三江平原碟形洼地-島狀林土壤氮磷空間分布及生態化學計量特征

梁 晨,殷書柏,劉吉平,*

1 吉林師范大學旅游與地理科學學院,四平 136000 2 吉林師范大學資源保護與利用研究所,四平 136000 3 唐山師范學院資源管理系,唐山 130102

濕地土壤系統中氮(N)和磷(P)元素循環已成為全球氣候變化背景下土壤學、環境學和濕地生態學研究者關注的焦點之一[1]。濕地土壤中的N、P元素是植物礦物質養分、有機養分和土壤肥力的重要組成部分,作為濕地生態系統中的兩個限制性因素,對濕地植物的生長發育、群落組成以及生態系統的結構與功能等起重要作用[2]。受到自然與人為等多重因素耦合作用影響,濕地土壤中的N、P元素具有一定的空間分布特征,這會導致土壤環境的異化,進而影響動植物及微生物的動態變化、種群演替及物種競爭[3]。目前,針對濕地土壤氮磷元素的研究主要集中于二者在生長季時期以及在人為和自然干擾下的空間分布[4- 7],而針對在非生長季自然狀態下的三江平原碟形洼地不同植物群落土壤氮磷元素的空間分布研究并不多見,而非生長季的土壤元素分布狀態對生長季元素的分布具有良好的基礎調節作用,而且非生長季的元素積累對生長季時期土壤內部不同層次的理化性質和動植物生命過程等均具有重要影響[8-12]。本文主要通過樣線采樣法研究中國科學院三江平原沼澤生態實驗站內由碟形洼地-島狀林方向不同植物群落土壤N、P元素以及揭示N、P元素耦合關系的N/P的空間分布特征以及影響二者分布狀態的自然及人文因素,以期為三江平原濕地土壤氮磷調控以及化學元素分布與循環模式研究提供科學參考。

1 材料與方法

圖1 觀測樣帶示意圖Fig.1 The sketch map of research sample

非生長季與生長季相比,濕地土壤內部的養分元素穩定性較強,而且此時土壤已凍結,采樣不易破壞土體結構,有助于實驗的準確性和科學性。由于從1986年開始,中國科學院東北地理與農業生態研究所在別拉洪河和濃江的河間地帶建立中國科學院三江平原沼澤生態實驗站,為了進行濕地科學研究而用,所以保護較好,而且碟形洼地-島狀林是該區較為特殊的景觀,也受到了良好保護,所以該區域現在仍是碟形洼地-島狀林的代表性與典型性區域。2014年非生長季,在該站內碟形洼地-島狀林方向設置寬5 m的樣線,并在樣線上不同植物群落中選取4個樣點采樣。觀測樣地的面積約4 hm2,中心地理經緯度坐標為47°35′11″N和133°30′35″E。三江平原屬溫帶季風氣候區,年均溫1—4℃,年降水量500—650 mm,濕地植物種類繁多且多呈群落狀態分布,島狀林植物主要有柴樺(Betulafruticosa)、黃耆(Astragalusmembranaceus. Bunge)、毛榛(Corylusmandshurica. Maxim)等,由島狀林-碟形洼地方向植物群落為漂筏苔草-蘆葦群落(Carexpseudocuraica-Phragmitescmmuniscommunity,樣點1),毛果苔草群落(Carexlasiocarpacommunity,樣點2),烏拉苔草群落(Carexmeyerianacommunity,樣點3),沼柳-小葉章群落(Salixrosmarinifolia-Calamagrosticsangustifoliacommunity,樣點4)等,而且各植物群落土壤依次為泥炭土,泥炭沼澤土,潛育草甸沼澤土,潛育草甸白漿土[13](圖1)。

垂直方向上,利用長130 cm,口徑為56 mm的帶襯管的原狀取土器(ZL201210534424.7)按照由表層到底層方向在野外進行采樣,該取土器采集土壤樣品時能夠避免上下層樣品互相干擾和不同層次樣品間的相互污染,所采集土樣平均深度為50 cm,并按5 cm長度劃分層次,放入不同的密封袋中并編號,記錄采樣深度等信息。本研究將風干的土樣,利用半微量凱氏定氮法測定全氮含量[14],使用酸溶-鉬銻鈧比色法測定全磷含量[15],采用重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機質含量[14]；在生長季進行植物樣方檢測生物量,并測量不同植物群落所處的積水深度,水文條件可分為季節性積水和常年性積水兩類,利用直插式土壤溫度計(德國STEPS)分別在5月25日、6月29日和8月6日的8：00,12：00和20：00測定土壤溫度并計算得到平均值。使用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0軟件分別進行空間分布圖繪制和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 碟形洼地-島狀林方向各樣點全氮與全磷含量的空間分布特征

全氮與全磷在濕地土壤垂直方向上0—50 cm的含量分別在492.95—7117.42 mg/kg和357.34—1861.01 mg/kg之間。其中全氮含量在樣點1和樣點3處呈現先減少后增加再減少的趨勢,突增點均位于土壤的中上層部位,而樣點2和樣點4均呈現隨土壤深度的增加,全氮含量逐漸下降的趨勢,且各樣點全氮含量在50 cm深度處越來越趨近于一致；全磷含量在樣點1和樣點4均呈現先增加后減少再增加再減少的分布狀況,樣點3和樣點2總體上呈現逐漸下降的趨勢,而且全磷在15—20 cm土深范圍內含量相近(圖2)。由碟形洼地中心到島狀林,全氮與全磷在各樣點的平均值分別呈“V”字型和倒“N”字型分布,最高值分別出現在樣點1與樣點3,且兩種元素的標準差與變異系數均是全氮(51.77%)>全磷(13.65%),這說明全氮含量空間分異性要遠遠高于全磷(表1)。通過相關性分析,可得出各樣點全氮與全磷均呈極顯著相關(P<0.01),樣點2(0.933)>樣點4(0.911)樣點3(0.860)>樣點1(0.799),相關性有碟形洼地到島狀林方向呈先增后減再增的“N”字型規律。

圖2 碟形洼地-島狀林方向各樣點垂直方向上50 cm全氮與全磷的空間分布Fig.2 Spatial distribution of total nitrogen and total phosphorus 50 cm in the vertical direction from saucer depression to island forests

2.2 碟形洼地-島狀林方向各樣點全氮與全磷含量的化學計量學特征

與全氮和全磷的空間分布特征相比,氮磷比(N/P)的空間分布特征更能全面地闡述氮和磷元素耦合的空間變化[15]。氮磷比在濕地土壤垂直方向上0—50 cm的數值范圍是0.56—7.34。樣點1和樣點3氮磷比的分布特征分別為先減后增再減和先增后減,樣點2與樣點4則呈現隨土壤深度增加而逐漸降低的趨勢,除樣點3外,其余各樣點氮磷比最大值均集中于土壤0—10層次內,其中總體最大值分布在樣點1表層部位(圖3)。各樣點氮磷比平均值呈“V”字型規律分布,樣點1(3.85)>樣點2(2.51)>樣點4(1.76)>樣點3(1.65)。通過標準差與變異系數的計算,氮磷比(0.88和36.07%)在各樣點的離散程度在全氮和全磷含量的變異水平之間。

表1 碟形洼地-島狀林方向各樣點全氮與全磷含量平均值空間分布及標準差、變異系數

Table 1 Standard deviation and coefficient of variation and spatial distribution of average value of total nitrogen and total phosphorus from saucer depression to island forests

種類Type樣點1Sample1/(mg/kg)樣點2Sample2/(mg/kg)樣點3Sample3/(mg/kg)樣點4Sample4/(mg/kg)平均值Average/(mg/kg)標準差Standard deviation變異系數/%Coefficient of variation全氮TN Total nitrogen2977.042145.011522.642467.732278.111179.4651.77全磷TP Total phosphorus716.96705.51964.00895.53820.50111.9913.65

圖3 碟形洼地-島狀林方向各樣點垂直方向上50 cm氮磷比的空間分布Fig.3 Spatial distribution of N/P ratio 50 cm in the vertical direction of samples from saucer depression to island forests

3 討論與結論

3.1 討論

濕地土壤養分的空間分布受到多種環境因素的影響,其中水文條件通過水文周期的變化以及地表水和地下水的運動對養分進行調節,植物在耦合水分條件的基礎上,根據自身生長發育的需要,吸收、累積、遷移和轉化土壤養分,土壤有機質同作為營養元素,對氮磷的調節十分重要,受土壤溫度和季節變化的影響,土壤內的生物活動存在較大差異,從而影響了非生長季氮磷養分的分布特征。

3.1.1水文條件與植物群落對碟形洼地-島狀林方向各樣點土壤氮磷分布的影響

濕地土壤的水文條件是其最基本最重要的物理特征之一,它對氮磷元素的遷移與轉化以及植被的生長狀況具有重要影響。土壤的水文條件受降水以及徑流的影響,也影響著土壤元素的有效性,改變著植物的營養吸收能力和光合能力[16]。植被是濕地生態系統物質和能量流動最重要的環節,其植被群落特征和分布影響著濕地土壤養分的空間分布差異。一方面,植物可以通過根系直接吸收同化土壤中的氮磷元素將其轉變成自身體內的核酸、磷脂類化合物等有機成分,并通過枯落物歸還進入土壤；另一方面,濕地植物通過改變根區的微環境,如土壤水分、pH值及土壤機械組成等因子而間接影響土壤中氮磷元素的分布[17]。土壤全氮和全磷的分布狀態主要受在濕地淹水的條件下,土壤處于還原狀態的影響,導致土壤中的氮和磷等元素無法發生礦化作用,從而可保持在土壤各層次內；由于漂筏苔草-蘆葦群落位于濕地中心位置,處于濕地水位較高地帶,能夠有效抑制植物體分解產生和土壤自身的氮磷元素礦化分解,導致氮磷元素以有機狀態賦存于植被下層土壤中并被植物固定于土壤中上層；而毛果苔草群落相對于漂筏苔草-蘆葦群落,其水位呈下降趨勢,但仍處于水中,加之毛果苔草群落生物量(304 g/m2)為各群落最高,所以更有利于氮磷元素在還原環境下的積累,但該群落植物的豐富度和多樣性均較高,一定程度上會導致部分營養元素被利用和吸收,氮磷含量相對下降；而烏拉苔草群落和沼柳-小葉章群落均已靠近濕地邊緣,土壤水分含量較低,土壤處于氧化還原過渡環境下,其中的氮磷元素在礦質化的作用下易發生釋放,而且植物的吸收也會導致土壤中養分含量降低,加之烏拉苔草的生物量(231.60 g/m2)為各群落最低,因此烏拉苔草群落元素含量降低較快,但在沼柳-小葉章群落植物生物量(241.77 g/m2)僅次于漂筏苔草-蘆葦群落(266.90 g/m2),而且土壤的通氣性較好,元素礦化程度較高,但物種豐富度和多樣性僅次于毛果苔草群落,雖然一定程度上會導致元素被轉移利用,但更有利于將植物凋落物和土壤中原有的氮磷元素集中起來,所以在該群落氮磷含量呈現出次高峰。

3.1.2土壤有機質對碟形洼地-島狀林方向各樣點土壤氮磷分布的影響

圖4 碟形洼地-島狀林方向各樣點垂直方向上50 cm土壤有機質的空間分布Fig.4 Spatial distribution of soil organic matter 50 cm in the vertical direction of samples from saucer depression to island forests

土壤有機質的分解礦化是氮磷受其作用的過程。一般來說,濕地生態系統中養分間的循環是密切相關的,碳氮磷的生物地球化學循環具有耦合作用,土壤有機質對氮磷的礦化和固持具有調控作用[18-19]。本研究中土壤有機質含量范圍在0.62%—15.90%之間,各樣點垂直分布與全氮基本一致,均隨土壤深度的增加,元素含量逐漸降低,雖然土壤有機質分布與全磷和氮磷比的分布存在差異性,但均為總體上隨土壤深度的增加而元素含量逐漸減少(圖4),而且在元素平均值水平分布為樣點1(6.58%)>樣點4(5.31%)>樣點2(4.70%)>樣點3(2.92%),標準差(1.32%)和變異系數(27.05%)表明其變異程度在全磷與全氮之間,且分布上與全氮和氮磷比較為一致,這在一定程度上解釋了土壤有機質與氮磷分布的關系；加之除烏拉苔草群落處土壤有機質與氮磷比不存在極顯著相關外,其他樣點全氮、全磷與土壤有機質之間均存在極顯著相關(P<0.01)(表2),這表明土壤有機質對于氮磷分布狀況具有顯著影響,有機質的礦化對于氮磷的轉化和循環具有強大的促進作用。

表2 碟形洼地-島狀林方向各樣點土壤有機質與全磷、全氮及氮磷比的相關性

**P<0.01,*P<0.05

3.1.3季節變動對碟形洼地-島狀林方向各樣點土壤氮磷分布的影響

氮磷是濕地生態系統物質循環和能量流動過程中所必需的大量元素,Tateno等人指出濕地生態系統活動易受氮磷的限制[20]。本研究中全氮和全磷含量分布受淹水條件的改變、植被群落的差異以及非生長季元素積累等綜合因素影響,導致除烏拉苔草群落外,土壤氮、磷以及氮磷比三者間均存在顯著相關(P<0.05)或極顯著相關(P<0.01)(表3)。這主要是因為在生長季條件下,由于適合的溫度以及降水條件,導致濕地內的生態條件在不受其他外部干擾的情況下越來越有利于土壤養分的積累,其中以土壤動物和微生物的降解作用最為主要,其通過完整的生物過程將植物凋落物中的養分分解并通過新陳代謝歸還到土壤當中,加之降水的淋溶作用以及植物的吸收固定作用,使養分半穩定地分布于土壤各個層次,直至到底層分布殆盡；而非生長季的環境條件變得不適宜于生命活動,分解者大多已死亡,這就導致生長季所形成的養分分布局面得到一定程度的維持,也就是由于植物的根系吸收,養分較集中地分布于土壤中上層,而土壤下層由于土體的變異性較高且淋溶作用難以到達而含量減少[21],而烏拉苔草群落的相關性出現異常,主要是由于全氮和全磷的含量分別呈現出水平方向上的最低值和最高值,氮磷比也隨之呈現出水平方向上的最低值,由于氮磷平均含量最值的差異性較大,所產生的元素含量波動也會相應增大,元素間的關系不確定增加,最終導致群落土壤氮磷元素與二者耦合關系的相關性不顯著。

表3 碟形洼地-島狀林方向各樣點全氮、全磷與氮磷比的相關性

**P<0.01,*P<0.05

3.1.4土壤溫度對碟形洼地-島狀林方向各樣點土壤氮磷分布的影響

土壤溫度是影響濕地生態環境的重要因素之一,對地溫的深入研究不僅有利于把握濕地土壤呼吸作用的規律,還可以進一步探究在土壤溫度及其所產生的結果影響下濕地土壤養分的空間分布特征[22- 23]。由表4可以看出在生長季的3個月份里,不同濕地植物群落由碟形洼地向島狀林的土壤平均溫度均呈現不斷上升的趨勢。土壤溫度的變化與深度、植物以及太陽輻射等因素有密切關系,沼柳-小葉章群落和烏拉苔草群落由于土壤含水量較低,受太陽輻射的變化影響逐漸增強,日際和年際溫度變化較顯著,加之植被條件的影響,導致了“氮消磷漲”的水平分布局面,在該烏拉苔草群落處出現了全磷高峰值,沼柳-小葉章群落氮磷含量的增高主要因為其較高的生物量和生長季土壤動物和微生物分解機制,從而能夠為土壤提供大量的營養元素；而隨著向濕地中心延伸,水分含量不斷增加,各植物群落土壤溫度受濕地冷濕效應的影響逐漸增強,但其正是由于較低的土壤溫度和較好的淹水條件,才導致漂筏苔草-蘆葦群落和毛果苔草群落下層土壤中氮磷含量維持在較高水平(表4)。

表4 碟形洼地-島狀林方向不同濕地植物群落生長季土壤溫度平均值/℃

Table 4 The average of soil tempreture in different wetland plant communities from saucer depression to island forests during growing season

月份Month漂筏苔草-蘆葦群落Carex pseudocuraica-Phragmites cmmunis community毛果苔草群落Carex lasiocarpa community烏拉苔草群落Carex meyeriana community沼柳-小葉章群落Salix rosmarinifolia-Calamagrostics angustifolia community5月May7.527.6111.4411.676月June13.2916.9418.8518.948月August18.8219.5219.6019.99

3.2 結論

(1)全氮含量在漂筏苔草-蘆葦群落和烏拉苔草群落呈隨土壤深度的增加,先減少后增加再減少的趨勢,而在毛果苔草群落和沼柳-小葉章群落中則呈逐漸下降的趨勢。全磷含量在漂筏苔草-蘆葦群落和沼柳-小葉章群落均隨土壤深度的增加,呈現先增加后減少再增加再減少的趨勢,而在烏拉苔草群落和毛果苔草群落總體上均呈現逐漸下降的趨勢。氮磷比的垂直分布趨勢總體上與全氮和全磷相似,僅在樣點3的20—30 cm處呈現小幅增加趨勢。由碟形洼地到島狀林,全氮、全磷與氮磷比在各樣點的平均值分別呈“V”字、倒“N”字和“V”字型分布。

(2)由變異系數可知,土壤氮磷間具有空間異質性：全氮(51.77%)>全磷(13.56%),相關性分析表明,土壤全氮和全磷存在極顯著相關(P<0.01),土壤N/P(36.07%)也表現出空間異質性,并與土壤全氮和全磷存在顯著相關(P<0.05)或極顯著相關(P<0.01)。

(3)土壤有機質的分布是全氮和全磷分布的關鍵影響因子,植物與水文狀況、季節變化和土壤溫度對養分的空間分布也起重要作用。