排水条件下川西高原典型高寒沼泽湿地土壤氮素空间变异特征研究

杨靖宇，余凌帆，鄢武先，曹小军，贾 晨

(四川省林业科学研究院，四川 成都 610081)

我国现有湿地面积6 594万hm2，约占世界湿地总面积的1/10[7]。我国湿地资源类型十分丰富，除了《湿地公约》中的湿地类型之外，还拥有分布于青藏高原地区的独特湿地类型——高寒湿地。若尔盖高寒湿地就是其中的典型代表，若尔盖高寒湿地面积约为100万hm2，是世界上面积最大的高寒沼泽湿地[3]。近年来，在自然因素和人为因素的双重影响下，特别是人工开沟排水疏干等人为干扰导致若尔盖高寒沼泽湿地发生严重退化萎缩现象[8～10]。当前湿地生物地球化学领域的研究基本解释了湿地土壤中氮素的迁移转化机理[3～6,11]，但在高寒湿地生态系统中土壤氮素的分异特征、迁移转化过程和影响因素等方面的研究依然有限。

本研究以若尔盖县喀哈尔乔具有人工挖沟排水疏干历史特征的高寒沼泽湿地生态系统为研究对象，选择泥炭沼泽(Peat marsh，PM)、沼泽草甸(Swamp meadow，SM)和草地草甸(Grass meadow，DM)3种典型高寒湿地类型的试验样地，以不同湿地类型、不同层次的湿地土壤为试验材料，探讨疏干排水背景下的典型高寒沼泽湿地氮素分异特征，以期为高寒沼泽湿地的监测、恢复和保护提供理论参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

若尔盖气候为典型的大陆性高原寒温带湿润半湿润季风气候，其高寒气候特征明显，长冬无夏、霜冻期长、干雨季分明。年平均气温0.7 ℃～1.1 ℃，年平均降水量为647 mm～753 mm，是黄河流域的多雨区，并呈冬(11月—4月)干、夏(5月—10月)湿，雨热同季的特点。

研究区位于若尔盖县城以南13 km的班佑乡多玛村，属于四川喀哈尔乔湿地自然保护区实验区，区内地势以宽谷、缓丘为基本特征，由于地面平坦低洼，地表水排泄不畅，水流缓慢，形成了典型的高寒宽谷沼泽，区内分布有50多km的人工排水沟。

1.2 样地设置和土样采集

2017年8月，在研究区选择PM、SM、GM 3种湿地类型，调查访问每种湿地类型的水位情况、土壤类型、植被类型、植被盖度等基本概况，利用GPS测定经纬度、海拔(见表1)。每个湿地类型设置3个样地作为重复。每个样地均按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 4个层次分层取样，按梅花形采集5～7个土样进行混合，共采集PM、SM、GM 3种湿地类型4个土壤层次混合土样36个，混合均匀的土样装入自封袋运至室内阴凉处晾干过筛。

表1样地基本概况Tab.1 The characterization of sample sites

1.3 土壤指标测定

土壤各指标的测定或计算方法如下：土壤pH值采用电位法(水∶土=2.5∶1)，土壤有机质(SOM)和有机碳(SOC)测定采用重铬酸钾氧化-外加热法，有效磷(AP)采用NaHCO3浸提-钼锑钪比色法，速效钾(AK)采用NH4OAc浸提-火焰光度计法；全磷(TP)采用NaOH熔融-钼锑钪比色法，全钾(TK)采用NaOH熔融-火焰光度计法；全氮(TN)采用凯氏定氮法，有效氮(EN)采用碱解扩散法，铵态氮(AN)和硝态氮(NN)采用连续流动分析仪测定，溶解有机氮(DON)按“DON=EN-(AN-NN)”计算。

1.4 数据处理与分析

研究数据用Excel 2010(Microsoft?Excel versions 2010)软件进行前期处理和图表绘制，运用SPSS 19.0(IBM® SPSS® Statistics 19)进行统计分析。对TN、EN、DON、NN、AN数据采用单因素方差分析(One-way ANOVA)，应用LSD多重比较法进行差异显著性分析(p<0.05)，应用Pearson检验法分析土壤不同理化性质与不同氮素组分之间的相关性。

针对以上防雷措施，小区将选用HY5WS型避雷器，特点是小巧轻便、机械强度高、便于安装和检修，适合在开关柜和箱变中使用。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质空间变异特征

土壤样品的理化性质如表2所示，在本研究中不同湿地类型土壤各理化性质存在着明显的空间变异。土壤pH值在5.92～8.18的范围内随土壤类型的变化而降低，表现为PM>SM>GM，而且在不同湿地类型中都是随着土壤层次的加深而升高，呈0～20 cm<20 cm～40 cm<40 cm～60 cm<60 cm～80 cm的分布规律。土壤有机质在3种湿地类型土壤中均呈现逐层递减的变异特征，最高平均值(399.26 g·kg-1)出现在SM的0～20 cm层次，在PM中除表层略低于SM外，其他各层次均在3种湿地类型中呈现最高水平含量。土壤全磷在GM中含量最低，而土壤全钾在GM中的含量高于其他类型湿地土壤，在土壤层次规律上，全磷总体表现出逐层递减的分布规律，表现为0～20 cm>20 cm～40 cm>40 cm～60 cm>60 cm～80 cm。

全钾在PM土壤中含量范围为15.6 g·kg-1±0.51 g·kg-1～18.82 g·kg-1±1.04 g·kg-1，层次间变异不大；而在SM和GM中最高平均值则达34.86 g·kg-1±0.54 g·kg-1，且明显呈现0～20 cm<20～40 cm<40～60 cm<60～80 cm逐层递增的变异特征。

表2不同湿地类型、不同层次土壤理化性质Tab.2 Soil physicochemical properties in different soil layers in PM,SM and GM

2.2 土壤SOC、TN和C/N空间变异特征

从图1可以看出，土壤SOC和TN含量随着土层深度的增加都呈现出递减趋势，表现出较强的空间变异特征。土壤SOC含量仅有SM在0～20 cm层次达到最大值(231.59 g·kg-1±28.14 g·kg-1)，在其他层次都表现为PM含量最高，最低值则出现在GM的60 cm～80 cm层次，仅为8.50 g·kg-1±0.24 g·kg-1；TN含量不同湿地类型表现出一致的土壤垂向变异规律，即0～20 cm>20 cm～40 cm>40 cm～60 cm>60 cm～80 cm，且在各个层次不同湿地类型间都表现为PM>SM>GM。通过对相同层次不同湿地类型间的差异显著性分析得出，PM土壤SOC和TN含量在各个层次均与SM和GM具有显著差异(P<0.05)。各湿地类型土壤C/N比值介于8.29～26.27之间，PM整体上呈现较高的土壤C/N比值，SM和GM土壤C/N比值一致表现为随土层加深而减低的垂向分异规律，而PM土壤则表现出逐层递增的趋势。

图1 不同土壤层次各湿地类型SOC、TN和C/N比值变异特征Fig. 1 Variation character of SOC(a),TN(b) and C/N ratio(c) in different soil layers in PM,SM and GM

2.3 土壤EN、AN、NN和DON变异特征

图2所示为不同湿地类型土壤各层次EN、AN、NN和DON含量特征。

EN在不同类型湿地土壤中均表现出逐层递减的垂直变异特征(见图2a)。各层含量水平均以PM为最高，GM为最低；除在0～20 cm层次PM与SM未表现出显著差异(P>0.05)外，在其他土壤层次各类型间都具有显著差异(P<0.05)。

AN在不同湿地类型土壤中并未表现出明显的垂直分异规律(见图2b)。在SM、GM中最高值出现在表层，具有明显的表层富集特征，而在PM中最高值却出现在最下层。在各个层次，PM与SM均没有显著性差异(P>0.05)，除60 cm～80 cm层次外，PM与GM皆具有显著性差异(P<0.05)。

NN总体呈现明显的土壤层次间垂直变异规律(见图2c)，总体含量在43 mg·kg-1±4.7 mg·kg-1～ 383.06 mg·kg-1±36.01 mg·kg-1之间，各层次以PM为最高，GM为最低。同一土壤层次，SM与GM多表现为差异不显著(P>0.05)，其他各湿地类型间多表现出显著性差异(P<0.05)。

DON在不同湿地类型中表现出逐层递减的垂直变异规律(见图2d)。DON含量水平在各个土壤层次均为PM最高，GM最低；除在0～20cm层次PM与SM未表现出显著差异(P>0.05)外，在其他土壤层次各类型间都具有显著差异(P<0.05)(见表3)。

2.4 不同氮素组分与土壤理化性质间相关性

TN、EN、NN、DON均与pH、SOC、TP、TK表现出显著的正相关关系(P<0.01)，而AN则表现出与pH值的负相关关系，与TP和SOC没有显著相关关系。在不同氮组分之间，TN与EN、NN、DON均具有显著的正相关关系(P<0.01)，AN与其他组分没有显著相关关系，EN与NN、DON具有显著相关关系(P<0.01)(见表3)。

3 结论与讨论

湿地土壤氮素主要来源于生态系统内植物新陈代谢和固氮作用、动物及微生物排泄物或残体，部分氮素来源于地表径流、降水以及大气沉降。因此，土壤氮素主要分布于生物活动和大气沉降的表层区域，常常富集在垂直剖面的表层，例如在高寒地区泥炭沼泽和沼泽草甸0～30cm土层的氮储量占100cm土壤层次氮储量的一半以上[12]。一般来说，上层土壤氮素的含量多受气候、植被、水分等因素的影响，而下层土壤主要受土壤结构、性质及成土母质的影响[13]。在本研究中，在草地草甸土壤中由于泥炭层很薄(<30 cm)，且下层开始出现砂质土壤层，其全氮及氮组分含量相对泥炭沼泽都处于很低水平。

土壤有机碳分布对氮素的垂直分布具有显著影响，土壤垂直空间上层有机质含量相对丰富，其氮素各组分含量也高[14]。本研究结果显示土壤氮素各组分均与SOC呈显著的正相关关系，同时土壤全氮与有机碳含量在不同类型湿地均表现出一致的垂向变异变化规律，这与李丽等人的研究结果相一致[15]。

图2 不同土壤层次各湿地类型EN、AN、NN和DON变异特征Fig. 2 Variation character of EN(a),AN(b),NN(c) and DON(d) in different soil layers in PM,SM and GM

表3土壤理化性质与不同氮素组分间Pearson相关性分析Tab.3 Pearson correlation between soil physicochemical properties and nitrogen compositions

**表示在0.01水平上显著相关。

有研究认为，土壤C/N比值小于30时，有机碳会成为土壤异养呼吸的限制因子[16]。当土壤C/N比值介于20～30之间，氮的固持和矿化过程处于相对平衡状态；当C/N比值低于20时，氮的矿化作用占优势[17]。已有研究发现无机氮增加可能减缓泥炭沼泽土壤有机碳的矿化，无机氮增加直接导致C/N比值的降低，说明C/N比值较低时更不利于土壤碳库的稳定性[18]。本研究结果显示泥炭沼泽的C/N比值最高，其碳库也最稳定，而处于湿地退化逆向演替环节的草地草甸中C/N比值低至8.29，说明其土壤有机碳很容易分解矿化成为碳源，同时，氮也很容易矿化损失。因此，C/N比值作为沼泽湿地的退化具有一定指示作用。

土壤有效氮的空间分布特征反映了湿地氮素的整体供给情况，在一定程度上对湿地植被群落的生长与构成、生态系统的稳定性具有重要影响[c]。本研究结果表明泥炭沼泽具有更高的有效氮含量，也说明氮养分供给能力较强，因此，泥炭沼泽通常具有更丰富的生物多样性和更高的生物量[19]。

硝态氮和铵态氮既是氮矿化作用和硝化作用的产物，又是大气氮沉降的两种主要氮素形态，具有较大的空间变异性，两者在土壤中空间分布会对土壤理化性质产生一定影响，并导致土壤微生物及酶活性产生不同的响应，最终影响或改变湿地土壤有机碳矿化及氮素循环过程[18,20]。本研究结果显示，铵态氮相对硝态氮具有更大的空间异质性，且相对其他氮组分没有明显的土壤层次分布规律和湿地类型间差异(图2b)。因此，如果作为湿地生态系统评价指标因子的话，硝态氮具有更好的指示作用。

由于DON极易随水分运移而发生迁移，因此，人为干扰下的湿地旱化(如人为开沟排水疏干)，不仅导致土壤DON含量下降，还会加速土壤中DON的流失[21]。因此，DON还具有环境指示意义，特别是在湿地退化的逆向演替过程中，对其退化状态具有很好的指示作用。胡金明等对纳帕海湿地4种不同退化程度湿地土壤DON研究发现，土壤水分条件越差DON含量越低[17]。本研究中基于疏干排水背景下水分梯度的3种湿地类型就表现出泥炭沼泽DON含量最高，随湿地水分特征而降低的规律性分异特征。

基于对土壤氮素不同组分空间分布特征的研究，还需一步开展高寒沼泽湿地氮素的迁移运输、碳氮循环耦合机制、氮素在湿地内部要素之间的循环机制等方面的研究，进而为退化高寒沼泽湿地的生态修复与保护实践提供更多的数据参考和理论支撑。