科爾沁草甸濕地土壤碳氮剖面分布及生長季動態特征

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(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2.內蒙古自治區水資源保護與利用重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010018)

土壤碳氮對維系土壤質量、促進植物生長和保護環境極為重要。濕地生態系統具有很高的生產力，也是全球碳氮循環的重要組成部分[1]。因此，濕地土壤碳氮成為濕地生態學研究的熱點, 對草甸濕地質量評價、全國濕地碳、氮儲量估算和全球氣候變化研究具有重要意義[2-4]。

目前，國內對濕地土壤碳氮的研究重點關注在其空間異質性、化學計量比及影響因素等方面[5-7]；研究主要集中在沿河沿海及大型湖泊濕地，對蒙新干旱半干旱濕地的研究相對較少[8-11]；方法多以單次采樣的空間分析為主，對季節動態的考慮不足，事實上，有研究表明土壤碳氮具有明顯的季節波動特征[12-13]。因此，對干旱半干旱地區濕地土壤碳氮進行多頻次動態特征的研究是十分必要的。

科爾沁地區以農牧業為主, 牧草主要由草甸濕地輸出, 濕地土壤質量和生態系統的生產力對當地環境和經濟極為重要；但由于人為破壞(墾殖、棄耕、過度放牧等)，其生態系統十分脆弱；在近年來極端水文事件逐年增加的大環境下[14-15]，科爾沁草甸濕地存在較高的生態退化風險。為此, 本研究以科爾沁草甸濕地為研究區，分析了土壤碳氮的剖面分布及生長季動態特征，以期為干旱半干旱地區草甸濕地碳氮儲量的估算、生態系統的保護及氣候變化的研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于科爾沁沙地東南緣，隸屬內蒙古自治區通遼市科爾沁左翼后旗阿古拉鎮，地理坐標122°33′00″-122°41′00″ E，43°18′48″-43°21′24″ N，面積約55 km2。該區屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，多年平均氣溫6.6 ℃；多年平均降水量389 mm，降水主要集中在6-8月，占全年總降水量的69.3%；多年平均水面蒸發量(Φ20 cm蒸發皿)1412 mm，蒸發主要集中在4-9月，占全年總蒸發量的77%。研究區為典型的沙丘-草甸相間分布地區，其中草甸濕地占研究區總面積的26.6%(約15 km2)，內設有水文氣象環境監測系統。本研究選取湖泊北側草甸濕地作為試驗樣地，樣地地勢平坦，土質為砂壤土，偏堿性(表1)，天然植被主要為蘆葦(Phragmitescommunis)，并伴生有走莖燈心草(Juncusamplifolius)、蒲公英(Taraxacum)、羊草(Leymuschinensis)等。該草甸濕地5-9月為禁牧期，6-8月為植被生長旺盛期，圖1拍攝于牧草收割第1天(8月16日)。2016年科爾沁草甸濕地地下水水位埋深受降水影響，波動較大，范圍為0.056～1.334 m(圖2)；0～20 cm土層土壤含水量為32.7%～50.8%，始終高于其田間持水量(32.0%)。

1.2 樣品采集與測定

根據研究樣地地勢平坦(向湖泊微微傾斜)、覆被均一的地形地貌特點，在水文氣象環境監測系統附近(避開人行道)由南向北布設3個3 m×6 m的代表樣方，各樣方內沿對角線預設2個1 m×1 m的土壤樣方，沿長邊預設8個1 m×1 m的植被樣方(圖1)。

表1 0～100 cm土層土壤理化性質統計Table 1 Soil physical and chemical properties in 0-100 cm soil layer

圖1 研究區與試驗點概況Fig.1 General profile of research area and test site 1) s,a,b,c,d分別代表研究區，流動沙丘，半固定沙丘，固定沙丘，鹽堿地；2) S和V分別代表土壤取樣點和植被取樣點；3) 1～10分別代表流動沙丘，半固定沙丘，固定沙丘，草甸濕地，湖泊，農田，村莊，分水嶺，樣方和水文氣象環境監測系統。1) s,a,b,c,d represents study area, mobile dune, semi-fixed dune, fixed dune and saline-alkali land; 2) S and V represent soil sampling points and vegetation sampling points; 3) 1-10 represents mobile dune, semi-fixed dune, fixed dune, meadow wetland, lake, farmland, village, watershed, sampling sites and hydrometeorological environment monitoring system.

2016年5-10月和2017年8月，每月獲取2次土樣(不隨意踐踏小樣方)：清除地表雜質后土鉆(Φ5 cm)獲取6個剖面0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm 7個層位的土樣，一部分裝入鋁盒，一部分裝入預先編號的自封袋。挑除雜物、風干、過篩，同一大樣方內對角2個小樣方同一層位的土樣充分混合均勻后密封保存待測。2016年5-10月，每月進行1～2次(7、8月各2次)地上生物量觀測，依次齊地收割，收割過的不再收割。2016年10月底獲取土樣時同步獲取相應層位的地下生物量，根鉆(Φ15 cm)獲取相應層位的土柱后清洗分離根系。2017年8月獲取容重，各大樣方中心位置開挖剖面環刀(100 cm3)取樣，同一剖面同一層位3次重復取平均。

采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[10]測定土壤有機碳含量；使用全自動凱氏定氮儀測定土壤全氮；采用烘干法測土壤含水率、容重及地上、地下生物量。

圖2 2016年科爾沁草甸濕地生長季水文狀況Fig.2 Hydrological situations of Horqin meadow wetland during growth season 2016

1.3 數據處理分析

土壤有機碳、全氮密度計算參考王維奇等[10]的方法，采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行統計分析，采用單因素方差分析法(ANOVA)進行方差分析和差異顯著性檢驗 (α=0.05)，對影響因素進行Pearson相關分析。文中圖表使用的是標準偏差，沒有特殊說明則未考慮2017年的數據。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳、全氮剖面分布

科爾沁草甸濕地土壤有機碳、全氮含量整體隨土層加深下降，淺層(0～20 cm)下降顯著，深層(20 cm以下)相對穩定，底層(80～100 cm)有機碳含量有所上升，范圍分別為11.9～23.5 g·kg-1、0.66～1.50 g·kg-1(表2)。碳氮比隨土層加深增大，淺層碳氮比顯著偏低，范圍為13.9～20.4。有機碳、全氮含量變異系數隨土層加深均先減小后增大，范圍分別為12.5～25.1、2.7～11.9，全氮較有機碳變化小，且主要發生在淺層和底層。

表2 土壤有機碳、全氮及碳氮比剖面分布Table 2 Vertical distributions of soil organic carbon, total nitrogen and carbon/nitrogen (n=36)

注：不同小寫字母表示層間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different small letters mean significant difference between layers atP<0.05 level.

2.2 土壤有機碳、全氮生長季變化

淺層(0～20 cm)土壤有機碳含量呈“N”型變化(圖3)，6月含量最高，8月含量最低；20～40 cm土層有機碳含量波動式上升，5月含量最低，10月含量最高，8月含量略有下降；40～60 cm土層有機碳含量先上升后下降，8月含量最高；60～100 cm土層有機碳含量呈“√”型變化，6月含量最低、10月含量最高。0～10 cm土層全氮含量近似呈“U”型變化，7、8月含量較低；10～100 cm土層全氮含量5月最高，之后明顯下降并趨于相對穩定。土壤有機碳、全氮含量月間差異性顯著(全氮40～60 cm土層除外)。

根據土壤有機碳、全氮含量分布特征，繪制了逐月0～20 cm、20～100 cm土層土壤有機碳、全氮密度(圖4)。0～100 cm土層有機碳密度春季<夏季<秋季，全氮密度夏季<秋季<春季(P<0.05)；范圍分別為15.44～20.82 kg·m-2和1.01～1.16 kg·m-2；7、8月有機碳密度大致代表了平均密度水平(18.06 kg·m-2)；9、10月全氮密度大致代表了平均密度水平(1.05 kg·m-2)。0～20 cm土層有機碳密度占0～100 cm土層有機碳密度的20%～32%，6月占比最大，8月占比最小；0～20 cm土層全氮密度占0～100 cm土層全氮密度的28%～33%，6月占比最大，7月占比最小。

圖3 土壤有機碳、全氮含量的月變化Fig.3 Monthly variation of soil organic carbon and total nitrogen content (n=6)

圖4 土壤有機碳、全氮密度分布、變化Fig.4 Distribution and variation of soil organic carbon and total nitrogen density (n=6) 不同小寫字母表示月間差異顯著(P<0.05), 柱形圖內部的數據表示0～20 cm土層土壤碳、氮密度占0～100 cm土層總密度的百分比。不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Different small letters mean significant differences between months at P<0.05 level; The data within the column chart indicate the percentage of the soil organic carbon and total nitrogen density in 0-20 cm soil layers, which accounts for that of 0-100 cm soil layers. The different small letters mean the significant differences (P<0.05).

2.3 土壤有機碳、全氮含量與土層深度的擬合

根據土壤有機碳、全氮密度的占比特點，選取2016年6、7、8月及2017年8月有機碳、全氮含量與土層深度進行擬合(圖5)。2016年6、7月有機碳、全氮含量與土層深度的最優擬合線型均為冪函數型(sig最小，R2最大)；2016年8月和2017年8月有機碳擬合效果均較差(P>0.05)；全氮最優擬合線型分別為指數函數和冪函數型。

圖5 有機碳、全氮含量與土層深度的擬合Fig.5 Fittings of soil organic carbon and total nitrogen content with soil depth (n=6) 2016年7月代表干旱，2016年8月受極端降水影響；**表示在0.01水平上顯著相關。July 2016 represents drought while August 2016 is affected by extreme precipitation; ** indicates significant correlation at 0.01 level.

2.4 植被生物量

據觀測，科爾沁草甸濕地是以蘆葦為絕對優勢物種，多種雜草共生的系統。雜草較蘆葦先生長，后凋零；雜草根系主要分布在0～15 cm土層，蘆葦根系主要分布在0～80 cm土層。地上生物量變化及群落根系分布見圖6：6-8月(生長旺盛期)地上生物量變異系數為5.5，屬弱變異；地下生物量表層多(25%)，底層少(5.7%)，中間層根系分布較均勻。

圖6 2016年科爾沁草甸濕地地上-地下生物量Fig.6 Above- and below- ground biomass in Horqin meadow wetland in 2016 (n=3)

2.5 土壤有機碳、全氮影響因子相關分析

垂直剖面上，土壤有機碳與全氮含量呈極顯著正相關；均與地下生物量(根系)顯著正相關，與土壤含水量關系不大。有機碳含量與容重呈顯著負相關；全氮含量與pH和電導率呈顯著正相關(表3)。不同土層土壤有機碳、全氮含量的影響因子有所不同(表4)：40～60 cm土層有機碳含量與土壤溫度呈顯著正相關，60～100 cm土層有機碳含量與地下水水位埋深和光合有效輻射呈顯著負相關，0～5 cm土層全氮含量與土壤溫度呈顯著負相關，0～10 cm土層全氮含量與土壤含水量呈顯著正相關，0～40 cm土層有機碳含量及10～100 cm土層全氮含量與這些因子均未達到顯著水平。

表3 垂直剖面土壤有機碳、全氮與影響因子相關關系Table 3 Correlations between soil organic carbon, total nitrogen and impact factors in the vertical profile (n=21)

注：**表示在P<0.01水平上顯著相關，*表示在P<0.05水平上顯著相關， NS表示相關性不顯著。下同。

Note: ** indicates significant correlation atP<0.01 level, * indicates significant correlation atP<0.05 level, NS indicates no significant correlation. The same below.

表4 生長季土壤有機碳、全氮與影響因子間的相關關系Table 4 Correlations between soil organic carbon, total nitrogen and influencing factors in growth season (n=12)

3 討論

3.1 土壤有機碳、全氮含量分布及變化

濕地土壤有機碳、全氮含量在垂直剖面上的分異，主要受生物殘體腐解歸還的影響[16]。地上植被和地下根系共同作用下，科爾沁草甸濕地土壤碳氮含量在0～20 cm處隨土層深度顯著下降，20 cm以下趨于穩定，這與張全軍等[17]的研究結果相近。另外，極端水文事件也會影響該濕地土壤碳氮的剖面分布特征(圖5)。熊麗等[18]研究發現下層土壤可溶性有機碳的截留能力更大，這也就解釋了本研究80～100 cm土層處有機碳含量有所升高的原因。

土壤有機碳、全氮含量變化取決于輸入與輸出的平衡[19]，濕地土壤有機碳、全氮主要來源于植被地上部分的凋落物及其地下部分根的分泌物和細根周轉產生的碎屑；輸出量主要包括有機物分解與侵蝕[20]。土壤-植物-微生物的相互作用是其重要的研究方向[21]。0～20 cm土層(淺層)土壤有機碳含量呈“N”型變化是多因素共同作用的結果。2016年5月1日至5日持續降水，此時淺層土壤團聚體結構因牲畜的踐踏遭到破壞，加之地表覆被度較低，其可溶性有機碳發生了淋溶流失，5月淺層土壤有機碳含量較低，這與汪智軍等[22]的研究結論一致。研究區5月12日開始禁牧，牲畜糞便歸還導致6月土壤有機碳含量顯著增加。隨著溫度升高，微生物活性增強，土壤有機碳礦化分解加快，7月土壤有機碳含量下降，這與王蓓等[23]的結論相符。2016年6月15日至7月20日持續干旱高溫有利于土壤有機碳的礦化分解輸出；7月21日至8月1日的持續降水使可溶性有機碳向下遷移，二者共同導致8月土壤有機碳含量繼續下降。該濕地表層滲透系數小，降水形成較長時間的地表積水，抑制微生物活性的同時促進植被光合，光合碳大量輸入土壤，9月土壤有機碳含量升高。進入生長末期，大量生物殘體的腐解歸還使得土壤有機碳含量進一步升高，10月含量最大。降水影響科爾沁草甸濕地淺表層土壤有機碳含量的同時，對60～100 cm土層(深層)土壤有機碳含量也造成較大影響。生長季內發生過3場比較大的降水，5月1日至5日(降水總量為60.8 mm)、7月21日至8月1日(138.6 mm)、8月30日至9月1日(60.6 mm)。5月淺表層土壤有機碳含量較低，深層土壤有機碳含量較高；8月淺表層土壤有機碳含量下降，深層土壤有機碳含量上升；9月淺表層和深層土壤有機碳含量均上升。這也表明植被能調節降水對土壤有機碳含量的影響：在覆被條件較差的情況下降水造成可溶性有機碳淋溶流失；覆被條件較好的情況下降水主要對可溶性有機碳進行淋溶，且土壤有機碳殘體歸還量較淋溶流失量大。生物殘體腐解歸還同時是土壤全氮的主要來源，植被吸收和微生物礦化分解導致全氮含量下降。蘆葦生長初期需要從土壤吸收大量的氮素[24]；7、8月溫度較高，氮礦化分解較強；生長末期枯落物殘體歸還，綜合導致0～10 cm土層全氮含量呈“U”型變化。10～100 cm土層全氮含量于5月明顯下降，之后趨于相對穩定，這與蘆葦生長特性及根際固氮菌的存在有關。蘆葦是分蘗繁殖植被[25]，40～60 cm土層全氮含量各月變化不明顯可能由于該土層根系相對較多(圖6)，固氮菌作用更明顯。

3.2 土壤有機碳、全氮密度

科爾沁草甸濕地土壤有機碳密度與閩江口濕地相近[26]；高于黑河濕地[27]、鄱陽湖濕地[28]；低于若爾蓋[29]、三江平原等[30]低溫地區濕地。黑河濕地干旱少雨的氣候不利于植被生長，土壤有機碳輸入量減少；鄱陽湖濕地溫暖、濕潤的氣候有利于植被生長并增加對土壤碳源的輸入，同時微生物數量和活性也較高從而增加對土壤碳源的輸出；若爾蓋高原、三江平原地區低溫條件下有機碳礦化分解速率減慢，有機碳的積累增多。科爾沁草甸濕地植被生長較好，溫度較低，具有較好的碳匯潛能。研究發現科爾沁草甸濕地生長季內0～100 cm土層有機碳密度持續增加5.38 kg·m-2，約為均值的30%，表現為碳匯；而2017年(17.25 kg·m-2)較2016年(17.67 kg·m-2)土壤有機碳密度卻并沒有上升。據了解，該研究區4月底5月初往往有強降水，此時地面裸露，加之牲畜踐踏破壞了表土團聚體結構，土壤有機碳流失嚴重。該濕地屬生產型濕地生態系統, 打草后地上生物殘體歸還量較低，故全氮密度夏季<秋季<春季(P<0.05)。

3.3 土壤有機碳、全氮影響因素分析

科爾沁草甸濕地土壤碳氮含量與地下生物量顯著正相關，而與地上生物量及土壤含水量關系不明顯，這是由于研究區水分充足，干旱對其植被生長影響不大(圖6)；植物根系由于深埋在土壤中，受外界環境及人類活動影響較小，其產生的凋落物向土壤輸入的有機碳、全氮相對穩定，故地下生物量與土壤碳氮關系更密切。之前也有研究表明植物地上生物量與土壤物質的相關性不顯著[31]，植物根系與土壤碳氮的關系較地上部分更為緊密[32]。科爾沁草甸濕地地下水水位埋深隨水文條件變化而改變(圖1)，在降水下滲、有機碳淋溶和地下水波動式浸泡吸附下，60～100 cm土層有機碳含量隨地下水水位上升而增大。該土層土壤有機碳含量還隨光合有效輻射加強而降低，這可能仍與地下水水位有關：光合有效輻射(X)越強，相應的地下水水位埋深(Y)越大(Y=7.268e0.005X,R2=0.859*)，土壤有機碳含量越低。通常土壤質量越好，有機碳含量越高，容重越小，科爾沁草甸濕地土壤有機碳含量與容重呈顯著負相關，這與一些研究結果相似[33-34]。電導率、pH是影響土壤微生物活性的限制因素[35]，該草甸濕地電導率、pH與土壤有機碳、全氮均呈正相關關系，且與全氮含量達到顯著水平，這與于君寶等[36]在黃河三角洲的研究結果相近，但不同于趙瑞峰等[27]在黑河中游的研究結果，這可能同濕地電導率和pH范圍有關。0～5 cm 土層全氮含量隨溫度升高而下降，40～60 cm土層有機碳含量隨溫度升高而增大，主要因為溫度升高提高微生物活性的同時也促進了植被生長，而40～60 cm土層根系較多(圖6)卻并不是微生物的活躍區[37]，植被光合向土壤輸入大量的光合碳，該層土壤有機碳含量升高。0～10 cm土層全氮含量隨土壤含水量升高增大可能與氮沉降有關。

4 結論

科爾沁草甸濕地土壤有機碳、全氮含量隨土層加深下降, 下降速度上快下慢。生長季有機碳、全氮含量月間差異性顯著，全氮較有機碳變化小, 中間土層較淺層和底層變化小。有機碳密度春季<夏季<秋季, 全氮密度夏季<秋季<春季(P<0.05), 密度年際變化不及生長季變化顯著。植被和水文是影響其分布、變化的關鍵因子。

該濕地屬生產型濕地生態系統, 打草后地上生物殘體歸還量較低, 不利于氮素積累，加上碳庫流失嚴重, 碳匯潛力也未能發揮, 為保護濕地提高系統生產力及其碳匯功能, 禁牧應控制在5月前, 并最好于生長季初期適當增加氮肥輸入。