張濤,李素艷?,翟鵬輝,張洋,付穎

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,100083,北京；2.北京東方園林股份有限公司,100012,北京)

濕地土壤不同水埋深度的剖面特征
——以東洞庭湖為例

張濤1,李素艷1?,翟鵬輝2,張洋1,付穎1

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,100083,北京；2.北京東方園林股份有限公司,100012,北京)

以東洞庭湖濕地為研究對象,研究東洞庭湖濕地各類土壤的發(fā)育情況、剖面特征、理化性質(zhì)以及養(yǎng)分的空間分布隨地下水埋深度的增加而變化的規(guī)律。結(jié)果表明:1)隨地下水埋深度的加深,土壤發(fā)育加深,表下層厚度增加,潛育層加深,土壤類型分布為草甸土—潮土。2)土壤的土粒密度大,平均值為2.78 g/cm3,土壤密度變化范圍為0.71～1.41 g/cm3。3)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為1.78%～5.07%,土壤表層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律隨水埋深度的加深而減小,表下層土壤的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本一致,在垂直方向上有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤剖面深度的增加而降低。4)土壤全P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨水埋深度的增加而增加,在垂直方向上表層土壤的全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于下層土壤；土壤全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,隨著水埋深度的加深而減小,在垂直方向上全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有顯著變化。5)土壤中Ca、Mg元素隨著水埋深度的變化沒有規(guī)律性,其中水埋深度最淺的草甸土Ca、Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,其他樣點(diǎn)剖面差異不大。

濕地土壤；剖面特征；理化性質(zhì)；養(yǎng)分分布；東洞庭湖

濕地類型多樣,分布廣泛,面積各異,從陸地到海洋,從鄉(xiāng)村到城鎮(zhèn)都有濕地分布。濕地不僅可以直接影響地下水補(bǔ)給、徑流調(diào)蓄,同時(shí)能夠凈化污染物、攔截沉積物、維護(hù)生物多樣性、調(diào)節(jié)氣候,甚至還能夠調(diào)節(jié)區(qū)域乃至全球C、N等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程。

目前,國內(nèi)在濕地土壤方面的研究主要集中在我國北方地區(qū)的森林濕地、沼澤濕地等類型的濕地土壤[1-5]方面,而南方地區(qū)則主要研究湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)以及濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)。對于洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的研究,主要集中在濕地洪澇災(zāi)害[6]、圍墾[7]、濕地演變[8]、土壤污染[9-10]以及湖洲的土地利用等方面,對濕地土壤的形成、不同水埋深度土壤的剖面特征、營養(yǎng)元素的變化規(guī)律等研究不多。筆者以東洞庭湖濕地為研究對象,研究不同水埋深度的土壤剖面的形態(tài)特征、土壤類型、物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律,為濕地的土壤保護(hù)、生態(tài)恢復(fù)及環(huán)境研究等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文主要以東洞庭湖為研究對象,洞庭湖區(qū)是指洞庭湖及其周圍地區(qū),位于長江中游荊江段南岸。東洞庭湖區(qū)域的年平均徑流量為3 035萬m3,水深4～22 m,最大水位高差17.76 m。盛水期為6—8月,枯水期為12月—翌年3月。東洞庭湖屬亞熱帶氣候,大部分湖洲土壤成土母質(zhì)為河流沖擊物和湖積物,以紫湖泥土為主,土層深厚,土地肥沃。全年雨量充沛,氣候溫和,四季分明,1月平均氣溫3.3℃,7月平均氣溫 30.2℃,年均日照時(shí)間1 792 d、降水量967 mm、無霜期277 d,農(nóng)、林業(yè)發(fā)達(dá)[11]。該區(qū)域主要植被包括短尖苔草(Cyperaceae brevicuspis)群落、辣蓼(Polygonum hydropiper)群落、蘆葦(Phragmites australis)群落、南荻(Miscanthus sacchariflorus)群落、燈芯草(Juncus effusus)群落、彎囊苔草(Cyperaceae dispalata)群落以及歐美楊(Populus euramericana)人工林群落等。

2 研究方法

2.1 取樣方法

在東洞庭湖區(qū)受人為干擾程度最輕的小西湖(東洞庭湖國際重要濕地保護(hù)管理站),從湖心向外圍依次布設(shè)取樣點(diǎn)。以水埋深度為依據(jù)分別在水埋深度40、60、80、100、120 cm處設(shè)點(diǎn),進(jìn)行土壤剖面及植被類型的調(diào)查。樣點(diǎn)設(shè)置見表1。

表1 剖面地點(diǎn)分布Tab.1 Profile plot distribution

在同一水埋深度分別挖掘3個(gè)土壤剖面點(diǎn),按土壤的自然發(fā)育情況來分層,直到地下水位為止。觀察并記錄各層土壤的形態(tài)特征,并分層取分析樣品1 kg左右,撿去石塊、殘根等雜物,自然風(fēng)干后,研磨過篩,裝袋備用。

2.2 土壤指標(biāo)分析方法

土粒密度采用體積質(zhì)量瓶法、土壤密度采用環(huán)刀法、土壤質(zhì)地采用體積質(zhì)量計(jì)法、土壤pH值采用電位法、土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀稀釋熱-容量法、土壤速效P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法、土壤速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用乙酸銨浸提-火焰光度法、土壤Ca、Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用電感耦合等離子體(ICP)法分別進(jìn)行測定。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理部分采用Excel、SPSS軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同地下水埋深的濕地土壤剖面發(fā)育特征

調(diào)查結(jié)果見表2?？梢钥闯?從湖心向四周延伸,地下水埋深度越來越深,土壤發(fā)育層越來越厚。

距湖面25 m的1號剖面,水埋深40 cm,地上植被為小燈芯草群落,層次為3層,即A-Bu-G。A層為黑褐色的腐殖質(zhì)層,質(zhì)地為砂壤土,根量較多,沒有新生體,有少量的小螺。Bu為銹色斑紋層,顏色為棕黃色,有明顯銹紋銹斑,質(zhì)地為粉黏土。G為潛育層,該層是由于常年積水造成,青藍(lán)色。此類土壤類型為潛育化草甸土。

表2 不同樣點(diǎn)土壤剖面的形態(tài)特征Tab.2 Profile characteristics in different plots

距湖面135 m的2號剖面,地下水埋深60 cm,地上植被為短尖苔草群落。層次為3層,即A-Bu-G,A層為腐殖質(zhì)層,團(tuán)粒結(jié)構(gòu),較疏松,根量多,無新生體和侵入體。Bu層剖面厚度68 cm,較1號剖面(46 cm)要厚,G層出現(xiàn)在距地表80 cm處,其他特征及土壤類型與1號剖面一致。

距湖面240 m的3號剖面,地下水埋深度為80 cm,地上植被為短尖苔草群落,層次為3層,即A-Bu-G。Bu層厚度70 cm,可明顯看到2個(gè)亞層:Bu1和Bu2層。Bu1層比較黏重,為粉黏土,緊實(shí),有少量根系；Bu2層黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較Bu1層小,為壤黏土,無根系。整個(gè)Bu層有繡紋繡斑及少量田螺。81 cm下方有潛育層,其他特征及土壤類型與1號剖面和2號剖面一致。

1～3號剖面樣點(diǎn)受人為影響較少,剖面濕度大,含水量高,均屬草甸土類型。這類土壤地下水埋深度較淺,土壤受地下水浸潤,升降頻繁,氧化還原交替形成銹紋銹斑,但隨地下水埋深的加深,B層的土壤發(fā)育層加深,厚度增加。

4號剖面是在地勢相對較高的高灘蘆葦?shù)?離湖心距離約為1 000 m,地下水埋深度為100 cm。因有排水設(shè)施,未挖至水面。挖至1 m深,觀察到的層次有A、B層,A層為腐殖質(zhì)層,B層較深厚,可分2個(gè)亞層,未見G層。

5號剖面是圍湖造田的農(nóng)田,距離湖心約為5 000 m,地下水埋深度為大于120 cm。受人為干擾較嚴(yán)重,退田還湖以后種植的是速生楊。5號剖面可觀察到的層次有耕作層(A11)、亞耕層(A12)、心土層(C1)、底土層(C2),屬潮土類型,質(zhì)地變化是從表層往下各層次為壤—黏—壤—黏。這也說明此處土壤屬?zèng)_積物發(fā)育而來,有明顯的分層性。

3.2 不同地下水埋深的濕地土壤物理性質(zhì)分析

土壤密度和土壤質(zhì)地與土壤水、肥、氣、熱及耕作的難易狀況有著密切的關(guān)系。濕地土壤物理性質(zhì)的好壞直接影響著濕地植被的生長和發(fā)育。測定的土粒密度、土壤密度、土壤孔隙度、土壤質(zhì)地及含水量結(jié)果見表3。

表3 不同立地的土壤物理性質(zhì)Tab.3 Soil physical characteristics in different plots

可以看出,這5處樣地的土壤剖面的不同土層中,土粒密度介于2.68～2.86 g/cm3之間,平均值為2.78 g/cm3,明顯高于常見陸地生態(tài)系統(tǒng)中的土粒密度值。這是由于東洞庭湖濕地的地勢相對低洼,常年被湖水浸沒,湖水中攜帶的大量黏性顆粒在此不斷沉積,最終導(dǎo)致該研究區(qū)的土粒密度值偏大。

由表3還可以看出,不同立地條件的土壤密度也存在著顯著的差異。土壤密度介于 0.71～ 1.41 g/cm3之間,平均值為1.25 g/cm3。其中,1號剖面的A層最低,5號剖面的A層最大,平均值為1.37 g/cm3。這是由于1號剖面離湖面最近,地勢相對低洼,長期處于被浸沒狀態(tài),導(dǎo)致土壤表層有機(jī)質(zhì)的回歸總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土壤有機(jī)質(zhì)的分解腐化量；因此,土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,最終導(dǎo)致土壤的孔隙度最大,密度最小。5號剖面的密度最大,這主要是由于5號剖面屬于農(nóng)田改造地段,受人類的干擾較大,由于人類長期的從土壤中不斷的獲取,而忽略了對土壤的補(bǔ)償,導(dǎo)致土地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)斷裂,土壤肥力也漸漸不能自我維持,致使土壤有機(jī)質(zhì)越來越貧瘠,土壤質(zhì)地黏重,土壤密度相對增大。這與陳剛起等[12]在研究三江平原濕地土壤經(jīng)農(nóng)業(yè)開墾以后得出的土壤理化性質(zhì)變化的趨勢相一致。土壤質(zhì)地是砂壤土—黏土,層次構(gòu)造為一層砂一層黏土。巨大的持水性是濕地土壤的一大特征,其持水量高出一般土壤的2～8倍[13]。

同時(shí),從表3可以看出,濕地的土壤含水率隨著地下水位的降低而降低。這是因?yàn)?一方面濕地所處的微地貌特征存在差異,另一方面,隨著濕地退化程度的加重,濕地土壤中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷減少,土壤的保水和持水能力不斷降低。這與王世巖[14]在研究三江平原退化濕地土壤含水率時(shí)得出的結(jié)果一致。

3.3 不同地下水埋深度的濕地土壤化學(xué)性質(zhì)

3.3.1 土壤有機(jī)質(zhì)的分布規(guī)律 土壤中有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化主要取決于有機(jī)物質(zhì)的輸入量與輸出量之間的相對大小。天然土壤中的有機(jī)質(zhì)的輸入主要依靠其地上生長、生活的植物、動(dòng)物等的有機(jī)殘?bào)w的回歸量與分解腐化率[15]。為研究濕地土壤有機(jī)質(zhì)的分布規(guī)律,分別測定了不同水埋深度下不同層次的土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù),見圖1。

圖1 土壤有機(jī)質(zhì)分布圖Fig.1 Soil organic matter distribution

從水平分布來看,不同水埋深度的5個(gè)點(diǎn)位上的表層土壤的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著。1號剖面表層土(A層)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,為50.7 g/kg；5號剖面的農(nóng)田土壤表層土的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低,為17.8 g/kg；2、3、4號剖面居中,范圍在27.0～32.1 g/kg之間,變化不大。1號剖面是距湖面最近,湖灘草本植物群落的生態(tài)系統(tǒng)受人類活動(dòng)的干擾較少,每年的凈同化總量幾乎就相當(dāng)于總投入量,使得有機(jī)質(zhì)的輸入量較大,因此,該剖面中土壤表層的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)就高；而距湖面較遠(yuǎn)的湖灘草地,由于有落水季節(jié)總是有放牧等人為影響；而蘆葦?shù)孛磕甓加写罅康奶J葦被收割走,所以,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較1號剖面相對較低；5號剖面為華容縣集成垸的楊樹林地,表層土壤中的有機(jī)質(zhì)得不到充足補(bǔ)充,同時(shí)在當(dāng)?shù)厮疅釟夂驐l件下,土壤中剩余的有機(jī)物也以較快的速度分解、流失掉,不能在表層土壤中長期保留,因此,表層土壤的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低。這也說明在這種自然情況以及人類生產(chǎn)活動(dòng)的干擾下就有可能造成洞庭湖濕地有機(jī)碳的大量損失,增加濕地中存儲的碳向大氣的排放[16]。從垂直分布來看,不同水埋深度下的土壤下層的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本一致,沒有明顯的差異。

如圖1所示,在土壤剖面縱向分布變化方面,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總體變化趨勢基本都是表層土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于下層土壤。其中主要的一個(gè)原因是,植物殘?bào)w在回歸土壤的過程中,大部分被生長在上面的植物所吸收利用,重新以碳的形式進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)；同時(shí),由于泥沙的淤積作用,底層土壤中的有機(jī)質(zhì)得不到必要的補(bǔ)充又被植物通過根吸收的方式所轉(zhuǎn)移,于是造成表下層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于表層。

3.3.2 土壤P、K、Ca、Mg元素的分布規(guī)律 由于天然土壤的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正相關(guān)的關(guān)系,因此,在研究土壤中大量元素及中量元素的分布規(guī)律時(shí)未進(jìn)行土壤全N的測定,只做了P、K、Ca、Mg測定,見圖2～圖4。

圖2 土壤全P分布圖Fig.2 Soil total P distribution

如圖2所示,水平方向上,不同水埋深度,土壤全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體來說普遍不高,平均值為185.4 mg/kg；最高值是水埋深度最高的5號剖面的表層土,為248.6 mg/kg；最低值是水埋深度最淺的1號剖面的表層土,為133.7 mg/kg。隨水埋深度的增加,全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上呈現(xiàn)上升趨勢。水埋深度越淺,地勢越低,一年里被水浸潤的時(shí)間較長,有些P元素隨水流失；地勢高的地方土壤被水浸潤的時(shí)間較短,P元素會富積在土壤中,使土壤中P元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會隨地勢的增高而增加。從垂直分布來看,各個(gè)樣地的表層土壤全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于下層土壤。

如圖3所示,研究區(qū)域土壤全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為4 904.1～4 227.4 mg/kg,平均值為4 497.4 mg/ kg。水埋深度較低的草甸土全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于水埋深度較高的潮土。這與地上植被有關(guān),草甸土上生長的植被是苔草,每年的枯落物又返還到土壤中。而高灘蘆葦?shù)睾娃r(nóng)田每年都把地上植物收割走,同時(shí)也帶走了大量的K元素,常年不被水淹,也得不到水流中攜帶的K素的補(bǔ)充；因此,隨水埋深度的增加,全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本上呈下降趨勢。從垂直分布來看,各個(gè)樣地的表層和下層全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有顯著變化。

圖3 土壤全K分布圖Fig.3 Soil total K distribution

從圖4可知,土壤中Ca、Mg元素的分布規(guī)律基本一致。表層土壤Ca、Mg元素只有1號剖面的Ca、 Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于其他4個(gè)剖面,而其他4個(gè)剖面表層土差異不大。這主要是因?yàn)?號剖面距湖心最近,常年被湖水浸潤,湖水?dāng)y帶的Ca、Mg元素淤積在表層,表層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)又高,把這些養(yǎng)分吸持在表層。而距湖面較遠(yuǎn)的湖灘草地及高灘蘆葦?shù)厥芎櫟臅r(shí)間相對較短而有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也低,Ca、Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨之降低。5號剖面為農(nóng)田改造,有施肥等人為的經(jīng)營活動(dòng),Ca、Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所回升。下層土壤的Ca、Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著變化。從垂直分布來看:只有1號剖面的表層土壤Ca、Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于下層土壤,這與1號剖面地勢低洼,表層積聚了大量Ca、Mg元素有關(guān)；2～4號剖面表層土壤地上植被為苔草和蘆葦,由于人類放牧或長期從土里取走植物收獲物,致使部分Ca、Mg元素流失,另外,潮水來時(shí)也會把地上一些植物沖走到地勢較低處而損失一些；5號剖面地上植被是8年生楊樹林,由于根系較深,能把下層的一些養(yǎng)分吸收到植物體內(nèi),所以,地表土壤和下層土壤Ca、Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有顯著變化。2種元素比較,Ca元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,范圍為12.69～22.28 g/kg,Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較低,范圍為133.7～240.8 mg/kg。

4 結(jié)論

1)隨地下水埋深度的加深,B層的土壤厚度增加。水埋深度較淺的地方土壤類型為草甸土,土壤層次構(gòu)造為A-Bu-G。水埋深度較深的地方土壤類型主要為潮土,且有一層沙一層黏的層次構(gòu)造特征。

2)東洞庭湖區(qū)域,土壤的土粒密度明顯高于常見陸地生態(tài)系統(tǒng)中的土壤土粒密度值。土壤密度隨著水埋深度的增加而增加,土壤含水率則隨水埋深度的增加而減小。

圖4 土壤Ca、Mg元素分布圖Fig.4 Soil Ca and Mg distribution

3)表層土壤有機(jī)質(zhì)的水平分布規(guī)律隨著水埋深度的加深而減小,下層土壤的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不隨水埋深度的變化而變化,基本一致。在垂直方向上,各種水埋深度下的土壤表層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于下層土壤。土壤中全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)在水平分布上均隨著水埋深度的增加而增加；在垂直方向上,表層土壤的全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于下層土壤。土壤全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)在水平分布上,隨著水埋深度的增加而減少；在垂直方向上,全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有顯著變化。土壤中Ca、Mg元素隨著水埋深度的變化沒有規(guī)律性,其中水埋深度最淺的湖心地的草甸土Ca、Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,其他樣點(diǎn)土壤中Ca、Mg元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不大。

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(責(zé)任編輯:郭雪芳)

Soil profile characteristics in wetland at different submerging depths: A case study of the East Dongting Lake

Zhang Tao1,Li Suyan1,Zhai Penghui2,Zhang Yang1,Fu Ying1
(1.School of Forestry,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China；2.Beijing Orient Landscape Limited Liability Company,100012,Beijing,China)

We studied soil profile characteristics,physico-chemical properties and nutrient distribution in wetland at different submerging depths in water of East Dongting Lake,central China.Results showed: 1)The thickness of subsurface horizon and the depth of gley horizon increased as the wetland elevation increased,with soil types distributed as meadow soil and tidal soil.2)The average soil particle density was 2.78 g/cm3and the soil bulk density varied between 0.71 -1.41 g/cm3.3)The content of organic matters ranged from 1.78%to 5.07%.It decreased with the increase of soil depth.No change of organic matter content was found in subsurface horizon.4)With the increase of wetland elevation,soil total P increased,but total K decreased.Total P in surface horizon were higher than that in subsurface horizon, but there were no significaut differences of total K between surface horizon and subsurface horizon.5) The contents of Ca and Mg in gleyed meadow soil were higher than that in the other soil types,but there were no relationships between the depth of ground water and the conteuts of Ca and Mg.

wetland soil；profile characteristics；physical and chemical properties；nutrients distribution；East Dongting Lake

S159.2

A

1672-3007(2015)04-0025-07

2013- 11- 08

2015- 01- 08

項(xiàng)目名稱:國家林業(yè)局“948”引進(jìn)項(xiàng)目“利用柳樹生態(tài)系統(tǒng)處理污水技術(shù)引進(jìn)”(2012 -4 -75)

張濤(1988—),男,博士研究生。主要研究方向:土壤修復(fù)。E-mail:zhangtao5291@126.com

?通信作者簡介:李素艷(1968—),女,博士,副教授。主要研究方向:土壤與植物營養(yǎng)。E-mail:lisuyan@bjfu.edu.cn