環(huán)帶狀植被區(qū)濕地土壤全氮、全磷和全鉀空間分異規(guī)律

環(huán)帶狀植被區(qū)濕地土壤全氮、全磷和全鉀空間分異規(guī)律

土壤是生態(tài)系統(tǒng)的主要組成要素，是大多數(shù)化學(xué)元素的來(lái)源和集合。濕地中的n、p和k元素是濕地生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的生態(tài)因素，它們顯著影響了濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。其中N素和磷素是引發(fā)江河湖泊等濕地發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的重要因子之一;而鉀素是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要營(yíng)養(yǎng)元素之一。濕地營(yíng)養(yǎng)元素的含量也是濕地類型劃分的重要依據(jù),因此研究濕地土壤的營(yíng)養(yǎng)元素具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)濕地土壤營(yíng)養(yǎng)元素已有一些研究,但大多都是對(duì)永久性濕地營(yíng)養(yǎng)元素空間分布的普遍規(guī)律以及背景值的揭示,而探討干濕交替下環(huán)型濕地系統(tǒng)內(nèi)不同植物群落下土壤營(yíng)養(yǎng)元素的空間分異規(guī)律較少,特別是對(duì)不同土壤發(fā)生層營(yíng)養(yǎng)元素的空間分異研究的更少。本文研究了三江平原典型環(huán)型濕地土壤不同發(fā)生層全N、全P和全K的空間分異規(guī)律,并從生態(tài)過(guò)程分析這種空間分異規(guī)律產(chǎn)生的機(jī)理,為濕地結(jié)構(gòu)和功能、保護(hù)和管理的研究提供科學(xué)依據(jù)。1研究區(qū)域和方法1.1研究區(qū)和研究對(duì)象的選取,是確定濕地土壤養(yǎng)分的一個(gè)重要線三江平原是由黑龍江、松花江和烏蘇里江匯流沖積而形成的沼澤化低平原,是我國(guó)最大的淡水濕地分布區(qū)之一,同時(shí)也是受人類活動(dòng)影響天然濕地分布面積減少最快的區(qū)域之一。環(huán)型濕地是三江平原主要的濕地景觀類型,是水陸相互作用的核心,多分布在高漫灘、低階地及沼澤性平原河流的分水線上,具有面積小、生物多樣性豐富、環(huán)境梯度變化較大、對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)敏感等特點(diǎn)。每個(gè)環(huán)型濕地,一般都以一個(gè)最低勢(shì)能點(diǎn)(或最高勢(shì)能點(diǎn))為核心而組合成的一種地貌組合單元,環(huán)型濕地兩種地貌(碟型洼地和島狀林)的特點(diǎn),形成了不同的熱能量區(qū):高勢(shì)能區(qū)為島狀林地,好氧高溫區(qū);低勢(shì)能區(qū)為碟型洼地,厭氧低溫區(qū);兩者之間為過(guò)渡區(qū)。地表面的植物群落呈環(huán)狀從低到高(或從高到低)有規(guī)律分布,也有的呈多弧狀或線狀有規(guī)律的分布。這些不同的環(huán)境組合,形成了濕地獨(dú)特的物質(zhì)和能量結(jié)構(gòu),因此三江平原環(huán)型濕地是研究濕地土壤營(yíng)養(yǎng)元素很好的場(chǎng)所。觀測(cè)樣地選在三江平原的腹地,別拉洪河與濃江河分水線上的中國(guó)科學(xué)院三江平原沼澤濕地試驗(yàn)站內(nèi),其核心位置的地理坐標(biāo)為東經(jīng)133°30′35″,北緯47°35′11″。觀測(cè)樣地的面積約4hm2,海拔高度在55.4～56.0m。所選擇的環(huán)型濕地中心部位是一個(gè)南北長(zhǎng)8m,東西寬6m的橢圓型水面,水中有沉水植物,如小貍藻(Utricrlariaintermedia)等,發(fā)育的土壤是泥炭土。圍繞明水面由內(nèi)向外由5個(gè)群落組成:第1個(gè)植物群落帶是漂筏苔草群落(Ass.Carexpseudocuraica),這個(gè)帶寬約2m,土壤是泥炭土;第2個(gè)植物群落帶是大穗苔草群落(Ass.Carexrhynchophysa.),寬約3m,是泥炭土和泥炭沼澤土的過(guò)渡地帶;第3個(gè)植物群落帶是毛果苔草群落(Ass.Carexlasiocarpa),寬約8m,土壤是泥炭沼澤土;第4個(gè)植物群落帶是烏拉苔草群落(Ass.Carexmeyeriana),寬約6m,土壤為潛育草甸沼澤土;第5個(gè)植物群落帶是沼柳-小葉章群落(Ass.Salixbrachypoda-Calamagrosticsangustifolia),分布在環(huán)型濕地的邊緣,寬約8m,是林地與草地的分界地帶,土壤為潛育草甸白漿土。1.2樣品的測(cè)定和分析方法在觀測(cè)研究樣地的南北走向上,由環(huán)型濕地的中心到邊緣選一條寬5m的樣帶,根據(jù)不同的植物帶來(lái)確定樣方。取樣時(shí)間在2000年8月上旬。每個(gè)樣方根據(jù)土壤的發(fā)生層取垂直的土壤剖面樣品,土壤樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后,對(duì)風(fēng)干土壤樣品的全N、全P和全K進(jìn)行分析測(cè)試,全N的測(cè)定采用凱氏定氮法,全P的測(cè)定采用鉬銻抗比色法,全K采用原子吸收光譜法。全部分析測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所分析測(cè)試部完成。2結(jié)果與討論2.1土壤全n含量的變化由圖1可以看出,除漂筏苔草群落土壤全N含量由表層向下逐漸減少外,其它各群落土壤全N含量自上而下呈先增加后減少的分布,最大值出現(xiàn)在泥炭層(腐殖質(zhì)層)或腐泥層(白漿層)之中。從水平分異來(lái)看,由環(huán)型濕地中心到邊緣,各層全N含量都有逐漸降低的趨勢(shì)。對(duì)5個(gè)群落土壤各層全N含量平均值與距環(huán)型濕地中心的距離進(jìn)行線性擬合,其擬合方程為Y(全N含量)=2.619-0.065X(距環(huán)型濕地中心的距離)(r=-0.995),在0.01水平上顯著,表明由環(huán)型濕地中心向外,土壤平均全N含量逐漸減少。土壤全N含量常常與有機(jī)質(zhì)消漲趨勢(shì)相一致,二者相關(guān)性較強(qiáng),其空間分異規(guī)律也表現(xiàn)出一定的相似性。干濕交替是產(chǎn)生全N水平分異的主要原因,濕地土壤在干濕交替作用下,相當(dāng)短的干濕交替周期有利于濕地脫氮,而長(zhǎng)期淹水或較長(zhǎng)干濕交替周期不利于濕地脫氮。由環(huán)型濕地中心到邊緣,淹水時(shí)間逐漸變短,淹水頻率逐漸減少,干濕交替周期逐漸變短,同時(shí)地表植物的固氮量也降低(表1),因此,由環(huán)型濕地中心向外,土壤全N含量逐漸減少。由于NO-3離子不被帶負(fù)電荷的土壤粒子所固定而易溶于溶液,所以全N在濕地中主要通過(guò)地下潛流以NO-3-N的形式輸移流失,這是濕地土壤剖面中出現(xiàn)累積峰的一個(gè)主要原因,同時(shí)也是造成由環(huán)型濕地中心向外緣全N含量減少的直接原因。另外與其它層次相比,泥炭層或腐泥層中粘粒含量高,粘粒含量高的土壤層含N量比粗質(zhì)地土壤層高,它能吸附有機(jī)N化合物,與陽(yáng)離子、有機(jī)化合物反應(yīng),增強(qiáng)其穩(wěn)定性,這也是在泥炭層或腐泥層全N出現(xiàn)累積峰的主要原因。2.2環(huán)型濕地土壤全p含量的垂直分異由圖2可以看出,從土壤的垂直分異來(lái)看,漂筏苔草群落、大穗苔草群落和毛果苔草群落土壤全P含量,是自上到下呈先減后增的“V”型分布,沼柳-小葉章群落呈逐漸下降的趨勢(shì),而烏拉苔草較復(fù)雜,呈先增后減再增的趨勢(shì)。從土壤的水平分布來(lái)看,由環(huán)型濕地中心向邊緣有減少的趨勢(shì)。對(duì)5個(gè)群落各層全P含量平均值與距環(huán)型濕地中心的距離進(jìn)行線性擬合,其擬合方程為Y(全P含量)=2030.842-41.228X(距環(huán)型濕地中心的距離)(r=-0.959),在0.01水平上顯著,表明由環(huán)型濕地中心向外,全P含量逐漸減少。在濕地土壤中P具有以無(wú)機(jī)和有機(jī)形式存在的溶解態(tài)和不溶態(tài),濕地植物通過(guò)土壤吸收P,同時(shí)植物將無(wú)機(jī)P轉(zhuǎn)化成有機(jī)P又儲(chǔ)存在土壤有機(jī)質(zhì)中,礦化后再循環(huán)或被遷出濕地。環(huán)型濕地土壤全P的垂直分異主要受植物生命活動(dòng)的影響,泥炭土和泥炭沼澤土全P的垂直分異主要受植物根系吸收的影響,中部的泥炭層和腐泥層是植物根系活躍生長(zhǎng)的區(qū)間,磷素因植物根系的吸收而減少,枯落物層和草根層可以得到上部植物養(yǎng)分的補(bǔ)充,潛育層和母質(zhì)層因植物根系不能到達(dá),被吸收的養(yǎng)分也較少,因此土壤上層和底層全P含量較高。而潛育草甸白漿土剖面各層磷素主要受枯落物分解后補(bǔ)充的影響,植物根系集中在上層,因此上部土層含量較高。由環(huán)型濕地中心到邊緣,地上植物全P含量逐漸降低(表1),同時(shí)從環(huán)型濕地邊緣向中心側(cè)向淋溶部分可溶性P,形成了全P含量由環(huán)型濕地中心向邊緣逐漸減少的分布規(guī)律。2.3土壤剖面中全k含量的表現(xiàn)由圖3可以看出,從土壤的垂直分異來(lái)看,從上到下,沼柳-小葉章群落土壤全K含量逐漸升高,而烏拉苔草群落、毛果苔草群落和大穗苔草群落土壤全K含量呈先減后增的“V”型分布,漂筏苔草群落垂直變異較大,呈先減后增再減再增的“W”型分布。從土壤的水平分布來(lái)看,由環(huán)型濕地中心向邊緣有增加的趨勢(shì)。對(duì)5個(gè)群落土壤各層全K含量平均值與距環(huán)型濕地中心的距離進(jìn)行線性擬合,其擬合方程為Y(全K含量)=2428.510+52.953X(距環(huán)型濕地中心的距離)(r=0.889),在0.05水平上顯著,表明由環(huán)型濕地中心向外,全K含量逐漸增加。從環(huán)型濕地邊緣到中心積水愈來(lái)愈深,表層土壤與底層土壤的距離越來(lái)越大,而鉀素是主要從礦質(zhì)土壤中得到補(bǔ)充的元素,它越來(lái)越難以由植物根系從礦質(zhì)土壤中吸取上來(lái),因此植物體中鉀素的含量也愈貧乏,當(dāng)這些植物死亡以后的殘?bào)w歸還給土壤并主要由它們形成表層土壤時(shí)就形成全K在環(huán)型濕地不同植物群落土壤中的水平分布規(guī)律。隨著植物殘?bào)w在土壤表層的積累,那些存在于植物殘?bào)w中的鉀素難以釋放出來(lái),使得鉀素在土壤表層積累。在適宜的條件下,植物殘?bào)w和草根層逐漸加厚并經(jīng)泥炭化過(guò)程而形成泥炭,隨著泥炭堆積層的加厚,濕地植物的根系愈來(lái)愈難以到達(dá)礦質(zhì)土壤層,此時(shí),植物鉀素的主要來(lái)源是根系所能達(dá)到的礦質(zhì)層以上的泥炭層和溶液中所溶的物質(zhì)。由于泥炭層和溶液中的鉀素相對(duì)比較貧乏,因此造成烏拉苔草群落、毛果苔草群落和大穗苔草群落土壤剖面中全K含量呈上層和底層較高、中間層較低的“中空”狀分布。漂筏苔草群落土壤剖面中在腐泥層出現(xiàn)一個(gè)累積高峰,主要是由于漂筏苔草群落地處位置較底,從環(huán)型濕地邊緣側(cè)向淋溶的鉀素,沿著腐泥層匯集到漂筏苔草群落土壤剖面中的腐泥層中。2.4生物和環(huán)境特征環(huán)型濕地土壤營(yíng)養(yǎng)元素空間分異是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各要素相互聯(lián)系、相互作用的方式,是生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ),它直接影響濕地的生態(tài)過(guò)程,同時(shí)濕地的生態(tài)過(guò)程也決定著濕地土壤營(yíng)養(yǎng)元素的分間分異。環(huán)型濕地土壤營(yíng)養(yǎng)元素空間分異主要受兩種過(guò)程的影響:一是生物過(guò)程。土壤是固態(tài)地球表面具有生命活動(dòng)、處于生物與環(huán)境間進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量交換的疏松表層,它即是生命活動(dòng)的條件,也是生命活動(dòng)的產(chǎn)物,因此,生物制約和控制著濕地土壤營(yíng)養(yǎng)元素空間分異。環(huán)型濕地土壤營(yíng)養(yǎng)元素空間分異的形成正是生物與環(huán)境長(zhǎng)期相互作用的結(jié)果,一些生物過(guò)程決定著土壤的營(yíng)養(yǎng)元素空間分異。如植物根系對(duì)泥炭土泥炭層營(yíng)養(yǎng)元素的吸收是造成泥炭土全P和全K垂直分布呈“V”型分布的主要原因,又如植物體中營(yíng)養(yǎng)元素的含量是影響土壤化學(xué)元素空間水平分異的主要原因;二是水文地貌過(guò)程。地形、水循環(huán)對(duì)環(huán)型濕地土壤營(yíng)養(yǎng)元素空間分異影響巨大。如由環(huán)型濕地中心到邊緣,淹水時(shí)間逐漸變短,淹水頻率逐漸減少,水位逐漸降低以至消失,土壤含水量逐漸降低,通氣性逐漸增強(qiáng),土壤由還原環(huán)境逐漸變?yōu)檠趸h(huán)境,這是環(huán)型濕地土壤全N產(chǎn)生水平分異的一個(gè)主要原因,又如由環(huán)型濕地中心到邊緣地勢(shì)逐漸升高,造成一些可溶性化學(xué)元素的側(cè)向淋溶,這是一些可溶性元素在環(huán)型濕地中心富集的原因之一。3土壤養(yǎng)分空間分布(1)濕地土壤化學(xué)元素具有明顯的空間水平分異規(guī)律,全N和全P的含量由環(huán)型濕地中心向邊緣逐漸減少,全K的含量由環(huán)型濕地中心向邊緣逐漸減少。(2)環(huán)型濕地不同植物群落下土壤化學(xué)元素的含量在垂直方向上具有明顯的分層和富聚現(xiàn)象。自上而下,全N含量除漂筏苔草群落下土壤由表層向下逐漸減少外,其它各群落土壤全N含量呈先增加后減少的分布;漂筏苔草群落、大穗苔草群落和毛果苔草群落下的土壤自上到下全P含量是呈先減后增的“V”型分布,沼柳-小葉章