三江平原天然沼澤濕地土壤中有機(jī)碳垂直分布特征

三江平原天然沼澤濕地土壤中有機(jī)碳垂直分布特征

土壤中有機(jī)碳的含量和組成不僅決定了土壤有機(jī)質(zhì)的水平，還決定了養(yǎng)分氮和磷的適應(yīng)性狀態(tài)。同時(shí)，它也影響著土壤的物理特性。它是反映土壤土壤質(zhì)量和土壤健康的重要指標(biāo)，直接影響土壤肥力和生物生長(zhǎng)。濕地作為一種特殊的自然綜合體,以其特殊的性質(zhì)(地表積水或土壤飽和、淹水土壤、厭氧條件和適應(yīng)濕生環(huán)境的動(dòng)植物)而有別于其它生態(tài)系統(tǒng)。因此,對(duì)沼澤濕地土壤有機(jī)碳含量垂直分布特征的研究,將有助于進(jìn)一步理解濕地的生態(tài)功能,這對(duì)于合理保護(hù)與利用沼澤濕地和濕地退化功能的恢復(fù)都將是有意義的。1材料和方法1.1自然沼濕地公園區(qū)三江平原位于黑龍江省東北隅,包括完達(dá)山以北的松花江、黑龍江和烏蘇里江沖積形成的低平原和完達(dá)山以南烏蘇里江及其支流與興凱湖形成的沖積湖積平原,為我國(guó)最大的淡水沼澤濕地集中、連片分布區(qū),各類濕地總面積達(dá)148.16104hm2,已墾耕地面積457.2104hm2。研究區(qū)選擇在三江平原腹地?fù)狭?、別拉洪河、濃江河流域(洪河自然保護(hù)區(qū)核心區(qū))。該區(qū)域地貌類型為一級(jí)階地和河漫灘,地面坡降為1/10000,在河漫灘和階地上微地形發(fā)育,地表徑流不暢,加上階地底層廣泛分布有粘土層,嚴(yán)重阻礙地表水下滲,洼地匯水形成大片沼澤。優(yōu)勢(shì)植物群落為毛果苔草(Carexlasiocarpa)、漂筏苔草(Carexpseudocuraica)、小葉樟(Calamagrostisangutifolia)、烏拉苔草(Carexmeyeriana)。土壤類型主要有泥炭土、泥炭沼澤土、腐泥沼澤土和腐殖質(zhì)沼澤土。氣候?qū)僦袦貛駶?rùn)季風(fēng)氣候,1月平均氣溫-18～-21℃,7月平均氣溫21～22℃,年均溫1.6～1.9℃,≥10℃有效積溫為2300℃。年均降水量565～600mm,60%以上集中在6～8月,年蒸發(fā)量542.4～580mm。在自然沼澤濕地優(yōu)勢(shì)群落內(nèi)設(shè)置樣點(diǎn)7個(gè),其中小葉樟群落2個(gè)(Site1,4)、漂筏苔草群落2個(gè)(Site2,5)、毛果苔草群落2個(gè)(Site3,6)、烏拉苔草群落1個(gè)(Site7)。另外,在洪河農(nóng)場(chǎng)內(nèi)選擇濕地開(kāi)墾后的農(nóng)田,包括旱田(Site8)和水田(Site9),共2個(gè)樣點(diǎn)作為對(duì)照研究。采樣點(diǎn)分布及概況見(jiàn)表1。1.2樣品的采集和測(cè)定為了不干擾土壤的發(fā)生層次,土壤樣品的采集選擇在冬季(3月份)。在天然沼澤濕地各樣點(diǎn),作土壤剖面,現(xiàn)場(chǎng)分出草根層、泥炭層、過(guò)渡層、潛育層,在農(nóng)田樣點(diǎn)分出耕作層、犁底層和潛育層,分層取樣,共采集33個(gè)土樣(表1),帶回實(shí)驗(yàn)室處理、分析。將土壤樣品進(jìn)行風(fēng)干處理,風(fēng)干后,磨碎,過(guò)篩,測(cè)定總有機(jī)碳、pH、全氮、硝氮、氨氮以及其它研究項(xiàng)目?？傆袡C(jī)碳的分析采用電熱板加熱—K2Cr2O7容量法;全氮的分析采用開(kāi)氏半微量定氮法;土壤氨態(tài)氮的分析采用KCl浸提—蒸餾法;硝態(tài)氮采用酚二磺比色法;土壤pH值采用電位法。2結(jié)果與討論2.1濕土具有機(jī)碳含量分布的特點(diǎn)2.1.1不同層控土壤有機(jī)碳含量分布特征測(cè)定結(jié)果表明,天然沼澤濕地各采樣點(diǎn)土壤不同剖面層次總有機(jī)碳含量分異顯著:草根層>泥炭層>過(guò)渡層>潛育層。根據(jù)圖1,各層次有機(jī)碳含量在整個(gè)剖面中的比例,自上而下分別為:37%～48%,35%～40%,10%～25%,<5%,其中位于烏拉苔草群落的樣點(diǎn)(Site7),由于無(wú)泥炭積累,草根層中有機(jī)碳含量更是高達(dá)85%。天然沼澤土壤中有機(jī)碳集中分布于0～50cm的深度,土壤層次主要為草根層和泥炭層,有機(jī)碳含量占整個(gè)土壤剖面的75%～85%。該深度是植物根系的集中分布區(qū),JobbagyG研究指出,植物根系的分布直接影響土壤中有機(jī)碳的垂直分布,因?yàn)榇罅克栏母鈿w還為土壤提供了豐富的碳源。另一方面,大量的地表枯落物也是表層土壤有機(jī)碳重要的碳源物質(zhì)。過(guò)渡層深度一般在30cm以下,植物根系難以深入,分布較少,根系的周轉(zhuǎn)量急劇下降,致使該層土壤中有機(jī)碳含量開(kāi)始明顯降低。由于各采樣點(diǎn)不同的沼澤發(fā)育程度、水文特征及受外界干擾程度的差異,不同樣點(diǎn)同一層次土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)出明顯的變異特征。天然沼澤濕地土壤各層次有機(jī)碳含量變幅最大的是過(guò)渡層,變幅為24.36～3.70,變異系數(shù)51.4%,最小的是潛育層,變幅為2.38～0.37,變異系數(shù)0.47%(表2)。2.1.2對(duì)農(nóng)田有機(jī)碳的影響由圖1可以看出,開(kāi)墾后的農(nóng)田土壤中,旱田土壤不同剖面層次總有機(jī)碳含量順序?yàn)?耕作層>犁地層>潛育層,而水田土壤則是:犁地層>耕作層>潛育層。農(nóng)田土壤中有機(jī)碳集中于表面大約45cm的深度,土壤層次主要為耕作層和犁底層,在整個(gè)剖面有機(jī)碳含量的比例,旱田為82%,水田為86%。與天然沼澤濕地土壤相比,除潛育層有機(jī)碳的含量相接近外,農(nóng)田中耕作層和犁底層有機(jī)碳平均含量均低于天然沼澤濕地其它各層有機(jī)碳平均含量的1/10～1/15。潛育層土壤質(zhì)地粘重,緊實(shí),保水,透氣性差,根系難以到達(dá),腐殖質(zhì)含量少,碳周轉(zhuǎn)基本處于平衡狀態(tài),同時(shí)由于農(nóng)田耕作對(duì)該層的擾動(dòng)較小,所以,各樣點(diǎn)的潛育層有機(jī)碳含量差異不大。開(kāi)墾使土壤中的有機(jī)質(zhì)充分暴露在空氣中,土壤溫度和濕度條件得到改善,從而極大地促進(jìn)了土壤呼吸作用,加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解。王艷芬等(1998)研究了開(kāi)墾對(duì)于內(nèi)蒙古錫林郭勒地區(qū)草甸草原土壤有機(jī)碳的影響,發(fā)現(xiàn)草甸草原不同層次土壤有機(jī)碳因農(nóng)墾而分別損失34%(0～1cm),38%(1～6cm),36%(10～15cm),而且損失主要發(fā)生在35cm以上。本研究發(fā)現(xiàn)開(kāi)墾對(duì)于濕地土壤有機(jī)碳損失的貢獻(xiàn)主要發(fā)生在0～45cm的深度,有機(jī)碳含量減少了90%以上。農(nóng)田土壤各層次有機(jī)碳含量均是旱田高于水田。黃東邁等(1998)利用有機(jī)物料分解實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),淹水土壤中有機(jī)碳的分解速率快于旱地土壤,且前者的殘留率明顯低于后者。淹水處理中各種不同有機(jī)物料的分解半衰期約為旱地相應(yīng)處理的1.4～2.0倍。2.1.3活性巖植物生長(zhǎng)塔頭類型不同的植物群落類型土壤各層次有機(jī)碳的平均含量在草根層和泥炭層的高低順序?yàn)?毛果苔草>漂筏苔草>烏拉苔草>小葉樟;在過(guò)渡層為:漂筏苔草>小葉樟>毛果苔草>烏拉苔草(圖2)。烏拉苔草土壤中無(wú)明顯泥炭積累,草根層重疊積累形成塔頭。上述差異說(shuō)明土壤有機(jī)碳含量除受溫度、濕度、土壤理化性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)狀況影響外,植物的群落類型也是重要的制約因素。李香真等(2002)研究了內(nèi)蒙古高原草原土壤微生物量碳、氮特征,指出不同植物群落能維持的微生物量差異很大,這反映了歸還給土壤的植物殘?bào)w數(shù)量和質(zhì)量上的差異。2.2土壤剖面ph值與土壤有機(jī)碳含量的關(guān)系土壤pH是土壤的一個(gè)基本性質(zhì),也是影響土壤理化性質(zhì)的一個(gè)重要化學(xué)指標(biāo),它直接影響著土壤中各種元素的存在形態(tài)、有效性及遷移轉(zhuǎn)化。本項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同層次土壤的pH在5～7之間變化。沼澤濕地各層土壤pH自上而下呈上升趨勢(shì),草根層、泥炭層最低,潛育層最高,土壤呈弱酸性反應(yīng)。農(nóng)田土壤pH亦有同樣的趨勢(shì),耕作層最低,潛育層最高。農(nóng)田土壤pH明顯高于天然沼澤濕地土壤pH。由圖3看出,無(wú)論是天然沼澤土壤還是農(nóng)田土壤,土壤剖面有機(jī)碳含量都隨深度呈下降趨勢(shì),而土壤pH值隨深度呈上升趨勢(shì),土壤pH值與土壤有機(jī)碳含量呈明顯負(fù)相關(guān)。各采樣點(diǎn)的pH值與總有機(jī)碳進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果表明,Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.652(P<0.01)。其原因主要是,在酸性土壤中,微生物種類受到限制,以真菌為主,從而減慢了土壤有機(jī)質(zhì)的分解。隨著土壤pH的下降,微生物活性減弱,致使土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)下降,表現(xiàn)為土壤的碳積累。2.3土壤c/n特征在一定程度上,比如土壤的C/N達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),土壤氮素含量大體上決定了有機(jī)碳的含量,土壤碳的保持在很大程度上決定于土壤氮素的水平。從圖4中看出,土壤各層次中總有機(jī)碳和全氮含量曲線的趨勢(shì)是基本一致的。不同土壤剖面層次C/N的變化明顯,在天然沼澤土壤中自上而下呈下降趨勢(shì),且層間變化較大,農(nóng)田土壤中則有所不同,大小順序?yàn)?犁底層>耕作層>潛育層,層間變化較小。最大的C/N出現(xiàn)在烏拉苔草群落的草根層,為28.74,最小的C/N出現(xiàn)在采樣點(diǎn)1處的潛育層,為1.11。天然沼澤土壤中草根層、泥炭層、過(guò)渡層土壤C/N均高于農(nóng)田土壤C/N,再次說(shuō)明開(kāi)墾使?jié)竦赝寥烙袡C(jī)碳發(fā)生了損失。同時(shí),土壤C/N的大小也可以間接說(shuō)明氮含量相對(duì)富集的情況。相關(guān)性分析表明,總有機(jī)碳與全氮極顯著相關(guān),Pearson相關(guān)系數(shù)為0.850(P<0.01)。全氮與土壤有機(jī)碳的回歸分析表明,二者存在極顯著的線性關(guān)系,其方程為:TN=0.272+4.702E-0.2SOC(r=0.850**,P<0.01)式中:TN——全氮;SOC——總有機(jī)碳。硝態(tài)氮和氨態(tài)氮都屬于植物能直接利用的有效態(tài)氮,它們一起被作為土壤營(yíng)養(yǎng)診斷的氮素營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)。相關(guān)性分析表明,總有機(jī)碳與硝氮及氨氮均顯著相關(guān),Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.656(P<0.01)和0.691(P<0.01)。土壤中碳與氮的相互關(guān)系是通過(guò)微生物連接起來(lái)的。土壤微生物的活性對(duì)于土壤有機(jī)碳的分解非常重要,其中土壤微生物量碳與土壤有機(jī)碳、全氮及有效氮含量是顯著相關(guān)的。而土壤C/N比的高低對(duì)土壤微生物的活動(dòng)能力有一定促進(jìn)或限制作用,當(dāng)增加土壤氮素時(shí),可以促進(jìn)微生物的活動(dòng),提高土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率。李貴才等(2001)指出,土壤中的氮通常是限制性養(yǎng)分,在低C/N條件下細(xì)菌生長(zhǎng)受碳的限制,反之當(dāng)C/N高時(shí),細(xì)菌生長(zhǎng)因受氮的限制而處于缺氮狀態(tài)。3不同類型農(nóng)田有機(jī)碳含量分布特征(1)天然沼澤濕地土壤有機(jī)碳含量隨深度增加而下降,剖面含量順序?yàn)?草根層>泥炭層>過(guò)渡層>潛育層;農(nóng)田土壤為:耕作層>犁底層>潛育層;0～50cm土壤中有機(jī)碳含量占整個(gè)剖面含量的75%～88%。(2)除潛育層有機(jī)碳的含量相接近外,農(nóng)田中耕作層與犁底層有機(jī)碳平均含量均低于天然沼澤濕地其它各層土壤有機(jī)碳平均含量的1/10～1/15;開(kāi)墾對(duì)于天然濕地土壤有機(jī)碳損失的貢獻(xiàn)主要發(fā)生在0～45cm的深度,有機(jī)碳含量減