尕海沼澤化草甸濕地不同地下水位土壤理化特征的比較分析

， ， *， ， ， ，

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 甘肅 蘭州730070； 2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 甘肅 蘭州730070； 3. 甘肅尕海則岔國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局， 甘肅 碌曲747200)

土壤水分物理性質(zhì)是土壤的物理性質(zhì)和與其相適應(yīng)的土壤中水分動(dòng)態(tài)的特征，反映了土壤的結(jié)構(gòu)狀況、養(yǎng)分狀況、持水性能、保水能力及滲透能力，是評(píng)價(jià)土壤理化性質(zhì)的重要指標(biāo)，也是研究土壤水分傳輸?shù)那疤岷突A(chǔ)[1]。良好的土壤水分物理性質(zhì)能夠促進(jìn)各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的礦化和轉(zhuǎn)移速度[2-3]，對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)元素的有效性和供應(yīng)能力有重要影響。因此，土壤水分物理性質(zhì)是影響生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因素， 是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

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(guò)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[4]。尕海濕地位于青藏高原東緣，是青藏高原面積最大的高原沼澤若爾蓋濕地的重要組成部分，被譽(yù)為“高原明珠”[5-6]。從20世紀(jì)50年代左右開始，由于受氣候變化及人類活動(dòng)的影響，該區(qū)高寒草甸濕地開始向自然疏干方向發(fā)展，濕地積水區(qū)面積減小、地下水位下降[7]，導(dǎo)致泥炭層厚度急劇下沉[8]，土壤有機(jī)碳分解加快、濕地碳“匯”功能減弱[9]。從而形成了一種常年積水區(qū)、季節(jié)性積水區(qū)及無(wú)積水區(qū)等不同水分梯度的濕地分布區(qū)。已有研究表明，在不同水分條件下的高寒嵩草草甸濕地土壤有機(jī)碳含量差異顯著，這將會(huì)對(duì)濕地土壤持水性能和土壤結(jié)構(gòu)性狀產(chǎn)生影響[10]，而三江平原濕地研究已經(jīng)證實(shí)不同水分梯度濕地物理特征顯著不同[11]。目前，對(duì)青藏高原濕地不同地下水位區(qū)域的土壤理化性質(zhì)的比較分析少有報(bào)道。因此，本研究選取了尕海沼澤化草甸的3個(gè)不同地下水位的區(qū)域，通過(guò)研究不同地下水位沼澤化草甸土壤的理化性質(zhì)的變化規(guī)律，旨在為高寒濕地土壤生態(tài)研究提供數(shù)據(jù)支持，并為該區(qū)高寒濕地的保護(hù)、利用與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

尕海濕地位于青藏高原東北邊緣甘肅省碌曲縣尕海-則岔國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)(33°58'12″～34°32′16″ N，102°05′00″～102°47′39″ E)，海拔3 430～4 300 m，區(qū)內(nèi)濕地面積57 846 hm2，主要為河流濕地、沼澤草甸和泥炭濕地，其中沼澤化草甸51 160 hm2，泥炭地10 429 hm2 [12]。氣候?qū)儆谇嗖馗咴瓗?、高寒濕?rùn)氣候區(qū)，年均氣溫1.2 ℃，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期，年均降水量781.8 mm，主要集中在7—9月，年蒸發(fā)量1 150.5 mm。土壤類型主要包括暗色草甸土、沼澤土和泥炭土等，植物種類以烏拉苔草(CarexmeyerianaKunth)、唐松草(ThalictrumaquilegifoliumL.var.sibiricum)、線葉蒿(ArtemisiasubulataNakai )、二裂萎陵菜(PotentillabifurcaL. )、珠芽蓼(PolygonumviviparumL. )、蕨麻(PotentillaanserinaL. )等。

1.2 樣地設(shè)置及土壤樣品采集

2014年7—8月，在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，選取尕海濕地保護(hù)區(qū)境內(nèi)典型沼澤化草甸為研究對(duì)象，按照地下水位由高到低的特征將沼澤化草甸分為高水位(SI)、中間水位(SII)、低水位(SIII)類型(3種類型高寒沼澤化草甸分布區(qū)概況見表1)。在每種地下水位的樣地內(nèi)，隨機(jī)挖取3個(gè)土壤剖面，各剖面間空間距離均>5 m，在每個(gè)土壤剖面，用環(huán)刀和鋁盒分別采集0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm土層土壤，同時(shí)在各層取土約1 kg(分別重復(fù)3 次)帶回室內(nèi)用以土壤顆粒組成分析。針對(duì)高水位(SI)土壤取樣難的問(wèn)題，試驗(yàn)首先用50×50×30 cm的鐵框隔斷地面水源，然后抽干鐵框內(nèi)的積水，快速挖取土壤剖面，進(jìn)行取樣。

1.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

用環(huán)刀浸水法測(cè)定土壤容重、孔隙度等物理指標(biāo)；用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量；土壤氮、磷先用濃硫酸-雙氧水進(jìn)行消解，冷卻后轉(zhuǎn)移到100 ml的容量瓶中(反復(fù)沖洗消解管)定容，然后采用凱氏定氮法和鉬銻抗比色法測(cè)定土壤全N和全P含量[13]。

表1 樣地基本情況Table 1 Fundamental state of sample location

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在SPSS 19.0軟件環(huán)境下用單因素方差分析和LSD多重比較法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，使用Excel 2007軟件做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地下水位樣地的土壤物理特征

2.1.1不同地下水位樣地的土壤顆粒組成 由表2可知，甘南尕海沼澤化草甸不同地下水位區(qū)域的土壤顆粒組成差異顯著。從土壤的粒徑特征來(lái)看，除SI濕地土壤以細(xì)砂(<0.2 mm)為主外，其它2種地下水位土壤均以粗砂(2～0.2 mm)為主。其中細(xì)砂粒徑均以0.2～0.1 mm含量最多，SI土壤平均細(xì)砂粒分別比SII、SIII高出了16.57%、35.22%，且差異顯著(P<0.05)；而土壤粗砂粒徑均以0.5～0.2 mm含量最多，SIII土壤平均粗砂粒分別比SII、SI高出了12.08%、31.00%，且差異顯著(P<0.05)。在土壤垂直剖面上，SIII、SII土壤粗砂總量隨土層深度的增加逐漸增大，SI土壤粗砂總量隨土層深度的增加呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，最小值為44.75%；而SIII、SII土壤細(xì)砂總量隨土層深度的增加逐漸降低，SI土壤細(xì)砂總量隨土層深度的增加呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，最大值為55.25%。

表2 不同地下水位的土壤粒徑分布Table 2 Soil particle size distribution at different groundwater levels

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同水位0～40cm層平均值的差異顯著(P<0.05)，下同；大寫字母表示各相同水位下不同土層間的差異顯著(P<0.05)，下同

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 level in the average values of 0～40 cm layers under different water levels, different capital letters indicate significant differences at the 0.05 level between different soil layers under the same water level. The same as below

2.1.2不同地下水位樣地的土壤容重 土壤容重作為評(píng)價(jià)土壤物理狀況指標(biāo)之一，在一定程度上反映了土壤肥力的好壞，其大小與土壤質(zhì)地、孔隙結(jié)構(gòu)及土壤緊實(shí)度等密切相關(guān)，可以反映土壤的孔隙狀況和貯水能力[14]。由表3可知，尕海沼澤化草甸由高水位到低水位的變化過(guò)程中，土壤容重變化較大。3種不同水位下土壤剖面的平均容重為SIII比SII、SI高出了6.94%、21.26%，且SI土壤容重顯著小于其它2種水位類型(P<0.05)。在垂直剖面上，3種不同地下水位的土壤容重均隨土層深度的增加而增大，且各土層土壤容重具有不同的差異性，其中SIII土壤容重的變化范圍在1.40～1.64 g·cm-3，SII的土壤容重在1.33～1.53 g·cm-3，SI的土壤容重在1.12～1.41 g·cm-3之間，3種區(qū)域土壤容重平均值均隨地下水位的升高依次減小。

2.1.3不同地下水位樣地的土壤孔隙度 由表3可以看出，尕海沼澤化草甸地下水位由高到低的變化過(guò)程中，土壤孔隙度變化較大。其中SI樣地的平均土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度分別比SII和SIII顯著高出了18.64%和36.19%，18.35%和35.11%，30.59%和89.74%(P<0.05)。在土壤垂直剖面上，SIII土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度均隨土層深度的增加逐漸減??；SII區(qū)域10～20 cm土層的土壤非毛管孔隙度最大，但該層土壤毛管孔隙度和總孔隙度較小；SI區(qū)域的非毛管孔隙度在0～10 cm土層最大，而毛管孔隙度和總孔隙度均在10～20 cm層最大。SIII區(qū)平均土壤通氣度分別比SII、SI高出23.43%和13.68%，但差異不顯著。在土壤垂直剖面上，3種地下水位的土壤通氣度隨土層深度的增加逐漸減小，表明尕海沼澤化草甸SI區(qū)域土壤孔隙度最好，SII區(qū)域次之，SIII區(qū)域土壤孔隙度最差。

表3 不同地下水位和土層的土壤容重和孔隙度Table 3 Soil bulk density and porosity of different groundwater levels and soil layers

2.2 不同地下水位樣地的土壤蓄水性能

由表4可知，尕海沼澤化草甸SI土壤平均最大持水量、毛管持水量、最小持水量、最大蓄水量、非毛管蓄水量比SII和SIII高出了92.95%和175.03%、92.68%和173.19%、145.97%和328.12%、14.74%和34.96%、36.15%和95.95%，土壤蓄水性能差異顯著(P<0.05)。在垂直剖面上，SIII區(qū)土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量隨土層深度的增加逐漸降低，方差分析表明差異顯著(P<0.05)，而最大蓄水量和非毛管蓄水量隨土層深度的增加呈先減小后增大的變化趨勢(shì)；SII區(qū)土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量、最大蓄水量隨土層深度的增加先減小后增大(P<0.05)，非毛管蓄水量隨土層深度的增加逐漸增大，差異不顯著；SI區(qū)土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量隨土層的變化規(guī)律與SII完全相反，SI區(qū)土壤最大蓄水量隨土層的增加之間增大。研究結(jié)果表明，濕地SI區(qū)的水源涵養(yǎng)功能強(qiáng)于其它區(qū)域，因?yàn)橥寥赖男钏恐饕Q于土壤孔隙度，孔隙度影響土壤的持水和蓄水性能，進(jìn)而影響土壤的水源涵養(yǎng)功能[15-17]。

表4 不同地下水位的土壤蓄水性能Table 4 Soil water storage performance of different groundwater levels

2.3 不同地下水位土壤的養(yǎng)分特征

3個(gè)水位梯度土壤有機(jī)碳含量介于34.92～93.35 g·kg-1，樣地間土壤有機(jī)碳含量差異顯著(P<0.05)。隨著水位的降低，土壤有機(jī)碳含量減小，最高水位下(SI) 的土壤有機(jī)碳含量均值是最低水位下(SIII) 的2. 67倍(圖 1a) 。SI、SII、SIII各樣地不同土層間有機(jī)碳含量差異顯著(P<0.05)，隨土壤深度的增加，3個(gè)水位梯度土壤有機(jī)碳含量均遞減。各樣點(diǎn)0～10 cm土層有機(jī)碳積累較多，分別占總有機(jī)碳的比例為47.34% (SI)、49.98% (SII)、47.19% (SIII)。

圖1 不同地下水位土壤各層的養(yǎng)分特征Fig.1 Nutrient characteristics of soil layers at different groundwater levels

3個(gè)水位梯度下土壤全氮含量介于1.70～3.66 g·kg-1(圖 1b)，隨著水位的降低，土壤全氮含量逐漸減小，SI樣地與SII和SIII樣地全氮含量差異顯著(P<0.05)，而SII和SIII樣地全氮含量無(wú)明顯差異。SI、SII、SIII各樣地不同土層間全氮含量差異顯著(P<0.05)，隨土壤深度的增加，SIII樣地呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，20～40 cm土層全氮積累較多，占土壤全氮的59.77%；而SI和SII樣地均呈減小的趨勢(shì)，0～10 cm土層全氮積累較多，分別占總氮的比例為51.19% (SI) 、44.78% (SII)。

3個(gè)水位梯度下土壤全磷含量介于37.63～59.82 mg·kg-1(圖 1c)，隨著地下水位的降低，土壤全磷含量顯著降低(P<0.05)。SI、SII、SIII各樣地全磷含量隨土層深度變化的趨勢(shì)不同。隨土壤深度的增加，SI樣地土壤全磷呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)，0～10 cm土層全磷積累較多，占土壤全磷的49.60%，而SII和SIII樣地均呈先減小后增大的趨勢(shì)，SII的0～10 cm土層和SIII的20～40 cm土層全磷積累較多，分別占總磷的56.35%和37.17%。

3個(gè)水位梯度下的0～40 cm土壤碳氮比介于20.59～27.27(圖 1d)，平均值為24.25，各樣地間土壤C:N無(wú)明顯差異；氮磷比、碳磷比介于37.46～61.21、927.92～1 560.50(圖1e, 1f)，且SI樣地N:P、C:P顯著高于SII和SIII樣地(P<0.05，n=9)，而SII和SIII樣地的N:P、C:P差異不顯著。

2.4 濕地土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)分析

本研究中，不同采樣區(qū)土壤物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)之間具有不同的相關(guān)性(表5)。其中地下水位與有機(jī)碳、全氮、全磷、最大持水量、孔隙度呈極顯著的正相關(guān)性(P<0.01)，土壤有機(jī)碳與全氮、全磷、最大持水量、孔隙度呈極顯著的正相關(guān)性(P<0.01)，全氮與全磷、最大持水量、孔隙度呈極顯著的正相關(guān)性(P<0.01)，全磷含量與最大持水量呈顯著的正相關(guān)性(P<0.05)，最大持水量與孔隙度呈極顯著的正相關(guān)性(P<0.01)。但土壤容重與地下水位、有機(jī)碳、全氮、全磷、最大持水量均呈極顯著的負(fù)相關(guān)性(P<0.01)。

表5 不同地下水位土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性Table 5 Correlativity between soil physical and chemical properties in different groundwater levels

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

Note: ** indicate significantly correlated at the 0.01 level (bilateral); *indicates significantly correlated at the 0.05 level (bilateral)

3 討論

濕地土壤的水分主要來(lái)源于降雨、凍融、灌溉和地下水，水分由于在土壤中受到重力、毛管引力、水分子引力、土粒表面分子引力等各種力的作用，形成不同的土壤水分類型并反映出不同的性質(zhì)[18]。土壤的種類和結(jié)構(gòu)直接影響著土壤的持水、蓄水能力，對(duì)減少地表徑流和涵養(yǎng)水源具有重要的作用。本研究表明，甘南尕海沼澤濕地不同地下水位土壤的顆粒組成差異明顯，地下水位較高的SI樣地土壤以細(xì)砂(<0.2 mm)為主，其它2個(gè)樣地土壤均以粗砂(2～0.2 mm)為主。這可能由于尕海沼澤濕地地處高寒地區(qū)，水淹、凍融現(xiàn)象頻繁發(fā)生，地下水位的波動(dòng)使得土壤出現(xiàn)干濕交替過(guò)程[19]，引起了土壤膠體的形態(tài)變化，使土壤團(tuán)聚體崩潰，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，容重、粒徑等物理性質(zhì)的改變使原來(lái)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[20]，所以SII和SIII樣地隨著地下水位的降低，土壤容重增大，土壤粗粒含量增多；而高水位(SI)樣地土壤處于水分飽和狀態(tài)，同時(shí)植被主要以水生植物為主，植物根系生長(zhǎng)、凍融所產(chǎn)生的作用力降低了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的同時(shí)，加快了土壤大顆粒介質(zhì)的破碎[21-22]。土壤容重能夠反映濕地土壤的孔隙狀況和貯水能力，因此是評(píng)價(jià)濕地土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)之一[23]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤容重隨地下水位的降低逐漸增大，土壤容重與地下水位和最大持水量呈顯著的負(fù)相關(guān)性(P<0.05)，當(dāng)?shù)叵滤裆钶^淺時(shí)，土壤可以得到上升毛管水的補(bǔ)給，而維持較高的土壤含水量，隨著地下水埋深變深，SIII樣地得到地下水的補(bǔ)給最少，土壤容重最大[24]，而在高水位條件下，土壤吸水飽和處于膨脹狀態(tài)，導(dǎo)致土壤容重變得較小[15]。隨著濕地地下水位的遞增，土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度逐漸增大，通氣度逐漸下降，因?yàn)楦咚粭l件下土壤水分處于過(guò)度飽和狀態(tài)，土壤以厭氧環(huán)境為主，枯死的植物根系不易被微生物分解，從而增加了土壤的孔隙度，因此高水位濕地土壤在降低土壤容重和通氣性的同時(shí)，還具有良好的貯水能力。

本研究表明，0～40 cm土層范圍內(nèi)，土壤有機(jī)碳含量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(huì)提高濕地土壤有機(jī)碳的積累速率。當(dāng)土壤過(guò)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(dòng)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)得到積累[25]。反之，土壤水分含量下降和通氣量的增加會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的分解加速。同時(shí)，水位也通過(guò)影響土壤容重和孔隙度對(duì)土壤養(yǎng)分產(chǎn)生影響，本研究表明，水位與土壤容重呈極顯著的負(fù)相關(guān)性，而水位與孔隙度呈極顯著的正相關(guān)性。說(shuō)明地下水位通過(guò)影響容重和孔隙度等因素對(duì)土壤有機(jī)碳產(chǎn)生影響[26]，因此地下水位是影響土壤有機(jī)碳含量的關(guān)鍵因素。尕海沼澤化草甸濕地土壤全氮和全磷含量隨著地下水位的降低而逐漸減小，且全氮、全磷含量與地下水位具有極顯著的正相關(guān)性，而與孔隙度的相關(guān)性不顯著，與有機(jī)碳存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。3個(gè)水位梯度下土壤養(yǎng)分含量隨土層深度的增加逐漸降低，但在低水位(SIII)20～40 cm層土壤全氮和全磷含量高于10～20 cm層(圖1)，這是因?yàn)榈退粯拥氐牡叵滤坏木翟谕寥郎疃燃s20 cm處，該樣地20 cm層土壤經(jīng)常處于干濕交替的過(guò)程，加速了濕地的脫氮，而20～40 cm層處于水分飽和狀態(tài)，該土層的脫氮作用要弱于干濕交替的脫氮作用，同時(shí)干濕交替促進(jìn)了土壤有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷的釋放，因此10～20 cm層土壤積累下的氮、磷含量較低[27]。碳氮比低有利于微生物在有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中的養(yǎng)分釋放，最適于微生物分解的碳氮比約為25左右，而本研究中3個(gè)水位樣地土壤碳氮比介于20.59～27.27，其中SI(25.49)土壤有機(jī)碳的腐殖化程度最高，表明SI樣地土壤有機(jī)碳比較容易礦化，有利于土壤泥炭層的形成。

4 結(jié)論

尕海濕地土壤顆粒組成和土壤容重在不同地下水位樣地間差異顯著，高水位土壤細(xì)砂(<0.2 mm)較多、土壤容重較小，而低水位土壤粗砂含量(2～0.2 mm)較多、土壤容重較大。在土壤垂直剖面上，3個(gè)不同水位的土壤容重均隨土層深度的增加而增大，0～40 cm范圍內(nèi)高水位平均土壤總孔隙度、最大持水量分別是中水位和低水位的1.19和1.36倍、1.93和2.75倍。尕海濕地土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量隨著地下水位的降低而逐漸減小，地下水位越高，土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量越大，沼澤化草甸濕地排水、降低地下水位是濕地土壤有機(jī)碳、全氮和全磷喪失的重要原因。濕地地下水位的降低顯著影響有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，加快了氧化分解的速率，造成土壤碳氮磷養(yǎng)分含量減少，濕地土壤環(huán)境惡化。