三江平原天然沼泽湿地土壤中有机碳垂直分布特征

三江平原天然沼泽湿地土壤中有机碳垂直分布特征

土壤中有机碳的含量和组成不仅决定了土壤有机质的水平，还决定了养分氮和磷的适应性状态。同时，它也影响着土壤的物理特性。它是反映土壤土壤质量和土壤健康的重要指标，直接影响土壤肥力和生物生长。湿地作为一种特殊的自然综合体,以其特殊的性质(地表积水或土壤饱和、淹水土壤、厌氧条件和适应湿生环境的动植物)而有别于其它生态系统。因此,对沼泽湿地土壤有机碳含量垂直分布特征的研究,将有助于进一步理解湿地的生态功能,这对于合理保护与利用沼泽湿地和湿地退化功能的恢复都将是有意义的。1材料和方法1.1自然沼湿地公园区三江平原位于黑龙江省东北隅,包括完达山以北的松花江、黑龙江和乌苏里江冲积形成的低平原和完达山以南乌苏里江及其支流与兴凯湖形成的冲积湖积平原,为我国最大的淡水沼泽湿地集中、连片分布区,各类湿地总面积达148.16104hm2,已垦耕地面积457.2104hm2。研究区选择在三江平原腹地挠力河、别拉洪河、浓江河流域(洪河自然保护区核心区)。该区域地貌类型为一级阶地和河漫滩,地面坡降为1/10000,在河漫滩和阶地上微地形发育,地表径流不畅,加上阶地底层广泛分布有粘土层,严重阻碍地表水下渗,洼地汇水形成大片沼泽。优势植物群落为毛果苔草(Carexlasiocarpa)、漂筏苔草(Carexpseudocuraica)、小叶樟(Calamagrostisangutifolia)、乌拉苔草(Carexmeyeriana)。土壤类型主要有泥炭土、泥炭沼泽土、腐泥沼泽土和腐殖质沼泽土。气候属中温带湿润季风气候,1月平均气温-18～-21℃,7月平均气温21～22℃,年均温1.6～1.9℃,≥10℃有效积温为2300℃。年均降水量565～600mm,60%以上集中在6～8月,年蒸发量542.4～580mm。在自然沼泽湿地优势群落内设置样点7个,其中小叶樟群落2个(Site1,4)、漂筏苔草群落2个(Site2,5)、毛果苔草群落2个(Site3,6)、乌拉苔草群落1个(Site7)。另外,在洪河农场内选择湿地开垦后的农田,包括旱田(Site8)和水田(Site9),共2个样点作为对照研究。采样点分布及概况见表1。1.2样品的采集和测定为了不干扰土壤的发生层次,土壤样品的采集选择在冬季(3月份)。在天然沼泽湿地各样点,作土壤剖面,现场分出草根层、泥炭层、过渡层、潜育层,在农田样点分出耕作层、犁底层和潜育层,分层取样,共采集33个土样(表1),带回实验室处理、分析。将土壤样品进行风干处理,风干后,磨碎,过筛,测定总有机碳、pH、全氮、硝氮、氨氮以及其它研究项目。总有机碳的分析采用电热板加热—K2Cr2O7容量法;全氮的分析采用开氏半微量定氮法;土壤氨态氮的分析采用KCl浸提—蒸馏法;硝态氮采用酚二磺比色法;土壤pH值采用电位法。2结果与讨论2.1湿土具有机碳含量分布的特点2.1.1不同层控土壤有机碳含量分布特征测定结果表明,天然沼泽湿地各采样点土壤不同剖面层次总有机碳含量分异显著:草根层>泥炭层>过渡层>潜育层。根据图1,各层次有机碳含量在整个剖面中的比例,自上而下分别为:37%～48%,35%～40%,10%～25%,<5%,其中位于乌拉苔草群落的样点(Site7),由于无泥炭积累,草根层中有机碳含量更是高达85%。天然沼泽土壤中有机碳集中分布于0～50cm的深度,土壤层次主要为草根层和泥炭层,有机碳含量占整个土壤剖面的75%～85%。该深度是植物根系的集中分布区,JobbagyG研究指出,植物根系的分布直接影响土壤中有机碳的垂直分布,因为大量死根的腐解归还为土壤提供了丰富的碳源。另一方面,大量的地表枯落物也是表层土壤有机碳重要的碳源物质。过渡层深度一般在30cm以下,植物根系难以深入,分布较少,根系的周转量急剧下降,致使该层土壤中有机碳含量开始明显降低。由于各采样点不同的沼泽发育程度、水文特征及受外界干扰程度的差异,不同样点同一层次土壤有机碳含量表现出明显的变异特征。天然沼泽湿地土壤各层次有机碳含量变幅最大的是过渡层,变幅为24.36～3.70,变异系数51.4%,最小的是潜育层,变幅为2.38～0.37,变异系数0.47%(表2)。2.1.2对农田有机碳的影响由图1可以看出,开垦后的农田土壤中,旱田土壤不同剖面层次总有机碳含量顺序为:耕作层>犁地层>潜育层,而水田土壤则是:犁地层>耕作层>潜育层。农田土壤中有机碳集中于表面大约45cm的深度,土壤层次主要为耕作层和犁底层,在整个剖面有机碳含量的比例,旱田为82%,水田为86%。与天然沼泽湿地土壤相比,除潜育层有机碳的含量相接近外,农田中耕作层和犁底层有机碳平均含量均低于天然沼泽湿地其它各层有机碳平均含量的1/10～1/15。潜育层土壤质地粘重,紧实,保水,透气性差,根系难以到达,腐殖质含量少,碳周转基本处于平衡状态,同时由于农田耕作对该层的扰动较小,所以,各样点的潜育层有机碳含量差异不大。开垦使土壤中的有机质充分暴露在空气中,土壤温度和湿度条件得到改善,从而极大地促进了土壤呼吸作用,加速了土壤有机质的分解。王艳芬等(1998)研究了开垦对于内蒙古锡林郭勒地区草甸草原土壤有机碳的影响,发现草甸草原不同层次土壤有机碳因农垦而分别损失34%(0～1cm),38%(1～6cm),36%(10～15cm),而且损失主要发生在35cm以上。本研究发现开垦对于湿地土壤有机碳损失的贡献主要发生在0～45cm的深度,有机碳含量减少了90%以上。农田土壤各层次有机碳含量均是旱田高于水田。黄东迈等(1998)利用有机物料分解实验研究发现,淹水土壤中有机碳的分解速率快于旱地土壤,且前者的残留率明显低于后者。淹水处理中各种不同有机物料的分解半衰期约为旱地相应处理的1.4～2.0倍。2.1.3活性岩植物生长塔头类型不同的植物群落类型土壤各层次有机碳的平均含量在草根层和泥炭层的高低顺序为:毛果苔草>漂筏苔草>乌拉苔草>小叶樟;在过渡层为:漂筏苔草>小叶樟>毛果苔草>乌拉苔草(图2)。乌拉苔草土壤中无明显泥炭积累,草根层重叠积累形成塔头。上述差异说明土壤有机碳含量除受温度、湿度、土壤理化性质、营养状况影响外,植物的群落类型也是重要的制约因素。李香真等(2002)研究了内蒙古高原草原土壤微生物量碳、氮特征,指出不同植物群落能维持的微生物量差异很大,这反映了归还给土壤的植物残体数量和质量上的差异。2.2土壤剖面ph值与土壤有机碳含量的关系土壤pH是土壤的一个基本性质,也是影响土壤理化性质的一个重要化学指标,它直接影响着土壤中各种元素的存在形态、有效性及迁移转化。本项研究结果发现,不同层次土壤的pH在5～7之间变化。沼泽湿地各层土壤pH自上而下呈上升趋势,草根层、泥炭层最低,潜育层最高,土壤呈弱酸性反应。农田土壤pH亦有同样的趋势,耕作层最低,潜育层最高。农田土壤pH明显高于天然沼泽湿地土壤pH。由图3看出,无论是天然沼泽土壤还是农田土壤,土壤剖面有机碳含量都随深度呈下降趋势,而土壤pH值随深度呈上升趋势,土壤pH值与土壤有机碳含量呈明显负相关。各采样点的pH值与总有机碳进行相关性分析,结果表明,Pearson相关系数为-0.652(P<0.01)。其原因主要是,在酸性土壤中,微生物种类受到限制,以真菌为主,从而减慢了土壤有机质的分解。随着土壤pH的下降,微生物活性减弱,致使土壤有机碳周转下降,表现为土壤的碳积累。2.3土壤c/n特征在一定程度上,比如土壤的C/N达到平衡状态时,土壤氮素含量大体上决定了有机碳的含量,土壤碳的保持在很大程度上决定于土壤氮素的水平。从图4中看出,土壤各层次中总有机碳和全氮含量曲线的趋势是基本一致的。不同土壤剖面层次C/N的变化明显,在天然沼泽土壤中自上而下呈下降趋势,且层间变化较大,农田土壤中则有所不同,大小顺序为:犁底层>耕作层>潜育层,层间变化较小。最大的C/N出现在乌拉苔草群落的草根层,为28.74,最小的C/N出现在采样点1处的潜育层,为1.11。天然沼泽土壤中草根层、泥炭层、过渡层土壤C/N均高于农田土壤C/N,再次说明开垦使湿地土壤有机碳发生了损失。同时,土壤C/N的大小也可以间接说明氮含量相对富集的情况。相关性分析表明,总有机碳与全氮极显著相关,Pearson相关系数为0.850(P<0.01)。全氮与土壤有机碳的回归分析表明,二者存在极显著的线性关系,其方程为:TN=0.272+4.702E-0.2SOC(r=0.850**,P<0.01)式中:TN——全氮;SOC——总有机碳。硝态氮和氨态氮都属于植物能直接利用的有效态氮,它们一起被作为土壤营养诊断的氮素营养指标。相关性分析表明,总有机碳与硝氮及氨氮均显著相关,Pearson相关系数分别为0.656(P<0.01)和0.691(P<0.01)。土壤中碳与氮的相互关系是通过微生物连接起来的。土壤微生物的活性对于土壤有机碳的分解非常重要,其中土壤微生物量碳与土壤有机碳、全氮及有效氮含量是显著相关的。而土壤C/N比的高低对土壤微生物的活动能力有一定促进或限制作用,当增加土壤氮素时,可以促进微生物的活动,提高土壤有机质的分解速率。李贵才等(2001)指出,土壤中的氮通常是限制性养分,在低C/N条件下细菌生长受碳的限制,反之当C/N高时,细菌生长因受氮的限制而处于缺氮状态。3不同类型农田有机碳含量分布特征(1)天然沼泽湿地土壤有机碳含量随深度增加而下降,剖面含量顺序为:草根层>泥炭层>过渡层>潜育层;农田土壤为:耕作层>犁底层>潜育层;0～50cm土壤中有机碳含量占整个剖面含量的75%～88%。(2)除潜育层有机碳的含量相接近外,农田中耕作层与犁底层有机碳平均含量均低于天然沼泽湿地其它各层土壤有机碳平均含量的1/10～1/15;开垦对于天然湿地土壤有机碳损失的贡献主要发生在0～45cm的深度,有机碳含量减