三江平原语境中土壤氮素的空间分布特征

三江平原语境中土壤氮素的空间分布特征

氮是土壤生态系统植物生长发育和初级生产过程中最受限制的因素之一。土壤中的氮含量直接影响生态系统的生产力。湿地土壤是在长期或周期性淹水条件下由水陆相互作用发育而成,是土壤氮的重要储库,发挥着氮素源、汇或转化器的重要功能。随着农业活动中氮肥用量的增加以及工业生产含氮物质的排放,大量氮素进入生态系统。在天然湿地中,氮输入量的高低和分布特征显著影响着生态系统的物质循环过程和湿地植被演替。有机氮是土壤氮库的主体(占95%以上),有机氮矿化对植物的生长过程极为重要,其矿化速率的高低直接影响着土壤的供氮能力。同时,湿地常年积水或季节性干湿交替的环境条件也为氮的硝化/反硝化作用提供了良好的条件,是土壤氮转化迁移的重要驱动因素。就湿地生物小循环而言,植物从土壤中吸收大量氮素以维持自身生长的需要,同时也会有相当数量生物质以枯落物的形式归还土壤。湿地土壤氮的分布特征不仅可反映湿地的养分供给状况及其可利用水平,而且一定程度上对湿地植物群落的组成、湿地系统的稳定性有着深刻影响。本文研究了三江平原典型碟形湿地土壤氮素的空间分布特征,分析了土壤氮素空间变异的主要影响因素,对加强湿地管理,促进湿地系统生态安全具有重要指导意义。1研究区域内沼泽和湿地的一般概念和研究方法1.1地表径流不畅,低土壤压力严重三江平原是由黑龙江、松花江和乌苏里江汇流冲积而形成的低平原,是我国最大的淡水沼泽湿地分布区之一,该区属于大陆性季风气候,冬季严寒漫长,夏季温暖湿润,秋季多雨,年平均气温1.9℃,大于或等于10℃的年活动积温为2300℃;年降水量为600mm左右,集中在6~9月,约占全年降水的70%。由于气候、地形、土壤等综合因素,该区地表径流不畅,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。研究样地选在中国科学院三江平原沼泽生态站三区试验场(47°34′30″N,133°29′45.2″E),如图1所示,该试验场为典型碟形沼泽湿地,海拔55.4~56.6m,优势植物群落为小叶章(Deyeuxiaangustifolia)—毛果苔草(Carexlasiocarpa)和乌拉苔草(Carexmeyeriana)群落—漂茷苔草(Carexpseudocuraica)群落等,由外向内依次分布,属于相对封闭系统,受人类活动及径流影响较小,其沼泽类型、植被类型在三江平原均具有代表性。1.2样品采集和测定按照小叶章湿草甸(Deyeuxiaangustifoliawetmeadows,DAWM)—小叶章沼泽化草甸(Deyeuxiaangustifoliaswampingmeadows,DASM)—毛果苔草湿地(Carexlasiocarpamarsh,CLM)—漂茷苔草湿地(Carexpseudocuraicamarsh,CPM)的植物群落带由外向内依次演替的特征,由碟形湿地中部向外沿4个方向分别在每种植被类型中随机选取3个采样点。为避免采集样品时土壤水分的影响,于11月份湿地未完全结冻前采集土壤样品,每一类植物样带土壤剖面采样深度为60cm,每10cm为一层,相同方向的同一类型三个剖面同层次样品混均。对于该沼泽湿地,0~10cm为草根层,10~30cm为泥炭层,30~40cm为过渡层,40cm以下为白浆层。将采集的土壤样品带回实验室自然风干后,捡去残根等杂物,研碎,过100目筛后待测。测定土壤有机质(SOM)、全氮(TN)、铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)含量。同时采集各样带植物生物量,其中地上生物量采用收割法采集,地下生物量采用挖掘法采集,80℃烘干,测定其生物量。土壤TN采用凯氏法测定;NO3--N采用酚二磺酸比色法测定;NH4+-N采用氯化钾浸提—靛酚蓝比色法测定;SOM采用重铬酸钾容量法—外加热法测定。2结果与分析2.1不同类型湿地中tn含量的变化碟形湿地由外向内植被类型依次发生演替,湿地水位也由浅转深,相应的水平方向土壤类型及其剖面特征也不尽相同,土壤氮素水平也呈现规律性变化。图2为湿地土壤TN含量的分布特征,由图可知,0~30cm土壤TN含量表现为漂茷苔草湿地>毛果苔草湿地>小叶章沼泽化草甸>小叶章湿草甸。土壤深度大于30cm时,不同群落类型的小叶章湿地TN含量与上层不同,表现为小叶章沼泽化湿地小于湿草甸土壤,但相差不大。而不同层次漂茷苔草湿地土壤TN含量表现为高于毛果苔草湿地和小叶章湿地。随着土壤深度的增加不同植被类型湿地垂直方向TN含量逐渐降低。碟形湿地中心部位漂筏苔草和毛果苔草湿地土壤TN含量表现为草根层>泥炭层>过渡层>白浆层,草根层、泥炭层之间TN含量差异不显著,而过渡层、白浆层之间差异明显(P<0.001)。小叶章湿草甸土壤TN含量较低,各层之间差异不显著,小叶章沼泽化湿地土壤草根层、泥炭层TN含量较高,过渡层含量显著降低,而且与白浆层TN含量接近。处于碟形湿地由外向内过渡带的沼泽化小叶章湿地TN含量垂直方向上的差异变化最大,表层比过渡层高5.51倍。毛果苔草湿地和小叶章湿草甸土壤TN含量差异变化减小,分别为76.32%和61.53%。差异变化最小的是漂茷苔草湿地,氮含量较高,差异性小。结果表明水位周期性变化的湿地土壤TN垂直运移小于无水位波动的湿地,水位波动可造成湿地TN水平方向运移较大。2.2土壤nh4+-n含量分布情况图3为碟形湿地土壤NH4+-N含量的变化特征,如图所示,同一层次土壤,漂茷苔草湿地和毛果苔草湿地NH4+-N含量最高,二者含量较为接近。小叶章泽化湿地NH4+-N含量最低,其各层土壤该形态氮含量分别比淹水湿地相应层次含量降低72.25%~88.76%,同时0~30cm层次土壤也比小叶章湿草甸降低51.29%~67.41%。随着土壤深度的增加,碟形湿地漂茷苔草和毛果苔草湿地土壤NH4+-N含量变化缓慢,边缘小叶章湿地土壤从草根层到过渡层该形态氮含量降低较快,过渡层以下变化缓慢。漂茷苔草湿地和毛果苔草湿地NH4+-N含量(y)随着土壤深度(x)降低呈线性降低,毛果苔草湿地:y=-1.126x+83.597,R2=0.9549,漂茷苔草湿地:y=-1.274x+97.662,R2=0.9676;而小叶章湿地土壤NH4+-N垂直方向的分布特征符合指数变化规律,小叶章湿草甸:y=17.179ln(x)+76.812,R2=0.8197,小叶章沼泽化草甸:y=-31.466ln(x)+97.362,R2=0.8406。湿地土壤NH4+-N含量垂直方向的变化与TN的变化趋势基本相同,均自表层向下呈递减趋势,从表层到40cm土层骤减明显,而40cm以下的变化则较为和缓。2.3no3--n含量的变化图4为碟形湿地土壤NO3--N含量的变化特征,如图所示,同一层次土壤,漂茷苔草湿地NO3--N含量最高,毛果苔草湿地表层土壤NO3--N含量与漂茷苔草湿地接近,而20~40cm该形态氮含量降低幅度较大。小叶章湿地NO3--N含量与TN、NH4+-N含量的变化不同,小叶章湿草甸NO3--N含量高于沼泽化草甸,主要是由于小叶章沼泽湿地受到水位周期性波动的影响,溶解性高、吸附性弱的NO3--N易于淋失。土壤NO3--N含量整体上均自上而下呈逐渐降低趋势。随着土壤深度的增加NO3--N含量的变化分别符合以下变化规律。漂茷苔草湿地:y=-3.0553x+61.742,R2=0.9702;毛果苔草湿地:y=-20.313ln(x)+60.19,R2=0.9042,小叶章沼泽化草甸:y=-16.283ln(x)+37.429,R2=0.5898,小叶章湿草甸NO3--N从表层到60cm含量均较低,差异不明显。随着土壤深度的增加,漂筏苔草湿地土壤NO3--N含量变化缓慢,毛果苔草湿地和小叶章沼泽化湿地土壤从草根层到过渡层NO3--N含量降低较快,过渡层以下变化缓慢。2.4土壤形态氮的变化碟形湿地土壤各形态氮的变异性主要与区域环境特征、湿地植被分布规律有关,表层土壤各形态氮含量受外界环境条件、植物生物量、水分条件以及氧化还原过程等的影响较为显著,而下层土壤可能受土体结构、性质及成土母质的影响较大。2.4.1土壤有机质的垂直分布特征有机质是土壤具有生物学特性和结构的基本物质,是土壤有机物质的主体,在一定程度上可反映土壤中有效养分的贮量。表1为碟形湿地不同植被类型土壤有机质含量的变化特征。两种小叶章样地0~20cm表层土壤有机质含量差异显著,而20~40cm土壤有机质差别不大,这种差异性造成土壤氮含量的变化。土壤TN的垂直分布特征主要受制于土壤有机质的分布,表层土壤有机质含量丰富,TN含量均较高,而下层土壤有机质含量较低,TN含量相应较低。漂筏苔草湿地各层土壤有机质含量均比毛果苔草湿地低,但均高于小叶章湿地,小叶章沼泽化草甸有机质含量略高于小叶章湿草甸,过渡层以下差异较小。说明受水位波动影响大的沼泽湿地更有利于有机质的积累。表2为碟形湿地土壤氮素含量与有机质含量的Pearson相关性分析,由表可知,TN含量与有机质呈显著正相关(P<0.01),NH4+-N含量也与有机质含量显著正相关,但碟形湿地外部土壤的这种相关性相对较差,毛果苔草湿地和漂茷苔草温地NO3--N含量与有机质呈正相关,而小叶章湿地的这种相关性不显著。2.4.2土壤剖面分布特征土壤养分的重要来源是植物的物质生产。植物体不断从周围环境同化吸收其生长所需要的水分和营养物质,并且在生长季结束后逐渐将生物质归还土壤。典型洼地土壤氮含量剖面垂直方向呈递减趋势,体现了氮源物质的输入对TN垂直分布的影响。碟形湿地漂茷苔草和毛果苔草0~20cm表层土壤TN含量分别为20~60cm下层土壤的4.07和1.61倍,小叶章湿草甸和沼泽化草甸湿地的这种关系分别为3.09和10.92倍,表明不同植被类型湿地垂直方向TN含量差异明显,这种剖面分布特征与植物生物量的分布趋势一致。0~20cm表层土壤是植物根系生物量的主要分布层次,该层次分别集中了碟形湿地湿草甸小叶章、沼泽化草甸小叶章、毛果苔草和漂茷苔草地下生物量的85.5%、95.1%、93.5%和88.6%,这是由于植物地上部分枯死进入表层土壤,植物枯落物和死根的腐解归还成为土壤持续不断的氮输入源。20~60cm土壤中根系分布较少,氧化分解也较弱,根系的周转量急剧下降,致使该层土壤中氮含量明显降低。回归分析表明,碟形湿地土壤0~20cm剖面TN含量y(gkg-1)与植物生物量x(gm-2)之间存在显著线性关系:y=0.347x+55.25(R2=0.879,n=12,p<0.001)。生物量不仅是土壤氮素剖面分布的决定性因素,还影响土壤氮素的水平分布特征。碟形湿地中不同植被类型土壤氮累积量差异显著,湿地内部毛果苔草和漂茷苔草湿地土壤氮累积(Soiltotalnitrogen,STN)分别为小叶章沼泽湿地的2.15和1.68倍。而植物氮累积(Planttotalnitrogen,PTN)表现出相反的趋势,不同群落小叶章氮累积量分别为毛果苔草和漂茷苔草的1.44~2.03倍和2.46~3.48倍,表明碟形湿地边缘植物氮累积对土壤氮累积的贡献大,通过二者的比值(PTN/STN)可进一步得到植物生物质氮累积对土壤氮含量的相对贡献大小,其中小叶章沼泽湿地的植物氮贡献最大,毛果苔草的贡献最小。从碟形湿地氮的分布特征来看,除了植物分解造成氮素水平分异,还受到水位波动及其引起的氧化还原差异的显著影响。2.4.3不同湿地土壤养分含量碟形湿地的一个显著特征是水位波动频繁,由此造成土壤养分累积的差异。水位波动的影响主要体现在养分随水位波动而迁移和土壤氧化还原电位差异造成的氮转化两方面。碟形沼泽湿地由内向外水位逐渐降低,小叶章湿地水位不稳定,处于干湿交替和水位波动状态,其中小叶章湿草甸在降雨较大时,土壤水分含量增大,氮会随着径流向湿地内部冲刷,小叶章沼泽化湿地处于水位波动状态,当水位降低时,表层土壤氮随水位波动而进入毛果苔草湿地。土壤氧化还原作用受到水分的强烈影响,氧化还原作用弱造成氮素累积,氧化还原作用增强造成氮转化。小叶章湿草甸基本处于无水位状态,在雨季处于一定的干湿交替过程,氮随着径流而向湿地内淋失,造成0~30cm土壤TN含量较低。小叶章沼泽化湿地反复水位波动变化中,土壤氧化还原作用增强,促进了有机质的降解和腐殖化过程,淋失进入的氮使得该植被带湿地TN含量高于小叶章草甸土壤。毛果苔草和漂茷苔草湿地土壤基本处于淹水状态,氧化还原作用弱,氮累积逐渐升高。较短的干湿交替周期有利于湿地脱氮,而长期淹水或较长干湿交替周期则不利用湿地脱氮。30cm以下土壤TN呈现出由内向外逐渐降低的趋势,受水分垂直运动的影响,越向外部垂直方向土壤TN含量越为接近。NH4+-N含量除受到水位波动的影响,还与NH4+-N可为植物直接吸收利用,易于土壤吸附而造成淋失较少有关,因而小叶章湿地土壤NH4+-N含量较高。沼泽化湿地表层土壤粘粒含量较低使得NH4+-N可淋失运移至较深土层中,过渡层土壤含量也较高。NO3--N也可被植物吸收利用,不易被土壤吸附而造成淋失,因而小叶章湿地表层土壤NO3--N含量均较低,而毛果苔草和漂茷苔草湿地含量较高。湿草甸土壤水分条件较差,NO3--N仅能垂直淋失至较浅土层中,小叶章沼泽化草甸地表存在季节积水,导致土壤结构破