黃河三角洲內(nèi)陸到潮灘土壤中碳、氮元素的梯度分布規(guī)律

李 遠(yuǎn), 章海波, 陳小兵, 涂 晨, 駱永明*

?

黃河三角洲內(nèi)陸到潮灘土壤中碳、氮元素的梯度分布規(guī)律

李 遠(yuǎn)1,2, 章海波1, 陳小兵1, 涂 晨1, 駱永明1*

(1. 中國(guó)科學(xué)院 煙臺(tái)海岸帶研究所 海岸帶環(huán)境過(guò)程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 煙臺(tái) 264003; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

黃河三角洲是我國(guó)典型的通過(guò)黃河沖積泥沙填海造陸形成的近代沉積區(qū)。區(qū)域受到黃河沖積、沉積等自然過(guò)程和農(nóng)業(yè)耕種熟化等人類活動(dòng)的雙重影響。本研究通過(guò)在黃河三角洲地區(qū)內(nèi)陸到河口海灣不同距離采集典型土壤類型剖面發(fā)生層樣品, 探討土壤有機(jī)碳、總氮等生源要素的空間分布規(guī)律, 為闡明我國(guó)典型海岸帶地區(qū)陸源碳、氮的輸送及循環(huán)特征提供基礎(chǔ)依據(jù)。研究結(jié)果表明, 黃河三角洲內(nèi)陸與河口地區(qū)呈現(xiàn)出完全不同的土壤碳、氮分布規(guī)律。表層土壤碳、氮含量在黃河沿岸及三角洲南部均表現(xiàn)出由陸向海逐級(jí)遞減的空間分布特征, 而在黃河刁口流路和清水溝流路沿行水方向有梯度升高的趨勢(shì)。內(nèi)陸地區(qū)土壤碳、氮與鹽分呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 表明土壤碳、氮主要受到耕作熟化過(guò)程的影響; 而在河口地區(qū)兩者呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(< 0.01), 表明靠近海灣地區(qū)土壤碳、氮積累可能受到細(xì)顆粒泥沙沉積和灘涂濕地厭氧等環(huán)境影響。表層土壤碳、氮比變幅在3.6~8.6之間, 說(shuō)明該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)分解較快, 不利于有機(jī)碳的積累。土壤剖面中, 一些特殊發(fā)生層如紅色夾黏層、黑色泥炭層對(duì)土壤碳、氮的富集具有明顯的作用, 其中紅色夾黏層的土壤碳、氮含量接近耕層土壤?？傊? 黃河三角洲土壤在耕作墾殖、泥沙沉積等綜合作用下形成的空間分布格局以及剖面特征發(fā)生層是影響碳、氮封存、釋放和增匯等循環(huán)過(guò)程的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

土壤; 總氮; 有機(jī)碳; 黃河三角洲; 空間分布

0 引 言

黃河三角洲是世界上大型河流三角洲中最活躍的陸海交互區(qū)域之一, 也是我國(guó)造陸速度最快的河口三角洲[1]。該區(qū)具有我國(guó)暖溫帶最廣闊、最完整的河口新生濕地生態(tài)系統(tǒng), 是中國(guó)濕地生態(tài)系統(tǒng)的重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域。區(qū)域內(nèi)土地資源優(yōu)勢(shì)突出, 地理位置優(yōu)越, 蘊(yùn)藏有豐富的地?zé)豳Y源、油氣資源、海洋漁業(yè)資源和鹵水資源, 具有發(fā)展高效經(jīng)濟(jì)的良好條件[2]。同時(shí), 該地區(qū)也是我國(guó)重要的糧食、棉花生產(chǎn)區(qū); 擁有后備可開(kāi)發(fā)利用的荒堿地418萬(wàn)畝, 是我國(guó)重要的后備土地資源, 其合理開(kāi)發(fā)利用對(duì)于緩解環(huán)渤海地區(qū)耕地緊張, 實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前, 已有眾多學(xué)者對(duì)黃河三角洲典型區(qū)域中土壤養(yǎng)分和鹽漬化相關(guān)的農(nóng)業(yè)及生態(tài)環(huán)境問(wèn)題做了大量調(diào)查研究。其中, 包括濕地生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)元素地球化學(xué)行為[3]; 油田地區(qū)土壤物理化學(xué)性質(zhì)[4]; 軍區(qū)生產(chǎn)基地土壤鹽漬化與耕地保護(hù)[5]; 孤島地區(qū)土壤物理性狀等[6]。但目前針對(duì)現(xiàn)代沉積特征下黃河三角洲地區(qū)土壤碳、氮的分布規(guī)律及其對(duì)近海碳、氮等生源要素的輸入影響尚缺乏系統(tǒng)了解, 特別是在不同土地利用方式、農(nóng)業(yè)墾殖歷史及黃河改道等因素影響下黃河三角洲地區(qū)的陸地土壤碳、氮分布以及河口、海岸帶地區(qū)碳、氮物質(zhì)循環(huán)過(guò)程中的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)機(jī)理尚不清楚。為此, 本文擬通過(guò)對(duì)黃河三角洲地區(qū)內(nèi)陸到河口海灣不同距離土壤中碳、氮分布規(guī)律及其影響因素的探討, 為評(píng)估我國(guó)典型河口海岸帶地區(qū)碳、氮的封存與釋放及增匯途徑提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域設(shè)在山東省東營(yíng)市境內(nèi)的黃河三角洲核心區(qū)(38°06′~36°59′N, 118°10′~119°07′E), 地處渤海灣和萊州灣之間。氣候類型屬暖溫帶季風(fēng)性氣候, 多年平均降水量在600 mm左右, 70%的降水集中在7、8月份, 多年平均蒸發(fā)量1944 mm, 遠(yuǎn)高于降水量, 區(qū)域土壤的鹽漬化特征明顯。土壤類型包括褐土、潮土、鹽化潮土和濱海潮鹽土等類型, 成土母質(zhì)以黃河沖積母質(zhì)和海相沉積物(鹽漬淤泥)為主[7]。自然植被類型主要有蘆葦(Trin.)、檉柳(Lour.)及翅堿蓬(Kitag), 糧食作物以小麥和玉米為主, 經(jīng)濟(jì)作物主要為棉花。

1.2 研究方法

2012年11月進(jìn)行了野外土樣采集, 共采集土壤剖面發(fā)生層樣品95份, 此時(shí)耕層土壤鹽分及地下水性質(zhì)較為穩(wěn)定, 地下水蒸發(fā)量相對(duì)較小, 表層土壤含鹽量變化不大[7]。在東營(yíng)市境內(nèi)由內(nèi)陸至沿海方向布設(shè)兩縱一橫三條采樣帶(圖1)。線路A: 現(xiàn)今黃河河道, 即清水溝流路, 黃河口鎮(zhèn)沿黃河岸邊至入?？? 線路B: 近海地區(qū)為黃河早期的沉積區(qū), 從墾利縣黃河北至套爾河口; 線路C: 為黃河故道, 即刁口流路, 從黃河南岸廣饒縣至北岸濕地自然保護(hù)區(qū); 線路A和C包括了現(xiàn)今黃河口兩大片濕地。各采樣點(diǎn)具體信息如表1所示。

三條線路的土地利用類型均由農(nóng)田向濕地、潮灘過(guò)渡, 線路A和C分別受到黃河新道和故道影響, 線路B則避開(kāi)黃河取點(diǎn)。研究區(qū)域由陸向海逐漸過(guò)渡, 景觀植被為玉米/小麥輪作、蔬菜間作—玉米/小麥輪作—棉花—蘆葦—堿蓬/檉柳—荒灘的過(guò)渡分布, 地勢(shì)平緩, 海拔均在10 m以內(nèi), 地貌大致為緩崗—微斜平地—河灘高地—灘涂的過(guò)渡分布[8]。

在每個(gè)采樣點(diǎn)按照土壤發(fā)生層采集土壤剖面樣品, 實(shí)地記錄樣點(diǎn)的基本情況、地貌類型、景觀特征等, 并用全球定位系統(tǒng)(GPS)精確定位, 記錄點(diǎn)位經(jīng)緯度。樣品取回后風(fēng)干, 分別研磨過(guò)10目和100目孔篩, 用于土壤基本理化性質(zhì)的測(cè)定, 分析方法參考文獻(xiàn)[9]。其中土壤鹽分按水土比5∶1制備浸提液, 采用重量法和電導(dǎo)法測(cè)定全鹽含量; 土壤pH按水土比2.5∶1測(cè)定; 土壤顆粒組成分析為去除土壤有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽后在激光粒度儀(Marlvern Mastersizer 2000F)上測(cè)定, 按照國(guó)際制土壤粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn), 土壤粒徑< 0.002 mm劃為黏粒; 土壤總氮用元素分析儀(Vario MAX CNS)測(cè)定; 土壤有機(jī)碳含量采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定。

圖1 研究區(qū)土壤采樣點(diǎn)布置圖

表1 采樣點(diǎn)位置描述

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)野外調(diào)查GPS數(shù)據(jù), 采用ArcGis 10.0繪制采樣圖(圖1)。采用SPSS 20. 0和Origin 8. 0 軟件分析、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 表層土壤有機(jī)碳和總氮的梯度分布特征

黃河三角洲各線路土壤表層有機(jī)碳和總氮含量如圖2所示。從圖中可以得出, 區(qū)域內(nèi)碳、氮變化趨勢(shì)十分接近, 表明黃河三角洲土壤氮與碳存在很好的相關(guān)性。三條采樣線路前半段和后半段具有不同的土壤碳、氮分布規(guī)律, 總體上黃河干流和三角洲南部區(qū)域(圖2a)呈向海方向遞減的規(guī)律, 而黃河入海流路和三角洲北部區(qū)域(圖2b)則呈遞增的梯度分布。目前, 對(duì)于黃河三角洲由陸向海方向主要以研究土壤鹽分為主[7], 而對(duì)土壤碳、氮分布的研究多集中于某一局部區(qū)域[3, 10]。經(jīng)過(guò)筆者對(duì)黃河三角洲采樣區(qū)域的研究發(fā)現(xiàn), 表層土壤碳、氮的分布受到陸海距離、自然過(guò)程和人為熟化因素的顯著影響, 在內(nèi)陸和靠海灣區(qū)域具有不同的梯度分布。由此, 將研究區(qū)域按照陸海距離, 分為內(nèi)陸和靠海灣兩部分進(jìn)行討論。

黃河三角洲土壤有機(jī)碳和總氮含量在這兩個(gè)區(qū)間之間略有差異。其中后半段的有機(jī)碳平均含量略高于前半段, 分別為7.74 g/kg 和7.40 g/kg; 而總氮的平均含量則相反, 后半段略低于前半段, 分別為1.11 g/kg 和1.27 g/kg。這可能反映了在該區(qū)域, 由于長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)施肥增加了土壤氮的積累, 但耕作過(guò)程會(huì)破壞土壤中富含有機(jī)碳的大團(tuán)聚體, 并提高土壤通氣性, 加快有機(jī)質(zhì)的降解和礦化[11]。Gregorich.[12]35年的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明, 與附近森林相比,種植玉米的農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)損失達(dá)到30%~40%[13]。另外, 由于化石燃料燃燒、含氮肥料的大量生產(chǎn)和使用、土地利用方式的改變等人類活動(dòng)增強(qiáng), 使得含氮化合物排放和沉降激增。山東省冬小麥/夏玉米輪作種植區(qū)年平均施氮量為500 kg/ha, 大氣氮沉降約是施氮量的4%~16%[14], 區(qū)域內(nèi)氮素的損失和積累使得氮素循環(huán)仍處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

土壤碳、氮在兩個(gè)區(qū)間內(nèi)的分布則呈現(xiàn)大致相反的梯度分布規(guī)律。采樣區(qū)域前半段, 由于潛水埋深10 m以下[8], 土壤鹽漬化水平低, 土地以農(nóng)用為主, 線路A和線路B農(nóng)田耕種作物主要是棉花和玉米; 線路C則為玉米伴有蔬菜間作, 表現(xiàn)出較高的總氮含量。三條線路向海推進(jìn), 地下水埋深變淺, 土壤鹽漬化加重, 植被逐漸從小麥和蔬菜過(guò)渡到棉花為主, 并有蘆葦伴生, 農(nóng)耕強(qiáng)度降低, 農(nóng)業(yè)輸入的碳、氮量減少, 導(dǎo)致土壤碳、氮含量呈梯度下降。其中Y12采樣點(diǎn)出現(xiàn)較低的有機(jī)碳含量, 是由于該點(diǎn)位于廣饒縣南部地區(qū), 農(nóng)作物出現(xiàn)玉米-小麥輪作和蔬菜種植, 施肥量要高于黃河三角洲北部地區(qū), 大量氮肥進(jìn)入土壤促進(jìn)微生物活動(dòng), 使土壤有機(jī)碳的分解釋放速率加快。劉興華等[10]對(duì)新戶鎮(zhèn)土壤碳、氮的研究指出, 農(nóng)耕區(qū)表層土壤碳、氮含量高于農(nóng)田過(guò)渡區(qū)和未利用地區(qū)。然而內(nèi)陸農(nóng)耕區(qū)和濱海濕地、灘涂區(qū)域相對(duì)比的土壤碳、氮分布差異仍鮮有報(bào)道。

圖2 研究區(qū)域土壤表層有機(jī)碳和總氮含量分布

(a) 采樣線路前半段(靠?jī)?nèi)陸): 黃河干流及三角洲南部地區(qū); (b) 采樣線路后半段(靠海灣): 黃河分支流路及三角洲北部地區(qū)。

(a)The front part of the sampling lines (landward): the mainstream of the Yellow River and the southern region of the detla; (b) the latter part of the sampling lines (seaward): the course of the Yellow River and the northern region of the delta.

采樣區(qū)域后半段, 隨著離海越近, 受海水倒灌影響, 出現(xiàn)洼地、濕地和灘涂, 景觀植物由棉花向堿蓬過(guò)渡, 農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響減弱、海水侵蝕、泥沙沖積等自然過(guò)程影響加強(qiáng)。從圖2b中可以看出線路A和線路C具有十分相似的碳、氮分布規(guī)律; 而線路B的總氮含量基本不變, 有機(jī)碳含量有升高趨勢(shì)。由于線路A和線路C的后半段受到黃河現(xiàn)代沉積影響顯著, 因此土壤中的碳、氮分布規(guī)律可能受到黃河泥沙沉積的影響。黃河泥沙主要來(lái)源于青海東部的黃土地區(qū), 淤積物的肥力較高[15], 懸浮泥沙中有機(jī)質(zhì)的含量多在0.43%~0.92%之間, 平均值為0.79%, 其中約有50%的有機(jī)質(zhì)富集于< 0.005 mm的細(xì)顆粒物中, 并且黃河泥沙中< 0.01 mm的顆粒物是黃土中的2倍[16], 由于細(xì)顆粒物質(zhì)的運(yùn)輸距離較遠(yuǎn), 可在近海處發(fā)生沉積。如, 在河口區(qū)由陸向海土壤黏粒含量升高[17]。因此, 土壤碳、氮等營(yíng)養(yǎng)元素可能隨細(xì)顆粒泥沙的沉積而富集在近海土壤中。同時(shí), 由于線路A和線路C末端位于潮灘、濕地地區(qū), 其常年積水的水位條件形成的厭氧環(huán)境和較低的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)換速率使碳、氮在此匯集[18]。于君寶等[3]對(duì)濱海濕地土壤養(yǎng)分的研究發(fā)現(xiàn), 表層土壤碳有向?yàn)┩糠较蛟龈叩内厔?shì), 推測(cè)可能受到海洋的外源輸入影響。線路B末端(Y11)和線路A農(nóng)田和濕地過(guò)渡區(qū)(Y6)較低的氮素水平是由于其土地利用方式為旱地荒地且線路B存在鹽田, 土壤通透性相對(duì)較好使氮的礦化能力增強(qiáng)[19]; 同時(shí)Y6點(diǎn)位也表現(xiàn)出較低的有機(jī)碳含量, 是由于此處植被以蘆葦為主, 蘆葦根系發(fā)達(dá), 地下部分腐解導(dǎo)致土壤表層碳、氮的歸還能力降低。

研究區(qū)間內(nèi)土壤碳、氮的分布規(guī)律也可從其與土壤鹽分關(guān)系間接推出(圖3)。前半段黃河三角洲南部偏向內(nèi)陸區(qū)域, 含鹽量與有機(jī)碳、總氮呈現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)性, 而在后半段分支流路和靠海區(qū)域則呈極顯著(< 0.01)正相關(guān)關(guān)系。

圖3 黃河三角洲表層土壤鹽分含量和營(yíng)養(yǎng)元素的關(guān)系

(a) 采樣線路前半段(靠?jī)?nèi)陸): 黃河干流及三角洲南部地區(qū); (b) 采樣線路后半段(靠海灣): 黃河分支流路及三角洲北部地區(qū)。

(a) The front part of the sampling lines (landward): the mainstream of the Yellow River and the southern region of the delta; (b) the latter part of the sampling lines (seaward): the course of the Yellow River and the northern region of the delta.

2.2 表層土壤碳氮比

土壤碳氮比是反映土壤氮素礦化能力和土壤有機(jī)質(zhì)分解的重要指標(biāo)。碳氮比在25以下則有利于微生物分解有機(jī)質(zhì), 在釋放養(yǎng)分的過(guò)程中增加土壤中的有效氮含量[20]。如表2所示, 黃河三角洲地區(qū)表層碳氮比值較低, 說(shuō)明區(qū)域內(nèi)氮的積累速率要快于有機(jī)碳積累。我國(guó)東北松嫩平原玉米地土壤以及浙北太湖平原水稻土的碳氮比分別在11.6~12.6和3.6~13.5之間[21–22], 與這兩個(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)土壤碳氮比相比較, 黃河三角洲土壤在有機(jī)碳的積累上要明顯低于東北地區(qū), 但與浙北水稻土相當(dāng)。黃河三角洲地區(qū)蒸發(fā)量是降雨量的3倍多, 因此, 土壤氮素淋溶損失相對(duì)較小。同時(shí), 該地區(qū)土壤質(zhì)地疏松, 土壤通氣性好, 有利于有機(jī)碳的分解。因此, 該地區(qū)的土壤環(huán)境條件總體上有利于氮素的積累但不利于土壤有機(jī)碳的積累[23]。

從空間上來(lái)看, 兩個(gè)離海不同距離的采樣區(qū)間在土壤碳氮比上也有顯著差異, 靠近內(nèi)陸段的土壤碳氮比在3.6~7.1之間, 而靠近海灣段的土壤碳氮比在5.2~8.6之間(表2)。這主要是隨著農(nóng)業(yè)活動(dòng)的減弱, 以及土壤pH和鹽分含量升高, 土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率降低, 有助于土壤有機(jī)碳的積累。

2.3 典型土壤剖面中有機(jī)碳和總氮的分布

黃河三角洲地區(qū)土壤剖面碳、氮的研究工作較少, 又多集中在濕地地區(qū), 且剖面深度在50~80 cm左右[3, 10, 24], 有關(guān)剖面特征層的描述及其對(duì)碳、氮積累的影響尚缺乏分析支撐。根據(jù)此次野外實(shí)際調(diào)查情況, 研究區(qū)域存在兩種特殊發(fā)生層: 在黃河三角洲現(xiàn)代沉積區(qū)普遍分布著約10~30 cm厚度的紅色夾黏層(Y4和Y10), 分布位置大體上在60 cm以下, 個(gè)別剖面分布位置較高, 在40 cm左右; 而在濱海灘涂地區(qū)表層土壤存在約5 cm厚的黑色泥炭層(Y7和Y12)。Y3和Y9采樣點(diǎn)代表了其他一般的濱海鹽化潮土剖面, Y12和Y13采樣點(diǎn)代表了三角洲南部非現(xiàn)代沉積區(qū)耕作土壤的典型剖面。

表2 黃河三角洲表層土壤碳氮比

從圖4可以看出, 具有紅色夾黏層的土壤剖面對(duì)黃河三角洲土壤剖面中下部碳、氮含量影響較大, 該特征層中碳、氮含量已接近表層土壤碳、氮含量。研究區(qū)域土壤剖面碳、氮含量與土壤黏粒(< 0.002 mm)成極顯著正相關(guān)關(guān)系(= 0.6934,< 0.01), 說(shuō)明剖面碳、氮的富集受到黏粒含量的顯著影響。另一方面, 夾黏層中游離鐵氧化物以及蒙脫石、水云母、高嶺石和綠泥石等黏土礦物含量相對(duì)較高, 容易與土壤有機(jī)碳形成團(tuán)聚體, 對(duì)有機(jī)碳形成物理保護(hù)[22,25]。具有黑色泥炭層的土壤剖面碳、氮主要富集在表層,這種剖面分布在地勢(shì)低洼地區(qū), 如河口沼澤、濱海灘涂等。由于灘涂地區(qū)的堿蓬、蘆葦?shù)纫子诜e累氮素[26], 其腐解后在長(zhǎng)期漬水條件下形成泥炭層, 使得大量碳、氮在灘涂或濕地土壤中封存。此外, 由于灘涂處于潮間帶, 海水中夾帶的原油、生物質(zhì)等可能也會(huì)對(duì)灘涂土壤中泥炭層的形成具有促進(jìn)作用[3,27]。Y12和Y13采樣點(diǎn)位于廣饒縣南部, 根據(jù)東營(yíng)市第二次土壤普查資料[8], 該地區(qū)土壤以褐土為主, 土壤發(fā)育良好, 有機(jī)碳和氮素主要在耕作層聚集, 表層以下土壤碳、氮變化不明顯。表層土壤碳、氮的積累主要是由于長(zhǎng)期耕作熟化形成的。Y3和Y9是黃河三角洲分布較廣的鹽化潮土剖面, 盡管經(jīng)過(guò)一定時(shí)期的耕作熟化, 但土壤碳、氮在整個(gè)剖面未見(jiàn)有明顯的差異, 剖面整體養(yǎng)分含量不高。這可能是由于砂質(zhì)土壤剖面整體通透性好, 剖面碳、氮容易礦化損失; 并且表層土壤植株密度低, 植物無(wú)法吸收利用的過(guò)量氮素也很容易受地表徑流和地下潛流的作用而流失。

圖4 黃河三角洲土壤剖面中總氮和有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)

3 結(jié)論及建議

(1) 黃河三角洲地區(qū)內(nèi)陸和近海灣區(qū)域土壤表層有機(jī)碳和總氮在空間上具有不同的梯度分布規(guī)律, 內(nèi)陸區(qū)域有機(jī)碳和總氮含量向三角洲外圍遞減, 而近海灣區(qū)域則為遞增的規(guī)律。清水溝流路和刁口流路具有相似的碳、氮分布特征, 但有別于非黃河流路行水地區(qū)?？拷鼉?nèi)陸地區(qū)的土壤碳、氮積累主要受到耕作熟化過(guò)程的影響, 而在近海灣地區(qū)可能主要受到黃河細(xì)顆粒泥沙的沉積以及長(zhǎng)期漬水厭氧環(huán)境的影響。因此, 耕種熟化及濕地生態(tài)系統(tǒng)封存是該地區(qū)土壤碳、氮增匯的主要途徑。三角洲地區(qū)土壤碳氮比值總體較低, 靠近海灣地區(qū)略高于內(nèi)陸地區(qū), 區(qū)域內(nèi)土壤環(huán)境條件總體上更傾向于氮素積累。

(2) 黃河三角洲土壤剖面碳、氮的分布明顯受到土壤特征發(fā)生層的影響?，F(xiàn)代沉積區(qū)土壤剖面中廣泛分布的紅色夾黏層對(duì)土壤碳、氮在剖面中的富集作用顯著, 近似于耕作層對(duì)土壤碳、氮的富集。河口灘涂地區(qū)泥炭層的發(fā)育對(duì)土壤有機(jī)碳和氮素的封存具有顯著作用。因此, 黃河三角洲土壤剖面中紅土層的沉積可能是該區(qū)域土壤碳、氮封存的另一個(gè)關(guān)鍵因素。

(3) 黃河三角洲地區(qū)土壤碳、氮的分布明顯受到現(xiàn)代沉積過(guò)程和土壤特性的影響, 因此進(jìn)一步結(jié)合黃河三角洲現(xiàn)代沉積歷史和土壤剖面特征發(fā)生層(紅土層、泥炭層等)深入開(kāi)展典型海岸帶地區(qū)陸地碳、氮的時(shí)空演變規(guī)律及轉(zhuǎn)化過(guò)程, 為評(píng)估海岸帶地區(qū)陸地碳、氮收支提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

[1] Cui B S, Zhang Q J, Zhang K J, Liu X H, Zhang H G. Analyzing trophic transfer of heavy metals for food webs in the newly-formed wetlands of the Yellow River Delta, China [J]. Environ Pollut, 2011, 159(5): 1297–1306.

[2] 王紅, 宮鵬, 劉高煥. 黃河三角洲土地利用/土地覆蓋變化研究現(xiàn)狀與展望[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2004, 19(1): 110–118. Wang Hong, Gong Peng, Liu Gao-huan. The review and prospect on land use and land cover change research in Yellow River Delta [J]. J Nat Resour, 2004, 19(1): 110–118 (in Chinese with English abstract).

[3] 于君寶, 陳小兵, 孫志高, 謝文軍, 毛培利, 吳春發(fā), 董洪芳, 牟曉杰, 栗云召, 管博, 單凱. 黃河三角洲新生濱海濕地土壤營(yíng)養(yǎng)元素空間分布特征[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 30(4): 855–861. Yu Jun-bao, Chen Xiao-bing, Sun Zhi-gao, Xie Wen-jun, Mao Pei-li, Wu Chun-fa, Dong Hong-fang, Mu Xiao-jie, Li Yun-zhao, Guan Bo, Shan Kai. The spatial distribution characteristics of soil nutrients in new-born coastal wetland in the Yellow River delta [J]. Acta Sci Circums, 2010, 30(4): 855–861 (in Chinese with English abstract).

[4] 王傳遠(yuǎn), 楊翠云, 孫志高, 楊玉瑋, 瞿成利, 王允周. 黃河三角洲生態(tài)區(qū)土壤石油污染及其與理化性質(zhì)的關(guān)系[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2010, 24(2): 214–217.Wang Chuan-yuan, Yang Cui-yun, Sun Zhi-gao, Yang Yu-wei, Qu Cheng-li, Wang Yun-zhou. Contamination characteristics and its relationship with physico-chemical properties of oil polluted soils in the Yellow River Delta swamp [J]. J Soil Water Conserv, 2010, 24(2): 214–217 (in Chinese with English abstract).

[5] 李慶梅, 侯龍魚(yú), 劉艷, 馬風(fēng)云. 黃河三角洲鹽堿地不同利用方式土壤理化性質(zhì)[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2009, 17(6): 1132–1136. Li Qing-mei, Hou Long-yu, Liu Yan, Ma Feng-yun. Properties of saline-alkaline soil under different land use types in Yellow River Delta [J]. Chinese J Eco-Agric, 2009, 17(6): 1132–1136 (in Chinese with English abstract).

[6] 呂圣橋, 高鵬, 耿廣坡, 張杰, 夏江寶. 黃河三角洲灘地土壤顆粒分形特征及其與土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2011, 25(6): 134–138. Lü Sheng-qiao, Gao Peng, Geng Guang-po, Zhang Jie, Xia Jiang-bao. Characteristics of soil particles and their correlation with soil organic matter in lowlands of the Yellow River Delta [J]. J Soil Water Conserv, 2011, 25(6): 134–138 (in Chinese with English abstract).

[7] 翁永玲, 宮鵬. 黃河三角洲鹽漬土鹽分特征研究[J]. 南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)), 2006, 42(6): 602–610. Weng Yong-ling, Gong Peng. Soil salinity measurements on the Yellow River Delta [J]. J Nanjing Univ (Nat Sci), 2006, 42(6): 602–610 (in Chinese with English abstract).

[8] 王金榮. 東營(yíng)市土壤[M]. 東營(yíng): 東營(yíng)市土壤肥料工作站, 1987: 19–104. Wang Jin-rong. Soils in Dongying [M]. Dongying: Dongying Workstation of Soil and Fertilizer, 1987: 19–104.

[9] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000: 1–813. Lu Ru-kun. The Conventional Methods of Agricultural Chemical Analysis [M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000: 1–813 (in Chinese).

[10] 劉興華, 陳為峰, 段存國(guó), 王凱, 王海翠. 黃河三角洲未利用地開(kāi)發(fā)對(duì)植物與土壤碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量特征的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2013, 27(2): 204–208.Liu Xing-hua, Chen Wei-feng, Duan Cun-guo, Wang Kai, Wang Hai-cui. Effect of exploitation of unutilized land on ecological stoichiometry characteristics of plants and soil carbon, nitrogen and phosphorus in the Yellow River Delta [J]. J Soil Water Conserv, 2013, 27(2): 204–208 (in Chinese with English abstract).

[11] Balesdent J, Chenu C, Balabane M. Relationship of soil organic matter dynamics to physical protection and tillage [J]. Soil Tillage Res, 2000, 53(3/4): 215–230.

[12] Gregorich E G, Drury C F, Baldock J A. Changes in soil carbon under long-term maize in monoculture and legume-based rotation [J]. Can J Soil Sci, 2001, 81(1): 21–31.

[13] 楊景成, 韓興國(guó), 黃建輝, 潘慶民. 土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)農(nóng)田管理措施的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 23(4): 787–796. Yang Jing-cheng, Han Xing-guo, Huang Jian-hui, Pan Qing-min. The dynamics of soil organic matter in cropland responding to agricultural practices [J]. Acta Ecol Sinica, 2003, 23(4): 787–796 (in Chinese with English abstract).

[14] Liu X J, Zhang Y, Han W X, Tang A, Shen J L, Cui Z L, Vitousek P, Erisman J W, Goulding K, Christie P, Fangmeier A, Zhang F S. Enhanced nitrogen deposition over China [J]. Nature, 2013, 494(7438): 459–462.

[15] 龔子同, 張甘霖, 王吉智, 張累德, 袁大剛, 阮心玲. 中國(guó)的灌淤人為土[J]. 干旱區(qū)研究, 2005, 22(1): 4–10. Gong Zi-tong, Zhang Gan-lin, Wang Ji-zhi, Zhang Lei-de, Yuan Da-gang, Ruan Xin-ling. Formation and taxonomy of irrigation-silted soils in China [J]. Arid Zone Res, 2005, 22(1): 4–10 (in Chinese with English abstract).

[16] 陳靜生, 張宇, 于濤, 何大偉. 對(duì)黃河泥沙有機(jī)質(zhì)的溶解特性和降解特性的研究——再論黃河水的COD值不能真實(shí)反映其污染狀況[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 24(1): 1–5. Chen Jing-sheng, Zhang Yu, Yu Tao, He Da-wei. A study on dissolution and bio-degradation of organic matter in sediments from the Yellow River [J]. Acta Sci Circumst, 2004, 24(1): 1–5 (in Chinese with English abstract).

[17] 馮秀麗, 沈渭銓, 楊榮民, 楊中卿. 現(xiàn)代黃河口區(qū)沉積環(huán)境與沉積物工程性質(zhì)的關(guān)系[J]. 青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 1994, 24(S3): 21–28. Feng Xiu-li, Shen Wei-quan, Yang Rong-min, Yang Zhong- qing. Relation between the geotechnical character of sediment and the sedimentary environment of the modern Huanghe estury area [J]. J Ocean Univ Qingdao, 1994, 24(S3): 21–28 (in Chinese with English abstract).

董洪芳, 于君寶, 孫志高, 牟曉杰, 陳小兵, 毛培利, 吳春發(fā), 管博. 黃河口濱岸潮灘濕地植物-土壤系統(tǒng)有機(jī)碳空間分布特征[J]. 環(huán)境科學(xué), 2010, 31(6): 1594–1599.Dong Hong-fang, Yu Jun-bao, Sun Zhi-gao, Mu Xiao-jie, Chen

Xiao-bing, Mao Pei-li, Wu Chun-fa, Guan Bo. Spatial distrib-ution characteristics of organic carbon in the soil-plant systems in the Yellow River estuary tidal flat wetland [J]. Environ Sci, 2010, 31(6): 1594–1599 (in Chinese with English abstract).

[18] Pathak H, Rao D L N. Carbon and nitrogen mineralization form added organic matter in saline and alkali soils [J]. Soil Biol Biochem, 1998, 30(6): 695–702.

[19] Paul E A, Clark F E. Dynamics of residue decomposition and soil organic matter turnover. In: Soil Microbiology and Biochemistry [M]. San Diego: Academic Press, 1989: 115–130.

[2] 張春華, 王宗明, 居為民, 任春穎. 松嫩平原玉米帶土壤碳氮比的時(shí)空變異特征[J]. 環(huán)境科學(xué), 2011, 32(5): 1407–1414. Zhang Chun-hua, Wang Zong-ming, Ju Wei-min, Ren Chun-ying. Spatial and temporal variability of soil C/N ratio in Songnen Plain maize belt [J]. Environ Sci, 2011, 32(5): 1407–1414 (in Chinese with English abstract).

[21] 王加恩, 鄭潔, 康占軍, 胡艷華, 潘衛(wèi)豐, 沈曉春, 來(lái)紅. 浙北典型稻作區(qū)近30年表層土壤碳氮含量變化[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2010, 19(5): 1191–1196. Wang Jia-en, Zheng Jie, Kang Zhan-jun, Hu Yan-hua, Pan Wei-feng, Shen Xiao-chun, Lai Hong. The content change of carbon and nitrogen in surface soil of typical rice area in Northern Zhejiang [J]. Ecol Environ Sci, 2010, 19(5): 1191–1196 (in Chinese with English abstract).

[22] 周建斌, 陳竹君, 李生秀. 土壤微生物量氮含量、礦化特性及其供氮作用[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2001, 21(10): 1718–1725. Zhou Jian-bin, Chen Zhu-jun, Li Sheng-xiu. Contents of soil microbial biomass nitrogen and its mineralized characteristics and relationships with nitrogen supplying ability of soils [J]. Acta Ecol Sinica, 2001, 21(10): 1718–1725 (in Chinese with English abstract).

[23] 王玲玲, 孫志高, 牟曉杰, 孫萬(wàn)龍. 黃河口濱岸潮灘不同類型濕地土壤氮素分布特征[J]. 土壤通報(bào), 2011, 42(6): 1339–1445.Wang Ling-ling, Sun Zhi-gao, Mu Xiao-jie, Sun Wan-long. Spatial distribution of nitrogen in different wetlands’ soils in intertidal flat of Yellow River estuary [J]. Chinese J Soil Sci, 2011, 42(6): 1339–1445 (in Chinese with English abstract).

[24] Amézketa E. Soil aggregate stability: A review [J]. J Sustain Agric, 1999, 14(2/3): 83–151.

[25] 白軍紅, 鄧偉, 朱顏明, 欒兆擎, 張玉霞. 霍林河流域濕地土壤碳氮空間分布特征及生態(tài)效應(yīng)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 14(9): 1494–1498. Bai Jun-hong, Deng Wei, Zhu Yan-ming, Luan Zhao-qing, Zhang Yu-xia. Spatial distribution characteristics and ecolo-gical effects of carbon and nitrogen of soil in Huolin River catchment wetland [J]. Chinese J Appl Ecol, 2003, 14(9): 1494–1498 (in Chinese with English abstract).

[26] 李海明, 鄭西來(lái), 劉憲斌. 渤海灘涂沉積物中石油污染物的遷移-轉(zhuǎn)化規(guī)律研究[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 2005, 24(3): 9–12. Li Hai-ming, Zheng Xi-lai, Liu Xian-bin. Regulation of movement and transformation of oil in sediment on tidal flat of Bohai Bay [J]. Mar Environ Sci, 2005, 24(3): 9–12 (in Chinese with English abstract).

Gradient distributions of nitrogen and organic carbon in the soils from inland to tidal flat in the Yellow River Delta

LI Yuan1,2, ZHANG Hai-bo1, CHEN Xiao-bing1, TU Chen1and LUO Yong-ming1*

1. Key Laboratory for Coastal Environment Processes and Ecological Remediation, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

The Yellow River Delta (YRD) is a typical fluvial plain that formed by the Yellow River alluvial sediments. The soils of the area are heavily influenced by natural processes (e.g., alluviation and deposition of the Yellow River) and human activities (e.g., long-term cultivation). The objective of this study was to reveal the spatial distribution characteristics of soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) in the YRD region based on the pedogenetic horizon samples from the typical soil sections of inland to tidal flat. The study could be helpful to understand the transport and cycling of terrestrial organic carbon and nitrogen in estuarine-coastal zone. The results showed that distinct distribution patterns of soil carbon and nitrogen were observed in the inland and estuary areas. The concentrations of TN and SOC in surface soils gradually decreased seaward along the Yellow River and in the southern part of the delta, while an increasing trend could be found along the Qingshuigou and Diaokou course. A negative correlation of SOC and TN with salt content was found in the soils of the inland areas, implying the influence of cultivation on the accumulation of SOC and TN. However, an inverse relationship was found in the estuary, which implied that fine particle sediment and reduction condition might make an impact on the accumulation of SOC and TN in the soils of the tidal flat area. The ratio of carbon to nitrogen (C/N) in the soil was relatively lower than that in other farmlands. This meant that the soil environment was favorable to the accumulation of nitrogen and decomposition of soil organic matter. The depth distribution of SOC and TN indicated that the special pedogentic horizons, such as red clay layer in the depth of > 60 cm and peat layer in the topsoil of tidalflat,played an important role in the enrichment of SOC and TN in the Yellow River Delta. Therefore, spatial distribution pattern and special pedogentic horizons of the soils in YRD formed by cultivation and sediment deposition were important factors that affect their seal, release and sink during the SOC and TN cycle process.

soil; total nitrogen; organic carbon; Yellow River Delta; spatial distribution

P595

A

0379-1726(2014)04-0338-08

2013-12-14;

2014-03-10;

2014-03-26

中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-14); 國(guó)家自然科學(xué)基金(41371313, 41230858)

李遠(yuǎn)(1987–), 男, 博士研究生, 主要研究方向?yàn)榄h(huán)境地球化學(xué)。E-mail: yli@yic.ac.cn

LUO Yong-ming, E-mail: ymluo@yic.ac.cn, Tel: +86-535-2109007