青海湖小泊湖濕地不同群落土壤有機碳、氮研究

馮曉航， 陳克龍,2*， 毛亞輝

(1.青海師范大學(xué)生命與地理科學(xué)學(xué)院，青海西寧 810008；2.青藏高原資源與環(huán)境教育部重點實驗室，青海師范大學(xué)，青海西寧 810008)

青海湖小泊湖濕地不同群落土壤有機碳、氮研究

馮曉航1， 陳克龍1,2*， 毛亞輝1

(1.青海師范大學(xué)生命與地理科學(xué)學(xué)院，青海西寧 810008；2.青藏高原資源與環(huán)境教育部重點實驗室，青海師范大學(xué)，青海西寧 810008)

[目的]研究小泊湖濕地不同群落下土壤SOC、N的剖面分布規(guī)律。[方法]選取高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)下的青海湖小泊湖濕地作為研究對象，對不同群落類型土壤SOC、N的含量及在土壤剖面中的垂直分布特征及差異性進行分析。[結(jié)果]研究區(qū)不同群落類型下土壤SOC及N含量差異顯著；SOC和N含量在剖面分布上表現(xiàn)為表層大于底層；SOC在剖面的變異系數(shù)大于土壤N的變異系數(shù)。[結(jié)論]研究區(qū)土壤有機質(zhì)的腐殖化程度越高，有機碳含量越大，有機氮越容易礦化，土壤碳氮比相對較低。

青海湖；濕地；群落類型；土壤有機碳；土壤氮

濕地作為地球上獨特生態(tài)系統(tǒng)，是自然界最具生物多樣性的生態(tài)景觀和人類最重要的生態(tài)環(huán)境之一，被譽為“自然之腎”。濕地土壤作為氮和碳的重要的源、匯或轉(zhuǎn)化器，在全球碳、氮循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。有機碳(SOC)和氮素既是濕地土壤組成的重要部分，又是濕地生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的生態(tài)因子,其含量顯著影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[1]。濕地土壤有機碳(SOC)的含量及分布直接影響濕地土壤系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性[2]，而氮素則是引發(fā)江河湖泊等永久性濕地(permanently flooded wetland)[1]發(fā)生富營養(yǎng)化的重要因子之一。

土壤有機碳氮含量與變異作為碳氮地球化學(xué)循環(huán)研究的重要內(nèi)容受到國內(nèi)外學(xué)者的大量研究，如張金屯對全球氣候影響下碳氮的研究[3]。就濕地生態(tài)系統(tǒng)而言也有大量的研究，如白軍紅對向海濕地土壤的碳氮[4]和湖北梁子湖濕地土壤養(yǎng)分[5]的研究。但就目前而言對高寒濕地土壤碳氮的研究還較少。青海湖作為青藏高原的重要組成部分，位于青南高原高寒區(qū)、西北干旱區(qū)和東部季風(fēng)區(qū)三大自然區(qū)的交匯處[6]，它不僅具有復(fù)雜多樣的景觀類型，更是維系青藏高原東北部生態(tài)安全的重要水體，是控制西部荒漠化向東蔓延的天然屏障[7-8]。該生態(tài)系統(tǒng)的高寒氣候?qū)τ袡C碳氮的蓄積特征相對于農(nóng)田、草地、森林等生態(tài)系統(tǒng)較特殊[9]，群落類型對土壤有機碳、氮的分布影響較顯著[4]。筆者選取青海湖小泊湖濕地為研究對象，對青海湖高寒濕地不同群落類型下土壤有機碳、氮的空間分布規(guī)律進行研究，可為濕地結(jié)構(gòu)與功能、濕地的保護管理及其可持續(xù)利用等方面的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 研究區(qū)位于青海湖東岸的小泊湖濕地(36°41′73″～36°42′25″N、100°46′85″～100°47′21″E)，海拔3 216～3 221 m，面積約為14.8 km2，是青海湖水位下降后遺留下來的沼澤草甸濕地。該區(qū)氣候?qū)儆诟咴箨懶詺夂?，年均溫度?0.8～1.1，年降水量在324.50～412.80 mm。土壤為成水性隱域性土壤，以高寒沼澤土和高寒草甸土為主。青海湖濕地列于中國173處重要濕地目錄的141位，小泊湖傍依青海湖，背靠祁連山，是青海湖濕地生態(tài)景觀的一個縮影，現(xiàn)已列入國際濕地資源區(qū)和青海湖國家名勝風(fēng)景區(qū)之一。

1.2 樣品采集 根據(jù)典型性和代表性原則,選取小泊湖濕地5種群落類型，根據(jù)距離水源的距離，苔草群落、華扁穗群落落在距水源較近的高寒沼澤土內(nèi)，馬藺群落、馬藺與芨芨草混合群落和芨芨草群落落在距水源區(qū)相對較遠(yuǎn)的高寒草甸土內(nèi)。在5種群落類型土壤剖面0～120 cm，以20 cm為單位進行采集。每種群落下隨機布設(shè)3個采樣點，每個樣點重復(fù)采集進行等層次混合，構(gòu)成不同群落類型下的混合土樣。采集的樣品帶回風(fēng)干后研磨,過100目篩，裝袋備測。

1.3 養(yǎng)分測定

1.3.1 土壤有機質(zhì)測定。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀密度法測定[10]。稱取小于0.100 0 g的土樣(精確至0.000 1 g)，加入5.00 ml的0.800 0 ml/L重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液，再加入5.00 ml的硫酸，搖勻后加熱保持沸騰5 min至溶液呈黃綠色，冷卻后加入3～4滴鄰菲羅啉指示劑，用0.2 mol/L的硫酸亞鐵溶液滴定至溶液變紫為止。每批測定時做3個空白樣。

1.3.2 土壤氮測定。土壤N的測定使用元素分析儀。稱取土壤樣品4.95～5.05 mg，加入催化劑0.97～1.05 mg，用錫舟包裹完畢待測。每30個土壤樣品測定時加入3個標(biāo)準(zhǔn)樣，使用元素分析儀進行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同群落土壤SOC及其剖面分布 從研究區(qū)5種不同群落類型下土壤有機碳含量(表1)可以看出，華扁穗群落土壤有機碳含量為5.45～94.86 g/kg，均值為42.76 g/kg；芨芨草群落有機碳含量29.62～91.30 g/kg，均值45.94 g/kg；馬藺與芨芨草混合群落土壤有機碳含量4.56～61.89 g/kg，均值38.98 g/kg；馬藺群落土壤有機碳含量22.77～90.87 g/kg，均值52.10 g/kg；苔草群落土壤有機碳含量11.51～136.67 g/kg，均值75.75 g/kg。曹生奎等在青海湖高寒濕地土壤有機碳空間分布分析中得出，環(huán)青海湖區(qū)土壤有機碳含量為0.03%～4.93%，有機碳均值為0.87%～2.82%[11]，此研究的有機碳含量及均值均大于該結(jié)果。就群落類型而言，苔草群落下土壤有機碳含量最高，顯著高于其他四類群落土壤，但華扁穗群落、芨芨草群落、馬藺群落、馬藺與芨芨草混合群落土壤有機碳差異不顯著。各群落類型土壤有機碳在土壤剖面變異較大，變異系數(shù)在34.81%～65.46%，尤以華扁穗群落下土壤有機碳變異系數(shù)最高，達(dá)65.46%。

由圖1可知，各群落土壤的SOC含量垂直分布趨勢一致，由表層向下先增多后減少。這主要與土壤的漬水層相關(guān)，從采集土壤剖面可以看出，5種群落下土壤的漬水層基本位于20～40 cm處。另外，離水源較近的苔草群落、華扁穗群落的土壤SOC含量高于馬藺群落、馬藺+芨芨草群落和芨芨草群落，也與土壤水分含量有關(guān)。濕地土壤水分含量增加有助于土壤有機質(zhì)的積累[12]，所以漬水層和離水源近的苔草群落、華扁穗群落形成的還原環(huán)境不利于有機質(zhì)的徹底礦化分解,從而SOC含量相對較高。有機物質(zhì)的輸入量主要依賴于有機殘體歸還量的多少及有機殘體的腐殖化系數(shù)[13]，而輸出量則主要包括分解和侵蝕損失，受各種生物和非生物條件(氧化還原電位、土壤含水量等)的控制[14-15]。此外土壤中有機質(zhì)含量還與土壤質(zhì)地尤其是土壤粘土粒含量多少有關(guān)[3]。馬藺群落和芨芨草群落下的土壤粗顆粒比例大,土壤通氣性較強,土壤有機質(zhì)易于分解,這也是造成其土壤養(yǎng)分含量低的原因。

表1 青海湖小泊湖濕地不同植被群落下土壤有機碳含量

注：字母a、b、c表示差異顯著水平(ANOVA方差分析，Duncan檢驗，p=0.01水平)。

圖1 青海湖小泊湖濕地不同植被群落下土壤有機碳剖面分布

2.2 不同群落土壤N及其剖面分布 由研究區(qū)5種不同群落類型下土壤N含量(表2)可見，華扁穗群落土壤N含量為0.40～5.80 g/kg，均值為2.87 g/kg；芨芨草群落土壤N含量為0.40～2.20 g/kg，均值為0.99 g/kg；馬藺與芨芨草混合群落土壤N含量為0.30～3.00 g/kg，均值為1.03 g/kg；馬藺群落土壤N含量為1.00～2.50 g/kg，均值1.35 g/kg；苔草群落土壤N含量為0.90～8.60 g/kg，均值4.32 g/kg。就群落類型而言，苔草群落下土壤N含量最高，顯著高于其他四類群落土壤，但芨芨草群落、馬藺群落、馬藺與芨芨草混合群落土壤N含量差異不顯著，苔草和華扁穗群落土壤N含量差異顯著。各群落類型土壤N含量在土壤剖面變異不大，變異系數(shù)在4.31%～7.06%，其中以馬藺與芨芨草混合群落下土壤N含量變異系數(shù)最大，為7.06%。

表2 青海湖小泊湖濕地不同植被群落下土壤N含量

注：字母a、b、c表示差異顯著水平。

由圖2可見，除苔草群落外，土壤氮元素含量剖面分布基本上也是漬水層(0～40 cm)的表層大于深層；表層含氮量分布規(guī)律為苔草群落>華扁穗群落>馬藺群落>馬藺+芨芨草群落>芨芨草群落，反映出距離水源越遠(yuǎn)、表層土壤全氮含量越低的規(guī)律，這主要是由于濕地對氮素的持留作用所致。濕地對氮素的持留機制主要包括沉積作用和植物吸收作用。氮的沉積作用在湖沼中是非常重要的,其沉積主要是由于死亡的浮游生物及大型植物殘體沉積的結(jié)果[3]。

圖2 青海湖小泊湖濕地不同植被群落下土壤N剖面分布

2.3 不同群落土壤C/N值及其剖面分布 從研究區(qū)5種不同群落類型下土壤碳氮比(表3)可以看出，華扁穗群落土壤碳氮比為6.40～46.33，均值為18.69；芨芨草群落土壤碳氮比15.38～51.13，均值32.55；馬藺與芨芨草混合群落土壤碳氮比19.43～113.26，均值55.32；馬藺群落土壤碳氮比19.10～60.37，均值37.95；苔草群落土壤碳氮比14.13～28.73，均值19.53。就群落類型而言，馬藺與芨芨草混合群落下土壤碳氮比最高，顯著高于其他四類群落土壤，且華扁穗群落、芨芨草群落、馬藺群落、馬藺與芨芨草混合群落土壤碳氮比差異顯著。各群落類型土壤碳氮比在土壤剖面變異較大，變異系數(shù)在30.33%～51.93%，尤以馬藺與芨芨草混合群落下土壤碳氮比變異系數(shù)最高，達(dá)51.93%。

由圖3可知，土壤表層(0～40 cm)的C/N規(guī)律表現(xiàn)為靠近水源區(qū)的苔草群落、華扁穗群落小于距水源區(qū)遠(yuǎn)的馬藺群落、馬藺與芨芨草群落，這與該濕地群落的SOC分布規(guī)律相反，即水分狀況越好碳氮比越小。這與耿遠(yuǎn)波等對草原碳氮含量的研究[16]相悖，而與白軍紅等對濕地群落區(qū)氮含量的研究[4]相符，表明濕地土壤與草原土壤的碳氮比對水分條件的響應(yīng)存在著顯著的差異。土壤有機質(zhì)的腐殖化程度越高,有機氮越容易礦化，土壤碳氮比相對較低[15]。而在全氮中有機氮約占95%以上,所以有機氮含量的多少將直接影響著土壤全氮的含量及供氮能力。苔草群落的C/N小于芨芨草群落，說明苔草群落表層有機質(zhì)的腐殖化程度相對較高,植株對氮素吸收也相對較少,表層土壤碳的累積速度比氮要慢得多,而芨芨草群落有機質(zhì)腐殖化程度相對較低,植株對氮素的吸收也較多,表層土壤碳的累積速度比氮更快一些。

表3 小泊湖濕地不同植被群落下土壤C/N值

注：字母a、b、c表示差異顯著水平。

3 結(jié)論

(1)研究區(qū)不同群落類型下土壤SOC及N含量差異顯著，表現(xiàn)為苔草群落>華扁穗群落>馬藺群落>馬藺與芨芨草群落>芨芨草群落。SOC和N含量在各群落類型土壤剖面垂直變異較大，其值在漬水層最大。

圖3 青海湖小泊湖濕地不同植被群落下土壤C/N值剖面分布

(2)研究區(qū)各典型群落區(qū)土壤SOC含量垂直分布趨勢基本一致,即由表層向下先增多后減少。土壤N含量除苔草群落外，土壤氮元素含量剖面分布基本上也是漬水層(0～40 cm)的表層大于深層。

(3)研究區(qū)土壤SOC在剖面的變異系數(shù)大于土壤N含量的變異系數(shù)。

(4)研究區(qū)土壤有機質(zhì)的腐殖化程度越高,有機氮越容易礦化，土壤碳氮比相對較低。

[1] MITSCH W J，GOSSELINK J G.Wetlands[M].New York:Van Nostrand Reinhold Company Inc,1986：89-125

[2] 莫劍鋒,田昆,陸梅,等.納帕海退化濕地土壤有機質(zhì)空間變異研究[J].西南林學(xué)院學(xué)報,2004,24(3):25-28.

[3] 張金屯.全球氣候變化對自然土壤碳氮循環(huán)的影響[J].地理科學(xué)，1998,18(5):463-471.

[4] 白軍紅,鄧偉,張玉霞.內(nèi)蒙古烏蘭泡濕地環(huán)帶狀群落區(qū)土壤有機質(zhì)及全氮空間分異規(guī)律[J].湖泊科學(xué)，2002,14(2):145-151.

[5] 熊漢鋒,廖勤周,吳慶豐,等.湖北梁子湖濕地土壤養(yǎng)分的分布特征和相關(guān)性分析[J].湖泊科學(xué)，2005,17(1):93-96.

[6] 鄭度,姚檀棟.青藏高原形成演化及其環(huán)境資源效應(yīng)研究進展[J].中國基礎(chǔ)科學(xué)，2004,6(2):15-21.

[7] 孫鴻烈.青藏高原的形成演化[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社,1996.

[8] 陳克龍,李雙成,周巧富,等.近25年來青海湖流域景觀結(jié)構(gòu)動態(tài)變化及其對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響[J].資源科學(xué),2008,30(2)：274-280.

[9] 張文菊,吳金水，董成立，等.三江平原濕地沉積有機碳密度和碳儲量變異分析[J].自然資源學(xué)報,2005,20(4):537-544.

[10] 中國科學(xué)院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2003.

[11] 曹生奎,曹廣超,陳克龍.青海湖高寒濕地土壤有機碳空間分布分析[J].青海師范大學(xué)學(xué)報,2012(1)：12-20.

[12] AMADOR J A,GORRES J H,SAVIN MC.Role of soil water content in the carbon and nitrogen dynamics ofLumbricusterrestrisL.burrow soil[J].Applied Soil Ecology,2005,30(3):15-22.

[13] 林心雄,文啟孝.秸稈對土壤肥力的影響,中國土壤科學(xué)的現(xiàn)狀與展望[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1991.

[14] 李忠佩,程勵勵,林心雄.退化紅壤的有機質(zhì)狀況及施肥影響的研究[J].土壤,1994,26(2):70-76.

[15] XU X C,ZHANG J H,TONG G L,et al.Calculating by approximate method the amount of oragnic manure required toincrease soil fertility[M]//Current Progress in Soil Research in People’s Republic of China.Nanjing:Jiangsu Science and Technology Publishing House,1986:189-196.

[16] 耿遠(yuǎn)波,章申,董云社，等.草原土壤碳氮含量及其與溫室氣體通量的相關(guān)性[J].地理學(xué)報,2001,56(1):44-53.

Research on the Distribution of Organic Carbon and Nitrogen of Different Plant Communities Soils in Xiaobohu Wetlands of Qinghai Lake

FENG Xiao-hang,CHEN Ke-long et al

(College of Life and Geography,Qinghai Normal University,Xining,Qinghai 810008)

[Objective] The research aimed to study the cross-sectional distribution of soil organic carbon (SOC) and nitrogen in different plant communities soils in Xiaobohu wetlands.[Method] Selected the alpine ecosystem of Xiaobohu wetlands of Qinghai lake as the research object,the content of SOC and nitrogen of different plant communities soils,the vertical distribution characteristics and differences in soil profiles were analyzed.[Result] The content of SOC and nitrogen between different plant communities soils were significant,the content of SOC and nitrogen in surface soil were higher than that of underlying soil in the cross-sectional distribution.The variation coefficient of SOC in soil profile was greater than that of nitrogen.[Conclusion] The soil carbon and nitrogen ratio is relatively low indicated a higher humification degree of soil organic matter,the greater content of organic carbon,the easier mineralization of organic nitrogen in the study area.

Qinghai Lake;Wetland;community types;Soil organic carbon,soil organic nitrogen

馮曉航(1988- )，女，河北邢臺人，碩士研究生，研究方向：生物地理與環(huán)境保護。*通訊作者，教授，碩士生導(dǎo)師，從事生物地理與全球變化方面研究。

2014-05-04

S 181.3

A

0517-6611(2014)15-04736-04