寧夏平原不同類型濕地土壤碳氮磷含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

卜曉燕,米文寶,許浩,張學(xué)藝,米楠,宋永永(.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,銀川7002;2.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院,銀川7002;.寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,銀川7002;.寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所,銀川7002;.寧夏氣象局氣象科學(xué)研究所,銀川70002)

寧夏平原不同類型濕地土壤碳氮磷含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

卜曉燕1,2,米文寶3*,許浩4,張學(xué)藝5,米楠1,宋永永3
(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,銀川750021;2.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院,銀川750021;3.寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,銀川750021;4.寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所,銀川750021;5.寧夏氣象局氣象科學(xué)研究所,銀川750002)

摘要為了闡明寧夏平原不同類型濕地土壤養(yǎng)分的空間分布特征及其影響因素,采用“3S”技術(shù),即遙感技術(shù)(remote sensing,RS)、地理信息系統(tǒng)(geographical information system,GIS)、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)和典型樣地采樣及實(shí)驗(yàn)室測定相結(jié)合的方法,對寧夏平原河流、湖泊、沼澤3類不同類型典型濕地不同土層深度土壤有機(jī)碳(soil organic carbon,SOC)、全氮(total nitrogen,TN)和全磷(total phosphorus,TP)含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:1)SOC、TN含量在垂直剖面上呈“表聚性”分布;TP含量在垂直剖面上變化較小.9個典型濕地從南向北,土壤SOC、TN、TP含量整體呈先減少后增加的變化趨勢,即中部低,南北高;C/N比和C/P比空間變化趨勢一致,整體上均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,即中部高南北低;N/P整體上呈先減少后增加的趨勢,即中部低南北高.2)從濕地類型來看,土壤TN、TP含量和N/P比湖泊濕地最高,SOC含量、C/N比和C/P比沼澤濕地最高,河流濕地SOC、TN、TP含量與C/P比和N/P比均最低.河流濕地土壤SOC、TN、TP含量在水平空間上的差異性最大.3)C、N、P含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征受濕地成因、植被、土壤理化性質(zhì)等環(huán)境因子,和旅游、城市建設(shè)、工農(nóng)業(yè)污染等人類活動因子的多重影響.土壤C和P含量是決定C/N比和C/P比差異的關(guān)鍵因子,同時土壤C/P比和N/P比受含水量和鹽度的影響大.

關(guān)鍵詞土壤;有機(jī)碳;全氮;全磷;寧夏平原濕地;生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版) 42(1):107～118,2016

Journal of Zhejiang University(Agric.&Life Sci.)

http://www.journals.zju.edu.cn/agr

E-mail:zdxbnsb@zju.edu.cn

第一作者聯(lián)系方式:卜曉燕(http://orcid.org/0000-0002-6372-8061),E-mail:antian_2007@163.com

URL:http://www.cnki.net/kcms/detail/33.1247.S.20160119.1941.018.html

Contents and ecological stoichiometry characteristics of soil carbon,nitrogen and phosphorus in wetlands of Ningxia plain.Journal of Zhejiang University(Agric.&Life Sci.),2016,42(1):107-118

BO Xiaoyan1,2,MI Wenbao3*,XU Hao4,ZHANG Xueyi5,MI Nan1,SONG Yongyong3(1.School of Agriculture,Ningxia University,Yinchuan 750021,China;2.Ningxia Polytechnic,Yinchuan 750021,China;3.School of Resource and Environmental Sciences,Ningxia University,Yinchuan 750021,China;4.Institute of Desertification Control,Ningxia Academy of Agricultural and Forestry Sciences,Yinchuan 750021,China;5.Ningxia Key Lab for Meteorological Disaster Prevention and Reduction,Yinchuan 750002,China)

Summary Ecological stoichiometry is a comprehensive and effective method to learn the relationship and regularity of the elements in the biogeochemical cycle and the ecological process.The ecological stoichiometry of carbon(C),nitrogen(N)and phosphorus(P)are significant in ecological systems.Soil C,N and P in wetlands ____significantly affected the productivity of the ecosystem,which are also important indicators of environmental statusof wetland.At present,the research on C,N and P of wetlands is more concentrated on eastern part of China.Fewer research were focused on the characteristics of ecological stoichiometry of wetland in arid and semi-arid regions of Northwest China.The study area in this paper is Ningxia plain,which located in the arid area of Northwest China.As the Yellow River run through the plain,wetlands are widely distributed in this region.Due to the influence of agricultural irrigation and other factors,the eutrophication of wetland is a concerned problem,and the distribution of C,N and P of the wetlands have their unique characteristics.

In order to clarify the spatial distribution characteristics of soil nutrients and its influencing factors in wetland of Ningxia plain,the combination of“3S”technologies(remote sensing,geographical information system,and global positioning system),typical sampling and laboratory determination were used,nine plots of the wetlands soil in Yellow River,lakes and marshes were sampled,and the content of soils[soil organic carbon(SOC),N and P]and their stoichiometric ratios were measured.The distribution characteristics of SOC,N and P were further analyzed.

The results indicated that the average values of SOC,TN and TP in wetland soil of Ningxia plain are 9.61 mg/g,0.94 mg/g and 0.45 mg/g,respectively.SOC are significantly correlated with TN and TP(P＜0.05).SOC and TN are cumulative in surface 10-20 cm layer cross the longitudinal section of all plots.TP content is stable a cross the longitudinal section.The contents of SOC,TN and TP of the nine plots in northern and southern side of the plain are higher than the middle part.The spatial distribution characteristics of C/N and C/P are similar,both show higher in middle plain and lower in northern and southern sides of the plain.The N/P ratios in northern and southern sides of the plain are higher than that in the middle part of the plain.Among different wetlands,the highest TN,TP and N/P were observed in lakes,the highest SOC,C/N and C/P were observed in marshes,and lowest SOC,TN,TP,C/P and N/P were observed in rivers.The SOC,TN and TP of rivers showed a higher spatial variation over the plain.The contents of C,N and P and their stoichiometric ratios are impacted by environmental factors including wetland origin,vegetation type,soil properties and human activities including tourism,urban construction,industrial and agricultural pollutions.Soil C and P are key factors that determining the differences of C/N and C/P,and the C/P and N/P were more influenced by the moisture and salinity of soil.The typical stoichiometry property of C,N and P of Ningxia wetlands is that the C/P value is significantly lower than the average value of China,indicating that the organic phosphorus of microorganisms were mineralized in this region.

Key words soil organic carbon;total nitrogen;total phosphorus;typical wetlands of Ningxia plain;ecological stoichiometry characteristics

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)主要探究生態(tài)系統(tǒng)中能量和化學(xué)元素間的平衡[1],揭示土壤化學(xué)元素的可獲得性、循環(huán)和平衡機(jī)制,以及生態(tài)系統(tǒng)植被養(yǎng)分限制性等[2],是目前研究元素在生物地球化學(xué)循環(huán)和生態(tài)過程中計(jì)量關(guān)系和規(guī)律的綜合有效方法[3].碳(C)、氮(N)、磷(P)生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征在生態(tài)系統(tǒng)中具有重要意義[4].近十年來,C、N、P化學(xué)計(jì)量特征廣泛應(yīng)用于幾個重要的生態(tài)過程并取得了很大進(jìn)展,如養(yǎng)分限制[5],空間格局及驅(qū)動因素[6],固氮能力[7],生態(tài)系統(tǒng)組成與多樣性[8],生物對環(huán)境脅迫的適應(yīng)能力[9].養(yǎng)分的可利用性是生態(tài)系統(tǒng)更替的驅(qū)動力,能夠影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性、生產(chǎn)力,以及植物、動物和微生物種群間的相互關(guān)系[10].在陸地生態(tài)系統(tǒng)中,由于土壤中C、N、P等元素中的某一種或多種元素可利用性的改變會影響土壤C/N/P比,從而導(dǎo)致植物C/N/P比的改變.研究表明:N/P比的臨界值可以用來診斷周圍環(huán)境養(yǎng)分的供給狀況[11-12].國內(nèi)外的研究主要集中在對植物生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的一些研究[7-9],對土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)研究多集中在草地生態(tài)系統(tǒng)[3]、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[13]、河口濕地生態(tài)系統(tǒng)[14-17].

濕地土壤中C、N、P是植物光合作用和初級生產(chǎn)力形成過程中最受限制的營養(yǎng)元素[18],顯著影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力,成為確定土壤C、N、P平衡特征的一個重要參數(shù)[19].濕地有機(jī)碳是其重要的結(jié)構(gòu)性物質(zhì),具有良好的指示作用[20],能夠用來指示濕地對氣候變化的響應(yīng)[21];N和P是植物生長最常見的限制性養(yǎng)分[22],C、N、P三者密切相關(guān).不同的濕地類型,土壤養(yǎng)分具有高度的空間差異性[23].濕地土壤養(yǎng)分的分布和變化受濕地生態(tài)系統(tǒng)的植物群落類型、土壤理化性質(zhì)、水文過程等多種因素的影響[24-25],人類活動對土壤C、N、P的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征有重要影響[19].濕地土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究,對揭示養(yǎng)分的可獲得性以及C、N、P等元素的循環(huán)與平衡機(jī)制及認(rèn)識生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力具有重要意義[26].目前對于濕地C、N、P的研究多集中在三江平原[27 28]、河口[29 30]、高寒濕地[31-32]、濱海濕地[33-34],而對于西北內(nèi)陸干旱半干旱區(qū)濕地土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征研究較少.

寧夏平原是典型的沖積-湖積平原,濕地廣布,數(shù)量眾多,類型豐富,濕地總面積約為15.77萬hm2,占寧夏濕地總面積的76.27%.平原濕地在調(diào)蓄洪水、控制污染物、控制小氣候方面有重要的作用.寧夏平原濕地具有干旱區(qū)水面蒸發(fā)量大,容易造成湖水咸化和湖周土壤鹽漬化,湖盆地面沉降與黃河水沙淤積相互抵消的獨(dú)特性質(zhì).其最大的特點(diǎn)是與人類的水利活動相輔相成,密不可分.由于受到灌溉農(nóng)田退水等因素的影響,平原濕地富營養(yǎng)化問題較為突出,結(jié)合其歷史成因,平原濕地C、N、P分布有其獨(dú)特的特征.本研究以典型性、代表性濕地為重點(diǎn),適當(dāng)兼顧普適性,選擇3類9個各具特色的濕地,通過隨機(jī)采樣,從土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)角度揭示寧夏平原不同類型濕地土壤內(nèi)部C、N、P平衡和循環(huán)過程及其影響因素.其目的是為該地區(qū)恢復(fù)植被、提高生物多樣性和改善生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù),完善和補(bǔ)充我國旱區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分平衡和循環(huán)基礎(chǔ)數(shù)據(jù).本研究對深入研究旱區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤元素平衡和碳匯功能有重要科學(xué)價(jià)值.

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

寧夏平原地處我國西北地區(qū)東部,位于寧夏回族自治區(qū)北部,地理坐標(biāo)為105°5′—106°56′E,37°46′—39°23′N,區(qū)域面積約7 790 km2.黃河由中部自南向北流經(jīng)寧夏平原,溝渠縱橫,灌溉便利,素有“塞北江南”之美稱.它地處中溫帶干旱區(qū)大陸性氣候區(qū),多年平均氣溫9.0℃,年均降水量180～200 mm.多年平均蒸發(fā)值為1 825 mm,年平均濕度為55%,年干旱指數(shù)7.8～8.0.寧夏平原濕地依托黃河及其灌溉排水體系而形成和消長,土壤類型主要有灌淤土、潮土、沼澤土、鹽堿土等,植物主要以蘆葦、菖蒲等水生植物為主.

1.2研究方法

1.2.1樣品采集

2014年8—9月,在寧夏黃河流域?qū)幭钠皆貐^(qū)從南向北實(shí)地踏查,選擇了研究區(qū)最具有代表性和特色的3類濕地(河流濕地2個、湖泊濕地4個,沼澤濕地3個),共計(jì)9個典型濕地(采樣地基本情況見表1,各濕地位置見圖1).用GPS獲取典型濕地的坐標(biāo),用柱狀金屬取樣器(長3 m,直徑5 cm)在每個濕地中隨機(jī)選10個采樣方進(jìn)行重復(fù)取樣,每個樣方采集3個0～40 cm的土柱,以10 cm為間隔分4層進(jìn)行采樣,各土層取樣后相同土層均勻混合,分別裝入編號的密封樣品袋中帶回實(shí)驗(yàn)室,去除雜質(zhì),經(jīng)自然風(fēng)干后研磨過60目篩,密封儲存,待測.同時在每個樣方用環(huán)刀法另取3個土柱分層切割后裝入密封袋,帶回實(shí)驗(yàn)室放入小冰箱中用于測定土壤體積質(zhì)量(容重)和含水量.

1.2.2樣品測定方法

采用元素分析儀測定土壤有機(jī)碳(soil organic carbon,SOC)和全氮(total nitrogen,TN)含量;采用高氯酸-硫酸消化,鉬銻抗比色法(UV-2450)測定全磷(total phosphorus,TP)含量.土壤體積質(zhì)量和含水量采用烘干法測定,在105℃烘箱中烘干至恒量.土壤p H和全鹽采用電位法測定(DDS-307A型電導(dǎo)儀和奧立龍868型酸度計(jì))[35].

1.2.3數(shù)據(jù)處理

本研究選用美國2014年7月28日OLI的影像(Path 129-row 033,Path 129-row 034)(分辨率為30 m×30 m),采用Erdas 8.0和ArcgGis 10.0進(jìn)行影像解譯和制圖處理.數(shù)據(jù)運(yùn)用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行整理,同時結(jié)合ArcgGis 10.0軟件進(jìn)行制圖.數(shù)據(jù)分析采用SPSS 17.0軟件,土壤C/N、C/P、N/P比差異性檢驗(yàn)采用SPSS 17.0雙因素方差分析,用皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)判定環(huán)境因子與生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)指標(biāo)(C/N、C/P、N/P)的相關(guān)性.

2　結(jié)果與分析

2.1不同類型典型濕地SOC、TN和TP含量特征

不同濕地類型土壤的SOC、TN和TP變化范圍分別為6.45～10.16 mg/g、0.43～1.69 mg/g和0.32～0.63 mg/g,平均值分別為8.60 mg/g、0.90 mg/g和0.43 mg/g,變異系數(shù)分別為38.91%、46.85%和26.75%,元素的空間差異性為TP＜SOC＜TN;隨著土壤深度的增加,土壤TP含量變化趨勢基本與TN含量變化趨勢一致(表2,圖2).不同類型濕地SOC、TN含量隨土層加深呈減少的變化趨勢,湖泊濕地SOC、TN含量均富集于0～10 cm,呈“倒金字塔”分布;沼澤濕地SOC和TN含量20～30 cm最多;河流濕地SOC含量20～30 cm最多,TN含量富集于10～20 cm;SOC、TN含量在30～40 cm明顯減少,整體上呈現(xiàn)“表聚性”分布特征.不同類型濕地TP在土壤中的垂直分布上下差異不大.河流濕地不同土層SOC、TN、TP含量顯著低于湖泊濕地和沼澤濕地相應(yīng)的土層(P＜0.05).

2.2不同類型典型濕地SOC、TN和TP含量空間差異性比較

不同類型典型濕地SOC、TN和TP含量空間差異性較大(圖3),湖泊濕地土壤TN和TP最高,沼澤濕地SOC含量最高,河流濕地SOC、TN含量均較低.SOC和TN的變異系數(shù)表現(xiàn)為河流濕地＞沼澤濕地＞湖泊濕地,而TP含量沼澤濕地的空間差異性最大.整體來看,河流濕地土壤SOC、TN和TP含量在水平空間上的差異性均較大.

從水平空間分布來看,整體上土壤SOC、TN和TP含量從南向北呈先減少后增加的變化趨勢,即中部低,南北高.土壤SOC含量南部高于北部,變化表現(xiàn)為W7＞W(wǎng)9＞W(wǎng)8＞W(wǎng)3＞W(wǎng)5＞W(wǎng)6＞W(wǎng)4＞W(wǎng)1＞W(wǎng)2,差異較顯著(P＜0.05)(表2,圖3),各濕地間土壤變異系數(shù)變化較大(30.08%～42.53%).土壤TN和SOC變化趨勢一致,南部高于北部,但TN含量中部減少程度更顯著,表現(xiàn)為W7＞W(wǎng)5＞W(wǎng)6＞W(wǎng)3＞W(wǎng)8＞W(wǎng)9＞W(wǎng)1＞W(wǎng)2＞W(wǎng)4.變異系數(shù)范圍為31.25%～40.74%,W2(49.46%,57.41%)、W8(45.62%,55.74%)、W1(43.67%,50.00%) SOC和TN含量的變異系數(shù)均較其他濕地高,表明這3個濕地土壤SOC和TN含量在水平空間上的差異性較其他濕地大,環(huán)境均質(zhì)性低.土壤TP含量北部高于南部,但整體上變化較穩(wěn)定,變化趨勢為

W5＞W(wǎng)6＞W(wǎng)7＞W(wǎng)1＞W(wǎng)4＞W(wǎng)9＞W(wǎng)8＞W(wǎng)3＞W(wǎng)2,變異系數(shù)(14.59%～34.52%)比SOC和TN小.

2.3不同類型典型濕地土壤SOC、TN和TP的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

不同類型典型濕地中土壤C/N、C/P和N/P變化范圍分別為1.20～65.42、4.37～68.15和0.65～6.24,其平均值分別為12.95、22.23和2.25,變異系數(shù)分別為49.28%、36.52%和43.79%(表3),土壤C/N、C/P和N/P空間差異性較大,且 C/P＜N/P＜C/N.從濕地類型上來看,C/N沼澤濕地＞河流濕地＞湖泊濕地,湖泊濕地C/N最低,沼澤濕地C/N較湖泊濕地和河流濕地高.C/P沼澤濕地＞湖泊濕地＞河流濕地,N/P湖泊濕地＞沼澤濕地＞河流濕地,河流濕地C/P和N/P較湖泊和沼澤濕地低.在垂直剖面上,C/N、C/P和N/P值呈現(xiàn)不同的分布特征,但整體上比值變化均比較穩(wěn)定(圖4).隨土壤深度的增加,3類濕地土壤不同土層C/N值均表現(xiàn)出先減少后增加的變化趨勢;湖泊濕地和河流濕地不同土層C/P表現(xiàn)出先減少后增加的變化趨勢;沼澤濕地中不同土層C/P表現(xiàn)出遞增的趨勢,并且沼澤濕地高于其他2類濕地對應(yīng)土層的C/P值;河流濕地和湖泊濕地N/P呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢,沼澤濕地則表現(xiàn)出先減少后增加.沼澤濕地C/N、C/P和N/P最高值均出現(xiàn)在20～30 cm,湖泊濕地C/N和C/P最高值出現(xiàn)在0～10 cm,N/P最高值出現(xiàn)在10～20 cm;河流濕地C/N和C/P最高值出現(xiàn)在30～40 cm,N/P最高值出現(xiàn)在0～10cm;不同土層的C/N、C/P和N/P差異性顯著(P＜0.05).

2.4不同類型典型濕地土壤C/N、C/P和N/P空間差異性比較

從空間分布上看,不同類型典型濕地的C/N和C/P空間變化趨勢一致,從南向北均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(表3,圖5),即中部高南北低,C/N尤為顯著,變化波動較大,N/P的變化比較穩(wěn)定.C/N變化趨勢為W4＞W(wǎng)9＞W(wǎng)8＞W(wǎng)1＞W(wǎng)2＞W(wǎng)3＞W(wǎng)6＞W(wǎng)5＞W(wǎng)7;C/P的變化趨勢為W8＞W(wǎng)3＞W(wǎng)9＞W(wǎng)4＞W(wǎng)2＞W(wǎng)7＞W(wǎng)1＞W(wǎng)5＞W(wǎng)6,中部的W4、W8、W9濕地C/N和C/P比值均較其他濕地區(qū)大;而北部的W6、W5和南部的W7濕地C/N和C/P比值均較其他濕地小.N/P的變化趨勢為W3＞W(wǎng)7＞W(wǎng)5＞W(wǎng)6＞W(wǎng)8＞W(wǎng)2＞W(wǎng)9＞W(wǎng)1＞W(wǎng)4,整體上中部低南北高.

2.5不同類型典型濕地土壤SOC、TN和TP及化學(xué)計(jì)量特征差異性影響因素分析

2.5.1土壤理化性質(zhì)的影響

由表4可以看出,土壤SOC、TN和TP與土壤含水量之間呈顯著正相關(guān)(P＜0.05),SOC、TN與土壤體積質(zhì)量和p H呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01),與鹽度呈負(fù)相關(guān).SOC和TN呈顯著正相關(guān)(P＜0.01),SOC和TP的相關(guān)性不顯著.土壤C、N含量對C/N、C/P、N/P的影響均較大,是決定C/N、C/P差異的關(guān)鍵因子.C/N與土壤含水量和鹽度呈顯著正相關(guān)(P＜0.05),N/P主要受土壤含水量的控制,C/P受土壤體積質(zhì)量和鹽度的影響大.土壤C、P含量是決定C/N、C/P的關(guān)鍵因子,土壤含水量和全鹽對C/N、N/P的影響大.土壤p H值與C/N、C/P、TN均呈負(fù)相關(guān),但不顯著,隨p H升高營養(yǎng)鹽濃度降低;總體上,濕地生境類型的自身特點(diǎn)決定著土壤C/N、C/P、N/P的特征[36].

2.5.2其他影響因子

寧夏平原地處西北內(nèi)陸地區(qū),黃河從南向北貫穿,其土壤性質(zhì)、濕地成因、植被、大氣沉降及人類活動干擾程度不同,導(dǎo)致土壤C、N、P及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征分布呈現(xiàn)顯著的空間差異性.

寧夏平原濕地主要成因是黃河干流的引水灌溉,絕大部分濕地依賴于引入黃河水或其通過渠道、農(nóng)田滲漏為地下水的補(bǔ)給,以及黃河河床水流對地下水的側(cè)向補(bǔ)給,環(huán)境均一性較差,導(dǎo)致養(yǎng)分累積的能力空間變化較大.植被生物量是影響表層土壤養(yǎng)分含量的決定性因素[18],這也是本研究中土壤SOC 和TN含量均隨土層深度增加逐漸降低的主要原因.河流濕地SOC、TN、TP含量均較低,這主要與河流植被生物量大小和濕地的成因有關(guān).河流濕地土壤的形成不斷受到黃河水泛濫改道和尾閭擺動的影響,且河岸邊植被根系不發(fā)達(dá),生物量低,導(dǎo)致土壤的C、N、P元素不易積累.沼澤濕地SOC含量較湖泊濕地和河流濕地高,差異性顯著,主要因?yàn)檎訚蓾竦貎?yōu)勢種為蘆葦,且蓋度在90%以上,蘆葦沼澤濕地為高碳輸入-低碳輸出,具有較高的生產(chǎn)力,且枯落物完全返還于土壤,濕地土壤經(jīng)常處于過濕的水飽和狀態(tài),抑制了有機(jī)質(zhì)分解[19],其土壤固碳效應(yīng)大;另一方面,大量水生植物殘?bào)w沉積也可能導(dǎo)致沼澤濕地SOC含量高[31],這也說明植被生物量對有機(jī)碳積累影響大.TN與SOC變化規(guī)律大體一致,因?yàn)橥寥乐械腘主要來源于植物殘?bào)w和生物固氮[18];此外,大氣中的氮素也是土壤N的主要來源[29],N通過大氣沉降進(jìn)入土壤,通過濕地土壤中生物的固氮作用進(jìn)入土壤,從而被生物體吸收利用,所以土壤中的N主要分布于植物的根系分布區(qū).這也進(jìn)一步反映了植被對TN含量的影響.土壤P元素的來源相對較少,各濕地土壤P累積較為緩慢,含量較低,變化不明顯.在0～40 cm土層土壤中,3種不同類型濕地C/N、N/P、C/P差異與濕地植被覆蓋度有關(guān)[36-37],沼澤濕地C/N、N/P、C/P值均較高,主要因?yàn)檎訚蓾竦刂兄脖桓采w度較高,且植被淹水頻率較高,有利于土壤C和N的儲存[29].

此外,城市建設(shè)、工農(nóng)業(yè)污染、旅游等人類活動干擾也是影響平原濕地生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的一個重要因素.湖泊濕地TN和TP含量較高,可能因?yàn)檫x取的湖泊濕地周邊有大量農(nóng)田或早期為農(nóng)田,農(nóng)藥、化肥等的過量使用,使土壤中N和P元素富集[19,32].如W2的SOC、TN、TP含量均較其他典型濕地低,可能因?yàn)閃2長期以來很少受到人類活動干擾,天然土壤有機(jī)質(zhì)輸入主要依賴有機(jī)殘?bào)w歸還量及腐殖質(zhì)化程度[21].平原中部濕地的C/N、C/P值較北部和南部濕地高,可能由于中部濕地銀川市旅游、城市建設(shè)和工農(nóng)業(yè)污染等人類活動的強(qiáng)度大,干擾程度也大,濕地外源輸入的有機(jī)質(zhì)成分較大.平原北部的W5和W6濕地C/N、C/P比較之其他濕地低,可能因?yàn)閃6所在地受工業(yè)活動干擾大,W5主要以旅游為主,加之所在地受農(nóng)業(yè)活動和養(yǎng)殖活動干擾大,導(dǎo)致C的損失率高于N和P.

3　討論

C、N、P是土壤中重要的生源要素[19],不同濕地類型土壤SOC和TN含量在垂直剖面上變化趨勢相似,這與前人的研究結(jié)果一致[18,28,37].本研究中SOC含量隨著土壤剖面深度的增加而減少,這與劉景雙等[18]、肖燁等[37]、王佩等[38]的研究結(jié)果一致.SOC的垂直分布規(guī)律是由植被根系分布深度不同導(dǎo)致的,研究區(qū)濕地植被均以一年生的草本植物為主,植物地下根系主要集中分布在0～20 cm處,有機(jī)物在該層分解轉(zhuǎn)化形成土壤腐殖質(zhì),為土壤提供了豐富的碳源.JOBBAGY等[39]的研究指出,植物根系的分布直接影響土壤SOC的垂直分布.此外,植被枯枝落葉的分解和礦化也會導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量提高[3].變異系數(shù)是反映變量離散程度的重要指標(biāo),在一定程度上揭示了變量的空間分布特征[40].土壤有機(jī)質(zhì)較其他養(yǎng)分變化波動最大,可能原因在于不同濕地類型的植被生物量差異性大,使植物的光合固碳作用差異明顯,且有些潮濕地區(qū),人為干擾少,植物生物量大,枯枝落葉凋落及根系分泌基質(zhì)多,促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)積累.自然土壤中的氮主要來自動植物殘?bào)w和生物固氮,其輸出途徑主要是通過土壤中有機(jī)質(zhì)的分解,分解后大部分被植物吸收利用[38],使土壤TN含量的垂直分布狀況發(fā)生改變,因此SOC和TN具有明顯的表聚性,在剖面上呈現(xiàn)出“倒金字塔”的分布.土壤P元素來源于土壤礦物質(zhì)的風(fēng)化.由于礦物質(zhì)風(fēng)化是一個漫長的過程,風(fēng)化程度在0～40 cm土層土壤中差異不大,因此,TP在土壤中的垂直分布差異也不大,這與前人的研究結(jié)果一致[3,15].

碳氮磷比(C/N/P)是衡量土壤有機(jī)質(zhì)組成和營養(yǎng)平衡的一個重要指標(biāo)[29],可用于估算有機(jī)碳含量[39],C/N能夠影響土壤中有機(jī)碳和氮的循環(huán),是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)[19].本研究中,C/N隨著土層深度的增加呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢,主要因?yàn)闈竦刂?～20 cm表層土壤C下降幅度大于N造成的;隨著土層深度的增加,表層C/P、C/N呈先減少后增加的趨勢,說明SOC的減少導(dǎo)致了N和P的減少,在同等程度下表層N和P的減少比C減少更為敏感[3].土壤C/P、N/P在各濕地間表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律,主要是由于土壤磷含量變化較小.本研究中,雖然不同類型濕地的土壤C/N、C/P和N/P比隨著剖面變化而波動,但總體上變化幅度不大,這符合生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的動態(tài)平衡理論[41],且與前人得出的結(jié)果一致[38].與全國生態(tài)系統(tǒng)對應(yīng)的平均值C/N(13)、C/P(105)和N/P(8)[42]相比,本研究中,C/N(12.95)、C/P(22.23)和N/P(2.25)均較低.土壤C/P可作為衡量微生物礦化土壤有機(jī)物質(zhì)釋放磷或從環(huán)境中吸收固持磷素潛力的一種指標(biāo)[23].本研究中,土壤的C/P為22.23,低于我國平均值(105),表明研究區(qū)土壤微生物體有機(jī)磷出現(xiàn)了凈礦化現(xiàn)象[33].土壤N/P較低,比全國生態(tài)系統(tǒng)平均值低5.57,尤其是平原北部地區(qū)更低,這從另一方面驗(yàn)證了平原北部鹽堿土中氮缺乏,因而在鹽堿地的改良和植被恢復(fù)過程中,除了降鹽之外,還要注重氮肥的適當(dāng)添加[14].

寧夏平原濕地受河川徑流作用及植被和水量鹽度特征的差異,并疊加人類活動干擾方式和程度的變化,使在這種模式下的土壤C、N和P元素的循環(huán)過程更為復(fù)雜[8],相應(yīng)的元素比也表現(xiàn)出較大的空間變化.本研究濕地土壤SOC和TN含量呈極顯著相關(guān)(P＜0.01),這一結(jié)果與前人的研究結(jié)果相似[36].土壤TP與C/N呈顯著負(fù)相關(guān),而與C/P、N/P呈正相關(guān),但相關(guān)性不顯著.C/N與TN的相關(guān)性比與SOC的相關(guān)性高,表明土壤中C/N主要受TN的影響,這與張立華等[14]的研究結(jié)果一致;C/P與SOC的相關(guān)性比TP高,說明土壤中C/P主要受土壤SOC的影響;N/P值與TN的相關(guān)性比與TP的相關(guān)性顯著,說明TN增加對N/P的貢獻(xiàn)大.通過與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),SOC與土壤含水量呈顯著正相關(guān),主要因?yàn)橥寥篮坑绊懼寥鲤B(yǎng)分的空間分布,較高的土壤含水率有利于土壤有機(jī)質(zhì)積累[18].土壤含水量和鹽度是影響C/P、N/P的主要因子,C/N主要受土壤含水量和鹽度的影響,N/P主要受土壤含水量的控制,C/P受土壤體積質(zhì)量和鹽度的影響大.土壤體積質(zhì)量小,表明土壤比較疏松,通透性好,肥力較高;反之,土壤體積質(zhì)量大,表明土壤結(jié)構(gòu)緊實(shí),通透性較差,肥力也就較低[41].這也是本研究中土壤SOC與體積質(zhì)量呈顯著負(fù)相關(guān)的原因.土壤p H與C/N、C/P、TN均呈負(fù)相關(guān)但不顯著,隨p H升高營養(yǎng)鹽濃度降低.總體上,土壤C、P含量是決定C/N和C/P的關(guān)鍵因子,土壤含水量和全鹽對C/N、N/P的影響大.此外,人類活動對碳氮磷的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征有重要影響[22].研究發(fā)現(xiàn),濕地成因和植被物質(zhì)生物量是影響SOC、TN、TP含量的主要因素;旅游、城市建設(shè)、工農(nóng)業(yè)染污等人類活動可導(dǎo)致SOC、TN、TP含量的空間變化;農(nóng)業(yè)生產(chǎn)N肥過量使用、養(yǎng)殖等活動可導(dǎo)致土壤中N和P元素富集[19,32];土壤中氮素含量受到大氣沉降和生物固氮因素的影響[18,29].

4　結(jié)論

寧夏平原不同類型濕地土壤SOC、TN和TP含量平均值分別為9.61 mg/g、0.94 mg/g和0.45 mg/g,土壤SOC含量較為豐富,且與TN、TP含量都呈顯著相關(guān)性(P＜0.05).土壤SOC、TN、TP含量呈顯著空間差異性,SOC和TN含量的空間差異性高于TP.而SOC、TN含量隨土層深度的增加均表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢,具有明顯的“表聚性”.TP含量變化穩(wěn)定,在垂直剖面上差異不大.9個典型濕地從南向北,土壤SOC、TN和TP含量整體呈先減少后增加的變化趨勢,即中部低,南北高;C/N 和C/P空間變化趨勢一致,整體上均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,即中部高南北低;N/P整體上呈先減少后增加的趨勢,即中部低南北高.

從濕地類型來看,土壤TN、TP含量和N/P比值是湖泊濕地最高,SOC含量及C/N和C/P比值是沼澤濕地最高,河流濕地SOC、TN、TP的含量與C/P 和N/P比值均最低.河流濕地土壤SOC、TN和TP含量在水平空間上的差異性最大.

寧夏平原濕地C、N和P含量及其生態(tài)化學(xué)空間差異,受濕地成因、植被、土壤理化性質(zhì)等環(huán)境因子,以及旅游、城市建設(shè)、工農(nóng)業(yè)污染等人類活動因子的多重影響.土壤C、P含量是決定C/N和C/P的關(guān)鍵因子,而C/N、N/P受土壤含水量和全鹽影響大.

致謝 感謝西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地吳旭東博士、潘軍碩士等,在資料收集、采樣和實(shí)驗(yàn)方面提供的幫助,謹(jǐn)致謝意.

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收稿日期(Received):2015-04-23;接受日期(Accepted):2015-07-23;網(wǎng)絡(luò)出版日期(Published online):2016-01-19

*通信作者(

Corresponding author):米文寶(http://orcid.org/0000-0001-8127-4107),E-mail:miwbao@nxu.edu.cn

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(41161020;31360110);寧夏大學(xué)2015年度博士研究生學(xué)位論文培優(yōu)計(jì)劃.

DOI:10.3785/j.issn.1008-9209.2015.04.232

中圖分類號X 171

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A