鄱陽(yáng)湖濕地蚌湖淺層土壤氮素含量的梯度特征

劉郁林， 劉用剛， 林世滔， 謝冬明

(1.江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院，江西贛州 341000； 2.江西省吉安市山江湖開發(fā)治理委員會(huì)辦公室，江西南昌 330046；3.江西科技師范大學(xué)，江西南昌 330038)

濕地土壤是濕地生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，具有維持生物多樣性，分配和調(diào)節(jié)地表水分，過濾、緩沖、分解、固定、降解有機(jī)物和無機(jī)物以及維持歷史文化遺跡等功能。它是濕地獲取化學(xué)物質(zhì)的最初場(chǎng)所，也是濕地發(fā)生化學(xué)變化的中介[1]。與陸地土壤和水成土壤相比，濕地土壤具有其特殊性，在濕地特殊的水文條件和植被條件下，濕地土壤有著自身獨(dú)特的形成和發(fā)育過程，表現(xiàn)出不同于一般陸地土壤的特殊理化性質(zhì)和生態(tài)功能[2]。濕地土壤氮素作為濕地營(yíng)養(yǎng)水平重要的指示劑，是濕地土壤中的主要限制性養(yǎng)分，也是引發(fā)江河、湖泊等永久性淹水濕地發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的重要因子之一[3-4]。濕地土壤是氮的重要儲(chǔ)庫(kù)，發(fā)揮著源、匯、轉(zhuǎn)化器的重要功能，氮素在濕地土壤中的含量及其遷移轉(zhuǎn)化過程顯著影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能以及濕地生產(chǎn)力[5-7]。

鄱陽(yáng)湖是一個(gè)過水性、吞吐型的淺水湖泊，也是我國(guó)最大

的淡水湖泊濕地和國(guó)際重要濕地[8]。本研究主要探討鄱陽(yáng)湖濕地蚌湖淺層土壤中全氮含量、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、堿解氮含量。土壤全氮是土壤有機(jī)態(tài)氮和無機(jī)態(tài)氮2種形態(tài)氮的總和，大部分以有機(jī)態(tài)氮的形式存在，無機(jī)態(tài)氮一般占全氮的5%左右[9]。土壤堿解氮主要包括無機(jī)態(tài)氮及易水解的有機(jī)態(tài)氮(氨基酸、酰胺和易分解的蛋白質(zhì)等)，它們是反映土壤供氮能力和衡量氮素水平高低的重要指標(biāo)[10-11]。土壤硝態(tài)氮是可被植物吸收利用的礦質(zhì)氮，不被土壤吸附而易造成淋失，因此濕地土壤中硝態(tài)氮含量的季節(jié)變化特征除與植物吸收作用有關(guān)外，還受融雪補(bǔ)給、大氣氮沉降、水分條件、凍層深度以及土壤結(jié)構(gòu)等因素的影響[12]。銨態(tài)氮是一種有效態(tài)氮素，可被植物直接吸收利用，其含量變化顯著影響著濕地土壤氮素的遷移轉(zhuǎn)化過程和濕地植物生產(chǎn)力[13]。因此，開展鄱陽(yáng)湖濕地微觀尺度下水位梯度變化土壤氮素分布規(guī)律的研究更具有科學(xué)性，有助于揭示微觀尺度下水位變化的湖泊濕地土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的響應(yīng)規(guī)律，以期為濕地生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分管理和生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

蚌湖位于鄱陽(yáng)湖自然保護(hù)區(qū)的東北端，地理位置為29°8′27″～29°17′30″N，115°1′4″～115°53′45″E，處于江西省的北部，長(zhǎng)江中下游南岸[14]。蚌湖屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)型氣候，主要受西伯利亞寒流和副熱帶高壓影響，具有冬春寒、夏多雨、秋旱特征，年降水量超過1 640 mm，主要集中在4—6月[15-16]。水位變化非常明顯，年內(nèi)變幅超過10 m，年際間最大變幅達(dá) 16.69 m[17]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究試驗(yàn)樣地選址在鄱陽(yáng)湖濕地(圖1)。試驗(yàn)時(shí)間為2016年1月14—16日，按照濕地水位梯度，從10 m(星子水文站，吳淞高程，下同)水位至17 m水位區(qū)間，以1 m落差分別設(shè)置7個(gè)采樣區(qū)(即10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5 m)，每個(gè)采樣區(qū)設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，共21個(gè)采樣點(diǎn)。采樣區(qū)和采樣點(diǎn)設(shè)置的條件包括：(1)采樣點(diǎn)到等高線的距離比較均勻，一般位于高程線的中間部位；(2)可達(dá)性，地勢(shì)平坦，即方便取樣；(3)同一采樣區(qū)中的采樣點(diǎn)間隔距離在150 m以上；(4)沒有人類活動(dòng)干擾的痕跡。在取樣點(diǎn)處用不銹鋼取土器分別獲得0～10(上層)、10～20(下層) cm 2個(gè)土層的各5個(gè)土樣，將5個(gè)土樣充分混合后裝入密封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理。采樣點(diǎn)的植被群落分別是16.5 m主要為狗牙根群落，15.5 m為假儉草群落，14.5 m為南荻群落，13.5 m為薹草群落，12.5 m為薹草群落，11.5 m為水田碎米薺群落，10.5 m 為水田碎米薺群落。地上生物量取樣方法是在取樣點(diǎn)處，用事先做好的1 m2不銹鋼圈輕放于具有代表性的草地上，在1 m2的樣方內(nèi)，齊地收集植物的地上生物量，清查樣方中的凋落物，用密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

1.3 水文數(shù)據(jù)來源及說明

水文數(shù)據(jù)為星子水文站(1954—2013年)的歷年逐日平均水位數(shù)據(jù)，水位高程為吳淞高程。鄱陽(yáng)湖是吞吐型湖泊，年內(nèi)和年際水位變化極為明顯。根據(jù)近60年的逐日水位數(shù)據(jù)，對(duì)不同海拔高程的淹水時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由表1可知，鄱陽(yáng)湖不同高程的淹水時(shí)間呈明顯的梯度特征，不同高程淹水天數(shù)隨著高程的增加而減少。由于鄱陽(yáng)湖水位年際變差比較大，即使在同一高程，不同年份的淹水天數(shù)差異也非常明顯，淹水天數(shù)的年最大值和年最小值之差最小僅為166 d，最大的達(dá)到211 d；同一高程淹水時(shí)間的年際差異最大值出現(xiàn)在12 m高程。這說明鄱陽(yáng)湖洲灘水位梯度非常明顯，年際淹水時(shí)間變化較為明顯。

表1 鄱陽(yáng)湖年淹水時(shí)間(1954—2013年)

1.4 樣品分析方法

將獲取的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)方法》[18]中土壤容重和含水量檢測(cè)方法計(jì)算土壤容重和含水率。采用半微量凱氏法測(cè)定全氮含量[19]；采用氯化鉀提取-流動(dòng)分析儀法測(cè)定銨態(tài)氮含量；采用氯化鉀提取-流動(dòng)分析儀法(類似傳統(tǒng)的靛酚藍(lán)比色法)測(cè)定硝態(tài)氮含量；采用《土壤理化分析》[20]中的擴(kuò)散吸收法測(cè)定堿解氮含量。將獲取的生物量帶回實(shí)驗(yàn)室用清水沖洗，除去泥沙，然后進(jìn)行烘干稱質(zhì)量，80 ℃恒溫條件下烘干至少 48 h 至恒質(zhì)量[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 洲灘生物及生物量特征

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，鄱陽(yáng)湖濕地蚌湖維管束植物的分布特征由湖岸至湖底依次為假儉草(狗牙根)群落(16.5 m)、南荻群落(14.5 m)、薹草群落(分布寬度最大，在高程10.5～14.5 m均有分布)、水田碎米薺群落(10.5～11.5 m)。由圖2可知，蚌湖最高的生物量干質(zhì)量是在高程14.5 m；最低生物量干質(zhì)量是在高程10.5 m；高程為16.5 m時(shí)，生物量干質(zhì)量也較低。從調(diào)查結(jié)果來看，南荻群落具有較高的生物量，而水田碎米薺群落的生物量較低。南荻群落具有高密度、物種高大等特征，平均株高達(dá)到1.5 m，平均蓋度為95%，植株粗壯、葉片豐茂，因而具有較高的生物量，而水田碎米薺群落具有低密度、物種矮小等特征，平均株高不足20 cm，平均蓋度為30%，植株莖葉含水量較高，因而群落生物量較低。

2.2 土壤氮素物質(zhì)梯度特征

由圖3-a可知，鄱陽(yáng)湖濕地蚌湖淺層土壤中全氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現(xiàn)遞增到遞減的變化過程，上層土壤全氮變化值為0.81～2.16 g/kg，下層土壤全氮變化值為0.78～1.13 g/kg。上層土壤全氮的最高含量出現(xiàn)在高程14.5 m，下層土壤全氮含量變化不及上層變化明顯，但其土壤全氮最高含量仍出現(xiàn)在高程14.5 m，上層土壤的全氮含量明顯高于下層土壤。

由圖3-b可知，鄱陽(yáng)湖濕地蚌湖淺層土壤銨態(tài)氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現(xiàn)遞減到遞增的變化過程，上層土壤銨態(tài)氮含量變化值為8.33～22.41 mg/kg，下層土壤銨態(tài)氮變化值為6.8～25.65 mg/kg。上層土壤中銨態(tài)氮最高含量出現(xiàn)在高程10.5 m，下層土壤銨態(tài)氮含量變化與上層土壤銨態(tài)氮含量變化呈現(xiàn)相似的規(guī)律，其土壤銨態(tài)氮的最高含量同樣出現(xiàn)在高程10.5 m；上層土壤銨態(tài)氮含量基本均高于下層土壤。

由圖3-c可知，鄱陽(yáng)湖濕地蚌湖淺層土壤硝態(tài)氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現(xiàn)遞增到遞減的變化過程，上層土壤硝態(tài)氮含量變化值為0.82～2.81 mg/kg，下層土壤硝態(tài)氮含量變化值為0.84～1.70 mg/kg。上層土壤中硝態(tài)氮的最高含量出現(xiàn)在高程14.5 m，下層土壤硝態(tài)氮含量變化與上層土壤硝態(tài)氮含量變化呈現(xiàn)相似的規(guī)律，其土壤硝態(tài)氮的最高含量同樣出現(xiàn)在高程14.5 m；上層土壤硝態(tài)氮含量基本均高于下層土壤。

由圖3-d可知，鄱陽(yáng)湖濕地蚌湖淺層土壤堿解氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現(xiàn)遞增到遞減的變化過程，上層土壤堿解氮含量變化值為84.53～165.38 mg/kg，下層土壤堿解氮含量變化值為56.35～93.1 mg/kg。上層土壤中堿解氮最高含量出現(xiàn)在高程 14.5 m，下層土壤堿解氮含量變化與上層土壤堿解氮含量變化呈現(xiàn)相似的規(guī)律，其土壤堿解氮的最高含量同樣出現(xiàn)在高程14.5 m；上層土壤堿解氮含量均高于下層土壤。

從分析結(jié)果來看，除銨態(tài)氮外土壤氮素中的全氮、硝態(tài)氮、堿解氮，其最高含量的空間分布與地上生物量的空間分布具有一致性，即最高值均出現(xiàn)在高程14.5 m。土壤上層氮素含量普遍高于土壤下層，表面土壤表層的氮素富集較高，也進(jìn)一步說明了濕地植物對(duì)土壤氮素的吸附作用。

2.3 土壤氮含量與高程、地上生物量、淹水時(shí)間的關(guān)系

Person相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果(表2、表3)表明，上層土壤(0～10 cm)中銨態(tài)氮含量在0.01水平上與地上生物量存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；全氮含量、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、堿解氮含量與高程、淹水天數(shù)平均值均不存在顯著相關(guān)關(guān)系。下層土壤(10～20 cm)中，銨態(tài)氮含量在0.01水平上與高程、地上生物量均存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與淹水天數(shù)最大值、淹水天數(shù)平均值在0.05水平上均存在顯著正相關(guān)關(guān)系；全氮含量、硝態(tài)氮含量、堿解氮含量與高程、淹水天數(shù)、地上生物量均不存在顯著相關(guān)關(guān)系。

表2 淺層土壤(0～10 cm)各指標(biāo)相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果

注：“**”“*”分別表示在0.01、0.05水平上顯著相關(guān)，下表同。

表3 淺層土壤(10～20 cm)各指標(biāo)相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果

相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果表明，淺層土壤氮素含量的空間梯度與現(xiàn)有環(huán)境因素(高程、淹水天數(shù)、地上生物量)具有一定的相關(guān)性，但相關(guān)性并不顯著，這反映了鄱陽(yáng)湖濕地蚌湖淺層土壤氮量的空間分布與積累過程受環(huán)境控制的因素比較復(fù)雜。

3 討論

影響土壤氮素循環(huán)與收支的因素較多，物理、化學(xué)和生物作用過程在不同的界面中共同存在，包括不同形式的混合、淋濾、吸附和微生物作用等，所有這些都影響著氮循環(huán)的方向和速度。但濕地植物被認(rèn)為是影響土壤發(fā)育和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集的關(guān)鍵性因素[21-23]。本研究結(jié)果與Yoo等研究結(jié)果[21]相似，在分析土壤氮素含量與其他因素的相關(guān)性時(shí)，銨態(tài)氮含量與地上生物量表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。例如在高程14.5 m，地上生物量較高，土壤中的氮素除銨態(tài)氮以外，全氮含量、硝態(tài)氮含量、堿解氮含量也較高。這一結(jié)果進(jìn)一步證明了濕地植物對(duì)濕地土壤發(fā)育和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集的重要性。

濕地土壤氮素含量與水位梯度的相關(guān)性研究是學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)之一[24]。譚波對(duì)三峽消落帶的研究結(jié)果表明，淹水時(shí)間對(duì)土壤氮素含量有影響，不過淹水時(shí)間較長(zhǎng)的地帶并不是氮含量最高的地帶，而淹水和落干時(shí)間相當(dāng)更有利于氮的積累，但淹水時(shí)間過短也會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分積累減少[25]。王維奇等研究表明，土壤碳氮比、碳磷比、氮磷比在近潮溝區(qū)域表現(xiàn)為隨著淹水頻率的增加而減小，遠(yuǎn)近潮溝同種植物類型的濕地土壤碳氮比、碳磷比、氮磷比則表現(xiàn)為隨著淹水頻率的增加而增大[26]。然而土壤氮素含量變化特征與水位梯度變化并不完全同步。付珊等研究認(rèn)為，不同水位梯度下，土壤碳氮比與有機(jī)碳儲(chǔ)量變化不完全同步，表明土壤碳儲(chǔ)量是由碳含量和容重共同決定的[27]。王維奇等研究也表明，土壤碳氮比、碳磷比、氮磷比對(duì)淹水頻率響應(yīng)模式的差異與濕地上覆植被密切相關(guān)[26]。Sleutel等研究認(rèn)為，土壤容重會(huì)影響土壤氮的礦化過程，從而影響土壤的氮循環(huán)[28]?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，淹水時(shí)間對(duì)于濕地土壤氮素的循環(huán)規(guī)律影響較為復(fù)雜，兩者之間沒有顯著的線性相關(guān)性。本研究結(jié)果同樣證明淹水時(shí)間對(duì)洲灘氮素空間分布特征影響較為復(fù)雜，不同氮素物質(zhì)對(duì)水位梯度的響應(yīng)特征不一。

蚌湖是一個(gè)水位波動(dòng)性較為明顯的淺水湖泊，年內(nèi)和年際水位變化明顯，蚌湖洲灘處于交替淹水過程，低海拔高程洲灘淹水時(shí)間過長(zhǎng)，洲灘光照時(shí)間較短，不利于洲灘植物的正常生長(zhǎng)，過低的生物氮沉淀，減少了土壤氮的積累[29]。高海拔高程洲灘退水時(shí)間過長(zhǎng)，地下水位較低，而洲灘植物根系較淺，造成洲灘植物水分不足，也不利于洲灘植物的正常生長(zhǎng)，降低了生物氮沉淀，從而減少了土壤氮的積累[30]。而處于高程14～15 m的區(qū)域，裸露時(shí)間適合洲灘植物的生長(zhǎng)周期，水熱條件有助于洲灘植物的物質(zhì)富集，增加了土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)累積，因此土壤中的氮素物質(zhì)含量較高。

4 結(jié)論

淺層土壤全氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現(xiàn)遞增到遞減的變化過程。土壤全氮最高含量出現(xiàn)在高程14.5 m，上層土壤全氮含量明顯高于下層土壤。

淺層土壤銨態(tài)氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現(xiàn)遞減到遞增的變化過程。土壤銨態(tài)氮最高含量出現(xiàn)在高程10.5 m，上層土壤銨態(tài)氮含量基本均高于下層土壤。

土壤硝態(tài)氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現(xiàn)遞增到遞減的變化過程。土壤硝態(tài)氮最高含量出現(xiàn)在高程14.5 m，上層土壤硝態(tài)氮含量基本均高于下層土壤。

土壤堿解氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現(xiàn)遞增到遞減的變化過程。土壤堿解氮最高含量出現(xiàn)在高程14.5 m，上層土壤堿解氮含量均高于下層土壤。

SPSS雙變量中的Person相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果表明，上層土壤(0～10 cm)中全氮含量、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、堿解氮含量與高程、淹水天數(shù)平均值均不存在顯著相關(guān)性，銨態(tài)氮含量在0.01水平上與地上生物量存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。下層土壤(10～20 cm)中，銨態(tài)氮含量與高程、地上生物量在0.01水平上存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與淹水天數(shù)最大值、淹水天數(shù)平均值均在0.05水平上存在顯著正相關(guān)關(guān)系；全氮含量、硝態(tài)氮含量、堿解氮含量與高程、淹水天數(shù)、地上生物量均不存在顯著相關(guān)關(guān)系。

相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果表明，淺層土壤氮素含量的空間梯度與現(xiàn)有環(huán)境因素(高程、淹水天數(shù)、地上生物量)具有一定的相關(guān)性，如地上生物量較高的高程14.5 m，除銨態(tài)氮含量以外，全氮含量、硝態(tài)氮含量、堿解氮含量較高，但是相關(guān)性并不顯著，這反映了蚌湖淺層土壤氮素含量的空間梯度特征是環(huán)境因素綜合作用的結(jié)果。

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