蘇州太湖湖濱帶不同水分梯度土壤氮的時空變異特征

馮育青 陳月琴 阮宏華 張海娣 傅麗娜

（1南京林業(yè)大學森林資源與環(huán)境學院 江蘇省林業(yè)生態(tài)工程重點實驗室 南京 210037；2江陰市林業(yè)指導站 江陰 214400；3蘇州濕地保護與管理站 蘇州 215000）

湖濱帶是介于陸生生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)之間的生態(tài)交錯類型之一，生產(chǎn)力高，生態(tài)邊緣效應顯著(王慶所,1997)，是地球上多樣性最豐富、變化最快、最為復雜的生境之一。水陸交錯帶具有調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、蓄洪防旱、降解環(huán)境污染、凈化水體、維持生物多樣性和生態(tài)平衡、保持水資源平衡以及調(diào)節(jié)區(qū)域乃至全球 C、N等元素的生物地球化學循環(huán)等重要功能（Michael et al., 2003）。近年來，國內(nèi)外學者對水陸交錯帶的研究主要集中在濕地資源開發(fā)利用和保護、生物多樣性等方面（Groffman et al., 2003；王建華和呂憲國，2007；周玲霞和劉宏業(yè), 2008），而對于其凈化水體、截留、濾過作用等生態(tài)功能以及關于水陸交錯帶結構、功能等研究較少，對于水陸生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量交換過程缺乏認識。

太湖位于長江三角洲南緣，北緯30°56′～31°34′，東經(jīng) 119°54′～120°36′，分屬江蘇、浙江、上海兩省一市。南北最大長度為68km，東西最大寬度為 56km，太湖全水域面積2425km2，平均蓄水量44億立方米，為我國第三大淡水湖。太湖自然資源豐富，淡水珍珠、莼菜、湖蟹、“太湖三白”等動植物水產(chǎn)品名聞遐邇，同時也是重要的旅游風景區(qū)。

近年來，由于人類干擾活動，太湖濕地遭到破壞，也不可避免的影響其功能的發(fā)揮。太湖湖濱帶是易受人類活動影響的重要的生態(tài)交錯帶，同時也是太湖水體的保護屏障。湖濱帶過濾、滲透、吸收、滯留和沉積流向水體的有機物和無機物，使進入地表和地下水的徑流污染物毒性減弱或污染程度降低，通過湖濱帶土壤及生物系統(tǒng)的作用對湖水中的環(huán)境污染物發(fā)揮凈化作用（薛建輝等, 2008），進而提高水體的水質(zhì)；湖濱帶對于維護生物多樣性功能、為魚類繁殖和鳥類棲息提供場所、調(diào)蓄洪水以及穩(wěn)定相鄰的兩個生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用（阮宏華和王瑩, 2008）；從水源地保護的角度來看，湖濱帶的建設還可以有效地將人類活動隔離在湖濱帶之外，防止人類活動對湖濱帶的干擾和破壞，減少人類活動對岸邊水體的直接影響（金相燦等, 2003）。本研究基于太湖湖濱帶植被現(xiàn)狀調(diào)查以及不同水分梯度氮素的動態(tài)觀測資料，分析太湖湖濱帶土壤全氮、微生物生物量氮、有效氮的分布特征及其相互之間的聯(lián)系，以及土壤氮素影響因子，為進一步研究太湖濕地土壤的質(zhì)量演變、水體環(huán)境保護以及氮素生物地球化學過程等研究提供科學依據(jù)，為太湖流域的可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與樣地設置

1.1.1 試驗地概況與實驗設計

研究區(qū)位于蘇州太湖國家旅游度假區(qū)漁陽山，屬北亞熱帶南部向中亞熱帶北部過渡的東西季風氣候區(qū)，四季分明，無霜期長，熱量充裕，降水豐沛。湖區(qū)日照時數(shù)累年平均值為2000～2200h，年平均氣溫14.9～16.2℃，一月平均氣溫約 3.0～3.9℃，七月平均氣溫27.4～28.6℃。

本試驗選擇漁洋山自然水岸為采樣地，選擇三條樣帶，分別命名為1#樣帶、2#樣帶、3#樣帶，樣帶間距100m以上，每條樣帶寬10m，長80m，并根據(jù)距離水岸遠近，從近水體到高崗地設三個區(qū)，即水位變幅區(qū)－近水帶（簡記為近水區(qū)J）、水位變幅區(qū)－中水帶（簡記為中水區(qū)Z）和陸相輻射區(qū)－遠水帶（簡記為遠水區(qū) Y），每個實驗區(qū)面積為 20m×10m，區(qū)內(nèi)設置 3個重復的實驗樣方(5×5m)，區(qū)與區(qū)之間間隔約10m，近水區(qū)為坡地灘涂偶爾淹水，中水區(qū)為中坡、遠水區(qū)為上坡都不淹水。實驗區(qū)植被主要為次生植被。1#樣帶位于山脊西北面，2#樣帶位于山脊頂面，3#樣帶位于山坳處。不同試驗區(qū)概況見表1。

表1 不同試驗區(qū)自然概況Tab. 1 Natural conditions of the four experimental zones

1.1.2 樣品采集和處理

近水區(qū)J、中水區(qū)Z和遠水區(qū)Y分別選擇具有代表性的點進行三次重復采樣。采樣時間分別為2007年11月、2008年3月、2008年7月，用直徑為2cm的土壤取樣器(Soil coring)在各個樣地采取0～10cm、10～25cm、25-40cm層土樣，共計81份，裝入自封袋帶回室內(nèi)分析。土樣被帶回實驗室后，挑除其中的砂石、植物根系、小動物等雜質(zhì)。為保證測定結果的準確，新鮮土樣在當天進行處理，或保存在 4℃冰箱中第二天處理。處理后土樣分兩份，一份置于冰箱中保存，另一份放室內(nèi)自然風干。

1.2 土壤樣品分析方法

土壤全碳、全氮、全硫采用VARI0 EL元素分析儀進行測定；土壤全磷采用酸溶—鉬銻抗比色法測定；土壤硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測定；土壤銨態(tài)氮用氧化鎂浸提擴散法測定；pH值以土∶水=1∶2.5水浸提，電位法測定(GB 7859—87)；土壤濕度采用質(zhì)量法測定(GB 7833—87)。土壤微生物生物量氮采用氯仿熏蒸-K2S04提取-茚三酮比色法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤理化性質(zhì)、土壤有效氮、土壤微生物生物量氮的計算及柱形圖、線形圖采用 Excel處理。采用SPSS14.0軟件統(tǒng)計分析土壤有效氮與各生態(tài)因子相關性，對不同樣帶、不同水分梯度、不同土層土壤有效氮進行差異性分析。

2 研究結果

2.1 土壤全氮及土壤主要理化性質(zhì)

在不同水分梯度土壤全氮平均含量為中水區(qū)＞近水區(qū)＞遠水區(qū)，中水區(qū)土壤氮平均含量為10.05g/kg，其變異性最強。近水區(qū)與遠水區(qū)、中水區(qū)與遠水區(qū)土壤全氮含量具有差異性(P＜0.05)，近水區(qū)與中水區(qū)之間無顯著差異。

1#、3#樣帶近水區(qū)全氮含量最大，1#土壤全氮為近水區(qū)＞遠水區(qū)＞中水區(qū)，3#樣帶土壤全氮近水區(qū)＞中水區(qū)＞遠水區(qū)，2#土壤氮含量在三個區(qū)域差異性顯著(P＜0.05)，中水區(qū)土壤總氮含量最大，與近水區(qū)、遠水區(qū)差異性極顯著(P＜0.01)。

全氮含量在三個土層之間差異顯著(P＜0.05)，含量隨土壤深度的增加而降低。其中2#樣帶 0～10cm土壤平均氮含量最高為11.07g/kg，3#樣帶25～40cm土壤平均含氮量最低為7.41g/kg。

從表2可以看出，遠水區(qū)土壤C、N、P、S、有機質(zhì)以及土壤含水率顯著低于其它區(qū)域。隨著土壤深度增加，土壤C、N、P、S、有機質(zhì)含量降低。

表2 不同實驗區(qū)土壤的主要理化性質(zhì)Tab2 Chemical and physical properties of soils in different experimental zones

2.2 土壤有效氮的時空變化

2.2.1 不同季節(jié)土壤有效氮變化

土壤有效氮(Soil Available Nitrogen)主要以銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(N03--N)的形式存在，NH4+-N和N03--N是植物從土壤中吸收氮素的主要形態(tài)。太湖湖濱帶土壤有效氮隨時間的動態(tài)變化見表 3。土壤有效氮平均含量為：34.20mg/kg，主要分布區(qū)間為：12.00～65.00mg/kg(分布頻率為 70%)，土壤肥力水平較高。不同樣帶中，2#樣帶土壤有效氮含量最高，其平均值和標準差為(38.17±29.85)mg/kg。

在不同樣帶各采樣點，土壤垂直剖面中有效氮含量基本上都是由土壤上層到下層呈逐漸遞減趨勢，0～10cm土層中有效氮含量最高，其平均值和標準差為(42.93±24.73)mg/kg；10～25cm土層中土壤有效氮含量次之，其平均值和標準差(32.50±26.30)mg/kg；25～40cm土層中土壤有效氮含量最低，其平均值和標準差(27.17±21.55)mg/kg。經(jīng)分析，不同土層土壤有效氮含量差異顯著(P＜0.05)。

不同樣點土壤有效氮含量變化趨勢相同，11月最高，其平均值和標準差為(64.75±13.88)mg/kg；3月次之，其平均值和標準差為(23.29±8.22)mg/kg；7月最低，其平均值和標準差為(14.57±5.94)mg/kg。不同季節(jié)，土壤有效碳含量差異性極顯著（P＜0.01）。

其中，土壤銨態(tài)氮平均含量為31.87mg/kg。土壤硝態(tài)氮平均含量為2.33mg/kg，主要分布區(qū)間為 0.5～3mg/kg(分布頻率為71.6%)。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮土壤垂直剖面中有效氮含量基本上都是由土壤上層到下層呈逐漸遞減趨勢，季節(jié)動態(tài)與土壤有效氮變化一致。

表3 土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮隨時間的變化Tab3 NH4 +-N and NO3--N content changed with time 單位：mg/kg

2.2.2 水分梯度上土壤有效氮變化

太湖湖濱帶不同水分梯度土壤有效氮的動態(tài)變化見圖1，2。在3個不同水分梯度土壤有效氮平均含量中水區(qū)＞近水區(qū)＞遠水區(qū)，其中，中水區(qū)土壤有效氮平均含量為36.27mg/kg是遠水區(qū)有效氮量的1.17倍。遠水區(qū)土壤有效氮含量與近水區(qū)、中水區(qū)差異性顯著(P＜0.01)。

在0～10cm土層中土壤有效氮分布均為近水區(qū)＞中水區(qū)＞遠水區(qū)，不同區(qū)域差異性顯著(P＜0.01)，在 10～25cm、25～40cm 土層中土壤有效氮分布中水區(qū)＞近水區(qū)＞遠水區(qū)。

圖1. 土壤有效氮的空間變異Fig1 Amount of soil available nitrogen in different moisture gradient

圖2 土壤有效氮的季節(jié)變化Fig1 Amount of soil available nitrogen in different season

2.2.3 土壤有效氮的影響因子

土壤全氮是影響土壤有效氮的重要因素，與土壤有效氮含量呈極顯著正相關關系(P＜0.001)，土壤有效氮約占全氮的比例為0.31%～0.63%。研究發(fā)現(xiàn)，土壤有效氮的量略低于土壤微生物生物量氮，土壤微生物生物量氮平均含量是土壤有效氮的1.11倍。由圖可知，土壤有效氮與微生物生物量氮、土壤含水率呈顯著正相關關系。土壤有效氮與土壤 pH值不存在相關性。（每次實驗過程中，除有效氮和含水率外，選擇其中幾項內(nèi)容做測定。上圖土壤有效氮和土壤全氮相關關系分析選用2007年11月與2008年3月數(shù)據(jù)；土壤有效氮與土壤微生物生物量氮、土壤pH值相關關系分析選用2007年11月與2008年7月數(shù)據(jù)，土壤有效氮與土壤含水率相關關系分析選用 2007年 11月、2008年3月、2008年7月數(shù)據(jù)）

圖3 土壤有效氮與土壤全氮、土壤微生物生物量氮、土壤含水率、土壤pH的相關關系圖。Fig2 Correlation between soil available nitrogen with soil nitrogen, SMBN and soil moisture and pH

3 討 論

研究表明蘇州太湖湖濱帶土壤氮素含量變化幅度較大，土壤全氮含量變化范圍介于4.54g/kg～21.35g/kg之間，平均值為9.32gkg，隨土壤剖面深度增加含量降低。據(jù)統(tǒng)計，全國自然土壤表層氮含量平均值為2.9±1.5g/kg；全國2555個農(nóng)田土壤耕層氮素含量變化區(qū)間為0.4～3.8g/kg之間，平均為1.3±0.5g/kg(沈善敏，1998)，太湖濕地土壤氮素含量顯著高于農(nóng)田土壤與全國自然土壤。

土壤有效氮水平指除去生物固定后的礦化氮(非有機氮)總量，主要包括土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮(屈明華,2005)，其中氮礦化是銨態(tài)氮的重要來源，硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化來源為銨態(tài)氮的硝化作用。在不同樣帶各采樣點，土壤垂直剖面中有效氮含量基本上都是由土壤上層到下層呈逐漸遞減趨勢，這是由于隨著土壤深度的增加，微生物數(shù)量迅速下降，土壤透氣性逐漸降低，可供降解的有機物質(zhì)越來越少(Verhoveven, 1990)，因而0～10cm層土壤有效氮含量較高。在3條不同樣帶中，2號樣帶土壤有效氮量高于其它樣帶，這是由于樣點靠近菜地，人為施肥活動直接導致土壤氮素增加，2#Z土壤有效氮含量是土壤有效氮平均含量的 1.25倍。彭佩欽等(2005)研究發(fā)現(xiàn)，施用中量肥或者高量有機肥土壤全氮提高39.8-51.7%，同時顯著提高了土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量。

在排除人為干擾作用嚴重的2#Z以后，通過分析發(fā)現(xiàn)土壤有效氮含量近水區(qū)＞中水區(qū)＞遠水區(qū)，這與植被類型、植物殘體輸入量以及土壤濕度有關。Bauhus等(1998)研究認為草地比耕地和林地對土壤微生物增長促進作用更顯著。Insam等(1988)研究指出草本植物細根系發(fā)達，密集于土壤表層，根系分泌物及衰亡的根系是土壤微生物豐富的能源物質(zhì)，且近根區(qū)土壤存在碳氮富集現(xiàn)象，太湖湖濱帶近水區(qū)主要植被類型為草本，因而近水區(qū)表層土壤有效氮含量最高。3個區(qū)域中土壤含水率主要分布區(qū)間15.23%～30.63%，在此區(qū)間里土壤含水率較高有利于土壤有效氮的合成，兩者呈顯著正相關關系(P＜0.05)，此外，近水區(qū)由于季節(jié)性淹水導致營養(yǎng)物質(zhì)的沉積和滯留，增加了土壤有效氮的有效來源，故近水區(qū)土壤有效氮含量高于其它區(qū)域。

土壤有效氮季節(jié)變化趨勢明顯，秋季＞春季＞夏季，不同季節(jié)土壤有效碳含量差異性極顯著(P＜0.01)。在不同季節(jié)，溫度是影響土壤有效氮的重要因素。產(chǎn)生硝態(tài)氮最適宜溫度為25～30°C，在5°C以下40°C以上，硝化作用明顯受抑制(Eno,1960)。氣溫在30°C左右時，氨化微生物活動最旺盛，有利于氮礦化作用進行(Stanford&Epstein,1974)，夏季土壤有效氮含量顯著低于其它季節(jié)的重要原因在于溫度過高抑制了土壤有效氮的合成，而春秋兩季溫度適宜，有利于土壤有效氮的合成。秋季土壤有效氮含量顯著高于其它季節(jié)的重要原因在于入秋以后植物生長緩慢，吸收氮素量減少以及枯枝落葉中的養(yǎng)分回歸，使得土壤中相對累積增加，而春季以后溫度逐漸升高，雨水增加，植物生長加快吸收養(yǎng)分能力加強，土壤有效氮含量呈下降趨勢。近期的枯落物是土壤有效氮的重要來源，因而，秋季土壤有效氮量顯著高于其它季節(jié)。屈明華(2005)對溫帶森林土壤有效氮進行研究得出相似的結論。

土壤有效氮與土壤全氮呈極顯著正相關關系(P＜0.001)，土壤有效氮是植物生產(chǎn)力受可獲得性氮限制的參考指標，可以作為反映土壤氮有效性的重要表征。土壤有效氮和微生物生物量氮存在著顯著正相關關系，兩者含量變化趨勢相同，表明兩者之間關系密切。Bonde(1998)和Myrold(1987)等研究認為土壤礦化氮主要來自土壤微生物對氮的釋放。白軍紅等(2002)認為土壤有效氮含量的變化歸根結底是通過土壤微生物活動來實現(xiàn)的。土壤微生物是促進土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動力，是穩(wěn)定態(tài)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為有效氮養(yǎng)分的催化劑(Carter et al., 1984; 王清奎, 2005)。該區(qū)上下層土壤pH值較接近，因此pH值微變化對于土壤氮素含量影響不明顯。

綜上所述，蘇州漁陽山太湖湖濱帶土壤有效氮沿水分梯度具有顯著差異，近水區(qū)土壤有效氮高于其它區(qū)域，土壤濕度通過影響微生物礦化和硝化作用成為影響有效氮大小的重要因子之一，近水區(qū)水淹作用導致營養(yǎng)元素的滯留增加了土壤有效氮的有效來源，近水區(qū)細根較多的草本植物也有利于氮素的富集；土壤有效氮具有明顯的季節(jié)動態(tài)，影響土壤有效氮含量季節(jié)波動原因可能在于植被生長對土壤有效氮利用的情況以及溫度影響微生物化合作用，夏季土壤有效氮含量最低；隨土層的加深由于土壤微生物、土壤全氮、根系分泌物、細根數(shù)量等一系列因素的影響，土壤有效氮含量減少。

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