三江平原語境中土壤氮素的空間分布特征

氮是土壤生態(tài)系統(tǒng)植物生長發(fā)育和初級生產(chǎn)過程中最受限制的因素之一。土壤中的氮含量直接影響生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。濕地土壤是在長期或周期性淹水條件下由水陸相互作用發(fā)育而成,是土壤氮的重要儲庫,發(fā)揮著氮素源、匯或轉(zhuǎn)化器的重要功能。隨著農(nóng)業(yè)活動中氮肥用量的增加以及工業(yè)生產(chǎn)含氮物質(zhì)的排放,大量氮素進入生態(tài)系統(tǒng)。在天然濕地中,氮輸入量的高低和分布特征顯著影響著生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過程和濕地植被演替。有機氮是土壤氮庫的主體(占95%以上),有機氮礦化對植物的生長過程極為重要,其礦化速率的高低直接影響著土壤的供氮能力。同時,濕地常年積水或季節(jié)性干濕交替的環(huán)境條件也為氮的硝化/反硝化作用提供了良好的條件,是土壤氮轉(zhuǎn)化遷移的重要驅(qū)動因素。就濕地生物小循環(huán)而言,植物從土壤中吸收大量氮素以維持自身生長的需要,同時也會有相當數(shù)量生物質(zhì)以枯落物的形式歸還土壤。濕地土壤氮的分布特征不僅可反映濕地的養(yǎng)分供給狀況及其可利用水平,而且一定程度上對濕地植物群落的組成、濕地系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著深刻影響。本文研究了三江平原典型碟形濕地土壤氮素的空間分布特征,分析了土壤氮素空間變異的主要影響因素,對加強濕地管理,促進濕地系統(tǒng)生態(tài)安全具有重要指導意義。1研究區(qū)域內(nèi)沼澤和濕地的一般概念和研究方法1.1地表徑流不暢,低土壤壓力嚴重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低平原,是我國最大的淡水沼澤濕地分布區(qū)之一,該區(qū)屬于大陸性季風氣候,冬季嚴寒漫長,夏季溫暖濕潤,秋季多雨,年平均氣溫1.9℃,大于或等于10℃的年活動積溫為2300℃;年降水量為600mm左右,集中在6~9月,約占全年降水的70%。由于氣候、地形、土壤等綜合因素,該區(qū)地表徑流不暢,加上階地底層廣泛分布有粘土層,嚴重阻礙地表水下滲,洼地匯水形成大片沼澤。研究樣地選在中國科學院三江平原沼澤生態(tài)站三區(qū)試驗場(47°34′30″N,133°29′45.2″E),如圖1所示,該試驗場為典型碟形沼澤濕地,海拔55.4~56.6m,優(yōu)勢植物群落為小葉章(Deyeuxiaangustifolia)—毛果苔草(Carexlasiocarpa)和烏拉苔草(Carexmeyeriana)群落—漂茷苔草(Carexpseudocuraica)群落等,由外向內(nèi)依次分布,屬于相對封閉系統(tǒng),受人類活動及徑流影響較小,其沼澤類型、植被類型在三江平原均具有代表性。1.2樣品采集和測定按照小葉章濕草甸(Deyeuxiaangustifoliawetmeadows,DAWM)—小葉章沼澤化草甸(Deyeuxiaangustifoliaswampingmeadows,DASM)—毛果苔草濕地(Carexlasiocarpamarsh,CLM)—漂茷苔草濕地(Carexpseudocuraicamarsh,CPM)的植物群落帶由外向內(nèi)依次演替的特征,由碟形濕地中部向外沿4個方向分別在每種植被類型中隨機選取3個采樣點。為避免采集樣品時土壤水分的影響,于11月份濕地未完全結(jié)凍前采集土壤樣品,每一類植物樣帶土壤剖面采樣深度為60cm,每10cm為一層,相同方向的同一類型三個剖面同層次樣品混均。對于該沼澤濕地,0~10cm為草根層,10~30cm為泥炭層,30~40cm為過渡層,40cm以下為白漿層。將采集的土壤樣品帶回實驗室自然風干后,撿去殘根等雜物,研碎,過100目篩后待測。測定土壤有機質(zhì)(SOM)、全氮(TN)、銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)含量。同時采集各樣帶植物生物量,其中地上生物量采用收割法采集,地下生物量采用挖掘法采集,80℃烘干,測定其生物量。土壤TN采用凱氏法測定;NO3--N采用酚二磺酸比色法測定;NH4+-N采用氯化鉀浸提—靛酚藍比色法測定;SOM采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定。2結(jié)果與分析2.1不同類型濕地中tn含量的變化碟形濕地由外向內(nèi)植被類型依次發(fā)生演替,濕地水位也由淺轉(zhuǎn)深,相應(yīng)的水平方向土壤類型及其剖面特征也不盡相同,土壤氮素水平也呈現(xiàn)規(guī)律性變化。圖2為濕地土壤TN含量的分布特征,由圖可知,0~30cm土壤TN含量表現(xiàn)為漂茷苔草濕地>毛果苔草濕地>小葉章沼澤化草甸>小葉章濕草甸。土壤深度大于30cm時,不同群落類型的小葉章濕地TN含量與上層不同,表現(xiàn)為小葉章沼澤化濕地小于濕草甸土壤,但相差不大。而不同層次漂茷苔草濕地土壤TN含量表現(xiàn)為高于毛果苔草濕地和小葉章濕地。隨著土壤深度的增加不同植被類型濕地垂直方向TN含量逐漸降低。碟形濕地中心部位漂筏苔草和毛果苔草濕地土壤TN含量表現(xiàn)為草根層>泥炭層>過渡層>白漿層,草根層、泥炭層之間TN含量差異不顯著,而過渡層、白漿層之間差異明顯(P<0.001)。小葉章濕草甸土壤TN含量較低,各層之間差異不顯著,小葉章沼澤化濕地土壤草根層、泥炭層TN含量較高,過渡層含量顯著降低,而且與白漿層TN含量接近。處于碟形濕地由外向內(nèi)過渡帶的沼澤化小葉章濕地TN含量垂直方向上的差異變化最大,表層比過渡層高5.51倍。毛果苔草濕地和小葉章濕草甸土壤TN含量差異變化減小,分別為76.32%和61.53%。差異變化最小的是漂茷苔草濕地,氮含量較高,差異性小。結(jié)果表明水位周期性變化的濕地土壤TN垂直運移小于無水位波動的濕地,水位波動可造成濕地TN水平方向運移較大。2.2土壤nh4+-n含量分布情況圖3為碟形濕地土壤NH4+-N含量的變化特征,如圖所示,同一層次土壤,漂茷苔草濕地和毛果苔草濕地NH4+-N含量最高,二者含量較為接近。小葉章澤化濕地NH4+-N含量最低,其各層土壤該形態(tài)氮含量分別比淹水濕地相應(yīng)層次含量降低72.25%~88.76%,同時0~30cm層次土壤也比小葉章濕草甸降低51.29%~67.41%。隨著土壤深度的增加,碟形濕地漂茷苔草和毛果苔草濕地土壤NH4+-N含量變化緩慢,邊緣小葉章濕地土壤從草根層到過渡層該形態(tài)氮含量降低較快,過渡層以下變化緩慢。漂茷苔草濕地和毛果苔草濕地NH4+-N含量(y)隨著土壤深度(x)降低呈線性降低,毛果苔草濕地:y=-1.126x+83.597,R2=0.9549,漂茷苔草濕地:y=-1.274x+97.662,R2=0.9676;而小葉章濕地土壤NH4+-N垂直方向的分布特征符合指數(shù)變化規(guī)律,小葉章濕草甸:y=17.179ln(x)+76.812,R2=0.8197,小葉章沼澤化草甸:y=-31.466ln(x)+97.362,R2=0.8406。濕地土壤NH4+-N含量垂直方向的變化與TN的變化趨勢基本相同,均自表層向下呈遞減趨勢,從表層到40cm土層驟減明顯,而40cm以下的變化則較為和緩。2.3no3--n含量的變化圖4為碟形濕地土壤NO3--N含量的變化特征,如圖所示,同一層次土壤,漂茷苔草濕地NO3--N含量最高,毛果苔草濕地表層土壤NO3--N含量與漂茷苔草濕地接近,而20~40cm該形態(tài)氮含量降低幅度較大。小葉章濕地NO3--N含量與TN、NH4+-N含量的變化不同,小葉章濕草甸NO3--N含量高于沼澤化草甸,主要是由于小葉章沼澤濕地受到水位周期性波動的影響,溶解性高、吸附性弱的NO3--N易于淋失。土壤NO3--N含量整體上均自上而下呈逐漸降低趨勢。隨著土壤深度的增加NO3--N含量的變化分別符合以下變化規(guī)律。漂茷苔草濕地:y=-3.0553x+61.742,R2=0.9702;毛果苔草濕地:y=-20.313ln(x)+60.19,R2=0.9042,小葉章沼澤化草甸:y=-16.283ln(x)+37.429,R2=0.5898,小葉章濕草甸NO3--N從表層到60cm含量均較低,差異不明顯。隨著土壤深度的增加,漂筏苔草濕地土壤NO3--N含量變化緩慢,毛果苔草濕地和小葉章沼澤化濕地土壤從草根層到過渡層NO3--N含量降低較快,過渡層以下變化緩慢。2.4土壤形態(tài)氮的變化碟形濕地土壤各形態(tài)氮的變異性主要與區(qū)域環(huán)境特征、濕地植被分布規(guī)律有關(guān),表層土壤各形態(tài)氮含量受外界環(huán)境條件、植物生物量、水分條件以及氧化還原過程等的影響較為顯著,而下層土壤可能受土體結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及成土母質(zhì)的影響較大。2.4.1土壤有機質(zhì)的垂直分布特征有機質(zhì)是土壤具有生物學特性和結(jié)構(gòu)的基本物質(zhì),是土壤有機物質(zhì)的主體,在一定程度上可反映土壤中有效養(yǎng)分的貯量。表1為碟形濕地不同植被類型土壤有機質(zhì)含量的變化特征。兩種小葉章樣地0~20cm表層土壤有機質(zhì)含量差異顯著,而20~40cm土壤有機質(zhì)差別不大,這種差異性造成土壤氮含量的變化。土壤TN的垂直分布特征主要受制于土壤有機質(zhì)的分布,表層土壤有機質(zhì)含量豐富,TN含量均較高,而下層土壤有機質(zhì)含量較低,TN含量相應(yīng)較低。漂筏苔草濕地各層土壤有機質(zhì)含量均比毛果苔草濕地低,但均高于小葉章濕地,小葉章沼澤化草甸有機質(zhì)含量略高于小葉章濕草甸,過渡層以下差異較小。說明受水位波動影響大的沼澤濕地更有利于有機質(zhì)的積累。表2為碟形濕地土壤氮素含量與有機質(zhì)含量的Pearson相關(guān)性分析,由表可知,TN含量與有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.01),NH4+-N含量也與有機質(zhì)含量顯著正相關(guān),但碟形濕地外部土壤的這種相關(guān)性相對較差,毛果苔草濕地和漂茷苔草溫地NO3--N含量與有機質(zhì)呈正相關(guān),而小葉章濕地的這種相關(guān)性不顯著。2.4.2土壤剖面分布特征土壤養(yǎng)分的重要來源是植物的物質(zhì)生產(chǎn)。植物體不斷從周圍環(huán)境同化吸收其生長所需要的水分和營養(yǎng)物質(zhì),并且在生長季結(jié)束后逐漸將生物質(zhì)歸還土壤。典型洼地土壤氮含量剖面垂直方向呈遞減趨勢,體現(xiàn)了氮源物質(zhì)的輸入對TN垂直分布的影響。碟形濕地漂茷苔草和毛果苔草0~20cm表層土壤TN含量分別為20~60cm下層土壤的4.07和1.61倍,小葉章濕草甸和沼澤化草甸濕地的這種關(guān)系分別為3.09和10.92倍,表明不同植被類型濕地垂直方向TN含量差異明顯,這種剖面分布特征與植物生物量的分布趨勢一致。0~20cm表層土壤是植物根系生物量的主要分布層次,該層次分別集中了碟形濕地濕草甸小葉章、沼澤化草甸小葉章、毛果苔草和漂茷苔草地下生物量的85.5%、95.1%、93.5%和88.6%,這是由于植物地上部分枯死進入表層土壤,植物枯落物和死根的腐解歸還成為土壤持續(xù)不斷的氮輸入源。20~60cm土壤中根系分布較少,氧化分解也較弱,根系的周轉(zhuǎn)量急劇下降,致使該層土壤中氮含量明顯降低。回歸分析表明,碟形濕地土壤0~20cm剖面TN含量y(gkg-1)與植物生物量x(gm-2)之間存在顯著線性關(guān)系:y=0.347x+55.25(R2=0.879,n=12,p<0.001)。生物量不僅是土壤氮素剖面分布的決定性因素,還影響土壤氮素的水平分布特征。碟形濕地中不同植被類型土壤氮累積量差異顯著,濕地內(nèi)部毛果苔草和漂茷苔草濕地土壤氮累積(Soiltotalnitrogen,STN)分別為小葉章沼澤濕地的2.15和1.68倍。而植物氮累積(Planttotalnitrogen,PTN)表現(xiàn)出相反的趨勢,不同群落小葉章氮累積量分別為毛果苔草和漂茷苔草的1.44~2.03倍和2.46~3.48倍,表明碟形濕地邊緣植物氮累積對土壤氮累積的貢獻大,通過二者的比值(PTN/STN)可進一步得到植物生物質(zhì)氮累積對土壤氮含量的相對貢獻大小,其中小葉章沼澤濕地的植物氮貢獻最大,毛果苔草的貢獻最小。從碟形濕地氮的分布特征來看,除了植物分解造成氮素水平分異,還受到水位波動及其引起的氧化還原差異的顯著影響。2.4.3不同濕地土壤養(yǎng)分含量碟形濕地的一個顯著特征是水位波動頻繁,由此造成土壤養(yǎng)分累積的差異。水位波動的影響主要體現(xiàn)在養(yǎng)分隨水位波動而遷移和土壤氧化還原電位差異造成的氮轉(zhuǎn)化兩方面。碟形沼澤濕地由內(nèi)向外水位逐漸降低,小葉章濕地水位不穩(wěn)定,處于干濕交替和水位波動狀態(tài),其中小葉章濕草甸在降雨較大時,土壤水分含量增大,氮會隨著徑流向濕地內(nèi)部沖刷,小葉章沼澤化濕地處于水位波動狀態(tài),當水位降低時,表層土壤氮隨水位波動而進入毛果苔草濕地。土壤氧化還原作用受到水分的強烈影響,氧化還原作用弱造成氮素累積,氧化還原作用增強造成氮轉(zhuǎn)化。小葉章濕草甸基本處于無水位狀態(tài),在雨季處于一定的干濕交替過程,氮隨著徑流而向濕地內(nèi)淋失,造成0~30cm土壤TN含量較低。小葉章沼澤化濕地反復水位波動變化中,土壤氧化還原作用增強,促進了有機質(zhì)的降解和腐殖化過程,淋失進入的氮使得該植被帶濕地TN含量高于小葉章草甸土壤。毛果苔草和漂茷苔草濕地土壤基本處于淹水狀態(tài),氧化還原作用弱,氮累積逐漸升高。較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則不利用濕地脫氮。30cm以下土壤TN呈現(xiàn)出由內(nèi)向外逐漸降低的趨勢,受水分垂直運動的影響,越向外部垂直方向土壤TN含量越為接近。NH4+-N含量除受到水位波動的影響,還與NH4+-N可為植物直接吸收利用,易于土壤吸附而造成淋失較少有關(guān),因而小葉章濕地土壤NH4+-N含量較高。沼澤化濕地表層土壤粘粒含量較低使得NH4+-N可淋失運移至較深土層中,過渡層土壤含量也較高。NO3--N也可被植物吸收利用,不易被土壤吸附而造成淋失,因而小葉章濕地表層土壤NO3--N含量均較低,而毛果苔草和漂茷苔草濕地含量較高。濕草甸土壤水分條件較差,NO3--N僅能垂直淋失至較淺土層中,小葉章沼澤化草甸地表存在季節(jié)積水,導致土壤結(jié)構(gòu)破