黑河自然保護區(qū)沼澤濕地土壤化學性質的空間分布特征研究

白娜，王立*，孔東升

(1.甘肅農業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州 730070；2.河西學院河西生態(tài)與綠洲農業(yè)研究院，甘肅 張掖 734000)

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黑河自然保護區(qū)沼澤濕地土壤化學性質的空間分布特征研究

白娜1，王立1*，孔東升2

(1.甘肅農業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州 730070；2.河西學院河西生態(tài)與綠洲農業(yè)研究院，甘肅 張掖 734000)

通過對張掖黑河濕地國家級自然保護區(qū)沼澤濕地野外調查、土樣采集、實驗室分析，利用空間分布格局代替時間演替序列，應用描述性統(tǒng)計及線性回歸和相關性的分析方法，對該濕地的速效養(yǎng)分、有機質和土壤全鹽含量及pH進行了研究。結果表明, 土壤有機質(SOM)含量隨著土層深度的增加而顯著增加；速效氮(AN)含量垂直分異明顯且整體趨勢先減少后急劇增加；土壤中速效磷(AP)、速效鉀(AK)、全鹽含量空間分布存在表聚現(xiàn)象，上高下低的分布格局明顯；pH值含量空間分布差異不大但該地區(qū)土壤呈堿性和強堿性。pH和SOM存在弱負相關性，pH通過抑制植被的生長來間接影響SOM含量；全鹽含量和AK含量具有強烈的乘冪和正線性相關性。全鹽、SOM、AN、AP、AK含量均屬于中等變異，pH為弱變異。黑河保護區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)正處于退化階段，脆弱性和敏感性使該保護區(qū)在干旱半干旱區(qū)涵養(yǎng)水源、保持水土的重要性減弱，建立當?shù)刈匀粭l件特征基礎上長期持續(xù)的試驗研究，保護與恢復措施迫在眉睫。

沼澤濕地；速效養(yǎng)分；全鹽；有機質；空間分布；黑河濕地

濕地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)與水域生態(tài)系統(tǒng)相互作用形成的過渡地帶，是地球上具有多種功能的獨特生態(tài)系統(tǒng)，是最富有生物多樣性的生態(tài)景觀和人類最重要的生存環(huán)境之一[1-2]，也是地球上最具生產力的生態(tài)系統(tǒng)，被譽為“地球之腎”[3]。濕地的萎縮、擴張以及植被的變化是整個濕地生態(tài)環(huán)境的綜合反映，而濕地土壤的理化性狀不僅能反映土壤結構狀況和蓄水能力，而且也影響植被生長，關系到濕地環(huán)境的形成與演替[4-6]。目前濕地研究中有關濕潤、半濕潤地區(qū)的濕地土壤理化性質研究較多，主要集中于長三角以及湘鄂交界處、山東中部和三江平原地區(qū)[7-10]，而干旱區(qū)濕地研究較少，且集中在塔里木河和艾比湖區(qū)域[11-13]；從濕地類型看，對沼澤濕地整體研究少，且集中于濕潤、半濕潤地區(qū)濕地[14-17]，干旱區(qū)沼澤濕地土壤理化性狀及其空間分布特征的研究鮮見。土壤速效養(yǎng)分在探究生物系統(tǒng)物質和能量循環(huán)以及多元素平衡過程中發(fā)揮著重要作用，并對該過程具有良好的指示作用，隨著對土壤速效氮(AN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)養(yǎng)分元素空間變異特征研究的不斷深入，科學家們發(fā)現(xiàn)許多土壤特性在空間上并不獨立存在，不屬純隨機變量，沼澤濕地土壤理化性質的特征和變化受濕地生態(tài)系統(tǒng)的植物群落類型、土壤養(yǎng)分、水文過程等多種因素的影響，研究濕地土壤營養(yǎng)元素的空間分布特征及其相關性，對揭示植被對養(yǎng)分的可獲得性以及營養(yǎng)元素的循環(huán)和平衡機制及其對環(huán)境的生態(tài)效應具有重要意義[18-19]。

張掖黑河濕地國家級自然保護區(qū)是2010年由國務院批準成立的，面積4.1萬hm2，屬于典型的干旱半干旱區(qū)“內陸濕地和水域生態(tài)系統(tǒng)類型”，是全球8條候鳥遷徙的中亞—印度通道的重要中轉站，是河西走廊甚至西北地區(qū)重要的生態(tài)屏障，也是黑河中下游重要的水源涵養(yǎng)地，有著十分重要的生態(tài)安全戰(zhàn)略地位[20]。該濕地保護區(qū)無論從地理位置、生態(tài)功能還是濕地類型來看，都與東部平原湖群或青藏高原湖群濕地具有不同的特質，土壤理化特性復雜。加之近年來，國內外濕地環(huán)境遭到嚴重干擾和破壞，加強保護與研究勢在必行。關于張掖黑河濕地研究主要集中在景觀、生態(tài)旅游、候鳥多樣性及生態(tài)服務功能價值[21-25]，西大湖沼澤濕地作為張掖黑河濕地國家級自然保護區(qū)的重要組成部分，該地區(qū)土壤化學性質空間分布特征如何？土壤各要素之間有什么聯(lián)系？未見相關文獻。揭示黑河保護區(qū)濕地土壤養(yǎng)分空間變化規(guī)律是認識和評價濕地演替的重要依據(jù)，因此，本研究以張掖黑河濕地國家級自然保護區(qū)西大湖沼澤濕地土壤速效氮、磷、鉀、有機質、全鹽含量及pH含量空間特征為主要研究內容，闡明保護區(qū)沼澤濕地各營養(yǎng)元素含量的分布特征及空間聯(lián)系，對該濕地保護、恢復和生態(tài)環(huán)境實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的生態(tài)學意義，這不僅對干旱區(qū)沼澤濕地退化過程研究與恢復具有一定的借鑒作用，也可為大尺度研究濕地生態(tài)保護、維護生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

張掖市甘州區(qū)西大湖濕地是黑河濕地國家級自然保護區(qū)內的典型沼澤濕地，位于黑河流域中游，其地理坐標為100°21′51.179″ E-100°22′59.382″ E，39°01′21.438″ N-39°02′03.072″ N，面積358.9 hm2，海拔1439～1496 m之間。該保護區(qū)屬大陸性干旱氣候，年平均氣溫為7 ℃，極端最高氣溫為41 ℃，極端最低氣溫為-31 ℃；日照充足，晝夜溫差大，年日照時數(shù)2683～3088 h；降水稀少而集中，僅129 mm；年平均蒸發(fā)量為2047 mm，蒸發(fā)強烈，干旱指數(shù)高達15.87。全年盛行西北風，最大風速36 m/s，年均大風日數(shù)14.9 d，年均沙塵暴日數(shù)20.3 d，無霜期110～170 d。災害性天氣有大風、沙塵暴、干熱風、干旱、霜凍等。研究區(qū)具體位置見圖1。

1.2 野外調查取樣

2015年9月30日對張掖黑河濕地國家級自然保護區(qū)西大湖沼澤濕地土壤進行了野外采集。在充分考慮空間因素的差異性對演替序列的干擾，選擇有代表性的地段作為樣地。以濕地淺水處為起點，沿直線設置3條平行樣帶進行固定樣方的調查，平行樣帶之間的距離為200 m，長度1.1 km，樣帶每隔100 m布設一個樣方，每個固定樣帶12個樣方，共計36個(圖1)，并用GPS定位。在選擇的每一樣地中，調查記錄樣方環(huán)境因子，包括小生境、海拔、經緯度、干擾狀況等；利用土鉆在每一個樣方固定點周圍等距區(qū)域間隔120°處分別取土層深度0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土樣，每層混合均勻后帶回實驗室，共108個土樣，測定土壤有機質、速效氮、磷、鉀含量及土壤全鹽含量、pH值等。

圖1 張掖市黑河濕地國家級自然保護區(qū)規(guī)劃圖-西大湖沼澤濕地采樣點示意圖Fig.1 Heihe Wetland National Nature Reserve Layout area of Zhangye-Sampling spots in Xidahu Marsh Wetlands圖來源于環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所。 Picture is from Nanjing Institute of Environmental Science， MEP.

1.3 樣品的制備和測定

野外采回的土樣經過風干、磨細、過篩、混勻、裝袋的制備過程。裝袋樣品標明地點、樣帶號、采樣日期、孔篩等項目后封存。土壤有機質(SOM)的測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法，油浴鍋分析；土壤全鹽含量采用電導法，使用DDS-307型電導率儀測定；速效氮(AN)采用擴散吸收法測定；速效磷(AP)采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀(AK)采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定；pH測定采用電位法。以上土壤理化性質的測定均根據(jù)《土壤農化分析》[26]的規(guī)程進行。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)野外調查資料和實驗室內的分析結果，采用SPSS 18.0的單因素方差分析(one-way ANOVA)、多重顯著性比較檢驗(LSD, Duncan)和相關及線性回歸分析方法，Excel及Google earth軟件處理數(shù)據(jù)、分析及作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤化學性質的空間分布特征

從表1可以看出，6種土壤要素的變異系數(shù)范圍為6.92%～94.43%，變異系數(shù)為全鹽含量>速效鉀>速效磷>速效氮>有機質>pH，除pH值外，其他元素含量屬于中等變異。6種土壤要素的峰度值均為正值，除pH值外，均表明呈現(xiàn)“高峰態(tài)”分布；全鹽含量、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀的描述數(shù)據(jù)統(tǒng)計出的偏度都比較大，說明原始數(shù)據(jù)中存在特異值而使正態(tài)分布偏向一側；土壤pH值堿性程度強，比較集中，偏度和峰度值均為正值且較小，符合正態(tài)分布。描述性統(tǒng)計分析只能說明土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量的特征，不能完全反映整個研究區(qū)域的分布特征，也就是說不能充分反映土壤特性的空間結構性和隨機性、相關性和獨立性。因此，需要用單因素分析與相關性分析相結合的方法進行土壤理化特性的分析和探討。

表1 西大湖濕地各樣帶土壤全鹽、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀、pH特征描述性統(tǒng)計Table 1 Statistical feature values of soil total salt， organic matter, available N, P, K, and pH

2.1.1 土壤速效氮的空間分布特征 僅從水平關系看，表1表明，土壤AN含量均值差異不明顯。水平方向，表層0～10 cm土層中3條樣帶的AN含量差異很小(F=0.272，P=0.860>0.05)(圖2A)；10～20 cm時呈現(xiàn)出第1、3樣帶AN含量極顯著高于第2樣帶 (F=5.545，P=0.005<0.01)；20～40 cm土層深度時3條樣帶差異性不顯著(F=0.057，P=0.945>0.05)。整體來看，AN水平方向差異不明顯，僅在10～20 cm土層深度時，AN含量差異極顯著，造成這種差異的原因可能是一般草本植被根系分布于0～20 cm，由于植被根系分布不均勻，長勢、吸收量不一樣，加之該地區(qū)微生物分解產生的AN不能與植被吸收量相一致，從而導致的。

由圖2A可看出，垂直方向，通過單因素分析，第1樣帶底層含量遠高于0～10 cm土層深度，第2樣帶中間層含量遠低于表層和底層，第3樣帶隨土層深度加深含量逐漸增加但不顯著?？傮w分析0～10 cm、10～20 cm與20～40 cm的土層深度含量均值在0.05水平存在顯著差異。速效氮含量在不同土層深度差異性顯著(F=3.854，P=0.022<0.05)，大體變化趨勢為隨深度增加含量先減少后極顯著增加。以上土層和區(qū)域分布不均勻可能由于大氣中的氮素要進入生物體必須通過固氮細菌和藍綠藻活動，而土壤微生物呼吸與溫度是呈正比的[27]，所以N素主要分布于生物活動頻繁的范圍內，尤其是在植物根系分布區(qū)，該試驗地是草本沼澤濕地，表層根系分布區(qū)的AN轉化快、消耗多，底層長期累積造成AN含量上低下高的分布格局。

2.1.2 土壤速效磷的空間分布特征 由圖2B、表1分析表明，對研究區(qū)不同區(qū)域土壤速效磷的研究分析可以發(fā)現(xiàn)，水平方向同土層含量差異不明顯，0～10 cm(F=1.136，P=0.325>0.05)、10～20 cm(F=2.355，P=0.100>0.05)、20～40 cm(F=0.795，P=0.454>0.05)，造成同土層差異的原因可能由于第2樣帶表層植被長勢較好，覆蓋度高，截留風力作用吹積的速效磷的能力高導致的，從而出現(xiàn)第2樣帶表層速效磷含量高于其他研究區(qū)域并且高于其他土層深度的現(xiàn)象。各土層不同樣帶速效磷的含量變化與在整個研究區(qū)域水平方向速效磷含量分布趨勢基本一致，速效磷含量由第1樣帶向第2和第3依次遞減，差異不顯著。

垂直方向，土壤中速效磷含量呈極顯著(F=17.315，P<0.01)的上高下低的分布格局，由圖2B中各樣帶不同土層深度的含量差異顯著性(F=1.468，P=0.235>0.01；F=10.927，P<0.01；F=10.927，P<0.01)能夠更加清晰的說明這一分布格局。造成差異的原因可能是植被根系和土壤表層速效磷累積，這與無機磷的轉化強度增加有關，同時由于土壤pH在6.5～7.5時，土壤中遲效難溶性的無機磷在碳酸和有機酸的作用下，可轉化為速效磷，該研究區(qū)域土壤大多數(shù)情況下為強堿性，速效磷易和鈣形成Ca3(PO4)2從而形成難溶性磷酸鹽，只有經長期風化過程，才能轉化為被作物吸收利用的形態(tài)，隨著土層深度的增加，草本沼澤土壤速效磷含量急劇下降。相關研究也表明，P在土壤中沿剖面垂直向下淋溶的可能性不大且量極少[19]。

2.1.3 土壤速效鉀的空間分布特征 對研究區(qū)不同樣帶土壤速效鉀水平方向的研究表明，速效鉀含量由第1樣帶向第2和第3依次遞減，差異并不顯著(F=2.960，P=0.053>0.05)。但具體到各土層時，僅在土壤表層0～10 cm深度中含量差異不顯著(F=2.007，P=0.140>0.05)，10～20 cm(F=4.939，P=0.009<0.01)時呈現(xiàn)出第1樣帶含量差異極顯著高于第2、3樣帶的情況；20～40 cm(F=8.588，P<0.01)土層深度速效鉀含量差異較大且第2樣帶小于第1、3樣帶。造成這種差異的原因尚不清楚。

垂直方向，隨著土層深度的增加，土壤速效鉀含量減少(圖2C)，0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm的土層深度含量均值分別為27.41，12.15和6.77 mg/kg，上層、中層和下層土壤速效鉀含量變化大且差異極顯著(F=184.988，P<0.01)，分層現(xiàn)象明顯，變化趨勢體現(xiàn)了土壤速效鉀含量的分布是受明顯的生物富集和表聚作用及風力作用，這可能與植物地上部分的凋落物量以及根系的垂直分布密切相關，同時植物根系從深層土壤中吸收養(yǎng)分，然后再通過枯枝落葉等形式將部分養(yǎng)分歸還于表層土壤并提供豐富的鉀源，而在深層土壤造成含量逐漸減少。土壤中K素的含量及其分布受土壤類型、成土母質、地形、土壤顆粒組成等多種因素的影響。從采樣點的地理位置來看，第1樣帶為保護區(qū)外圍地帶，且整個區(qū)域全年盛行西北風，在風的作用下，該地區(qū)土壤速效鉀含量由外圍向中心逐漸遞減[27]。從研究區(qū)表面來看，外圍地表裸露度高且有少許人為活動的影響，植被相對中心區(qū)域少，而K又是植物生長所必需的元素，植物生長好的區(qū)域從土壤中吸取可供利用的速效鉀含量就多，說明植物量的多少會導致速效鉀在兩區(qū)域分配不均。0～40 cm 各層含量最大值和最小值差異明顯，表明土壤速效鉀存在本底差異，本實驗區(qū)土壤中速效鉀含量較低，并不等同于總鉀量在土壤中很低，土壤鉀素在剖面中的垂直移動，可能受植被的吸收、氣溫、降水及土壤水分運動的影響。

圖2 各樣帶不同深度土壤速效氮、磷、鉀含量分布特征Fig.2 Distribution characteristics of soil available N,P,K content in different depth and sampling sites 圖中不同大小寫字母分別表示差異P<0.01和P<0.05顯著水平，下同。 Different capital and small letters in a column mean significant at P<0.01 and P<0.05 levels, respectively. The same below.

2.1.4 土壤有機質含量的空間分布特征 如圖3A所示，水平方向SOM含量變化不明顯(F=0.780，P=0.459>0.05)，同樣具體到同土層差異亦不明顯(F=0.397，P=0.686>0.05；F=0.641，P=0.529>0.05；F=0.345，P=0.709>0.05)。該地區(qū)是草本沼澤濕地，地下水位較高，部分區(qū)域微生物分解SOM的外在條件好于地勢稍低區(qū)域和淹水區(qū)。就整個研究區(qū)而言，水平分布差異性可能源于濕地水環(huán)境不同，同時各樣帶處于淹水區(qū)域、微地形各不相同，土壤通氣性差，微生物的活性較低，有利于SOM和氮的積累[28]。

垂直方向SOM含量變化隨著土層深度的增加極顯著增加。各樣帶不同深度SOM存在極顯著差異(F=7.398，P=0.001<0.05；F=18.894，P<0.01；F=16.300，P<0.01)。這可能因為研究區(qū)干旱、高溫的氣候條件下，好氣微生物比較活躍，增加了有機質的礦化分解量，不利于SOM的累積。表層較其他層SOM和AN含量較低可能是由于SOM含量取決于有機物質輸入和輸出量的相對大小，其中有機物質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)，該濕地受人為因素干擾較小，植被覆蓋度較高且均是草本植物，但數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出堿性強的特征，可能濕地處于退化狀態(tài)，加之該自然保護區(qū)為沼澤濕地，土壤熟化程度較低造成SOM含量在垂直方向的差異。

圖3 各樣帶不同深度有機質和全鹽含量空間分布特征Fig.3 Distribution characteristics of organic matter and total salt content in different depth and sampling sites

2.1.5 土壤全鹽含量的空間分布特征 由表1可知，土壤全鹽含量在0.100～3.770 mg/g之間，均值為0.63786 mg/g。水平方向，不同樣帶全鹽含量存在極顯著差異(F=3.979，P=0.022<0.05)，全鹽含量均值由第1樣帶向第2和第3樣帶呈階梯狀下降，全鹽含量均值分別達到(0.83797±0.127243) mg/g，(0.62628±0.093674) mg/g，(0.44878±0.060493) mg/g。其中，水平方向0～10 cm土壤全鹽含量在0.158～3.370 mg/g之間，變化范圍大，3條樣帶組內差異性不是很明顯(F=2.682，P=0.083>0.05)，但多重比較之后，第1和第3樣帶差異性顯著(P=0.029<0.05)，第2樣帶與第1，3樣帶差異不明顯；10～20 cm土壤全鹽含量均值(0.47819±0.084101) mg/g，且在0.162～2.380 mg/g之間，變化范圍較大，差異性顯著(F=3.909，P=0.030<0.05)；20～40 cm土壤全鹽含量均值(0.29506±0.0297357) mg/g，且在0.100～1.600 mg/g范圍之間變化，與其他土層相比變化范圍小但差異性極顯著(F=5.863，P=0.007<0.01)。0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層深度的全鹽含量均有一個共同特點，即土層深度相同的情況下，第1樣帶含量均高于其他兩樣帶且差異性極顯著，原因可能在于該試驗區(qū)域地理位置，3條樣帶中第1樣帶處于保護區(qū)最外圍，通過實地觀察，該區(qū)域外圍植被稀少，地表裸露面積大于其他兩樣帶，pH值第1樣帶高于其他2個樣帶，淹水面積、植被覆蓋率低于其他2個樣帶，加之該實驗區(qū)屬于典型的干旱半干旱區(qū)內陸沼澤濕地，蒸發(fā)強烈，干旱指數(shù)高，年均蒸發(fā)量是年均降水量的近16倍，土壤表層過高的鹽分往往形成鹽結皮。

垂直梯度上，其土壤全鹽含量存在極顯著差異(F=30.363，P<0.01)。各樣帶不同土層差異性極顯著(F=8.855，P<0.01；F=20.072，P<0.01；F=12.669，P<0.01)，鹽分主要集中在0～10 cm的表土層。0～10 cm深度全鹽含量與20～40 cm深度相比差異極顯著(P=0.006<0.01)，表層土壤的鹽分往往是下層土壤鹽分的幾倍甚至是幾十倍，土壤鹽分表聚現(xiàn)象十分明顯(圖3)，從整體和不同深度情況下第1樣帶整體含鹽量顯著高于其他兩樣帶，同時研究區(qū)域為自然保護區(qū)，受人為干擾影響較小，但是保護區(qū)外圍人類活動如大面積開溝引水進行農田灌溉，對保護區(qū)土壤水分和全鹽含量變化有一定的影響，同時也可能與研究區(qū)局部地下水埋深的高低、成土母質及微地形起伏有關。

2.1.6 土壤pH的空間分布特征 該沼澤濕地土壤pH均值為8.585，變化范圍較大，變異系數(shù)6.92%，變異較小，各土層間含量差異幾乎不存在，說明該研究區(qū)域酸堿度分布較均勻，總體呈堿性，空間分布上具有結構性和隨機性特點，存在一定的自相關關系(圖4，表2)。

圖4 pH分布Fig.4 Distribution of pH A：不同樣帶pH值 pH in different nect；B：不同深度pH值 pH in different depth.

樣帶Nect土層深度Soildepth第1樣帶Firstnect0～10cm10～20cm20～40cm第2樣帶Secondnect0～10cm10～20cm20～40cm第3樣帶Thirdnect0～10cm10～20cm20～40cm第1樣帶Firstnect0～10cm1.00010～20cm0.866**1.00020～40cm0.681*0.828**1.000第2樣帶Secondnect0～10cm0.4830.681*0.702*1.00010～20cm0.634*0.779**0.744**0.814**1.00020～40cm0.4380.588*0.4360.4930.5001.000第3樣帶Thirdnect0～10cm0.269-0.0840.178-0.227-0.152-0.2131.00010～20cm0.4820.2480.422-0.0630.0540.0310.815**1.00020～40cm0.4590.4120.4300.1020.252-0.0850.5090.650*1.000

*:在 0.05 水平(雙側)上顯著相關Significant correlation at 0.05 level (bilateral). **:在0.01 水平(雙側)上顯著相關Significant correlation at 0.01 level (bilateral).下同The same below.

水平方向，pH整體含量差異不顯著(F=2.150，P=0.122)，各層亦同(F=0.294，P=0.747；F=1.592，P=0.219；F=0.721，P=0.494)。其中，第1、3樣帶間存在正線性相關(R2=0.316)，并且樣帶間存在多項式相關(R2=0.254)。

垂直分布pH值差異不顯著(F=0.624，P=0.538)，各樣帶不同深度含量不存在明顯差異(F=0.347，P=0.710；F=0.489，P=0.618；F=0.335，P=0.718)，但層與層之間存在極明顯自相關(表2)，0～10 cm與10～20 cm和20～40 cm之間均存在極明顯線性正相關(R2=0.677，R2=0.279)；10～20 cm與20～40 cm土層間存在極明顯對數(shù)相關(R2=0.394)。根據(jù)我國慣用土壤酸堿度分級標準[29]，本實驗區(qū)域pH值小于7.5的中性樣地3.71%，7.5～8.5之間的堿性樣地達到44.45%，8.5～9.5之間的強堿性樣地達到47.22%，大于9.5的堿性極強樣地占4.62%，鹽堿化嚴重，占到研究區(qū)域的96.29%。

2.2 土壤各化學成分之間的關系

西大湖草本沼澤濕地表現(xiàn)為土壤速效磷和速效鉀、有機質和pH值、全鹽和速效鉀含量間垂直變化顯著相關(表3)。速效磷和速效鉀雖然通過相關性分析存在相關，但由于轉化過程不盡相同，存在相關可能是由于它們均來自礦物巖石風化、植被根系吸收等原因造成上高下低的垂直變化趨勢。以往研究中，TN和SOM相關性比較顯著，SOM和TN在隨機性和固定性因子的作用下，好氧微生物分解情況不均勻及水位高低不同，SOM和AN的轉化含量不均，所以本實驗中雖然它們的變化趨勢基本一致，但是相關性卻并不顯著。

2.2.1 土壤有機質含量和pH值關系 根據(jù)表3，得出有機質與pH含量整體相關性不明顯，僅10～20 cm土層深度時呈弱負相關。西大湖濕地屬干旱少雨地區(qū)，有機質微生物分解以及淋溶作用與濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)相比均不強，而且該沼澤濕地自然土壤大多呈堿性和強堿性。在自然條件下，植物的生長對土壤速效養(yǎng)分有著不同的要求和適應，速效養(yǎng)分又來源于微生物對各自有機物質的分解，同時植物生長狀況受土壤酸堿性的影響明顯，該研究區(qū)有機質和pH的整體數(shù)據(jù)較集中、變異程度較低，土壤pH值較高，對植物群落及生物量有較大影響，因此pH含量升高導致有機質含量減小。淋溶作用和有機質含量決定了pH值的高低。

2.2.2 土壤全鹽含量和速效鉀含量關系 表3相關性分析數(shù)據(jù)充分說明土壤全鹽和速效鉀含量空間分布存在極顯著正相關。而通過兩種方法整體分析全鹽含量和速效鉀含量，得出他們之間的相關系數(shù)達到了0.807和0.786。研究區(qū)土壤全鹽含量、速效鉀含量在土壤表層總體較高，隨著土層深度的增加含量均減少，垂直方向呈上高下低的分布格局，極顯著相關(P<0.01)；由圖2C和圖3B看出水平方向全鹽含量和速效鉀含量均由第1樣帶向第2和第3樣帶呈現(xiàn)階梯狀減少趨勢，各土層相關性分別達到了極顯著水平。如圖5所示，兩者冪函數(shù)相關極顯著(R2=0.6624)，土壤全鹽和速效鉀大部分分布在土壤表層中，分層現(xiàn)象明顯且相關，這相同的變化趨勢可能與地下水埋深、礦化度，水分蒸發(fā)、淋溶作用、植被根系吸收運輸、土壤微生物、pH值等有關。

圖5 全鹽含量和速效鉀含量關系Fig.5 Relationship of soil total salt and available K content A:全鹽含量和速效鉀含量整體散點圖Scatter plot of soil total salt and available K；B:不同深度全鹽含量和速效鉀含量散點圖Scatter plot of soil total salt and available K content in different depth.

2.2.3 土壤速效磷和速效鉀關系 土壤速效磷和速效鉀存在極顯著相關關系且線性關系明顯(r=0.304，P<0.01)，線性關系式為y=318.3x+11.07(R2=0.095)。各層相關關系如下，0～10 cm土層深度速效磷和速效鉀的相關系數(shù)r=-0.057，P=0.626，相關關系不明顯；10～20 cm土層深度土壤速效磷和速效鉀的相關系數(shù)r=0.327，P=0.001，y=0.582x+0.005，二項式表示速效磷和速效鉀之間的相關關系式y(tǒng)=2357x2+39.49x+11.00；20～40 cm土層深度土壤速效磷和速效鉀的相關系數(shù)r=0.491，P<0.01，關系式y(tǒng)=1.576x+5.437×10-6。相關分析結果表明，西大湖草本沼澤濕地土層深度、土壤有機質與pH值、全鹽含量和速效鉀含量相關性顯著(表3)。土壤pH對N、P含量的影響是通過影響微生物活動來實現(xiàn)的；大多數(shù)微生物在中性土壤環(huán)境中具有較高的活性，而西大湖濕地土壤 pH 處于7.28～10.55，其堿性土壤環(huán)境可能對微生物活動起抑制作用。此外，土壤有機質和N、P含量變化也可能受土壤粘粒結構變化的影響，由于土壤粘粒含量和水環(huán)境能夠直接影響土壤的通氣性，從而影響土壤微生物的活動，使得土壤全鹽、有機質和速效磷含量與土壤深度呈顯著正相關。

3 討論

3.1 土壤有機質的分布特征及影響因素

本研究區(qū)域表層土壤有機質含量最少，可能由于微生物分解活躍，將有機質分解為可供植物吸收的速效養(yǎng)分的轉換較大，同時土壤自身的理化性質也影響有機質的含量，土壤速效養(yǎng)分主要受制于其有機質的空間分布狀況，同時枯落植被轉化成養(yǎng)分可以不斷回饋到土壤植物根系分布區(qū)，一般草本植物根系都分布在土壤表層，中下層植物根系分布逐漸減少，因而含量逐漸緩慢降低且趨于穩(wěn)定，可能草本沼澤濕地地下水位較低，好氧微生物分解有機質增加，長期積累條件下土壤鹽分表聚強烈且研究區(qū)域內土壤pH值大多呈強堿性，使得有機質隨土層深度增加含量升高，隨微地形的起伏變化含量發(fā)生變化，主要與植物凋落和生物歸還密切相關，而且植物根系分泌物和死根也會增加土壤有機質的含量[30]，與王勇輝等[13]關于干旱區(qū)湖泊濕地土壤的研究存在本質差異。

本實驗區(qū)表層土壤有機質含量較中間層和底層低，可能由于土壤呼吸與其溫度呈正相關，土壤呼吸作用強烈，微生物分解速率快，與王軍靜等[19]在哈拉海蘆葦(Phragmitesaustralis)沼澤濕地土壤的研究中得出的有機質垂直變化一致。以往研究中[31]，全氮和有機質相關性比較顯著，全氮和有機質在隨機性和固定性因子的作用下，好氧微生物分解情況不均及水位高低不同，有機質和速效氮轉化不均，所以本實驗中雖然它們的變化趨勢基本一致，但是相關性卻并不顯著；土壤pH對有機質含量的影響是通過影響微生物活動來實現(xiàn)的；大多數(shù)微生物在中性土壤環(huán)境中具有較高的活性，而西大湖濕地土壤pH以堿性或強堿性為主，其土壤環(huán)境可能對微生物活動起抑制作用，因為土壤過堿，會造成有機質含量低，同時土壤肥力降低，不利植物生長，本研究區(qū)域pH值較高間接影響了土壤粘粒含量和水環(huán)境，這與唐琨等[32]有關pH對植物生長發(fā)育的研究是一致的。此外，有機質和N、P含量變化也可能受土壤物理性質如粘粒結構變化的影響，由于土壤粘粒含量和水環(huán)境能夠直接影響土壤的通氣性，從而影響土壤微生物的活動。因此，土壤過堿條件不僅影響了有機質含量的多少，還會導致土壤物理性質變差，造成土壤和植物的抗逆性減弱，甚至造成不可逆的重大損失，同時濕地抵御自然災害的能力下降，生產能力降低，長此以往，可能會造成濕地不可逆轉性的破壞而功能減退。因此，本研究結果可為黑河濕地國家級自然保護區(qū)區(qū)域尺度上土壤理化特性的空間分布格局研究提供理論依據(jù)。當然，這需要結合植物-土壤-水文相互關系作進一步研究。

3.2 速效養(yǎng)分的分布特征及影響因素

土壤速效養(yǎng)分具有明顯的表聚性[32-33]，本實驗結果顯示速效磷和速效鉀含量的空間變化與前人研究成果一致[27,34-35]，呈現(xiàn)出明顯的上高下低的分層現(xiàn)象，速效氮含量卻是上低下高，含量垂直分布特征隨土壤深度的增加而增加，差異可能由于水分在自然界的重新分配和分布，土壤中速效養(yǎng)分含量變化與土層深度密切相關。該濕地為沼澤濕地，實驗區(qū)距淹水區(qū)較近，底層植物根系較少，對速效養(yǎng)分的需求較表層少[36]，從而影響到土壤速效養(yǎng)分含量的分布情況，而各種人為活動如周邊村民開壕挖溝、引水灌溉及放牧的影響，土壤水分因而產生內部差異，使得土壤養(yǎng)分的空間相關性減弱。郭旭東等[37]認為土壤養(yǎng)分分布由結構性因素(氣候、母質、地形、土壤類型等自然因素可以導致土壤養(yǎng)分的空間相關性增強)和隨機性因素(施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動使得養(yǎng)分的空間相關性減弱)共同作用。自然土壤中的氮主要來源于枯枝落葉和動物尸體，少量來自于大氣和生物固氮，但大氣中氮素的轉換必須通過土壤中固氮菌和藍綠藻的活動才能進入生物體[38]，其所處的水分條件差異及其引起的不同質地土層中速效氮的空間分布變化，本實驗區(qū)表層速效氮的分布格局可能是水位下降、溫度升高導致的蒸發(fā)到大氣環(huán)境中，或者自身轉化快的同時植被吸收利用也快，底層土壤植被根系吸收量少，在這種長期累積的條件下造成速效氮含量獨特的分布特征，加之氮素的賦存形態(tài)和含量是濕地退化的最明顯特征，這種分布說明該沼澤濕地土壤內部循環(huán)減弱，植被吸收調節(jié)變緩，可能該濕地處于微弱的退化階段。

速效氮含量表層明顯高于其他土層，研究結果表明速效氮含量急劇減少，速效磷和速效鉀含量反而處于增加狀況，正常情況下濕地退化后土壤養(yǎng)分積累量急劇下降，隨退化程度增大，土壤逐漸變得貧瘠，多樣性指數(shù)和物種豐富度會表現(xiàn)出增加的趨勢，群落高度變矮，會向低矮型中生群落演替，群落密度、蓋度也逐漸增加[39]，它的升高伴隨著濕地退化加劇的情況出現(xiàn)。植物與土壤是相互作用，相互影響的[32,40-43]。速效養(yǎng)分含量、植物群落種類、生長發(fā)育和空間分布特征也會影響到植物群落特征和分布，濕地植物群落對土壤營養(yǎng)元素的選擇性吸收、歸還和滯留會強烈影響土壤中元素的分布與變化，這會對后期研究實驗區(qū)的植被與速效養(yǎng)分變化特征提供一定的借鑒。

整體上看西大湖沼澤濕地速效鉀含量偏少[37,44]，研究區(qū)沼澤濕地速效養(yǎng)分內幾乎無流動，說明西大湖濕地土壤處于退化狀態(tài)。龐夙等[41]在大尺度大范圍速效養(yǎng)分空間分布研究中發(fā)現(xiàn)土壤速效氮和速效磷含量的空間變異主要受結構性因子影響，而速效鉀含量受結構性因子和隨機性因子共同影響。尚文等[39]和田昆[42]研究發(fā)現(xiàn)，滇西北高原納帕海不同退化程度濕地類型速效氮含量增加是由于濕地土壤水分減少、通氣性增加導致全氮被加速分解，從而更加說明西大湖沼澤濕地正處于退化狀態(tài)。

3.3 pH對營養(yǎng)元素的作用及影響

西大湖濕地是天然草本沼澤濕地，酸堿性受成土因子控制，我國南北氣候差異形成了土壤南酸北堿的穩(wěn)定的地帶性pH分布格局。不同類型的土壤具有不同孔隙度、滲透系數(shù)、保水性和通氣性等，以致土壤中O2及CO2含量均不同，從而影響土壤環(huán)境中的pH；土壤內pH高低受H+含量的影響，草本沼澤濕地土壤孔隙內含氧量與其他濕地類型相比較高，而土壤含水率較低，含水率對H+的影響較小，因而該濕地類型對pH影響也較小。土壤pH值是一個區(qū)域化變量，其影響因素也因地而異，本研究結果顯示pH為弱變異，說明其變異主要是由結構性因素引起，此分布特征不僅反映了它在土壤中分布的總貌，而且在某種程度上包含了地形條件、地下水位、土地利用和土壤類型等環(huán)境因素對其影響的相關信息，土壤pH的變化取決于內因(土壤本身抵制酸堿變化)與外因(外界致酸致堿因素)的共同作用，土壤過堿，影響微生物分解，可能會導致土壤有機質含量低、土壤結構性差、易板結，通氣性、透水性差，肥力降低，從而影響植物的生長[32]。本實驗區(qū)土壤呈強堿性，pH空間變化不明顯，在一些研究中發(fā)現(xiàn)[43]，北方土壤pH變化與土地利用程度有關，土地利用程度越高，pH值反而是一個降低的變化過程，而該實驗區(qū)為國家級自然保護區(qū)，濕地類型為沼澤濕地，土地利用率低，在自然條件下pH相對較高，土壤堿化嚴重，嚴重威脅到該濕地植物的生長環(huán)境，故降低土壤堿性程度，提升土壤肥力，使該地區(qū)利于植被生長的環(huán)境達到一定程度的動態(tài)平衡，減少或者減弱造成濕地破壞或者退化程度，做到合理科學的利用濕地資源將是我們長期要堅持的目標。

3.4 各相關關系存在的重要意義

該區(qū)土壤有機質含量與全鹽含量在不同土層深度相關系數(shù)不同。肥力影響植被的生長情況，本研究與鹽堿地治理中積累的“堿大吃肥，肥大吃堿” 經驗一致[44]，即有機質含量較高土壤的鹽分含量較低，而鹽分較高的有機質含量較低，該地區(qū)土壤鹽分相對過高，有機質含量較低，可以得出植被的生長環(huán)境處于一個不斷惡化的土壤環(huán)境，從而對該濕地保護恢復過程提供了一定的借鑒意義，即降低土壤鹽分含量和提高有機質含量對改善與修復土壤養(yǎng)分具有同等重要的作用。

本研究結果得出土壤速效鉀和全鹽含量的分布具有很大的相關性，土壤速效鉀和全鹽含量較高可能由于部分區(qū)域地勢較低，地下水位較高；全鹽和速效鉀含量有降低的趨勢可能受微地形的起伏變化及周邊植物生長影響，與在濱海鹽堿濕地研究結果[43]基本一致，即各土壤指標的分布與地勢、含水量及鹽堿性有關，說明本實驗區(qū)鹽堿化程度跟濱海鹽堿濕地存在一定相似性。

土壤養(yǎng)分空間分布都有一定規(guī)律可循，各變量趨勢研究可為該地區(qū)土壤養(yǎng)分分區(qū)管理提供理論依據(jù)。西大湖濕地是沼澤濕地，外圍輕微的放牧對速效養(yǎng)分的空間變化產生影響，加之近年來氣溫的升高，蒸發(fā)量增加，土壤含水量的下降，植被的演替，濕地生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和敏感性正在凸現(xiàn)，濕地正在退化，為減少這些內外影響因素，更好地保護、發(fā)展、恢復濕地生態(tài)的穩(wěn)定，必須減少地下水開采，保護植被的生長環(huán)境，減少人為活動的影響，通過一系列生物措施降低該地區(qū)鹽堿化程度，同時人們認識到黑河保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)在干旱半干旱區(qū)涵養(yǎng)水源、保持水土的重要性。土壤空間分布變化是一個很復雜的問題，必須長期致力于該自然保護區(qū)土壤理化特性的研究，以期取得更多的實驗數(shù)據(jù)，為該地區(qū)的發(fā)展及濕地的合理保護提供科學依據(jù)和理論支持。

4 結論

張掖黑河濕地國家級自然保護區(qū)西大湖濕地土壤有機質、速效氮、速效磷、速效鉀和全鹽含量的變異均屬于中等強度變異，各指標含量的變化幅度均較大。土壤有機質含量與速效氮含量變化趨勢一致，其垂直分異顯著，均隨著土層深度的增加含量在顯著增加。說明現(xiàn)階段濕地水位在降低，好氧微生物呼吸作用強烈、活動頻繁，在干旱、高溫等因素的作用下導致速效氮、有機質的分解加快。速效磷、速效鉀含量水平分布具有一致性，含量有隨地勢變化的可能，同時表聚現(xiàn)象明顯；隨土層深度的增加，速效磷、速效鉀含量顯著下降，整個實驗區(qū)垂直變化趨勢一致。

pH值空間變異程度不大，自相關明顯，實驗區(qū)大部分土壤呈強堿性，空間分布受結構性因子影響；pH值很大程度影響土壤有機質和速效養(yǎng)分的吸收轉化且有機質與pH值存在顯著相關性。

當前土壤速效養(yǎng)分、有機質、pH值、全鹽含量的空間分布表明西大湖沼澤濕地處于微弱退化階段。

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Spatial distribution and chemical properties of marsh wetland soil in the Heihe Nature Reserve

BAI Na1, WANG Li1*, KONG Dong-Sheng2

1.CollegeofForestry,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China; 2.HexiEcological&OasisAgriculturalResearchInstitute,HexiUniversity,Zhangye734000,China

The aim of this study was to analyze the spatial distribution of soils with different chemical properties in the marsh wetland of the Heihe Nature Reserve, Zhangye. A field study was conducted in the marsh wetland, and soil samples were collected for chemical analyses in the laboratory. Using spatial distribution instead of time succession, descriptive statistics and linear regressions of data were used to explore the distribution of available nutrients, organic matter, soil total salt content, and pH in the marsh soils. The soil organic matter levels significantly increased with increasing soil depth. As the soil depth increased, the available nitrogen content showed a clear vertical differentiation, first increasing and then decreasing. Available phosphorus, available potassium, and total salt content showed the same distribution patterns; that is, significant accumulation in surface soils. There was no significant difference in the spatial distribution of pH, but soil in this region is alkaline to strongly alkaline. Soil organic matter and pH showed a weak negative correlation, because pH indirectly affects the soil organic matter content by inhibiting growth. The total salt content was strongly correlated with available potassium. The variability coefficients of total salt, soil organic matter, available nitrogen, available phosphorus, and available potassium had medium values, while that of pH had a low value. The marsh wetland in Heihe is deteriorating because of a lack of soil and water conservation in arid and semiarid regions. Long-term experimental research to monitor changes in soils in sensitive areas is required for their protection and restoration.

marsh wetland; available nutrient; total salt; organic matters; spatial distribution; Heihe wetland

10.11686/cyxb2016269

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-07-01；改回日期：2016-11-04

國家自然科學基金項目(31460113)和甘肅省自然科學基金(1308RJZA256)資助。

白娜(1991-)，女，甘肅慶城人，在讀碩士。 E-mail:18709464263@163.com *通信作者Corresponding author. E-mail：wangli@gsau.edu.cn

白娜, 王立, 孔東升. 黑河自然保護區(qū)沼澤濕地土壤化學性質的空間分布特征研究. 草業(yè)學報, 2017, 26(5): 15-28.

BAI Na, WANG Li, KONG Dong-Sheng. Spatial distribution and chemical properties of marsh wetland soil in the Heihe Nature Reserve. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(5): 15-28.