郭勁松，黃軒民，張 彬，2，方 芳，付 川

(1:重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400045)

(2:西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，成都610039)

(3:重慶三峽學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶404000)

三峽庫區(qū)消落帶土壤有機質(zhì)和全氮含量分布特征*

郭勁松1，黃軒民1，張 彬1，2，方 芳1，付 川3

(1:重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400045)

(2:西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，成都610039)

(3:重慶三峽學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶404000)

在三峽庫區(qū)消落帶落干期間(2010年4月)，對庫區(qū)巫山-重慶主城區(qū)段消落帶土壤有機質(zhì)(OM)和全氮(TN)含量分布及與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性進行了調(diào)查研究.結(jié)果表明該區(qū)域消落帶土壤OM和TN含量均較低，分別為10.70±4.03和0.84±0.39 mg/g，且服從正態(tài)分布.消落帶土壤碳氮比(C/N)較低，推測消落帶土壤無機氮在淹水期間存在向上覆水體釋放的可能性.在與其它關(guān)于土壤OM和TN含量研究的比較中，研究區(qū)域內(nèi)土壤OM和TN含量處于偏低的水平;而在與對照帶樣品的比較分析中發(fā)現(xiàn)，消落帶樣品的OM和TN含量變異系數(shù)均偏低，因此消落帶干濕交替可減小不同區(qū)域消落帶之間土壤OM和TN含量差異.相關(guān)性分析表明，消落帶土壤pH、ORP、TN與OM之間呈顯著正相關(guān)，可見研究范圍內(nèi)消落帶土壤氮形態(tài)可能主要以有機氮的形式存在于有機質(zhì)中，而C/N與TN呈負相關(guān)，與OM相關(guān)性不顯著，表明C/N的大小主要取決于TN含量.

消落帶;土壤;有機質(zhì);全氮;三峽庫區(qū)

消落帶是指江河、湖泊、水庫等水體水位因季節(jié)性漲落使土地被周期性淹沒和出露成陸形成的干濕交替的水陸銜接地帶［1］.消落帶可以看作淡水濕地的一種，屬于一類特殊的濕地生態(tài)系統(tǒng)［2-3］，具有敏感而脆弱的生態(tài)環(huán)境，在淹水期間易與上覆水發(fā)生物質(zhì)交換和能量傳遞.三峽庫區(qū)消落帶的垂直距離為30 m(水位145～175 m)、面積為348.93 km2.同時，隨著水位變化，三峽庫區(qū)消落帶每年有大量土地處于季節(jié)性淹沒狀態(tài)和非淹沒狀態(tài)，此時其干濕交替的環(huán)境條件以及附近居民的耕作等因素都可能對三峽庫區(qū)消落帶的土壤生態(tài)環(huán)境及水環(huán)境產(chǎn)生各種影響.

有機質(zhì)(Organic Matter，OM)和全氮(Total Nitrogen，TN)是濕地土壤重要的組成部分，也是濕地生態(tài)系統(tǒng)十分重要的生態(tài)因子，其含量變化對濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力影響非常顯著［4］.OM含量是土壤肥力狀況的重要指標(biāo)，并為水體及土壤中的生物活動提供了能源和基質(zhì)，在維持生物多樣性方面起著至關(guān)重要的作用［5-6］.氮素則是濕地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的限制因素之一，也是水體發(fā)生富營養(yǎng)化的重要誘導(dǎo)因子，是一種濕地營養(yǎng)水平指示物［7］，而消落帶是淡水濕地的一種，具有類似濕地的生態(tài)環(huán)境特征.目前，有關(guān)三峽庫區(qū)消落帶土壤的研究主要集中在重金屬含量調(diào)查［8］、氮磷形態(tài)分布特征［9-11］和氮磷吸附釋放規(guī)律［12-13］等方面，而關(guān)于三峽庫區(qū)消落帶在經(jīng)歷多次反復(fù)的淹水-出露后，消落帶土壤OM和TN含量特征的研究較少.

本文針對三峽庫區(qū)巫山-重慶主城區(qū)段消落帶，于2010年4月對該區(qū)域土壤OM和TN含量進行研究，分析了二者在研究區(qū)域中的分布規(guī)律和土壤理化特征，及OM、TN和C/N三者的相互聯(lián)系及土壤中碳、氮的轉(zhuǎn)化，以期為三峽庫區(qū)消落帶土壤OM、TN含量變化和碳氮物質(zhì)循環(huán)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

三峽庫區(qū)巫山 -重慶主城區(qū)段消落帶(28°28'～31°44'N，105°49'～110°12'E)面積約為 306.28 km2，總共涉及22個區(qū)縣(市)，遍布于長江干流和庫區(qū)大大小小百余條次級河流.庫區(qū)地貌類型復(fù)雜多樣，以山地為主.研究區(qū)域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有雨熱同季、熱量豐富、雨量充沛、空氣潮濕、云霧較多等氣候特點，多年年均溫度18.1℃，最熱月均溫度28.4℃，最冷月均溫度7℃，是全國著名的高溫區(qū).年降雨量1087～1400 mm，但季節(jié)分配不均，降雨集中在夏季，相對濕度79%～82%［14］.

1.2 樣品采集與分析

在研究區(qū)域內(nèi)共選擇了14個采樣點(圖1)，貫穿整個三峽庫區(qū)重慶段消落帶，分布于長江干流以及干流南北兩側(cè)重要的支流消落帶;除此之外，在消落帶面積較大的區(qū)縣，不同土地利用方式和類型的消落帶均分布有采樣點，具體信息詳見表1，共采集樣品54個.采樣期間(2010年4月)的水位為154 m，所采集的樣品分為兩部分:1)剛出露的消落帶土壤樣品(樣品數(shù)n=41)，淹水歷時約7個月，每個采樣點按154～175 m的高程區(qū)間均勻分成上、中、下3個區(qū)段分別采集1份土壤樣品，其中，忠縣新政村未能采集到下部的土壤樣品;2)對照帶土壤樣品(樣品數(shù)n=13)，未被庫區(qū)水體淹沒過，在高程175～180 m之間采集1份土壤樣品，其中，開縣漢豐湖未能采集到土壤樣品.采集土樣時，使用洛陽鏟采集表層土(0～20 cm)，為了使所采樣品具有代表性，在1 m范圍內(nèi)采集4～5個不同土樣，撿掉礫石、動植物殘體等，充分混合后用四分法縮分至1 kg左右，裝入聚乙烯袋密封保存帶回實驗室.樣品采集時同時測定各采樣點的經(jīng)緯度、酸堿度(pH)、氧化還原電位(ORP)和含水率.

圖1 三峽庫區(qū)消落帶采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites of water-level-fluctuating zone in Three Gorges Reservoir area

表1 采樣點位置Tab.1 The location of sampling sites

樣品經(jīng)冷凍干燥器低溫冷凍干燥處理后，碾磨過100目篩，處理后裝入聚乙烯密封袋中，并存儲于-20℃冰箱中以備化學(xué)分析.土壤有機質(zhì)(OM)采用重鉻酸鉀-外加熱法進行測定，TN采用凱氏法進行測定.

2 結(jié)果與討論

2.1 OM在消落帶土壤中的含量分布特征

消落帶有機物輸入輸出量的相對大小決定其土壤中有機質(zhì)含量的變化.土壤中的有機質(zhì)輸入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(shù)，有機質(zhì)的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的控制［15-17］.除此之外，消落帶的干濕交替［18］、管理方式及污染物質(zhì)的輸入也同樣影響著消落帶土壤中有機質(zhì)含量的分布.

OM在研究區(qū)域內(nèi)的含量統(tǒng)計分析結(jié)果表明，消落帶土壤OM含量平均值為10.70±4.03 mg/g，與對照帶土壤OM 含量相比，二者差異性不顯著(sig.＞0.05)，但對照帶樣品的變異系數(shù)為57.7%，高于消落帶樣品(3 7.7%)(表2)，表明消落帶干濕交替可減小不同采樣點消落帶之間土壤O M含量差異.消落帶O M含量的頻數(shù)分布直方圖見圖2 a.正態(tài)性檢驗顯示消落帶土壤樣品O M含量服從正態(tài)分布，表明其分布比較集中.研究區(qū)域內(nèi)，消落帶O M含量均值置信度0.9 5 的置信區(qū)間為(9.4 2，1 1.9 7)，即有9 5%的可能性認為研究區(qū)域內(nèi)消落帶土壤的O M含量均值落在該置信區(qū)間內(nèi).

表2 研究區(qū)域消落帶OM、TN和C/N的統(tǒng)計分析*Tab.2 Statistical analysis of OM，TN and C/N ratio in the soils of study area

不同研究區(qū)域OM含量表明，本研究區(qū)域消落帶土壤OM含量處于較低水平，明顯低于澎溪河消落帶、其他區(qū)域濕地和沉積物OM含量(表3).這可能是因為張雷等［19］對澎溪河消落帶采樣時間為2009年，早于本研究，由于土壤在水中長時間浸泡，OM會逐漸分解，導(dǎo)致其含量降低且分布均勻［9］;而三江平原和梁子湖濕地的土壤主要是沼澤土，含有大量的腐殖質(zhì)，因此其OM含量相對而言略高;太湖五里湖受人為活動影響較大，富營養(yǎng)化程度嚴(yán)重，且為湖灣，水體動力條件較弱，有利于OM和營養(yǎng)鹽的沉積，導(dǎo)致OM含量較高;巢湖富營養(yǎng)化程度相比太湖較弱，且為淺水湖泊，水動力條件較強，不利于OM的積累.而三峽庫區(qū)消落帶土壤較低的OM含量可能與庫區(qū)的水動力相對較強，不利于OM和營養(yǎng)鹽的積累，以及消落帶的水土侵蝕導(dǎo)致土壤OM和營養(yǎng)元素的流失有關(guān).

表3 不同區(qū)域類型OM和TN含量比較Tab.3 Comparison of OM and TN contents in different areas

圖2 OM(a)、TN(b)在研究區(qū)域土壤中的頻數(shù)分布Fig.2 The distribution of frequency of OM(a)and TN(b)contents in the soils of study area

2.2 TN在消落帶土壤中的含量分布特征

氮素的輸入和輸出量的相對大小決定著土壤中全氮的含量變化.土壤中的氮素主要來源于植物殘體的歸還量及生物固氮，也有少量來源于大氣降水;輸出主要是土壤中有機質(zhì)的分解，分解后大部分被植物吸收利用，部分NH3經(jīng)過礦化(氨化)、硝化、反硝化作用以及氨揮發(fā)等生物過程而重返大氣中［25-27］.除此之外，消落帶的干濕交替［18］、管理方式及污染物質(zhì)的輸入也同樣影響著消落帶土壤中全氮含量的分布.

消落帶土壤TN含量的統(tǒng)計分析表明，研究區(qū)域消落帶土壤樣品TN含量的平均值為0.84±0.39 mg/g，與對照帶土壤TN含量相比，二者差異性不顯著(sig.＞0.05)，但對照帶樣品的變異系數(shù)為79.1%，高于消落帶樣品(46.7%)，表明消落帶干濕交替可減小不同區(qū)域消落帶之間土壤TN含量差異(表2).消落帶土壤TN含量的頻數(shù)分布直方圖見圖2b.正態(tài)性檢驗顯示消落帶土壤樣品TN含量服從正態(tài)分布，也表明其分布比較集中.研究區(qū)域內(nèi)，消落帶土壤TN含量均值置信度0.95的置信區(qū)間為(0.71，0.96)，即可以認為研究區(qū)域內(nèi)消落帶土壤的TN含量均值落在該置信區(qū)間內(nèi)的概率為95%.

從不同研究區(qū)域TN含量的比較可知，庫區(qū)消落帶TN含量處于較低的水平(表3).其中大寧河［9］和澎溪河［20］的采樣時間均早于本研究，由于OM和TN的相關(guān)性極顯著(后文已分析)，二者有相同的輸入和輸出途徑，因此OM的分解可能導(dǎo)致土壤中氮的釋放.其他研究區(qū)域濕地/沉積物TN含量的大小順序與OM含量的大小順序基本一致，但龍感湖TN含量較高.因龍感湖為典型的草型湖泊，大型水草在固定營養(yǎng)鹽方面具有重要的作用，所以其TN含量較高，而其他研究區(qū)域TN含量高低的原因與OM類似.

2.3 研究區(qū)域內(nèi)消落帶土壤碳氮比

土壤碳氮比指示土壤生物分解過程中碳和氮轉(zhuǎn)化作用的密切關(guān)系.正常耕地的土壤生物在土壤C/N約為25時獲得平衡營養(yǎng).如果C/N高于25，表明土壤中的N含量無法滿足微生物的需要，此時N不但不會積累，而且腐敗菌類會迅速繁殖，加快OM的分解，并且土壤中的NH+4-N含量不足以產(chǎn)生硝化作用［28］.研究區(qū)域內(nèi)消落帶土壤C/N相對較低，變化范圍為4.04～22.47(表2)，這意味著土壤中有機碳具有較高的腐殖化程度，有機氮易于礦化，致使消落帶土壤無機氮的增加［16］，從而導(dǎo)致研究區(qū)域較低的C/N，其均值為8.32±3.86.相比對照帶樣品的C/N，變化范圍為2.53～12.75，庫區(qū)消落帶土壤在經(jīng)過特有的干濕交替后土壤C/N有所增加，但仍然較低，并且OM的增加程度遠遠小于TN的減小程度，由此表明消落帶土壤無機氮在淹水期間存在向上覆水體釋放的可能性.

2.4 消落帶土壤基本理化特征及其與OM、TN、C/N之間的相互關(guān)系

研究區(qū)域內(nèi)ORP 為-49.90 ～63.90 mV，含水率為16.2% ～67.9%，pH 為5.92 ～7.76.其中大部分采樣點的pH值大于7，處于中性偏微堿性的范圍，且ORP整體上也呈還原性.

從研究區(qū)域土壤基本理化性質(zhì)及OM、TN、C/N之間的相關(guān)性可以看出，消落帶土壤OM與pH值呈顯著正相關(guān)，與ORP呈顯著負相關(guān)，表明庫區(qū)消落帶土壤pH值和ORP對土壤OM分布會造成一定的影響(表4).土壤pH值對OM的影響常常通過影響土壤微生物的活動來實現(xiàn)［29］.在中性條件下微生物活性最強，在強堿和強酸條件下其活動受到抑制，從而抑制有機質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化.而研究區(qū)域內(nèi)消落帶土壤pH值整體上偏微堿性，這可能是導(dǎo)致pH值對該區(qū)域消落帶OM分布產(chǎn)生一定影響的原因.土壤ORP的高低表征了其氧化性和還原性，相對于還原條件來說，土壤OM在氧化條件下更易被氧化分解，所以在ORP高時，土壤OM含量相對較低，反之則相對較高.

研究區(qū)域內(nèi)土壤OM與TN呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r=0.674，表明TN和OM具有相同的消長趨勢(表4)，這同以往的研究結(jié)果相一致［29-30］.此外，OM和TN呈極顯著正相關(guān)也表明研究區(qū)域內(nèi)有機氮可能為消落帶土壤氮形態(tài)主要存在形式之一，在對氮形態(tài)的分析中發(fā)現(xiàn)有機氮在消落帶土壤氮形態(tài)中占有較高的比重，為氮素的主要存在形態(tài)(另文發(fā)表).C/N與OM之間的相關(guān)性不顯著，而C/N與TN呈極顯著負相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)r=-0.513，由此表明C/N的變化主要由TN含量決定，該結(jié)果與白軍紅等［16］對內(nèi)蒙古烏蘭泡濕地的研究結(jié)果一致.

表4 消落帶土壤理化指標(biāo)及OM、TN之間的相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.4 Matrix of correlation coefficients between OM，TN and physical and chemical indexes

3 結(jié)論

1)研究區(qū)域消落帶OM和TN含量均服從正態(tài)分布，且其在消落帶樣品中的變異系數(shù)均低于對照帶樣品，表明消落帶干濕交替是影響消落帶土壤OM和TN分布的重要因子.與其它區(qū)域土壤OM和TN含量的比較表明，庫區(qū)消落帶土壤OM和TN含量處于偏低水平，且與消落帶的早期研究成果對比后發(fā)現(xiàn)，消落帶土壤OM和TN含量隨三峽水庫運行時段而有所降低.

2)庫區(qū)消落帶土壤C/N介于4.04～22.47之間，相比對照帶的C/N較低，表明消落帶土壤有機氮容易發(fā)生分解礦化生成無機氮，增加其在淹水過程中向上覆水體釋放的潛力.

3)土壤TN與OM呈極顯著正相關(guān)，表明消落帶土壤TN和OM具有相同的消長趨勢;C/N與TN呈極顯著負相關(guān)，而與OM相關(guān)性不顯著，表明C/N的大小主要取決于TN含量;土壤pH、ORP與OM的相關(guān)性表明pH、ORP是影響OM分布的重要因子.對于消落帶土壤的遷移轉(zhuǎn)化機制以及截留和釋放尚待進一步定量研究.

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Distribution characteristics of organic matter and total nitrogen in the soils of water-levelfluctuating zone of Three Gorges Reservoir area

GUO Jinsong1，HUANG Xuanmin1，ZHANG Bin1，2，F(xiàn)ANG Fang1＆ FU Chuan3
(1:Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，P.R.China)
(2:Energy and Environment College of Xihua University，Chengdu 610039，P.R.China)
(3:Faculty of Chemistry and Environmental Engineering，Chongqing Three Gorges University，Chongqing 404000，P.R.China)

The distribution characteristics of organic matter(OM)and total nitrogen(TN)in the soils of water-level-fluctuating zone(WLFZ)of Three Gorges Reservoir were studied during the non-flooded period，while the correlation among the soil physicalchemical characteristics，OM and TN contents was also be analyzed.OM and TN contents in the soils of WLFZ were both fairly low，were 10.70 ±4.03 and 0.84 ±0.39 mg/g，respectively;however，they followed the normal distribution.The lower C/N ratio of the soils of WLFZ suggested possibility of releasing of inorganic nitrogen from soil in the WLFZ to overlying water in the flood period.Compared with other study areas，the OM and TN contents were at the low level.The variation coefficients of OM and TN contents of the soil samples of WLFZ were on the low side by comparison with those in control zone.That is why the differences of OM and TN contents among difference WLFZ of study areas could be reduced by cyclic drying and wetting of WLFZ periodically.Correlation analysis showed that pH，oxidation-reduction potential(ORP)，TN was significantly and positively correlated with OM.The result indicated that organic nitrogen was the main nitrogen compositions in soils of WLFZ of the study area.Soil C/N ratio was negatively correlated with TN，but insignificantly correlated with OM，suggesting that soil C/N ratio was mainly determined by the content of TN.

Water-level-fluctuating zone;soil;organic matter;total nitrogen;Three Gorges Reservoir area

* 國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2009ZX07104-003，2009ZX07104-002)資助.2011-10-25收稿;2011-12-05 收修改稿.郭勁松，男，1963 年生，教授;E-mail:guo0768@126.com.