梁 晨,殷書柏,劉吉平,*

1 吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院,四平 136000 2 吉林師范大學(xué)資源保護(hù)與利用研究所,四平 136000 3 唐山師范學(xué)院資源管理系,唐山 130102

濕地土壤系統(tǒng)中氮(N)和磷(P)元素循環(huán)已成為全球氣候變化背景下土壤學(xué)、環(huán)境學(xué)和濕地生態(tài)學(xué)研究者關(guān)注的焦點(diǎn)之一[1]。濕地土壤中的N、P元素是植物礦物質(zhì)養(yǎng)分、有機(jī)養(yǎng)分和土壤肥力的重要組成部分,作為濕地生態(tài)系統(tǒng)中的兩個(gè)限制性因素,對(duì)濕地植物的生長發(fā)育、群落組成以及生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能等起重要作用[2]。受到自然與人為等多重因素耦合作用影響,濕地土壤中的N、P元素具有一定的空間分布特征,這會(huì)導(dǎo)致土壤環(huán)境的異化,進(jìn)而影響動(dòng)植物及微生物的動(dòng)態(tài)變化、種群演替及物種競爭[3]。目前,針對(duì)濕地土壤氮磷元素的研究主要集中于二者在生長季時(shí)期以及在人為和自然干擾下的空間分布[4- 7],而針對(duì)在非生長季自然狀態(tài)下的三江平原碟形洼地不同植物群落土壤氮磷元素的空間分布研究并不多見,而非生長季的土壤元素分布狀態(tài)對(duì)生長季元素的分布具有良好的基礎(chǔ)調(diào)節(jié)作用,而且非生長季的元素積累對(duì)生長季時(shí)期土壤內(nèi)部不同層次的理化性質(zhì)和動(dòng)植物生命過程等均具有重要影響[8-12]。本文主要通過樣線采樣法研究中國科學(xué)院三江平原沼澤生態(tài)實(shí)驗(yàn)站內(nèi)由碟形洼地-島狀林方向不同植物群落土壤N、P元素以及揭示N、P元素耦合關(guān)系的N/P的空間分布特征以及影響二者分布狀態(tài)的自然及人文因素,以期為三江平原濕地土壤氮磷調(diào)控以及化學(xué)元素分布與循環(huán)模式研究提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

圖1 觀測(cè)樣帶示意圖Fig.1 The sketch map of research sample

非生長季與生長季相比,濕地土壤內(nèi)部的養(yǎng)分元素穩(wěn)定性較強(qiáng),而且此時(shí)土壤已凍結(jié),采樣不易破壞土體結(jié)構(gòu),有助于實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。由于從1986年開始,中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所在別拉洪河和濃江的河間地帶建立中國科學(xué)院三江平原沼澤生態(tài)實(shí)驗(yàn)站,為了進(jìn)行濕地科學(xué)研究而用,所以保護(hù)較好,而且碟形洼地-島狀林是該區(qū)較為特殊的景觀,也受到了良好保護(hù),所以該區(qū)域現(xiàn)在仍是碟形洼地-島狀林的代表性與典型性區(qū)域。2014年非生長季,在該站內(nèi)碟形洼地-島狀林方向設(shè)置寬5 m的樣線,并在樣線上不同植物群落中選取4個(gè)樣點(diǎn)采樣。觀測(cè)樣地的面積約4 hm2,中心地理經(jīng)緯度坐標(biāo)為47°35′11″N和133°30′35″E。三江平原屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū),年均溫1—4℃,年降水量500—650 mm,濕地植物種類繁多且多呈群落狀態(tài)分布,島狀林植物主要有柴樺(Betulafruticosa)、黃耆(Astragalusmembranaceus. Bunge)、毛榛(Corylusmandshurica. Maxim)等,由島狀林-碟形洼地方向植物群落為漂筏苔草-蘆葦群落(Carexpseudocuraica-Phragmitescmmuniscommunity,樣點(diǎn)1),毛果苔草群落(Carexlasiocarpacommunity,樣點(diǎn)2),烏拉苔草群落(Carexmeyerianacommunity,樣點(diǎn)3),沼柳-小葉章群落(Salixrosmarinifolia-Calamagrosticsangustifoliacommunity,樣點(diǎn)4)等,而且各植物群落土壤依次為泥炭土,泥炭沼澤土,潛育草甸沼澤土,潛育草甸白漿土[13](圖1)。

垂直方向上,利用長130 cm,口徑為56 mm的帶襯管的原狀取土器(ZL201210534424.7)按照由表層到底層方向在野外進(jìn)行采樣,該取土器采集土壤樣品時(shí)能夠避免上下層樣品互相干擾和不同層次樣品間的相互污染,所采集土樣平均深度為50 cm,并按5 cm長度劃分層次,放入不同的密封袋中并編號(hào),記錄采樣深度等信息。本研究將風(fēng)干的土樣,利用半微量凱氏定氮法測(cè)定全氮含量[14],使用酸溶-鉬銻鈧比色法測(cè)定全磷含量[15],采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量[14]；在生長季進(jìn)行植物樣方檢測(cè)生物量,并測(cè)量不同植物群落所處的積水深度,水文條件可分為季節(jié)性積水和常年性積水兩類,利用直插式土壤溫度計(jì)(德國STEPS)分別在5月25日、6月29日和8月6日的8：00,12：00和20：00測(cè)定土壤溫度并計(jì)算得到平均值。使用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0軟件分別進(jìn)行空間分布圖繪制和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 碟形洼地-島狀林方向各樣點(diǎn)全氮與全磷含量的空間分布特征

全氮與全磷在濕地土壤垂直方向上0—50 cm的含量分別在492.95—7117.42 mg/kg和357.34—1861.01 mg/kg之間。其中全氮含量在樣點(diǎn)1和樣點(diǎn)3處呈現(xiàn)先減少后增加再減少的趨勢(shì),突增點(diǎn)均位于土壤的中上層部位,而樣點(diǎn)2和樣點(diǎn)4均呈現(xiàn)隨土壤深度的增加,全氮含量逐漸下降的趨勢(shì),且各樣點(diǎn)全氮含量在50 cm深度處越來越趨近于一致；全磷含量在樣點(diǎn)1和樣點(diǎn)4均呈現(xiàn)先增加后減少再增加再減少的分布狀況,樣點(diǎn)3和樣點(diǎn)2總體上呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),而且全磷在15—20 cm土深范圍內(nèi)含量相近(圖2)。由碟形洼地中心到島狀林,全氮與全磷在各樣點(diǎn)的平均值分別呈“V”字型和倒“N”字型分布,最高值分別出現(xiàn)在樣點(diǎn)1與樣點(diǎn)3,且兩種元素的標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)均是全氮(51.77%)>全磷(13.65%),這說明全氮含量空間分異性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全磷(表1)。通過相關(guān)性分析,可得出各樣點(diǎn)全氮與全磷均呈極顯著相關(guān)(P<0.01),樣點(diǎn)2(0.933)>樣點(diǎn)4(0.911)樣點(diǎn)3(0.860)>樣點(diǎn)1(0.799),相關(guān)性有碟形洼地到島狀林方向呈先增后減再增的“N”字型規(guī)律。

圖2 碟形洼地-島狀林方向各樣點(diǎn)垂直方向上50 cm全氮與全磷的空間分布Fig.2 Spatial distribution of total nitrogen and total phosphorus 50 cm in the vertical direction from saucer depression to island forests

2.2 碟形洼地-島狀林方向各樣點(diǎn)全氮與全磷含量的化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

與全氮和全磷的空間分布特征相比,氮磷比(N/P)的空間分布特征更能全面地闡述氮和磷元素耦合的空間變化[15]。氮磷比在濕地土壤垂直方向上0—50 cm的數(shù)值范圍是0.56—7.34。樣點(diǎn)1和樣點(diǎn)3氮磷比的分布特征分別為先減后增再減和先增后減,樣點(diǎn)2與樣點(diǎn)4則呈現(xiàn)隨土壤深度增加而逐漸降低的趨勢(shì),除樣點(diǎn)3外,其余各樣點(diǎn)氮磷比最大值均集中于土壤0—10層次內(nèi),其中總體最大值分布在樣點(diǎn)1表層部位(圖3)。各樣點(diǎn)氮磷比平均值呈“V”字型規(guī)律分布,樣點(diǎn)1(3.85)>樣點(diǎn)2(2.51)>樣點(diǎn)4(1.76)>樣點(diǎn)3(1.65)。通過標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)的計(jì)算,氮磷比(0.88和36.07%)在各樣點(diǎn)的離散程度在全氮和全磷含量的變異水平之間。

表1 碟形洼地-島狀林方向各樣點(diǎn)全氮與全磷含量平均值空間分布及標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)

Table 1 Standard deviation and coefficient of variation and spatial distribution of average value of total nitrogen and total phosphorus from saucer depression to island forests

種類Type樣點(diǎn)1Sample1/(mg/kg)樣點(diǎn)2Sample2/(mg/kg)樣點(diǎn)3Sample3/(mg/kg)樣點(diǎn)4Sample4/(mg/kg)平均值A(chǔ)verage/(mg/kg)標(biāo)準(zhǔn)差Standard deviation變異系數(shù)/%Coefficient of variation全氮TN Total nitrogen2977.042145.011522.642467.732278.111179.4651.77全磷TP Total phosphorus716.96705.51964.00895.53820.50111.9913.65

圖3 碟形洼地-島狀林方向各樣點(diǎn)垂直方向上50 cm氮磷比的空間分布Fig.3 Spatial distribution of N/P ratio 50 cm in the vertical direction of samples from saucer depression to island forests

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

濕地土壤養(yǎng)分的空間分布受到多種環(huán)境因素的影響,其中水文條件通過水文周期的變化以及地表水和地下水的運(yùn)動(dòng)對(duì)養(yǎng)分進(jìn)行調(diào)節(jié),植物在耦合水分條件的基礎(chǔ)上,根據(jù)自身生長發(fā)育的需要,吸收、累積、遷移和轉(zhuǎn)化土壤養(yǎng)分,土壤有機(jī)質(zhì)同作為營養(yǎng)元素,對(duì)氮磷的調(diào)節(jié)十分重要,受土壤溫度和季節(jié)變化的影響,土壤內(nèi)的生物活動(dòng)存在較大差異,從而影響了非生長季氮磷養(yǎng)分的分布特征。

3.1.1水文條件與植物群落對(duì)碟形洼地-島狀林方向各樣點(diǎn)土壤氮磷分布的影響

濕地土壤的水文條件是其最基本最重要的物理特征之一,它對(duì)氮磷元素的遷移與轉(zhuǎn)化以及植被的生長狀況具有重要影響。土壤的水文條件受降水以及徑流的影響,也影響著土壤元素的有效性,改變著植物的營養(yǎng)吸收能力和光合能力[16]。植被是濕地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量流動(dòng)最重要的環(huán)節(jié),其植被群落特征和分布影響著濕地土壤養(yǎng)分的空間分布差異。一方面,植物可以通過根系直接吸收同化土壤中的氮磷元素將其轉(zhuǎn)變成自身體內(nèi)的核酸、磷脂類化合物等有機(jī)成分,并通過枯落物歸還進(jìn)入土壤；另一方面,濕地植物通過改變根區(qū)的微環(huán)境,如土壤水分、pH值及土壤機(jī)械組成等因子而間接影響土壤中氮磷元素的分布[17]。土壤全氮和全磷的分布狀態(tài)主要受在濕地淹水的條件下,土壤處于還原狀態(tài)的影響,導(dǎo)致土壤中的氮和磷等元素?zé)o法發(fā)生礦化作用,從而可保持在土壤各層次內(nèi)；由于漂筏苔草-蘆葦群落位于濕地中心位置,處于濕地水位較高地帶,能夠有效抑制植物體分解產(chǎn)生和土壤自身的氮磷元素礦化分解,導(dǎo)致氮磷元素以有機(jī)狀態(tài)賦存于植被下層土壤中并被植物固定于土壤中上層；而毛果苔草群落相對(duì)于漂筏苔草-蘆葦群落,其水位呈下降趨勢(shì),但仍處于水中,加之毛果苔草群落生物量(304 g/m2)為各群落最高,所以更有利于氮磷元素在還原環(huán)境下的積累,但該群落植物的豐富度和多樣性均較高,一定程度上會(huì)導(dǎo)致部分營養(yǎng)元素被利用和吸收,氮磷含量相對(duì)下降；而烏拉苔草群落和沼柳-小葉章群落均已靠近濕地邊緣,土壤水分含量較低,土壤處于氧化還原過渡環(huán)境下,其中的氮磷元素在礦質(zhì)化的作用下易發(fā)生釋放,而且植物的吸收也會(huì)導(dǎo)致土壤中養(yǎng)分含量降低,加之烏拉苔草的生物量(231.60 g/m2)為各群落最低,因此烏拉苔草群落元素含量降低較快,但在沼柳-小葉章群落植物生物量(241.77 g/m2)僅次于漂筏苔草-蘆葦群落(266.90 g/m2),而且土壤的通氣性較好,元素礦化程度較高,但物種豐富度和多樣性僅次于毛果苔草群落,雖然一定程度上會(huì)導(dǎo)致元素被轉(zhuǎn)移利用,但更有利于將植物凋落物和土壤中原有的氮磷元素集中起來,所以在該群落氮磷含量呈現(xiàn)出次高峰。

3.1.2土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)碟形洼地-島狀林方向各樣點(diǎn)土壤氮磷分布的影響

圖4 碟形洼地-島狀林方向各樣點(diǎn)垂直方向上50 cm土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布Fig.4 Spatial distribution of soil organic matter 50 cm in the vertical direction of samples from saucer depression to island forests

土壤有機(jī)質(zhì)的分解礦化是氮磷受其作用的過程。一般來說,濕地生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分間的循環(huán)是密切相關(guān)的,碳氮磷的生物地球化學(xué)循環(huán)具有耦合作用,土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)氮磷的礦化和固持具有調(diào)控作用[18-19]。本研究中土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍在0.62%—15.90%之間,各樣點(diǎn)垂直分布與全氮基本一致,均隨土壤深度的增加,元素含量逐漸降低,雖然土壤有機(jī)質(zhì)分布與全磷和氮磷比的分布存在差異性,但均為總體上隨土壤深度的增加而元素含量逐漸減少(圖4),而且在元素平均值水平分布為樣點(diǎn)1(6.58%)>樣點(diǎn)4(5.31%)>樣點(diǎn)2(4.70%)>樣點(diǎn)3(2.92%),標(biāo)準(zhǔn)差(1.32%)和變異系數(shù)(27.05%)表明其變異程度在全磷與全氮之間,且分布上與全氮和氮磷比較為一致,這在一定程度上解釋了土壤有機(jī)質(zhì)與氮磷分布的關(guān)系；加之除烏拉苔草群落處土壤有機(jī)質(zhì)與氮磷比不存在極顯著相關(guān)外,其他樣點(diǎn)全氮、全磷與土壤有機(jī)質(zhì)之間均存在極顯著相關(guān)(P<0.01)(表2),這表明土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)于氮磷分布狀況具有顯著影響,有機(jī)質(zhì)的礦化對(duì)于氮磷的轉(zhuǎn)化和循環(huán)具有強(qiáng)大的促進(jìn)作用。

表2 碟形洼地-島狀林方向各樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)與全磷、全氮及氮磷比的相關(guān)性

**P<0.01,*P<0.05

3.1.3季節(jié)變動(dòng)對(duì)碟形洼地-島狀林方向各樣點(diǎn)土壤氮磷分布的影響

氮磷是濕地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過程中所必需的大量元素,Tateno等人指出濕地生態(tài)系統(tǒng)活動(dòng)易受氮磷的限制[20]。本研究中全氮和全磷含量分布受淹水條件的改變、植被群落的差異以及非生長季元素積累等綜合因素影響,導(dǎo)致除烏拉苔草群落外,土壤氮、磷以及氮磷比三者間均存在顯著相關(guān)(P<0.05)或極顯著相關(guān)(P<0.01)(表3)。這主要是因?yàn)樵谏L季條件下,由于適合的溫度以及降水條件,導(dǎo)致濕地內(nèi)的生態(tài)條件在不受其他外部干擾的情況下越來越有利于土壤養(yǎng)分的積累,其中以土壤動(dòng)物和微生物的降解作用最為主要,其通過完整的生物過程將植物凋落物中的養(yǎng)分分解并通過新陳代謝歸還到土壤當(dāng)中,加之降水的淋溶作用以及植物的吸收固定作用,使養(yǎng)分半穩(wěn)定地分布于土壤各個(gè)層次,直至到底層分布殆盡；而非生長季的環(huán)境條件變得不適宜于生命活動(dòng),分解者大多已死亡,這就導(dǎo)致生長季所形成的養(yǎng)分分布局面得到一定程度的維持,也就是由于植物的根系吸收,養(yǎng)分較集中地分布于土壤中上層,而土壤下層由于土體的變異性較高且淋溶作用難以到達(dá)而含量減少[21],而烏拉苔草群落的相關(guān)性出現(xiàn)異常,主要是由于全氮和全磷的含量分別呈現(xiàn)出水平方向上的最低值和最高值,氮磷比也隨之呈現(xiàn)出水平方向上的最低值,由于氮磷平均含量最值的差異性較大,所產(chǎn)生的元素含量波動(dòng)也會(huì)相應(yīng)增大,元素間的關(guān)系不確定增加,最終導(dǎo)致群落土壤氮磷元素與二者耦合關(guān)系的相關(guān)性不顯著。

表3 碟形洼地-島狀林方向各樣點(diǎn)全氮、全磷與氮磷比的相關(guān)性

**P<0.01,*P<0.05

3.1.4土壤溫度對(duì)碟形洼地-島狀林方向各樣點(diǎn)土壤氮磷分布的影響

土壤溫度是影響濕地生態(tài)環(huán)境的重要因素之一,對(duì)地溫的深入研究不僅有利于把握濕地土壤呼吸作用的規(guī)律,還可以進(jìn)一步探究在土壤溫度及其所產(chǎn)生的結(jié)果影響下濕地土壤養(yǎng)分的空間分布特征[22- 23]。由表4可以看出在生長季的3個(gè)月份里,不同濕地植物群落由碟形洼地向島狀林的土壤平均溫度均呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)。土壤溫度的變化與深度、植物以及太陽輻射等因素有密切關(guān)系,沼柳-小葉章群落和烏拉苔草群落由于土壤含水量較低,受太陽輻射的變化影響逐漸增強(qiáng),日際和年際溫度變化較顯著,加之植被條件的影響,導(dǎo)致了“氮消磷漲”的水平分布局面,在該烏拉苔草群落處出現(xiàn)了全磷高峰值,沼柳-小葉章群落氮磷含量的增高主要因?yàn)槠漭^高的生物量和生長季土壤動(dòng)物和微生物分解機(jī)制,從而能夠?yàn)橥寥捞峁┐罅康臓I養(yǎng)元素；而隨著向濕地中心延伸,水分含量不斷增加,各植物群落土壤溫度受濕地冷濕效應(yīng)的影響逐漸增強(qiáng),但其正是由于較低的土壤溫度和較好的淹水條件,才導(dǎo)致漂筏苔草-蘆葦群落和毛果苔草群落下層土壤中氮磷含量維持在較高水平(表4)。

表4 碟形洼地-島狀林方向不同濕地植物群落生長季土壤溫度平均值/℃

Table 4 The average of soil tempreture in different wetland plant communities from saucer depression to island forests during growing season

月份Month漂筏苔草-蘆葦群落Carex pseudocuraica-Phragmites cmmunis community毛果苔草群落Carex lasiocarpa community烏拉苔草群落Carex meyeriana community沼柳-小葉章群落Salix rosmarinifolia-Calamagrostics angustifolia community5月May7.527.6111.4411.676月June13.2916.9418.8518.948月August18.8219.5219.6019.99

3.2 結(jié)論

(1)全氮含量在漂筏苔草-蘆葦群落和烏拉苔草群落呈隨土壤深度的增加,先減少后增加再減少的趨勢(shì),而在毛果苔草群落和沼柳-小葉章群落中則呈逐漸下降的趨勢(shì)。全磷含量在漂筏苔草-蘆葦群落和沼柳-小葉章群落均隨土壤深度的增加,呈現(xiàn)先增加后減少再增加再減少的趨勢(shì),而在烏拉苔草群落和毛果苔草群落總體上均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。氮磷比的垂直分布趨勢(shì)總體上與全氮和全磷相似,僅在樣點(diǎn)3的20—30 cm處呈現(xiàn)小幅增加趨勢(shì)。由碟形洼地到島狀林,全氮、全磷與氮磷比在各樣點(diǎn)的平均值分別呈“V”字、倒“N”字和“V”字型分布。

(2)由變異系數(shù)可知,土壤氮磷間具有空間異質(zhì)性：全氮(51.77%)>全磷(13.56%),相關(guān)性分析表明,土壤全氮和全磷存在極顯著相關(guān)(P<0.01),土壤N/P(36.07%)也表現(xiàn)出空間異質(zhì)性,并與土壤全氮和全磷存在顯著相關(guān)(P<0.05)或極顯著相關(guān)(P<0.01)。

(3)土壤有機(jī)質(zhì)的分布是全氮和全磷分布的關(guān)鍵影響因子,植物與水文狀況、季節(jié)變化和土壤溫度對(duì)養(yǎng)分的空間分布也起重要作用。