三江平原天然沼澤濕地土壤中有機碳垂直分布特征

三江平原天然沼澤濕地土壤中有機碳垂直分布特征

土壤中有機碳的含量和組成不僅決定了土壤有機質(zhì)的水平，還決定了養(yǎng)分氮和磷的適應(yīng)性狀態(tài)。同時，它也影響著土壤的物理特性。它是反映土壤土壤質(zhì)量和土壤健康的重要指標，直接影響土壤肥力和生物生長。濕地作為一種特殊的自然綜合體,以其特殊的性質(zhì)(地表積水或土壤飽和、淹水土壤、厭氧條件和適應(yīng)濕生環(huán)境的動植物)而有別于其它生態(tài)系統(tǒng)。因此,對沼澤濕地土壤有機碳含量垂直分布特征的研究,將有助于進一步理解濕地的生態(tài)功能,這對于合理保護與利用沼澤濕地和濕地退化功能的恢復(fù)都將是有意義的。1材料和方法1.1自然沼濕地公園區(qū)三江平原位于黑龍江省東北隅,包括完達山以北的松花江、黑龍江和烏蘇里江沖積形成的低平原和完達山以南烏蘇里江及其支流與興凱湖形成的沖積湖積平原,為我國最大的淡水沼澤濕地集中、連片分布區(qū),各類濕地總面積達148.16104hm2,已墾耕地面積457.2104hm2。研究區(qū)選擇在三江平原腹地撓力河、別拉洪河、濃江河流域(洪河自然保護區(qū)核心區(qū))。該區(qū)域地貌類型為一級階地和河漫灘,地面坡降為1/10000,在河漫灘和階地上微地形發(fā)育,地表徑流不暢,加上階地底層廣泛分布有粘土層,嚴重阻礙地表水下滲,洼地匯水形成大片沼澤。優(yōu)勢植物群落為毛果苔草(Carexlasiocarpa)、漂筏苔草(Carexpseudocuraica)、小葉樟(Calamagrostisangutifolia)、烏拉苔草(Carexmeyeriana)。土壤類型主要有泥炭土、泥炭沼澤土、腐泥沼澤土和腐殖質(zhì)沼澤土。氣候?qū)僦袦貛駶櫦撅L(fēng)氣候,1月平均氣溫-18～-21℃,7月平均氣溫21～22℃,年均溫1.6～1.9℃,≥10℃有效積溫為2300℃。年均降水量565～600mm,60%以上集中在6～8月,年蒸發(fā)量542.4～580mm。在自然沼澤濕地優(yōu)勢群落內(nèi)設(shè)置樣點7個,其中小葉樟群落2個(Site1,4)、漂筏苔草群落2個(Site2,5)、毛果苔草群落2個(Site3,6)、烏拉苔草群落1個(Site7)。另外,在洪河農(nóng)場內(nèi)選擇濕地開墾后的農(nóng)田,包括旱田(Site8)和水田(Site9),共2個樣點作為對照研究。采樣點分布及概況見表1。1.2樣品的采集和測定為了不干擾土壤的發(fā)生層次,土壤樣品的采集選擇在冬季(3月份)。在天然沼澤濕地各樣點,作土壤剖面,現(xiàn)場分出草根層、泥炭層、過渡層、潛育層,在農(nóng)田樣點分出耕作層、犁底層和潛育層,分層取樣,共采集33個土樣(表1),帶回實驗室處理、分析。將土壤樣品進行風(fēng)干處理,風(fēng)干后,磨碎,過篩,測定總有機碳、pH、全氮、硝氮、氨氮以及其它研究項目?？傆袡C碳的分析采用電熱板加熱—K2Cr2O7容量法;全氮的分析采用開氏半微量定氮法;土壤氨態(tài)氮的分析采用KCl浸提—蒸餾法;硝態(tài)氮采用酚二磺比色法;土壤pH值采用電位法。2結(jié)果與討論2.1濕土具有機碳含量分布的特點2.1.1不同層控土壤有機碳含量分布特征測定結(jié)果表明,天然沼澤濕地各采樣點土壤不同剖面層次總有機碳含量分異顯著:草根層>泥炭層>過渡層>潛育層。根據(jù)圖1,各層次有機碳含量在整個剖面中的比例,自上而下分別為:37%～48%,35%～40%,10%～25%,<5%,其中位于烏拉苔草群落的樣點(Site7),由于無泥炭積累,草根層中有機碳含量更是高達85%。天然沼澤土壤中有機碳集中分布于0～50cm的深度,土壤層次主要為草根層和泥炭層,有機碳含量占整個土壤剖面的75%～85%。該深度是植物根系的集中分布區(qū),JobbagyG研究指出,植物根系的分布直接影響土壤中有機碳的垂直分布,因為大量死根的腐解歸還為土壤提供了豐富的碳源。另一方面,大量的地表枯落物也是表層土壤有機碳重要的碳源物質(zhì)。過渡層深度一般在30cm以下,植物根系難以深入,分布較少,根系的周轉(zhuǎn)量急劇下降,致使該層土壤中有機碳含量開始明顯降低。由于各采樣點不同的沼澤發(fā)育程度、水文特征及受外界干擾程度的差異,不同樣點同一層次土壤有機碳含量表現(xiàn)出明顯的變異特征。天然沼澤濕地土壤各層次有機碳含量變幅最大的是過渡層,變幅為24.36～3.70,變異系數(shù)51.4%,最小的是潛育層,變幅為2.38～0.37,變異系數(shù)0.47%(表2)。2.1.2對農(nóng)田有機碳的影響由圖1可以看出,開墾后的農(nóng)田土壤中,旱田土壤不同剖面層次總有機碳含量順序為:耕作層>犁地層>潛育層,而水田土壤則是:犁地層>耕作層>潛育層。農(nóng)田土壤中有機碳集中于表面大約45cm的深度,土壤層次主要為耕作層和犁底層,在整個剖面有機碳含量的比例,旱田為82%,水田為86%。與天然沼澤濕地土壤相比,除潛育層有機碳的含量相接近外,農(nóng)田中耕作層和犁底層有機碳平均含量均低于天然沼澤濕地其它各層有機碳平均含量的1/10～1/15。潛育層土壤質(zhì)地粘重,緊實,保水,透氣性差,根系難以到達,腐殖質(zhì)含量少,碳周轉(zhuǎn)基本處于平衡狀態(tài),同時由于農(nóng)田耕作對該層的擾動較小,所以,各樣點的潛育層有機碳含量差異不大。開墾使土壤中的有機質(zhì)充分暴露在空氣中,土壤溫度和濕度條件得到改善,從而極大地促進了土壤呼吸作用,加速了土壤有機質(zhì)的分解。王艷芬等(1998)研究了開墾對于內(nèi)蒙古錫林郭勒地區(qū)草甸草原土壤有機碳的影響,發(fā)現(xiàn)草甸草原不同層次土壤有機碳因農(nóng)墾而分別損失34%(0～1cm),38%(1～6cm),36%(10～15cm),而且損失主要發(fā)生在35cm以上。本研究發(fā)現(xiàn)開墾對于濕地土壤有機碳損失的貢獻主要發(fā)生在0～45cm的深度,有機碳含量減少了90%以上。農(nóng)田土壤各層次有機碳含量均是旱田高于水田。黃東邁等(1998)利用有機物料分解實驗研究發(fā)現(xiàn),淹水土壤中有機碳的分解速率快于旱地土壤,且前者的殘留率明顯低于后者。淹水處理中各種不同有機物料的分解半衰期約為旱地相應(yīng)處理的1.4～2.0倍。2.1.3活性巖植物生長塔頭類型不同的植物群落類型土壤各層次有機碳的平均含量在草根層和泥炭層的高低順序為:毛果苔草>漂筏苔草>烏拉苔草>小葉樟;在過渡層為:漂筏苔草>小葉樟>毛果苔草>烏拉苔草(圖2)。烏拉苔草土壤中無明顯泥炭積累,草根層重疊積累形成塔頭。上述差異說明土壤有機碳含量除受溫度、濕度、土壤理化性質(zhì)、營養(yǎng)狀況影響外,植物的群落類型也是重要的制約因素。李香真等(2002)研究了內(nèi)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維持的微生物量差異很大,這反映了歸還給土壤的植物殘體數(shù)量和質(zhì)量上的差異。2.2土壤剖面ph值與土壤有機碳含量的關(guān)系土壤pH是土壤的一個基本性質(zhì),也是影響土壤理化性質(zhì)的一個重要化學(xué)指標,它直接影響著土壤中各種元素的存在形態(tài)、有效性及遷移轉(zhuǎn)化。本項研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同層次土壤的pH在5～7之間變化。沼澤濕地各層土壤pH自上而下呈上升趨勢,草根層、泥炭層最低,潛育層最高,土壤呈弱酸性反應(yīng)。農(nóng)田土壤pH亦有同樣的趨勢,耕作層最低,潛育層最高。農(nóng)田土壤pH明顯高于天然沼澤濕地土壤pH。由圖3看出,無論是天然沼澤土壤還是農(nóng)田土壤,土壤剖面有機碳含量都隨深度呈下降趨勢,而土壤pH值隨深度呈上升趨勢,土壤pH值與土壤有機碳含量呈明顯負相關(guān)。各采樣點的pH值與總有機碳進行相關(guān)性分析,結(jié)果表明,Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.652(P<0.01)。其原因主要是,在酸性土壤中,微生物種類受到限制,以真菌為主,從而減慢了土壤有機質(zhì)的分解。隨著土壤pH的下降,微生物活性減弱,致使土壤有機碳周轉(zhuǎn)下降,表現(xiàn)為土壤的碳積累。2.3土壤c/n特征在一定程度上,比如土壤的C/N達到平衡狀態(tài)時,土壤氮素含量大體上決定了有機碳的含量,土壤碳的保持在很大程度上決定于土壤氮素的水平。從圖4中看出,土壤各層次中總有機碳和全氮含量曲線的趨勢是基本一致的。不同土壤剖面層次C/N的變化明顯,在天然沼澤土壤中自上而下呈下降趨勢,且層間變化較大,農(nóng)田土壤中則有所不同,大小順序為:犁底層>耕作層>潛育層,層間變化較小。最大的C/N出現(xiàn)在烏拉苔草群落的草根層,為28.74,最小的C/N出現(xiàn)在采樣點1處的潛育層,為1.11。天然沼澤土壤中草根層、泥炭層、過渡層土壤C/N均高于農(nóng)田土壤C/N,再次說明開墾使?jié)竦赝寥烙袡C碳發(fā)生了損失。同時,土壤C/N的大小也可以間接說明氮含量相對富集的情況。相關(guān)性分析表明,總有機碳與全氮極顯著相關(guān),Pearson相關(guān)系數(shù)為0.850(P<0.01)。全氮與土壤有機碳的回歸分析表明,二者存在極顯著的線性關(guān)系,其方程為:TN=0.272+4.702E-0.2SOC(r=0.850**,P<0.01)式中:TN——全氮;SOC——總有機碳。硝態(tài)氮和氨態(tài)氮都屬于植物能直接利用的有效態(tài)氮,它們一起被作為土壤營養(yǎng)診斷的氮素營養(yǎng)指標。相關(guān)性分析表明,總有機碳與硝氮及氨氮均顯著相關(guān),Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.656(P<0.01)和0.691(P<0.01)。土壤中碳與氮的相互關(guān)系是通過微生物連接起來的。土壤微生物的活性對于土壤有機碳的分解非常重要,其中土壤微生物量碳與土壤有機碳、全氮及有效氮含量是顯著相關(guān)的。而土壤C/N比的高低對土壤微生物的活動能力有一定促進或限制作用,當增加土壤氮素時,可以促進微生物的活動,提高土壤有機質(zhì)的分解速率。李貴才等(2001)指出,土壤中的氮通常是限制性養(yǎng)分,在低C/N條件下細菌生長受碳的限制,反之當C/N高時,細菌生長因受氮的限制而處于缺氮狀態(tài)。3不同類型農(nóng)田有機碳含量分布特征(1)天然沼澤濕地土壤有機碳含量隨深度增加而下降,剖面含量順序為:草根層>泥炭層>過渡層>潛育層;農(nóng)田土壤為:耕作層>犁底層>潛育層;0～50cm土壤中有機碳含量占整個剖面含量的75%～88%。(2)除潛育層有機碳的含量相接近外,農(nóng)田中耕作層與犁底層有機碳平均含量均低于天然沼澤濕地其它各層土壤有機碳平均含量的1/10～1/15;開墾對于天然濕地土壤有機碳損失的貢獻主要發(fā)生在0～45cm的深度,有機碳含量減