吉林省遼河河岸植被緩沖帶土壤氮、磷分布規(guī)律研究

王梓默，付世萃，朱紅波，林士杰，李澤剛，張大偉

(1.吉林省林業(yè)科學研究院，吉林 長春 130033；2.吉林省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，吉林 長春 130022；3.大安市林業(yè)和草原局，吉林 白城 131300)

流域作為河流的集水區(qū)域，是相對完整的一個生態(tài)系統(tǒng)單元，受人類活動影響較大[1]。近年來，由于人類對水土資源的高強度開發(fā)，流域生態(tài)環(huán)境表現(xiàn)出明顯退化趨勢，甚至影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡。流域植被緩沖帶作為連接水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要區(qū)域，對流域生態(tài)修復具有重要意義[2]。植被緩沖帶不僅具有蓄水保土的作用，同時能夠截留非點源污染物，阻止污染物進入接納水體，防止影響陸地和水生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量交換[3]。目前，國內(nèi)外學者針對流域植被緩沖帶已經(jīng)開展了一些研究，但多集中于溫暖地區(qū)的河岸帶或湖濱帶[4]，對寒冷地區(qū)河岸緩沖帶的研究仍相對缺乏，尤其是對遼河干流河岸緩沖帶的研究較少。遼河流域在吉林省屬于生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，資源的過度開發(fā)導致河道面積萎縮、動植物生境破碎[5]，河流生態(tài)調(diào)控功能退化等問題已經(jīng)成為制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的主要障礙因子。因此，篩選出配置合理、科學高效的植被緩沖帶對遼河流域健康河岸帶生態(tài)系統(tǒng)的恢復具有重要意義。植被緩沖帶的生態(tài)功能受許多因素影響，包括緩沖帶尺度、內(nèi)部植物組成、周邊土地利用情況、地貌水文、微氣候以及生態(tài)系統(tǒng)特性等[6]。本研究對吉林省遼河流域河岸緩沖帶典型植被類型進行調(diào)查，比較不同植被類型土壤pH與氮、磷的儲存能力，為確定最佳的河岸緩沖帶植物配置提供數(shù)據(jù)支撐。

1 樣地設(shè)置與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林省遼河流域位于吉林省西南部(見圖1)，地理位置為123°18′～125°36′E、42°36′～44°10′N，流域總面積達15 710 km2，屬溫帶大陸性季風氣候，年溫差較大，四季分明，春季干燥風大，夏季多雨濕熱，冬季漫長寒冷，是典型的半濕潤森林草原氣候。受季風環(huán)境影響，降水量年際變化較大，年降水量的80 %集中在5—9月，年平均降水量約578.3 mm，平均蒸發(fā)量為800～1 020 mm。植被組成主要以中生植物群落為主，主要樹種有興安落葉松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)、紫穗槐(Amorphafruticosa)等；草本植物有馬齒莧(Portulacaoleracea)、鴨跖草(Commelinacommunis)、天南星(Arisaemaheterophyllum)、接骨草(Sambucuschinensis)和羊草(Leymuschinensis)等。

圖1 吉林省內(nèi)遼河流域分布

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

在選擇的調(diào)查斷面區(qū)段，對河岸緩沖帶寬度、兩岸地形地貌、植被覆蓋度、植被種類分布及生長情況、河岸帶相對寬度、河岸周邊農(nóng)業(yè)利用特征、采用的自然封育措施等因素展開調(diào)查。在調(diào)查區(qū)內(nèi)距河床100 m處沿平行于河流流向設(shè)置一條樣線，調(diào)查樣線內(nèi)側(cè)至河岸邊緣植被類型，記錄植物生長狀況。調(diào)查點布設(shè)如圖2所示，根據(jù)實際情況沿河岸設(shè)立調(diào)查點，調(diào)查點之間橫坐標或縱坐標垂直距離為6 km，在每一個調(diào)查點處設(shè)置調(diào)查斷面，采用測距儀進行測定，分別按照距河床0 m、25 m、50 m、100 m距離設(shè)置樣地，喬木林中設(shè)置20 m×30 m樣地，灌木林中設(shè)置5 m×5 m樣地。在每個樣地中呈“S”形布點挖掘土壤剖面，利用環(huán)刀按照深度0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm分層進行土壤樣本的采集，將同一林分樣地土樣進行混合，去除根系與礫石等，風干后進行土壤性能分析。不同樣地植被概況見表1。

圖2 調(diào)查樣點分布

表1 不同樣地植被概況

1.3 樣品測定

對風干后的土樣進行研磨，通過0.25 mm孔徑篩后進行壓片，用J200激光元素分析儀進行土壤全氮、全磷含量的測定；pH通過3H型酸度計測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進行數(shù)據(jù)分析，利用SPSS 22.0對土壤氮、磷含量及pH進行方差分析及聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型土壤全氮含量的變化

2.1.1 不同植被類型土壤全氮含量隨土層深度變化規(guī)律土壤全氮含量見表2，可以看出，在0～20 cm土層深度，針闊混交林土壤含量最高，且顯著高于其他植被類型；在20～40 cm土層深度，針闊混交林與農(nóng)田土壤含量最高，其次為草地與灌木林，闊葉林與針葉林土壤含量相對較低，可能由于針闊混交林生長旺盛，林下灌草種類及數(shù)量較多，枯枝落葉豐富，凋落物的分解促進了林下土壤養(yǎng)分的積累，農(nóng)田土壤全氮含量較高可能與施肥有關(guān)；在40～60 cm土層深度，土壤全氮含量沒有明顯區(qū)別，表明不同植被類型對其含量的影響作用主要集中在0～40 cm土層深度，全氮含量隨土層的加深呈遞減趨勢。

表2 不同植被類型土壤全氮含量隨土層深度變化規(guī)律

2.1.2 不同植被類型土壤全氮含量隨與河岸距離變化規(guī)律

土壤全氮含量見表3，可以看出，在緊鄰河岸處，草地與農(nóng)田土壤含量高于闊葉林，農(nóng)田土壤含量最高；在距河岸25 m處，針闊混交林與農(nóng)田土壤含量相對較高，其次為闊葉林與草地，針葉林與灌木林較低；在距河岸50 m處，農(nóng)田土壤含量最高，其次為針闊混交林與草地，針葉林與灌木林最低；在距河岸100 m處，農(nóng)田土壤含量顯著高于其他幾種植被類型。總體上來看，針闊混交林土壤全氮含量更高，可能與其氮元素截留能力更好有關(guān)，針闊混交林豐富的植被能夠增加徑流阻力、減緩水流速度，促進了顆粒氮的淀積和溶解氮的滲透，當養(yǎng)分隨著徑流經(jīng)過植被緩沖帶時，隨著水分的入滲進入土壤中得到積累[7]。

表3 不同植被類型土壤全氮含量隨與河岸距離變化規(guī)律

2.2 不同植被類型土壤全磷含量的變化

2.2.1 不同植被類型土壤全磷含量隨土層深度變化規(guī)律

土壤全磷含量見表4，其既代表了土壤磷元素的總儲量，也是衡量磷元素營養(yǎng)水平高低的參考指標[8]。從表中可以看出，在0～20 cm土層深度，闊葉林土壤含量最高，其次為針闊混交林、農(nóng)田，三者土壤含量顯著高于其他植被類型；在20～60 cm土層深度，針闊混交林與農(nóng)田土壤含量最高，且顯著高于其他植被類型。針闊混交林與闊葉林下腐殖質(zhì)與有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率更高，土壤中的磷元素得到明顯增加，可能是由于針闊混交林根系分布范圍廣泛且林下植被豐富，枯落物積累較多，儲存養(yǎng)分能力更好。農(nóng)田在0～20 cm土層深度的土壤全磷含量僅次于針闊混交林，顯著高于草地、灌木林及針葉林，可能是受施肥等人類活動的影響。而農(nóng)田土壤平均含量低于針闊混交林，可能是由于施肥等對農(nóng)田土壤影響主要集中在表層土中，且多年連續(xù)耕作導致了土壤養(yǎng)分含量降低。

表4 不同植被類型土壤全磷含量隨土層深度變化規(guī)律

2.2.2 不同植被類型土壤全磷含量隨與河岸距離變化規(guī)律

土壤全磷含量變化規(guī)律見表5，可以看出，在緊鄰河岸處，農(nóng)田土壤含量顯著高于草地及闊葉林；在距河岸25 m處，針闊混交林、針葉林及農(nóng)田的土壤含量相對較高，其次為灌木林、草地及闊葉林；在距河岸50 m處，農(nóng)田土壤含量最高，其次是草地、針闊混交林、闊葉林與灌木林，針葉林的土壤含量相對較低。在距河岸100 m處，農(nóng)田土壤含量顯著高于其他植被類型，其次為闊葉林及針闊混交林，草地與灌木林土壤含量相對較低。河岸植被緩沖帶去除磷的途徑主要包括顆粒物沉積、土壤顆粒物吸附和入滲，除了受施肥影響的農(nóng)田土壤含量相對較高外，針闊混交林土壤含量也較高。已有研究表明，土壤有機磷含量與黏粒含量呈顯著正相關(guān)[9]，針闊混交林中豐富的植物根系穿插及枯落物分解等微生物活動能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，促進土壤團聚體的形成，增加土壤中黏粒含量，黏粒含量越高，土壤對磷元素的吸附能力越強，因此，土壤中滯留和儲存的養(yǎng)分更多[10]。

表5 不同植被類型土壤全磷含量隨與河岸距離變化規(guī)律

2.3 不同植被類型土壤pH隨土層深度變化規(guī)律

土壤pH見表6，可以看出，6種植被下土壤均呈中性或微堿性，在0～60 cm土層深度，農(nóng)田土壤pH隨土層的加深呈遞增趨勢，除灌木林外，其余植被隨土層加深變化規(guī)律均與農(nóng)田不同。草地、闊葉林在20～40 cm土層深度土壤pH最低，在40～60 cm土層深度最高；針葉林在40～60 cm土層深度土壤pH達到最低，在20～40 cm土層深度最高；而針闊混交林在20～40 cm土層深度土壤pH最低，在0～20 cm土層深度最高。說明不同植被對垂直剖面土壤pH的影響有所區(qū)別，可能與植物根系分布有關(guān)。

表6 不同植被類型土壤pH隨土層深度變化規(guī)律

在0～20 cm土層深度，針闊混交林土壤pH最低，其次是灌木林、針葉林、農(nóng)田、草地，闊葉林的土壤pH顯著高于其他植被類型；在20～40 cm土層深度，農(nóng)田與闊葉林土壤pH顯著高于其他植被類型，針闊混交林最低；在40～60 cm土層深度，針闊混交林土壤pH最低，其次是針葉林、草地、灌木林、農(nóng)田與闊葉林。表明針闊混交林對土壤pH改良作用受土層深度影響較小。

2.4 不同植被類型土壤pH與氮、磷含量分析

以歐氏距離為衡量土樣間差異的指標，進行系統(tǒng)聚類，對系統(tǒng)聚類圖按距離系數(shù)T=5截取，將184個樣品分成7大類進行分析。

第Ⅰ類占總樣品數(shù)的4.34 %，表現(xiàn)為土壤pH最高，土壤全氮含量顯著低于其他類別。第Ⅰ類包含了草地、針闊混交林與闊葉林3種植被類型，第Ⅰ類區(qū)域分布不集中，在距離河岸0 m、25 m、50 m、100 m均有分布。

第Ⅱ類占總樣品數(shù)的3.26 %，表現(xiàn)為土壤全磷含量顯著低于其他類別，土壤全氮含量較低，土壤pH接近平均值，包括草地與灌木林2種植被類型，第Ⅱ類分布區(qū)域主要集中在距河岸25 m與距離河岸100 m處。

第Ⅲ類占總樣品數(shù)的20.11 %，表現(xiàn)為土壤全氮含量較低，土壤全磷含量高于土壤全磷平均值，土壤pH低于平均值，包括灌木林、針闊混交林、草地、農(nóng)田、闊葉林5種植被類型，第Ⅲ類在距離河岸0 m、25 m、50 m、100 m均有分布。

第Ⅳ類占總樣品數(shù)的15.22 %，表現(xiàn)為土壤全氮含量顯著高于其他類別，土壤pH較低，土壤全磷含量接近平均值。第Ⅳ類距離河岸0 m處主要為草地；距河岸25 m處主要為闊葉林、草地，有少量農(nóng)田；距河岸50 m處主要為灌木林、闊葉林與農(nóng)田；距河岸100 m處，主要為農(nóng)田、闊葉林，有少量灌木林。

第Ⅴ類占總樣品數(shù)的21.20 %，表現(xiàn)為土壤pH最低，土壤全磷含量高于平均值，土壤全氮含量低于平均值。第Ⅴ類距河岸0 m處均為草地；距河岸25 m處主要為草地，有極少數(shù)灌木林和針闊混交林；距河岸50 m處主要為草地，有少數(shù)灌木林；距河岸100 m處主要為草地，有少數(shù)農(nóng)田。

第Ⅵ類占總樣品數(shù)的19.57 %，表現(xiàn)為土壤pH低于平均值，土壤全氮含量略低于平均值，土壤全磷含量低于平均值。第Ⅵ類距河岸0 m處均為草地；距河岸25 m處主要為草地，有少量闊葉林和農(nóng)田；距河岸50 m處主要為草地，有極少數(shù)農(nóng)田和針闊混交林；分布于距河岸100 m處植被較少，植被類型為草地和針闊混交林。

第Ⅶ類占總樣品數(shù)的16.30 %，表現(xiàn)為土壤全磷含量最高，土壤全氮含量僅次于第Ⅳ類，土壤平均pH約7.1，極少數(shù)草地分布于距河岸0 m處，草地、少數(shù)闊葉林與農(nóng)田分布于距河岸25 m處，大部分闊葉林、灌木林分布于距河岸50 m處，距河岸100 m處主要為農(nóng)田和針闊混交林。

從圖3中可以看出，第Ⅳ類與第Ⅶ類土壤儲存氮、磷的能力較強，且二者土壤pH較低，植被分布規(guī)律相似，均表現(xiàn)為草地主要分布于距河岸0～50 m處，主要草本植物包括馬齒莧、艾蒿、蘆葦?shù)?，距河?0～100 m處主要為灌木林與闊葉林，主要喬木樹種為興安落葉松、山楊、榆，主要的灌木樹種為紫穗槐等。

圖3 不同植被類型土壤性質(zhì)聚類分析分布

3 結(jié)論

對土壤全氮含量變化研究表明，在0～20 cm土層深度，針闊混交林土壤含量最高；在20～40 cm土層深度，針闊混交林與農(nóng)田土壤含量最高；在40～60 cm土層深度，各植被類型土壤含量沒有明顯區(qū)別，表明不同植被類型對土壤全氮含量的影響作用主要集中在0～40 cm土層深度，全氮含量隨土層深度的加深呈遞減趨勢。在緊鄰河岸處，農(nóng)田土壤含量最高；在距河岸25 m處，針闊混交林與農(nóng)田土壤含量相對更高；在距河岸50 m處，農(nóng)田土壤含量最高；在距河岸100 m處，農(nóng)田土壤含量顯著高于其他植被類型。

對土壤全磷含量變化研究表明，在0～20 cm土層深度，闊葉林土壤含量最高；在20～60 cm土層深度，針闊混交林與農(nóng)田土壤含量最高。在緊鄰河岸處，農(nóng)田土壤含量顯著高于草地及闊葉林；在距河岸25 m處，針闊混交林、針葉林及農(nóng)田的土壤含量相對較高；在距河岸50 m處，農(nóng)田土壤含量最高；在距河岸100 m處，農(nóng)田土壤含量顯著高于其他植被類型。

不同植被類型土壤pH隨土層深度變化表明，6種植被下土壤均呈中性或微堿性，農(nóng)田土壤pH在0～60 cm隨土層深度的加深呈遞增趨勢，除灌木林外，其余植被隨土層加深土壤pH變化規(guī)律均與農(nóng)田不同。在0～20 cm土層深度，闊葉林土壤pH最高；在20～40 cm土層深度，農(nóng)田與闊葉林土壤pH顯著高于其他植被類型；在40～60 cm土層深度，農(nóng)田與闊葉林土壤pH最高。

不同植被類型土壤pH與氮、磷含量分析以歐氏距離為指標進行系統(tǒng)聚類，分成7大類。第Ⅰ類占總樣品數(shù)的4.34 %，pH最高，全氮含量顯著低于其他類別；第Ⅱ類占總樣品數(shù)的3.26 %，全磷含量顯著低于其他類別，全氮含量較低，pH接近平均值；第Ⅲ類占總樣品數(shù)的20.11 %，全氮含量較低，全磷含量高于全磷平均值，pH低于平均值；第Ⅳ類占總樣數(shù)的15.22 %，全氮含量顯著高于其他類別，pH較低，全磷含量接近平均值；第Ⅴ類占總樣品數(shù)的21.20 %，pH最低，全磷含量高于平均值，全氮含量低于平均值；第Ⅵ類占總樣品數(shù)的19.57 %，pH低于平均值，全氮含量略低于平均值，全磷含量低于平均值；第Ⅶ類占總樣品數(shù)的16.30 %，全磷含量最高，全氮含量僅次于第Ⅳ類，土壤平均pH約7.1。第Ⅳ類與第Ⅶ類土壤儲存氮、磷的能力較強，且二者土壤pH較低，植被分布規(guī)律相似，均表現(xiàn)為草地主要分布于距河岸0～50 m處，主要草本植物包括馬齒莧、艾蒿、蘆葦?shù)?，距河?0～100 m處主要為灌木林與闊葉林，主要喬木樹種為興安落葉松、山楊、榆，主要灌木樹種為紫穗槐等。