毛乌素沙地典型湖滨带湿地有机碳、氮素空间分布特征

张雪冰+闫玉琴+陈国静+申卫博+王国栋

摘要：通過对陕西毛乌素沙地典型湖滨带湿地有机碳和氮素的空间分布特征进行研究，为探讨湿地生态系统如何在沙化环境下发挥其特有的功能提供科学依据。在巴吓采当湖泊湖滨带A～F类型区采集土壤，测定土壤的有机碳、全氮、有机氮、硝态氮和铵态氮等指标。利用方差分析、Spearman相关性分析和主成分分析等方法分析对湖滨带有机碳、氮素空间分布特征进行研究。土壤表层0～10 cm的有机碳和全氮含量随水位升高呈增加趋势。除了铵态氮外，有机碳、全氮、有机氮和硝态氮含量垂直分布上随着土壤深度增加呈降低趋势。 土壤有机碳、全氮含量分别与全磷、土壤容重、含水率、水位显著相关。铵态氮和全磷、含水率、土壤容重、全氮、有机碳和水位等显著相关。硝态氮与微生物生物量碳、氮的相关系数分别为r=0.637和r=0.617（中度正相关）。有机碳及氮素的含量与土壤粘粒含量相关性不高。主成分分析提取3个主成分，累积贡献率达76.15%。土壤全磷、土壤含水率、土壤容重和水位是影响湖滨带土壤有机碳、氮素空间分布的主要因子。

关键词：湖滨带；有机碳 ；全氮； 分布特征；水位

中图分类号：S153.6 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）04-0087-07

Abstract：This study was aimed to analyze the spatial distribution characteristics of soil organic carbon and nitrogen in soils from typical lake littoral wetland of Mu Us Sandland in Shaanxi Province and to provide a scientific basis for studying the way in which wetland ecosystem plays its special function in desertified environment.We collected soil samples from A-F zones along Baxiacaidang Lake and measured the contents of soil organic carbon，total nitrogen，organic nitrogen，nitrate nitrogen，and ammonium nitrogen.Soil organic carbon and nitrogen distribution were analyzed by ANOVA，Spearman correlation coefficients，and principal components analysis.At the depth of 0-10 cm，the contents of soil organic carbon and total nitrogen would increase with the increasing water level.Regarding vertical distribution，except for ammonium nitrogen，the contents of soil organic carbon，total nitrogen，organic nitrogen，and nitrate nitrogen would all decrease with the increasing soil depth.The contents of soil organic carbon and total nitrogen were significantly and positively correlated with total phosphorus，volume weight of soil，soil moisture content，and water level.The content of soil ammonium nitrogen was significantly and positively correlated with total phosphorus，soil moisture content，volume weight of soil，total nitrogen，organic carbon，and water level.Between nitrate nitrogen and microbial biomass carbon，the correlation coefficient was 0.637；between nitrate nitrogen and microbial biomass nitrogen，the correlation coefficient was 0.617.The contents of soil organic carbon and nitrogen were not significantly correlated with soil clay content.The cumulative contribution rate of the three principal components was 76.15%.Total phosphorus，soil moisture content，volume weight of soil，and water level were major factors which can affect the spatial distribution of soil organic carbon and nitrogen distribution.

Key words：lake littoral zone；soil organic carbon；total nitrogen；distribution characteristics；water level

湿地是自然界具有最富生物多样性的生态景观之一，并且是人类赖以生存的环境[1]，也是陆地和水生生态系统间的过渡带，具有极高的资源开发价值和环境调节功能[2]。全球湿地有机碳储量约为450 Gt（1 Gt=109 t），占陆地生态圈表层碳总储量的20%～30%[3]，但湿地面积仅占陆地总面积的4%～6%[4]。湿地碳库在全球碳循环中发挥重要作用[5]。氮素作为限制湿地生态系统生产力的关键营养因子[6]，其含量及其迁移转化过程显著影响着湿地生态系统的结构与功能[7]，所以氮循环一直是湿地科学研究热点。

湖滨带是湖泊湿地水陆生态交错带的一种类型，湖泊湖滨带同时受到湖泊和陆地作用的共同影响，是一个脆弱的边缘地带。湖滨带这个缓冲区对于发挥湖泊湿地生态系统功能有着重要作用[8-9]。湖滨带具有污染物截留与净化、控制沉积和侵蚀等功能[10-11]。有机碳和氮素是土壤重要的营养元素，是衡量湿地环境质量的参考标准，其含量直接影响着湿地生态系统功能的发挥[8]。

毛乌素沙地是鄂尔多斯高原与黄土高原之间的过度地带，是具有特殊地理景观的生态过度带。本实验选取毛乌素沙地典型湖泊巴吓采当作为研究对象，在湖泊湖滨带采集土壤样品，研究了该区域内有机碳和氮素的空间分布特征。这为发挥毛乌素沙地中湿地的生态系统功能和治理毛乌素沙地沙漠化提供一定的科学借鉴。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 研究区概况

研究区位于巴吓采当湖泊巴吓采当，地处东经：109°47′，北纬：38°54′，海拔1 274.9 m。巴吓采当位于毛乌素沙地东南缘，是秃尾河河源区典型湖泊。因湖滨带水位不同，分为6种类型区A～F，各类型区的植被分布受到水位的影响（见表1），各类型区水位变化为A（-50 cm）>B（-20 cm）>C（-10 cm）>D（10 cm）>E（40 cm）>F（60 cm），上述各类型区的水位为湖泊丰水期（7月-9月）测定。各类型区的水位直接影响各类型区的土壤含水量，即含水量从A至F逐渐降低。由此，将A和B定义为水淹层，C和D定义为干湿区，E和F为干旱区。

1.1.2 样品的采集

2014年9月，在巴吓采当的6个类型区分别随机选取9个采样点，采集0～40 cm土壤，分为0～10 cm，10～20 cm和20～40 cm三层，共采集162个土壤样品。将采集的土壤样品封存于无菌塑料袋中，带回实验室。土壤样品自然风干后，研磨后过筛为1 mm和0.25 mm粒径的土壤样品。6个类型区分别随机布设9个1 m×1 m样方，测定植物各项指标数据，其中采集样方内植物地上部分，在80 ℃烘干24 h后称量生物量。

1.2分析方法

1.2.1 土壤理化性質的测定

土壤有机碳采用重络酸钾外加热容量法测定，全氮采用半微量凯氏定氮法测定，铵态氮和硝态氮采用2 mol·L-1KCl侵提—靛酚蓝比色法测定，有机氮含量等于全氮含量减去铵态氮和硝态氮含量，全磷采用HClO4-H2SO4法测定，微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定。土壤pH值采用pH计测定（m（土）：V（水）=1.0：2.5）。土壤粒径采用激光粒度分析仪测定。土壤含水率采用烘[HJ1.73mm]干法测定，土壤容重采用环刀法测定。碳氮比采用物质的量比值。

1.2.2 数据处理

方差分析土壤C、N在各个类型区的差异性。Spearman相关性分析和主成分分析土壤有机碳、氮素和其他环境因子间的关系。统计分析采用IBM SPSS Statistical 22，图表绘制采用SigmaPlot12.5。

2 结果与讨论

2.1 环境因子的空间分布变化

如表2所示，湖滨带区域的pH值为6.57～7.49，湿地土壤为偏酸性，各类型区pH值具有显著性差异（p<0.01）。土壤全磷含量在水平方向上按大小排序为0～10 cm：A>B>D>E>F>C，10～20cm：A>E>C>B>D>F，20～40cm：A>E>D>C>F>B，土壤全磷含量在垂直方向上随土壤深度增加有降低趋势，其中表层0～10 cm的全磷含量占0～40 cm层土壤的40%～54%。土壤含水率基本遵循水淹层（A+B）>干湿区（C+D）>干旱区（E+F）。湿地土壤颗粒组成中98%以上为砂粒，土壤质地为砂土。

2.2 湖滨带土壤有机碳、氮素空间分布变化

土壤有机碳作为衡量土壤质量的一个重要指标，也是生态系统碳库的重要组成部分。由图1可以看出，巴吓采当湖滨带湿地有机碳含量在0～10 cm分布为A>B>C>D>E>F，含量为17.82～44.81 g/kg，10～20 cm为A>C>B>E>D>F，含量为2.99～43.89 g/kg，20～40 cm分布为A>B>C>E>D>F，含量为1.77～11.26 g/kg。在垂直方向上，有机碳含量随着土壤深度增加呈降低趋势。其中表层0～10 cm土壤有机碳含量占0～40 cm层土壤的44～78%，原因可能是植被对土壤有机碳有表层富集作用。植被对湖滨带土壤有机碳含量的影响主要发生在土壤表层，这与谢文霞等[12]和郭二辉等[13]研究河流湿地植被对土壤表层有机碳含量影响显著结论一致，植物形成枯落物补充土壤碳，不受湿地类型影响。土壤表层0～10 cm全氮含量水平分布为A>B>C>D>E>F，含量为1.59～3.25 g/kg，土壤10～20 cm层全氮水平分布为A>C>B>E>D>F，含量为0.27～3.06 g/kg，土壤20～40 cm层全氮水平分布为A>B>C>E>D>F，含量为0.15～0.90 g/kg。湿地覆水区常年积水，微生物活动弱，全氮分解程度低，这是类型区A、B、C全氮含量高于类型区D、E、F的主要原因。有机氮含量的水平分布与全氮相同，原因是全氮的主要部分为有机氮。同时对比数据可知湖滨带湿地0～40 cm层的全氮和有机氮含量随土壤深度增加呈降低趋势。

由图2知湖滨带湿地表层表层0～10 cm的全氮占土壤0～40 cm层的45%～79%，湖泊湿地全氮含量均富集于0～10 cm，呈“倒金字塔”分布，这与卜晓燕等[14]研究结论湖泊湿地全氮含量富集于0～10 cm相同。可见植被对土壤全氮有顶层富集作用，可能与植被枯落物形成腐殖质层有关。如图4所示铵态氮水平分布为：0～10 cm为A>B>C>F>E>D，10～20 cm为A>B>C>F>D>E，20～40 cm为A>C>B>F>E>D。垂直分布中铵态氮含量随着土壤深度增加呈降低趋势并不明显。如图5所示硝态氮水平分布为：0～10 cm为E>F>A>C>B>D，10～20 cm为A>E>F>C>B>D，20～40 cm为 A>C>E>F>B>D。硝态氮水分分布与全氮不同，水淹区和干湿区受到规律性淹水影响，促使硝态氮淋失。硝态氮含量垂直分布中随着土壤深度增加呈降低趋势。图6知，C/N水平分布：0～10 cm A>B>F>D>C>E，10～20 cm A>F>D>B>E>C，20～40 cm F>D>E>B>A>C，类型区D、F碳氮比值较大，这可能是该区干湿交替的环境有助于有机质和有机氮的矿化分解[12、15]。其中C/N比值最大值为22.85，最小值为12.72，平均值为15.40，Zhang等[16]在双台子河湿地研究结构C/N比值达16.15，这可能与巴吓采当湖泊地处沙地，碳含量低而植物枯落物补充全氮有关。

2.3 湖滨带湿地土壤有机碳、氮素与其他环境因子的相关关系

由表3知，土壤全氮和有机碳、全磷、土壤容重、土壤含水率（p=0.01）和水位显著相关（p=0.05），其中全氮和有机碳相关系数r=0.996（p=0.01）。湖滨带土壤0～40 cm层的有机碳和全氮遵循相同的分布规律，这与毛志刚等[2]研究滨海湿地土壤有机碳、全氮分布变化趋势一致结论相同，可见不同类型湿地之间土壤有机碳、全氮相关性不变。有机碳、全氮和土壤容重之间均存在显著的相关性，这与石福臣等[17]研究河流湿地有机碳、全氮和容重之间相关性结果一致，可见土壤容重与有机碳、全氮的相关性不受湿地类型影响。铵态氮与土壤全磷、土壤含水率、土壤容重、全氮、有机碳（p=0.05）和水位（p=0.05）等显著相关。硝态氮与微生物生物量碳、氮的相关系数分别为r=0.637和r=0.617（中度相关），这可能与微生物的硝化与反硝化作用相关。有机碳和氮素与土壤黏粒相关性不高，这与Wang等[18]研究结果不一致，可能与巴吓采当土壤质地为砂土，土壤颗粒组成中，黏粒含量低有关。

2.4 湖滨带湿地土壤有机碳、氮素与其他环境因子的主成分分析

根据特征值大于1的原则提取了3个主成分（表4），其特征值分别为5.096，2.638和1.403，累积贡献率达76.15%，它们能反映出毛乌素沙地典型湖滨带湿地12项指标的76.15%的信息。其中F1的贡献率为42.47%，与湿地的有机碳，全氮，有机氮和全磷高度相关，与土壤含水率和土壤容重有较高的相关性。F2的贡献率为21.98%，与湿地土壤的颗粒组成高度相关。F3的贡献率为11.70%，与湿地土壤硝态氮和pH有较高的相关性。

2.5 不同湿地营养元素含量

表5列出了不同类型湿地有机碳和全氮含量的对比，巴吓采当湖滨带土壤有机碳和全氮含量较其他类型湿地含量高，尤其是覆水区。湖滨带土壤氮素的来源主要是植物的枯落物，该区域芦苇、狭叶香蒲等植物长势良好，植物的凋落物对土壤的碳氮归还作用比较明显。而覆水区抑制了土壤呼吸，降低了有机碳和全氮的分解效率。另一方面，人为干扰作用，包括使用化肥农药、洗涤等，在一定程度上都使得巴吓采当湖滨带土壤营养元素增加。

3 结论

毛乌素沙地典型湖滨带土壤表层0～10 cm有机碳、全氮含量随土壤水位升高而增加，水淹区（A、B）>干湿区（C、D）>干旱区（E、F），但土壤10～40 cm层有机碳和全氮变化规律不明显。除铵态氮外，土壤有机碳、全氮、有机氮和硝态氮含量随土壤深度增加呈降低趋势。土壤有机碳与氮素和全磷、土壤容重、土壤含水率和水位顯著相关。实验结果表明，土壤全磷、土壤含水率、土壤容重和水位是影响毛乌素沙地湖滨带有机碳、氮素空间分布的主要因子。有机碳和氮素的含量与土壤黏粒相关性不高，这有异之前的研究结论。与其他类型湿地相比，巴吓采当湖滨带有机碳、氮素含量较高。

本文研究了巴吓采当湖滨带土壤有机碳和氮素的空间分布，为毛乌素沙地的治理与恢复提供科学参考。在进行毛乌素沙地湿地修复过程中，通过添加合适改良剂提高土壤黏粒含量，以便增强湿地的储碳固碳功能。

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