楊靖宇，余凌帆，鄢武先，曹小軍，賈 晨

(四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081)

我國現(xiàn)有濕地面積6 594萬hm2，約占世界濕地總面積的1/10[7]。我國濕地資源類型十分豐富，除了《濕地公約》中的濕地類型之外，還擁有分布于青藏高原地區(qū)的獨(dú)特濕地類型——高寒濕地。若爾蓋高寒濕地就是其中的典型代表，若爾蓋高寒濕地面積約為100萬hm2，是世界上面積最大的高寒沼澤濕地[3]。近年來，在自然因素和人為因素的雙重影響下，特別是人工開溝排水疏干等人為干擾導(dǎo)致若爾蓋高寒沼澤濕地發(fā)生嚴(yán)重退化萎縮現(xiàn)象[8～10]。當(dāng)前濕地生物地球化學(xué)領(lǐng)域的研究基本解釋了濕地土壤中氮素的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理[3～6,11]，但在高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮素的分異特征、遷移轉(zhuǎn)化過程和影響因素等方面的研究依然有限。

本研究以若爾蓋縣喀哈爾喬具有人工挖溝排水疏干歷史特征的高寒沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，選擇泥炭沼澤(Peat marsh，PM)、沼澤草甸(Swamp meadow，SM)和草地草甸(Grass meadow，DM)3種典型高寒濕地類型的試驗(yàn)樣地，以不同濕地類型、不同層次的濕地土壤為試驗(yàn)材料，探討疏干排水背景下的典型高寒沼澤濕地氮素分異特征，以期為高寒沼澤濕地的監(jiān)測(cè)、恢復(fù)和保護(hù)提供理論參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

若爾蓋氣候?yàn)榈湫偷拇箨懶愿咴疁貛駶櫚霛駶櫦撅L(fēng)氣候，其高寒氣候特征明顯，長(zhǎng)冬無夏、霜凍期長(zhǎng)、干雨季分明。年平均氣溫0.7 ℃～1.1 ℃，年平均降水量為647 mm～753 mm，是黃河流域的多雨區(qū)，并呈冬(11月—4月)干、夏(5月—10月)濕，雨熱同季的特點(diǎn)。

研究區(qū)位于若爾蓋縣城以南13 km的班佑鄉(xiāng)多瑪村，屬于四川喀哈爾喬濕地自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)，區(qū)內(nèi)地勢(shì)以寬谷、緩丘為基本特征，由于地面平坦低洼，地表水排泄不暢，水流緩慢，形成了典型的高寒寬谷沼澤，區(qū)內(nèi)分布有50多km的人工排水溝。

1.2 樣地設(shè)置和土樣采集

2017年8月，在研究區(qū)選擇PM、SM、GM 3種濕地類型，調(diào)查訪問每種濕地類型的水位情況、土壤類型、植被類型、植被蓋度等基本概況，利用GPS測(cè)定經(jīng)緯度、海拔(見表1)。每個(gè)濕地類型設(shè)置3個(gè)樣地作為重復(fù)。每個(gè)樣地均按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 4個(gè)層次分層取樣，按梅花形采集5～7個(gè)土樣進(jìn)行混合，共采集PM、SM、GM 3種濕地類型4個(gè)土壤層次混合土樣36個(gè)，混合均勻的土樣裝入自封袋運(yùn)至室內(nèi)陰涼處晾干過篩。

表1樣地基本概況Tab.1 The characterization of sample sites

1.3 土壤指標(biāo)測(cè)定

土壤各指標(biāo)的測(cè)定或計(jì)算方法如下：土壤pH值采用電位法(水∶土=2.5∶1)，土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)和有機(jī)碳(SOC)測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，有效磷(AP)采用NaHCO3浸提-鉬銻鈧比色法，速效鉀(AK)采用NH4OAc浸提-火焰光度計(jì)法；全磷(TP)采用NaOH熔融-鉬銻鈧比色法，全鉀(TK)采用NaOH熔融-火焰光度計(jì)法；全氮(TN)采用凱氏定氮法，有效氮(EN)采用堿解擴(kuò)散法，銨態(tài)氮(AN)和硝態(tài)氮(NN)采用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定，溶解有機(jī)氮(DON)按“DON=EN-(AN-NN)”計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

研究數(shù)據(jù)用Excel 2010(Microsoft?Excel versions 2010)軟件進(jìn)行前期處理和圖表繪制，運(yùn)用SPSS 19.0(IBM? SPSS? Statistics 19)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)TN、EN、DON、NN、AN數(shù)據(jù)采用單因素方差分析(One-way ANOVA)，應(yīng)用LSD多重比較法進(jìn)行差異顯著性分析(p<0.05)，應(yīng)用Pearson檢驗(yàn)法分析土壤不同理化性質(zhì)與不同氮素組分之間的相關(guān)性。

針對(duì)以上防雷措施，小區(qū)將選用HY5WS型避雷器，特點(diǎn)是小巧輕便、機(jī)械強(qiáng)度高、便于安裝和檢修，適合在開關(guān)柜和箱變中使用。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)空間變異特征

土壤樣品的理化性質(zhì)如表2所示，在本研究中不同濕地類型土壤各理化性質(zhì)存在著明顯的空間變異。土壤pH值在5.92～8.18的范圍內(nèi)隨土壤類型的變化而降低，表現(xiàn)為PM>SM>GM，而且在不同濕地類型中都是隨著土壤層次的加深而升高，呈0～20 cm<20 cm～40 cm<40 cm～60 cm<60 cm～80 cm的分布規(guī)律。土壤有機(jī)質(zhì)在3種濕地類型土壤中均呈現(xiàn)逐層遞減的變異特征，最高平均值(399.26 g·kg-1)出現(xiàn)在SM的0～20 cm層次，在PM中除表層略低于SM外，其他各層次均在3種濕地類型中呈現(xiàn)最高水平含量。土壤全磷在GM中含量最低，而土壤全鉀在GM中的含量高于其他類型濕地土壤，在土壤層次規(guī)律上，全磷總體表現(xiàn)出逐層遞減的分布規(guī)律，表現(xiàn)為0～20 cm>20 cm～40 cm>40 cm～60 cm>60 cm～80 cm。

全鉀在PM土壤中含量范圍為15.6 g·kg-1±0.51 g·kg-1～18.82 g·kg-1±1.04 g·kg-1，層次間變異不大；而在SM和GM中最高平均值則達(dá)34.86 g·kg-1±0.54 g·kg-1，且明顯呈現(xiàn)0～20 cm<20～40 cm<40～60 cm<60～80 cm逐層遞增的變異特征。

表2不同濕地類型、不同層次土壤理化性質(zhì)Tab.2 Soil physicochemical properties in different soil layers in PM,SM and GM

2.2 土壤SOC、TN和C/N空間變異特征

從圖1可以看出，土壤SOC和TN含量隨著土層深度的增加都呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間變異特征。土壤SOC含量?jī)H有SM在0～20 cm層次達(dá)到最大值(231.59 g·kg-1±28.14 g·kg-1)，在其他層次都表現(xiàn)為PM含量最高，最低值則出現(xiàn)在GM的60 cm～80 cm層次，僅為8.50 g·kg-1±0.24 g·kg-1；TN含量不同濕地類型表現(xiàn)出一致的土壤垂向變異規(guī)律，即0～20 cm>20 cm～40 cm>40 cm～60 cm>60 cm～80 cm，且在各個(gè)層次不同濕地類型間都表現(xiàn)為PM>SM>GM。通過對(duì)相同層次不同濕地類型間的差異顯著性分析得出，PM土壤SOC和TN含量在各個(gè)層次均與SM和GM具有顯著差異(P<0.05)。各濕地類型土壤C/N比值介于8.29～26.27之間，PM整體上呈現(xiàn)較高的土壤C/N比值，SM和GM土壤C/N比值一致表現(xiàn)為隨土層加深而減低的垂向分異規(guī)律，而PM土壤則表現(xiàn)出逐層遞增的趨勢(shì)。

圖1 不同土壤層次各濕地類型SOC、TN和C/N比值變異特征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變異特征

圖2所示為不同濕地類型土壤各層次EN、AN、NN和DON含量特征。

EN在不同類型濕地土壤中均表現(xiàn)出逐層遞減的垂直變異特征(見圖2a)。各層含量水平均以PM為最高，GM為最低；除在0～20 cm層次PM與SM未表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05)外，在其他土壤層次各類型間都具有顯著差異(P<0.05)。

AN在不同濕地類型土壤中并未表現(xiàn)出明顯的垂直分異規(guī)律(見圖2b)。在SM、GM中最高值出現(xiàn)在表層，具有明顯的表層富集特征，而在PM中最高值卻出現(xiàn)在最下層。在各個(gè)層次，PM與SM均沒有顯著性差異(P>0.05)，除60 cm～80 cm層次外，PM與GM皆具有顯著性差異(P<0.05)。

NN總體呈現(xiàn)明顯的土壤層次間垂直變異規(guī)律(見圖2c)，總體含量在43 mg·kg-1±4.7 mg·kg-1～ 383.06 mg·kg-1±36.01 mg·kg-1之間，各層次以PM為最高，GM為最低。同一土壤層次，SM與GM多表現(xiàn)為差異不顯著(P>0.05)，其他各濕地類型間多表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)。

DON在不同濕地類型中表現(xiàn)出逐層遞減的垂直變異規(guī)律(見圖2d)。DON含量水平在各個(gè)土壤層次均為PM最高，GM最低；除在0～20cm層次PM與SM未表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05)外，在其他土壤層次各類型間都具有顯著差異(P<0.05)(見表3)。

2.4 不同氮素組分與土壤理化性質(zhì)間相關(guān)性

TN、EN、NN、DON均與pH、SOC、TP、TK表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而AN則表現(xiàn)出與pH值的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與TP和SOC沒有顯著相關(guān)關(guān)系。在不同氮組分之間，TN與EN、NN、DON均具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，AN與其他組分沒有顯著相關(guān)關(guān)系，EN與NN、DON具有顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)(見表3)。

3 結(jié)論與討論

濕地土壤氮素主要來源于生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物新陳代謝和固氮作用、動(dòng)物及微生物排泄物或殘?bào)w，部分氮素來源于地表徑流、降水以及大氣沉降。因此，土壤氮素主要分布于生物活動(dòng)和大氣沉降的表層區(qū)域，常常富集在垂直剖面的表層，例如在高寒地區(qū)泥炭沼澤和沼澤草甸0～30cm土層的氮儲(chǔ)量占100cm土壤層次氮儲(chǔ)量的一半以上[12]。一般來說，上層土壤氮素的含量多受氣候、植被、水分等因素的影響，而下層土壤主要受土壤結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及成土母質(zhì)的影響[13]。在本研究中，在草地草甸土壤中由于泥炭層很薄(<30 cm)，且下層開始出現(xiàn)砂質(zhì)土壤層，其全氮及氮組分含量相對(duì)泥炭沼澤都處于很低水平。

土壤有機(jī)碳分布對(duì)氮素的垂直分布具有顯著影響，土壤垂直空間上層有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)豐富，其氮素各組分含量也高[14]。本研究結(jié)果顯示土壤氮素各組分均與SOC呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)土壤全氮與有機(jī)碳含量在不同類型濕地均表現(xiàn)出一致的垂向變異變化規(guī)律，這與李麗等人的研究結(jié)果相一致[15]。

圖2 不同土壤層次各濕地類型EN、AN、NN和DON變異特征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土壤理化性質(zhì)與不同氮素組分間Pearson相關(guān)性分析Tab.3 Pearson correlation between soil physicochemical properties and nitrogen compositions

**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

有研究認(rèn)為，土壤C/N比值小于30時(shí)，有機(jī)碳會(huì)成為土壤異養(yǎng)呼吸的限制因子[16]。當(dāng)土壤C/N比值介于20～30之間，氮的固持和礦化過程處于相對(duì)平衡狀態(tài)；當(dāng)C/N比值低于20時(shí)，氮的礦化作用占優(yōu)勢(shì)[17]。已有研究發(fā)現(xiàn)無機(jī)氮增加可能減緩泥炭沼澤土壤有機(jī)碳的礦化，無機(jī)氮增加直接導(dǎo)致C/N比值的降低，說明C/N比值較低時(shí)更不利于土壤碳庫的穩(wěn)定性[18]。本研究結(jié)果顯示泥炭沼澤的C/N比值最高，其碳庫也最穩(wěn)定，而處于濕地退化逆向演替環(huán)節(jié)的草地草甸中C/N比值低至8.29，說明其土壤有機(jī)碳很容易分解礦化成為碳源，同時(shí)，氮也很容易礦化損失。因此，C/N比值作為沼澤濕地的退化具有一定指示作用。

土壤有效氮的空間分布特征反映了濕地氮素的整體供給情況，在一定程度上對(duì)濕地植被群落的生長(zhǎng)與構(gòu)成、生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要影響[c]。本研究結(jié)果表明泥炭沼澤具有更高的有效氮含量，也說明氮養(yǎng)分供給能力較強(qiáng)，因此，泥炭沼澤通常具有更豐富的生物多樣性和更高的生物量[19]。

硝態(tài)氮和銨態(tài)氮既是氮礦化作用和硝化作用的產(chǎn)物，又是大氣氮沉降的兩種主要氮素形態(tài)，具有較大的空間變異性，兩者在土壤中空間分布會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生一定影響，并導(dǎo)致土壤微生物及酶活性產(chǎn)生不同的響應(yīng)，最終影響或改變濕地土壤有機(jī)碳礦化及氮素循環(huán)過程[18,20]。本研究結(jié)果顯示，銨態(tài)氮相對(duì)硝態(tài)氮具有更大的空間異質(zhì)性，且相對(duì)其他氮組分沒有明顯的土壤層次分布規(guī)律和濕地類型間差異(圖2b)。因此，如果作為濕地生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的話，硝態(tài)氮具有更好的指示作用。

由于DON極易隨水分運(yùn)移而發(fā)生遷移，因此，人為干擾下的濕地旱化(如人為開溝排水疏干)，不僅導(dǎo)致土壤DON含量下降，還會(huì)加速土壤中DON的流失[21]。因此，DON還具有環(huán)境指示意義，特別是在濕地退化的逆向演替過程中，對(duì)其退化狀態(tài)具有很好的指示作用。胡金明等對(duì)納帕海濕地4種不同退化程度濕地土壤DON研究發(fā)現(xiàn)，土壤水分條件越差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種濕地類型就表現(xiàn)出泥炭沼澤DON含量最高，隨濕地水分特征而降低的規(guī)律性分異特征。

基于對(duì)土壤氮素不同組分空間分布特征的研究，還需一步開展高寒沼澤濕地氮素的遷移運(yùn)輸、碳氮循環(huán)耦合機(jī)制、氮素在濕地內(nèi)部要素之間的循環(huán)機(jī)制等方面的研究，進(jìn)而為退化高寒沼澤濕地的生態(tài)修復(fù)與保護(hù)實(shí)踐提供更多的數(shù)據(jù)參考和理論支撐。