鄱陽湖濕地蚌湖淺層土壤氮素含量的梯度特征

劉郁林， 劉用剛， 林世滔， 謝冬明

(1.江西環境工程職業學院，江西贛州 341000； 2.江西省吉安市山江湖開發治理委員會辦公室，江西南昌 330046；3.江西科技師范大學，江西南昌 330038)

濕地土壤是濕地生態系統的一個重要組成部分，具有維持生物多樣性，分配和調節地表水分，過濾、緩沖、分解、固定、降解有機物和無機物以及維持歷史文化遺跡等功能。它是濕地獲取化學物質的最初場所，也是濕地發生化學變化的中介[1]。與陸地土壤和水成土壤相比，濕地土壤具有其特殊性，在濕地特殊的水文條件和植被條件下，濕地土壤有著自身獨特的形成和發育過程，表現出不同于一般陸地土壤的特殊理化性質和生態功能[2]。濕地土壤氮素作為濕地營養水平重要的指示劑，是濕地土壤中的主要限制性養分，也是引發江河、湖泊等永久性淹水濕地發生富營養化的重要因子之一[3-4]。濕地土壤是氮的重要儲庫，發揮著源、匯、轉化器的重要功能，氮素在濕地土壤中的含量及其遷移轉化過程顯著影響著濕地生態系統的結構和功能以及濕地生產力[5-7]。

鄱陽湖是一個過水性、吞吐型的淺水湖泊，也是我國最大

的淡水湖泊濕地和國際重要濕地[8]。本研究主要探討鄱陽湖濕地蚌湖淺層土壤中全氮含量、銨態氮含量、硝態氮含量、堿解氮含量。土壤全氮是土壤有機態氮和無機態氮2種形態氮的總和，大部分以有機態氮的形式存在，無機態氮一般占全氮的5%左右[9]。土壤堿解氮主要包括無機態氮及易水解的有機態氮(氨基酸、酰胺和易分解的蛋白質等)，它們是反映土壤供氮能力和衡量氮素水平高低的重要指標[10-11]。土壤硝態氮是可被植物吸收利用的礦質氮，不被土壤吸附而易造成淋失，因此濕地土壤中硝態氮含量的季節變化特征除與植物吸收作用有關外，還受融雪補給、大氣氮沉降、水分條件、凍層深度以及土壤結構等因素的影響[12]。銨態氮是一種有效態氮素，可被植物直接吸收利用，其含量變化顯著影響著濕地土壤氮素的遷移轉化過程和濕地植物生產力[13]。因此，開展鄱陽湖濕地微觀尺度下水位梯度變化土壤氮素分布規律的研究更具有科學性，有助于揭示微觀尺度下水位變化的湖泊濕地土壤營養物質的響應規律，以期為濕地生態系統的養分管理和生態恢復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

蚌湖位于鄱陽湖自然保護區的東北端，地理位置為29°8′27″～29°17′30″N，115°1′4″～115°53′45″E，處于江西省的北部，長江中下游南岸[14]。蚌湖屬亞熱帶濕潤季風型氣候，主要受西伯利亞寒流和副熱帶高壓影響，具有冬春寒、夏多雨、秋旱特征，年降水量超過1 640 mm，主要集中在4—6月[15-16]。水位變化非常明顯，年內變幅超過10 m，年際間最大變幅達 16.69 m[17]。

1.2 試驗設計

本研究試驗樣地選址在鄱陽湖濕地(圖1)。試驗時間為2016年1月14—16日，按照濕地水位梯度，從10 m(星子水文站，吳淞高程，下同)水位至17 m水位區間，以1 m落差分別設置7個采樣區(即10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5 m)，每個采樣區設置3個采樣點，共21個采樣點。采樣區和采樣點設置的條件包括：(1)采樣點到等高線的距離比較均勻，一般位于高程線的中間部位；(2)可達性，地勢平坦，即方便取樣；(3)同一采樣區中的采樣點間隔距離在150 m以上；(4)沒有人類活動干擾的痕跡。在取樣點處用不銹鋼取土器分別獲得0～10(上層)、10～20(下層) cm 2個土層的各5個土樣，將5個土樣充分混合后裝入密封袋，帶回實驗室進行處理。采樣點的植被群落分別是16.5 m主要為狗牙根群落，15.5 m為假儉草群落，14.5 m為南荻群落，13.5 m為薹草群落，12.5 m為薹草群落，11.5 m為水田碎米薺群落，10.5 m 為水田碎米薺群落。地上生物量取樣方法是在取樣點處，用事先做好的1 m2不銹鋼圈輕放于具有代表性的草地上，在1 m2的樣方內，齊地收集植物的地上生物量，清查樣方中的凋落物，用密封袋帶回實驗室分析。

1.3 水文數據來源及說明

水文數據為星子水文站(1954—2013年)的歷年逐日平均水位數據，水位高程為吳淞高程。鄱陽湖是吞吐型湖泊，年內和年際水位變化極為明顯。根據近60年的逐日水位數據，對不同海拔高程的淹水時間進行統計。由表1可知，鄱陽湖不同高程的淹水時間呈明顯的梯度特征，不同高程淹水天數隨著高程的增加而減少。由于鄱陽湖水位年際變差比較大，即使在同一高程，不同年份的淹水天數差異也非常明顯，淹水天數的年最大值和年最小值之差最小僅為166 d，最大的達到211 d；同一高程淹水時間的年際差異最大值出現在12 m高程。這說明鄱陽湖洲灘水位梯度非常明顯，年際淹水時間變化較為明顯。

表1 鄱陽湖年淹水時間(1954—2013年)

1.4 樣品分析方法

將獲取的土壤樣品帶回實驗室，根據《土壤農業化學方法》[18]中土壤容重和含水量檢測方法計算土壤容重和含水率。采用半微量凱氏法測定全氮含量[19]；采用氯化鉀提取-流動分析儀法測定銨態氮含量；采用氯化鉀提取-流動分析儀法(類似傳統的靛酚藍比色法)測定硝態氮含量；采用《土壤理化分析》[20]中的擴散吸收法測定堿解氮含量。將獲取的生物量帶回實驗室用清水沖洗，除去泥沙，然后進行烘干稱質量，80 ℃恒溫條件下烘干至少 48 h 至恒質量[20]。

2 結果與分析

2.1 洲灘生物及生物量特征

根據調查結果，鄱陽湖濕地蚌湖維管束植物的分布特征由湖岸至湖底依次為假儉草(狗牙根)群落(16.5 m)、南荻群落(14.5 m)、薹草群落(分布寬度最大，在高程10.5～14.5 m均有分布)、水田碎米薺群落(10.5～11.5 m)。由圖2可知，蚌湖最高的生物量干質量是在高程14.5 m；最低生物量干質量是在高程10.5 m；高程為16.5 m時，生物量干質量也較低。從調查結果來看，南荻群落具有較高的生物量，而水田碎米薺群落的生物量較低。南荻群落具有高密度、物種高大等特征，平均株高達到1.5 m，平均蓋度為95%，植株粗壯、葉片豐茂，因而具有較高的生物量，而水田碎米薺群落具有低密度、物種矮小等特征，平均株高不足20 cm，平均蓋度為30%，植株莖葉含水量較高，因而群落生物量較低。

2.2 土壤氮素物質梯度特征

由圖3-a可知，鄱陽湖濕地蚌湖淺層土壤中全氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現遞增到遞減的變化過程，上層土壤全氮變化值為0.81～2.16 g/kg，下層土壤全氮變化值為0.78～1.13 g/kg。上層土壤全氮的最高含量出現在高程14.5 m，下層土壤全氮含量變化不及上層變化明顯，但其土壤全氮最高含量仍出現在高程14.5 m，上層土壤的全氮含量明顯高于下層土壤。

由圖3-b可知，鄱陽湖濕地蚌湖淺層土壤銨態氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現遞減到遞增的變化過程，上層土壤銨態氮含量變化值為8.33～22.41 mg/kg，下層土壤銨態氮變化值為6.8～25.65 mg/kg。上層土壤中銨態氮最高含量出現在高程10.5 m，下層土壤銨態氮含量變化與上層土壤銨態氮含量變化呈現相似的規律，其土壤銨態氮的最高含量同樣出現在高程10.5 m；上層土壤銨態氮含量基本均高于下層土壤。

由圖3-c可知，鄱陽湖濕地蚌湖淺層土壤硝態氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現遞增到遞減的變化過程，上層土壤硝態氮含量變化值為0.82～2.81 mg/kg，下層土壤硝態氮含量變化值為0.84～1.70 mg/kg。上層土壤中硝態氮的最高含量出現在高程14.5 m，下層土壤硝態氮含量變化與上層土壤硝態氮含量變化呈現相似的規律，其土壤硝態氮的最高含量同樣出現在高程14.5 m；上層土壤硝態氮含量基本均高于下層土壤。

由圖3-d可知，鄱陽湖濕地蚌湖淺層土壤堿解氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現遞增到遞減的變化過程，上層土壤堿解氮含量變化值為84.53～165.38 mg/kg，下層土壤堿解氮含量變化值為56.35～93.1 mg/kg。上層土壤中堿解氮最高含量出現在高程 14.5 m，下層土壤堿解氮含量變化與上層土壤堿解氮含量變化呈現相似的規律，其土壤堿解氮的最高含量同樣出現在高程14.5 m；上層土壤堿解氮含量均高于下層土壤。

從分析結果來看，除銨態氮外土壤氮素中的全氮、硝態氮、堿解氮，其最高含量的空間分布與地上生物量的空間分布具有一致性，即最高值均出現在高程14.5 m。土壤上層氮素含量普遍高于土壤下層，表面土壤表層的氮素富集較高，也進一步說明了濕地植物對土壤氮素的吸附作用。

2.3 土壤氮含量與高程、地上生物量、淹水時間的關系

Person相關性檢驗結果(表2、表3)表明，上層土壤(0～10 cm)中銨態氮含量在0.01水平上與地上生物量存在顯著負相關關系；全氮含量、銨態氮含量、硝態氮含量、堿解氮含量與高程、淹水天數平均值均不存在顯著相關關系。下層土壤(10～20 cm)中，銨態氮含量在0.01水平上與高程、地上生物量均存在顯著負相關關系，與淹水天數最大值、淹水天數平均值在0.05水平上均存在顯著正相關關系；全氮含量、硝態氮含量、堿解氮含量與高程、淹水天數、地上生物量均不存在顯著相關關系。

表2 淺層土壤(0～10 cm)各指標相關性檢驗結果

注：“**”“*”分別表示在0.01、0.05水平上顯著相關，下表同。

表3 淺層土壤(10～20 cm)各指標相關性檢驗結果

相關性檢驗結果表明，淺層土壤氮素含量的空間梯度與現有環境因素(高程、淹水天數、地上生物量)具有一定的相關性，但相關性并不顯著，這反映了鄱陽湖濕地蚌湖淺層土壤氮量的空間分布與積累過程受環境控制的因素比較復雜。

3 討論

影響土壤氮素循環與收支的因素較多，物理、化學和生物作用過程在不同的界面中共同存在，包括不同形式的混合、淋濾、吸附和微生物作用等，所有這些都影響著氮循環的方向和速度。但濕地植物被認為是影響土壤發育和營養物質富集的關鍵性因素[21-23]。本研究結果與Yoo等研究結果[21]相似，在分析土壤氮素含量與其他因素的相關性時，銨態氮含量與地上生物量表現出顯著的相關性。例如在高程14.5 m，地上生物量較高，土壤中的氮素除銨態氮以外，全氮含量、硝態氮含量、堿解氮含量也較高。這一結果進一步證明了濕地植物對濕地土壤發育和營養物質富集的重要性。

濕地土壤氮素含量與水位梯度的相關性研究是學者關注的重點之一[24]。譚波對三峽消落帶的研究結果表明，淹水時間對土壤氮素含量有影響，不過淹水時間較長的地帶并不是氮含量最高的地帶，而淹水和落干時間相當更有利于氮的積累，但淹水時間過短也會導致土壤養分積累減少[25]。王維奇等研究表明，土壤碳氮比、碳磷比、氮磷比在近潮溝區域表現為隨著淹水頻率的增加而減小，遠近潮溝同種植物類型的濕地土壤碳氮比、碳磷比、氮磷比則表現為隨著淹水頻率的增加而增大[26]。然而土壤氮素含量變化特征與水位梯度變化并不完全同步。付珊等研究認為，不同水位梯度下，土壤碳氮比與有機碳儲量變化不完全同步，表明土壤碳儲量是由碳含量和容重共同決定的[27]。王維奇等研究也表明，土壤碳氮比、碳磷比、氮磷比對淹水頻率響應模式的差異與濕地上覆植被密切相關[26]。Sleutel等研究認為，土壤容重會影響土壤氮的礦化過程，從而影響土壤的氮循環[28]。現有研究結果表明，淹水時間對于濕地土壤氮素的循環規律影響較為復雜，兩者之間沒有顯著的線性相關性。本研究結果同樣證明淹水時間對洲灘氮素空間分布特征影響較為復雜，不同氮素物質對水位梯度的響應特征不一。

蚌湖是一個水位波動性較為明顯的淺水湖泊，年內和年際水位變化明顯，蚌湖洲灘處于交替淹水過程，低海拔高程洲灘淹水時間過長，洲灘光照時間較短，不利于洲灘植物的正常生長，過低的生物氮沉淀，減少了土壤氮的積累[29]。高海拔高程洲灘退水時間過長，地下水位較低，而洲灘植物根系較淺，造成洲灘植物水分不足，也不利于洲灘植物的正常生長，降低了生物氮沉淀，從而減少了土壤氮的積累[30]。而處于高程14～15 m的區域，裸露時間適合洲灘植物的生長周期，水熱條件有助于洲灘植物的物質富集，增加了土壤中的營養物質累積，因此土壤中的氮素物質含量較高。

4 結論

淺層土壤全氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現遞增到遞減的變化過程。土壤全氮最高含量出現在高程14.5 m，上層土壤全氮含量明顯高于下層土壤。

淺層土壤銨態氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現遞減到遞增的變化過程。土壤銨態氮最高含量出現在高程10.5 m，上層土壤銨態氮含量基本均高于下層土壤。

土壤硝態氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現遞增到遞減的變化過程。土壤硝態氮最高含量出現在高程14.5 m，上層土壤硝態氮含量基本均高于下層土壤。

土壤堿解氮含量的梯度特征非常明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現遞增到遞減的變化過程。土壤堿解氮最高含量出現在高程14.5 m，上層土壤堿解氮含量均高于下層土壤。

SPSS雙變量中的Person相關性檢驗結果表明，上層土壤(0～10 cm)中全氮含量、銨態氮含量、硝態氮含量、堿解氮含量與高程、淹水天數平均值均不存在顯著相關性，銨態氮含量在0.01水平上與地上生物量存在顯著負相關關系。下層土壤(10～20 cm)中，銨態氮含量與高程、地上生物量在0.01水平上存在顯著負相關關系，與淹水天數最大值、淹水天數平均值均在0.05水平上存在顯著正相關關系；全氮含量、硝態氮含量、堿解氮含量與高程、淹水天數、地上生物量均不存在顯著相關關系。

相關性檢驗結果表明，淺層土壤氮素含量的空間梯度與現有環境因素(高程、淹水天數、地上生物量)具有一定的相關性，如地上生物量較高的高程14.5 m，除銨態氮含量以外，全氮含量、硝態氮含量、堿解氮含量較高，但是相關性并不顯著，這反映了蚌湖淺層土壤氮素含量的空間梯度特征是環境因素綜合作用的結果。

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