宮兆寧,李 洪,阿 多,程慶文

1 首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院,北京 100048 2 三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點實驗室,北京 100048 3 資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點實驗室,北京 100048 4 國家林業(yè)局昆明勘查設(shè)計院,昆明 650216 5 中國航天科工集團公司,北京 100048

水庫消落帶是指季節(jié)性或人為控制性水位消漲在庫周形成的反復(fù)淹沒和出露的帶狀區(qū),具有水域和陸地雙重屬性,是一類特殊的季節(jié)性濕地生態(tài)系統(tǒng)[1- 2]。水庫消落帶作為一種重要的生態(tài)交錯帶,具有生物的多樣性、人類活動的頻繁性和生態(tài)的脆弱性等特點[3- 4],在庫區(qū)水體與陸岸之間形成的一個巨大的環(huán)庫生態(tài)隔離帶,是深入分析各種生態(tài)要素相互作用機制的主要研究區(qū)域。

土壤有機質(zhì)(Organic Matter, OM)是消落帶土壤的重要組成部分,作為土壤肥力高低的重要指標(biāo)之一,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[5- 6]。由于消落帶土壤受季節(jié)性干濕交替的特殊水文條件影響,土壤環(huán)境中伴隨著土壤的物理化學(xué)性質(zhì)、植物生長狀態(tài)、微生物群落等諸多變化[7- 8],與其他土壤相比,表現(xiàn)出獨特的理化性質(zhì)和生態(tài)功能,且各營養(yǎng)鹽含量在空間和時間上具有較高的變異性[9- 10],土壤中有機質(zhì)的分布、遷移和轉(zhuǎn)化均受到十分復(fù)雜的影響。因此,研究干濕交替模式下消落帶土壤有機質(zhì)的時空分布特征及動態(tài)變化機制,對探索有機質(zhì)的遷移和轉(zhuǎn)化機制、預(yù)測消落帶土壤營養(yǎng)變化趨勢,以及進一步估算土壤有機碳儲量和分析濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有十分重要的意義。

目前國外對消落帶土壤環(huán)境的研究主要是針對湖泊、河流邊緣濕地等在自然水位的消長條件下土壤營養(yǎng)鹽發(fā)生性質(zhì)的改變及其遷移轉(zhuǎn)化作用[11- 16]。Zhang 等研究指出消落帶土壤養(yǎng)分有較高的變異性,并且其理化性質(zhì)的變化對周圍生態(tài)環(huán)境變化具有指示作用[17]。而國內(nèi)的研究較多集中在三峽庫區(qū)、洞庭湖、鄱陽湖等濕地[18- 27],針對消落帶干濕環(huán)境的交替下土壤水分、有機質(zhì)、氮、磷和土壤重金屬等的變化特征和分布規(guī)律等方面展開研究。局部消落帶區(qū)土壤承受干濕交替的劇烈變化,在空間和時間上消落帶土壤具有較高的變異性[28],有機質(zhì)的含量及分布受到更為復(fù)雜的影響。由于消落帶的特殊環(huán)境影響,且有機質(zhì)組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,影響因素繁多,因此水庫消落帶土壤有機質(zhì)的分布、累積和轉(zhuǎn)化等動態(tài)變化機制目前仍然不能全面掌握。官廳水庫是新中國興建的第一個大型水庫,也是首都北京重要的供水水源地之一。近半個世紀(jì)以來,由于消落帶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能退化導(dǎo)致的水土流失、庫區(qū)淤積、水質(zhì)污染、邊岸侵蝕以及周邊環(huán)境沙漠化等問題,嚴(yán)重威脅著庫區(qū)的生態(tài)安全。反復(fù)周期性的裸露和浸泡以及水位漲落、沖刷和淤積,使消落帶的地形、土壤和水分狀況發(fā)生了一系列的變化,但目前對官廳水庫消落帶的研究較少。本文針對官廳水庫流域上游媯水河段的自身特點,選擇典型消落帶落水區(qū),于2013年5月對該區(qū)土壤有機質(zhì)含量的時空分布特征進行研究,并揭示消落帶頻繁淹水區(qū)和長期出露區(qū)的土壤養(yǎng)分特征差異,為官廳水庫消落帶土壤環(huán)境質(zhì)量演變過程和水土變化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location map of study area

官廳水庫媯水河段消落帶位于北京市境內(nèi)的西北部延慶縣,地處野鴨湖濕地自然保護區(qū)內(nèi),其地理位置處于115°46′16″—115°59′48″E,40°22′04″—40°30′31″N之間(圖1)。該區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候,處于暖溫帶與中溫帶、半干旱到半濕潤之間的過度地帶,多年平均氣溫8.9℃,降水大多集中在夏季的6—8月份,平均降水量為463mm,占全年降水量的75%,降雨的高峰期為7月下旬到8月上旬[29]。主要的土壤類型為褐土和潮土,在官廳水庫湖濱周圍地下水埋深在2m左右的地區(qū),是濕潮土集中分布的地區(qū),在局部濱水地區(qū)主要分布草甸沼澤土。在微地形變化較大地區(qū),隨地形和地下水的變化,潮土(黃潮土)—鹽化潮土—濕潮土—草甸沼澤土呈復(fù)區(qū)分布[30]。本次采樣主要野鴨湖自然保護區(qū)的核心區(qū),由于媯水河北岸土地利用類型大多是農(nóng)業(yè)用地,只有南岸維持典型的濕地景觀地貌,生長著豐富的濕地植物群落,為更好的研究自然水文條件下土壤有機質(zhì)的分布情況,因此采樣點主要集中在媯水河南岸。

2 材料和方法

2.1 樣品采集與預(yù)處理

為全面研究官廳水庫消落帶土壤營養(yǎng)鹽分布特征以及空間異質(zhì)性,根據(jù)官廳水庫消落帶水位變化的空間和時間特征,按近岸干濕交替頻繁區(qū)、長期出露區(qū)的消落帶設(shè)置采樣帶。官廳水庫媯水河段消落帶位于北京市境內(nèi)的西北部延慶縣,地處野鴨湖濕地自然保護區(qū)內(nèi)。北岸土地利用類型多為農(nóng)業(yè)用地；而南岸維持典型的濕地景觀地貌,分布有豐富的濕地植被資源。因此,為更好的研究自然水文條件下土壤有機質(zhì)的分布情況,采樣點主要集中在媯水河南岸。采樣時間為2013年5月,此期間水位較低,植被較少,便于采樣。采樣時沿著計劃路線按照“隨機”、“等量”和“多點混合”的原則進行采樣[31]。采樣點布局還考慮到根據(jù)不同植物群落及水分梯度設(shè)計采樣剖面,避開路邊、田埂、溝邊和肥堆等特殊部位。根據(jù)水位梯度及地形起伏的變化,采集土壤樣品時采樣點布局垂直于水陸交界線,從岸邊灘涂區(qū)一直延伸到最高水位區(qū),形成一個采樣剖面(圖2),從岸邊灘涂區(qū)隨著海拔的升高,將能夠頻繁地被水淹沒和落干的區(qū)域劃分為淹水頻繁區(qū)。而地勢相對較高,不易被水淹沒而長期暴露的地區(qū)劃分為長期出露區(qū)。每個樣點分5層采樣,0—10、10—20、20—30、30—40、40—50cm,整個研究區(qū)共采集樣本130個。采樣點間隔50—100m,貫穿整個研究區(qū),將為結(jié)果分析提供充足的數(shù)據(jù)支撐。輔以土壤三參儀同步測量樣點的濕度、溫度和電導(dǎo)率,記錄采樣點GPS坐標(biāo)及詳細的樣地特征信息,主要包括土地利用類型、植被類型、坡度、坡向等環(huán)境因子。將采回的新鮮潮濕的土樣放在室內(nèi)陰涼通風(fēng)處自行風(fēng)干,手工挑選去除沙礫及蟲體、植物根、葉殘體后倒入陶瓷研缽中磨碎,過2mm篩子,充分混合。

圖2 消落帶土壤采樣點分布圖Fig.2 Distribution of soil sampling sites in water level fluctuation zone

2.2 實驗方法

本實驗土壤理化性質(zhì)的分析包括土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鹽量、pH和土壤含水率,其分析方法依據(jù)中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),森林土壤分析方法[31],見表1。

表1 土壤理化性質(zhì)的分析方法

2.3 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件做單因素方差分析和相關(guān)性分析,差異顯著性水平取0.05；數(shù)據(jù)統(tǒng)計和作圖采用Microsoft Excel 2007。運用經(jīng)典統(tǒng)計分析方法,得出研究區(qū)本實驗土壤理化性質(zhì)分布情況,包括土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鹽量、pH和土壤含水率,如表2所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 消落帶土壤有機質(zhì)含量分布特征

3.1.1 土壤有效樣本養(yǎng)分統(tǒng)計特征

將所有實測土壤營養(yǎng)成分數(shù)據(jù)進行異常值檢測和剔除后,利用傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)原理,對全部126個有效樣本的土壤主要養(yǎng)分含量進行描述性統(tǒng)計,包括最大值、最小值、平均值及標(biāo)準(zhǔn)差等,并進行簡單分析。消落帶土壤主要養(yǎng)分含量狀況見表2。

均值和中位數(shù)常用來描述數(shù)據(jù)分布的集中趨勢,標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)則表達數(shù)據(jù)的離散程度。本研究中,整個研究區(qū)土壤有機質(zhì)含量較為貧瘠,變化范圍在1.64—26.6g/kg,平均值僅為13.16g/kg。消落帶土壤除pH外,其余營養(yǎng)成分含量的平均值都大于中值,且最小值和最大值間相差較大,說明消落帶土壤養(yǎng)分含量的中心趨向為偏正態(tài)分布。土壤pH和全磷含量的變異系數(shù)較小,分別為3.11%和17.79%,全鹽量的變異系數(shù)最大,達到73.02%,其次是全氮和有機質(zhì)含量,依次為67.78%和50.59%。由此可見,采樣區(qū)消落帶土壤受季節(jié)性干濕交替的特殊水文條件的影響,導(dǎo)致土壤各營養(yǎng)鹽的分布具有較高的空間異質(zhì)性。

表2 消落帶土壤養(yǎng)分統(tǒng)計

3.1.2 不同水分梯度下有機質(zhì)分布特征

由于周期性的干濕交替作用使土壤在很短時間內(nèi)發(fā)生劇烈的變化,各營養(yǎng)物質(zhì)的截留分解和釋放等過程更加活躍。為深入探索消落帶內(nèi)特殊水文條件對有機質(zhì)含量的影響,將官廳水庫消落帶按照水分梯度劃分,如圖1。垂直于水陸交界線,從岸邊灘涂區(qū)隨著海拔的升高,將能夠頻繁地被水淹沒和落干的區(qū)域劃分為淹水頻繁區(qū)。而地勢相對較高,不易被水淹沒而長期暴露的地區(qū)劃分為長期出露區(qū)。對比分析同一季節(jié)下庫區(qū)消落帶近岸干濕交替頻繁區(qū)和長期出露區(qū)土壤有機質(zhì)含量分布情況(表3)。

土壤有機質(zhì)含量統(tǒng)計分析結(jié)果表明：淹水頻繁區(qū)有機質(zhì)含量的分布范圍為4.90—26.60g/kg,平均值為15.74g/kg,高于與此形成對照的長期出露區(qū)平均值10.12g/kg,其變化范圍為1.64—22.72g/kg。淹水頻繁區(qū)有機質(zhì)含量的變異系數(shù)為41.38%,小于長期出露區(qū)的54.98%,且前者有機質(zhì)含量均值與中值相近,后者則相差較大。干濕交替的淹水頻繁區(qū)土壤水分相對較高,植被生長狀況優(yōu)于長期裸露區(qū),而且在淹水狀態(tài)下,枯萎的植物殘體留在土壤中分解緩慢,加強土壤有機質(zhì)的不斷積累。消落帶土壤長期出露地區(qū),由于相對較為干旱,植被稀少,土壤濕度較小,且鹽漬化嚴(yán)重,有機質(zhì)不易于積累,因此淹水頻繁區(qū)有機質(zhì)含量高于長期出露區(qū)。周期性的干濕交替使得研究區(qū)的淹水頻繁區(qū)土壤類型,植被類型,水分條件等生態(tài)環(huán)境相似度較高,使得不同采樣點之間土壤有機質(zhì)的含量差異小于長期出露區(qū)。

表3 消落帶不同采樣區(qū)土壤有機質(zhì)統(tǒng)計分析

淹水頻繁區(qū)樣品(n=75),長期出露區(qū)樣品(n=51)

3.1.3 不同植被群落下有機質(zhì)分布特征

植被群落對于土壤養(yǎng)分具有富集作用,而土壤養(yǎng)分的變化直接影響植被群落的分布格局及演替過程[32]。不同植物群落對土壤養(yǎng)分的吸收利用和累積效應(yīng)各不相同,將土壤樣品按照典型植物群落劃分,探究不同植被群落類型與土壤有機質(zhì)彼此間的互動關(guān)系。研究區(qū)濕地植被類型豐富,按照水分由高到低植被類型依次分布有沉水植物、浮水植物、挺水植物、濕生植物、中生植物和鹽生植物[33- 34]。在研究區(qū)消落帶,濕地植被呈現(xiàn)明顯的帶狀分布,在水陸交接的淺水區(qū),主要為沉水植物和浮水植物混合分布；隨著水位升高,植物帶逐漸過渡到挺水植物、濕生植物和中生植物。研究區(qū)采樣期間選擇的植物類型和優(yōu)勢植物群落分別為：挺水植物類型包括蘆葦群落(Com.Phragmitesaustralis)、香蒲群落(Com.Typhaangusitifolia)；濕生植物類型主要優(yōu)勢物種為酸模葉蓼群落(Com.PolygonumLapathifolium)、大刺菜群落(Com.Cirsiumsetosum)；中旱生植物類型主要包括小葉楊群落(Com.Populussimonii)和披堿草群落(Com.Elymusdahuricus)。各植物群落下土壤有機質(zhì)含量情況見表4。

表4 采樣區(qū)主要濕地植被類型及土壤有機質(zhì)含量

從表4中可以看出,消落帶淹水頻繁區(qū)主要分布著挺水植物和濕生植物,長期出露區(qū)主要是中旱生植物。挺水植物帶以蘆葦和香蒲群落為主,土壤有機質(zhì)含量最高,平均值為17.08g/kg,最小值和最大值分別為6.82和26.60g/kg；其次是酸模葉蓼、大刺兒菜為優(yōu)勢物種的濕生植物帶,土壤有機質(zhì)含量平均值為15.49g/kg。含量最低的是以小葉楊和白羊草為主的中旱生植物帶,平均值為9.12g/kg。蘆葦和香蒲以及酸模葉蓼等植被群落下土壤有機質(zhì)含量在表層(0—10cm)含量最高,下層土壤有機質(zhì)含量依次比上層土壤含量低。在中旱生植物帶,地勢較高,土壤含水率較低,且灌木和草本植物多混合分布,因此土壤養(yǎng)分分布格局相對零亂,最小值與最大值之間相差較大,變化范圍為1.64—21.31g/kg。

3.1.4 不同土壤深度下有機質(zhì)分布特征

將庫區(qū)消落帶內(nèi)0—10、10—20、20—30、30—40、40—50cm采樣深度范圍的土壤有機質(zhì)進行分層分析,結(jié)果如圖3。可以看出,研究區(qū)不同土壤層次有機質(zhì)含量差異較大,總體變化趨勢均由表層向下逐漸減少,各層之間體現(xiàn)出顯著差異性(P<0.05)。全部有效樣本以及淹水頻繁區(qū)和長期出露區(qū)的土壤有機質(zhì)具有相似的分布趨勢,均在0—10cm處出現(xiàn)累積峰。究其原因主要是由于作為土壤有機質(zhì)主要來源的動植物殘體、植物根系大量分布在地表所致。隨著土壤剖面深度的增加,植物根系減少,且深層土壤不易受到外界環(huán)境的干擾,有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化、分解及合成過程穩(wěn)定,致使土壤有機質(zhì)含量低并且變化較小。在30cm處略微出現(xiàn)波動,主要是由于部分地區(qū)灌木和草本植物混合分布,這些植被群落下土壤有機質(zhì)含量的垂直分布規(guī)律比較特殊,如圖4展示了比較典型的小葉楊和披堿草植物群落下的土壤有機質(zhì)含量特征。在小葉楊等灌木集中分布的地區(qū),土壤類型以砂壤為主,樹下地表沒有其他植物生長,植物落葉及枯枝分布較少,不利于有機質(zhì)的累積,土壤有機質(zhì)含量最低。由于楊樹根系較深,根系分泌物及殘體增多,下層土壤有機質(zhì)含量反而比表層含量略高,在30cm處達到本研究采樣深度范圍內(nèi)的最大值,而后有機質(zhì)含量又隨著土層深度逐漸降低。在披堿草等草本植物群落集中的地區(qū),地下根系較短,且植物死亡率較高,落葉等地表枯落物較多,因此土壤有機質(zhì)集中在表層,隨著土層深度變深,有機質(zhì)含量逐漸變小。

圖3 土壤有機質(zhì)含量隨土壤深度的變化 Fig.3 The change of soil organic matter content in different sampling depth

圖4 典型植物群落土壤有機質(zhì)含量隨土壤深度的變化 Fig.4 The change of soil organic matter content in different sampling depth of typical plant communities distribution area

3.2 消落帶土壤碳氮比分布特征

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[5,35],可用來衡量土壤中C、N營養(yǎng)平衡的狀況。有研究指出,土壤C/N能影響土壤厭氧分解產(chǎn)生CH4和CO2的潛力[36]。微生物對有機質(zhì)分解的最適C/N約為25∶1,如果碳氮比大于25時,微生物的分解作用就慢,并且吸收消耗土壤中的氮素,使N急劇減小。有機質(zhì)的分解過程由于氮素受限而分解較困難。反之,如果碳氮比較低,微生物活動旺盛,則會促進微生物對有機質(zhì)的分解,并釋放出大量有效態(tài)氮,有利于N的積累。研究區(qū)內(nèi)5月份所有采樣點土壤 C/N變化范圍在1.64—18.95,平均值為8.95,有機質(zhì)分解的C/N約為9∶1。說明研究區(qū)土壤碳氮比相對較低,有機質(zhì)的腐殖化程度高,且有機氮更容易礦化；同時也表明土壤厭氧分解產(chǎn)生CH4和CO2的潛力較大、速率較快。由于消落帶淹水頻繁區(qū)和長期出露區(qū)的水文條件和其他環(huán)境因子不同,碳氮比的分布可能會受到影響而表現(xiàn)出差異性,因此針對兩個不同區(qū)域分析碳氮比的分布情況。

3.2.1 淹水頻繁區(qū)土壤碳氮比分布特征

淹水頻繁區(qū)土壤全氮含量較低,在2.09—0.15g/kg之間,如圖5所示。土壤有機質(zhì)含量的最大值和最小值差距較大,導(dǎo)致C/N的變化范圍波動也較大,變化范圍為6.92—18.94,平均值為9.65,相比整個研究區(qū)的平均值(8.95)略高,但仍遠小于土壤有機質(zhì)正當(dāng)分解的碳氮比。說明研究區(qū)消落帶土壤有機質(zhì)容易發(fā)生降解,并能釋放出過量的氮素,供給植物生長的營養(yǎng)充足。在土壤剖面0—50cm內(nèi),總體上碳氮比分布具有一定的規(guī)律,如圖6。在0—30cm范圍,土壤C/N逐漸增大,在30cm處達到最大值11.02,而后隨著土壤深度的增加呈減小趨勢。

選取淹水頻繁區(qū)消落帶內(nèi)典型的優(yōu)勢植物群落,分析不同植被下0—50cm土層范圍內(nèi)碳氮比的分布情況。從表5可以看出,蘆葦和酸模葉蓼群落下土壤C/N大小相近,垂直分布趨勢大體上同樣是先升高后減小,并且都在12以下。在50cm采樣深度自表層向下,蘆葦群落C/N由9.58逐漸上升至12.07后又逐漸減小至9.21；酸模葉蓼群落則在20cm時達到最大值11.30,從20—30cm逐漸減小。

圖5 淹水頻繁區(qū)土壤有機質(zhì)、全氮及碳氮比含量 Fig.5 Organic matter, Total nitrogen and C/N of Soil in the frequent flooding area

圖6 淹水頻繁區(qū)土壤碳氮比垂直分布Fig.6 Thevertical distribution of soil C/N in the frequent flooding area

植物群落Plantcommunity樣本數(shù)目/個Samplenumber土壤深度Soildepth/cm0—1010—2020—3030—4040—50蘆葦群落Com．Phragmitesaustralis359．5810．3412．0711．369．21酸模葉蓼群落Com．Polygonumlapathifolium2910．2711．2310．639．698．28

3.2.2 長期出露區(qū)土壤碳氮比分布特征

長期出露區(qū)土壤全氮含量低于淹沒區(qū),碳氮比平均值為8.13,在1.64—11.41間變化,如圖7。土壤有機質(zhì)相較淹水頻繁區(qū)更容易發(fā)生分解,C的累積速度遠小于N。垂直分布規(guī)律和淹水頻繁區(qū)相似,在0—30cm范圍,C/N隨土壤深度增加而逐漸增加,增加幅度相對急??；30—50cm內(nèi),C/N隨土壤深度增加而逐漸減小。并且30cm處達到的最大值為9.1,和淹水頻繁區(qū)相差1.9。

長期出露區(qū)植被類型包括高大的喬、灌木和低矮的草本植物,采樣區(qū)典型的優(yōu)勢植物群落小葉楊和披堿草土壤碳氮比的分布情況如表6。小葉楊和披堿草群落下土壤C/N差別較大。小葉楊群落下土壤C/N從0—30cm逐漸升高,在30—40cm呈減小變化,從40cm至50cm又呈現(xiàn)增大趨勢,變化規(guī)律可以總結(jié)為低—高—低—高。披堿草群落土壤C/N變化規(guī)律較明顯,先增大后減小,在30cm處達到最大值。表層土壤0—10cm內(nèi),披堿草群落C/N比小葉楊群落高出許多,說明披堿草對N的積累大于小葉楊群落。且長期出露區(qū)典型植物群落下土壤C/N均小于淹水頻繁區(qū),而植物的分布受水分梯度控制,說明土壤C/N的分布可能與濕度具有密切的關(guān)系。

圖7 長期出露區(qū)土壤有機質(zhì)、全氮及碳氮比含量 Fig.7 Organic matter, Total nitrogen and C/N of Soil in the long-term exposed area

圖8 長期出露區(qū)土壤碳氮比垂直分布Fig.8 The vertical distribution of soil C/N in the long-term exposed area

植物群落Plantcommunity樣本數(shù)目/個Samplenumber土壤深度Soildepth/cm0—1010—2020—3030—4040—50小葉楊群落Com．Populussimonii315．758．9310．339．0510．59披堿草群落Com．Elymusdahuricus118．797．489．697．587．22

3.3 消落帶土壤有機質(zhì)分布影響因素分析

土壤有機質(zhì)總是處于不停的動態(tài)變化中,有機質(zhì)的含量同時受到輸入和輸出的影響。輸出主要是有機質(zhì)分解釋放出能量,被植物吸收利用。其分解過程受到植被覆蓋度、土壤溫度等生物和非生物條件的影響[37- 38]。由于研究區(qū)消落帶土壤存在著干濕交替的特殊水文條件的影響,土壤中有機質(zhì)的含量受到更為復(fù)雜的影響。結(jié)合研究區(qū)土壤濕度、電導(dǎo)率、含水量、含鹽量、全氮及C∶N等物理化學(xué)特性、氣候條件和植被因子,分析典型消落帶土壤有機質(zhì)分布的影響因素。

3.3.1 土壤理化性質(zhì)對有機質(zhì)的影響

消落帶土壤各物理及化學(xué)指標(biāo)相關(guān)分析結(jié)果見表7。從表中可以看出,土壤有機質(zhì)與全磷呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.615(P<0.01)；與土壤全氮和C/N呈顯著正相關(guān)(R=0.572,0.595；P<0.05)。這說明研究區(qū)土壤全磷、全氮、C/N和有機質(zhì)明顯具有相同的變化趨勢,并且和有機質(zhì)存在相互影響。大分子的有機物質(zhì)對可吸附態(tài)磷具有較強的持留能力,同時磷元素的積累又是有機質(zhì)的重要來源。全氮含量及碳氮比增大,有機質(zhì)更易于累積。其次,土壤有機質(zhì)和濕度在0.05水平上呈負相關(guān)關(guān)系(R=-0.508),表明研究區(qū)土壤濕度對有機質(zhì)含量具有顯著的影響,濕度較大時土壤有機質(zhì)較容易發(fā)生分解和轉(zhuǎn)化,致使含量降低。

3.3.2 溫度對土壤有機質(zhì)的影響

溫度是影響土壤微生物和酶的活性的主要因素,一般25—35℃是微生物活動的最適宜溫度范圍,隨著溫度的升高,土壤有機質(zhì)的分解速率加大。在0℃以下或者超過35℃,微生物的活性會受到抑制,土壤有機質(zhì)的降解速率變小[10,39]。利用土壤三參儀同步測量采樣點的土壤溫度,研究區(qū)消落帶土壤溫度在15.2—22.3℃間,平均溫度為17.83℃,符合微生物的活動范圍。土壤有機質(zhì)含量和溫度的相關(guān)系數(shù)為-0.508,顯著性水平P<0.05。表明溫度對研究區(qū)土壤有機質(zhì)的分布具有顯著的影響。并且有機質(zhì)含量與溫度的線性關(guān)系為y=-0.18x+20.68,R2為0.257。由于受干濕交替的影響,長期出露區(qū)溫度比近岸淹水頻繁區(qū)略高,表明有機質(zhì)分解速率更大。

表7 消落帶土壤物理化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性矩陣

R為相關(guān)系數(shù)；P為顯著性水平；**表示相關(guān)性在0.01水平上極顯著；*表示相關(guān)性在0.05水平上顯著

表8 消落帶有機質(zhì)與土壤基本理化指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣

**表示相關(guān)性在0.01水平上極顯著；*表示相關(guān)性在0.05水平上顯著

3.3.3 植被覆蓋度對土壤有機質(zhì)的影響

利用遙感影像通過線性光譜混合模型分析方法[40],得到研究區(qū)植被覆蓋度,如圖9。根據(jù)采樣點坐標(biāo),提取對應(yīng)植被覆蓋度值,與表層土壤有機質(zhì)含量進行相關(guān)分析。結(jié)果表明植被覆蓋度和土壤有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān),顯著性水平為P=0.03(小于0.05)。有機質(zhì)含量和植被覆蓋度的分布趨勢如圖10,植被覆蓋度越高,土壤有機質(zhì)含量越大。

4 結(jié)論與討論

通過對官廳水庫媯水河消落帶土壤養(yǎng)分的分析調(diào)查,探討了水庫消落帶土壤有機質(zhì)含量的時空分異特征,并研究其與研究區(qū)土壤基本理化特性的密切關(guān)系,探索干濕交替對土壤有機質(zhì)分布的影響,得出以下結(jié)論：

圖9 研究區(qū)植被覆蓋度分布圖Fig.9 The distribution of vegetation coverage

圖10 消落帶土壤有機質(zhì)和植被覆蓋度的關(guān)系 Fig.10 The relationship between soil organic matter and the distribution of vegetation coverage

(1)官廳水庫消落帶土壤有機質(zhì)含量變化范圍在16—26g/kg,平均值僅為13.16g/kg,變異系數(shù)達50.59%。說明消落帶由于受到季節(jié)性干濕交替的特殊水文條件的影響,土壤養(yǎng)分的分布具有較高的異質(zhì)性。淹水頻繁區(qū)土壤有機質(zhì)含量高于與此形成對照的長期出露區(qū),并且淹水頻繁區(qū)有機質(zhì)含量的變異系數(shù)為41.38%,小于長期出露區(qū)的54.98%。說明淹水頻繁區(qū)土壤對養(yǎng)分的持留能力更強,并且周期性淹水使得研究區(qū)近岸具有相似的生境類型,因此不同采樣點之間土壤有機質(zhì)的含量差異較小。蘆葦和香蒲群落土壤有機質(zhì)含量最高,平均值為17.08g/kg；含量最低的是以小葉楊和披堿草為主的中旱生植物帶,平均值為9.12g/kg；其次是酸模葉蓼、大刺兒菜為優(yōu)勢物種的濕生植物帶,土壤有機質(zhì)含量平均值為15.49g/kg。不同土壤層次有機質(zhì)含量差異較大,總體變化趨勢均由表層向下逐漸減少,各層之間體現(xiàn)出顯著差異性(P<0.05)。

(2)研究區(qū)土壤碳氮比含量相對較低,變化范圍在1.64—18.95,平均值為8.95。有機質(zhì)的腐殖化程度高,有機態(tài)氮易于積累,土壤厭氧分解產(chǎn)生CH4和CO2的潛力較大、速率較快。淹水頻繁區(qū)C/N波動范圍為6.92—18.94,平均值為9.65,略高于長期出露區(qū)的8.13。長期出露區(qū)土壤有機質(zhì)相較淹水頻繁區(qū)更易發(fā)生分解,C的累積速度遠小于N。在土壤剖面垂直分布上,土壤C/N呈先增大后減小趨勢,在30cm處達到最大值,而后隨著土壤深度的增加逐漸減小。

(3)通過分析水庫消落帶土壤濕度、電導(dǎo)率、含水量、含鹽量、全氮及C/N等物理化學(xué)特性以及氣候條件、植被因子對消落帶土壤有機質(zhì)含量的影響,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤全磷、全氮、C/N和有機質(zhì)具有相同的變化趨勢,且和有機質(zhì)存在相互影響的關(guān)系。其次,研究區(qū)土壤濕度和溫度對有機質(zhì)含量具有顯著的影響,濕度較大時土壤有機質(zhì)較容易發(fā)生分解和轉(zhuǎn)化,致使含量降低。再次植被覆蓋度也是影響土壤有機質(zhì)分布的重要因素之一。

本研究分析討論了研究區(qū)消落帶土壤有機質(zhì)的分布特征以及可能的影響因素,揭示了不同水文條件、土壤埋深和植物群落影響下,消落帶土壤有機質(zhì)分布規(guī)律。消落帶作為濕地生態(tài)系統(tǒng)中能量物質(zhì)儲存和交換最頻繁的區(qū)域,有機質(zhì)和營養(yǎng)元素含量豐富且形態(tài)多樣,各營養(yǎng)物質(zhì)的動態(tài)變化和循環(huán)機制會根據(jù)環(huán)境變化而改變。因此對于消落帶的特殊水文條件下有機質(zhì)以及其他土壤營養(yǎng)元素的動態(tài)變化機制和循環(huán)機理研究,可作為進一步研究的方向。

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