環(huán)型濕地土壤空間分布規(guī)律研究

濕地中的有機(jī)、氮、磷、鉀是濕地生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的生態(tài)因素，對濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力有重大影響。其中有機(jī)質(zhì)是氣候變化的一種敏感指示物,它能夠用來指示濕地對氣候變化的響應(yīng);氮素和磷素是引發(fā)江河湖泊等濕地發(fā)生富營養(yǎng)化的重要因子之一;而鉀素是植物的重要營養(yǎng)元素之一。濕地化學(xué)元素的含量也是濕地類型劃分的重要依據(jù),因此研究濕地土壤的有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀的空間分布規(guī)律具有重要意義。三江平原是由黑龍江、松花江和烏蘇里江匯流沖積而形成的沼澤化低平原,是我國最大的淡水濕地分布區(qū)之一,同時也是受人類活動影響天然濕地分布面積減少最快的區(qū)域之一。環(huán)型濕地是三江平原主要的濕地景觀類型,是水陸相互作用的核心,多分布在高漫灘、低階地及沼澤性平原河流的分水線上,具有面積小、生物多樣性豐富、環(huán)境梯度變化較大、對環(huán)境變化反應(yīng)敏感等特點。每個環(huán)型濕地,一般都以一個最低勢能點(或最高勢能點)為核心而組合成的一種地貌組合單元,環(huán)型濕地兩種地貌(碟型洼地和島狀林)的特點,形成了不同的熱能量區(qū):高勢能區(qū)為島狀林地,好氧高溫區(qū);低勢能區(qū)為碟型洼地,厭氧低溫區(qū);兩者之間為過渡區(qū)。地表面的植物群落呈環(huán)狀從低到高(或從高到低)有規(guī)律分布,也有的呈多弧狀或線狀有規(guī)律的分布。這些不同的環(huán)境組合,形成了濕地獨(dú)特的物質(zhì)和能量結(jié)構(gòu),因此三江平原環(huán)型濕地是研究濕地土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀的空間分布規(guī)律很好的場所。目前國內(nèi)外對濕地土壤主要化學(xué)元素的空間分布規(guī)律已有一些研究[8,9,10,11,12,13,14,15],但大多都是對永久性濕地化學(xué)元素空間分布的普遍規(guī)律以及背景值的揭示,而探討干濕交替下環(huán)型濕地系統(tǒng)內(nèi)不同植物群落下土壤化學(xué)元素的空間分布規(guī)律較少,特別是對不同土壤發(fā)生層化學(xué)元素的空間分異研究的更少。本文研究了三江平原典型環(huán)型濕地土壤不同發(fā)生層有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀的空間分布規(guī)律,并從生態(tài)過程分析這種空間分布規(guī)律產(chǎn)生的機(jī)理,為濕地結(jié)構(gòu)和功能、保護(hù)和管理的研究提供科學(xué)依據(jù)。1學(xué)習(xí)方法1.1泥炭土和東南角沼澤土觀測樣地選在三江平原的腹地,別拉洪河與濃江河分水線上的中國科學(xué)院三江平原沼澤濕地試驗站內(nèi),其核心位置的地理坐標(biāo)為東經(jīng)133°30′35″,北緯47°35′11″。觀測樣地的面積約4hm2,海拔高度在55.4～56.0m之間,在其周圍還有四個碟型洼地及島狀林地相連接(圖1)。所選擇的環(huán)型濕地中心部位是一個南北長8m、東西寬6m的橢圓型水面,水中有沉水植物,如小貍藻(Utricrlariaintermedia)等,發(fā)育的土壤為泥炭土。圍繞明水面由內(nèi)向外由五個群落組成:第一個植物群落帶為漂筏苔草群落(Ass.Carexpseudocuraica),這個帶寬約2m,伴生植物有水蓼(Polygonumhydropiperl)、東北沼萎菱菜(Comarumpalustre)等,土壤為泥炭土;第二個植物群落帶為大穗苔草群落(Ass.Carex-rhynchophysa),寬約3m,伴生植物有睡菜(Menyanthestrifoliata)、漂筏苔草和水木賊(Equisetumlimosum)等,是泥炭土和泥炭沼澤土的過渡地帶;第三個植物群落帶為毛果苔草群落(Ass.Carexlasiocarpa),寬約8m,伴生植物有燕子花(Irislaevigata)、睡菜(Menyanthestrifoliata)、水木賊(Equisetumheleocharis)等,土壤為泥炭沼澤土;第四個植物群落帶為烏拉苔草群落(Ass.Carexmeyeriana),寬約6m,土壤為潛育草甸沼澤土;第五個植物群落帶為沼柳-小葉樟群落(Ass.Salixbrachypoda-Calamagrosticsangustifolia),分布在環(huán)型濕地的邊緣,寬約8m,是林地與草地的分界地帶,土壤為潛育草甸白漿土。1.2樣品采集和測試方法在觀測研究樣地的南北走向上,由環(huán)型濕地的中心到邊緣選一條寬5m的樣帶(圖1),根據(jù)不同的植物帶來確定樣方。取樣時間在2000年8月上旬。每個樣方根據(jù)土壤的發(fā)生層取垂直的土壤剖面樣品,土壤樣品運(yùn)回實驗室后,對風(fēng)干土壤樣品的有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀進(jìn)行分析測試。有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測定,全氮采用凱氏定氮法測定,全磷采用鉬銻抗比色法測定,全鉀采用原子吸收光譜法測定。全部分析測試在中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所分析測試部完成。2結(jié)果與討論2.1環(huán)型濕地不同群落土壤全氮含量及碳氮比的時空分布特征五個植物群落帶內(nèi)土壤有機(jī)碳的垂直分布規(guī)律基本上趨于一致(圖2),由表層向下逐漸減少,在母質(zhì)層達(dá)到最小值,這與大多數(shù)土壤有機(jī)碳的垂直分布規(guī)律一致。除沼柳-小葉章群落外,以泥炭層和腐泥層的有機(jī)碳的相對富集系數(shù)(相對富集系數(shù)指某一層元素的含量與其下層這一元素平均含量的比值)最大,其平均值分別為1.69和2.35,說明有機(jī)碳在此兩層富集。沼柳-小葉章群落的相對富集系數(shù)最大值出現(xiàn)在枯落物層,為1.12,其他各層都較小。在土壤表層(枯落物層和須根層),各群落之間水平分異不太明顯,但有烏拉苔草>毛果苔草>大穗苔草>漂筏苔草群落帶的趨勢;在土壤下層(須根層以下),各群落之間的水平分異比較明顯,漂筏苔草>大穗苔草>毛果苔草>烏拉苔草>沼柳-小葉章群落(圖2),與土壤水分狀況序列相一致。對五個群落土壤有機(jī)碳各層厚度加權(quán)平均值與距環(huán)型濕地中心的距離進(jìn)行線性擬合(圖3),其擬合方程為Y(有機(jī)碳含量)=40.441-7.566X(距環(huán)型濕地中心的距離)(R=-0.886),在0.05水平上顯著,表明五個植物群落下的土壤有機(jī)碳的含量,由環(huán)型濕地中心向外緣,隨著距離的增加,有減少的趨勢。由圖4可以看出,除漂筏苔草群落土壤全氮含量由表層向下逐漸減少外,其他各群落土壤全氮含量自上而下呈先增加后減少的分布,最大值出現(xiàn)在泥炭層(腐殖質(zhì)層)或腐泥層(白漿層)之中。各層相對富集系數(shù)計算表明,除沼柳-小葉章群落外,泥炭層(腐殖質(zhì)層)和腐泥層的全氮的相對富集系數(shù)最大,其平均值分別為1.15和2.08,說明全氮在此兩層富集。從水平分異來看,由環(huán)型濕地中心到邊緣,各層全氮含量都有逐漸降低的趨勢。對五個群落土壤全氮各層厚度加權(quán)平均值與距環(huán)型濕地中心的距離進(jìn)行線性擬合(圖5),其擬合方程為Y(全氮含量)=26.19-0.65X(距環(huán)型濕地中心的距離)(R=-0.995),在0.01水平上顯著,表明由環(huán)型濕地中心向外,土壤平均全氮含量逐漸減少。有機(jī)物質(zhì)組成的碳氮比(C/N)也具有明顯的空間分布規(guī)律(圖6),從垂直方向上看,各群落碳氮比呈先增加后減少的趨勢,在須根層達(dá)到最大值(沼柳-小葉章群落在腐殖層達(dá)到最大值)。從碳氮比的水平分異來看,除沼柳-小葉章群落變化較大外,各層的碳氮比表現(xiàn)為烏拉苔草>毛果苔草>大穗苔草>漂筏苔草,與有機(jī)碳與全氮的分布規(guī)律恰恰相反,白軍紅對內(nèi)蒙古烏蘭泡濕地的研究也得出類似的結(jié)論。環(huán)型濕地不同植物群落土壤碳氮比的平均值主要集中在15～22之間,表明土壤有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度高。在濕地土壤中磷具有以無機(jī)和有機(jī)形式存在的溶解態(tài)和不溶態(tài),濕地植物通過土壤吸收磷,同時植物將無機(jī)磷轉(zhuǎn)化成有機(jī)磷又儲存在土壤有機(jī)質(zhì)中,礦化后再循環(huán)或被遷出濕地。全磷在環(huán)型濕地不同植物群落土壤中的空間分布規(guī)律比較復(fù)雜,由圖7可以看出,從土壤的垂直分異來看,漂筏苔草群落、大穗苔草群落和毛果苔草群落土壤全磷含量,是自上到下呈先減后增的“V”型分布,在須根層或泥炭層中達(dá)到最小值,沼柳-小葉章群落呈逐漸下降的趨勢,而烏拉苔草較復(fù)雜,呈先增后減再增的趨勢。各植物群落土壤相對富集系數(shù)最大值出現(xiàn)的層次各不相同,漂筏苔草群落、大穗苔草群落、毛果苔草群落、烏拉苔草群落最大相對富集系數(shù)分別出現(xiàn)在枯落物層、須根層、泥炭層、腐泥層和潛育層中,分別為2.34、1.71、1.62和1.68,具有由環(huán)型濕地中心向邊緣富集系數(shù)最大值出現(xiàn)的層次逐漸降低的趨勢。從土壤的水平分布來看,全磷含量由環(huán)型濕地中心向邊緣有減少的趨勢。對五個群落土壤全磷含量各層厚度加權(quán)平均值與距環(huán)型濕地中心的距離進(jìn)行線性擬合(圖8),其擬合方程為Y(全磷含量)=2030.842-41.228X(距環(huán)型濕地中心的距離)(R=-0.959),在0.01水平上顯著,表明由環(huán)型濕地中心向外,全磷含量逐漸減少。土壤全鉀含量的空間分布較復(fù)雜。由圖9可以看出,從土壤的垂直分異來看,從上到下,沼柳-小葉章群落土壤全鉀含量逐漸升高,而烏拉苔草群落、毛果苔草群落和大穗苔草群落土壤全鉀含量呈先減后增的“V”型分布,在泥炭層(或腐殖層)達(dá)到最小值。漂筏苔草群落垂直變異較大,呈先減后增再減再增的“W”型分布,在腐泥層和母質(zhì)層達(dá)到最大值。各層相對富集系數(shù)計算表明,漂筏苔草群落以枯落物層全鉀的相對富集系數(shù)最大,為1.32,大穗苔草群落、毛果苔草群落、烏拉苔草群落和沼柳-小葉章群落的最大相對富集系數(shù)均出現(xiàn)在須根層(沼柳-小葉章群落為腐殖層)中,分別為2.01、1.91、1.48和1.20,說明全鉀在此層富集。從土壤的水平分布來看,由環(huán)型濕地中心向邊緣有增加的趨勢。對五個群落土壤各層全鉀含量平均值與距環(huán)型濕地中心的距離進(jìn)行線性擬合(圖10),其擬合方程為Y(全鉀含量)=2428.510+52.953X(距環(huán)型濕地中心的距離)(R=0.889),在0.05水平上顯著,表明由環(huán)型濕地中心向外,全鉀含量逐漸增加。2.2有機(jī)碳、全氮的空間分布規(guī)律對五個濕地植物群落土壤各層有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀進(jìn)行相關(guān)分析(表1)。結(jié)果表明,有機(jī)碳與全氮相關(guān)系數(shù)較大,在0.01水平上顯著,說明有機(jī)碳與全氮具有相似的空間分布規(guī)律,這是因為土壤全氮含量常常與有機(jī)質(zhì)消漲趨勢相一致,二者相關(guān)性較強(qiáng),其空間分異規(guī)律也表現(xiàn)出一定的相似性;全鉀與有機(jī)碳、全氮具有較大的負(fù)的相關(guān)系數(shù),表明全鉀與有機(jī)碳、全氮具有相異的空間分布規(guī)律,即全鉀含量高的土壤部位或?qū)哟?有機(jī)碳和全氮含量一般較低;全磷與全鉀、有機(jī)碳相關(guān)系數(shù)較小,且不顯著,說明全磷有自己獨(dú)特的空間分布規(guī)律,與其他元素的空間分布規(guī)律差異較大。2.3影響環(huán)濕土壤中碳、全氮、總磷和總鉀的空間分布的分析2.3.1有機(jī)碳含量、全氮含量變化土壤有機(jī)碳、全氮、全磷的空間分布受植物體元素的含量影響較大。土壤表層(枯落物層和須根層)有機(jī)碳的含量受地上植物有機(jī)碳的含量影響較大,由于各群落地上植物有機(jī)碳含量由中心向邊緣逐漸升高(表2),而土壤表層的有機(jī)碳主要來自植物殘體,因此表層土壤中有機(jī)碳含量由環(huán)型濕地中心到邊緣逐漸升高;由環(huán)型濕地中心到邊緣,地上植物全氮含量逐漸降低,造成各類型土壤全氮平均含量由環(huán)型濕地中心到邊緣逐漸降低;由環(huán)型濕地中心到邊緣地上植物全磷含量逐漸降低(表2),同時從環(huán)型濕地邊緣向中心側(cè)向淋溶部分可溶性磷,形成了全磷含量由環(huán)型濕地中心向邊緣逐漸減少的分布規(guī)律。2.3.2有機(jī)碳含量下降地形、水循環(huán)對環(huán)型濕地土壤有機(jī)碳、全氮影響巨大。由環(huán)型濕地中心到邊緣,淹水時間逐漸變短,淹水頻率逐漸減少,水位逐漸降低以至消失,土壤含水量逐漸降低,通氣性逐漸增強(qiáng),土壤由還原環(huán)境逐漸變?yōu)檠趸h(huán)境,而土壤含水量越低、通氣性越好,有機(jī)碳含量越低,因此由環(huán)型濕地中心到邊緣,越來越不利于有機(jī)碳的積累,造成由環(huán)型濕地中心向邊緣土壤下層(須根層以下)和各層土壤平均有機(jī)碳含量逐漸降低。干濕交替是產(chǎn)生全氮水平分異的主要原因,濕地土壤在干濕交替作用下,相當(dāng)短的干濕交替周期有利于濕地脫氮,而長期淹水或較長干濕交替周期不利于濕地脫氮。由環(huán)型濕地中心到邊緣,淹水時間逐漸變短,淹水頻率逐漸減少,干濕交替周期逐漸變短,同時地表植物的固氮量逐漸降低(表2),因此由環(huán)型濕地中心向外,土壤全氮含量逐漸減少。由于NO-3離子不被帶負(fù)電荷的土壤粒子所固定而易溶于溶液,所以全氮在濕地中主要通過地下潛流以硝態(tài)氮的形式輸移流失,這是濕地土壤剖面中出現(xiàn)累積峰的一個主要原因,同時也是造成由環(huán)型濕地中心向外緣全氮含量減少的直接原因。另外與其他層次相比,泥炭層或腐泥層中粘粒含量高,粘粒含量高的土壤層含氮量比粗質(zhì)地土壤層高,它能吸附有機(jī)氮化合物,與陽離子、有機(jī)化合物反應(yīng),增強(qiáng)其穩(wěn)定性,這也是在泥炭層或腐泥層全氮出現(xiàn)累積峰的主要原因。2.3.3植物土壤中全磷含量的分布特點土壤是固態(tài)地球表面具有生命活動、處于生物與環(huán)境間進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量交換的疏松表層,它即是生命活動的條件,也是生命活動的產(chǎn)物,因此,生物制約和控制著濕地土壤元素的空間分布規(guī)律。環(huán)型濕地土壤元素的空間分布正是生物與環(huán)境長期相互作用的結(jié)果,一些生物過程決定著土壤的元素的空間分布規(guī)律。如環(huán)型濕地土壤全磷的垂直分異主要受植物生命活動的影響,泥炭土和泥炭沼澤土全磷的垂直分異主要受植物根系吸收的影響,中部的泥炭層和腐泥層是植物根系活躍生長的區(qū)間,磷素因植物根系的吸收而減少,枯落物層和草根層可以得到上部植物養(yǎng)分的補(bǔ)充,潛育層和母質(zhì)層因植物根系不能到達(dá),被吸收的養(yǎng)分也較少,因此土壤上層和底層全磷含量較高。而潛育草甸白漿土剖面各層磷素主要受枯落物分解后補(bǔ)充的影響,植物根系集中在上層,因此上部土層含量較高。從環(huán)型濕地邊緣到中心積水愈來愈深,表層土壤與底層土壤的距離越來越大,而鉀素是主要從礦質(zhì)土壤中得到補(bǔ)充的元素,它越來越難以由植物根系從礦質(zhì)土壤中吸取上來,因此植物體中鉀素的含量也愈貧乏(表2),當(dāng)這些植物死亡以后的殘體歸還給土壤并主要由它們形成表層土壤時就形成全鉀在環(huán)型濕地不同植物群落土壤中的水平分布規(guī)律。隨著植物殘體在土壤表層的積累,那些存在于植物殘體中的鉀素難以釋放出來,使得鉀素在土壤表層積累。在適宜的條件下,植物殘體和草根層逐漸加厚并經(jīng)泥炭化過程而形成泥炭,隨著泥炭堆積層的加厚,濕地植物的根系愈來愈難以到達(dá)礦質(zhì)土壤層,此時,植物鉀素的主要來源是根系所能達(dá)到的礦質(zhì)層以上的泥炭層和溶液中所溶的物質(zhì)。由于泥炭層和溶液中的鉀素相對比較貧乏,因此造成烏拉苔草群落、毛果苔草群落和大穗苔草群落土壤剖面中全鉀含量呈上層和底層較高、中間層較低的“中空”狀