態(tài)方向發(fā)展。濕地生態(tài)工程實施10-15年，土壤元素組成指示的生物地球化學(xué)功能可恢復(fù)到天然濕地50%左右的水平。然而，土壤特性的差異使得恢復(fù)濕地的生物地球化學(xué)難以完全達到未受干擾的自然水平。
土壤質(zhì)地類型及吸附作用，以及植物生長、根際過程和微生物介導(dǎo)的反硝化作用等生物過程顯著影響碳吸收、養(yǎng)分積累和金屬元素遷移，調(diào)控土壤元素組成和生物地球化學(xué)循環(huán)。土壤元素組成特征與土壤有機質(zhì)和電導(dǎo)率是生物地球化學(xué)功能的敏感指標，可結(jié)合已有生物指標，綜合評價濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的恢復(fù)效果。
本研究由東北地理所王國棟副研究員、姜明研究員、薛振山副研究員，我所海外特聘研究員、美國北達科他州立大學(xué)Marinus Otte教授、袁宇翔博士等共同完成。成果發(fā)表于國際土壤學(xué)專業(yè)期刊Geoderma和Land Degradation and Development。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會人才項目以及中科院東北地理所優(yōu)秀青年人才基金等共同資助。論文信息列表如下：
1.Wang, G.D., Otte, M.L., Jiang, M., Wang, M., Yuan, Y.X., Xue, Z.S., 2019. Does the element composition of soils of restored wetlands resemble natural wetlands? Geoderma, 351: 174-179. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.05.032
2.Wang, G.D., Jiang, M., Wang, M., Xue, Z.S., 2020. Element composition of soils to assess the success of wetland restoration. Land Degradation and Development. https://doi.org/10.1002/ldr.3561
圖1 土壤元素組成與約束環(huán)境變量的RDA排序圖
圖2 土壤元素含量與土壤有機質(zhì)含量的相關(guān)性
圖3 基于Bray-Curtis算法的樣地（天然濕地、恢復(fù)濕地、開墾農(nóng)田）NMDS排序圖
圖4 不同樣地類型（天然濕地、恢復(fù)濕地、開墾農(nóng)田）土壤元素組成聚類分析
表1 不同類型樣地 （天然濕地、恢復(fù)濕地、開墾農(nóng)田）土壤元素含量及環(huán)境因素差異
|
|
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 | |
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