張雪冰+閆玉琴+陳國(guó)靜+申衛(wèi)博+王國(guó)棟

摘要：通過(guò)對(duì)陜西毛烏素沙地典型湖濱帶濕地有機(jī)碳和氮素的空間分布特征進(jìn)行研究，為探討濕地生態(tài)系統(tǒng)如何在沙化環(huán)境下發(fā)揮其特有的功能提供科學(xué)依據(jù)。在巴嚇采當(dāng)湖泊湖濱帶A～F類(lèi)型區(qū)采集土壤，測(cè)定土壤的有機(jī)碳、全氮、有機(jī)氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮等指標(biāo)。利用方差分析、Spearman相關(guān)性分析和主成分分析等方法分析對(duì)湖濱帶有機(jī)碳、氮素空間分布特征進(jìn)行研究。土壤表層0～10 cm的有機(jī)碳和全氮含量隨水位升高呈增加趨勢(shì)。除了銨態(tài)氮外，有機(jī)碳、全氮、有機(jī)氮和硝態(tài)氮含量垂直分布上隨著土壤深度增加呈降低趨勢(shì)。 土壤有機(jī)碳、全氮含量分別與全磷、土壤容重、含水率、水位顯著相關(guān)。銨態(tài)氮和全磷、含水率、土壤容重、全氮、有機(jī)碳和水位等顯著相關(guān)。硝態(tài)氮與微生物生物量碳、氮的相關(guān)系數(shù)分別為r=0.637和r=0.617（中度正相關(guān)）。有機(jī)碳及氮素的含量與土壤粘粒含量相關(guān)性不高。主成分分析提取3個(gè)主成分，累積貢獻(xiàn)率達(dá)76.15%。土壤全磷、土壤含水率、土壤容重和水位是影響湖濱帶土壤有機(jī)碳、氮素空間分布的主要因子。

關(guān)鍵詞：湖濱帶；有機(jī)碳 ；全氮； 分布特征；水位

中圖分類(lèi)號(hào)：S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

濕地是自然界具有最富生物多樣性的生態(tài)景觀之一，并且是人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境[1]，也是陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)間的過(guò)渡帶，具有極高的資源開(kāi)發(fā)價(jià)值和環(huán)境調(diào)節(jié)功能[2]。全球濕地有機(jī)碳儲(chǔ)量約為450 Gt（1 Gt=109 t），占陸地生態(tài)圈表層碳總儲(chǔ)量的20%～30%[3]，但濕地面積僅占陸地總面積的4%～6%[4]。濕地碳庫(kù)在全球碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用[5]。氮素作為限制濕地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)因子[6]，其含量及其遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程顯著影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能[7]，所以氮循環(huán)一直是濕地科學(xué)研究熱點(diǎn)。

湖濱帶是湖泊濕地水陸生態(tài)交錯(cuò)帶的一種類(lèi)型，湖泊湖濱帶同時(shí)受到湖泊和陸地作用的共同影響，是一個(gè)脆弱的邊緣地帶。湖濱帶這個(gè)緩沖區(qū)對(duì)于發(fā)揮湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)功能有著重要作用[8-9]。湖濱帶具有污染物截留與凈化、控制沉積和侵蝕等功能[10-11]。有機(jī)碳和氮素是土壤重要的營(yíng)養(yǎng)元素，是衡量濕地環(huán)境質(zhì)量的參考標(biāo)準(zhǔn)，其含量直接影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮[8]。

毛烏素沙地是鄂爾多斯高原與黃土高原之間的過(guò)度地帶，是具有特殊地理景觀的生態(tài)過(guò)度帶。本實(shí)驗(yàn)選取毛烏素沙地典型湖泊巴嚇采當(dāng)作為研究對(duì)象，在湖泊湖濱帶采集土壤樣品，研究了該區(qū)域內(nèi)有機(jī)碳和氮素的空間分布特征。這為發(fā)揮毛烏素沙地中濕地的生態(tài)系統(tǒng)功能和治理毛烏素沙地沙漠化提供一定的科學(xué)借鑒。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于巴嚇采當(dāng)湖泊巴嚇采當(dāng)，地處東經(jīng)：109°47′，北緯：38°54′，海拔1 274.9 m。巴嚇采當(dāng)位于毛烏素沙地東南緣，是禿尾河河源區(qū)典型湖泊。因湖濱帶水位不同，分為6種類(lèi)型區(qū)A～F，各類(lèi)型區(qū)的植被分布受到水位的影響（見(jiàn)表1），各類(lèi)型區(qū)水位變化為A（-50 cm）>B（-20 cm）>C（-10 cm）>D（10 cm）>E（40 cm）>F（60 cm），上述各類(lèi)型區(qū)的水位為湖泊豐水期（7月-9月）測(cè)定。各類(lèi)型區(qū)的水位直接影響各類(lèi)型區(qū)的土壤含水量，即含水量從A至F逐漸降低。由此，將A和B定義為水淹層，C和D定義為干濕區(qū)，E和F為干旱區(qū)。

1.1.2 樣品的采集

2014年9月，在巴嚇采當(dāng)?shù)?個(gè)類(lèi)型區(qū)分別隨機(jī)選取9個(gè)采樣點(diǎn)，采集0～40 cm土壤，分為0～10 cm，10～20 cm和20～40 cm三層，共采集162個(gè)土壤樣品。將采集的土壤樣品封存于無(wú)菌塑料袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室。土壤樣品自然風(fēng)干后，研磨后過(guò)篩為1 mm和0.25 mm粒徑的土壤樣品。6個(gè)類(lèi)型區(qū)分別隨機(jī)布設(shè)9個(gè)1 m×1 m樣方，測(cè)定植物各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，其中采集樣方內(nèi)植物地上部分，在80 ℃烘干24 h后稱(chēng)量生物量。

1.2分析方法

1.2.1 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定

土壤有機(jī)碳采用重絡(luò)酸鉀外加熱容量法測(cè)定，全氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用2 mol·L-1KCl侵提—靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，有機(jī)氮含量等于全氮含量減去銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，全磷采用HClO4-H2SO4法測(cè)定，微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測(cè)定。土壤pH值采用pH計(jì)測(cè)定（m（土）：V（水）=1.0：2.5）。土壤粒徑采用激光粒度分析儀測(cè)定。土壤含水率采用烘[HJ1.73mm]干法測(cè)定，土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定。碳氮比采用物質(zhì)的量比值。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

方差分析土壤C、N在各個(gè)類(lèi)型區(qū)的差異性。Spearman相關(guān)性分析和主成分分析土壤有機(jī)碳、氮素和其他環(huán)境因子間的關(guān)系。統(tǒng)計(jì)分析采用IBM SPSS Statistical 22，圖表繪制采用SigmaPlot12.5。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境因子的空間分布變化

如表2所示，湖濱帶區(qū)域的pH值為6.57～7.49，濕地土壤為偏酸性，各類(lèi)型區(qū)pH值具有顯著性差異（p<0.01）。土壤全磷含量在水平方向上按大小排序?yàn)?～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隨土壤深度增加有降低趨勢(shì)，其中表層0～10 cm的全磷含量占0～40 cm層土壤的40%～54%。土壤含水率基本遵循水淹層（A+B）>干濕區(qū)（C+D）>干旱區(qū)（E+F）。濕地土壤顆粒組成中98%以上為砂粒，土壤質(zhì)地為砂土。

2.2 湖濱帶土壤有機(jī)碳、氮素空間分布變化

土壤有機(jī)碳作為衡量土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，也是生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的重要組成部分。由圖1可以看出，巴嚇采當(dāng)湖濱帶濕地有機(jī)碳含量在0～10 cm分布為A>B>C>D>E>F，含量為17.82～44.81 g/kg，10～20 cm為A>C>B>E>D>F，含量為2.99～43.89 g/kg，20～40 cm分布為A>B>C>E>D>F，含量為1.77～11.26 g/kg。在垂直方向上，有機(jī)碳含量隨著土壤深度增加呈降低趨勢(shì)。其中表層0～10 cm土壤有機(jī)碳含量占0～40 cm層土壤的44～78%，原因可能是植被對(duì)土壤有機(jī)碳有表層富集作用。植被對(duì)湖濱帶土壤有機(jī)碳含量的影響主要發(fā)生在土壤表層，這與謝文霞等[12]和郭二輝等[13]研究河流濕地植被對(duì)土壤表層有機(jī)碳含量影響顯著結(jié)論一致，植物形成枯落物補(bǔ)充土壤碳，不受濕地類(lèi)型影響。土壤表層0～10 cm全氮含量水平分布為A>B>C>D>E>F，含量為1.59～3.25 g/kg，土壤10～20 cm層全氮水平分布為A>C>B>E>D>F，含量為0.27～3.06 g/kg，土壤20～40 cm層全氮水平分布為A>B>C>E>D>F，含量為0.15～0.90 g/kg。濕地覆水區(qū)常年積水，微生物活動(dòng)弱，全氮分解程度低，這是類(lèi)型區(qū)A、B、C全氮含量高于類(lèi)型區(qū)D、E、F的主要原因。有機(jī)氮含量的水平分布與全氮相同，原因是全氮的主要部分為有機(jī)氮。同時(shí)對(duì)比數(shù)據(jù)可知湖濱帶濕地0～40 cm層的全氮和有機(jī)氮含量隨土壤深度增加呈降低趨勢(shì)。

由圖2知湖濱帶濕地表層表層0～10 cm的全氮占土壤0～40 cm層的45%～79%，湖泊濕地全氮含量均富集于0～10 cm，呈“倒金字塔”分布，這與卜曉燕等[14]研究結(jié)論湖泊濕地全氮含量富集于0～10 cm相同?？梢?jiàn)植被對(duì)土壤全氮有頂層富集作用，可能與植被枯落物形成腐殖質(zhì)層有關(guān)。如圖4所示銨態(tài)氮水平分布為：0～10 cm為A>B>C>F>E>D，10～20 cm為A>B>C>F>D>E，20～40 cm為A>C>B>F>E>D。垂直分布中銨態(tài)氮含量隨著土壤深度增加呈降低趨勢(shì)并不明顯。如圖5所示硝態(tài)氮水平分布為：0～10 cm為E>F>A>C>B>D，10～20 cm為A>E>F>C>B>D，20～40 cm為 A>C>E>F>B>D。硝態(tài)氮水分分布與全氮不同，水淹區(qū)和干濕區(qū)受到規(guī)律性淹水影響，促使硝態(tài)氮淋失。硝態(tài)氮含量垂直分布中隨著土壤深度增加呈降低趨勢(shì)。圖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，類(lèi)型區(qū)D、F碳氮比值較大，這可能是該區(qū)干濕交替的環(huán)境有助于有機(jī)質(zhì)和有機(jī)氮的礦化分解[12、15]。其中C/N比值最大值為22.85，最小值為12.72，平均值為15.40，Zhang等[16]在雙臺(tái)子河濕地研究結(jié)構(gòu)C/N比值達(dá)16.15，這可能與巴嚇采當(dāng)湖泊地處沙地，碳含量低而植物枯落物補(bǔ)充全氮有關(guān)。

2.3 湖濱帶濕地土壤有機(jī)碳、氮素與其他環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系

由表3知，土壤全氮和有機(jī)碳、全磷、土壤容重、土壤含水率（p=0.01）和水位顯著相關(guān)（p=0.05），其中全氮和有機(jī)碳相關(guān)系數(shù)r=0.996（p=0.01）。湖濱帶土壤0～40 cm層的有機(jī)碳和全氮遵循相同的分布規(guī)律，這與毛志剛等[2]研究濱海濕地土壤有機(jī)碳、全氮分布變化趨勢(shì)一致結(jié)論相同，可見(jiàn)不同類(lèi)型濕地之間土壤有機(jī)碳、全氮相關(guān)性不變。有機(jī)碳、全氮和土壤容重之間均存在顯著的相關(guān)性，這與石福臣等[17]研究河流濕地有機(jī)碳、全氮和容重之間相關(guān)性結(jié)果一致，可見(jiàn)土壤容重與有機(jī)碳、全氮的相關(guān)性不受濕地類(lèi)型影響。銨態(tài)氮與土壤全磷、土壤含水率、土壤容重、全氮、有機(jī)碳（p=0.05）和水位（p=0.05）等顯著相關(guān)。硝態(tài)氮與微生物生物量碳、氮的相關(guān)系數(shù)分別為r=0.637和r=0.617（中度相關(guān)），這可能與微生物的硝化與反硝化作用相關(guān)。有機(jī)碳和氮素與土壤黏粒相關(guān)性不高，這與Wang等[18]研究結(jié)果不一致，可能與巴嚇采當(dāng)土壤質(zhì)地為砂土，土壤顆粒組成中，黏粒含量低有關(guān)。

2.4 湖濱帶濕地土壤有機(jī)碳、氮素與其他環(huán)境因子的主成分分析

根據(jù)特征值大于1的原則提取了3個(gè)主成分（表4），其特征值分別為5.096，2.638和1.403，累積貢獻(xiàn)率達(dá)76.15%，它們能反映出毛烏素沙地典型湖濱帶濕地12項(xiàng)指標(biāo)的76.15%的信息。其中F1的貢獻(xiàn)率為42.47%，與濕地的有機(jī)碳，全氮，有機(jī)氮和全磷高度相關(guān)，與土壤含水率和土壤容重有較高的相關(guān)性。F2的貢獻(xiàn)率為21.98%，與濕地土壤的顆粒組成高度相關(guān)。F3的貢獻(xiàn)率為11.70%，與濕地土壤硝態(tài)氮和pH有較高的相關(guān)性。

2.5 不同濕地營(yíng)養(yǎng)元素含量

表5列出了不同類(lèi)型濕地有機(jī)碳和全氮含量的對(duì)比，巴嚇采當(dāng)湖濱帶土壤有機(jī)碳和全氮含量較其他類(lèi)型濕地含量高，尤其是覆水區(qū)。湖濱帶土壤氮素的來(lái)源主要是植物的枯落物，該區(qū)域蘆葦、狹葉香蒲等植物長(zhǎng)勢(shì)良好，植物的凋落物對(duì)土壤的碳氮?dú)w還作用比較明顯。而覆水區(qū)抑制了土壤呼吸，降低了有機(jī)碳和全氮的分解效率。另一方面，人為干擾作用，包括使用化肥農(nóng)藥、洗滌等，在一定程度上都使得巴嚇采當(dāng)湖濱帶土壤營(yíng)養(yǎng)元素增加。

3 結(jié)論

毛烏素沙地典型湖濱帶土壤表層0～10 cm有機(jī)碳、全氮含量隨土壤水位升高而增加，水淹區(qū)（A、B）>干濕區(qū)（C、D）>干旱區(qū)（E、F），但土壤10～40 cm層有機(jī)碳和全氮變化規(guī)律不明顯。除銨態(tài)氮外，土壤有機(jī)碳、全氮、有機(jī)氮和硝態(tài)氮含量隨土壤深度增加呈降低趨勢(shì)。土壤有機(jī)碳與氮素和全磷、土壤容重、土壤含水率和水位顯著相關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，土壤全磷、土壤含水率、土壤容重和水位是影響毛烏素沙地湖濱帶有機(jī)碳、氮素空間分布的主要因子。有機(jī)碳和氮素的含量與土壤黏粒相關(guān)性不高，這有異之前的研究結(jié)論。與其他類(lèi)型濕地相比，巴嚇采當(dāng)湖濱帶有機(jī)碳、氮素含量較高。

本文研究了巴嚇采當(dāng)湖濱帶土壤有機(jī)碳和氮素的空間分布，為毛烏素沙地的治理與恢復(fù)提供科學(xué)參考。在進(jìn)行毛烏素沙地濕地修復(fù)過(guò)程中，通過(guò)添加合適改良劑提高土壤黏粒含量，以便增強(qiáng)濕地的儲(chǔ)碳固碳功能。

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