三江平原典型濕地土壤中硫的分布特征

三江平原典型濕地土壤中硫的分布特征

三江平原是中國最大的沼澤平原，該地區(qū)沼澤分布廣泛。沼澤是一種處于水陸交錯帶的獨特生態(tài)系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)各種營養(yǎng)元素的研究,特別是有關(guān)C、N的研究受到人們的重視,并取得了豐碩的研究成果。80年代以來隨著土壤缺硫現(xiàn)象的日益嚴(yán)重,我國學(xué)者對耕地土壤中硫的形態(tài)及有效性進行了大量研究,但有關(guān)三江平原濕地土壤硫的研究僅有零星報道。本文以三江平原典型濕地-小葉樟草甸、烏拉苔草沼澤、毛果苔草沼澤為對象,初步探討了土壤中硫組分的分布規(guī)律。為本區(qū)域進行硫的生物地球化學(xué)循環(huán)研究奠定基礎(chǔ)。1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1沼澤化最大的草地類型及生長特性三江平原位于黑龍江省東部,由松花江、黑龍江和烏蘇里江沖積而成的低平原,土地總面積為5×104km2,是我國沼澤和沼澤化草甸分布最密集的區(qū)域之一。主要沼澤類型為毛果苔草沼澤,漂筏苔草沼澤,蘆葦沼澤,烏拉苔草-灰脈苔草沼澤,苔草-小葉樟沼澤。主要的草甸有典型草甸、沼澤化草甸、拂子茅-蘆葦沼澤化草甸、水冬瓜沼澤化草甸四種類型,其中沼澤化草甸以小葉樟草甸最為普遍,沼澤以毛果苔草沼澤為主。本區(qū)為溫帶濕潤半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,冬季干旱,夏季溫暖多雨,氣溫年較差大,凍結(jié)期長,氣溫南高北低,降雨東多西少。本區(qū)年降水量500~650mm,季節(jié)分配不均,主要集中于夏秋兩季。區(qū)內(nèi)土壤成土母質(zhì)多為粘土或亞粘土,在土壤形成過程中廣泛發(fā)育了白漿土(漂白滯水濕潤均腐土)、草甸土(暗色潮濕雛形土)、沼澤土(有機正常潛育土)、棕壤(簡育濕潤淋溶土)和黑土(簡育濕潤均腐土)。三江平原沼澤化草甸和沼澤植被分布廣泛,生長茂密,覆蓋度大,一般為70%以上,最高達90%~100%。1.2土壤剖面層序本研究以黑龍江省三江平原三種典型濕地—小葉樟草甸、毛果苔草沼澤、烏拉苔草沼澤為對象。毛果苔草沼澤分布地勢較低,常年積水,小葉樟草甸分布地勢較高,季節(jié)性積水,烏拉苔草沼澤是處于以上兩種沼澤類型之間的過渡形態(tài)。于2001年5月底到6月初按土壤發(fā)生層次采集土壤。本區(qū)大部分沼澤土壤的剖面一般具有3個不同的發(fā)生層:表層為未充分分解的草根層或分解較好的泥炭層(草根層一般與其下面的土壤發(fā)生層之間具有明顯的界面,而泥炭層則不明顯或逐漸過渡);表層之下一般是較薄的(因不同土壤而異)黑色腐殖質(zhì)層;腐殖質(zhì)層以下逐漸變?yōu)榛野咨蚧宜{色的潛育層。采用NZ型泥炭鉆進行采樣,以防止各層之間的干擾。土樣風(fēng)干磨碎過80目篩。用3∶3∶7的HClO4∶HNO3∶H3PO4消化土壤,BaSO4比濁法測定總硫,水溶性硫、吸附性硫、HCl可溶性硫和鹽酸揮發(fā)性硫采用連續(xù)提取-BaSO4比濁法測定,土壤有機硫用差減法獲得。無機硫=吸附性硫+水溶性硫+鹽酸可溶性硫+鹽酸揮發(fā)性硫,有機硫=總硫-無機硫,用環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品(GSS-1)進行分析準(zhǔn)確度檢驗,結(jié)果滿意。2結(jié)果與討論2.1不同流域土壤硫素及形態(tài)硫含量分布特征拉洪河、撓力河、鴨綠河和濃江是三江平原上比較有代表性的沼澤性河流。別拉洪河、鴨綠河及濃江發(fā)源于平原沼澤,又穿行于平原沼澤;撓力河發(fā)源于山區(qū),穿行于平原沼澤。流域內(nèi)沼澤廣泛發(fā)育,山前傾斜平原主要是烏拉苔草-灰脈苔草沼澤,河流階地主要是毛果苔草沼澤和苔草-小葉樟草甸,河漫灘主要是漂筏苔草沼澤和蘆葦沼澤。撓力河沼澤位于饒河、富錦和寶清縣境內(nèi),河長596km,沼澤面積為136700km2。別拉洪河位于三江平原腹地,自西向東橫貫整個撫遠三角洲,河長143km,沼澤面積為64275km2。鴨綠河和濃江相鄰,位于三江平原北部,是兩條比較短小的河流。鴨綠河沼澤位于同江市和撫遠縣境內(nèi),面積為9000km2。濃江沼澤也位于同江市和撫遠縣境內(nèi)。分別沿四條河流布點采集土樣,分析不同流域土壤中總硫及各形態(tài)硫的含量,結(jié)果如表1所示。總硫及各形態(tài)硫在不同的流域土壤中分布存在著差異,但差異不顯著(單因素方差分析,α=0.05),其中撓力河流域硫素含量最高?？偭?、水溶性硫、有機硫均為撓力河>鴨綠河>濃江>別拉洪河,吸附性硫為撓力河>濃江>鴨綠河>別拉洪河;鹽酸可溶性硫為撓力河>鴨綠河>別拉洪河>濃江;鹽酸揮發(fā)性硫為撓力河>別拉洪河>濃江>鴨綠河。2.2江平原沼澤和濕地土壤硫含量的分布及特征硫廣泛的分布在地殼中,在巖石圈中估計約為600mgkg-1,在土壤中硫的含量變化較大,一般在30~10000mgkg-1之間,其平均值約為700mgkg-1。三江平原不同類型的濕地土壤中總硫及各形態(tài)硫含量差異較大(見表2),但均在世界土壤含硫變幅范圍(30~10000mgkg-1)內(nèi)。除了小葉樟草甸外,烏拉苔草沼澤和毛果苔草沼澤土壤中的總硫量均高于世界土壤含量均值(700mgkg-1)。這種差異可能與土壤類型、成土母質(zhì)以及地形特征等多種因素有關(guān)。三江平原不同類型的沼澤分布在不同的地貌或同一地貌的不同部位,這主要是由于水分條件的不同而造成的,毛果苔草沼澤常年積水,小葉樟草甸則是季節(jié)性積水,烏拉苔草沼澤是兩者之間的過渡形態(tài)。對于各種沼澤洼地,從中心到邊緣,由于積水逐漸變淺,通常依次分布毛果苔草沼澤、烏拉苔草沼澤和小葉樟草甸,各植物帶土壤中總硫及各形態(tài)硫的含量具有從岸邊向中心遞增的趨勢,呈現(xiàn)水平分布的分帶性規(guī)律。在無機硫各組分中,水溶性硫含量最高.它主要來源于有機質(zhì)的淀積,一般說來,排水性能良好的土壤,因硫酸鹽很難滯留累積,土壤中硫酸鹽的含量很少;而在濕地土壤中,排水不良、有機質(zhì)含量豐富,常年處于淤積狀態(tài),對硫酸鹽的淀積十分有利,所以水溶性硫含量可以達到較高的水平。在所有的硫組分中,鹽酸揮發(fā)性硫含量最低,平均值只有1.29mgkg-1。三江平原沼澤長期或季節(jié)性積水,地表以還原性環(huán)境為主,應(yīng)有利于硫化物的形成和積累.但實測濃度很低,原因可能主要有以下兩個方面:一是低的溫度條件可能影響硫酸還原細(xì)菌的活動,二是酸性土壤中硫化氫散逸到大氣中造成損失。在這三類濕地土壤中,有機硫含量相當(dāng)高,范圍在291mgkg-1~1154.7mgkg-1之間,平均為683.7mgkg-1,占總硫百分比為85.9%,是土壤總硫的主體.因為本區(qū)濕地土壤中有機質(zhì)含量十分豐富,范圍在77gkg-1~694gkg-1之間,平均為25.6gkg-1,而有機硫是土壤有機質(zhì)的組成部分,它隨有機質(zhì)含量的升高而增加。2.3江平原濕地土壤有機質(zhì)的剖面特征由于沼澤土壤不同發(fā)生層的物質(zhì)組成和其它物理、化學(xué)條件(如溫度、積水深度、有機質(zhì)、pH值等)有較大的差異,因此硫在土壤剖面垂直方向上產(chǎn)生分異,呈現(xiàn)出明顯的分層性:即從上到下,除鹽酸揮發(fā)性硫以外,其余硫組分的含量均呈遞減趨勢。并且硫主要富集在草根層。其中總硫由上而下的遞減趨勢與金泰龍在三江平原的研究結(jié)果一致。三江平原沼澤濕地土壤中總硫及各形態(tài)硫在不同層次中,其含量各不相同,除鹽酸揮發(fā)性硫外,其余硫組分普遍具有自上而下逐漸遞減的趨勢,這是由沼澤濕地土壤中有機質(zhì)的剖面特征決定的。三江平原的地質(zhì)地貌因素、氣候因素、水文因素都有利于沼澤濕地的形成和廣泛發(fā)育,在濕地分布區(qū),濕生植物生長茂盛,死亡后,就地堆積,未被分解或分解不完全的植物殘體形成了較厚的草根層:在積水狀況下,殘體進行嫌氣分解,產(chǎn)生甲烷、氫和二氧化碳,同時形成無定形的黑色物質(zhì)泥炭。隨著時間的延長,泥炭不斷積累,形成一定厚度的泥炭層。但在降水量少的年份,強烈的地表蒸發(fā),使地表積水干涸,粘重的地面組成物質(zhì)又阻滯了地下水的上升,缺失的地表水得不到補充,土壤的嫌氣環(huán)境遭到破壞,已經(jīng)積累的有機殘體也被強烈的分解為腐泥狀物質(zhì),形成腐殖質(zhì)層:土壤礦物質(zhì)在缺氧或完全沒有氧氣的條件下,形成灰藍色的潛育層。因此土壤的層次結(jié)構(gòu)為:表層是未充分分解的草根層或分解較好的泥炭層,其下為黑色腐殖質(zhì)層,底層逐漸變?yōu)楹参锔禈O少的潛育層。由以上的分析可以看出,土壤有機質(zhì)的剖面特征明顯,從上到下,有機質(zhì)含量遞減,有機硫含量也隨之呈遞減趨勢,并且有機質(zhì)吸附、淀積和累積硫酸鹽的能力也逐漸降低。這就普遍造成土壤中總硫、水溶性硫、吸附性硫、鹽酸可溶性硫、有機硫表土含量高于底土含量的狀況。2.4各硫組分間的相關(guān)性在濕地土壤中(n=91),各形態(tài)硫之間相關(guān)系數(shù)大于r=0.267(P0.01)的有12對(表4),表明總硫與各形態(tài)硫之間以及吸附性硫與其它硫形態(tài)之間均已達到顯著相關(guān);除鹽酸可溶性硫外,水溶性硫與其余各硫組分之間也均已達到顯著相關(guān);除水溶性硫與鹽酸揮發(fā)性硫以外,鹽酸可溶性硫與其它硫組分呈顯著相關(guān);對于鹽酸揮發(fā)性硫而言,除鹽酸可溶性硫和有機硫外,其與其它硫組分之間也均呈顯著相關(guān)。其中總硫與有機硫之間的相關(guān)系數(shù)最大,水溶性硫與吸附性硫次之,水溶性硫與鹽酸可溶性硫的相關(guān)系數(shù)最小,說明在濕地土壤中總硫與有機硫相關(guān)性最顯著,這兩種硫組分聯(lián)系最密切,而水溶性硫與鹽酸可溶性硫的相關(guān)性最差。2.5影響濕地硫素狀況的因素土壤的物理化學(xué)性質(zhì),包括土壤有機質(zhì)、pH值、機械組成、氧化-還原條件等,影響土壤中微生物活動,從而影響硫的形態(tài)和含量分布。2.5.1土壤有機質(zhì)中總硫含量的特征沼澤土的有機質(zhì)是草根層、腐殖質(zhì)層和泥炭層的重要成分,它是由分解和未分解或部分腐殖化的植物殘體組成。本區(qū)沼澤土的有機質(zhì)含量豐富,泥炭沼澤土和泥炭土中泥炭層的有機質(zhì)含量最多,達50gkg-1~700gkg-1;腐殖質(zhì)沼澤土和草甸沼澤土的有機質(zhì)含量次之,多為100gkg-1~300gkg-1土壤有機質(zhì)中含有豐富的硫,而且有機硫又是許多土壤中硫素的主要形態(tài),凡有機質(zhì)含量高的,其總硫含量一般也較多,回歸分析表明:土壤總硫(Yt)、水溶性硫(Yw)、吸附性硫(Ya)、鹽酸可溶性硫(Ys)、鹽酸揮發(fā)性硫(Yh)、有機硫(Yo)與有機質(zhì)含量均呈極顯著正相關(guān),相關(guān)方程及相關(guān)系數(shù)分別為Yt=13.774x+383.43,r=0.644;Yw=1.491x+9.064,r=0.512;Ya=0.508x+16.603,r=0.504;Ys=0.386x+16.25,r=0.435;Yh=0.0049x+1.1644,r=0.316;Yo=8.774x+453.35,r=0.519,相關(guān)系數(shù)均大于r=0.267(P0.01,n=91),因此土壤總硫及各形態(tài)硫隨有機質(zhì)含量的升高而增加。2.5.2土壤ph與土壤有機硫的相關(guān)研究濕地土壤呈中性至微酸性反應(yīng),pH值多在5.0~6.0之間,在同一剖面中,自上而下,pH值逐漸增大?？偭?Yt)、吸附性硫(Ya)、鹽酸可溶性硫(Ys)、有機硫(Yo)與土壤pH值均呈極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)方程和相關(guān)系數(shù)分別為Yt=-348.4x+2647.5,r=-0.511;Ya=-11.73x+93.93,r=-0.461;Ys=-11.17x+87.40,r=-0.386;Yo=-199.97x+1774.8,r=-0.359,相關(guān)系數(shù)的絕對值均大于r=0.267(P0.01,n=91),因此總硫、吸附性硫、鹽酸可溶性硫、有機硫含量隨土壤pH值的升高而降低。2.5.3砂粒的粘粒情況本區(qū)沼澤土的質(zhì)地都比較粘重,特別是發(fā)育在階地上的沼澤土更為明顯。其中小于0.01mm的物理粘粒都大于50%,一般在60%以上,小于0.001mm的粘粒一般占15%~20%,各級砂粒多在10%以下。一般情況下,小葉樟草甸下發(fā)育的草甸沼澤土與烏拉苔草沼澤及毛果苔草沼澤下發(fā)育的腐殖質(zhì)沼澤土相比,q<0.001mm的粘粒和物理粘粒的含量均有所降低。在有機質(zhì)含量相近的情況下,凡含物理粘粒偏少的土壤,其總硫含量都偏低,并且土壤中q<0.001mm的粘粒與土壤吸附性硫的含量之間存在著顯著正相關(guān)。2.5.4鹽酸揮發(fā)性硫自然濕地由于常年或季節(jié)性積水,在一定時期內(nèi)土壤整體或土壤下層處于還原性環(huán)境。此時,在硫酸還原細(xì)菌的作用下,硫酸鹽通過復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng),被還原為0、-2價的硫。由于鐵在還原條件下以+2價的Fe2+存在,硫化物的一種重要表現(xiàn)形式就是FeS。FeS遇鹽酸能生成出H2S,是鹽酸揮發(fā)性硫的主要來源。因此,鹽酸揮發(fā)性硫也反映了土壤還原程度。毛果苔草沼澤、烏拉苔草沼澤、小葉樟草甸土壤中鹽酸揮發(fā)性硫含量依次降低,就是與其還原性強弱相一致。3土壤硫素性質(zhì)及影響因素3.1不同類型濕地土壤總硫、有機硫、水溶性硫、吸附性硫、鹽酸可溶性硫及鹽酸揮發(fā)性硫含量均為:小葉樟草甸<烏拉苔草沼澤<毛果苔草沼澤,與有機質(zhì)含量一致;3.2在不同流域土壤中,吸附性硫為撓力河>濃江>鴨綠河>別拉洪河,鹽酸可溶性硫為撓力河>鴨綠河>別拉洪河>濃江,鹽酸揮發(fā)性硫為別拉洪河>撓力河>濃江>鴨綠河,總硫、水溶性硫、有機硫均為撓力河>鴨綠河>濃江>別拉洪河;3.3濕地土壤中的總硫、有機硫、水溶性硫、吸附性硫、鹽酸可溶性硫的含量在剖面上均具有明顯的規(guī)律性:即從上至下逐漸減少;但鹽酸揮發(fā)性硫的含量在不同土層上沒有明顯差異;3.4濕地土壤各硫組分中有機硫含量最高,為683.7