青海湖小泊湖湿地不同群落土壤有机碳、氮研究

冯晓航， 陈克龙,2*， 毛亚辉

(1.青海师范大学生命与地理科学学院，青海西宁 810008；2.青藏高原资源与环境教育部重点实验室，青海师范大学，青海西宁 810008)

青海湖小泊湖湿地不同群落土壤有机碳、氮研究

冯晓航1， 陈克龙1,2*， 毛亚辉1

(1.青海师范大学生命与地理科学学院，青海西宁 810008；2.青藏高原资源与环境教育部重点实验室，青海师范大学，青海西宁 810008)

[目的]研究小泊湖湿地不同群落下土壤SOC、N的剖面分布规律。[方法]选取高寒湿地生态系统下的青海湖小泊湖湿地作为研究对象，对不同群落类型土壤SOC、N的含量及在土壤剖面中的垂直分布特征及差异性进行分析。[结果]研究区不同群落类型下土壤SOC及N含量差异显著；SOC和N含量在剖面分布上表现为表层大于底层；SOC在剖面的变异系数大于土壤N的变异系数。[结论]研究区土壤有机质的腐殖化程度越高，有机碳含量越大，有机氮越容易矿化，土壤碳氮比相对较低。

青海湖；湿地；群落类型；土壤有机碳；土壤氮

湿地作为地球上独特生态系统，是自然界最具生物多样性的生态景观和人类最重要的生态环境之一，被誉为“自然之肾”。湿地土壤作为氮和碳的重要的源、汇或转化器，在全球碳、氮循环中发挥着重要作用。有机碳(SOC)和氮素既是湿地土壤组成的重要部分，又是湿地生态系统中极其重要的生态因子,其含量显著影响着湿地生态系统的生产力[1]。湿地土壤有机碳(SOC)的含量及分布直接影响湿地土壤系统的物理、化学和生物学特性[2]，而氮素则是引发江河湖泊等永久性湿地(permanently flooded wetland)[1]发生富营养化的重要因子之一。

土壤有机碳氮含量与变异作为碳氮地球化学循环研究的重要内容受到国内外学者的大量研究，如张金屯对全球气候影响下碳氮的研究[3]。就湿地生态系统而言也有大量的研究，如白军红对向海湿地土壤的碳氮[4]和湖北梁子湖湿地土壤养分[5]的研究。但就目前而言对高寒湿地土壤碳氮的研究还较少。青海湖作为青藏高原的重要组成部分，位于青南高原高寒区、西北干旱区和东部季风区三大自然区的交汇处[6]，它不仅具有复杂多样的景观类型，更是维系青藏高原东北部生态安全的重要水体，是控制西部荒漠化向东蔓延的天然屏障[7-8]。该生态系统的高寒气候对有机碳氮的蓄积特征相对于农田、草地、森林等生态系统较特殊[9]，群落类型对土壤有机碳、氮的分布影响较显著[4]。笔者选取青海湖小泊湖湿地为研究对象，对青海湖高寒湿地不同群落类型下土壤有机碳、氮的空间分布规律进行研究，可为湿地结构与功能、湿地的保护管理及其可持续利用等方面的研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 研究区位于青海湖东岸的小泊湖湿地(36°41′73″～36°42′25″N、100°46′85″～100°47′21″E)，海拔3 216～3 221 m，面积约为14.8 km2，是青海湖水位下降后遗留下来的沼泽草甸湿地。该区气候属于高原大陆性气候，年均温度在-0.8～1.1，年降水量在324.50～412.80 mm。土壤为成水性隐域性土壤，以高寒沼泽土和高寒草甸土为主。青海湖湿地列于中国173处重要湿地目录的141位，小泊湖傍依青海湖，背靠祁连山，是青海湖湿地生态景观的一个缩影，现已列入国际湿地资源区和青海湖国家名胜风景区之一。

1.2 样品采集 根据典型性和代表性原则,选取小泊湖湿地5种群落类型，根据距离水源的距离，苔草群落、华扁穗群落落在距水源较近的高寒沼泽土内，马蔺群落、马蔺与芨芨草混合群落和芨芨草群落落在距水源区相对较远的高寒草甸土内。在5种群落类型土壤剖面0～120 cm，以20 cm为单位进行采集。每种群落下随机布设3个采样点，每个样点重复采集进行等层次混合，构成不同群落类型下的混合土样。采集的样品带回风干后研磨,过100目筛，装袋备测。

1.3 养分测定

1.3.1 土壤有机质测定。土壤有机质采用重铬酸钾密度法测定[10]。称取小于0.100 0 g的土样(精确至0.000 1 g)，加入5.00 ml的0.800 0 ml/L重铬酸钾标准溶液，再加入5.00 ml的硫酸，摇匀后加热保持沸腾5 min至溶液呈黄绿色，冷却后加入3～4滴邻菲罗啉指示剂，用0.2 mol/L的硫酸亚铁溶液滴定至溶液变紫为止。每批测定时做3个空白样。

1.3.2 土壤氮测定。土壤N的测定使用元素分析仪。称取土壤样品4.95～5.05 mg，加入催化剂0.97～1.05 mg，用锡舟包裹完毕待测。每30个土壤样品测定时加入3个标准样，使用元素分析仪进行测定。

2 结果与分析

2.1 不同群落土壤SOC及其剖面分布 从研究区5种不同群落类型下土壤有机碳含量(表1)可以看出，华扁穗群落土壤有机碳含量为5.45～94.86 g/kg，均值为42.76 g/kg；芨芨草群落有机碳含量29.62～91.30 g/kg，均值45.94 g/kg；马蔺与芨芨草混合群落土壤有机碳含量4.56～61.89 g/kg，均值38.98 g/kg；马蔺群落土壤有机碳含量22.77～90.87 g/kg，均值52.10 g/kg；苔草群落土壤有机碳含量11.51～136.67 g/kg，均值75.75 g/kg。曹生奎等在青海湖高寒湿地土壤有机碳空间分布分析中得出，环青海湖区土壤有机碳含量为0.03%～4.93%，有机碳均值为0.87%～2.82%[11]，此研究的有机碳含量及均值均大于该结果。就群落类型而言，苔草群落下土壤有机碳含量最高，显著高于其他四类群落土壤，但华扁穗群落、芨芨草群落、马蔺群落、马蔺与芨芨草混合群落土壤有机碳差异不显著。各群落类型土壤有机碳在土壤剖面变异较大，变异系数在34.81%～65.46%，尤以华扁穗群落下土壤有机碳变异系数最高，达65.46%。

由图1可知，各群落土壤的SOC含量垂直分布趋势一致，由表层向下先增多后减少。这主要与土壤的渍水层相关，从采集土壤剖面可以看出，5种群落下土壤的渍水层基本位于20～40 cm处。另外，离水源较近的苔草群落、华扁穗群落的土壤SOC含量高于马蔺群落、马蔺+芨芨草群落和芨芨草群落，也与土壤水分含量有关。湿地土壤水分含量增加有助于土壤有机质的积累[12]，所以渍水层和离水源近的苔草群落、华扁穗群落形成的还原环境不利于有机质的彻底矿化分解,从而SOC含量相对较高。有机物质的输入量主要依赖于有机残体归还量的多少及有机残体的腐殖化系数[13]，而输出量则主要包括分解和侵蚀损失，受各种生物和非生物条件(氧化还原电位、土壤含水量等)的控制[14-15]。此外土壤中有机质含量还与土壤质地尤其是土壤粘土粒含量多少有关[3]。马蔺群落和芨芨草群落下的土壤粗颗粒比例大,土壤通气性较强,土壤有机质易于分解,这也是造成其土壤养分含量低的原因。

表1 青海湖小泊湖湿地不同植被群落下土壤有机碳含量

注：字母a、b、c表示差异显著水平(ANOVA方差分析，Duncan检验，p=0.01水平)。

图1 青海湖小泊湖湿地不同植被群落下土壤有机碳剖面分布

2.2 不同群落土壤N及其剖面分布 由研究区5种不同群落类型下土壤N含量(表2)可见，华扁穗群落土壤N含量为0.40～5.80 g/kg，均值为2.87 g/kg；芨芨草群落土壤N含量为0.40～2.20 g/kg，均值为0.99 g/kg；马蔺与芨芨草混合群落土壤N含量为0.30～3.00 g/kg，均值为1.03 g/kg；马蔺群落土壤N含量为1.00～2.50 g/kg，均值1.35 g/kg；苔草群落土壤N含量为0.90～8.60 g/kg，均值4.32 g/kg。就群落类型而言，苔草群落下土壤N含量最高，显著高于其他四类群落土壤，但芨芨草群落、马蔺群落、马蔺与芨芨草混合群落土壤N含量差异不显著，苔草和华扁穗群落土壤N含量差异显著。各群落类型土壤N含量在土壤剖面变异不大，变异系数在4.31%～7.06%，其中以马蔺与芨芨草混合群落下土壤N含量变异系数最大，为7.06%。

表2 青海湖小泊湖湿地不同植被群落下土壤N含量

注：字母a、b、c表示差异显著水平。

由图2可见，除苔草群落外，土壤氮元素含量剖面分布基本上也是渍水层(0～40 cm)的表层大于深层；表层含氮量分布规律为苔草群落>华扁穗群落>马蔺群落>马蔺+芨芨草群落>芨芨草群落，反映出距离水源越远、表层土壤全氮含量越低的规律，这主要是由于湿地对氮素的持留作用所致。湿地对氮素的持留机制主要包括沉积作用和植物吸收作用。氮的沉积作用在湖沼中是非常重要的,其沉积主要是由于死亡的浮游生物及大型植物残体沉积的结果[3]。

图2 青海湖小泊湖湿地不同植被群落下土壤N剖面分布

2.3 不同群落土壤C/N值及其剖面分布 从研究区5种不同群落类型下土壤碳氮比(表3)可以看出，华扁穗群落土壤碳氮比为6.40～46.33，均值为18.69；芨芨草群落土壤碳氮比15.38～51.13，均值32.55；马蔺与芨芨草混合群落土壤碳氮比19.43～113.26，均值55.32；马蔺群落土壤碳氮比19.10～60.37，均值37.95；苔草群落土壤碳氮比14.13～28.73，均值19.53。就群落类型而言，马蔺与芨芨草混合群落下土壤碳氮比最高，显著高于其他四类群落土壤，且华扁穗群落、芨芨草群落、马蔺群落、马蔺与芨芨草混合群落土壤碳氮比差异显著。各群落类型土壤碳氮比在土壤剖面变异较大，变异系数在30.33%～51.93%，尤以马蔺与芨芨草混合群落下土壤碳氮比变异系数最高，达51.93%。

由图3可知，土壤表层(0～40 cm)的C/N规律表现为靠近水源区的苔草群落、华扁穗群落小于距水源区远的马蔺群落、马蔺与芨芨草群落，这与该湿地群落的SOC分布规律相反，即水分状况越好碳氮比越小。这与耿远波等对草原碳氮含量的研究[16]相悖，而与白军红等对湿地群落区氮含量的研究[4]相符，表明湿地土壤与草原土壤的碳氮比对水分条件的响应存在着显著的差异。土壤有机质的腐殖化程度越高,有机氮越容易矿化，土壤碳氮比相对较低[15]。而在全氮中有机氮约占95%以上,所以有机氮含量的多少将直接影响着土壤全氮的含量及供氮能力。苔草群落的C/N小于芨芨草群落，说明苔草群落表层有机质的腐殖化程度相对较高,植株对氮素吸收也相对较少,表层土壤碳的累积速度比氮要慢得多,而芨芨草群落有机质腐殖化程度相对较低,植株对氮素的吸收也较多,表层土壤碳的累积速度比氮更快一些。

表3 小泊湖湿地不同植被群落下土壤C/N值

注：字母a、b、c表示差异显著水平。

3 结论

(1)研究区不同群落类型下土壤SOC及N含量差异显著，表现为苔草群落>华扁穗群落>马蔺群落>马蔺与芨芨草群落>芨芨草群落。SOC和N含量在各群落类型土壤剖面垂直变异较大，其值在渍水层最大。

图3 青海湖小泊湖湿地不同植被群落下土壤C/N值剖面分布

(2)研究区各典型群落区土壤SOC含量垂直分布趋势基本一致,即由表层向下先增多后减少。土壤N含量除苔草群落外，土壤氮元素含量剖面分布基本上也是渍水层(0～40 cm)的表层大于深层。

(3)研究区土壤SOC在剖面的变异系数大于土壤N含量的变异系数。

(4)研究区土壤有机质的腐殖化程度越高,有机氮越容易矿化，土壤碳氮比相对较低。

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Research on the Distribution of Organic Carbon and Nitrogen of Different Plant Communities Soils in Xiaobohu Wetlands of Qinghai Lake

FENG Xiao-hang,CHEN Ke-long et al

(College of Life and Geography,Qinghai Normal University,Xining,Qinghai 810008)

[Objective] The research aimed to study the cross-sectional distribution of soil organic carbon (SOC) and nitrogen in different plant communities soils in Xiaobohu wetlands.[Method] Selected the alpine ecosystem of Xiaobohu wetlands of Qinghai lake as the research object,the content of SOC and nitrogen of different plant communities soils,the vertical distribution characteristics and differences in soil profiles were analyzed.[Result] The content of SOC and nitrogen between different plant communities soils were significant,the content of SOC and nitrogen in surface soil were higher than that of underlying soil in the cross-sectional distribution.The variation coefficient of SOC in soil profile was greater than that of nitrogen.[Conclusion] The soil carbon and nitrogen ratio is relatively low indicated a higher humification degree of soil organic matter,the greater content of organic carbon,the easier mineralization of organic nitrogen in the study area.

Qinghai Lake;Wetland;community types;Soil organic carbon,soil organic nitrogen

冯晓航(1988- )，女，河北邢台人，硕士研究生，研究方向：生物地理与环境保护。*通讯作者，教授，硕士生导师，从事生物地理与全球变化方面研究。

2014-05-04

S 181.3

A

0517-6611(2014)15-04736-04