黃河三角洲濕地土壤_植物碳氮穩(wěn)定同位素的組成特征_丁喜桂_圖文

1、ISSN1009-2722 CN37-1475/P海洋地質(zhì)前沿Marine Geo logy Frontiers第27卷第2期Vol27No2文章編號(hào):1009-2722(201102-0066-06黃河三角洲濕地土壤、植物碳氮穩(wěn)定同位素的組成特征丁喜桂1,2,葉思源1,2,王吉松3(1國土資源部海洋油氣資源和環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島266071;2青島海洋地質(zhì)研究所,青島266071;3青島地礦巖土工程有限公司,青島266071摘要:對(duì)黃河三角洲濕地表層土壤和植被進(jìn)行了碳氮同位素調(diào)查,發(fā)現(xiàn)本區(qū)植物的碳氮同位素值域變化幅度較大,生態(tài)系統(tǒng)以喜濕的C3植被類型為主,也生長C4植物。植物的碳、氮同位

2、素之間不存在相關(guān)關(guān)系。表層土壤中碳氮同位素組成存在著弱負(fù)相關(guān)關(guān)系,反映本區(qū)表層土壤中有機(jī)質(zhì)有多種來源。土壤C org/N比值差異很大,大部分地區(qū)土壤C org/N比值大于12,指示土壤有機(jī)質(zhì)來源以黃河流域有機(jī)質(zhì)為主,當(dāng)?shù)刂脖坏呢暙I(xiàn)較小。關(guān)鍵詞:黃河三角洲;濕地;碳同位素;氮同位素中圖分類號(hào):P597.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A黃河三角洲位于山東省東營市黃河入海口處,北臨渤海,東靠萊州灣,是典型的濱海濕地,處于海洋和陸地的交錯(cuò)地帶,是各界學(xué)者研究的熱點(diǎn)區(qū)域。在近幾十年中,國內(nèi)學(xué)者著重從沉積學(xué)、地層學(xué)及生態(tài)學(xué)角度出發(fā),對(duì)黃河三角洲開展了大量的研究工作,內(nèi)容涉及現(xiàn)代黃河三角洲的形成、演化、結(jié)構(gòu)、地貌特征、岸線

3、變遷、沉積環(huán)境、災(zāi)害地質(zhì)、生物多樣性、氫氧穩(wěn)定同位素、有機(jī)污染等1-16。但是有關(guān)黃河三角洲濕地碳氮穩(wěn)定同位素的研究卻鮮見報(bào)道17。碳氮同位素已被廣泛應(yīng)用于探討各種生態(tài)環(huán)境中的物質(zhì)來源、遷移規(guī)律和生物氮循環(huán)的示蹤研究18-23。陳志華等通過對(duì)楚科奇海及鄰近的北冰洋深水區(qū)表層沉積物中有機(jī)碳、氮同位素含量的分析指出,該區(qū)陸源有機(jī)質(zhì)主要來源于北美和西伯利亞地區(qū)現(xiàn)代植被,收稿日期:2010-12-10基金項(xiàng)目:國土資源公益性行業(yè)科研專項(xiàng)濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力探測與評(píng)價(jià)行業(yè)基金(201111023;國土資源部海洋油氣資源和環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(M RE200920;國家自然科學(xué)基金(40872

4、167;大地調(diào)項(xiàng)目(1212010611402作者簡介:丁喜桂(1979,女,助理研究員,碩士,從事海洋地質(zhì)和地球化學(xué)研究工作.E-mail:din gxigui 海源有機(jī)質(zhì)主要來源于海水和海冰中浮游硅藻和冰藻,其分布與海區(qū)環(huán)流結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)關(guān)系密切19;魏秀國等研究了珠江流域水體懸浮物的碳穩(wěn)定同位素組成,指出珠江河流懸浮物有機(jī)質(zhì)主要來源于流域植被、土壤有機(jī)質(zhì),且隨季節(jié)的變化表現(xiàn)出不同植被特征20;沈承德等指出地表植被類型是制約土壤有機(jī)碳變化的主要因素。土壤有機(jī)碳穩(wěn)定同位素平均值不但可用于區(qū)分C3、C4植被,還可用于區(qū)分闊葉林、針葉林等植被類型21。本文擬對(duì)黃河三角洲濕地土壤、植被中碳氮穩(wěn)定

5、同位素組成特征進(jìn)行分析,并探討其物質(zhì)來源。1材料和方法20062009年在黃河三角洲(圖1采集了60個(gè)表層土壤樣和67個(gè)植物樣品用于有機(jī)碳、有機(jī)氮及碳氮同位素測試。采集表層土壤樣時(shí)采用竹勺等無玷污用具,刮去地表薄層浮土(<1cm,采集地表至20cm深度的土柱,并去除雜草、草根、礫石、磚塊等雜物,放入塑料袋中至室內(nèi)后冷凍保存?zhèn)溆谩Ｔ诓杉寥罉拥?7卷第2期丁喜桂,等:黃河三角洲濕地土壤、植物碳氮穩(wěn)定 同位素的組成特征圖1研究區(qū)域及取樣站位圖Fig.1T he study area and sampling stations的點(diǎn)位附近同步采集生長較好的不同種類植物樣品(植物葉子,裝入網(wǎng)兜懸掛

6、晾干備用。本次采集的植物樣品包括蘆葦、檉柳、堿蓬、龍須草、白蠟、刺槐、黃蒿、松柳、楊樹等,均取其葉片部分。土壤和植物樣品均由中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)分析測試中心進(jìn)行處理及分析。土壤樣品處理方法:準(zhǔn)確稱取1.5g土壤樣品置于50 mL離心管中,緩慢注入20mL濃度為3mol/L的稀鹽酸,攪拌均勻,于65e水浴中加熱6h,每1h 攪拌1次,離心棄上清液,再用30mL去離子水洗滌沉淀物離心,重復(fù)清洗4遍,再加入30mL濃度為6mol/L的稀鹽酸于80e水浴中加熱12h,每2 h攪拌1次,離心棄上清液,再用30mL去離子水洗滌沉淀物離心,重復(fù)清洗至上清液呈中性并烘干,用瑪瑙研缽磨均勻備用。采用

7、德國Finnigan公司生產(chǎn)的Deltaplus XL同位素儀測定同位素D13C、D15N,測量精度為?012j。采用德國Elementar公司生產(chǎn)的vario ELÓ元素分析儀測定有機(jī)碳、有機(jī)氮含量,測量精度為?015%。2結(jié)果與討論2.1植物樣品中碳、氮同位素組成及分布特征通常C3植物D13C值處于-34j-23j范圍;C4植物D13C值處于-22j-6j范圍; CAM植物D13C值處于-20j-10j范圍24,25。在黃河三角洲濕地采集的植物樣品的D13C值范圍是-3015j-1312j,平均值為-2613j(表1。本區(qū)主要植物蘆葦、堿蓬、檉柳的D13C值的范圍分別是-2618

8、-2417j、-2911-2419j、-3015-2715j,屬C3植物。白蠟的D13C值為-201839j,龍須草的D13C 值為-131162j,兩者為C4植物。松柳、楊樹、刺槐、黃蒿的D13C值均在C3植物范圍內(nèi)。這說明本研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)以喜濕的C3植被類型為主,也生長C4植物植物。本區(qū)植物D15N值的變化范圍為-311j 111303j,平均值為11353j。有88%的植物的D15N值集中在-016j418j的范圍內(nèi)。其中C3植物的D15N值的范圍為-31099j 111303j,平均值為113j(N=65;兩種C4植物的D15N值分別為01109j、61052j。D15N值最高的是堿蓬

9、,最低的是檉柳(表1。表1黃河三角洲濕地植物的碳氮穩(wěn)定同位素組成T able1Stable car bo n and nitro gen isoto pe composit ions of plants in the Yello w R iver Delta/j樣品名稱均值D13C D15N白蠟-20183901109檉柳-26160501643堿蓬-28196641141柳樹-27150511692蘆葦-25168401935刺槐-26135901367黃蒿-301454-01454龍須草-131*松柳-251518-11132楊樹-261864117132.2表層土壤D13C、D15N組成

10、及分布特征黃河三角洲濕地表層土壤D13C值的范圍是-26144j-3112j,平均值為-17137j;D15N 值的范圍是-2179j5173j,平均值為0187j;有機(jī)碳值的范圍是0108%2162%,平均值為0197%;有機(jī)氮值的范圍是01003% 01174%,平均值是01045%(表2。在區(qū)域分布67M arine Geo lo gy Fr ontiers 海洋地質(zhì)前沿 2011年2月上,土壤的D 13C 高值集中在研究區(qū)北部,并由北向南呈明顯的遞減變化規(guī)律(圖2;而D 15 N 值則呈相反的變化規(guī)律,以黃河口濕地保護(hù)區(qū)為高值區(qū)向外,主要是向北逐漸減小(圖3;有機(jī)碳的分布特征與D 13

11、C 分布特征基本相似(圖4;有機(jī)氮的高值中心分布于孤島水庫北,其他地區(qū)有機(jī)氮值較低(圖5。黃河三角洲濕地表層土壤中D 13C 值與D 15N 值呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖6,說明本區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)有多種來源。研究還顯示,黃河三角洲濕地表層土壤中D 13C 值在孤東水庫至仙河鎮(zhèn)一線以南地區(qū)/偏負(fù)0,而土壤D 15N 值則相反(圖2、圖3。相對(duì)較負(fù)的土壤D 13C 值反映了植被脫落的葉子和微生物活動(dòng)對(duì)其值的影響。黃河三角洲除國家濕地自然保護(hù)區(qū)外,大多數(shù)區(qū)域已開發(fā)成農(nóng)用地,其土壤D 15 N 值較高可能與化肥及有機(jī)肥料的使用有關(guān)。表2 黃河三角洲濕地土壤碳氮穩(wěn)定同位素、有機(jī)碳氮及C org /N 比值的組成特征

12、Table 2 Stable carbon and nitr ogen isotope,Organic carbonand nitro gen,C org /N r atio s o f soils in the Y ellowRiver D elta Wet land參數(shù)均值范圍D 13C/j -17137-26144-3112D 15N/j機(jī)碳/%019701082162有機(jī)氮/%010*01174C org /N31164219915914 圖2 黃河三角洲濕地土壤D 13C 的分布F ig.2 D 13C of soils in the Yellow Ri

13、ver Delta Wetland圖3 黃河三角洲濕地土壤D 15N 的分布Fig.3 D 15N o f so ils in t he Y ellowRiver D elta Wet land圖4 黃河三角洲濕地土壤有機(jī)碳含量分布Fig.4 O rg anic car bo n o f so ils in t he Y ellowRiver D elta Wet land圖5 黃河三角洲濕地土壤有機(jī)氮含量分布Fig.5 Or ganic nitr og en o f so ils in t he Y ellowRiver D elta Wet land68第27卷第2期丁喜桂,等:黃河三角洲

14、濕地土壤、植物碳氮穩(wěn)定 同位素的組成特征圖6黃河三角洲濕地土壤的碳氮穩(wěn)定同位素組成F ig.6Stable ca rbon and nitro gen isoto pe co mpo sitionsof so ils in the Yello w R iver Delta2.3土壤有機(jī)質(zhì)來源分析根據(jù)黃河三角洲濕地植被、土壤的碳同位素調(diào)查結(jié)果,本區(qū)土壤D13C和D15N與植被的D13C 和D15N有較大的差異,說明本區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)主要來源于黃河流域的有機(jī)質(zhì),當(dāng)?shù)刂脖坏呢暙I(xiàn)較小。另外,C or g/N比值也已被廣泛用于區(qū)分沉積物有機(jī)質(zhì)來源于海洋藻類還是來源于陸地26-35。這個(gè)示蹤的應(yīng)用是建立在不同

15、的有機(jī)質(zhì)類型有不同的C org/N比值基礎(chǔ)上,C or g/N比值是蛋白質(zhì)含量的指示劑。Bordovsky36認(rèn)為C org/N比值<8是典型的海洋物質(zhì);Prahl等37給出了比值>12代表沉積物陸源有機(jī)質(zhì)的值。然而C org/N比值有時(shí)會(huì)因人為因素的影響而不能反映出真實(shí)的物源信息。假如C org/N比值能嚴(yán)格體現(xiàn)物源影響,那么C org/N比值應(yīng)與碳同位素和氮同位素值有比較理想的相關(guān)關(guān)系38。本區(qū)土壤C org/N比值差異非常大(表2,其范圍介于314715914,平均值為40189。北部一千二林場濕地保護(hù)區(qū)及孤北水庫以北的大部分區(qū)域其土壤C org/N比值大于12(圖7,而且C

16、 org/N 比值與碳同位素和氮同位素均有較好的相關(guān)關(guān)系(圖8,表明本區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)主要來源于陸域有機(jī)質(zhì)。黃河三角洲現(xiàn)行河道兩側(cè)部分站位表層土壤C or g/N比值小于8或12,據(jù)野外調(diào)查記錄,土壤C or g/N比值小于8或12的站位均位于棉花地、天然堤或村莊附近,人類活動(dòng)改造強(qiáng)烈,農(nóng)業(yè)施肥或生活污水的排放可能導(dǎo)致有機(jī)氮含量增加,而且這些站位D13C與C org/N并無理想的相關(guān) 關(guān)系(圖9,不能嚴(yán)格體現(xiàn)物源影響。圖7黃河三角洲濕地表層土壤C org/N比值分布Fig.7C org/N r atios o f so ils in the Y ellow River Delta圖8土壤C org

17、/N比值與碳氮同位素對(duì)應(yīng)關(guān)系(C org/N>12Fig.8T he corresponding relationship of C org/N ratio,carbon and nitro gen isot ope co mpo sitio ns in soils(C org/N>12圖9土壤C org/N比值與碳氮同位素對(duì)應(yīng)關(guān)系(C org/N<12 Fig.9T he cor responding relationship of C org/N r atio,carbon and nitro gen isot ope co mpo sitio ns in soils(C

18、 org/N<1269M arine Geo lo gy Fr ontiers海洋地質(zhì)前沿2011年2月3結(jié)論(1黃河三角洲濕地植被中D13C值的范圍是-3015-1312j,D15N值的變化范圍為-311 111303j,以喜濕的C3植被類型為主,也生長少量C4植被;植被碳氮同位素之間并無明顯的相關(guān)關(guān)系。黃河三角洲濕地表層土壤中D13C值的范圍是-26144-3112j,D15N值的范圍是-21795173j。(2根據(jù)黃河三角洲濕地植被、土壤的碳同位素調(diào)查結(jié)果,本區(qū)土壤D13C和D15N與植被的D13 C和D15N有較大的差異,且大部分地區(qū)土壤C org/ N比值大于12,指示本區(qū)土壤

19、有機(jī)質(zhì)主要來源于黃河流域的有機(jī)質(zhì),當(dāng)?shù)刂脖坏呢暙I(xiàn)較小;而黃河三角洲現(xiàn)行河道附近土壤C org/N比值小于8或介于812之間,可能是農(nóng)業(yè)施肥或生活污水的排放而導(dǎo)致有機(jī)氮含量增加,而且這些站位D13C 與C or g/N并無理想的相關(guān)關(guān)系,不能嚴(yán)格體現(xiàn)物源影響。參考文獻(xiàn):1成國棟,薛春汀.黃河三角洲沉積地質(zhì)學(xué)M.北京:地質(zhì)出版社,1997.2薛春汀.現(xiàn)代黃河三角洲葉瓣的劃分和識(shí)別J.地理研究,1994,13(2:59-66.3成國棟.黃河三角洲現(xiàn)代沉積作用及模式M.北京:地質(zhì)出版社,1991.4薛春汀,葉思源,高茂生,等.現(xiàn)代黃河三角洲沉積物沉積年代的確定J.海洋學(xué)報(bào)(中文版,2009,31(1:

20、117-124. 5任于燦,周永青.廢棄的黃河三角洲的地貌特征及演化J.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),1994,14(2:19-28.6李廣雪,李紹全.現(xiàn)代黃河三角洲平原沉積相層及沉積界限J.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),1988,(4:43-53.7高善明,李元芳,安風(fēng)桐,等.黃河二三角洲形成和沉積環(huán)境M.北京:科學(xué)出版社,1989.8周良勇,劉健,劉錫清,等.現(xiàn)代黃河三角洲濱淺海區(qū)的災(zāi)害地質(zhì)J.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2004,24(3:19-27. 9別君,黃海軍,樊輝,等.現(xiàn)代黃河三角洲地面沉降及其原因分析J.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2006,26(4:29-35.10仁于燦,董萬.現(xiàn)代黃河三角洲的地貌特

21、征J.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),1987,增刊(7:19-28.11高善明,李元芳,安鳳桐,等.黃河三角洲形成和沉積環(huán)境M.北京:科學(xué)出版社,1989.12于祥.田家怡,李建慶,等.黃河三角洲外來入侵物種米草的分布面積與擴(kuò)展速度J.海洋環(huán)境科學(xué),2009,28(6:684-686,709.13田家怡,傅榮恕.黃河三角洲土壤動(dòng)物多樣性初步調(diào)查研究J.生物多樣性,2001,9(3:228-236.14趙艷云,胡相明,田家怡.黃河三角洲濕地植被研究現(xiàn)狀及存在的問題J.河北農(nóng)業(yè)科學(xué).2009,13(11:57-58,72. 15袁瑞強(qiáng),劉貫群,張賢良,等.黃河三角洲淺層地下水中氫氧同位素的特征J.山東大學(xué)

22、學(xué)報(bào)(理學(xué)版,2006,41(5:138-143.16王紅晉.黃河三角洲濱海濕地稀土元素和氫氧穩(wěn)定同位素特征及物源示蹤D.武漢:中國地質(zhì)大學(xué),2007.17丁秋祎,白軍紅,高海峰,等.黃河三角洲濕地不同植被群落下土壤養(yǎng)分含量特征J.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(10:2092-2097.18蔡德陵,李紅燕,周衛(wèi)建,等.無定河流域碳氮穩(wěn)定同位素研究J.地球化學(xué),2004,33(6:619-625.19陳志華,石學(xué)法,蔡德陵,等.北冰洋西部沉積物有機(jī)碳、氮同位素特征及其環(huán)境指示意義J.海洋學(xué)報(bào),2006,28(6:61-71.20魏秀國,沈承德,孫彥敏,等.珠江水體懸浮物碳穩(wěn)定同位素組成與流域

23、土壤侵蝕研究J.沉積學(xué)報(bào),2008,26(1:151-157.21沈承德,易惟熙,孫彥敏,等.鼎湖山森林土壤14C表觀年齡及D13C分布特征J.第四紀(jì)研究,2000,20(4:335-344.22林清,彭平安,劉榮謨.鄂陵湖淺層凍結(jié)湖相沉積物中埋藏植物屑穩(wěn)定碳同位素組成特征J.地球化學(xué),2000,29(5:425-430.23吳瑩,張經(jīng),張?jiān)俜?等.長江懸浮顆粒物中穩(wěn)定碳、氮同位素的季節(jié)分布J.海洋與湖沼,2002,33(5:546-552.24Den ies P.T he isotopic composition of organic carb onC/Fritz P,Fontes C.Ha

24、ndbook of En vironmen tal Is otopicGeochemistry:1.T he T err estrial Environment.Amster-dam:Els evier,1980.329-406.25Cerling T E,Quad e J,W an g Y,et al.Carbon is otopes ins oils and palaeosols as ecology an d palaeoecology in dicatorsJ.Nature,1989,341:138-139.26H edges j I,Keil R G,Benn er R.W hat

25、h appens to terrestrialorganic matter in the oceanJ.Organ ic Geochemistry,1997,27(5:195-212.27魏秀國,卓慕寧,郭治興,等.東江流域土壤、植被和懸浮物的碳、氮同位素組成J.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2010,19(5:1186-1190.28O.Leary M H.Carbon isotopes in ph otosyn th esisJ.Bio-s cien ce,1988,(38:328-336.29M eyers P A.Organ ic geochemical prox ies of paleocean o

26、-graphic,paleolimn ologic,and paleoclim atic processeJ.Organic Geoch emis try,1997,27(56:213-250.30Prahl F G,Ertel J R,Gon i M A,et al.Terrestrial organiccarb on contribu tion s to s ediments on the Washington mar-ginJ.Geochimica et C os mochim ica Acta,1994,58(14:70第 27 卷 第 2 期 3 035 - 3 048. 31 丁喜

27、桂 , 等 : 黃河三角洲濕地土壤、 植物碳氮穩(wěn)定 同位素的組成特征 71 s edim ent ary C org/ N r at ios as source indicat ors of organic m at t er J . Pal aeogeography. Palaeocl imatol ogy, Pal aeo ecology, 1999, 145: 1 -16. 35 M eyers P A . Pres ervati on of element al and is ot opic s ource id ent if icat ion of sedim ent ary org

28、anic mat t er J . C hemi cal G eology, 1994, 114: 289 -302. 36 Bordovsky O K . A ccumu lat ion an d t ran sf ormat ion of or ganic subs tances in m arin e sedim ent s J . M arin e G eology, 1965, 3: 3 -114. 37 Prahl F G , Ben net t J T, Carpent er R . T he early diagen esis of al iphatic hydrocarbon

29、 s and organic mat t er in sedim ent a ry parti culat es f rom D abob Bay, Washin gt on J . Geochim ica et Cosmoch imica A cta, 1980, 44: 1967 -1976. 38 張 凌 . 珠江口 及近海沉 積有機(jī)質(zhì)的 分布、 來源 及其早 期 成巖作用研究 D . 廣州 : 中 國科 學(xué)院 廣州地 球化 學(xué)研 究 所 , 2006. Th ornt on S F, M cM anus J. A ppl icati on of organic carb on and

30、nit rogen st able is ot ope and C/ N rat ios as sou rce indi cat ors of organ ic matt er provenance in est uari ne sy st ems : E vid ence fr om t he T ay Est uary, Scotl and J . Est uarine. C oast al and Shelf S cien ce, 1994, 38: 219 - 233. 32 R ut tenberg K C, G oni M A . Phosph oru s dis tr ibut

31、ion, C: N : P rat ios, and D13 Corg in arct ic, t emperat e, and tr opi cal coast al s ediment s: T ool s f or ch aract erizing bu lk s ediment a ry organic mat t er J . M arine G eol ogy, 1997, 139: 123 - 145. 33 An drew s J E, G reenaway A M , D ennis P F. Combin ed car bon is ot ope and C/ N rat

32、ios as indicat ors of source and f at e of organic mat t er in a poorly f lush ed, t ropical est uary: H unt s Bay, K ingst on Harbour, Jam aica, Est uarine J . C oast al and Shelf S cien ce, 1998, 46: 743 - 756. 34 M u ller A , M at h esiu s U . T he pal eoen vir on ment s of coast al l agoons in t

33、 he sout hern Balt ic S ea, I. T he applicat ion of STABLE CARBON AND NITROGEN ISOTOPES IN THE YELLOW RIVER DELTA WETLAND DING Xigui1, 2 , YE Siy uan 1, 2 , WANG Jisong 3 ( 1 K ey Lab orat ory of M arine H ydrocarbon R es ources and Environm ent al G eology, M in ist ry of Land and R es ources, Q in gdao 266071, C hina; 2 Q ingdao In st itu te of M ari ne G