鄱陽湖濕地典型植被群落土壤養(yǎng)分有效性特征

崔 乾， 苗雨青,2,3， 周 光， 汪夢甜， 孫奕琳， 張平究

(1．安徽師范大學(xué) 江淮流域地表過程與區(qū)域響應(yīng)安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241003;2.江西師范大學(xué) 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室，江西 南昌 330022;3．中國科學(xué)院 南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008;4.江蘇省常熟市昆承中學(xué)，江蘇 常熟 215500)

引 言

濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間具有獨特的水文、土壤、植被等特征的過渡系統(tǒng)，不僅在調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)和保護(hù)生物多樣性等方面具有重要作用，而且作為土壤養(yǎng)分元素(氮、磷、鉀)的源、匯或轉(zhuǎn)換器，具有重要的生態(tài)功能[1]。這些生態(tài)功能的發(fā)揮取決于濕地土壤與植被之間頻繁的物質(zhì)和能量交換[2]。濕地土壤為植物的生存提供物質(zhì)基礎(chǔ)，其理化性質(zhì)是影響植物生長發(fā)育的關(guān)鍵指標(biāo)。如：土壤含水量直接影響土壤顆粒粘性和毛管的吸附能力，影響著土壤的生產(chǎn)力[3]；土壤pH值能直接和間接影響植物的生長狀況[4]；土壤有機(jī)質(zhì)是濕地植物的主要營養(yǎng)源，直接影響濕地植物的生長，進(jìn)而影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮[3,5-6]。同樣，水文過程變化引起濕地植被群落的變化會顯著影響濕地土壤理化指標(biāo)如土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分元素的分布[7-8]。因此，研究不同植物群落下的濕地土壤理化性質(zhì)尤其是土壤速效養(yǎng)分元素的特征具有重要的理論價值與實際意義。

鄱陽湖是我國最大的淡水湖泊，首批國家重點保護(hù)濕地之一，具有國際性意義[9]。目前，對鄱陽湖濕地的研究大多關(guān)注在植被[10-13]和水文方面[14-16]，對土壤的研究相對較少，僅有一些學(xué)者對鄱陽湖濕地土壤微生物[17-19]和養(yǎng)分元素分布特征[20-22]進(jìn)行了相關(guān)研究。在全球氣候變化和大型水利工程的影響下，鄱陽湖水文情勢會發(fā)生很大改變，從而造成植被演替及土壤理化性狀的變化[12]，這必然會影響土壤養(yǎng)分元素的分布特征。本文通過研究鄱陽湖南磯山濕地3種典型植被下土壤顆粒組成、含水量和pH以及碳氮磷鉀等養(yǎng)分元素特征，探究植被演替對土壤養(yǎng)分元素的影響，為濕地土壤生態(tài)功能的認(rèn)識及濕地保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南磯山濕地自然保護(hù)區(qū)(28°52.35′-29°06.77′N，116°10.4′-116°23.83′E)位于鄱陽湖主湖區(qū)南部，是贛江南、中、北三條支流匯入鄱陽湖水域的過渡地帶，該地植物分布受全年水位大幅升降變動影響，自湖岸帶向湖心植被呈帶狀分布，主要類型依次為蘆葦-苔草(Phragmitescommunis-Carex.cinerascens)混合群落、南狄(Triarrhenalutarioriparia)和苔草(Carex.cinerascens)群落[8]。研究區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，夏季潮熱，冬季干冷。多年(1981—2010年)平均氣溫18.1℃，1月平均氣溫最低為5.6℃，7月平均氣溫最高為29.7℃；年均降雨量1594mm，多集中在4-8月。

1.2 土壤樣品采集

2016年12月，在南磯山濕地自然保護(hù)區(qū)按照水位梯度選取蘆葦-苔草混合群落、南荻群落、苔草群落三種典型植被類型區(qū)，在每種植被類型區(qū)設(shè)置采樣小區(qū)，隨機(jī)選取3個采樣點作為3個重復(fù)，每個重復(fù)按對角線五點法分表層(0-10cm)和亞表層(10-30cm)采樣并分層混合，共計18個土壤樣品。土壤樣品采集前先用剪刀去除地上的植物部分，再用鐵鍬或土壤刀進(jìn)行土壤樣品采集。土壤取好后裝入自封袋帶回實驗室，剔除可見動植物殘體和植物根系后一部分鮮土用于測定土壤含水量，其余鮮土自然風(fēng)干。風(fēng)干土樣經(jīng)研磨分別過10目和100目篩，待用。過10目的土樣用于測定土壤顆粒組成、pH、堿解氮、有效磷和速效鉀，過100目的土樣用來測定土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮。各樣點的基本信息見表1。

表1 采樣點基本信息Table 1 Characteristics of soil sampling sites

注：水位指采樣期間采樣點自由水面距離地表的高度。生物量為各群落生長旺盛期最大生物量，來源于文獻(xiàn)[8].

1.3 土壤理化性質(zhì)測定

土壤顆粒組成采用貝克曼庫爾特(LS13320)激光粒度分析儀進(jìn)行測定，根據(jù)國際制土壤粒徑分級標(biāo)準(zhǔn)，將濕地土壤顆粒組成分為砂粒級(粒徑20～2000μm)、粉粒級(粒徑2～20μm)和黏粒級(粒徑<2μm)三個等級。土壤pH采用便攜式pH儀(Mettler Toledo IQ150，美國)測定，土壤含水量用烘干法測定，土壤有機(jī)質(zhì)采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定，土壤全氮用元素分析儀(Elementar，德國)測定，土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定，土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定，具體測定方法見文獻(xiàn)[23]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，用Origin 8.5軟件進(jìn)行制圖。利用SPSS軟件中的方差分析(ANOVA)模塊，采用最小顯著性差異法(LSD)在α=0.05水平上檢驗各土層植被間土壤顆粒組成、平均粒徑、土壤含水量和pH的差異顯著性；土壤顆粒組成、平均粒徑、土壤含水量、pH以及土壤速效養(yǎng)分元素含量間的關(guān)系采用Pearson相關(guān)分析，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

表2 鄱陽湖濕地不同植被類型土壤顆粒組成及土壤理化性質(zhì)Table 2 Soil particle composition and physicochemical properties under different plant communities in Poyang lake wetland

注：小寫字母代表不同類型表層土壤差異顯著(P<0.05)，大寫字母代表不同類型亞表層土壤差異顯著(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄱陽湖濕地土壤物理性質(zhì)

鄱陽湖濕地不同植被類型下的土壤顆粒組成主要以粉粒為主，體積百分含量在53.78%～64.79%之間，黏粒和砂粒的含量分別在13.61%～21.32%和14.57%～32.61%范圍內(nèi)波動。從植被類型來看，不同土層土壤樣品的顆粒組成差異并不顯著(表2)，分析樣品的土壤顆粒平均粒徑為13.80～20.66μm，總體上表現(xiàn)為表層土壤平均粒徑小于亞表層土壤。單因素方差分析的結(jié)果顯示，不同植被類型下的土壤平均粒徑并無顯著差異(表2)。鄱陽湖濕地土壤表層、亞表層含水量在四種群落間的變化范圍分別是106.64%～334.18%和41.50%～82.52%(表2)。土壤含水量呈現(xiàn)自表層向亞表層急劇遞減趨勢。苔草群落土壤含水量最高，蘆葦-苔草混合群落土壤含水量最低，其中，蘆葦-苔草和南荻植被類型下亞表層土壤含水量均低于50%。單因素方差分析可知，不同類型表層和亞表層土壤含水量存在顯著差異(P<0.05)。

2.2 不同植被類型下土壤pH和養(yǎng)分特征

由表2可知，鄱陽湖濕地不同群落間表層和亞表層土壤pH分別介于4.56～5.01和5.17～5.69之間，均表現(xiàn)為表層略低于亞表層。具體來說，表層土壤pH最高值出現(xiàn)在苔草群落，最低值出現(xiàn)在蘆葦-苔草混合群落，不同植被類型下存在顯著差異(P<0.05)，亞表層土壤pH在不同植被類型間差異不顯著(P<0.05)。

鄱陽湖濕地土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、速效鉀和有效磷的含量分別介于7.36～38.15g·kg-1、1.07～4.23g·kg-1、0.03～0.15g·kg-1、0.08～0.26g·kg-1和2.09～11.27mg·kg-1之間。不同植被類型下土壤養(yǎng)分元素含量存在顯著差異(P<0.05)，其中苔草群落土壤的有機(jī)碳和全氮含量顯著高于其它兩種群落土壤，而南荻群落土壤的速效鉀含量最高，堿解氮含量最低。除土壤有效磷外，其它養(yǎng)分元素含量基本表現(xiàn)為表層土壤顯著高于亞表層土壤(圖1)。表層土壤有效磷的最大值出現(xiàn)在蘆葦-苔草混合群落，而亞表層的最大值出現(xiàn)在苔草群落。

圖1 不同植被類型下土壤各層的養(yǎng)分特征Figure 1 Nutrient characteristics of soil layers under different plant communities注：圖中柱體上方不同字母表示在P<0.05水平上差異顯著。

2.3 相關(guān)性分析

對鄱陽湖濕地土壤理化性質(zhì)進(jìn)行Person相關(guān)分析(表3)，結(jié)果表明，除土壤有效磷外，其它養(yǎng)分元素與土壤粘粒、粉粒含量呈極顯著正相關(guān)，與土壤砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。除此之外，土壤有機(jī)碳還分別與土壤含水量、全氮、堿解氮及速效鉀呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.912、0.934、0.891、0.789，與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.619。土壤全氮與土壤含水量、堿解氮及速效鉀呈極顯著正相關(guān)，而與pH和有效磷呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤堿解氮除與有效磷不存在相關(guān)性外，與其他指標(biāo)間的相關(guān)性跟土壤全氮一致。土壤有效磷僅與土壤全氮呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤速效鉀與土壤含水量、pH、全氮及堿解氮均極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.605、-0.781、0.694、0.848。

表3 鄱陽湖濕地土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 Relationship matrix of soil nutrient elements and physicochemical properties in Poyang lake wetland

注：*代表在0.05水平上顯著，**代表在0.01水平上顯著。

3 討 論

3.1 鄱陽湖濕地土壤養(yǎng)分元素

在全球氣候變化和人類活動變化背景下，尤其是長江三峽水庫運(yùn)行以來，鄱陽湖水文情勢發(fā)生顯著變化，豐水期維持時間縮短，枯水水位偏低，導(dǎo)致泥灘地面積擴(kuò)大，湖濱帶濕生植物逐漸被旱生植物所取代，苔草群落和南荻群落向湖心延伸，苔草逐步演變?yōu)閮?yōu)勢群落，分布面積增加[9,12]。鄱陽湖水文情勢的變化和植物群落組成的改變勢必會對濕地土壤養(yǎng)分元素分布特征產(chǎn)生影響，在一定程度上決定了濕地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)能力的高低，最終會影響到濕地生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力。

一般認(rèn)為，濕地土壤養(yǎng)分元素含量除受母質(zhì)、氣候和水文條件影響外，還與植物群落關(guān)系密切[20]。對于較小區(qū)域范圍內(nèi)的土壤養(yǎng)分來說，則主要受地表植物群落類型的影響[21]。研究區(qū)域內(nèi)由湖岸邊緣到湖心依次分布有蘆葦-苔草混合群落、南荻和苔草群落。如前文所述，鄱陽湖濕地不同植物類型下土壤有機(jī)碳含量差異十分顯著，苔草群落顯著高于南荻群落和蘆葦-苔草混合群落，與葛剛等[20]在鄱陽湖濕地的研究結(jié)果一致。鄱陽湖濕地水位周期性波動，在豐水期和枯水期形成鮮明對比，洲灘濕地干濕交替頻繁[15]。苔草群落土壤含水量高，長期處于飽和狀態(tài)，在厭氧條件下有機(jī)質(zhì)不易被分解，而南荻和蘆葦-苔草混合群落淹水時間短，土壤通氣性較好，有機(jī)質(zhì)易被分解，含量較苔草群落低(圖1)。

土壤氮素含量取決于氮的輸入量與輸出量。自然土壤中的氮輸入包括生物固氮、動植物殘體的積累以及干濕沉降[24-25]，輸出則包括土壤微生物及地表植物的吸收、隨徑流的流失以及氮素重新歸還大氣[26-27]。本研究中，蘆葦-苔草混合群落和南荻群落土壤全氮含量較低，可能是由于該地帶干濕交替過程明顯，有利于土壤脫氮過程的發(fā)生，這與白軍紅等[7]在內(nèi)蒙古烏蘭泡濕地的研究結(jié)論一致。苔草群落根系發(fā)達(dá)，生長旺盛[21]，對氮素吸收能力強(qiáng)，提高了氮滯留能力[7]，所以土壤全氮含量處于較高水平。堿解氮是能被植物直接吸收利用的有效態(tài)氮，能較靈敏地反應(yīng)土壤的供氮水平[28]。本研究中，南荻群落土壤堿解氮含量顯著低于其它兩種群落(圖1)，這主要是因為南荻本身對氮素需求少，滯留氮素能力較弱[21]，因而導(dǎo)致土壤全氮和堿解氮相較于另兩種群落土壤低。此外，有研究指出，濕地土壤堿解氮含量存在明顯的季節(jié)差異[29-30]，跟植物的生長階段關(guān)系密切。后續(xù)研究可增加不同季節(jié)土壤樣品的分析，有助于探明植被對土壤氮素的影響。

濕地土壤磷素除部分來自于動植物殘體歸還外，其余主要來自于成土母質(zhì)，土壤有效磷能夠直接被植物吸收，其含量能夠表征土壤磷的直接供應(yīng)水平[31]。本研究中，距湖岸近的蘆葦-苔草混合群落表層土壤有效磷比另外兩種群落高很多，這可能是由于周邊農(nóng)田施用的磷肥隨徑流在進(jìn)入湖體時，湖岸帶植被對有效磷的吸收起到一定的過濾作用。此外，濕地土壤干濕交替過程有利于磷的釋放[32]，而蘆葦-苔草混合群落土壤的干濕交替過程要明顯強(qiáng)于其它兩種群落土壤。

鉀是植物生長不可缺少的營養(yǎng)元素，土壤中的鉀元素主要來源于礦物風(fēng)化釋放[33]，速效鉀是直接能被植物所利用的形式，對植物生長舉足輕重[34]。本研究中，造成不同植被類型間土壤速效鉀含量存在差異的原因可能在于植物生長過程中根系分泌的低分子量有機(jī)酸不同，進(jìn)而影響了土壤礦物中鉀的釋放[34]。土壤速效鉀含量與土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān)(表3)，說明濕地土壤酸性條件不利于土壤速效鉀的積累。

3.2 土壤相關(guān)指標(biāo)對養(yǎng)分元素的影響

土壤顆粒組成關(guān)系到水熱狀況和養(yǎng)分狀態(tài)，是造成養(yǎng)分差異的主要原因之一[35-36]。研究發(fā)現(xiàn)，鄱陽湖濕地土壤養(yǎng)分含量與粉粒和黏粒之間極顯著相關(guān)，與砂粒呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表3)，與白軍紅等[30]在向海濕地的研究結(jié)果一致，這表明土壤顆粒粗細(xì)程度顯著影響土壤養(yǎng)分含量，原因在于土壤顆粒粗細(xì)程度決定了土壤的通氣性，從而影響微生物的活性。另外，鄱陽湖濕地土壤碳、氮、鉀等含量均與土壤含水量顯著相關(guān)(表3)，總體上表現(xiàn)為土壤養(yǎng)分含量隨著含水量增加而增加，這是因為濕地土壤含水量高，土壤環(huán)境嚴(yán)格厭氧，不利于有機(jī)質(zhì)分解與養(yǎng)分釋放。由此可推斷，苔草群落土壤粉粒、黏粒含量高，砂粒含量少，土壤含水量高，通氣性差，微生物活動微弱，土壤有機(jī)質(zhì)分解緩慢，有利于養(yǎng)分元素的積累。研究還發(fā)現(xiàn)，除有效磷外，其它養(yǎng)分元素均與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(表3)，表明高pH值可能會降低土壤的儲碳能力，造成土壤養(yǎng)分流失，這與鄭真[37]等在菜子湖、邵學(xué)新等[38]在杭州灣濱海濕地得研究結(jié)果一致。土壤pH值對養(yǎng)分元素的影響主要通過微生物活動來實現(xiàn)。一般來說，中性土壤環(huán)境條件下，微生物具有較高的活性，而鄱陽湖濕地土壤pH處于4.6～5.7，其酸性環(huán)境抑制微生物活動，降低有機(jī)質(zhì)的分解速率，導(dǎo)致養(yǎng)分元素的積累[4]。

4 結(jié) 論

(1)鄱陽湖濕地土壤顆粒組成以粉粒為主，平均粒徑在13.80～20.66μm之間。不同植被類型土壤含水量和土壤pH值差異顯著，基本表現(xiàn)為苔草>南荻>蘆葦-苔草混合群落。

(2)不同植被類型土壤養(yǎng)分元素存在一定差異。除有效磷外，土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮和速效鉀含量均表現(xiàn)為土壤表層顯著高于亞表層，不同植被類型間表現(xiàn)為苔草群落土壤養(yǎng)分元素含量較高，蘆葦-苔草混合群落含量較低。

(3)土壤粒徑、含水量及pH值與土壤碳氮鉀等養(yǎng)分元素含量顯著相關(guān)，由此可推斷鄱陽湖水文情勢變化引起植被類型的改變在一定程度上有利于土壤養(yǎng)分元素的累積。