劉曉娟, 張玉斌, 王煜明, 董萬濤, 楊巨才, 達(dá)布希力特, 烏力吉, 孫學(xué)剛

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅鹽池灣國家級自然保護(hù)區(qū)管理局, 甘肅 肅北 736300)

濕地是陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間具有獨(dú)特水文、土壤、植被與生物特征的多功能過渡性生態(tài)系統(tǒng)，在涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)洪水徑流及生物多樣性形成等方面具有十分重要的作用[1]。濕地土壤指長期積水或在生長季積水、周期性淹水的環(huán)境條件下，生長有水生植物或濕生植物的土壤[2]。濕地土壤是濕地生態(tài)系統(tǒng)的一個重要組成部分，具有維持生物多樣性，分配和調(diào)節(jié)地表水分，過濾、緩沖、分解固定和降解有機(jī)物和無機(jī)物等功能[2]，這些功能是濕地生態(tài)系統(tǒng)得以穩(wěn)衡和發(fā)展的基石。濕地土壤與其他類型土壤都是人類賴以生存的自然資源，同時又是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要因子，只有深入研究和揭示濕地土壤的理化性質(zhì)，才可能正確認(rèn)識濕地生態(tài)系統(tǒng)并充分發(fā)揮濕地的生態(tài)功能。

甘肅鹽池灣國家級自然保護(hù)區(qū)位于甘肅省肅北蒙古族自治縣，區(qū)內(nèi)擁有濕地總面積約為1.50×105hm2，為典型的高寒濕地[3]，2018年獲批國際重要濕地。其中的約5.00×105hm2沼澤濕地是保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)的一大主體，發(fā)揮著重要的生態(tài)功能。一方面由于其優(yōu)越的水資源孕育了豐富的濕地植物資源，而濕地植物又改善了濕地土壤養(yǎng)分環(huán)境，同時優(yōu)良的植被和土壤條件為濕地的水資源起到了很好的凈化作用。另一方面，淡水沼澤由于其生態(tài)優(yōu)越性，為保護(hù)區(qū)內(nèi)的動物尤其是鳥類提供了很好的棲息和繁殖場所。因此，本文對甘肅鹽池灣國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)沼澤濕地土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行了研究，以期揭示保護(hù)區(qū)內(nèi)沼澤濕地土壤特性以及濕地土壤在濕地中的作用，為保護(hù)區(qū)的濕地保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究在位于青藏高原北緣的甘肅鹽池灣國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行，保護(hù)區(qū)內(nèi)最低海拔2 600 m，最高海拔5 483 m，山脊多在海拔4 000 m以上。保護(hù)區(qū)地處高原亞寒帶，年平均氣溫-0.8 ℃，7月平均氣溫11.7 ℃，1月平均氣溫-14.4 ℃，日平均氣溫≥10 ℃的天數(shù)62 d，海拔3 600 m以上的地區(qū)日均溫≥10 ℃的時間為零；年均降水量202.5 mm，多集中在夏季；年均蒸發(fā)量2 493.3 mm，為降水量的17.5倍；平均強(qiáng)輻射日照時間2 841.1 h，年總輻射量590.34～619.65 kJ/cm2；年均風(fēng)速3.7 m/s[3]。

2 材料與方法

2.1 土壤取樣方法

于2020年7月中旬在甘肅鹽池灣國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)選擇6處典型的沼澤濕地，在每處沼澤濕地中選擇具有代表性的沼澤濕地植被進(jìn)行土壤取樣，采樣區(qū)域概況詳見表1。采用隨機(jī)法進(jìn)行土壤取樣，每種植被類型下隨機(jī)選擇5個取樣點(diǎn)，每兩個取樣點(diǎn)間距不小于50 m。每個取樣點(diǎn)在土壤剖面的0—10，10—20，20—40，40—60 cm進(jìn)行分層取樣。每個土層取2份土壤樣品，其中1份用環(huán)刀法取樣，用于土壤孔性和水分狀況的測定，另一份取混合土樣，用于土壤養(yǎng)分含量的測定。

2.2 土壤孔性測定方法

采用環(huán)刀法測定土壤孔性各項(xiàng)相關(guān)指標(biāo)[4]，包括土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和通氣度。

2.3 土壤水分特征測定方法

采用環(huán)刀法測定土壤水分特征各項(xiàng)相關(guān)指標(biāo)[4]，包括土壤質(zhì)量含水量、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、最大蓄水量、非毛管蓄水量、毛管蓄水量和排水能力。

土壤質(zhì)量含水量(g/kg)=環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量(g)-環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量(g)×1 000/環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量(g)

(1)

土壤最大持水量(g/kg)=〔干沙上擱置12 h后環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量(g)-

環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量(g)〕×1 000/環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量(g)

(2)

土壤毛管持水量(g/kg)=〔干沙上擱置2 h后環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量(g)-

環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量(g)〕×1 000/環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量(g)

(3)

土壤最小持水量(g/kg)=〔干沙上擱置一定時間后環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量(g)-

環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量(g)〕×1 000/環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量(g)

(4)

土壤最大蓄水量(t/hm2)=土壤總孔隙度×10 000 m2×土層深度

(5)

土壤非毛管蓄水量(t/hm2)=土壤非毛管孔隙度×10 000 m2×土層深度

(6)

土壤毛管蓄水量(t/hm2)=土壤毛管孔隙度×10 000 m2×土層深度

(7)

排水能力(mm)=最大持水量(mm)-最小持水量(mm)

(8)

表1 研究區(qū)6處濕地采樣區(qū)域自然概況

2.4 土壤養(yǎng)分特征測定方法

采集的土樣風(fēng)干并去除雜質(zhì)后過0.149和2 mm的土壤篩，用于測定土壤養(yǎng)分，每個樣品重復(fù)3次。

土壤pH值采用pH計(jì)進(jìn)行測定。土壤全氮采用半微量凱氏法(LY/T1228-1999)[5]測定；土壤全磷采用鉬銻抗比色法(LY/T1232-1999)[6]測定；土壤全鉀、速效鉀采用火焰光度法(LY/T1234-1999；LY/T1236-1999)[7-8]測定；土壤水解性氮根據(jù)地方標(biāo)準(zhǔn)(DB13/T843-2007)[9]測定；土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提法(LY/T1233-1999)[10]測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法(LY/T1237-1999)[11]測定。

3 結(jié)果與分析

3.1 濕地土壤孔性

3.1.1 土壤容重 土壤容重說明土壤松緊程度及孔隙狀況，反映土壤的透水性、通氣性和根系生長的阻力狀況，是土壤物理性質(zhì)的一個重要指標(biāo)[12]。所調(diào)查的6處沼澤濕地土壤容重均表現(xiàn)出一致的變化趨勢，即在0—60 cm土層中，隨著土層深度的增加，土壤容重逐漸增大。各調(diào)查樣地中，以大德爾吉和榆林河水腦沼澤濕地的土壤容重最小，分別為0.58和0.63 g/cm3，其次為大德爾吉第一灣濕地0.82 g/cm3，鹽池灣濕地1.05 g/cm3，烏蘭布爾勒濕地1.18 g/cm3，野馬大泉濕地土壤容重最大，為1.43 g/cm3(圖1)。

3.1.2 土壤孔隙 土壤孔隙的組成直接影響土壤通氣透水性和根系穿插的難易程度[12]。土壤非毛管孔隙度在各調(diào)查樣地各土層中未表現(xiàn)出明顯的變化趨勢。土壤毛管孔隙度和土壤總孔隙度均表現(xiàn)為隨著土層加深而逐漸減小，與土壤容重的變化趨勢一致。在各調(diào)查樣地間，土壤毛管孔隙度和土壤總孔隙度均表現(xiàn)為：榆林河水腦濕地(62.93%，69.58%)>大德爾吉濕地(60.08%，67.41%)>大德爾吉第一灣濕地(53.16%，59.39%)>烏蘭布爾勒濕地(48.62%，54.52%)>鹽池灣濕地(45.91%，52.27%)>野馬大泉濕地(38.39%，46.78%)(圖1)。

3.1.3 土壤通氣度 土壤通氣性是土壤的重要特性之一，是保證土壤空氣質(zhì)量，使植物正常生長，微生物進(jìn)行正常生命活動等不可缺少的條件。土壤通氣度與土壤容重、土壤毛管孔隙度和土壤總孔隙度表現(xiàn)出同樣的變化趨勢，即隨著隨著土層加深而逐漸減小，因?yàn)殡S著土層加深，土壤逐漸變得緊實(shí)，與大氣間的氣體交換也逐漸變得困難。6個樣地間，土壤通氣度表現(xiàn)為：榆林河水腦濕地(7.78%)>大德爾吉濕地(7.02%)>大德爾吉第一灣濕地(4.93%)>野馬大泉濕地(4.67%)>鹽池灣濕地(3.50%)>烏蘭布爾勒濕地(3.45%)(圖1)。

圖1 甘肅鹽池灣國家級自然保護(hù)區(qū)沼澤濕地土壤孔隙特征

3.2 濕地土壤水分特征

3.2.1 土壤含水量 測定結(jié)果表明，各沼澤濕地0—60 cm土層土壤含水量均隨著土層加深而逐漸降低，其中，以榆林河水腦濕地土壤含水量降幅最大，在0—10 cm土層土壤含水量為2 383.65 g/kg，在40—60 cm土層土壤含水量僅為437.21 g/kg。其余各沼澤濕地中土壤含水量在各土層間變化不大。各沼澤濕地土壤平均含水量依次為：榆林河水腦濕地(1 225.75 g/kg)>大德爾吉濕地(1 006.84 g/kg)>大德爾吉第一灣濕地(625.22 g/kg)>烏蘭布爾勒濕地(504.33 g/kg)>鹽池灣濕地(492.26 g/kg)>野馬大泉濕地(345.65 g/kg)(圖2)。榆林河水腦濕地和大德爾吉濕地土壤含水量均高于土壤自身重量，說明這兩處濕地滲透率高，儲水能力強(qiáng)[13]。

3.2.2 土壤持水量 土壤持水量是反映土壤保水能力的指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，保護(hù)區(qū)內(nèi)各沼澤濕地土壤的最大持水量、毛管持水量和最小持水量均隨著土層加深而逐漸降低，表明隨著土層加深，土壤的保水能力也隨之降低。各沼澤濕地土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量均表現(xiàn)為：榆林河水腦濕地>大德爾吉濕地>大德爾吉第一灣濕地>烏蘭布爾勒濕地>鹽池灣濕地>野馬大泉濕地(圖2)。并且，榆林河水腦濕地和大德爾吉濕地土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量均顯著優(yōu)于其他各沼澤濕地，表明這兩處濕地的土壤保水能力較強(qiáng)。

3.2.3 土壤蓄水量 土壤蓄水能力是評價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)、調(diào)節(jié)水循環(huán)的主要指標(biāo)之一[14]。各沼澤濕地土壤毛管蓄水量和總蓄水量均表現(xiàn)為：榆林河水腦濕地(629.35 t/hm2，695.73 t/hm2)>大德爾吉濕地(600.83 t/hm2，674.13 t/hm2)>大德爾吉第一灣濕地(531.64 t/hm2，593.87 t/hm2)>烏蘭布爾勒濕地(486.18 t/hm2，545.20 t/hm2)>鹽池灣濕地(459.04 t/hm2，522.66 t/hm2)>野馬大泉濕地(383.95 t/hm2，467.78 t/hm2)(圖2)。由測定結(jié)果可見，榆林河水腦濕地和大德爾吉濕地土壤貯蓄水的能力最強(qiáng)，這兩處濕地的水源涵養(yǎng)功能強(qiáng)于其他各濕地。但土壤非毛管蓄水量在各濕地間呈現(xiàn)不同趨勢，表現(xiàn)為：野馬大泉濕地(83.87 t/hm2)>大德爾吉濕地(73.29 t/hm2)>榆林河水腦濕地(66.45 t/hm2)>鹽池灣濕地(63.62 t/hm2)>大德爾吉第一灣濕地(62.33 t/hm2)>烏蘭布爾勒濕地(59.01 t/hm2)(圖2)。

3.2.4 土壤排水能力 不同濕地的最大、最小持水能力不同，所以排水能力有一定差異。所調(diào)查的6處沼澤濕地排水能力的平均值為：野馬大泉濕地(17.77 mm)>榆林河水腦濕地(17.29 mm)>大德爾吉濕地(12.80 mm)>烏蘭布爾勒濕地(11.76 mm)>鹽池灣濕地(10.80 mm)>大德爾吉第一灣濕地(10.36 mm)(圖2)。這說明烏蘭布爾勒濕地、鹽池灣濕地和大德爾吉第一灣濕地能有效保持水分，而野馬大泉濕地、榆林河水腦濕地和大德爾吉濕地能有效調(diào)節(jié)徑流，降低洪澇自然災(zāi)害。

圖2 甘肅鹽池灣國家級自然保護(hù)區(qū)沼澤濕地土壤水分特征

3.3 濕地土壤養(yǎng)分特征

3.3.1 有機(jī)質(zhì) 由圖3可見，各沼澤濕地土壤有機(jī)質(zhì)含量均在0—10 cm土層最高，隨著土層加深，有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低。濕地土壤表層為草皮層，是植物根系的集中分布區(qū)，植物根系的分布直接影響土壤中有機(jī)碳的垂直分布，因?yàn)榇罅克栏母鈿w還，為土壤提供了豐富的碳源，而土壤表層生物積累量較大，上部土層較下部土層的生物歸還量大，土壤有機(jī)質(zhì)的積累量也相應(yīng)較大。各調(diào)查沼澤濕地中，以榆林河水腦沼澤濕地土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，平均達(dá)222.69 g/kg。其余沼澤濕地土壤有機(jī)質(zhì)含量均遠(yuǎn)小于榆林河水腦沼澤濕地，依次為：大德爾吉濕地(91.67 g/kg)>鹽池灣濕地(51.22 g/kg)>大德爾吉第一灣濕地(50.83 g/kg)>烏蘭布爾勒濕地(33.97 g/kg)>野馬大泉濕地(6.91 g/kg)(圖3)。

3.3.2 水解性氮和全氮 通常情況下，土壤氮的來源以內(nèi)循環(huán)為主，其中重要的來源途徑為凋落物的歸還。因此，濕地土壤水解性氮含量與有機(jī)質(zhì)含量的變化趨勢基本一致，也表現(xiàn)為表層土壤水解性氮含量最高，并隨著土層加深而逐漸降低。其中，榆林河水腦沼澤濕地土壤水解性氮含量最高，平均達(dá)3 090.35 mg/kg。其余沼澤濕地土壤水解性氮含量均遠(yuǎn)小于榆林河水腦沼澤濕地，依次為：大德爾吉濕地(2 101.13 mg/kg)>大德爾吉第一灣濕地(1 435.25 mg/kg)>鹽池灣濕地(857.73 mg/kg)>烏蘭布爾勒濕地(777.63 mg/kg)>野馬大泉濕地(320.53 mg/kg)(圖3)。

圖3 甘肅鹽池灣國家級自然保護(hù)區(qū)沼澤濕地土壤養(yǎng)分特征

土壤全氮含量的消長取決于有機(jī)質(zhì)的積累和分解作用的相對強(qiáng)度。因此，全氮含量表現(xiàn)不同，以大德爾吉濕地土壤全氮含量最高，平均含量為8.05 g/kg。其次為烏蘭布爾勒濕地(6.48 g/kg)，榆林河水腦濕地(5.90 g/kg)，大德爾吉第一灣濕地(5.68 g/kg)和鹽池灣濕地(3.75 g/kg)，野馬大泉濕地全氮含量最低，僅為1.04 g/kg(圖3)，表明該濕地立地條件較差。各沼澤濕地土壤全氮含量也表現(xiàn)出隨土層加深而逐漸降低的趨勢。

3.3.3 速效磷和全磷 所調(diào)查的濕地土壤速效磷和全磷含量均隨土層加深而逐漸降低，在土壤表層含量達(dá)到最大。速效磷和全磷含量在各沼澤濕地間表現(xiàn)出基本一致的變化趨勢，其中，速效磷含量表現(xiàn)為：大德爾吉濕地(172.24 mg/kg)>大德爾吉第一灣濕地(65.48 mg/kg)>烏蘭布爾勒濕地(51.81 mg/kg)>鹽池灣濕地(49.78 mg/kg)>榆林河水腦濕地(41.92 g/kg)>野馬大泉濕地(20.09 mg/kg)，全磷含量表現(xiàn)為：大德爾吉濕地(4.36 g/kg)>大德爾吉第一灣濕地(3.96 g/kg)>烏蘭布爾勒濕地(3.52 g/kg)>榆林河水腦濕地(1.79 g/kg)>鹽池灣濕地(1.15 g/kg)>野馬大泉濕地(0.70 g/kg)(圖3)。

3.3.4 速效鉀和全鉀 由于土壤中普遍存在鉀的固定現(xiàn)象，而鉀的固定又和多種外在因素相關(guān)，因此，所調(diào)查濕地土壤中的速效鉀和全鉀含量在各濕地間表現(xiàn)不一致。土壤速效鉀含量在各濕地中依次為：大德爾吉濕地(226.91 mg/kg)>大德爾吉第一灣濕地(169.49 mg/kg)>榆林河水腦濕地(155.94 mg/kg)>鹽池灣濕地(126.61 mg/kg)>烏蘭布爾勒濕地(111.01 mg/kg)>野馬大泉濕地(29.88 mg/kg)，而全鉀含量在各濕地中依次為：鹽池灣濕地(14.30 mg/kg)>烏蘭布爾勒濕地(12.47 mg/kg)>榆林河水腦濕地(10.87 mg/kg)>大德爾吉濕地(8.79 mg/kg)>大德爾吉第一灣濕地(7.89 mg/kg)>野馬大泉濕地(6.04 mg/kg)(圖3)。

3.3.5 pH值變化特征 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，各沼澤濕地土壤pH值均大于7，呈堿性。各沼澤濕地土壤堿性由強(qiáng)到弱依次為：大德爾吉第一灣濕地(8.75)>烏蘭布爾勒濕地(8.72)>野馬大泉濕地(8.21)>鹽池灣濕地(8.02)大德爾吉濕地(7.91)>榆林河水腦濕地(7.75)，但各濕地土壤pH值相差不大(圖3)。濕地土壤pH值的測定結(jié)果與濕地水資源pH值的測定結(jié)果基本一致[3]，均表明保護(hù)區(qū)濕地環(huán)境偏堿性。

4 討論與結(jié)論

(1) 隨著土層深度的增加，保護(hù)區(qū)內(nèi)各沼澤濕地土壤逐漸變得緊實(shí)，通氣性下降，水分條件和養(yǎng)分條件均呈現(xiàn)出下降的趨勢。

所調(diào)查的各沼澤濕地中，生長著一年生和多年生草本，這些草本植物的根系主要分布在土壤淺層，植物殘?bào)w和枯落物的積累和分解也主要在土壤淺層進(jìn)行。因此，淺層土壤的結(jié)構(gòu)比較疏松，并且能有效的保持土壤水分[13]，具有較好的養(yǎng)分環(huán)境。而隨著土層加深，植物根系逐漸減少并消失，礦物質(zhì)含量增加，土壤逐漸變得緊實(shí)，通氣性也隨之下降。

(2) 所調(diào)查的各處沼澤濕地中，榆林河水腦和大德爾吉濕地土壤的土質(zhì)疏松，通氣性較好，有著較為優(yōu)越的水分條件和養(yǎng)分條件，并且具有較強(qiáng)的貯蓄水分和涵養(yǎng)水源的能力。而野馬大泉濕地能夠快速容納降水并及時下滲，可有效調(diào)節(jié)徑流。

榆林河水腦和大德爾吉濕地是植被發(fā)育最好的兩處濕地，群落蓋度達(dá)90%，并且植物種類最為豐富，在土壤淺層形成氈狀草皮層，能夠有效的保持土壤水分。同時，大量的植物殘?bào)w長期處于水淹條件下，使許多營養(yǎng)物質(zhì)沉積在土壤中，從而增加了土壤肥力。野馬大泉濕地為海拔最高的一處濕地，植物群落蓋度較低，僅為75%，但土壤容重最大，為1.43 g/cm3。馬維偉等[15]研究表明，土壤容重與土壤持水量呈負(fù)相關(guān)，而與土壤排水能力呈較強(qiáng)的正相關(guān)性，本研究結(jié)果與馬維偉等的研究結(jié)果一致，表明野馬大泉沼澤濕地可有效調(diào)節(jié)徑流，降低洪澇等自然災(zāi)害的發(fā)生。