安庆菜子湖区退耕还湖湿地土壤有机质含量变化研究

安庆菜子湖区退耕还湖湿地土壤有机质含量变化研究

湿地是水生和陆地系统互动环境的一种特殊类型的生态系统。这不仅是一个天然的水库，也是一个完整的生态系统，拥有世界上最大的生物多样性、最大的生产力和最大的生态系统服务价值。湿地在均化洪水、调节区域气候、净化水质、提供珍稀物种栖息地等方面发挥着重要作用。湿地土壤泛指长期积水或季节性积水和水生植物、湿地植物生长线形成的水成土壤。土壤有机质是湿地生态系统中极其重要的生态因子,它不仅是湿地植物有机营养和矿质营养的源泉,也是湿地土壤异样性微生物的能源物质,直接影响着湿地生态系统的生产力大小。湿地土壤有机质的含量及分布直接影响湿地土壤系统的物理、化学和生物学特性。湿地围垦等人类生产活动可导致湿地土壤有机质的大量流失,增加湿地土壤碳排放,进而影响湿地环境和气候变化。开展退耕还湖后湿地土壤有机质含量变化的研究对探索湿地的利用和保护与湿地生态系统的恢复具有重要的理论意义。目前,国内外对农田、林地、草地和湿地土壤有机质均有较多的研究,而国内有关湿地土壤有机质研究主要集中于三江平原、河口湿地、高原湿地,近年来退耕还湖湿地土壤有机质含量变化的研究已引起湿地科学研究者的关注。而针对退耕年限和退耕后人类活动对湿地土壤有机质变化影响的研究尚未见报道。本文通过对安庆菜子湖湿地不同退耕年限,不同植被恢复状况及水产养殖活动下的湿地土壤进行采样分析,研究退耕年限,植被恢复状况以及水产养殖对湿地土壤有机质含量变化的影响。为菜子湖湿地的合理利用与保护、退化湿地的恢复与重建提供科学依据。1研究领域的总结和研究方法1.1菜子湖的自然概况安庆菜子湖湿地是安徽省沿江湿地自然保护区的重要组成部分。位于117°01′～117°09′E,30°43′～30°58′N。总面积1.73×104hm2,包括湖区、湖叉、圩区等湿地类型,湿地植被良好。汇入菜子湖的河流有大沙河、挂车河、龙眠河、孔城河,前3条发源于大别山区,孔城河发源于安徽省巢湖地区庐江县,菜子湖出水经长河通过枞阳闸入江。该湖泊是长江中目前受人为干扰相对较小为数不多的湖泊之一。地处北亚热带季风湿润气候带,年平均温度14.5～16.6℃,年平均降水量为1291.3～1322.4mm;植物群落主要为芦苇群落、水烛群落等,莲、菰、苦草、菹草、黑藻等。20世纪50年代湖区开始大规模围垦,到20世纪80年代开始退耕还湖,1998年特大洪灾后,退耕还湖进程加快。不同退耕还湿区因地制宜地选择了恢复为自然湿地或恢复为自然水域进行水产养殖,旨在寻求经济收益与湿地生态调蓄功能间的平衡。本研究所选择的菜子湖以恢复为自然湿地和水产养殖;菜子湖的原始湿地受到人为活动的干扰较少(如放牛),属于原始湿地。1.2土样的采集与测定2010年12月,经过大量走访调查,依据典型性和代表性原则,在菜子湖湖区分别采集退耕还湿4～20年后的湿地和耕地,同时采集邻近的原始湿地土壤为对照。每个样点采3个土样,土样分0～6cm和6～16cm两层采集,各点样品各自分开,放入保鲜袋带回实验室进行分析测定。从野外带回的土壤样品,在实验室内阴凉通风处自行干燥。切忌阳光直接暴晒和酸、碱、蒸气以及灰尘等污染。风干后的土样,剔除植物根系和石块等后进行研磨,过20目塑料筛,充分混匀后用四分法分成缩分,再细磨过100目塑料筛,装袋备用。土壤有机质含量用高温外热重铬酸钾氧化—加热法测定。每个土壤样品有机质含量数据为3次平行实验数据的平均值。1.3数据处理分析利用SPSS(13.0)及EXCEL2003进行数据处理及分析,采用LSD方差分析显著性差异。2结果分析2.1不同植被恢复良好的湿地和天然湿地土壤有机质含量土壤有机质是土壤的重要组成部分,影响和制约土壤性质,也是土壤微生物生命活动所需能量的主要来源。因此,土壤有机质含量是评价土壤肥力和土壤质量的一项重要指标。图1为退耕还湿后植被恢复状况下表层(0～6cm)、亚层(6～16cm)的土壤有机质含量的大小顺序为:原始植被湿地(58.09g/kg)>植被恢复良好(47.82g/kg)>裸露湿地(33.24g/kg)>耕地(21.47g/kg);不同植被恢复状况下亚层(6～16cm)土壤有机质含量的大小顺序为:原始植被湿地(23.58g/kg)>植被恢复良好(16.5g/kg)>耕地(12.56g/kg)>裸露湿地(11.35g/kg)。LSD检验表明土壤有机质含量在地表裸露、植被恢复良好湿地和原始湿地之间差异性显著。土壤有机质的含量取决于有机质的输入量和输出量,天然湿地土壤中的有机质主要来源于土壤原有机物的矿化和动植物残体的分解,有机质的输出量则主要包括分解和侵蚀损失,受各种生物和生物条件(氧化还原电位、土壤含水量)控制。原始植被湿地和植被恢复良好的湿地土壤有机质含量均显著高于地表裸露土壤有机质含量。植被恢复良好的湿地和原始植被湿地土壤中有大量地表枯落物,地表的枯枝落叶根系分泌物有利于土壤有机质在土壤表层和亚层的富集。同时植被恢复良好的湿地植物生长茂盛,水土保持能力强,不易发生有机质等养分的流失。而裸露湿地土壤有机质含量少于植被覆盖的湿地土壤有机质含量,主要是由于裸露湿地植被稀少,无直接大量有机质输入,且植被稀少水土保持能力较弱,也易导致土壤有机质流失。裸露湿地表层土壤有机质含量高于耕地土壤有机质含量,这与耕地的生产活动有关。由于耕地农作物的收割,将地上生物量以及植物残体迁出,导致表层土壤有机质含量下降。其次是裸露湿地因地势相对低,常处于积水的还原环境,不利于有机质分解,进而有利于土壤有机质的积累。2.2土壤有机质含量差异显著土地利用方式不同,土壤中有机质的含量存在明显差异,土地利用方式的改变也必将影响土壤有机质含量。湿地土壤有机质含量的变化与湿地被开垦利用的时间和开垦后利用方式等关系密切。图2为退耕后安庆菜子湖湿地不同土地利用方式下表层土壤、亚层土壤有机质含量,其表层土壤有机质含量总体上:原始湿地(47.94g/kg)>圩外水产养殖湿地(31.0g/kg)>圩内水产养殖湿地(24.5g/kg)>耕地(21.47g/kg);亚层土壤有机质含量总体上:原始湿地(22.37g/kg)>圩外水产养殖湿地(18.8g/kg)>圩内水产养殖湿地(15.27g/kg)>耕地(12.56g/kg)。LSD检验结果表明原始湿地、圩内水产养殖湿地、圩外水产养殖湿地以及耕地之间土壤有机质含量差异性显著。原始湿地土壤有机质含量显著高于圩内水产养殖湿地、圩外水产养殖和耕地。这主要源于原始湿地长期无人耕作,受人类活动影响极小,每年净同化积累的生物量全部投入到该湿地生态系统中,从而使得土壤有机质含量输入量增加。受农事活动的影响,耕地土壤频繁翻耕、残留在土壤中的植物根系和残茬减少,并且土壤通气性能得到大幅改善,其有机质分解速度加快,导致土壤中有机质含量大幅度减少。圩外水产养殖湿地土壤有机质含量高于圩内水产养殖湿地土壤有机质含量,其原因是人类活动(如挖渠排水)改变了圩内水产养殖湿地的水文条件,进而违背湿地植物生长的自然规律,导致湿地植物恢复缓慢;同时圩内养殖活动干扰了湿地表层土壤环境。圩外水产养殖湿地的水文条件与自然水域一致,有利于湿地植物自然生长及恢复。因此,退耕后水产养殖活动导致水文条件变化及人类活动强度影响湿地植被恢复,进而影响湿地土壤有机质变化。2.3土壤有机质含量排列顺序湿地开垦不同年限土壤有机质含量的变化趋势:湿地开垦初期的5a～7a,土壤有机质损失较快;15a～20a后土壤有机质损失曲线趋于平缓。图3为退耕后安庆菜子湖湿地不同退耕年限下表层土壤、亚层土壤有机质含量的变化规律:不同退耕年限下表层土壤有机质含量的大小顺序:耕地(21.47g/kg)<退耕4a(24.62g/kg)<退耕10a(28.48g/kg)<退耕20a(44.87g/kg)<原始湿地(47.94g/kg),其亚层土壤有机质含量排列顺序:耕地(12.56g/kg)<退耕4a(14.24g/kg)<退耕10a(18.15g/kg)<退耕20a(18.99g/kg)<原始湿地(22.87g/kg)通过对安庆菜子湖湿地土壤不同退耕年限下土壤有机质含量变化的研究表明。随着退耕年限的增加,湿地土壤有机质含量呈上升趋势。其原因之一是随着退耕年限的增加,湿地处于淹水还原状态的时间越长,土壤微生物活动变弱,生物残体分解越缓慢,土壤有机质分解缓慢,使土壤有机质的积累逐渐增加。另一个原因是,退耕后湿地长期无人为耕作,人为干扰少,植被不断恢复,进入土壤中的枯落物增加,导致土壤有机质输入量增加。相同退耕年限,表层土壤有机质含量的增速显著高于亚层土壤有机质含量的增速,这与植物的根系分布及相应土壤层次接受的外来碳源数量的差异有关。该研究区域湿地表层土壤大都为湿地植物根系的主要分布深度,同时由于接受了地表枯落物的输入,因此表层土壤有机质含量增速较快。退耕20a后湿地亚层土壤有机质含量仍低于原始湿地,这是由于退耕还湿过程中,亚层土壤有机质含量主要源于植物根系,相对于表层土壤亚层土壤也缺乏外来碳源的供给。Jobbggy等人研究指出,植物根系的分布直接影响土壤中有机质的垂直分布,表层土壤是植物根系的集中分布区,使得该层土壤比中层以及下层土壤的植物残体归还量大,因为大量生物残体的腐解归还为该层土壤提供较丰富的碳源,从而使土壤有机质含量表层高于下层,本研究的结果与其研究结果相似。3退耕后对土壤有机质含量的影响退耕还湿后,3种不同植被恢复状况下土壤有机