纳帕海湿地区表土土壤有机碳的活性水平及空间变异,农业基础科学论文

纳帕海湿地区表土土壤有机碳的活性水平及空间变异,农业基础科学论文全球陆地生态系统0～100cm土层土壤有机碳(SOC)储量约为1462～1548Gt，分别是大气碳库和陆地生物量碳库的2～3倍。华而不实，湿地生态系统SOC库约占20%以上，是极为重要的碳汇和碳源。高海拔或高纬寒区生态系统是生态响应敏感区，而寒区湿地生态系统SOC库更易受气候变化和日益加强的人类活动的影响而受关注。我们国家西部高原山地区发育有大面积的高寒湿地，因地处流域上游或源头区，高寒湿地SOC的变化不仅影响本身的生态经过和功能，还影响其与大气和下游河湖系统等的碳交换。西部高寒湿地SOC库及其活性组分的时空分异、动态变化及其与环境因子和人类活动等的关系研究越来越遭到重视。滇西北横断山中段纳帕海湿地是较独特的低纬高寒湿地，1984年被列为省级自然保卫区，2004年被列入Ｒamsar名录。尽管保卫遭到重视，但在长期持续人类活动驱动下，纳帕海湿地水文情势、植被生态和景观格局等都发生了显着变化，湿地退化严重。针对纳帕海湿地土壤已开展不少研究，初步揭示了湿地区土壤的特征、退化状态及影响因子，发现微地貌控制下的水分和植被生态耦合分异对湿地区SOC以及氮磷等组分等空间分异产生显着影响。然而，高强度且极为频繁的干扰，如近万头大家畜的过载散养、日益增加的游客骑马观光等，对湿地区植被和土壤的影响在空间上是无序的。已有基于湿地区不同退化状态、植物群落或土地利用类型布设典型样带或样地的采样研究，难以反映湿地区整体的土壤特征，也不能反映这些无序干扰所产生的影响。土壤有机碳活性组分又称活性有机碳(LOCLabileOC)，是土壤碳库中最活泼踊跃、周转最快、易被微生物利用、且对环境变化和土地利用响应敏感的组分。根据相应的测试方式方法，LOC被定义为轻组有机碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳(EOC)、溶解有机碳(DOC)、微生物生物量碳等。尽管不同测试方式方法得到的LOC组分含量差异显着，但SOC与各活性组分以及活性组分之间都呈(极)显着正相关，因而，土壤LOC组分常被用来估算土壤SOC库的可矿化有机碳量、预测SOC库变化、评估气候变化和人类活动对SOC库的影响，以及利用LOC/SOC(%)评价土壤有机碳库的活性水平等，表征不同的生态效应。本研究在纳帕海湿地区采用网格均匀布点采集表土(0～20cm)土样，测试其SOC、EOC、DOC含量，应用地统计学等方式方法，揭示SOC、EOC、DOC、EOC/SOC(%)、DOC/SOC(%)空间变异的整体特征。1研究区大概情况与研究方式方法1.1研究区大概情况纳帕海湿地为典型的高原湖沼洪泛湿地。湿地区特别平坦，但微地貌分异仍较显着，总体上为东南部和南部向北部和西北部、两侧向中间逐步降低。湿地区景观类型丰富多样性;土壤为典型亚高山土属。纳帕海湿地所在流域区为典型的季风气候区，季风气候、湿地区的微地貌分异共同决定着湿地区水文生态情势的空间分异及其显着的季节性和年际变化，并影响湿地区土壤相关特性的分异。除此之外，湿地区还存在多方面有序和无序的人为活动，如道路和水利工程建设、放牧、旅游等，也对湿地区的水文生态情势和土壤产生明显的影响。1.2土壤采集和分析本次研究将湿地区划分成1km1km的网格(图1)。基于各网格内景观特征(地貌、植物群落、土壤湿度等)的实地调查，根据典型性和代表性，在每个网格内布设3～5个采样点采集表层(0～20cm)土样，每个样点土样为3个土样的混合样，每个样点均利用GPS记录采样点位置信息。如网格内景观差异显着，适当增设采样点。北部主湖区因淹水难以通行而未采样。本研究共采集湿地区141个表土样品。【图1】土样自然风干、去杂、磨碎，过2mm、1mm、0.5mm和0.149mm筛，送中科院东北地理与农业生态研究所分析测试中心测试SOC、EOC、DOC等含量。SOC采用重铬酸钾测定法(LY/T1237－1999)。EOC采用高锰酸钾(333mmol/l)氧化法。DOC采用水溶萃取和总有机碳分析仪测定，即称取10克风干置于100ml塑料瓶中，参加50ml蒸馏水常温振荡30min，振荡后的样品以4000转/min离心5min，取离心样品的上清液过0.45um滤膜，同时做三份空白，利用总有机碳分析仪测定滤液有机氮含量。1.3地统计分析土壤是时空连续的变异体，具有高度空间异质性，地统计分析与GIS结合是研究土壤空间异质性的常用手段。本研究利用Arcgis系统的GeostatisticalAnalyst模块的克里金插值功能(Kriging)来分析。1．3．1正态分布检验利用偏度和峰度系数、K－S检验的渐进型分布显着性水平(双尾)进行判识。当样本数据平均值与中值近似相等，偏度系数接近于0时、峰度系数绝对值＜3、K－S渐进型分布检验显着性水平＞0.05，则基本符合正态分布。若不符合正态分布，则进行数据变换(如对数转换)再检验。土壤是时空变异体，因土壤本身可能存在的显着变异、样地选择的人为性、采样时间的不同、实验测定条件的改变以及系统误差等，都可导致土壤测试数据存在一定数量的离群值，需剔除离群值开展正态分布检验。本研究中，离群值利用均值2个标准差进行判识，华而不实SOC、EOC、DOC、EOC/SOC分别剔除12、12、1、4个离群值，占总样本量比例分别为8.51%、8.51%、0.71%、2.84%，不影响总样本的正态分布检验。基于SPSS频数分布统计和单变量K－S渐进分布的检验结果见表1。【表1】1．3．2空间相关性分析利用各变量半方差函数最优拟合模型计算得到块金值C0、基台值C0+C、变程a等参数来检验。土壤属性空间变异多表现为各向异性，在克里金插值前，首先选择高斯模型、指数模型等模型，并考虑各向异性，对各变量半方差函数进行拟合，获得相关特征参数及决定系数(Ｒ2)和残差(ＲSS)。Ｒ2越大、ＲSS越小，相关模型拟合效果越好，进而确定各变量半方差函数最优拟合模型，结果见表2。【表2】半方差函数分析中，C0/(C0+C)(基底效应系数)被用来判识变量空间相关性强弱。从表2来看，DOC/SOC的空间相关性强，其他变量为中等空间相关，可进行空间克里格插值。表2还给出了各变量基于样本数据的变程范围(Minor．a～Major．a)，它表征各变量空间相关性的各向异性的显着程度，当Minor．a和Major．a接近，变量空间相关性的各向异性不显着。表2所示，DOC、DOC/SOC变程范围小，接近各向同性，其他变量各向异性特征较显着。尽管DOC、DOC/SOC接近于各向同性，但通常土壤属性的空间相关性表现为各向异性，所以后续克里金插值均考虑各向异性情形。1．3.3克里金插值考虑各变量空间相关性的各向异性，DOC/SOC选择普通克里金插值、其他变量选择对数正态克里金插值，结果图2所示。克里金插值穿插检验结果:各变量平均标准误接近于均方根误差，两者比值变化于1.001～1.116，且均方根标准误变化于0.966～1.112，表示清楚各变量克里金插值结果较理想。2结果分析2.1有机碳及活性组分空间变异特征从表1来看，湿地区表土SOC、EOC、DOC含量均值分别为51.596g/kg、4.950g/kg、155.360mg/kg。SOC、EOC为强变异水平(CV＞100%)，DOC属中等变异水平(CV介于10%～100%)，三个变量含量的极值比分别到达82.2、60.5、56.4。SOC～EOC、SOC～DOC、EOC～DOC的相关系数分别为0.929、0.741、0.760(通过0.001显着性检验，双尾)。可见，湿地区表土有机碳和活性组分之间，以及不同的有机碳活性组分之间，均为极显着相关。湿地区表土EOC/SOC(%)、DOC/SOC(%)均值分别为10.388%、0.403%，两者占土壤有机碳的比例并不高。两个变量的CV均介于10%～50%，属中等变异水平。但两个变量的极值比仍然较大，分别到达16.5、26.2，可见湿地区表土有机碳活性组分的差异还是比拟明显。各变量变异系数和极值比具体表现出了湿地区显着的水文生态分异和强的人为活动扰动等对土壤有机碳及活性组分的影响。各变量的基底效应系数C0/(C0+C)(%)表示清楚，DOC/SOC(%)具有强空间相关性，其空间变异主要受湿地区构造因素影响;其他4个变量均为中等空间相关性，其空间变异遭到来自构造因素和随机因素的耦合影响。2.2有机碳及活性组分空间分布格局从图2(a)、(b)、(c)来看，SOC和EOC含量空间分异格局高度类似，均为由西南－南部向东北－北部呈现高、低、高、低的近似西北－东南向的条带状分布，但EOC高值区分布范围与SOC不完全一致。DOC含量空间分异与SOC、EOC整体上有一致性，但也有明显不同，东南部高，由东南向西北逐步降低、西北向东北逐步升高。【图2.略】EOC/SOC(%)整体上为近似西南－东北向条带并由东南向西北的高、低、高、低变化，并呈现若干同心圆局地高值分布区(图2(d))。EOC/SOC(%)条带走向(西南－东北)和SOC条带走向(东南－西北)表示清楚两个变量具有一定的负相关特征，但EOC/SOC(%)与EOC的空间分异态势不一致更明显。EOC/SOC(%)和SOC、EOC的相关系数分别为－0.201(通过0.05显着性检验，双尾)、－0.007，也再现了相互之间空间分异特征的异同。DOC/SOC(%)空间分异格局近似为西北－东南向条带，但由西南向东北表现为低、高、低、高的变化态势(图2(e))，整体上与SOC高低分异态势相反，而与DOC空间分异格局不同;DOC/SOC(%)和SOC、DOC相关系数分别为－0.499(通过0.001显着性检验，双尾)、－0.023，表示清楚DOC/SOC(%)和SOC为极显着负相关，而与DOC相关性未通过0.05水平显着性检验。3讨论在土壤有机碳及活性组分研究中，SOC测试方式方法很成熟，不同研究获得的SOC可进行比拟。但对于LOC组分而言，测试方式方法不同意味不同的组分类型。而且，到当前为止，即使是针对特定活性组分，如EOC、DOC、MBC(MicrobialBiomassC)等，还未构成广泛接受的分析方式方法。以DOC为例，有直接采集土壤水测试、采集湿土或风干土水溶提取上清液测试等方式方法，尚未有研究分析不同测试方式方法得到的土壤DOC含量的差异。因而，在进行不同研究的活性有机碳组分含量比拟时，需要考虑测量方式方法的相对一致性。3.1活性有机碳组分含量水平湿地区表土EOC含量均值水平为若尔盖湿地区沼泽土易氧化有机碳含量一半，但湿地区的泥炭土、沼泽土和部分典型沼泽化草甸土(15个点位)的表土EOC含量变化于8.0～30.0g/kg，与若尔盖湿地区的沼泽土、泥炭土相当。考虑纳帕海湿地区土壤在整体上为亚高山草甸土，我们选择了两个案例研究进行比拟。吴建国等对宁夏六盘山林区牧草地0～10cm、10～20cm层土壤采样分析(高锰酸钾氧化比色法)，0～10cm、10～20cm层土壤EOC含量均值分别为1.156、1.959g/kg。蔡晓布等对藏北典型草地区的正常、轻度退化和严重退化草地0～10cm、10～20cm层土壤采样分析其EOC含量(重铬酸钾－硫酸氧化法)，三类草地土壤上下两层EOC含量均值分别变化于0.777～0.802g/kg、0.953～1.312g/kg。相较于海拔更高层次和纬度偏北的藏北高寒草地、纬度偏北且由半湿润向半干旱区过渡的六盘山林区牧草地而言，纳帕海湿地区的亚高山草甸土表层土壤EOC含量均值较高。纳帕海湿地区表土DOC含量均值为155.360mg/kg，远低于王忠梅等研究得到的三江平原湿地、张金波等研究得到的三江平原小叶章湿地的表土DOC含量(均采用新鲜土－水溶法)，但纳帕海湿地区的泥炭土、沼泽土、典型沼泽化湿草甸土表层土壤DOC含量变化于307.14～550.14mg/kg，接近三江平原岛状林和小叶章湿地表土DOC含量均值。从亚高山草甸土整体来看，纳帕海湿地区表土DOC含量均值明显高于藏西北典型草地区的三类草地土壤0～10cm、10～20cm层的DOC均值含量(2.710～2.970mg/kg、3.520～4.520mg/kg)。3.2有机碳活性水平及其指示意义纳帕海湿地区表土EOC/SOC(%)均值为10.388。比照有关研究发现，不同土地类型表土SOC、EOC含量差异固然较大，但EOC/SOC(%)均值较接近，如若尔盖湿地区沼泽和泥炭表土EOC/SOC(%)均值为9.22%、8.31%;藏西北典型草地区的三类草地0～10cm、10～20cm土壤EOC/SOC(%)均值分别变化于10.82～11.13%、10.87～11.58%;六盘山8类土地类型0～10cm、10～20cm层土壤EOC/SOC(%)均值变化于10.0%～12.5%、9.8%～12.9%。从亚高山草甸土来看，较草地和森林土壤，纳帕海湿地区表土EOC含量较高，EOC/SOC(%)略低;而相较典型泥炭土和沼泽土则正好相反。纳帕海湿地区表土DOC/SOC(%)均值为0.403%(0.036%～0.943%)，所有点位均低于1%。比照相关研究案例发现，利用风干土或湿土(fieldmoistsoil)经常温水溶测试得到的若干类型土壤的表土DOC/SOC(%)均值基本低于1.5%。相对EOC而言，土壤DOC对水分的分异和变化响应更敏感。将DOC/SOC(%)由低而高排序，将20个低值和20个高值(对应的DOC)点位挑选出来;同样将DOC由高而低排序，将20个高值和20个低值(对应的DOC/SOC(%))点位挑选出来。两者的对应关系如此图3所示。【图3】结合野外调查记录，以DOC/SOC(%)排序挑选(图3(a))为例分析。在DOC/SOC(%)值低的20个点位中，尽管有6个点位DOC含量也较低，但这20个点分别为沼泽或泥炭地(9个)、湿草甸(10)或位于水域边缘(1个)。DOC/SOC(%)高的20个点位中，DOC含量基本偏低，这些点中有10个为中生草甸，或为局地高地，或靠近农田/公路，其余10个为湿草甸。图3(b)也显示出一定的对应关系，十分是DOC高值的7个点全部为泥炭土、沼泽土或典型的湿草甸土，对应的DOC/SOC(%)明显较低。Zhang等和Ahn等研究也指出，湿地土壤表土DOC含量要较森林、农田、弃耕地以及其他类型土壤表土DOC含量高，但DOC/SOC(%)明显要低。综合本研究和其他案例研究来看，自然发育土壤表土LOC组分含量绝对值和相对值(占SOC比例)应表现为一定程度上的负相关特征;典型湿地土壤和其他类型土壤(如森林、草地等)的两者对应关系表示清楚水分条件是最重要的决定因子之一;相较LOC组分含量绝对值而言，LOC/SOC(%)，十分是DOC/SOC(%)，可能对外界环境(十分是水分)的分异及其变化的响应更敏感。但外来干扰可能会改变这一对应关系。以本研究DOC为例，141个点位DOC和DOC/SOC(%)相关系数仅为－0.023，未通过0.05显着性检验，可能与其他因素对土壤的影响有关。以上分析也意味着:气候变干或人为的疏水排干会导致湿地向中生草甸的演替，进而带来湿地区土壤LOC(十分是DOC)组分含量下降，但土壤有机碳活性水平反而增加，会加剧向下游水体的碳输送。湿地土壤DOC组分含量及其向下游水体的输送量的变化已经备受关注，由于DOC是水域生态系统重要的降解资源，且能吸附污染物、衰减UV－B辐射，促进水生生物生长，进而影响水体水质。高纬或高寒湿地土壤DOC含量一般较高，是向河流和海洋输送有机碳极为重要的碳库，气候变化和人类活动驱动下的湿地土壤DOC含量及输送通量的变化应予以加强。3.3空间变异和分异的影响因素半方差函数分析中，影响土壤属性空间变异的因素被分为构造因素和随机因素。构造因素主要有土壤母质、植被类型、地貌、水文情势等，自然状态下发育的土壤受构造因素为主的控制，土壤属性具有强的空间相关性。随机因素主要来自人为活动、土壤采样的随机性和土样测试误差等，削弱土壤属性的空间相关性。在纳帕海湿地区，微地貌分异整体上控制着湿地区水文和植被生态的分异，是决定湿地区表土SOC及活性组分空间变异和分异最基本和最重要的因子。家畜过载散养、道路和水利工程建设、骑马观光旅游等人为活动必然削弱湿地区土壤属性的空间相关性。采样经过中，部分地段因淹水较深而未采样，也会带来一定的影响。由表2可知，湿地区表土SOC、EOC、DOC均具有中等空间相关性，遭到构造因素和随机因素的耦合影响，但其基底效应系数均接近25%，意味着构造因素的影响仍起着主导作用。表土有机碳及活性组分高值区主要分布在保存下来的泥炭地、沼泽地、沼泽化草甸、湿草甸和易洪泛的低洼湿地区。但在东南部靠近农田和公路的区域也是高值区，调查发现，该区本来是低洼且在湿季难以通行的沼泽地或湿草甸，后因发展农牧业、朗举刷河和奶子河裁弯取直(排水)等，逐步演变成狼毒群落(Com．EuphorbiajolkiniiBoissStellerachamae-jasme)集中成片分布的中生草甸。但从局地地貌来看，该区地势相对较低，在雨季能构成较大面积的滞水或浅积水环境，狼毒群落会显着增加群落斑块下表层土壤有机质，大型家畜极少进入狼毒群落区觅食，这些都利于该区有机碳及活性组分的积累，进而构成表土有机碳及活性组分的高值分布区。湿地区的沟渠堤化、环湿公路建设和近年来日益增加的骑马观光(道路相对固定)等，显着改变各自沿线的水文－生态情势，必然对土壤有机碳及其活性组分的空间变异和分异产生显着影响。十分是河渠堤化直接改变了湿地区的洪泛经过和区域，对SOC、EOC和DOC近似东南－西北条带走向分布产生明显的影响。湿地区近万头大型家畜过载散养，长期践踏、翻拱和啃食等对湿地区水文、植物群落和土壤产生显着影响，如在