寧淮鹽高速公路沿線濕地土壤理化因子差異性分析1)

張家洋 王書麗

(新鄉(xiāng)學院，新鄉(xiāng)，453003)

祝遵凌

(南京林業(yè)大學)

曹 劍

(海河水利委員會水土保持處)

濕地土壤是構(gòu)成濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)境因子之一，又是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量流通的媒介和動力。在特殊的條件下，濕地土壤有著自身獨特的發(fā)育和形成過程，表現(xiàn)出不同于一般陸地土壤的特殊的生態(tài)功能和理化性質(zhì)，這些功能和性質(zhì)對濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡的維持和演替都具有重要作用[1]。土壤理化性質(zhì)是評價濕地土壤質(zhì)量的重要內(nèi)容，是生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的生態(tài)因子，直接影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[2]。伴隨著濕地生態(tài)系統(tǒng)研究的深入，濕地土壤的研究也越來越受到關(guān)注。目前，對濕地生態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中在農(nóng)田、湖泊以及濱海等濕地的土壤養(yǎng)分、酶活性、土壤動物變化等方面[3－6]，而對高速公路沿線互通區(qū)人工濕地土壤物理化學性質(zhì)研究較少[7]。筆者依托寧淮鹽高速公路沿線濕地，對其土壤理化因子進行深入分析，以期探討在高速公路建設(shè)過程中如何加強沿線濕地保護，促進濕地生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。

1 研究方法

采樣時間及地點:根據(jù)寧淮鹽(南京—淮安—鹽城)高速公路沿線濕地實際情況，于2008年5、9月份選擇新集鎮(zhèn)(XJ)、葉湖水庫(YH)、朱壩鎮(zhèn)(ZB)、馬甸鎮(zhèn)(MD)、裴劉鎮(zhèn)(PL)及岡中鄉(xiāng)(GZ)互通區(qū)的高速公路兩側(cè)距離15～25 m范圍內(nèi)的濕地區(qū)域作為研究樣地。根據(jù)前人研究，濕地土壤的取樣深度大多以地下水位作為底限。

土壤剖面的設(shè)置:在選定的6個樣地內(nèi)，針對每個樣地至少挖掘兩個土壤剖面，規(guī)格視立地條件而確定，大約為長1.4 ～1.8 m，寬0.7 ～0.9 m，深1.0 ～1.3 m。

土壤樣品的采集方法:由下而上(45 cm＜h≤60 cm、30 cm ＜h≤45 cm、20 cm ＜h≤30 cm、10 cm ＜h≤20 cm和0＜h≤10 cm)，分層采集土樣，在每層中均勻取樣。采集的土樣分別裝入己經(jīng)編號的保鮮袋中，質(zhì)量約1 kg左右。

土壤樣品測定指標:測定含水率、機械組成、密度、孔隙度、pH值，以及有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀質(zhì)量分數(shù)等。

土壤物理性質(zhì)測定方法:土壤含水率測定采用烘干法;土壤密度測定采用環(huán)刀法;將環(huán)刀內(nèi)的原狀土放入水中浸泡24 h后迅速取出稱質(zhì)量，計算土壤總孔隙度;將稱質(zhì)量后的土樣放置2 h后再稱質(zhì)量，計算其毛管孔隙度，非毛管孔隙度=總孔隙度－毛管孔隙度;土壤機械組成測定采用比重計法。

土壤化學性質(zhì)測定方法:采用PHSJ－4A型pH計測定pH值，用重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法測有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)，用半微量凱氏法測土壤全氮質(zhì)量分數(shù)，用0.05 mol·L－1NaHCO3比色法測速效磷質(zhì)量分數(shù)，用NH4OAc浸提一火焰光度計法測速效鉀質(zhì)量分數(shù)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理:對同類型數(shù)據(jù)先做平均處理，原始數(shù)據(jù)的合成、統(tǒng)計分析以及圖表制作使用EXCEL2003和SPSSl7.0統(tǒng)計分析軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性質(zhì)

濕地土壤的蓄水能力與土壤密度和孔隙度狀況密切相關(guān)，土壤蓄水量與密度負相關(guān)，與孔隙度正相關(guān)，密度越小，孔隙度越大，蓄水能力越大[8]。對寧淮鹽高速公路沿線濕地各互通區(qū)研究地的土壤含水量、密度和孔隙度進行測定(見表1)。結(jié)果表明，含水量較大的互通區(qū)是裴劉(21.10%)和馬甸(20.90%)，最少的是崗中(18.65%)，各互通區(qū)濕地土壤含水量較高(17.6%以上)且變化幅度小，含水量均值在18.60% ～21.09%;土壤密度是衡量土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的重要指標，土壤密度受土壤機械組成、結(jié)構(gòu)以及有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和各種自然因素的影響，各互通區(qū)土壤密度均值在 1.25 ～1.54 g·cm－3，其大小排序為:崗中＞朱壩＞新集＞葉湖＞馬甸＞裴劉;土壤孔隙度是反映土壤結(jié)構(gòu)的基本指標，一般用土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度表示，三者綜合地反映了土壤通氣性、透水性和持水能力。各互通區(qū)土壤總孔隙度在39.5% ～41.5%，變化不大，朱壩互通區(qū)毛管孔隙度最大(35.94%)，新集互通區(qū)最小(30.01%)，毛管孔隙度大小依次為:朱壩＞葉湖＞馬甸＞裴劉＞岡中＞新集;非毛管孔隙度大小排序為:新集＞裴劉＞岡中＞葉湖＞馬甸＞朱壩。有學者研究指出[9－10]，干擾區(qū)表層土壤密度比未受干擾參照區(qū)有不同程度增加，總孔隙度則相應下降，李輝等[11－12]研究原生狀態(tài)的濕地被干擾后土壤密度和孔隙度呈現(xiàn)較大變化。本研究地各互通區(qū)濕地土壤密度和孔隙度偏離原生狀態(tài)較大，原因是高速公路建設(shè)對濕地有干擾。土壤團粒結(jié)構(gòu)是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤團聚體是土壤的重要組成部分，不同粒級的微團聚體在營養(yǎng)元素的保持、供應及轉(zhuǎn)化能力等方面發(fā)揮著不同的作用[13－14]。土壤機械組成是用3種粒徑不同的土壤顆粒所占比例表示的，第一種是砂粒(0.05～1.00 mm)，土壤粒間孔隙大，蓄水量較差;第二種是粉粒(0.005 ～0.05 mm)，呈壤性，是比較理想的土壤;第三種是黏粒(＜0.005 mm)，土壤細粒含量較高，孔隙數(shù)量少，水分難以下滲。通過對各互通區(qū)土壤機械組成進行測定，結(jié)果表明，3種粒徑不同的土壤顆粒在各互通區(qū)的排序分別為:砂粒，岡中＞朱壩＞裴劉＞馬甸＞新集＞葉湖;粉粒，新集＞岡中＞葉湖＞朱壩＞裴劉＞馬甸;黏粒，馬甸＞裴劉＞葉湖＞朱壩＞新集＞岡中。其中岡中互通砂粒質(zhì)量分數(shù)是葉湖互通的3.28倍，馬甸互通區(qū)黏粒質(zhì)量分數(shù)(44.48%)是岡中(15.3%)的2.91 倍。

在0～60 cm土壤深度范圍內(nèi)，除了新集和岡中互通各層土壤含水量呈現(xiàn)從表層到深層先減小后增大趨勢外，葉湖、朱壩、馬甸和裴劉互通逐漸增大。6個互通區(qū)土壤剖面0＜h≤20 cm范圍密度最小，上下層的變異系數(shù)變化不大。隨土壤深度增加，總孔隙度、毛管孔隙度變化規(guī)律是:新集和裴劉互通區(qū)減小，岡中互通區(qū)增加，馬甸互通區(qū)先減小后遞增，葉湖互通變化幅度很小，朱壩互通變化規(guī)律復雜;對非毛管孔隙度而言，岡中和馬甸互通先遞減后增加，新集互通則反之，裴劉和朱壩互通區(qū)規(guī)律性不強，葉湖互通區(qū)變化較小。隨土壤縱向深度增加，各互通區(qū)土壤機械組成變化情況多樣，新集和朱壩互通區(qū)砂粒質(zhì)量分數(shù)遞減，岡中先減小再遞增，而葉湖、馬壩及裴劉互通區(qū)土壤砂粒質(zhì)量分數(shù)先遞增再減少;葉湖互通區(qū)土壤層次20 cm＜h≤30 cm內(nèi)砂粒質(zhì)量分數(shù)(7.28%)是剖面45 cm＜h≤60 cm砂粒質(zhì)量分數(shù)(3.65%)的近2倍，岡中互通區(qū)土壤砂粒質(zhì)量分數(shù)從表層到深層分別為同層次葉湖互通的4.93、2.44、2.34、2.87 和5.42 倍。新集和岡中互通區(qū)土壤粉粒質(zhì)量分數(shù)先增再減，其余4個互通區(qū)呈現(xiàn)遞減趨勢;對黏粒而言，朱壩和馬甸互通區(qū)呈現(xiàn)遞增趨勢，土壤層次0＜h≤30 cm內(nèi)新集、葉湖、裴劉及岡中4互通區(qū)土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)先遞減后增加規(guī)律，馬甸互通區(qū)土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)從表層到深層分別為同層次岡中的 2.66、3.30、2.54、3.01 和 3.07 倍。

表1 各互通區(qū)土壤物理因子

對不同互通區(qū)不同層次土壤物理性質(zhì)進行多重差異性分析，結(jié)果表明，不同互通區(qū)的土壤含水量、總孔隙度和非毛管孔隙度差異顯著，差異系數(shù)分別為 P=0.002，P=0.010，P=0.003;密度、毛管孔隙度、砂粒、粉粒及黏粒差異極顯著(P＜0.001);不同層次土壤密度、粉粒和黏粒差異顯著，分別為P=0.007，P=0.020，P=0.005;土壤層次對含水量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及砂粒質(zhì)量分數(shù)無顯著性影響，分別為 P=0.620，P=0.160，P=0.578，P=0.999，P=0.132。

2.2 土壤化學性質(zhì)

對寧淮鹽高速公路沿線濕地各互通區(qū)土壤pH值、有機質(zhì)、全氮、速效磷及速效鉀進行測定(見表2)，結(jié)果表明，各互通區(qū)濕地土壤表現(xiàn)為微酸性或中性，pH 值在 6.86 ～7.11。戴萬宏等[15]對中國第二次土壤普查的實測土壤數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，華東68%的土壤pH值在4.5～5.5的范圍內(nèi)，顯然在高速公路建設(shè)過程中，大部分濕地土壤為伴有粉煤灰和石灰等物質(zhì)的客土。濕地土壤有機質(zhì)主要來源于土壤原有機物的礦化和動植物殘體的分解，Meyer等[9]認為土壤有機質(zhì)是土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因為它影響植被根系發(fā)育、土壤孔隙度、水分入滲率等，從而影響濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。通過對各互通區(qū)土壤有機質(zhì)變化進行分析，結(jié)果得出，馬甸(35.02 mg·g－1) ＞ 裴劉(34.51 mg·g－1) ＞ 葉湖(24.85 mg·g－1) ＞ 岡中(24.17 mg·g－1) ＞ 新集(20.40 mg·g－1) ＞ 朱壩(19.10 mg·g－1)。濕地土壤的 N 是濕地生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的生態(tài)因子，是濕地營養(yǎng)水平的指示劑，其質(zhì)量分數(shù)顯著地影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的高低。各互通區(qū)土壤全氮質(zhì)量分數(shù)差異明顯，裴劉(903.39 μg·g－1)、馬甸(894.80 μg·g－1)、葉湖(714.25 μg·g－1)互通區(qū)土壤全氮質(zhì)量分數(shù)高，而新集(423.58 μg·g－1)、朱壩(381.92 μg·g－1)和岡中(315.95 μg·g－1)全氮質(zhì)量分數(shù)較低，裴劉全氮質(zhì)量分數(shù)是岡中的2.86倍。磷是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的生源元素之一，土壤中磷素主要來源于成土母質(zhì)和動植物殘體歸還，在很多濕地類型中它都是主要的限制性養(yǎng)分。速效磷是指能為植物直接迅速吸收的磷量，它只占全磷的極小部分，有機磷和無機磷共同維持土壤速效磷的供應。磷又是引起水體富營養(yǎng)化的主要因素之一，濕地能對進入水體中的磷起到一定的截留和阻滯作用，從而減小水體富營養(yǎng)化程度[16]。不同互通區(qū)速效磷質(zhì)量分數(shù)變化較大，朱壩互通區(qū)速效磷質(zhì)量分數(shù)是裴劉的2倍以上，各互通區(qū)速效磷質(zhì)量分數(shù)大小依次為:朱壩(14.46 μg·g－1) ＞ 葉湖(13.29 μg·g－1) ＞ 馬甸(12.62 μg·g－1) ＞ 岡中(10.66 μg·g－1) ＞ 新集(9.28 μg·g－1) ＞ 裴劉(6.87 μg·g－1)。濕地土壤中鉀主要為礦物的結(jié)合態(tài)，速效鉀(包括水溶性鉀和交換性鉀)只占全鉀的1%左右，這部分鉀能很快被植物吸收利用，故稱為速效鉀。各互通區(qū)速效鉀均值變化范圍為147.25 ～240.72 μg·g－1，其中朱壩(147.25 μg·g－1)和新集(175.00 μg·g－1)質(zhì)量分數(shù)較低，裴劉(207.34 μg·g－1)、馬甸(211.85 μg·g－1)、岡中(214.29 μg·g－1)及葉湖(240.72 μg·g－1)質(zhì)量分數(shù)高。馬甸、裴劉和葉湖互通區(qū)有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高，其全氮和速效鉀質(zhì)量分數(shù)也高，表現(xiàn)為正相關(guān)，而速效磷質(zhì)量分數(shù)低，表現(xiàn)為負相關(guān)性，表明有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高的土壤速效磷質(zhì)量分數(shù)并不一定高。

在土壤垂直分布上，除了葉湖和岡中互通區(qū)表層及剖面45 cm＜h≤60 cm土壤pH值變化幅度達0.6之外，其余互通區(qū)土壤pH值垂直變化極小。朱壩、馬甸和裴劉互通區(qū)土壤有機質(zhì)從表層到深層基本表現(xiàn)為先減小再增加趨勢，而新集、葉湖和岡中先遞增再減少。在0＜h≤10 cm土壤深度內(nèi)，除了新集互通區(qū)土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)低外，其余互通區(qū)土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)均較高。隨土壤深度增加，新集、馬甸和岡中互通區(qū)土壤全氮上下層變化不大，朱壩和裴劉互通區(qū)呈現(xiàn)遞減趨勢，葉湖互通區(qū)先增后減，多數(shù)互通區(qū)表層土壤全氮質(zhì)量分數(shù)高，裴劉互通區(qū)0＜h≤10 cm土壤全氮質(zhì)量分數(shù)是朱壩互通區(qū)30 cm＜h≤45 cm的3.57倍。各互通區(qū)土壤速效磷質(zhì)量分數(shù)20 cm＜h≤30 cm剖面最高，從表層到深層基本呈現(xiàn)先遞增再減少趨勢，朱壩互通區(qū)20 cm＜h≤30 cm土壤速效磷是裴劉30 cm＜h≤45 cm的4.07倍;在0＜h≤60 cm垂直分布上，各互通區(qū)土壤速效鉀變化幅度小，0＜h≤20 cm土壤深度內(nèi)速效鉀質(zhì)量分數(shù)相對較高。

對不同互通區(qū)不同層次土壤化學性質(zhì)進行多重差異性分析，結(jié)果表明，不同互通區(qū)的有機質(zhì)、全氮、速效磷及速效鉀差異極顯著(P＜0.001)，pH值差異顯著(P=0.025);不同層次土壤有機質(zhì)、全氮和速效鉀差異顯著，分別為 P=0.014，P=0.009，P=0.007，速效磷差異極顯著(P＜0.001)，土壤層次對pH值無顯著性影響(P=0.362)。

表2 各互通區(qū)土壤化學因子

3 結(jié)論與討論

寧淮鹽高速公路沿線各互通區(qū)濕地土壤含水量均值在18.60% ～21.09%，土壤密度均值在1.25～1.54 g·cm－3，總孔隙度變化幅度為 39.50% ～ 41.50%，毛管孔隙度總體變化幅度為30.01% ～35.94%，非毛管孔隙度總體變化幅度為5.82% ～9.50%。土壤砂粒、粉粒及黏粒質(zhì)量分數(shù)分別為5.73%～18.72%、48.85% ～ 68.70% 和 15.35% ～ 44.50%。土壤pH值6.86～7.11，為弱酸性或中性。有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù) 19.10 ～35.02 mg·g－1，全氮質(zhì)量分數(shù)315.95 ～903.39 μg·g－1，速效磷質(zhì)量分數(shù) 6.87 ～14.46 μg·g－1，速效鉀質(zhì)量分數(shù) 147.25 ～240.72 μg·g－1，基本達到植物生長所需要求。土壤含水量、密度、砂粒、粉粒、黏粒、總孔隙度、毛管、非毛管孔隙度、pH值、有機質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀各因子最小均值分別出現(xiàn)于岡中、新集、葉湖、馬甸、岡中、馬甸、新集、朱壩及裴劉、朱壩、岡中、裴劉、朱壩互通區(qū)，最大值分別出現(xiàn)于裴劉、岡中、岡中、新集、馬甸、朱壩、朱壩、新集及朱壩、馬甸、裴劉、朱壩、葉湖互通區(qū)。

對不同互通區(qū)不同層次土壤理化性質(zhì)進行方差分析，結(jié)果表明，不同互通區(qū)的土壤含水量、總孔隙度和非毛管孔隙度差異顯著，密度、毛管孔隙度、砂粒、粉粒及黏粒差異極顯著;不同層次土壤密度、粉粒和黏粒差異顯著，土壤層次對含水量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及砂粒質(zhì)量分數(shù)無顯著性影響。不同互通區(qū)的有機質(zhì)、全氮、速效磷及速效鉀差異極顯著，pH值差異顯著;不同層次土壤有機質(zhì)、全氮和速效鉀差異顯著，速效磷差異極顯著，土壤層次對pH值無顯著性影響。

在垂直分布上，多數(shù)互通區(qū)各層土壤含水量呈現(xiàn)從表層到深層增大趨勢，土壤密度上下層變化幅度小。隨土壤縱向深度增加，各互通區(qū)土壤孔隙度和機械組成變化情況多樣，原因是各互通區(qū)濕地在建設(shè)時就地取土且擾動較大，還沒有形成穩(wěn)定的土壤組成。各互通區(qū)土壤上下層pH變化幅度小，0＜h≤20 cm深度內(nèi)絕大多數(shù)互通區(qū)土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高，多數(shù)互通區(qū)表層土壤氮質(zhì)量分數(shù)高。安通偉研究表明[17]，濕地土壤深度加深，pH值升高，有機質(zhì)和全氮質(zhì)量分數(shù)下降。白軍紅等對烏蘭泡濕地土壤研究顯示[18]，有機質(zhì)及全氮質(zhì)量分數(shù)垂直分異基本趨勢是土壤表層向下依次減少。本研究地各互通區(qū)濕地土壤pH值垂直分異較復雜，可能是濕地土壤沒有形成穩(wěn)定體系，而有機質(zhì)和全氮質(zhì)量分數(shù)大體呈現(xiàn)表層向下逐漸減少趨勢。各互通區(qū)土壤深度20 cm＜h≤30 cm速效磷質(zhì)量分數(shù)最高，趙永強研究安慶沿江濕地土壤營養(yǎng)元素表明[19]，在0＜h≤30 cm剖面上，白蕩湖表層土壤有效磷質(zhì)量分數(shù)為亞層總體上顯著高于表層(P＜0.05)，菜子湖有效磷質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)為表層總體上顯著高于亞層(P＜0.05)，前者與本研究結(jié)果相同，但后者與本研究觀點不同。熊漢鋒等研究得出[20]，濕地表層土壤有效鉀質(zhì)量分數(shù)在 72 ～185 μg·g－1，與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)無相關(guān)性，與黏粒質(zhì)量分數(shù)有關(guān)。筆者對各互通區(qū)土壤剖面0＜h≤20 cm速效鉀研究表明，其質(zhì)量分數(shù)在 153.80 ～ 274.67 μg·g－1，與有機質(zhì)和黏粒質(zhì)量分數(shù)無相關(guān)性。

水分也是植物生長的必要因素之一，但過高的水分對植物生長也有一定的抑制作用，多數(shù)互通區(qū)濕地土壤含水量相對較大，因此在選擇高速公路沿線濕地景觀植物時，要考慮植物的耐水濕性。大多數(shù)互通區(qū)土壤的孔隙度均較高，通透性較好，有利于土壤水分的貯存，能滿足多數(shù)植物的生長要求。各互通區(qū)土壤砂粒、粉粒及黏粒差異極顯著，主要是由于在高速公路建設(shè)時取土擾動大，還未形成穩(wěn)定的土壤機械組成，岡中和朱壩互通區(qū)濕地土壤砂粒含量高，蓄水量較差，易造成水土流失現(xiàn)象，對此應加強保護。

寧淮鹽高速公路沿線濕地互通區(qū)土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀差異極顯著，主要原因是沿線濕地土壤形成時間較短，微生物和植物凋落物分解較少。同時，沿線濕地土壤全氮、速效磷、速效鉀質(zhì)量分數(shù)在綠化植物生長的初期主要由原土壤帶來，再加之在運送過程中的擾動使各互通區(qū)不同深度土壤全氮、速效磷、速效鉀質(zhì)量分數(shù)變化復雜，但隨著濕地植物群落向高級發(fā)展，植被越來越豐富，有機質(zhì)迅速分解，微生物大量繁殖，最終向土壤釋放的全氮、速效磷、速效鉀就會增多。

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