不同圍填海土地利用類(lèi)型對(duì)土壤氮元素的影響

劉本法 顏鳳 喬亞軍

摘要：土壤氮元素是植物生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)元素，不同土地利用類(lèi)型對(duì)土壤氮元素的影響不同。近年來(lái)，濱海濕地的圍墾作為應(yīng)對(duì)土地資源短缺的一個(gè)重要對(duì)策被廣泛地使用，而由圍墾所導(dǎo)致的不同土地類(lèi)型對(duì)土壤氮元素影響方面的研究較少。通過(guò)比較鹽城圍填海區(qū)域蘆葦沼澤、農(nóng)田、鹽田、魚(yú)塘、城鎮(zhèn)建設(shè)和光灘6種土地類(lèi)型對(duì)植物地上生物量、土壤總氮含量、銨態(tài)氮變化量和硝態(tài)氮變化量、土壤氮礦化速率的影響，試圖探討不同土地利用類(lèi)型對(duì)土壤氮元素的影響。研究結(jié)果表明，蘆葦沼澤的植物總生物量遠(yuǎn)高于其他圍填海類(lèi)型;與蘆葦沼澤相比，農(nóng)田和魚(yú)塘土壤總氮含量水平偏高，對(duì)土壤總氮影響較大;農(nóng)田和魚(yú)塘以外的其他土地利用類(lèi)型土壤的銨態(tài)氮含量均呈上升趨勢(shì);魚(yú)塘中土壤硝態(tài)氮含量的增加量顯著高于蘆葦沼澤土地利用類(lèi)型;不同圍填海利用類(lèi)型的氮礦化速率隨著土壤深度的增加而減小，其中魚(yú)塘氮礦化速率顯著高于其他土地利用類(lèi)型。以上研究結(jié)果表明，與其他幾種土地利用類(lèi)型相比，農(nóng)田和魚(yú)塘土地類(lèi)型的總氮含量與硝態(tài)氮含量較高，對(duì)濱海濕地氮元素的平衡有較大影響，應(yīng)適度開(kāi)發(fā)。

關(guān)鍵詞：圍填海;土地利用類(lèi)型;總氮;生物量;氮礦化速率

氮元素是植物生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)元素，也是土壤生產(chǎn)力的重要限制性因子，在濕地生態(tài)系統(tǒng)中顯得尤為重要[1]。土壤中的氮素主要以有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮2種形式存在，其中有機(jī)氮占據(jù)著土壤總氮的主要部分，無(wú)機(jī)氮只占土壤總氮的很少部分[2]。土壤氮礦化是土壤有機(jī)氮向無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化的過(guò)程，土壤氮礦化過(guò)程主要受環(huán)境因子的影響[3]。

近年來(lái)濱海濕地圍墾作為應(yīng)對(duì)土地資源短缺的一個(gè)重要對(duì)策，被全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用[4-6]。圍墾可以顯著改變?yōu)I海濕地土壤的理化性質(zhì)，對(duì)土壤的氮礦化過(guò)程產(chǎn)生巨大影響。大面積的圍墾對(duì)濱海濕地造成諸多不利影響，如改變區(qū)域的潮流運(yùn)動(dòng)特性，引起泥沙沖淤和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)遷移規(guī)律的變化，嚴(yán)重破壞了濱海區(qū)域生態(tài)環(huán)境[7]。如何平衡濱海濕地的發(fā)展及其保護(hù)已成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題[8-12]。隨著圍填海面積越來(lái)越大，怎樣合理規(guī)劃和利用圍填海正成為生態(tài)學(xué)家研究的熱點(diǎn)之一[6，13]。

濱海濕地的圍墾產(chǎn)生了各種不同的土地利用類(lèi)型，而不同土地利用方式是濱海濕地土壤理化特性改變的重要影響因素。有研究表明，河口灘地圍墾后土壤電導(dǎo)率迅速下降，pH值和碳酸鹽含量也顯著下降，而圍墾后的農(nóng)田由于連年的耕作施肥使土壤總氮和有機(jī)碳含量顯著增加，進(jìn)一步加劇了土壤有機(jī)質(zhì)表層與下層的含量差異[14]。Li等也發(fā)現(xiàn)圍墾后的土壤有機(jī)質(zhì)、可利用的磷元素、硝態(tài)氮的空間分布與圍墾時(shí)間與土地利用類(lèi)型緊密聯(lián)系[15]。

氮元素不僅是有機(jī)體內(nèi)核酸和蛋白質(zhì)的基本組成元素，也被認(rèn)為是濱海濕地進(jìn)程，如初級(jí)資源產(chǎn)量的一個(gè)重要的限制性因子，因此研究濱海濕地土壤氮含量的變化顯得尤為重要[16]。土壤氮元素的研究現(xiàn)大多集中在不同濱海濕地對(duì)土壤氮元素的影響方面，而關(guān)于濱海濕地圍墾形成的不同土地類(lèi)型對(duì)土壤氮元素影響方面的研究較少。不同的土地利用方式對(duì)土壤氮元素的影響，如農(nóng)田土地利用類(lèi)型中農(nóng)民施加的氮肥、城建土地類(lèi)型上人類(lèi)建設(shè)活動(dòng)等對(duì)土壤氮元素的影響各不相同。本試驗(yàn)通過(guò)研究鹽城圍填海的6種不同土地利用類(lèi)型（蘆葦沼澤、農(nóng)田、鹽田、魚(yú)塘、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、光灘），對(duì)植物生物量、土壤總氮含量、銨態(tài)氮變化量、硝態(tài)氮變化量、土壤氮礦化速率的影響，試圖揭示不同圍填海土地利用類(lèi)型對(duì)土壤氮元素的影響規(guī)律，以期為濱海濕地圍填?；顒?dòng)的有效管理以及濱海濕地土地的合理利用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 取樣地點(diǎn)和方法

研究地點(diǎn)位于江蘇鹽城32°35′～34°28′N(xiāo)和119°37′～120°53′E，處于亞熱帶區(qū)域。年平均氣溫為13.7～14.8 ℃，年平均降水量是1 010 mm[17]。自然植被群落從沿海到內(nèi)陸呈現(xiàn)分層模式，依次是光灘區(qū)域、互花米草占主導(dǎo)的植被群落、鹽地堿蓬植被群落、白茅草、蘆葦以及其他旱生植被群落;另外，從沿海到內(nèi)陸，海三棱藨草呈現(xiàn)散亂的分布[18]。

通過(guò)對(duì)鹽城圍填海區(qū)域的實(shí)地調(diào)查，結(jié)合不同時(shí)期的遙感影像圖，找出圍填海區(qū)域并確定不同的土地利用類(lèi)型，分為蘆葦沼澤、農(nóng)田、鹽田、魚(yú)塘、城鎮(zhèn)建設(shè)、光灘6種不同的土地類(lèi)型。本試驗(yàn)在江蘇省大豐麋鹿國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和江蘇省射陽(yáng)鹽場(chǎng)及周邊圍填海地區(qū)確定了7個(gè)樣地，即蘆葦沼澤、鹽田、魚(yú)塘、城鎮(zhèn)建設(shè)、小麥農(nóng)田、油菜農(nóng)田、光灘。在2016年的6月中下旬進(jìn)行取樣，每個(gè)樣地隨機(jī)選取4個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采

樣點(diǎn)的大小為30 cm×30 cm，分別采集樣方內(nèi)的土壤與植物部分。土壤樣品分為3層（0～10、10～20、20～30 cm）收集;植物分部位收集，包括根、莖、葉、種子和地上凋落物。

植物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，各個(gè)部位用自來(lái)水分別清洗干凈，然后在80 ℃條件下烘干至恒重用來(lái)計(jì)算各植物部位生物量。土壤樣品用流動(dòng)分析儀分別測(cè)定土壤硝態(tài)氮（NO3--N）和銨態(tài)氮（NH4+-N）含量。另外，在原取樣地點(diǎn)取回土壤進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，用冰箱保存取回來(lái)的濕土，調(diào)節(jié)土壤的含水量為野外自然含水量，置于塑料瓶?jī)?nèi)，用封口膜封好，置于25 ℃的培養(yǎng)箱內(nèi)，遮光培養(yǎng)。每隔一周打開(kāi)封口膜換氣，并加水至培養(yǎng)前的質(zhì)量以補(bǔ)充蒸發(fā)的水量。培養(yǎng)28 d后，測(cè)定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，并分別對(duì)比了室內(nèi)培養(yǎng)前后，不同土地利用類(lèi)型的土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的變化量。

1.2 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用單因素方差分析對(duì)數(shù)據(jù)如下幾個(gè)方面進(jìn)行檢測(cè)：（1）不同土地利用類(lèi)型之間植物生物量的差異顯著性;（2）土壤總氮含量、硝態(tài)氮變化量、銨態(tài)氮變化量、土壤氮礦化速率在同一土壤深度下不同土地利用類(lèi)型之間的差異顯著性;（3）土壤總氮含量、硝態(tài)氮變化量、銨態(tài)氮變化量、土壤氮礦化速率在同一土地類(lèi)型不同土壤深度之間的差異顯著性。

其中，鹽田、魚(yú)塘、城鎮(zhèn)建設(shè)、光灘4種土地利用類(lèi)型的土樣中基本沒(méi)有植物，無(wú)法做生物量分析，因此，筆者比較了蘆葦沼澤、小麥農(nóng)田、油菜農(nóng)田這3種土地利用方式的植物生物量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類(lèi)型的植物生物量

蘆葦沼澤的植物總生物量為（5 763.00±543.52） g/m2，遠(yuǎn)高于小麥農(nóng)田和油菜農(nóng)田，幾近小麥農(nóng)田和油菜農(nóng)田的2倍（表1）。從植物根部生物量來(lái)看，蘆葦沼澤最高，而油菜農(nóng)田最低;從植物莖的生物量來(lái)看，也是蘆葦沼澤最高，而小麥農(nóng)田最低;從植物葉子的生物量來(lái)看，油菜農(nóng)田最高，小麥農(nóng)田最低;從植物種子的生物量來(lái)看，小麥農(nóng)田最高而蘆葦沼澤最低，與植物莖正好相反;從植物地上凋落物種子的生物量來(lái)看，蘆葦沼澤最高而油菜農(nóng)田最低，規(guī)律與植物根部生物量一致。

2.2 不同土地利用類(lèi)型土壤總氮含量

由圖2可知，除城建外的各個(gè)土地類(lèi)型的土壤總氮含量都隨著土壤深度的增加而減少;城建土壤總氮含量在10～20 cm 的土壤深度時(shí)最高，在20～30 cm時(shí)最低;魚(yú)塘土地利用類(lèi)型各個(gè)土壤深度中的總氮含量都遠(yuǎn)高于其他類(lèi)型，其次為農(nóng)田和蘆葦沼澤土地類(lèi)型，鹽田、光灘和城建土地類(lèi)型土壤總氮相對(duì)來(lái)說(shuō)較低。在深度為0～10 cm的土壤中，魚(yú)塘土壤總氮含量最高，城建最低;在深度為10～20 cm的土壤中，魚(yú)塘總氮含量最高，鹽田最低;在深度為20～30 cm的土壤中，魚(yú)塘總氮含量最高，而鹽田與城建總氮含量相差不大且較低。

2.3 不同土地利用類(lèi)型對(duì)土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮變化量的影響

由圖3可知，室內(nèi)培養(yǎng)之后，農(nóng)田、魚(yú)塘的土壤銨態(tài)氮含量在各土壤深度均有所減少，其中土壤深度越深農(nóng)田銨態(tài)氮減少量越小，魚(yú)塘銨態(tài)氮減少量越大;鹽田、光灘、城建的土壤銨態(tài)氮含量在各土壤深度都有增加，其中鹽田的土壤銨態(tài)氮含量隨著土壤深度的增加而增加，光灘在土壤深度為0～10 cm 時(shí)銨態(tài)氮增加量最小，在土壤深度為10～20 cm時(shí)最大，而城建與鹽田的變化規(guī)律相反;此外，蘆葦沼澤類(lèi)型在土壤深度為0～10 cm中的銨態(tài)氮含量降低，而在10～20 cm和20～30 cm時(shí)含量增加。在0～10 cm時(shí)，農(nóng)田、魚(yú)塘和蘆葦沼澤銨態(tài)氮含量減少，而鹽田、光灘和城建增加;在10～20 cm時(shí)，農(nóng)田和魚(yú)塘銨態(tài)氮含量減少，其他類(lèi)型都有所增加，其中鹽田增加量最大;在20～30 cm時(shí)，規(guī)律與10～20 cm一致。

在室內(nèi)培養(yǎng)之后，各土地利用類(lèi)型土壤硝態(tài)氮含量均有所增加，且隨著土壤深度地增加其硝態(tài)氮含量增加量越小;其中魚(yú)塘土地利用類(lèi)型的土壤硝態(tài)氮含量增加顯著高于其他土地利用類(lèi)型（圖4）。在土壤深度為0～10 cm時(shí)，魚(yú)塘硝態(tài)氮含量增加最大，城建類(lèi)型最小;在土壤深度為10～20 cm時(shí)，魚(yú)塘硝態(tài)氮增加量最大，城建最小且其增加量幾乎為零;在 20～30 cm土壤深度時(shí)，魚(yú)塘硝態(tài)氮含量增加最大，而鹽田硝態(tài)氮增加量最小。

2.4 不同土地利用類(lèi)型氮礦化速率的差異

所有土地利用類(lèi)型的氮礦化速率都隨著土壤深度的增加而減?。▓D5）。在各個(gè)土層深度中，魚(yú)塘的氮礦化速率遠(yuǎn)高于其他土地利用類(lèi)型，城鎮(zhèn)建設(shè)土地利用類(lèi)型氮礦化速率最低。其中，農(nóng)田和魚(yú)塘土地利用類(lèi)型的土壤氮礦化速率在各個(gè)土壤深度中都高于蘆葦沼澤;在土壤深度為0～10 cm時(shí)，鹽田氮礦化速率高于蘆葦沼澤，而在10～20 cm和20～30 cm低于蘆葦沼澤;光灘和城建都比蘆葦沼澤低。

3 討論與結(jié)論

不同土地利用方式對(duì)植物生物量的影響各不相同，試驗(yàn)結(jié)果表明自然濱海濕地蘆葦沼澤的植物總生物量顯著高于小麥農(nóng)田和油菜農(nóng)田，而其他幾種土地類(lèi)型的植物生物量基本為零，這與人類(lèi)對(duì)圍墾區(qū)域的不同利用方式密切相關(guān)。

對(duì)不同土地類(lèi)型的土壤總氮含量分析可知，魚(yú)塘土地利用類(lèi)型在各土壤層中的總氮含量顯著高于其他類(lèi)型，這是由于長(zhǎng)期的水淹作用導(dǎo)致魚(yú)塘營(yíng)養(yǎng)元素滯留，使土壤氮元素的有效來(lái)源增加[19]，氮積累的速率增加，從而大大增加了土壤中的總氮含量。農(nóng)田土地利用類(lèi)型也顯示了較高的總氮含量水平，這與農(nóng)田土壤施加大量氮肥有關(guān)。彭佩欽等研究發(fā)現(xiàn)，施用中量或者高量有機(jī)肥能使土壤總氮含量提高39.8%～51.7%[20]。自然狀態(tài)下，隨著土壤深度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少，土壤總氮含量減少，本試驗(yàn)結(jié)果顯示蘆葦沼澤土地利用類(lèi)型的總氮含量隨著土壤深度的增加而減少，符合這一規(guī)律。

土壤中的無(wú)機(jī)氮主要以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的形式存在，是植物生長(zhǎng)過(guò)程中重要營(yíng)養(yǎng)元素，由于土壤中無(wú)機(jī)氮含量非常少，只占土壤總氮含量的1%～2%[1]，所以對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮的研究非常重要。本試驗(yàn)結(jié)果顯示：室內(nèi)培養(yǎng)之后，農(nóng)田和魚(yú)塘土地利用類(lèi)型的銨態(tài)氮含量在各土壤深度都有所減少，這可能是因?yàn)檗r(nóng)田中農(nóng)民的施肥耕作和魚(yú)塘中的漁業(yè)養(yǎng)殖活動(dòng)，使得銨態(tài)氮釋放速率加快;鹽田和光灘土地類(lèi)型土壤銨態(tài)氮含量在各土壤深度都有所增加，這與頻繁水淹、土壤無(wú)法松動(dòng)有關(guān);蘆葦沼澤在0～10 cm的土壤深度中銨態(tài)氮含量減少，而在10～20 cm和20～30 cm的土壤深度時(shí)增加，說(shuō)明自然濱海濕地土壤銨態(tài)氮含量在土壤表層是減少的，在土壤深層是增加的，這與土壤中的硝化細(xì)菌的活性密切相關(guān)。土壤表層通氣性良好，硝化細(xì)菌的活性較高，而在深層土壤中硝化細(xì)菌的活性較低。

魚(yú)塘土地利用類(lèi)型的土壤硝態(tài)氮含量增加顯著高于其他土地利用類(lèi)型，這是因?yàn)轸~(yú)塘的水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)使底泥中的有機(jī)質(zhì)含量較高，進(jìn)而提高了魚(yú)塘中的異養(yǎng)硝化速率，使得魚(yú)塘中的硝態(tài)氮含量較高。農(nóng)田的硝態(tài)氮含量增加也比較高，這與農(nóng)民頻繁的耕作活動(dòng)密不可分，農(nóng)民經(jīng)常往農(nóng)田里面施加氮肥，而氮肥在土壤中經(jīng)過(guò)一系列的轉(zhuǎn)化形成硝態(tài)氮，使得土壤中的硝態(tài)氮含量明顯增加。城鎮(zhèn)建設(shè)土地利用類(lèi)型的硝態(tài)氮含量幾乎沒(méi)有變化，這是因?yàn)槿祟?lèi)的建設(shè)活動(dòng)使得土壤得不到松動(dòng)，以致硝態(tài)氮含量沒(méi)有變化。另外，蘆葦沼澤的硝態(tài)氮含量變化并不大，可以推測(cè)，在自然狀態(tài)下濱海濕地的硝態(tài)氮含量變化可能不大。

土壤氮礦化可以將土壤中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮，這個(gè)過(guò)程基本決定了土壤中有多少氮元素可以被植物吸收利用[21-22]。氮礦化對(duì)不同環(huán)境因子的變化很敏感，如土壤溫度、地下水位和土壤理化性質(zhì)[22-26]，而圍墾所形成的不同土地利用類(lèi)型對(duì)土壤的理化特性改變不一樣，因此對(duì)其土壤氮礦化速率的影響也有所不同[27-29]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，不同土地利用類(lèi)型的氮礦化速率隨著土壤深度的增加而減小，這是由于隨著土壤深度的增加，微生物數(shù)量迅速減少，土壤透氣性逐漸降低，可供降解的有機(jī)物質(zhì)越來(lái)越少[30]。蘆葦沼澤土地利用類(lèi)型氮礦化速率基本高于光灘和城鎮(zhèn)建設(shè)土地類(lèi)型，低于魚(yú)塘和農(nóng)田土地利用類(lèi)型，而在土壤深度為0～10 cm時(shí)低于鹽田，在10～20、20～30 cm時(shí)高于鹽田，可知不同圍填海土地利用類(lèi)型對(duì)濱海濕地的土壤氮礦化速率影響不同。其中魚(yú)塘土地類(lèi)型的氮礦化速率顯著高于其他土地類(lèi)型，這是因?yàn)轸~(yú)塘里面魚(yú)的廢物排泄和大量的底棲動(dòng)物的活動(dòng)，大大增加了魚(yú)塘中的有機(jī)物質(zhì)含量。

相較于其他4種土地利用類(lèi)型，魚(yú)塘和農(nóng)田土地利用類(lèi)型對(duì)土壤總氮和硝態(tài)氮含量影響較大，對(duì)濱海濕地氮元素的平衡有較大影響，在進(jìn)行圍墾活動(dòng)時(shí)應(yīng)保持合適的規(guī)模;不同土地利用類(lèi)型對(duì)土壤銨態(tài)氮含量的影響不同，其中農(nóng)田和魚(yú)塘土地類(lèi)型的銨態(tài)氮含量在各個(gè)土壤深度都有所下降，鹽田、光灘和城鎮(zhèn)建設(shè)土地類(lèi)型的銨態(tài)氮含量在各土壤深度都有所增加，這對(duì)于今后濱海濕地圍墾形成哪種土地類(lèi)型有較大參考價(jià)值;魚(yú)塘土地類(lèi)型氮礦化速率顯著高于其他土地類(lèi)型，對(duì)自然濱海濕地的氮元素影響較大。

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