鄱阳湖湿地典型植被群落土壤养分有效性特征

崔 乾， 苗雨青,2,3， 周 光， 汪梦甜， 孙奕琳， 张平究

(1．安徽师范大学 江淮流域地表过程与区域响应安徽省重点实验室，安徽 芜湖 241003;2.江西师范大学 鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，江西 南昌 330022;3．中国科学院 南京地理与湖泊研究所，江苏 南京 210008;4.江苏省常熟市昆承中学，江苏 常熟 215500)

引 言

湿地是陆地生态系统和水生生态系统之间具有独特的水文、土壤、植被等特征的过渡系统，不仅在调节区域气候、涵养水源、净化水质和保护生物多样性等方面具有重要作用，而且作为土壤养分元素(氮、磷、钾)的源、汇或转换器，具有重要的生态功能[1]。这些生态功能的发挥取决于湿地土壤与植被之间频繁的物质和能量交换[2]。湿地土壤为植物的生存提供物质基础，其理化性质是影响植物生长发育的关键指标。如：土壤含水量直接影响土壤颗粒粘性和毛管的吸附能力，影响着土壤的生产力[3]；土壤pH值能直接和间接影响植物的生长状况[4]；土壤有机质是湿地植物的主要营养源，直接影响湿地植物的生长，进而影响着湿地生态系统功能的发挥[3,5-6]。同样，水文过程变化引起湿地植被群落的变化会显著影响湿地土壤理化指标如土壤有机质及养分元素的分布[7-8]。因此，研究不同植物群落下的湿地土壤理化性质尤其是土壤速效养分元素的特征具有重要的理论价值与实际意义。

鄱阳湖是我国最大的淡水湖泊，首批国家重点保护湿地之一，具有国际性意义[9]。目前，对鄱阳湖湿地的研究大多关注在植被[10-13]和水文方面[14-16]，对土壤的研究相对较少，仅有一些学者对鄱阳湖湿地土壤微生物[17-19]和养分元素分布特征[20-22]进行了相关研究。在全球气候变化和大型水利工程的影响下，鄱阳湖水文情势会发生很大改变，从而造成植被演替及土壤理化性状的变化[12]，这必然会影响土壤养分元素的分布特征。本文通过研究鄱阳湖南矶山湿地3种典型植被下土壤颗粒组成、含水量和pH以及碳氮磷钾等养分元素特征，探究植被演替对土壤养分元素的影响，为湿地土壤生态功能的认识及湿地保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

南矶山湿地自然保护区(28°52.35′-29°06.77′N，116°10.4′-116°23.83′E)位于鄱阳湖主湖区南部，是赣江南、中、北三条支流汇入鄱阳湖水域的过渡地带，该地植物分布受全年水位大幅升降变动影响，自湖岸带向湖心植被呈带状分布，主要类型依次为芦苇-苔草(Phragmitescommunis-Carex.cinerascens)混合群落、南狄(Triarrhenalutarioriparia)和苔草(Carex.cinerascens)群落[8]。研究区域属亚热带季风性气候，夏季潮热，冬季干冷。多年(1981—2010年)平均气温18.1℃，1月平均气温最低为5.6℃，7月平均气温最高为29.7℃；年均降雨量1594mm，多集中在4-8月。

1.2 土壤样品采集

2016年12月，在南矶山湿地自然保护区按照水位梯度选取芦苇-苔草混合群落、南荻群落、苔草群落三种典型植被类型区，在每种植被类型区设置采样小区，随机选取3个采样点作为3个重复，每个重复按对角线五点法分表层(0-10cm)和亚表层(10-30cm)采样并分层混合，共计18个土壤样品。土壤样品采集前先用剪刀去除地上的植物部分，再用铁锹或土壤刀进行土壤样品采集。土壤取好后装入自封袋带回实验室，剔除可见动植物残体和植物根系后一部分鲜土用于测定土壤含水量，其余鲜土自然风干。风干土样经研磨分别过10目和100目筛，待用。过10目的土样用于测定土壤颗粒组成、pH、碱解氮、有效磷和速效钾，过100目的土样用来测定土壤有机质和土壤全氮。各样点的基本信息见表1。

表1 采样点基本信息Table 1 Characteristics of soil sampling sites

注：水位指采样期间采样点自由水面距离地表的高度。生物量为各群落生长旺盛期最大生物量，来源于文献[8].

1.3 土壤理化性质测定

土壤颗粒组成采用贝克曼库尔特(LS13320)激光粒度分析仪进行测定，根据国际制土壤粒径分级标准，将湿地土壤颗粒组成分为砂粒级(粒径20～2000μm)、粉粒级(粒径2～20μm)和黏粒级(粒径<2μm)三个等级。土壤pH采用便携式pH仪(Mettler Toledo IQ150，美国)测定，土壤含水量用烘干法测定，土壤有机质采用水合热重铬酸钾氧化-比色法测定，土壤全氮用元素分析仪(Elementar，德国)测定，土壤碱解氮采用碱解扩散法测定，土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，土壤速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定，具体测定方法见文献[23]。

1.4 数据分析

用SPSS 19.0软件进行数据处理与分析，用Origin 8.5软件进行制图。利用SPSS软件中的方差分析(ANOVA)模块，采用最小显著性差异法(LSD)在α=0.05水平上检验各土层植被间土壤颗粒组成、平均粒径、土壤含水量和pH的差异显著性；土壤颗粒组成、平均粒径、土壤含水量、pH以及土壤速效养分元素含量间的关系采用Pearson相关分析，显著性水平设定为α=0.05。

表2 鄱阳湖湿地不同植被类型土壤颗粒组成及土壤理化性质Table 2 Soil particle composition and physicochemical properties under different plant communities in Poyang lake wetland

注：小写字母代表不同类型表层土壤差异显著(P<0.05)，大写字母代表不同类型亚表层土壤差异显著(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 鄱阳湖湿地土壤物理性质

鄱阳湖湿地不同植被类型下的土壤颗粒组成主要以粉粒为主，体积百分含量在53.78%～64.79%之间，黏粒和砂粒的含量分别在13.61%～21.32%和14.57%～32.61%范围内波动。从植被类型来看，不同土层土壤样品的颗粒组成差异并不显著(表2)，分析样品的土壤颗粒平均粒径为13.80～20.66μm，总体上表现为表层土壤平均粒径小于亚表层土壤。单因素方差分析的结果显示，不同植被类型下的土壤平均粒径并无显著差异(表2)。鄱阳湖湿地土壤表层、亚表层含水量在四种群落间的变化范围分别是106.64%～334.18%和41.50%～82.52%(表2)。土壤含水量呈现自表层向亚表层急剧递减趋势。苔草群落土壤含水量最高，芦苇-苔草混合群落土壤含水量最低，其中，芦苇-苔草和南荻植被类型下亚表层土壤含水量均低于50%。单因素方差分析可知，不同类型表层和亚表层土壤含水量存在显著差异(P<0.05)。

2.2 不同植被类型下土壤pH和养分特征

由表2可知，鄱阳湖湿地不同群落间表层和亚表层土壤pH分别介于4.56～5.01和5.17～5.69之间，均表现为表层略低于亚表层。具体来说，表层土壤pH最高值出现在苔草群落，最低值出现在芦苇-苔草混合群落，不同植被类型下存在显著差异(P<0.05)，亚表层土壤pH在不同植被类型间差异不显著(P<0.05)。

鄱阳湖湿地土壤有机碳、全氮、碱解氮、速效钾和有效磷的含量分别介于7.36～38.15g·kg-1、1.07～4.23g·kg-1、0.03～0.15g·kg-1、0.08～0.26g·kg-1和2.09～11.27mg·kg-1之间。不同植被类型下土壤养分元素含量存在显著差异(P<0.05)，其中苔草群落土壤的有机碳和全氮含量显著高于其它两种群落土壤，而南荻群落土壤的速效钾含量最高，碱解氮含量最低。除土壤有效磷外，其它养分元素含量基本表现为表层土壤显著高于亚表层土壤(图1)。表层土壤有效磷的最大值出现在芦苇-苔草混合群落，而亚表层的最大值出现在苔草群落。

图1 不同植被类型下土壤各层的养分特征Figure 1 Nutrient characteristics of soil layers under different plant communities注：图中柱体上方不同字母表示在P<0.05水平上差异显著。

2.3 相关性分析

对鄱阳湖湿地土壤理化性质进行Person相关分析(表3)，结果表明，除土壤有效磷外，其它养分元素与土壤粘粒、粉粒含量呈极显著正相关，与土壤砂粒含量呈极显著负相关。除此之外，土壤有机碳还分别与土壤含水量、全氮、碱解氮及速效钾呈极显著正相关，相关系数分别为0.912、0.934、0.891、0.789，与pH呈极显著负相关，相关系数为-0.619。土壤全氮与土壤含水量、碱解氮及速效钾呈极显著正相关，而与pH和有效磷呈显著负相关。土壤碱解氮除与有效磷不存在相关性外，与其他指标间的相关性跟土壤全氮一致。土壤有效磷仅与土壤全氮呈显著负相关。土壤速效钾与土壤含水量、pH、全氮及碱解氮均极显著相关，相关系数分别为0.605、-0.781、0.694、0.848。

表3 鄱阳湖湿地土壤理化性质指标的相关系数矩阵Table 3 Relationship matrix of soil nutrient elements and physicochemical properties in Poyang lake wetland

注：*代表在0.05水平上显著，**代表在0.01水平上显著。

3 讨 论

3.1 鄱阳湖湿地土壤养分元素

在全球气候变化和人类活动变化背景下，尤其是长江三峡水库运行以来，鄱阳湖水文情势发生显著变化，丰水期维持时间缩短，枯水水位偏低，导致泥滩地面积扩大，湖滨带湿生植物逐渐被旱生植物所取代，苔草群落和南荻群落向湖心延伸，苔草逐步演变为优势群落，分布面积增加[9,12]。鄱阳湖水文情势的变化和植物群落组成的改变势必会对湿地土壤养分元素分布特征产生影响，在一定程度上决定了湿地生态系统生产能力的高低，最终会影响到湿地生态系统的固碳潜力。

一般认为，湿地土壤养分元素含量除受母质、气候和水文条件影响外，还与植物群落关系密切[20]。对于较小区域范围内的土壤养分来说，则主要受地表植物群落类型的影响[21]。研究区域内由湖岸边缘到湖心依次分布有芦苇-苔草混合群落、南荻和苔草群落。如前文所述，鄱阳湖湿地不同植物类型下土壤有机碳含量差异十分显著，苔草群落显著高于南荻群落和芦苇-苔草混合群落，与葛刚等[20]在鄱阳湖湿地的研究结果一致。鄱阳湖湿地水位周期性波动，在丰水期和枯水期形成鲜明对比，洲滩湿地干湿交替频繁[15]。苔草群落土壤含水量高，长期处于饱和状态，在厌氧条件下有机质不易被分解，而南荻和芦苇-苔草混合群落淹水时间短，土壤通气性较好，有机质易被分解，含量较苔草群落低(图1)。

土壤氮素含量取决于氮的输入量与输出量。自然土壤中的氮输入包括生物固氮、动植物残体的积累以及干湿沉降[24-25]，输出则包括土壤微生物及地表植物的吸收、随径流的流失以及氮素重新归还大气[26-27]。本研究中，芦苇-苔草混合群落和南荻群落土壤全氮含量较低，可能是由于该地带干湿交替过程明显，有利于土壤脱氮过程的发生，这与白军红等[7]在内蒙古乌兰泡湿地的研究结论一致。苔草群落根系发达，生长旺盛[21]，对氮素吸收能力强，提高了氮滞留能力[7]，所以土壤全氮含量处于较高水平。碱解氮是能被植物直接吸收利用的有效态氮，能较灵敏地反应土壤的供氮水平[28]。本研究中，南荻群落土壤碱解氮含量显著低于其它两种群落(图1)，这主要是因为南荻本身对氮素需求少，滞留氮素能力较弱[21]，因而导致土壤全氮和碱解氮相较于另两种群落土壤低。此外，有研究指出，湿地土壤碱解氮含量存在明显的季节差异[29-30]，跟植物的生长阶段关系密切。后续研究可增加不同季节土壤样品的分析，有助于探明植被对土壤氮素的影响。

湿地土壤磷素除部分来自于动植物残体归还外，其余主要来自于成土母质，土壤有效磷能够直接被植物吸收，其含量能够表征土壤磷的直接供应水平[31]。本研究中，距湖岸近的芦苇-苔草混合群落表层土壤有效磷比另外两种群落高很多，这可能是由于周边农田施用的磷肥随径流在进入湖体时，湖岸带植被对有效磷的吸收起到一定的过滤作用。此外，湿地土壤干湿交替过程有利于磷的释放[32]，而芦苇-苔草混合群落土壤的干湿交替过程要明显强于其它两种群落土壤。

钾是植物生长不可缺少的营养元素，土壤中的钾元素主要来源于矿物风化释放[33]，速效钾是直接能被植物所利用的形式，对植物生长举足轻重[34]。本研究中，造成不同植被类型间土壤速效钾含量存在差异的原因可能在于植物生长过程中根系分泌的低分子量有机酸不同，进而影响了土壤矿物中钾的释放[34]。土壤速效钾含量与土壤pH呈显著负相关(表3)，说明湿地土壤酸性条件不利于土壤速效钾的积累。

3.2 土壤相关指标对养分元素的影响

土壤颗粒组成关系到水热状况和养分状态，是造成养分差异的主要原因之一[35-36]。研究发现，鄱阳湖湿地土壤养分含量与粉粒和黏粒之间极显著相关，与砂粒呈极显著负相关关系(表3)，与白军红等[30]在向海湿地的研究结果一致，这表明土壤颗粒粗细程度显著影响土壤养分含量，原因在于土壤颗粒粗细程度决定了土壤的通气性，从而影响微生物的活性。另外，鄱阳湖湿地土壤碳、氮、钾等含量均与土壤含水量显著相关(表3)，总体上表现为土壤养分含量随着含水量增加而增加，这是因为湿地土壤含水量高，土壤环境严格厌氧，不利于有机质分解与养分释放。由此可推断，苔草群落土壤粉粒、黏粒含量高，砂粒含量少，土壤含水量高，通气性差，微生物活动微弱，土壤有机质分解缓慢，有利于养分元素的积累。研究还发现，除有效磷外，其它养分元素均与土壤pH值呈显著负相关(表3)，表明高pH值可能会降低土壤的储碳能力，造成土壤养分流失，这与郑真[37]等在菜子湖、邵学新等[38]在杭州湾滨海湿地得研究结果一致。土壤pH值对养分元素的影响主要通过微生物活动来实现。一般来说，中性土壤环境条件下，微生物具有较高的活性，而鄱阳湖湿地土壤pH处于4.6～5.7，其酸性环境抑制微生物活动，降低有机质的分解速率，导致养分元素的积累[4]。

4 结 论

(1)鄱阳湖湿地土壤颗粒组成以粉粒为主，平均粒径在13.80～20.66μm之间。不同植被类型土壤含水量和土壤pH值差异显著，基本表现为苔草>南荻>芦苇-苔草混合群落。

(2)不同植被类型土壤养分元素存在一定差异。除有效磷外，土壤有机碳、全氮、碱解氮和速效钾含量均表现为土壤表层显著高于亚表层，不同植被类型间表现为苔草群落土壤养分元素含量较高，芦苇-苔草混合群落含量较低。

(3)土壤粒径、含水量及pH值与土壤碳氮钾等养分元素含量显著相关，由此可推断鄱阳湖水文情势变化引起植被类型的改变在一定程度上有利于土壤养分元素的累积。