內(nèi)陸鹽沼濕地典型植物群落土壤團(tuán)聚體組成及有機(jī)碳粒徑分布

尚欣怡，巨天珍，王繼偉，張國強(qiáng)，馬 超

（西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州730070）

濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，為區(qū)域及全球環(huán)境提供多種多樣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，土壤固碳功能就是其中之一［1］。土壤團(tuán)聚體是土壤的重要組成部分，對(duì)維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和土壤養(yǎng)分截留具有重要意義［2，3］。土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其組成狀況和穩(wěn)定性不僅決定著土壤肥力的高低，而且還影響著土壤的抗侵蝕能力［4］、土壤質(zhì)量［5］和固碳潛力［6］。土壤有機(jī)碳對(duì)團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定性有著重要影響，表層土壤中近90%的有機(jī)碳位于團(tuán)聚體內(nèi)，不同粒級(jí)團(tuán)聚體的含量存在明顯差異［7］。因此，土壤團(tuán)聚體與有機(jī)碳關(guān)系密切，團(tuán)聚體的形成為土壤有機(jī)碳提供物理保護(hù)，土壤有機(jī)碳是團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)。有研究表明［8］，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨著團(tuán)聚體粒徑的減小而增加。也有研究指出［9］，大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）固持的有機(jī)碳較多，而微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）中有機(jī)碳含量較低。內(nèi)陸鹽沼土壤養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)與能量的循環(huán)主要依賴于一些占優(yōu)勢(shì)的鹽生植物的輸入，而不同鹽生植物凋落物的輸入屬性和進(jìn)入方式以及根系活動(dòng)等存在較大差異，會(huì)影響土壤團(tuán)聚體的形成過程，進(jìn)而引起不同粒徑團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的固持能力發(fā)生變化。因此，通過對(duì)內(nèi)陸鹽沼典型植物群落土壤團(tuán)聚體組成及有機(jī)碳的粒徑分布進(jìn)行研究，將有助于理解不同鹽生植被下土壤有機(jī)碳的變化及潛在機(jī)制。

目前，有關(guān)濕地植物群落土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳方面的研究已有很多，主要集中在黑河流域［10］、青藏高原［11］、濱海鹽沼［12］、黃河三角洲［13］和東北濕地［14］，有關(guān)內(nèi)陸鹽沼生態(tài)系統(tǒng)鹽生植物群落下土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳的研究卻鮮見報(bào)道。鑒于此，本試驗(yàn)以秦王川國家濕地公園鹽沼濕地的堿篷（Suae?da salsa）和鹽角草（Salicornia europaea）為研究對(duì)象，通過分析不同植被群落下土壤團(tuán)聚體的組成和有機(jī)碳的粒徑分布，試圖明晰堿蓬和鹽角草群落土壤團(tuán)聚體含量及分布的差異、2種植物群落土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及粒徑分布的差異、5級(jí)不同粒徑土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，旨在從土壤團(tuán)聚體的角度研究內(nèi)陸鹽沼濕地碳過程對(duì)不同鹽生植物群落的響應(yīng)，對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)鹽漬土碳過程和碳固持評(píng)價(jià)提供一定參考，以期為內(nèi)陸鹽沼鹽生植被的保育與科學(xué)恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省蘭州市的秦王川國家濕地公園，地理位置為103°35'38″—108°38'37″E，36°23'59″—36°27'56″N。海拔1 895～1 897 m，年平均氣溫6.9℃，年日照時(shí)間2 700 h，平均無霜期126 d，年均降雨量為265 mm，年均蒸發(fā)量為1 879 mm，屬大陸性干旱氣候。秦王川內(nèi)陸鹽沼濕地植物主要有多枝檉 柳（Tamarix ramosissima）、堿 蓬、苦 苣 菜（Son?chus oleraceus）、鹽角草、蘆葦（Phragmites australis）、豬毛菜（Salsola collina）、角果堿蓬（Suaeda cornicula?ta）、堿菀（Tripolium vulgare）、濱藜（Atriplex patens）、早熟禾（Poa annua）等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

2019年8月下旬，在實(shí)地考察基礎(chǔ)上，選擇秦王川國家濕地公園保育與恢復(fù)區(qū)內(nèi)地表較平整地帶作為樣地。根據(jù)樣地植物群落優(yōu)勢(shì)種的不同，選擇了地形地貌、海拔、坡度和坡向基本一致的堿篷和鹽角草2種典型鹽生植物群落。采用樣方法，對(duì)每個(gè)群落設(shè)置9個(gè)10 m×10 m的樣方，分別對(duì)2個(gè)群落進(jìn)行植被調(diào)查，包括植物種類、蓋度和密度（表1）。

表1 不同樣地植物特征描述

1.3 野外采樣

鑒于植物生長的季節(jié)性，采樣時(shí)間為2019年8月，采樣前7 d降雨較少，土壤中有機(jī)質(zhì)和地上生物量狀況相對(duì)穩(wěn)定，有利于研究工作的開展。每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)2 m×2 m的小樣方，現(xiàn)場(chǎng)記錄樣方內(nèi)植物的數(shù)量、蓋度、株高等指標(biāo)并采集地上生物量。每個(gè)樣方沿對(duì)角線法選取5株長勢(shì)基本一致的堿篷和鹽角草進(jìn)行標(biāo)記，用平板利鏟挖取整株植物后，清洗干凈，剪下地上部分與根系分別裝入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)采集樣方內(nèi)表層土壤樣品，在小樣方內(nèi)均挖掘30 cm深的土層剖面，分別取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層土壤，重復(fù)3次后裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后掰成約1 cm的小土塊，剔除石塊、植物根段和枯落物等雜質(zhì)后裝進(jìn)鋁盒中編號(hào)備用。

1.4 分析方法

將風(fēng)干后的土樣研磨后，采用濕篩法［15］進(jìn)行粒徑分組：稱取100 g風(fēng)干土樣，桶內(nèi)放置大約10 L的水，在桶內(nèi)放置4個(gè)篩子（2、1、0.5、0.25 mm），將風(fēng)干土放置在最上層篩子內(nèi)，調(diào)整水面高度使得水面剛好沒過風(fēng)干土，浸泡5 min后啟動(dòng)儀器，然后進(jìn)行濕篩，振幅5 cm，30 min后得到＞2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm以及＜0.25 mm 5級(jí)粒徑組分，將篩子移出水桶后，利用藥匙、滴管等將得到的不同級(jí)別的團(tuán)聚體裝入鋁盒編號(hào)，然后放置在60℃下的烘箱烘干并稱重，用于計(jì)算各粒徑的團(tuán)聚體含量和土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。

土壤有機(jī)碳和團(tuán)聚體有機(jī)碳利用德國耶拿總有機(jī)碳分析儀測(cè)量；土壤水分采用烘干法測(cè)定。然后計(jì)算土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率及土壤團(tuán)聚體的含量，計(jì)算方法［16］如下：

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin 2018軟件繪圖、SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。不同植物群落的土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳含量通過單因素方差分析（One-way ANOVA）進(jìn)行差異顯著性分析。土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳的相關(guān)性分析采用SPSS16.0的Person相關(guān)分析方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種植物群落土壤團(tuán)聚體的分布特征

由圖1可以看出，2種鹽生植被各個(gè)粒徑土壤團(tuán)聚體含量差異明顯。在0～20 cm土層，堿篷群落＞2 mm粒徑團(tuán)聚體含量最高，并且在0～10 cm和10～20 cm土層和其他粒徑的土壤團(tuán)聚體含量存在顯著差異（P＜0.05），在20～30 cm土層，1～2 mm粒徑團(tuán)聚體平均含量最少；鹽角草群落0.5～1 mm粒徑土壤團(tuán)聚體含量最高，平均含量為30.21%，除與20～30 cm土層中0.25～0.5 mm粒徑團(tuán)聚體差異不顯著外，與其他粒徑團(tuán)聚體含量均存在顯著差異（P＜0.05），＞2 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體平均含量最少，為11.44%。同一土層中，2種植被群落的各粒徑土壤團(tuán)聚體含量也均存在著一定的差異。從總體來看，堿蓬群落在0～30 cm土層主要以＞2 mm粒徑團(tuán)聚體為主，鹽角草群落主要以0.5～1 mm粒徑團(tuán)聚體為主。

2.2 2種植物群落下土壤總有機(jī)碳含量的變化

圖1 2種植物群落下土壤團(tuán)聚體的分布

圖2 2種植物群落的0～30 cm土壤總有機(jī)碳含量

由圖2可知，2種植被群落各土層的土壤平均總有機(jī)碳含量介于4.78%～6.70%，土壤總有機(jī)碳含量隨土層深度增加呈先減少后增加的趨勢(shì)，且2個(gè)群落間各土層有機(jī)碳含量差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）。另外，在2種植被群落之間，0～30 cm土層中堿篷群落總有機(jī)碳含量明顯低于鹽角草群落，二者有機(jī)碳含量分別為4.86%和6.61%。

2.3 2種植物群落土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量特征

由圖3可知，不同粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量介于1.15%～2.12%。2種植物群落的土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異顯著（P＜0.05）。堿篷群落在0～20 cm土層，土壤有機(jī)碳含量在＞2 mm和＜0.25 mm粒徑團(tuán)聚體中最高，在0.5～1 mm粒徑中最低，呈V型分布；在20～30 cm土層中，土壤有機(jī)碳含量在1～2 mm粒徑最低，＜0.25 mm粒徑最高。鹽角草群落在0～30 cm土層，土壤有機(jī)碳含量在＞2 mm和＜0.25 mm最高，在其他粒徑中含量分布差異不大。團(tuán)聚體有機(jī)碳變化規(guī)律與土壤總有機(jī)碳含量相似，2種群落的土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳平均含量基本隨著土層深度的增加呈先減小后增加的規(guī)律。由表2可知，土壤總有機(jī)碳含量與＞2 mm、1～2 mm和0.5～1 mm團(tuán)聚體含量呈顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）正相關(guān)，與0.25～0.5 mm和＜0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量相關(guān)性不顯著（P＞0.05），由此可見，團(tuán)聚體的粒徑分布和土壤總有機(jī)碳含量關(guān)系較為密切。

圖3 2種植物群落下土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量

表2 各粒徑團(tuán)聚體含量和土壤總有機(jī)碳含量的相關(guān)性分析

2.4 2種群落土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

由圖3和表3可知，在0～30 cm土層，2種群落在＞2 mm和＜0.25 mm粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，但是其對(duì)總有機(jī)碳的平均貢獻(xiàn)率卻較低，0.5～1 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量較低，但其對(duì)總有機(jī)碳的平均貢獻(xiàn)率卻高達(dá)27.74%。在0～30 cm各土層中，相同粒徑的土壤團(tuán)聚體對(duì)總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率差異較大，說明土層深度并不是影響團(tuán)聚體含量對(duì)土壤總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的主要因素。

表3 2種植物群落下土壤各粒徑團(tuán)聚體對(duì)土壤總有機(jī)碳含量的貢獻(xiàn)率

3 討論

土壤有機(jī)碳存在于團(tuán)聚體中［17］，并作為主要膠結(jié)劑影響團(tuán)聚體的形成、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，土壤團(tuán)聚體的形成過程也是土壤固碳的途徑之一［18］。一般認(rèn)為，土壤團(tuán)聚體分為大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）和微團(tuán)聚體（＜0.25 mm），＞0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量越高說明該地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定［19］。本研究中，堿蓬群落土壤團(tuán)聚體在0～30 cm土層以＞2 mm粒徑團(tuán)聚體為主，鹽角草群落以0.5～1 mm粒徑團(tuán)聚體含量為主，2種植物群落均以＞0.25 mm粒徑的大團(tuán)聚體為主，說明研究區(qū)內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)較好。2個(gè)群落土壤團(tuán)聚體粒徑分布差異較大的原因和地表植被覆蓋類型的不同有很大的關(guān)系。植被類型不同，有機(jī)質(zhì)輸入的質(zhì)量和數(shù)量不同，導(dǎo)致進(jìn)入土壤的枯落物的性質(zhì)不同，加上植物本身的根系分布情況也不相同，這些因素共同影響土壤的團(tuán)聚過程以及團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性［20］。有研究表明，大團(tuán)聚體在水土保持、土壤改良及新碳固定等方面有著重大作用，但大團(tuán)聚體穩(wěn)定性較差，易破碎，其含量容易受人為因素干擾的影響而明顯降低［21，22］。本研究中，鹽角草群落＞0.25 mm團(tuán)聚體含量和土壤有機(jī)碳含量均高于堿篷群落，由此可見，鹽角草群落相比于堿篷群落更有利于碳的儲(chǔ)存和固持，碳匯效應(yīng)更強(qiáng)。

土壤有機(jī)碳含量在較小區(qū)域尺度上主要受枯落物［23］、植物根系［24］、植被類型［11］、微生物［23］以及人為活動(dòng)干擾［22］的影響。該地區(qū)鹽角草群落的總有機(jī)碳和團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均高于堿篷群落。鹽角草的地上生物量更多，遮陰效果更強(qiáng)，進(jìn)入土壤的枯落物數(shù)量更多，增加了土壤中有機(jī)碳含量，為團(tuán)聚體的形成奠定了基礎(chǔ)［25］。同時(shí)，鹽角草相比于堿篷群落含水量較高，有研究表明［26］，土壤含水量通過影響土壤的通氣性和透水性影響土壤有機(jī)碳的礦化速率和降解，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳含量。滿秀玲等［27］對(duì)小興安嶺草本泥炭沼澤的研究表明，由于長年或者季節(jié)性積水使得濕地土壤有機(jī)碳的累積程度較高。堿篷群落具有較高的土壤鹽分，限制了植被生長，影響土壤中有機(jī)物質(zhì)的輸入和循環(huán)［28］，且不利于微生物分解新鮮植物殘?bào)w，不易形成較多穩(wěn)定的大團(tuán)聚體，同時(shí)土壤黏粒含量較低，砂礫含量較高，不利于團(tuán)聚體內(nèi)部有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定存在［29］。鹽角草較堿蓬群落地上生物量更多，土壤表層凋落物是有機(jī)質(zhì)升高的直接原因之一，由于其對(duì)雨水的截留作用，減弱了降雨可能引起的土壤侵蝕，增加了土壤的水土保持能力，減少水土流失［30］。在0～30 cm土層，2種植物群落土壤有機(jī)碳和土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳平均含量呈V型分布。這是由于植物根系主要集中在土壤表層，其分布情況可以直接影響到土壤有機(jī)碳的垂直分布［31］。在20～30 cm土層，由于堿篷和鹽角草的根系主要分布在該土層，根系之間相互纏繞并聯(lián)結(jié)根系顆粒釋放分泌物，導(dǎo)致了根際土壤性質(zhì)的變化而影響土壤團(tuán)聚化［32］，加上大量的死根腐解為土壤提供了豐富的碳源［33］，植物根系分布越密集，有機(jī)碳的含量越高，使得2個(gè)群落團(tuán)聚體有機(jī)碳在20～30 cm土層出現(xiàn)一個(gè)高值。2個(gè)植物群落土壤有機(jī)碳含量的變化規(guī)律與凋落物性質(zhì)、植物根系分布和根系分泌物性質(zhì)有密切關(guān)系。

大量研究表明，有機(jī)碳含量在各粒徑團(tuán)聚體中分布規(guī)律不同。一些研究發(fā)現(xiàn)土壤中大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量比小團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量更高［34］，如趙世偉等［35］研究表明土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量主要集中在大團(tuán)聚體中；也有研究表明0.25～1 mm粒徑團(tuán)聚體中含有更多的有機(jī)碳［36］。這可能與研究區(qū)環(huán)境、土壤管理、土地利用方式、植被覆蓋等因素有關(guān)。安韶山等［37］和盧凌霄等［16］的研究表明，0.25～0.5 mm粒徑和0.5～1 mm粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最高，且團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨粒級(jí)增大而逐漸減小；劉敏英等［8］表明＜0.25 mm微團(tuán)聚體可以固持更多的有機(jī)碳。在本研究中，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳在＜0.25 mm和＞2 mm粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最高，主要原因是大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳比微團(tuán)聚體中的有機(jī)碳易礦化，微團(tuán)聚體中的碳由于不易礦化是以高度腐化的腐殖質(zhì)存在從而得到大量的累積［38］，而＞2 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高的原因，一方面是大量枯落物為表層土壤提供了豐富的碳源，另一方面是人為活動(dòng)對(duì)該區(qū)域影響較小。相關(guān)分析表明，土壤總有機(jī)碳含量與＞2 mm、1～2 mm和0.5～1 mm團(tuán)聚體含量呈顯著或極顯著正相關(guān)，與0.25～0.5 mm和＜0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量相關(guān)性不顯著。有研究表明，大粒徑團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的固持能力較差［39］，也有研究表明，在干旱鹽堿地區(qū)＜0.053 mm粒徑團(tuán)聚體可以固持更多的有機(jī)碳［40］。而在內(nèi)陸鹽沼地，＞2 mm和＜0.25 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高，但其對(duì)總有機(jī)碳的平均貢獻(xiàn)率卻較小，而0.5～1 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量較低，但其對(duì)總有機(jī)碳的平均貢獻(xiàn)率卻高達(dá)27.74%，說明＞2 mm和＜0.25 mm團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)能力較強(qiáng)，0.5～1 mm粒徑團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)能力較差。因此，在內(nèi)陸鹽沼地區(qū)，增加＞2 mm和＜0.25 mm粒徑團(tuán)聚體的含量，可以提高該地區(qū)土壤的固碳能力，有機(jī)碳儲(chǔ)存到＞2 mm和＜0.25 mm粒徑團(tuán)聚體中，有利于土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的提高和有機(jī)碳的積累。

4 小結(jié)

內(nèi)陸鹽沼濕地典型鹽生植物群落土壤團(tuán)聚體含量和有機(jī)碳分布以及貢獻(xiàn)率呈顯著差異。鹽角草群落土壤總有機(jī)碳和團(tuán)聚體有機(jī)碳均高于堿篷群落，2種鹽生植物群落在＞2 mm和＜0.25 mm粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高。0.5～1 mm粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量較低，但其對(duì)土壤總有機(jī)碳的平均貢獻(xiàn)率卻高達(dá)27.74%，占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；而＞2 mm和＜0.25 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高，但其對(duì)總有機(jī)碳的平均貢獻(xiàn)率較小，說明在內(nèi)陸鹽沼＞2 mm和＜0.25 mm粒徑團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的保護(hù)能力較強(qiáng)?？傊趦?nèi)陸鹽沼濕地，鹽角草群落固碳能力更強(qiáng)，可以更好地改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤中＞2 mm團(tuán)聚體的含量能有效增強(qiáng)土壤的水土保持能力，＜0.25 mm粒徑團(tuán)聚體能固持更多穩(wěn)定的碳源，減少水土流失，提高內(nèi)陸鹽沼濕地固碳能力。