吉林省辽河河岸植被缓冲带土壤氮、磷分布规律研究

王梓默，付世萃，朱红波，林士杰，李泽刚，张大伟

(1.吉林省林业科学研究院，吉林 长春 130033；2.吉林省林业调查规划院，吉林 长春 130022；3.大安市林业和草原局，吉林 白城 131300)

流域作为河流的集水区域，是相对完整的一个生态系统单元，受人类活动影响较大[1]。近年来，由于人类对水土资源的高强度开发，流域生态环境表现出明显退化趋势，甚至影响区域生态系统平衡。流域植被缓冲带作为连接水生生态系统和陆地生态系统的重要区域，对流域生态修复具有重要意义[2]。植被缓冲带不仅具有蓄水保土的作用，同时能够截留非点源污染物，阻止污染物进入接纳水体，防止影响陆地和水生态系统的物质和能量交换[3]。目前，国内外学者针对流域植被缓冲带已经开展了一些研究，但多集中于温暖地区的河岸带或湖滨带[4]，对寒冷地区河岸缓冲带的研究仍相对缺乏，尤其是对辽河干流河岸缓冲带的研究较少。辽河流域在吉林省属于生态环境脆弱区，资源的过度开发导致河道面积萎缩、动植物生境破碎[5]，河流生态调控功能退化等问题已经成为制约区域经济发展的主要障碍因子。因此，筛选出配置合理、科学高效的植被缓冲带对辽河流域健康河岸带生态系统的恢复具有重要意义。植被缓冲带的生态功能受许多因素影响，包括缓冲带尺度、内部植物组成、周边土地利用情况、地貌水文、微气候以及生态系统特性等[6]。本研究对吉林省辽河流域河岸缓冲带典型植被类型进行调查，比较不同植被类型土壤pH与氮、磷的储存能力，为确定最佳的河岸缓冲带植物配置提供数据支撑。

1 样地设置与方法

1.1 研究区概况

吉林省辽河流域位于吉林省西南部(见图1)，地理位置为123°18′～125°36′E、42°36′～44°10′N，流域总面积达15 710 km2，属温带大陆性季风气候，年温差较大，四季分明，春季干燥风大，夏季多雨湿热，冬季漫长寒冷，是典型的半湿润森林草原气候。受季风环境影响，降水量年际变化较大，年降水量的80 %集中在5—9月，年平均降水量约578.3 mm，平均蒸发量为800～1 020 mm。植被组成主要以中生植物群落为主，主要树种有兴安落叶松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、蒙古栎(Quercusmongolica)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、山杨(Populusdavidiana)、白桦(Betulaplatyphylla)、紫穗槐(Amorphafruticosa)等；草本植物有马齿苋(Portulacaoleracea)、鸭跖草(Commelinacommunis)、天南星(Arisaemaheterophyllum)、接骨草(Sambucuschinensis)和羊草(Leymuschinensis)等。

图1 吉林省内辽河流域分布

1.2 样地设置与样品采集

在选择的调查断面区段，对河岸缓冲带宽度、两岸地形地貌、植被覆盖度、植被种类分布及生长情况、河岸带相对宽度、河岸周边农业利用特征、采用的自然封育措施等因素展开调查。在调查区内距河床100 m处沿平行于河流流向设置一条样线，调查样线内侧至河岸边缘植被类型，记录植物生长状况。调查点布设如图2所示，根据实际情况沿河岸设立调查点，调查点之间横坐标或纵坐标垂直距离为6 km，在每一个调查点处设置调查断面，采用测距仪进行测定，分别按照距河床0 m、25 m、50 m、100 m距离设置样地，乔木林中设置20 m×30 m样地，灌木林中设置5 m×5 m样地。在每个样地中呈“S”形布点挖掘土壤剖面，利用环刀按照深度0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm分层进行土壤样本的采集，将同一林分样地土样进行混合，去除根系与砾石等，风干后进行土壤性能分析。不同样地植被概况见表1。

图2 调查样点分布

表1 不同样地植被概况

1.3 样品测定

对风干后的土样进行研磨，通过0.25 mm孔径筛后进行压片，用J200激光元素分析仪进行土壤全氮、全磷含量的测定；pH通过3H型酸度计测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2003进行数据分析，利用SPSS 22.0对土壤氮、磷含量及pH进行方差分析及聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型土壤全氮含量的变化

2.1.1 不同植被类型土壤全氮含量随土层深度变化规律土壤全氮含量见表2，可以看出，在0～20 cm土层深度，针阔混交林土壤含量最高，且显著高于其他植被类型；在20～40 cm土层深度，针阔混交林与农田土壤含量最高，其次为草地与灌木林，阔叶林与针叶林土壤含量相对较低，可能由于针阔混交林生长旺盛，林下灌草种类及数量较多，枯枝落叶丰富，凋落物的分解促进了林下土壤养分的积累，农田土壤全氮含量较高可能与施肥有关；在40～60 cm土层深度，土壤全氮含量没有明显区别，表明不同植被类型对其含量的影响作用主要集中在0～40 cm土层深度，全氮含量随土层的加深呈递减趋势。

表2 不同植被类型土壤全氮含量随土层深度变化规律

2.1.2 不同植被类型土壤全氮含量随与河岸距离变化规律

土壤全氮含量见表3，可以看出，在紧邻河岸处，草地与农田土壤含量高于阔叶林，农田土壤含量最高；在距河岸25 m处，针阔混交林与农田土壤含量相对较高，其次为阔叶林与草地，针叶林与灌木林较低；在距河岸50 m处，农田土壤含量最高，其次为针阔混交林与草地，针叶林与灌木林最低；在距河岸100 m处，农田土壤含量显著高于其他几种植被类型。总体上来看，针阔混交林土壤全氮含量更高，可能与其氮元素截留能力更好有关，针阔混交林丰富的植被能够增加径流阻力、减缓水流速度，促进了颗粒氮的淀积和溶解氮的渗透，当养分随着径流经过植被缓冲带时，随着水分的入渗进入土壤中得到积累[7]。

表3 不同植被类型土壤全氮含量随与河岸距离变化规律

2.2 不同植被类型土壤全磷含量的变化

2.2.1 不同植被类型土壤全磷含量随土层深度变化规律

土壤全磷含量见表4，其既代表了土壤磷元素的总储量，也是衡量磷元素营养水平高低的参考指标[8]。从表中可以看出，在0～20 cm土层深度，阔叶林土壤含量最高，其次为针阔混交林、农田，三者土壤含量显著高于其他植被类型；在20～60 cm土层深度，针阔混交林与农田土壤含量最高，且显著高于其他植被类型。针阔混交林与阔叶林下腐殖质与有机质的转化速率更高，土壤中的磷元素得到明显增加，可能是由于针阔混交林根系分布范围广泛且林下植被丰富，枯落物积累较多，储存养分能力更好。农田在0～20 cm土层深度的土壤全磷含量仅次于针阔混交林，显著高于草地、灌木林及针叶林，可能是受施肥等人类活动的影响。而农田土壤平均含量低于针阔混交林，可能是由于施肥等对农田土壤影响主要集中在表层土中，且多年连续耕作导致了土壤养分含量降低。

表4 不同植被类型土壤全磷含量随土层深度变化规律

2.2.2 不同植被类型土壤全磷含量随与河岸距离变化规律

土壤全磷含量变化规律见表5，可以看出，在紧邻河岸处，农田土壤含量显著高于草地及阔叶林；在距河岸25 m处，针阔混交林、针叶林及农田的土壤含量相对较高，其次为灌木林、草地及阔叶林；在距河岸50 m处，农田土壤含量最高，其次是草地、针阔混交林、阔叶林与灌木林，针叶林的土壤含量相对较低。在距河岸100 m处，农田土壤含量显著高于其他植被类型，其次为阔叶林及针阔混交林，草地与灌木林土壤含量相对较低。河岸植被缓冲带去除磷的途径主要包括颗粒物沉积、土壤颗粒物吸附和入渗，除了受施肥影响的农田土壤含量相对较高外，针阔混交林土壤含量也较高。已有研究表明，土壤有机磷含量与黏粒含量呈显著正相关[9]，针阔混交林中丰富的植物根系穿插及枯落物分解等微生物活动能够改善土壤结构，促进土壤团聚体的形成，增加土壤中黏粒含量，黏粒含量越高，土壤对磷元素的吸附能力越强，因此，土壤中滞留和储存的养分更多[10]。

表5 不同植被类型土壤全磷含量随与河岸距离变化规律

2.3 不同植被类型土壤pH随土层深度变化规律

土壤pH见表6，可以看出，6种植被下土壤均呈中性或微碱性，在0～60 cm土层深度，农田土壤pH随土层的加深呈递增趋势，除灌木林外，其余植被随土层加深变化规律均与农田不同。草地、阔叶林在20～40 cm土层深度土壤pH最低，在40～60 cm土层深度最高；针叶林在40～60 cm土层深度土壤pH达到最低，在20～40 cm土层深度最高；而针阔混交林在20～40 cm土层深度土壤pH最低，在0～20 cm土层深度最高。说明不同植被对垂直剖面土壤pH的影响有所区别，可能与植物根系分布有关。

表6 不同植被类型土壤pH随土层深度变化规律

在0～20 cm土层深度，针阔混交林土壤pH最低，其次是灌木林、针叶林、农田、草地，阔叶林的土壤pH显著高于其他植被类型；在20～40 cm土层深度，农田与阔叶林土壤pH显著高于其他植被类型，针阔混交林最低；在40～60 cm土层深度，针阔混交林土壤pH最低，其次是针叶林、草地、灌木林、农田与阔叶林。表明针阔混交林对土壤pH改良作用受土层深度影响较小。

2.4 不同植被类型土壤pH与氮、磷含量分析

以欧氏距离为衡量土样间差异的指标，进行系统聚类，对系统聚类图按距离系数T=5截取，将184个样品分成7大类进行分析。

第Ⅰ类占总样品数的4.34 %，表现为土壤pH最高，土壤全氮含量显著低于其他类别。第Ⅰ类包含了草地、针阔混交林与阔叶林3种植被类型，第Ⅰ类区域分布不集中，在距离河岸0 m、25 m、50 m、100 m均有分布。

第Ⅱ类占总样品数的3.26 %，表现为土壤全磷含量显著低于其他类别，土壤全氮含量较低，土壤pH接近平均值，包括草地与灌木林2种植被类型，第Ⅱ类分布区域主要集中在距河岸25 m与距离河岸100 m处。

第Ⅲ类占总样品数的20.11 %，表现为土壤全氮含量较低，土壤全磷含量高于土壤全磷平均值，土壤pH低于平均值，包括灌木林、针阔混交林、草地、农田、阔叶林5种植被类型，第Ⅲ类在距离河岸0 m、25 m、50 m、100 m均有分布。

第Ⅳ类占总样品数的15.22 %，表现为土壤全氮含量显著高于其他类别，土壤pH较低，土壤全磷含量接近平均值。第Ⅳ类距离河岸0 m处主要为草地；距河岸25 m处主要为阔叶林、草地，有少量农田；距河岸50 m处主要为灌木林、阔叶林与农田；距河岸100 m处，主要为农田、阔叶林，有少量灌木林。

第Ⅴ类占总样品数的21.20 %，表现为土壤pH最低，土壤全磷含量高于平均值，土壤全氮含量低于平均值。第Ⅴ类距河岸0 m处均为草地；距河岸25 m处主要为草地，有极少数灌木林和针阔混交林；距河岸50 m处主要为草地，有少数灌木林；距河岸100 m处主要为草地，有少数农田。

第Ⅵ类占总样品数的19.57 %，表现为土壤pH低于平均值，土壤全氮含量略低于平均值，土壤全磷含量低于平均值。第Ⅵ类距河岸0 m处均为草地；距河岸25 m处主要为草地，有少量阔叶林和农田；距河岸50 m处主要为草地，有极少数农田和针阔混交林；分布于距河岸100 m处植被较少，植被类型为草地和针阔混交林。

第Ⅶ类占总样品数的16.30 %，表现为土壤全磷含量最高，土壤全氮含量仅次于第Ⅳ类，土壤平均pH约7.1，极少数草地分布于距河岸0 m处，草地、少数阔叶林与农田分布于距河岸25 m处，大部分阔叶林、灌木林分布于距河岸50 m处，距河岸100 m处主要为农田和针阔混交林。

从图3中可以看出，第Ⅳ类与第Ⅶ类土壤储存氮、磷的能力较强，且二者土壤pH较低，植被分布规律相似，均表现为草地主要分布于距河岸0～50 m处，主要草本植物包括马齿苋、艾蒿、芦苇等，距河岸50～100 m处主要为灌木林与阔叶林，主要乔木树种为兴安落叶松、山杨、榆，主要的灌木树种为紫穗槐等。

图3 不同植被类型土壤性质聚类分析分布

3 结论

对土壤全氮含量变化研究表明，在0～20 cm土层深度，针阔混交林土壤含量最高；在20～40 cm土层深度，针阔混交林与农田土壤含量最高；在40～60 cm土层深度，各植被类型土壤含量没有明显区别，表明不同植被类型对土壤全氮含量的影响作用主要集中在0～40 cm土层深度，全氮含量随土层深度的加深呈递减趋势。在紧邻河岸处，农田土壤含量最高；在距河岸25 m处，针阔混交林与农田土壤含量相对更高；在距河岸50 m处，农田土壤含量最高；在距河岸100 m处，农田土壤含量显著高于其他植被类型。

对土壤全磷含量变化研究表明，在0～20 cm土层深度，阔叶林土壤含量最高；在20～60 cm土层深度，针阔混交林与农田土壤含量最高。在紧邻河岸处，农田土壤含量显著高于草地及阔叶林；在距河岸25 m处，针阔混交林、针叶林及农田的土壤含量相对较高；在距河岸50 m处，农田土壤含量最高；在距河岸100 m处，农田土壤含量显著高于其他植被类型。

不同植被类型土壤pH随土层深度变化表明，6种植被下土壤均呈中性或微碱性，农田土壤pH在0～60 cm随土层深度的加深呈递增趋势，除灌木林外，其余植被随土层加深土壤pH变化规律均与农田不同。在0～20 cm土层深度，阔叶林土壤pH最高；在20～40 cm土层深度，农田与阔叶林土壤pH显著高于其他植被类型；在40～60 cm土层深度，农田与阔叶林土壤pH最高。

不同植被类型土壤pH与氮、磷含量分析以欧氏距离为指标进行系统聚类，分成7大类。第Ⅰ类占总样品数的4.34 %，pH最高，全氮含量显著低于其他类别；第Ⅱ类占总样品数的3.26 %，全磷含量显著低于其他类别，全氮含量较低，pH接近平均值；第Ⅲ类占总样品数的20.11 %，全氮含量较低，全磷含量高于全磷平均值，pH低于平均值；第Ⅳ类占总样数的15.22 %，全氮含量显著高于其他类别，pH较低，全磷含量接近平均值；第Ⅴ类占总样品数的21.20 %，pH最低，全磷含量高于平均值，全氮含量低于平均值；第Ⅵ类占总样品数的19.57 %，pH低于平均值，全氮含量略低于平均值，全磷含量低于平均值；第Ⅶ类占总样品数的16.30 %，全磷含量最高，全氮含量仅次于第Ⅳ类，土壤平均pH约7.1。第Ⅳ类与第Ⅶ类土壤储存氮、磷的能力较强，且二者土壤pH较低，植被分布规律相似，均表现为草地主要分布于距河岸0～50 m处，主要草本植物包括马齿苋、艾蒿、芦苇等，距河岸50～100 m处主要为灌木林与阔叶林，主要乔木树种为兴安落叶松、山杨、榆，主要灌木树种为紫穗槐等。