若爾蓋典型淤泥濕地土壤有機(jī)碳和全氮分布特征

若爾蓋典型淤泥濕地土壤有機(jī)碳和全氮分布特征

粘土沼澤的起源與水文的動力學(xué)密切相關(guān)。水文條件的變化和穩(wěn)定是影響粘土沼澤性質(zhì)及其發(fā)展的直接原因。（彭格林和劉光華，1999）。地下水位下降后泥炭地系統(tǒng)將繼續(xù)積累碳,但固碳能力將會因?yàn)槌霈F(xiàn)更多的干旱而減小,同時(shí)增加泥炭地發(fā)生火災(zāi)的幾率(Houghton,2001)。水位下降會導(dǎo)致泥炭地泥炭厚度的急劇下沉(Minkkinen&Laine,1998)、土壤有機(jī)碳的分解(Sulmanetal.,2009)和濕地碳“匯”功能的減弱(Talbotetal.,2010)。例如,芬蘭、瑞典和荷蘭的科學(xué)家曾聯(lián)合考察了歐洲泥炭地排水后轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田對溫室氣體排放的影響,發(fā)現(xiàn)盡管濕地被排干后CH4排放量減少,甚至完全停止,但由于CO2的排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了CH4的減少量,導(dǎo)致溫室氣體排放當(dāng)量是未開墾前的5～23倍(Kasimir-Klemedtssonetal.,1997)。在芬蘭南部,羊胡子草(Eriophorumvaginatum)泥炭沼澤在排干水后碳固定能力為0,在恢復(fù)后,其固碳能力為54～101gC·m-2·a-1(Koulainenetal.,1999)。但是,地下水位對高海拔濕地土壤有機(jī)碳氮的影響研究仍存在空白。若爾蓋濕地海拔3500m,是我國面積最大的高原泥炭沼澤濕地,也是我國最大的碳庫(孫廣友,1992)。20世紀(jì)60年代以來,為了發(fā)展牧業(yè),若爾蓋進(jìn)行了大規(guī)模的挖溝排水活動,加之全球氣候變化,導(dǎo)致若爾蓋濕地地下水位下降,大片濕地消失,具有釋放巨大溫室氣體的潛力,因而成為了國內(nèi)研究的熱點(diǎn)區(qū)域。在若爾蓋開展了大量有關(guān)土壤碳、氮循環(huán)的研究,主要集中在:利用“3S”技術(shù)進(jìn)行的景觀演變和土壤有機(jī)碳研究(高俊琴等,2007;李紅梅,2009);溫度、濕度和土壤含水量等因素對土壤氮礦化影響(高俊琴等,2008a,2008b);恢復(fù)演替過程土壤碳、氮變化和不同土壤類型土壤碳、氮含量分布規(guī)律(田應(yīng)兵等,2003,2004,2005;高俊琴等,2006)。有研究表明,若爾蓋濕地存在嚴(yán)重的退化趨勢,水分是影響土壤碳、氮含量的重要因素,然而,作為最重要的反映水文動態(tài)的重要因子——地下水位對若爾蓋濕地土壤碳、氮含量具體影響的研究目前仍比較缺乏。本文于2009年7月在若爾蓋進(jìn)行了不同地下水位土壤有機(jī)碳、全氮和碳氮比的分布規(guī)律以及水位、容重、pH等環(huán)境影響因素研究,旨在深入地理解自然和人為導(dǎo)致的地下水位變化對泥炭濕地有機(jī)碳、氮分布的影響和系統(tǒng)響應(yīng),為理解和預(yù)測氣候變化對泥炭濕地可能造成的影響提供資料。1材料和方法1.1土壤、地下水位測量研究區(qū)位置處于若爾蓋西部丘狀高原,四川省若爾蓋濕地國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)。海拔3500m,地理坐標(biāo)為33°30′27″N—33°30′27″N,102°39′50″E—102°39′51″E。該地氣候類型屬于大陸性季風(fēng)高原氣候,氣候寒冷,四季不明,年平均氣溫0.7℃。多年平均降雨量657mm,其中,86%多集中降于4月下旬—10月中旬(張曉云,2003)。研究地的植物群落是以木里苔草(Carexmuliensi)為單優(yōu)勢種的群落類型,植被蓋度約87%,主要植物種類還包括溪木賊(Equisetumfluviatile)、驢蹄草(Calthapolustris)、川陜金蓮花(Trolliusbuddae)、四川嵩草(Kobresiasetchwanensis)等。研究地地貌為閉流寬谷,周圍群山環(huán)繞,中間地勢平坦,排水不暢,發(fā)育大量沼澤,地表季節(jié)性積水。該地區(qū)的土壤類型有泥炭土、泥炭沼澤土和草甸土。樣地土壤以泥炭土為主,泥炭層深度為2m左右,土壤呈酸性。選擇發(fā)育良好的木里苔草群落,沿著地勢形成的自然水位梯度作為樣地選擇的依據(jù),按照地勢高低埋入7根PVC管監(jiān)測地下水位距離地表的距離,PVC管內(nèi)徑為2.5cm,為了便于地下水滲入,埋入前堵PVC管一端,繞管壁打孔,管上每隔10cm打一圈孔。每圈4個孔,孔內(nèi)徑約為3.2mm,2個相鄰孔隙的角度約90°。埋入地下的管長為120～150cm。水位測量是用鋼尺測量PVC管中水面與地表間的距離。預(yù)實(shí)驗(yàn)后選擇其中4個水位梯度作為固定采樣點(diǎn),按照地勢由高到低(即地下水位距地表距離遠(yuǎn)近)分別記為GT1、GT2、GT3和GT4樣地,于2009年6—9月生長季每月進(jìn)行一次地下水位測定,4個采樣點(diǎn)(GT1、GT2、GT3和GT4)的地下水位均值為-53.4、-31.35、-11.50和-4.75cm。其土壤(0～50cm)、植被和地下水位特征見表1。1.2土壤樣品的采集2009年7月,在研究區(qū)進(jìn)行了土壤采集。每個采樣點(diǎn)挖取3個50cm深的土壤剖面,10cm為一層進(jìn)行分層取樣。樣品分為2份,一份直接用環(huán)刀法進(jìn)行采樣,測定容重(胡啟武等,2006)。另一份土壤樣品進(jìn)行pH及土壤有機(jī)碳和全氮等測定。實(shí)驗(yàn)共取土樣120袋。用四分法取部分樣品自然風(fēng)干后經(jīng)研磨,過100目篩,裝袋備用。1.3氮測定方法土壤有機(jī)碳測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法,土壤全氮測定采用凱氏定氮法(魯如坤,2000;高俊琴等,2008),pH用電位法,容重的測量用環(huán)刀法,地下水位的測定是用鋼尺測量PVC管中水面與地表的距離。1.4el2004數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)的處理和分析運(yùn)用SPSS16.0,圖表的制作運(yùn)用SigmaPlot11.0和Excel2003軟件。使用的主要統(tǒng)計(jì)方法單因素方差分析(one-wayANOVA)、Pearson相關(guān)分析、偏相關(guān)和回歸分析。用單因素方差分析分析梯度間和土層間的有機(jī)碳、全氮差異是否顯著(顯著水平為0.05),用相關(guān)分析研究因素間相關(guān)關(guān)系,用回歸分析兩因素間的方程關(guān)系。2結(jié)果分析2.1不同土層間土壤有機(jī)碳含量的變化4個水位梯度土壤有機(jī)碳含量介于122.42～250.38g·kg-1,樣地間土壤有機(jī)碳含量差異極顯著(P<0.01,n=12)。0～50cm土層范圍內(nèi),隨著水位的增高,土壤有機(jī)碳含量增加,GT4、GT3、GT2和GT1土壤有機(jī)碳的均值分別為250.38、198.95、183.63和122.42g·kg-1,最高水位下(GT4)的土壤有機(jī)碳含量均值是最低水位下(GT1)的2.05倍(圖1a)。GT1、GT2和GT3各樣地不同土層間有機(jī)碳含量差異均極顯著(P<0.01,n=15),GT4不同土層間土壤有機(jī)碳無顯著差異(P>0.05,n=15)。隨土壤深度的增加,GT1土壤有機(jī)碳含量遞減,GT2、GT3、GT4土壤有機(jī)碳含量波動較小(圖1a)。各樣點(diǎn)0～20cm土層有機(jī)碳積累較多,分別占總有機(jī)碳的比例為52.9%(GT1)、47.5%(GT2)、49.8%(GT3)、41.5%(GT4)。通過對各樣點(diǎn)變化幅度分析得出,GT1、GT2、GT3、GT4的土壤有機(jī)碳含量沿深度變化的幅度存在顯著差異(P<0.01,n=12)(表2),各樣點(diǎn)沿土壤剖面0～50cm內(nèi)的變異系數(shù)均值為:GT1(34.8%)>GT2(30.2%)>GT3(26.4%)>GT4(5.2%),GT4變異系數(shù)最小,GT1最大,GT1變幅是GT4的6.62倍。對土壤含碳量變化進(jìn)行分層比較后發(fā)現(xiàn),各樣點(diǎn)表層0～20cm有機(jī)碳含量下降速度最快,其變異系數(shù)分別為26.4%、41.6%、22.5%、5.0%,均大于同樣點(diǎn)的其他層。2.2土壤全氮含量4個水位梯度土壤全氮含量介于7.50～15.92g·kg-1。土壤全氮分布總體趨勢與土壤有機(jī)碳規(guī)律較為相似(圖1b),4個水位梯度土壤全氮含量差異極顯著(P<0.01,n=12)。各樣點(diǎn)土壤全氮含量為:GT4(15.92g·kg-1)>GT3(11.19g·kg-1)>GT2(10.40g·kg-1)>GT1(7.50g·kg-1),最高水位GT4的全氮值為最低水位GT1的2.12倍。GT1、GT2、GT3各土層全氮含量差異顯著(P<0.01,0.01,0.01,n=15,15,15),GT4各土層間全氮含量無顯著差異(P>0.05,n=15),與土壤有機(jī)碳規(guī)律一致。GT1、GT2、GT4全氮含量隨土壤深度遞減,GT3在40～50cm出現(xiàn)波動(圖1b)。各樣點(diǎn)0～20cm土層全氮積累較多,分別占總?cè)康?5.6%、52.8%、52.2%、43.1%。與土壤有機(jī)碳一致,各樣點(diǎn)土壤全氮含量減少的幅度隨著地下水位的降低而增加(表2),樣點(diǎn)間變異系數(shù)差異顯著(P<0.01,n=12)。變化趨勢為:GT1(41.7%)>GT2(39.1%)>GT3(30.6%)>GT4(8.1%),GT1的變幅是GT4的5.15倍。GT1、GT2和GT40～20cm變幅較大,變異系數(shù)分別為29.5%、39.1%和5.9%,大于同樣點(diǎn)的其他層。GT3的最大變幅出現(xiàn)在10～30cm,為20.7%。2.3各土層碳氮比變化4個水位梯度下的土壤碳氮比為15.76～18.16(表2),樣點(diǎn)間差異顯著(P<0.01,n=12)。0～50cm范圍內(nèi),GT2(18.16)和GT3(18.03)碳氮比大于GT1(16.71)和GT4(15.76),GT2的碳氮比是GT4的1.15倍(圖1c)。隨土壤深度增加,土壤碳氮比增大。GT2和GT3各土層碳氮比差異顯著(P<0.05,n=15),GT1和GT4各土層間碳氮比無顯著差異(P>0.05,n=15)。各樣點(diǎn)碳氮比變異系數(shù)無顯著差異(P>0.05,n=12)。土壤碳氮比分層變異系數(shù)無明顯規(guī)律,其中GT1、GT2、GT3和GT4的最大變異系數(shù)分別出現(xiàn)在20～40cm(14.1%)、30～50cm(15.3%)、0～20cm(28.4%)和0～20cm(14.9%)。2.4影響土壤有機(jī)碳和全氮含量的主要因素2.4.1地下水位對土壤理化性質(zhì)的影響研究區(qū)2009年生長季的地下水位波動范圍為-4.75～-53.94cm(表1)。相關(guān)分析結(jié)果表明:土壤有機(jī)碳(SOC)含量和全氮(TN)含量與地下水位(WL)極顯著正相關(guān),隨著地下水位升高,土壤有機(jī)碳和全氮含量呈指數(shù)增加,回歸方程為:SOC=254.195e0.013WL(R2=0.90,P<0.01,n=12)和TN=15.097e0.013WL(R2=0.85,P<0.01,n=12)。地下水位與土壤容重值和pH值極顯著負(fù)相關(guān),地下水位值越高,土壤容重值和土壤pH值越小。土壤碳氮比與地下水位無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05,n=12)。2.4.2土壤酸性概況各樣點(diǎn)土壤pH的變化范圍是5.90～6.38(表1),土壤呈酸性。土壤pH值與土壤有機(jī)碳含量(P<0.01,n=20)、全氮含量負(fù)相關(guān)(P<0.01,n=20)(表3)。2.4.3土壤深度和土壤有機(jī)碳、土壤全氮含量的關(guān)系在本研究的0～50cm范圍內(nèi),土壤深度與土壤有機(jī)碳和土壤全氮含量負(fù)相關(guān)(P<0.01,n=20),隨著土壤深度增加,土壤有機(jī)碳和土壤全氮含量有減少的趨勢。2.4.4土壤容重與土壤有機(jī)碳、理化指標(biāo)的回歸分析各樣點(diǎn)土壤容重變化范圍為0.24～0.50g·cm-3(表1)。土壤容重與土壤有機(jī)碳含量和土壤全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01,n=20)(表3),土壤容重值越小,土壤有機(jī)碳含量和總氮含量越高。經(jīng)過回歸分析,土壤容重(SBD)與土壤有機(jī)碳(SOC)和全氮(TN)間呈較好的指數(shù)關(guān)系,回歸方程為:SOC=390.4e-2.0439SBD(R2=0.73,P<0.01,n=20)和TN=27.032e-2.478SBD(R2=0.85,P<0.01,n=20)(圖2)。土壤碳氮比與土壤容重正相關(guān)(P<0.01,n=20)(表3)。2.4.5soc、tn、n土壤有機(jī)碳和全氮之間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系,二者的線性回歸方程為:SOC=14.232TN+28.692(R2=0.95,P<0.01,n=20)(圖3)。土壤碳氮比和土壤全氮含量極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01,n=20),與土壤有機(jī)碳無顯著相關(guān)關(guān)系(表3)。3土壤有機(jī)碳和全氮含量的變化本研究表明,0～50cm土層范圍內(nèi),土壤有機(jī)碳含量和全氮都隨著水位下降而顯著下降。水文條件是濕地形成和發(fā)育中最關(guān)鍵的因子,水位升高會提高泥炭地土壤有機(jī)碳和全氮積累速率。當(dāng)土壤過濕時(shí),進(jìn)入土壤的氧氣減少,土壤缺氧,起分解作用的好氧氣微生物活動減弱或停止,所以有機(jī)質(zhì)分解率低,未分解的有機(jī)質(zhì)積累(Sahrawat,2003)。反之,土壤水分含量下降和通氣量的增加會導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)分解加速。同時(shí),水位也通過影響土壤容重和pH對土壤有機(jī)碳氮產(chǎn)生影響。本研究表明,水位與容重和pH值呈負(fù)相關(guān),而土壤容重與土壤有機(jī)碳和全氮呈正指數(shù)關(guān)系,原因是地下水位波動的干濕交替過程會引起土壤膠體的形態(tài)變化,使土壤團(tuán)聚體崩潰,土壤結(jié)構(gòu)變化,容重、粒徑和pH等物理性質(zhì)的改變使原來不能被分解的有機(jī)質(zhì)因團(tuán)聚體的分散而能夠被分解(黃昌勇,2000),所以地下水位降低,土壤容重值增大,土壤有機(jī)碳分解速率加快,有機(jī)碳含量減小。4個水位梯度下的土壤碳氮比的變動幅度在15.76～18.16,相對較低,說明在若爾蓋氣候條件下有機(jī)碳的分解速度較慢,但土壤碳氮比并沒有受到地下水位和pH值的顯著影響。地下水位的降低導(dǎo)致表層有機(jī)碳含量減少,但是垂直方向分布規(guī)律具有一致性。各樣點(diǎn)土壤有機(jī)碳和全氮含量在表層20cm內(nèi)較高,大于其他層,且變異系數(shù)也較大。土壤表層有大量未分解的枯落物,隨著深度的增加,土壤有機(jī)碳和全氮積累和分解的時(shí)間也越長。由于上層的有機(jī)質(zhì)凈積累大于下層,所以表層有機(jī)碳和全氮含量大于下層,這也與若爾蓋獨(dú)特的寒冷、潮濕的氣候條件有關(guān)。土壤容重是反映土壤性狀的重要指標(biāo),它與土壤的水熱狀況密切相關(guān)。對于濕地土壤來說,容重的大小不僅能反映出有機(jī)質(zhì)含量的高低和土壤結(jié)構(gòu)狀況,而且也是衡量濕地土壤持水性能、蓄水性能的重要指標(biāo)之一(張文菊等,2005)。本研究中若爾蓋地區(qū)的土壤容重值為0.24～0.50g·cm-3,均值為0.38g·cm-3,土壤有極強(qiáng)的保水能力,土壤質(zhì)量含水量均值約為197%。本研究表明,土壤容重與土壤有機(jī)碳和全氮間呈現(xiàn)較好的負(fù)指數(shù)關(guān)系,容重越大,土壤有機(jī)碳、全氮含量越小,這與阿拉斯加永久凍結(jié)帶泥炭地土壤有機(jī)碳和容重的研究結(jié)果一致(Bockheim&Nelson,2003),在我國其他濕地類型,如洞庭湖、三江濕地等地區(qū)的研究中也有此現(xiàn)象(彭佩欽等,2005;石福臣等,2007)。土壤酸堿度通過影響微生物活性而影響土壤有機(jī)碳和全氮含量。4個樣地土壤pH介于5.90～6.38,均值為6.06,屬于酸性環(huán)境,溫帶和亞寒帶泥炭土壤的pH均值為3.5～6.3(Dunfield,1993)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,土壤有機(jī)碳和全氮含量與pH值負(fù)相關(guān),pH值越大,土壤有機(jī)碳和全氮含量越小,這可能與分解有機(jī)質(zhì)的微生物活性有關(guān),一定范圍內(nèi),pH值增大加強(qiáng)微生物的分解活動。而碳氮比與pH值無顯著相關(guān)關(guān)系,白軍紅等(2003)在霍林河的研究表明,土壤pH值與土壤碳氮比顯著正相關(guān),與本研究不同,說明不同類型的濕地在固碳能力及其影響因素上存在差異性。同時(shí),研究表明,地下水位與土壤容重值和pH呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,水分越充足,土壤容重值和pH值相對越小,這在某種程度上可以解釋濕地退化后土壤容重變大,有機(jī)碳含量和全氮含量減少的現(xiàn)象。為了解釋地下水位是否通過間接影響容重和pH對土壤有機(jī)碳氮產(chǎn)生影響,利用偏相關(guān)分析法,排除地下水位的影響,結(jié)果表明,排除地下水位影響后,土壤容重值及pH與有機(jī)碳含量則無顯著相關(guān)關(guān)系,說明地下水位通過影響容重和pH等因素對土壤