青海湖小泊湖濕地不同群落土壤有機碳、氮研究

馮曉航， 陳克龍,2*， 毛亞輝

(1.青海師范大學生命與地理科學學院，青海西寧 810008；2.青藏高原資源與環境教育部重點實驗室，青海師范大學，青海西寧 810008)

青海湖小泊湖濕地不同群落土壤有機碳、氮研究

馮曉航1， 陳克龍1,2*， 毛亞輝1

(1.青海師范大學生命與地理科學學院，青海西寧 810008；2.青藏高原資源與環境教育部重點實驗室，青海師范大學，青海西寧 810008)

[目的]研究小泊湖濕地不同群落下土壤SOC、N的剖面分布規律。[方法]選取高寒濕地生態系統下的青海湖小泊湖濕地作為研究對象，對不同群落類型土壤SOC、N的含量及在土壤剖面中的垂直分布特征及差異性進行分析。[結果]研究區不同群落類型下土壤SOC及N含量差異顯著；SOC和N含量在剖面分布上表現為表層大于底層；SOC在剖面的變異系數大于土壤N的變異系數。[結論]研究區土壤有機質的腐殖化程度越高，有機碳含量越大，有機氮越容易礦化，土壤碳氮比相對較低。

青海湖；濕地；群落類型；土壤有機碳；土壤氮

濕地作為地球上獨特生態系統，是自然界最具生物多樣性的生態景觀和人類最重要的生態環境之一，被譽為“自然之腎”。濕地土壤作為氮和碳的重要的源、匯或轉化器，在全球碳、氮循環中發揮著重要作用。有機碳(SOC)和氮素既是濕地土壤組成的重要部分，又是濕地生態系統中極其重要的生態因子,其含量顯著影響著濕地生態系統的生產力[1]。濕地土壤有機碳(SOC)的含量及分布直接影響濕地土壤系統的物理、化學和生物學特性[2]，而氮素則是引發江河湖泊等永久性濕地(permanently flooded wetland)[1]發生富營養化的重要因子之一。

土壤有機碳氮含量與變異作為碳氮地球化學循環研究的重要內容受到國內外學者的大量研究，如張金屯對全球氣候影響下碳氮的研究[3]。就濕地生態系統而言也有大量的研究，如白軍紅對向海濕地土壤的碳氮[4]和湖北梁子湖濕地土壤養分[5]的研究。但就目前而言對高寒濕地土壤碳氮的研究還較少。青海湖作為青藏高原的重要組成部分，位于青南高原高寒區、西北干旱區和東部季風區三大自然區的交匯處[6]，它不僅具有復雜多樣的景觀類型，更是維系青藏高原東北部生態安全的重要水體，是控制西部荒漠化向東蔓延的天然屏障[7-8]。該生態系統的高寒氣候對有機碳氮的蓄積特征相對于農田、草地、森林等生態系統較特殊[9]，群落類型對土壤有機碳、氮的分布影響較顯著[4]。筆者選取青海湖小泊湖濕地為研究對象，對青海湖高寒濕地不同群落類型下土壤有機碳、氮的空間分布規律進行研究，可為濕地結構與功能、濕地的保護管理及其可持續利用等方面的研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況 研究區位于青海湖東岸的小泊湖濕地(36°41′73″～36°42′25″N、100°46′85″～100°47′21″E)，海拔3 216～3 221 m，面積約為14.8 km2，是青海湖水位下降后遺留下來的沼澤草甸濕地。該區氣候屬于高原大陸性氣候，年均溫度在-0.8～1.1，年降水量在324.50～412.80 mm。土壤為成水性隱域性土壤，以高寒沼澤土和高寒草甸土為主。青海湖濕地列于中國173處重要濕地目錄的141位，小泊湖傍依青海湖，背靠祁連山，是青海湖濕地生態景觀的一個縮影，現已列入國際濕地資源區和青海湖國家名勝風景區之一。

1.2 樣品采集 根據典型性和代表性原則,選取小泊湖濕地5種群落類型，根據距離水源的距離，苔草群落、華扁穗群落落在距水源較近的高寒沼澤土內，馬藺群落、馬藺與芨芨草混合群落和芨芨草群落落在距水源區相對較遠的高寒草甸土內。在5種群落類型土壤剖面0～120 cm，以20 cm為單位進行采集。每種群落下隨機布設3個采樣點，每個樣點重復采集進行等層次混合，構成不同群落類型下的混合土樣。采集的樣品帶回風干后研磨,過100目篩，裝袋備測。

1.3 養分測定

1.3.1 土壤有機質測定。土壤有機質采用重鉻酸鉀密度法測定[10]。稱取小于0.100 0 g的土樣(精確至0.000 1 g)，加入5.00 ml的0.800 0 ml/L重鉻酸鉀標準溶液，再加入5.00 ml的硫酸，搖勻后加熱保持沸騰5 min至溶液呈黃綠色，冷卻后加入3～4滴鄰菲羅啉指示劑，用0.2 mol/L的硫酸亞鐵溶液滴定至溶液變紫為止。每批測定時做3個空白樣。

1.3.2 土壤氮測定。土壤N的測定使用元素分析儀。稱取土壤樣品4.95～5.05 mg，加入催化劑0.97～1.05 mg，用錫舟包裹完畢待測。每30個土壤樣品測定時加入3個標準樣，使用元素分析儀進行測定。

2 結果與分析

2.1 不同群落土壤SOC及其剖面分布 從研究區5種不同群落類型下土壤有機碳含量(表1)可以看出，華扁穗群落土壤有機碳含量為5.45～94.86 g/kg，均值為42.76 g/kg；芨芨草群落有機碳含量29.62～91.30 g/kg，均值45.94 g/kg；馬藺與芨芨草混合群落土壤有機碳含量4.56～61.89 g/kg，均值38.98 g/kg；馬藺群落土壤有機碳含量22.77～90.87 g/kg，均值52.10 g/kg；苔草群落土壤有機碳含量11.51～136.67 g/kg，均值75.75 g/kg。曹生奎等在青海湖高寒濕地土壤有機碳空間分布分析中得出，環青海湖區土壤有機碳含量為0.03%～4.93%，有機碳均值為0.87%～2.82%[11]，此研究的有機碳含量及均值均大于該結果。就群落類型而言，苔草群落下土壤有機碳含量最高，顯著高于其他四類群落土壤，但華扁穗群落、芨芨草群落、馬藺群落、馬藺與芨芨草混合群落土壤有機碳差異不顯著。各群落類型土壤有機碳在土壤剖面變異較大，變異系數在34.81%～65.46%，尤以華扁穗群落下土壤有機碳變異系數最高，達65.46%。

由圖1可知，各群落土壤的SOC含量垂直分布趨勢一致，由表層向下先增多后減少。這主要與土壤的漬水層相關，從采集土壤剖面可以看出，5種群落下土壤的漬水層基本位于20～40 cm處。另外，離水源較近的苔草群落、華扁穗群落的土壤SOC含量高于馬藺群落、馬藺+芨芨草群落和芨芨草群落，也與土壤水分含量有關。濕地土壤水分含量增加有助于土壤有機質的積累[12]，所以漬水層和離水源近的苔草群落、華扁穗群落形成的還原環境不利于有機質的徹底礦化分解,從而SOC含量相對較高。有機物質的輸入量主要依賴于有機殘體歸還量的多少及有機殘體的腐殖化系數[13]，而輸出量則主要包括分解和侵蝕損失，受各種生物和非生物條件(氧化還原電位、土壤含水量等)的控制[14-15]。此外土壤中有機質含量還與土壤質地尤其是土壤粘土粒含量多少有關[3]。馬藺群落和芨芨草群落下的土壤粗顆粒比例大,土壤通氣性較強,土壤有機質易于分解,這也是造成其土壤養分含量低的原因。

表1 青海湖小泊湖濕地不同植被群落下土壤有機碳含量

注：字母a、b、c表示差異顯著水平(ANOVA方差分析，Duncan檢驗，p=0.01水平)。

圖1 青海湖小泊湖濕地不同植被群落下土壤有機碳剖面分布

2.2 不同群落土壤N及其剖面分布 由研究區5種不同群落類型下土壤N含量(表2)可見，華扁穗群落土壤N含量為0.40～5.80 g/kg，均值為2.87 g/kg；芨芨草群落土壤N含量為0.40～2.20 g/kg，均值為0.99 g/kg；馬藺與芨芨草混合群落土壤N含量為0.30～3.00 g/kg，均值為1.03 g/kg；馬藺群落土壤N含量為1.00～2.50 g/kg，均值1.35 g/kg；苔草群落土壤N含量為0.90～8.60 g/kg，均值4.32 g/kg。就群落類型而言，苔草群落下土壤N含量最高，顯著高于其他四類群落土壤，但芨芨草群落、馬藺群落、馬藺與芨芨草混合群落土壤N含量差異不顯著，苔草和華扁穗群落土壤N含量差異顯著。各群落類型土壤N含量在土壤剖面變異不大，變異系數在4.31%～7.06%，其中以馬藺與芨芨草混合群落下土壤N含量變異系數最大，為7.06%。

表2 青海湖小泊湖濕地不同植被群落下土壤N含量

注：字母a、b、c表示差異顯著水平。

由圖2可見，除苔草群落外，土壤氮元素含量剖面分布基本上也是漬水層(0～40 cm)的表層大于深層；表層含氮量分布規律為苔草群落>華扁穗群落>馬藺群落>馬藺+芨芨草群落>芨芨草群落，反映出距離水源越遠、表層土壤全氮含量越低的規律，這主要是由于濕地對氮素的持留作用所致。濕地對氮素的持留機制主要包括沉積作用和植物吸收作用。氮的沉積作用在湖沼中是非常重要的,其沉積主要是由于死亡的浮游生物及大型植物殘體沉積的結果[3]。

圖2 青海湖小泊湖濕地不同植被群落下土壤N剖面分布

2.3 不同群落土壤C/N值及其剖面分布 從研究區5種不同群落類型下土壤碳氮比(表3)可以看出，華扁穗群落土壤碳氮比為6.40～46.33，均值為18.69；芨芨草群落土壤碳氮比15.38～51.13，均值32.55；馬藺與芨芨草混合群落土壤碳氮比19.43～113.26，均值55.32；馬藺群落土壤碳氮比19.10～60.37，均值37.95；苔草群落土壤碳氮比14.13～28.73，均值19.53。就群落類型而言，馬藺與芨芨草混合群落下土壤碳氮比最高，顯著高于其他四類群落土壤，且華扁穗群落、芨芨草群落、馬藺群落、馬藺與芨芨草混合群落土壤碳氮比差異顯著。各群落類型土壤碳氮比在土壤剖面變異較大，變異系數在30.33%～51.93%，尤以馬藺與芨芨草混合群落下土壤碳氮比變異系數最高，達51.93%。

由圖3可知，土壤表層(0～40 cm)的C/N規律表現為靠近水源區的苔草群落、華扁穗群落小于距水源區遠的馬藺群落、馬藺與芨芨草群落，這與該濕地群落的SOC分布規律相反，即水分狀況越好碳氮比越小。這與耿遠波等對草原碳氮含量的研究[16]相悖，而與白軍紅等對濕地群落區氮含量的研究[4]相符，表明濕地土壤與草原土壤的碳氮比對水分條件的響應存在著顯著的差異。土壤有機質的腐殖化程度越高,有機氮越容易礦化，土壤碳氮比相對較低[15]。而在全氮中有機氮約占95%以上,所以有機氮含量的多少將直接影響著土壤全氮的含量及供氮能力。苔草群落的C/N小于芨芨草群落，說明苔草群落表層有機質的腐殖化程度相對較高,植株對氮素吸收也相對較少,表層土壤碳的累積速度比氮要慢得多,而芨芨草群落有機質腐殖化程度相對較低,植株對氮素的吸收也較多,表層土壤碳的累積速度比氮更快一些。

表3 小泊湖濕地不同植被群落下土壤C/N值

注：字母a、b、c表示差異顯著水平。

3 結論

(1)研究區不同群落類型下土壤SOC及N含量差異顯著，表現為苔草群落>華扁穗群落>馬藺群落>馬藺與芨芨草群落>芨芨草群落。SOC和N含量在各群落類型土壤剖面垂直變異較大，其值在漬水層最大。

圖3 青海湖小泊湖濕地不同植被群落下土壤C/N值剖面分布

(2)研究區各典型群落區土壤SOC含量垂直分布趨勢基本一致,即由表層向下先增多后減少。土壤N含量除苔草群落外，土壤氮元素含量剖面分布基本上也是漬水層(0～40 cm)的表層大于深層。

(3)研究區土壤SOC在剖面的變異系數大于土壤N含量的變異系數。

(4)研究區土壤有機質的腐殖化程度越高,有機氮越容易礦化，土壤碳氮比相對較低。

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Research on the Distribution of Organic Carbon and Nitrogen of Different Plant Communities Soils in Xiaobohu Wetlands of Qinghai Lake

FENG Xiao-hang,CHEN Ke-long et al

(College of Life and Geography,Qinghai Normal University,Xining,Qinghai 810008)

[Objective] The research aimed to study the cross-sectional distribution of soil organic carbon (SOC) and nitrogen in different plant communities soils in Xiaobohu wetlands.[Method] Selected the alpine ecosystem of Xiaobohu wetlands of Qinghai lake as the research object,the content of SOC and nitrogen of different plant communities soils,the vertical distribution characteristics and differences in soil profiles were analyzed.[Result] The content of SOC and nitrogen between different plant communities soils were significant,the content of SOC and nitrogen in surface soil were higher than that of underlying soil in the cross-sectional distribution.The variation coefficient of SOC in soil profile was greater than that of nitrogen.[Conclusion] The soil carbon and nitrogen ratio is relatively low indicated a higher humification degree of soil organic matter,the greater content of organic carbon,the easier mineralization of organic nitrogen in the study area.

Qinghai Lake;Wetland;community types;Soil organic carbon,soil organic nitrogen

馮曉航(1988- )，女，河北邢臺人，碩士研究生，研究方向：生物地理與環境保護。*通訊作者，教授，碩士生導師，從事生物地理與全球變化方面研究。

2014-05-04

S 181.3

A

0517-6611(2014)15-04736-04