雷學(xué)明,段洪浪,劉文飛,紀(jì)宇 皝,周際海,吳建平,樊后保*
(1 南昌工程學(xué)院生態(tài)與環(huán)境科學(xué)研究所,南昌 330099;2 江西省退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330099;3 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福州 350007)
鄱陽湖濕地碟形湖泊沿高程梯度土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量研究①
雷學(xué)明1,2,段洪浪1,2,劉文飛1,2,紀(jì)宇 皝3,周際海1,2,吳建平1,2,樊后保1,2*
(1 南昌工程學(xué)院生態(tài)與環(huán)境科學(xué)研究所,南昌 330099;2 江西省退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330099;3 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福州 350007)
在鄱陽湖南磯山濕地自然保護(hù)區(qū)的碟形湖區(qū),沿高程梯度采集崗地、高灘、低灘和泥沼土壤,對(duì)碳、氮、磷及其化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,表層土壤(0 ~ 10 cm)有機(jī)碳含量在崗地土壤最低;總氮和總磷含量均表現(xiàn)為崗地>高灘>低灘>泥沼,且總氮和總磷含量呈顯著正相關(guān)。土壤有機(jī)碳和總氮含量均表現(xiàn)出隨土層加深而減少的趨勢(shì)。表層土壤C/N、C/P和N/P的平均值分別為11.17、52.74和5.03,且隨著高程梯度和湖泊的變化,C/N保持相對(duì)穩(wěn)定,而C/P和N/P的變化較大。銨態(tài)氮含量表現(xiàn)出崗地<高灘<低灘<泥沼,硝態(tài)氮含量表現(xiàn)出高灘<低灘<崗地<泥沼。有效磷與總磷含量呈極顯著正相關(guān)??傊?,受到鄱陽湖季節(jié)周期性水文變化的影響,研究區(qū)濕地土壤養(yǎng)分有較大差異,其中氮是N/P比的主要控制因子。
鄱陽湖;南磯山濕地;土壤養(yǎng)分;化學(xué)計(jì)量比;高程梯度;碟形湖
濕地是陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡帶,是具有獨(dú)特水文、土壤、植被和生物特征的生態(tài)系統(tǒng),它承擔(dān)著碳、氮、磷的源、匯和轉(zhuǎn)化器等多項(xiàng)重要生態(tài)功能[1]。鄱陽湖是我國(guó)最大的淡水湖,對(duì)中國(guó)長(zhǎng)江流域洪水調(diào)蓄和生物多樣性保護(hù)有著重要作用[2]。鄱陽湖是吞吐型、季節(jié)型湖泊,其季節(jié)性水文變化明顯。以鄱陽湖南磯山濕地自然保護(hù)區(qū)為例,在豐水期 (4—9月),除總面積不足4 km2的南山島和磯山島,其他洲灘全被水淹沒。而進(jìn)入10月至次年3月份枯水季節(jié),湖水逐漸消退歸入河道和碟形洼地,整個(gè)濕地保護(hù)區(qū)河、湖、洲交錯(cuò)狀態(tài),保護(hù)區(qū)內(nèi)碟形湖泊沿高程梯度下的洲灘相繼露出[3]?!暗魏笔窃诳菟竟?jié)顯露于洲灘之中的季節(jié)性湖泊,主要是鄱陽湖水位的季節(jié)性變化造成的[4]。當(dāng)前對(duì)鄱陽湖濕地消落帶生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)的研究不多[5],主要集中在濕地植被元素生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)研究[6–7]。而對(duì)濕地土壤主要生源要素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)研究還有待深入[8–10],這將有助于認(rèn)識(shí)鄱陽湖內(nèi)碟形湖的土壤養(yǎng)分循環(huán)和周轉(zhuǎn)。
生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué) (ecological stoichiometry) 結(jié)合了生物學(xué)、化學(xué)等基本原理,利用生態(tài)過程中多重化學(xué)元素的平衡關(guān)系,為研究碳、氮、磷等元素在生態(tài)系統(tǒng)過程中的耦合關(guān)系提供了方法[11–12]。土壤是人類賴以生存與發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),土壤有機(jī)碳是生物重要碳源,氮、磷是植物生長(zhǎng)所必需的大量元素,三者含量的動(dòng)態(tài)平衡及生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征直接影響著土壤肥力和植物生長(zhǎng)[13–15],進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[16]。
目前,生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的報(bào)道主要集中在對(duì)陸地[17–18]和水生[19–20]生態(tài)系統(tǒng)元素生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究。Koerselman和 Meuleman[21]提出:當(dāng)植物體N/P<14時(shí)受氮限制,N/P>16時(shí)受磷限制,而N/P在14 ~ 16則受氮和磷的共同限制。有研究表明,生長(zhǎng)較為快速的生物體內(nèi)N/P一般較低,即生長(zhǎng)速率與氮、磷的含量呈正比[22]。對(duì)于濕地土壤和植物的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究近年來逐漸增多[23–26],其中付珊等[27]對(duì)南磯山濕地土壤碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量特征的研究表明:C/N保持相對(duì)穩(wěn)定,而C/P和N/P空間變異性較大。目前,關(guān)于濕地土壤碳、氮和磷的研究?jī)?nèi)容集中在不同植被類型、不同土地利用方式和不同海拔高度等,對(duì)于濕地土壤養(yǎng)分及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量對(duì)高程梯度和碟形湖響應(yīng)、不同湖泊之間的生態(tài)化學(xué)計(jì)量差異的研究還不多見。2012年8月啟動(dòng)的鄱陽湖第二次科學(xué)考察最新研究結(jié)果表明:碟形湖有利于生物多樣性保護(hù),對(duì)鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的維持作用巨大。開展高程梯度和不同湖泊的變化研究,對(duì)闡明濕地土壤養(yǎng)分循環(huán)和對(duì)環(huán)境變化的緩沖能力具有重要意義。因此,本文以鄱陽湖南磯山4個(gè)碟形湖(白沙湖、南深湖、戰(zhàn)備湖和常湖)內(nèi)的4種高程梯度(崗地、高灘、低灘和泥沼)為研究對(duì)象,探討高程梯度下濕地土壤養(yǎng)分含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量的特征,為正確認(rèn)識(shí)鄱陽湖內(nèi)碟形湖的物質(zhì)循環(huán)和周轉(zhuǎn)提供科學(xué)依據(jù)。
1.1 研究區(qū)概況
研究樣地位于江西省鄱陽湖主湖南部的南磯山濕地自然保護(hù)區(qū),地處贛江北支、中支和南支匯入鄱陽湖開放水域沖積形成的三角洲前緣,地理位置為28°52¢21″ ~ 29°06¢46″N,116°10¢24″ ~ 116°23¢50″E。南磯山濕地自然保護(hù)區(qū)總面積為 3.33萬 hm2,屬于亞熱帶暖濕季風(fēng)氣候,熱量資源豐富,雨量充沛,多年平均無霜期266 d,年均氣溫17.3℃,年均降水量1 358 ~ 1 823 mm。保護(hù)區(qū)完全處在水陸過渡地帶,屬于典型的濕地。土壤類型主要為草甸土和水下沉積物,研究區(qū)地帶性土質(zhì)為紅壤。據(jù)統(tǒng)計(jì),保護(hù)區(qū)共有維束管植物115科304屬443種,多為草本植物,一般生長(zhǎng)在湖灘和沼澤環(huán)境中,是主要的濕地植被,以挺水、浮葉和沉水植物群落為主[3]。研究區(qū)濕地主要生境類型及其特征可見表1。
表1 南磯山濕地生境類型及其特征Table 1 Habitat types and characteristics of Nanjishan wetland
1.2 樣品采集和處理
于2013年11月,在4個(gè)碟形湖內(nèi)按照不同高程梯度分別選取4個(gè)采樣點(diǎn),樣方規(guī)格為10 m × 10 m,用土鉆在每個(gè)樣點(diǎn)分別取土壤深度為0 ~ 10、10 ~ 20 cm的土樣,每個(gè)樣方內(nèi)采集5鉆土混成一個(gè)單獨(dú)樣品,共采集32個(gè)土壤樣品,分別裝入有編號(hào)的樣品袋中。
剔除凋落物和石礫,取部分土樣放入自封袋在4℃ 下冷藏保存用于測(cè)定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有效磷含量,其余土樣風(fēng)干研磨過100目篩,測(cè)定土壤有機(jī)碳、總氮和總磷含量。
1.3 測(cè)定方法
土壤有機(jī)碳(SOC)含量采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定;土壤總氮(TN)含量采用半微量凱式法測(cè)定;土壤總磷(TP)含量采用硫酸–高氯酸消煮,鉬銻抗比色法測(cè)定;土壤硝態(tài)氮(NO3–-N)、銨態(tài)氮(NH4+-N)含量采用KCl溶液浸提,流動(dòng)注射分析儀測(cè)定,無機(jī)氮(IN)含量為(NO3–-N和 NH4+-N)含量之和;土壤有效磷(AP)含量采用氟化銨–鹽酸浸提法測(cè)定[28]。
1.4 數(shù)據(jù)分析
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)軟件 SPSS19.0進(jìn)行方差分析,最小顯著差異法(LSD法)多重比較來檢驗(yàn)差異顯著性(P<0.05),采用 Pearson相關(guān)分析法來分析不同土壤養(yǎng)分及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量間相關(guān)性。采用 Excel 2013對(duì)數(shù)據(jù)分析以及繪圖。
2.1 不同高程梯度土壤養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量特征
2.1.1 不同高程梯度土壤碳、氮、磷含量變化 圖1可見,0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土層土壤有機(jī)碳和總氮含量在不同高程梯度間差異都不顯著(P>0.05)。而各高程梯度0 ~ 10 cm土層土壤有機(jī)碳和總氮含量均顯著高于10 ~ 20 cm土層(P<0.05)??偟侩S高程降低逐漸減少,即崗地>高灘>低灘>泥沼。不同高程梯度間0 ~ 10 cm土層總磷含量差異不顯著(P>0.05),但10 ~ 20 cm土層表現(xiàn)出高灘總磷含量顯著低于崗地和泥沼(P<0.05),同一高程梯度不同土層的總磷含量差異不顯著(P>0.05)。
2.1.2 不同高程梯度土壤碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量特征 不同高程的碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量比值盡管有較大波動(dòng),但C/N、C/P和N/P均未達(dá)到顯著性差異(P>0.05,圖1)。不同高程間0 ~ 10 cm土層C/N最為接近。C/P在低灘中最大,且隨著土層加深其比值越小。N/P在10 ~ 20 cm土層表現(xiàn)為崗地>高灘>低灘>泥沼,但差異不顯著(P>0.05)。
圖1 不同高程梯度土壤碳、氮、磷含量及化學(xué)計(jì)量比Fig. 1 Contents of carbon, nitrogen, phosphorus and stoichiometric ratios in soil along elevation gradients
2.1.3 不同高程梯度土壤無機(jī)氮和有效磷含量變化 由圖2可見,0 ~ 10 cm土層NO3–-N含量表現(xiàn)為高灘顯著低于崗地、低灘和泥沼(P<0.05),但在10 ~ 20 cm土層NO3–-N含量卻表現(xiàn)出高灘最高。崗地0 ~ 10 cm土層NH4+-N含量顯著低于泥沼,而在10 ~ 20 cm土層則顯著低于高灘、低灘和泥沼(P<0.05)。有效磷含量在10 ~ 20 cm土層中表現(xiàn)出崗地顯著高于高灘和低灘(P<0.05)。無機(jī)氮/有效磷在土壤表層表現(xiàn)為崗地<高灘<低灘<泥沼,但差異不顯著(P>0.05),10 ~ 20 cm土層則表現(xiàn)為高灘顯著高于其他高程(P<0.05)。
圖2 不同高程梯度土壤無機(jī)氮、有效磷含量及其比值Fig. 2 Contents of mineral nitrogen, rapidly available phosphorus and ratios in soil along elevation gradients
2.1.4 不同高程梯度土壤養(yǎng)分雙因素分析 由表2可知,有機(jī)碳、總氮、NO3–-N、NH4+-N和N/P均極顯著地受到土層的影響(P<0.01),有效磷對(duì)土層有顯著響應(yīng)(P<0.05);IN/AP對(duì)高程顯著響應(yīng)(P<0.05);NH4+-N和有效磷同時(shí)受土層和高程顯著影響(P<0.05),只有NO3–-N和IN/AP對(duì)土層與高程兩者交互作用有顯著響應(yīng)(P<0.05);而總磷和C/P對(duì)土層、高程及兩者間交互作用均未表現(xiàn)出顯著性響應(yīng)(P>0.05)。
表2 不同高程、土層深度及兩者交互作用對(duì)土壤養(yǎng)分雙因素分析Table 2 Two-way ANOVA to test the effects of elevation gradient, soil depth and their interaction on soil nutrients
2.2 不同湖泊土壤養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量特征
2.2.1 不同湖泊土壤碳、氮、磷含量變化 由圖3可見,0 ~ 10 cm土層土壤有機(jī)碳和總氮含量相比10 ~ 20 cm土層要高,其中0 ~ 10 cm土層有機(jī)碳含量表現(xiàn)為白沙湖顯著低于戰(zhàn)備湖和常湖(P<0.05);10 ~ 20 cm土層總氮含量表現(xiàn)為南深湖顯著低于常湖(P<0.05)。 0 ~ 10 cm土層總磷含量白沙湖顯著低于南深湖,10 ~ 20 cm 土層則為白沙湖顯著低于南深湖和常湖(P< 0.05),而同一湖泊兩個(gè)土層間總磷含量差異不大。
圖3 不同湖泊土壤碳、氮、磷含量及其化學(xué)計(jì)量比Fig. 3 Contents of carbon, nitrogen, phosphorus and stoichiometric ratios in soil under different lakes
2.2.2 不同湖泊土壤碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量特征 C/ N在0 ~ 10 cm土層表現(xiàn)為常湖>戰(zhàn)備湖>南深湖>白沙湖;C/P在戰(zhàn)備湖、南深湖和常湖表現(xiàn)為0 ~ 10 cm土層大于10 ~ 20 cm土層;N/P表現(xiàn)為0 ~ 10 cm土層大于10 ~ 20 cm土層。不同湖泊的生態(tài)化學(xué)計(jì)量C/N、C/P和N/P雖存在一定差異,但統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示各湖泊間差異均未達(dá)到顯著水平(P>0.05,圖3)。
2.2.3 不同湖泊土壤無機(jī)氮和有效磷含量變化 NO3–-N含量表現(xiàn)為0 ~ 10 cm土層大于10 ~ 20 cm土層,同一土層不同湖泊間NO3–-N和NH4+-N含量差異均不顯著(P>0.05,圖4)。0 ~ 10 cm土層有效磷含量表現(xiàn)為白沙湖<戰(zhàn)備湖<南深湖<常湖,但僅白沙湖與常湖間差異顯著(P<0.05)。各湖泊和各土層間IN/AP均未達(dá)到顯著差異(P>0.05)。
圖4 不同湖泊中土壤無機(jī)氮、速效磷含量及其比值Fig. 4 Contents of inorganic nitrogen, rapidly available phosphorus and ratios in soil under different lakes
2.2.4 不同湖泊的土壤養(yǎng)分及雙因素分析 由表3可知,有機(jī)碳、總氮、NO3–-N、NH4+-N、有效磷和N/P對(duì)土層均有顯著響應(yīng);有機(jī)碳、總磷對(duì)湖泊有顯著響應(yīng);各土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量對(duì)土層和湖泊兩者的交互作用都表現(xiàn)不顯著。
表3 不同湖泊、土層深度及兩者交互作用對(duì)土壤養(yǎng)分雙因素分析Table 3 Two-way ANOVA to test the effects of lake, soil depth and interaction on soil nutrients
2.3 相關(guān)性分析
對(duì)南磯山濕地土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量進(jìn)行Pearson相關(guān)分析(表4),結(jié)果表明,土壤有機(jī)碳分別與總氮、有效磷、C/P和N/P呈極顯著(P<0.01)正相關(guān);總氮與總磷呈顯著(P<0.05)正相關(guān),與N/P呈極顯著正相關(guān),但分別與速效磷和 C/N呈極顯著負(fù)相關(guān),表明C/N和N/P均主要受氮含量的影響;總磷與有效磷呈極顯著正相關(guān),而與C/P和IN/AP呈極顯著負(fù)相關(guān),其中影響因素是磷;NO3–-N與其他土壤養(yǎng)分均不存在顯著相關(guān)關(guān)系,而NH4+-N僅與IN/AP呈極顯著正相關(guān);有效磷與IN/AP呈極顯著負(fù)相關(guān);C/N與N/P呈顯著負(fù)相關(guān),而C/P與N/P呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。
表4 土壤養(yǎng)分和生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征相關(guān)分析Table 4 Correlations between soil nutrients and ecological stoichiometric ratios
3.1 土壤碳、氮、磷含量特征
本研究中土壤有機(jī)碳含量平均值為崗地12.87 g/kg、高灘18.02 g/kg、低灘18.34 g/kg和泥沼12.89 g/kg。表層土壤有機(jī)碳含量高于10 ~ 20 cm土層,這與杭州灣濕地[29]等大部分地區(qū)的土壤有機(jī)碳分布規(guī)律相似。胡維等[30]認(rèn)為這是由于土壤微生物分解了動(dòng)植物殘?bào)w,進(jìn)而增加了表層土壤有機(jī)質(zhì)。崗地有機(jī)碳含量最小,原因應(yīng)該是由頻繁的土壤干濕交替引起的,干濕交替使得土壤團(tuán)聚體崩潰,團(tuán)粒內(nèi)受保護(hù)的有機(jī)碳被暴露于空氣中,土壤呼吸作用強(qiáng)度在短時(shí)期內(nèi)被大幅度地提高,使有機(jī)碳的礦化分解量增加,在一定程度上加速了有機(jī)碳的分解速率[31]。另外,崗地通風(fēng)性和水熱條件良好,有利于土壤微生物的生長(zhǎng)及對(duì)有機(jī)質(zhì)分解[10,32],這也可能是崗地土壤有機(jī)碳含量小的原因。不同湖泊的有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)分析得出,白沙湖的有機(jī)碳含量最低且與戰(zhàn)備湖、常湖有顯著差異,這應(yīng)該是白沙湖內(nèi)水域面積更大以及物質(zhì)交換頻次更高所導(dǎo)致的結(jié)果[33]。例如,9月份鄱陽湖水位開始消落,此時(shí)白沙湖濕生植物生長(zhǎng)茂盛消耗了大量的碳源[34],或者該區(qū)域的微生物活動(dòng)較為活躍[35],但內(nèi)在的差異機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。
Lost等[36]研究表明,濕地土壤養(yǎng)分的分布和變化受濕地生態(tài)系統(tǒng)的植物群落類型、土壤理化性質(zhì)和水文條件等多種因素影響。總氮含量在不同土層都表現(xiàn)出崗地>高灘>低灘>泥沼,總氮含量差異可能與鄱陽湖濕地周期性干濕交替進(jìn)行的脫氮過程有關(guān),即干濕交替頻率越高脫氮作用越強(qiáng),使土壤氮含量更低[9]。而且氮含量隨土壤深度增加而減少,與有機(jī)碳的分布基本一致,其不同土層氮分布與其他濕地[37–38]研究結(jié)果一致。此外,植物對(duì)氮元素的需求和滯留氮元素的能力也會(huì)影響土壤總氮含量[10]。
南磯山不同高程濕地土壤總磷含量有差異,這可能是鄱陽湖特殊的水文環(huán)境和其他因子共同作用的結(jié)果,因?yàn)檑蛾柡芷谛运秃透蓾窠惶嬗欣跐竦赝寥懒椎牧魇Ш土苁?,使得泥沼的表層總磷含量較低[29,39]。這也是隨土壤深度增加總磷含量卻沒有下降的原因,表明南磯山濕地土壤總磷含量受水分條件影響較大[30]。不同湖泊間總氮和總磷含量與有機(jī)碳含量有相似的趨勢(shì),說明該區(qū)域土壤氮磷有很好的耦合關(guān)系,由Pearson相關(guān)分析得知總氮和總磷含量呈顯著正相關(guān)(r = 0.412,P<0.05)。
3.2 土壤無機(jī)氮和有效磷特征
濕地中無機(jī)態(tài)氮主要以NO3–-N和NH4+-N形式存在,是植物可利用氮的主要形式。研究區(qū)土壤呈弱酸性,硝化作用很弱,常態(tài)下能保持的NO3–-N含量較低[40],含量范圍在0.13 ~ 2.87 mg/kg。然而,NH4+-N含量范圍在4.60 ~ 28.68 mg/kg,且崗地<高灘<低灘<泥沼。高水分導(dǎo)致 NO3–-N強(qiáng)烈淋溶,低溫和較高的土壤pH會(huì)抑制土壤硝化作用,是造成低 NO3–-N和NH4+-N 含量分布特征的主要原因[41]。而張威等[42]認(rèn)為土壤氮素的礦化和損失等過程的主要因素是濕地干濕交替過程,NH4+-N是研究區(qū)土壤的優(yōu)勢(shì)氮源,這與其他研究結(jié)果[43]相符。濕地生態(tài)系統(tǒng)氮素遷移可造成湖泊中NO3–-N的積累,導(dǎo)致水體硝酸鹽污染和富營(yíng)養(yǎng)化[44]。NO3–-N含量呈白沙湖<戰(zhàn)備湖<常湖<南深湖,且隨土層加深其含量也越低。白沙湖的NH4+-N含量較其他湖泊要高,這是該區(qū)域硝化作用較弱的結(jié)果。
有效磷是土壤中可被植物根系吸收的磷[39],崗地的有效磷含量最高,即土壤可利用的有效磷更多。有效磷含量呈白沙湖<戰(zhàn)備湖<南深湖<常湖,在0 ~ 10 cm土層白沙湖與常湖有顯著差異。有效磷與總磷之間呈高度正相關(guān)(r = 0.539,P<0.01),可作為衡量土壤供磷能力的一個(gè)重要指標(biāo)。有效磷與無機(jī)氮/有效磷呈極顯著負(fù)相關(guān)(r = –0.684,P<0.01),與吳統(tǒng)貴等[45]研究結(jié)果一致。無機(jī)氮與有效磷的比值可以反映出植物對(duì)氮、磷吸收情況,無機(jī)氮/有效磷與高程梯度和湖泊類型均沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。土壤無機(jī)氮/有效磷比值大于 1即土壤中無機(jī)氮含量高于有效磷含量[44],白沙湖中植物對(duì)氮的吸收要優(yōu)先磷。
3.3 生態(tài)化學(xué)計(jì)量比
研究表明,碳、氮、磷元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)理論可為闡明濕地土壤碳分解速率的差異提供有效的手段[8,46]。低灘土壤的C/N、C/P、N/P最大,其土壤碳儲(chǔ)量也表現(xiàn)出相同的規(guī)律[46]。研究區(qū)的土壤有機(jī)碳和總氮含量存在極顯著正相關(guān)性(r = 0.645,P< 0.01),表明土壤中的碳氮耦合穩(wěn)定。研究區(qū)表層的C/N平均為11.17,且不同高程其比值變化較小,表明了該區(qū)域土壤的腐殖化程度較高,有機(jī)態(tài)氮礦化作用潛力大[10],且C/N與總氮呈負(fù)相關(guān)(r = –0.499,P< 0.01)。土壤有機(jī)碳主要是來自于陸源[47]。崗地的C/N最低,且該區(qū)域的有機(jī)質(zhì)分解較快,使得有機(jī)態(tài)氮更易礦化,這與付珊等[27]的研究結(jié)論相同。C/P主要是由土壤有機(jī)碳含量決定。研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量與C/P呈極顯著正相關(guān)(r = 0.592,P<0.01),其比值在不同程度上調(diào)節(jié)著土壤的厭氧碳分解過程[10]??偟cN/P呈極顯著正相關(guān)(r = 0.659,P<0.01),表層N/P值范圍為2.21 ~ 14.15,平均值為5.03,相比Tian等[48]報(bào)道的土壤表層N︰P = 9︰1偏低,然而研究區(qū)主要受氮素的控制[21,49],而對(duì)于磷是否為研究區(qū)濕地土壤養(yǎng)分限制因素,還有待進(jìn)一步探討。
1) 沿高程梯度下研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量為低灘>高灘>泥沼>崗地,總氮含量表現(xiàn)出:崗地>高灘>低灘>泥沼,且有機(jī)碳和總氮含量在0 ~ 10 cm土層大于10 ~ 20 cm土層,即呈現(xiàn)上高下低的分布特征。湖泊之間土壤養(yǎng)分也表現(xiàn)出一定差異,主要為白沙湖的有機(jī)碳、總氮、總磷和NO3–-N含量相比其他湖泊較低。
2) 研究區(qū)土壤養(yǎng)分在不同高程梯度有較大差異,主要是由鄱陽湖季節(jié)周期性水文變化導(dǎo)致。鄱陽湖濕地的干濕交替頻繁,使得土壤中的氮、磷容易流失,造成研究區(qū)相比其他濕地的土壤氮、磷含量總體偏低,且氮和磷含量呈顯著正相關(guān)。研究區(qū)硝化作用很弱且受水分影響,使得NO3–-N含量遠(yuǎn)低于其他濕地;隨著高程梯度降低,NH4+-N含量升高,即崗地<高灘<低灘<泥沼。
3) 沿高程梯度和土壤深度變化,C/N變化較小,而C/P和N/P的變化較大,但均表現(xiàn)出0 ~ 10 cm土層高于10 ~ 20 cm土層。研究區(qū)的C/N能較好地反映出崗地土壤有機(jī)碳分解潛力,研究區(qū)土壤碳氮存在穩(wěn)定的耦合關(guān)系,總氮含量是C/N和N/P的主要控制因子。
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Soil Nutrients and Stoichiometry Along Elevation Gradients in Shallow-lakes of Poyang Lake Wetland
LEI Xueming1,2, DUAN Honglang1,2, LIU Wenfei1,2, JI Yuhuang3, ZHOU Jihai1,2, WU Jianping1,2, FAN Houbao1,2*
(1 Institute of Ecology and Environmental Science, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China; 2 Jiangxi Key Laboratory for Restoration of Degraded Ecosystems & Watershed Ecohydrology, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China; 3 College of Geographical Science, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China)
Four types of wetland habitats, i.e. downland, high beach, low beach and swamp, were chosen as elevation gradients in 4 shallow - lakes in Nanjishan wetland nature reserve of Poyang Lake and the contents of soil C, N and P contents and their stoichiometry along the 4 elevation gradients were determined. The results showed that SOC content in 0–10 cm soil layer was lowest in the downland, TN and TP contents were ranked as downland >high beach > low beach > swamp, TN was positively correlated with TP content, SOC and TN contents were decreased with the depth of soil layer, mean ratios of C/N, C/P and N/P were 11.17, 52.74 and 5.03, respectively. In the study area, soil C/N was relatively stable, while C/P and N/P varied substantially either along elevation gradients or among shallow-lakes. NH+4-N content was ranked as downland < high beach < low beach < swamp, while NO–3-N content was ranked as high beach < low beach < downland < swamp. Furthermore, AP and TP contents were positively correlated. In short, soil nutrients in the study area exhibits large variations due to the seasonal dynamics of hydrology in Poyang Lake and TN was the primary limiting factor of N/P ratio.
Poyang Lake; Nanjishan wetlands; Soil nutrients; Stoichiometric ratio; Elevation gradients; Shallow-lakes
S151.9
A
10.13758/j.cnki.tr.2017.01.007
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31570444、31360175)和江西省科技廳項(xiàng)目(20161BBH80049、GJJ151097)資助。
* 通訊作者(hbfan@nit.edu.cn)
雷學(xué)明(1993—),男,江西上饒人,碩士研究生,主要從事土壤生態(tài)學(xué)研究。E-mail: leixm0505@163.com