向海國家級自然保護區(qū)中人工恢復的退化蘆葦沼澤的土壤質(zhì)量評價

趙月蘭，李 琳，劉吉平，趙丹丹

(吉林師范大學地理科學與旅游學院，吉林四平 136000)

土壤質(zhì)量是土壤性質(zhì)、肥力和環(huán)境質(zhì)量的綜合體現(xiàn)[1]。由于濕地中土壤的健康狀況可以直接影響生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，因此，評價恢復濕地中土壤的質(zhì)量具有重要意義[2]。雖然對恢復濕地中的土壤已經(jīng)開展了營養(yǎng)元素含量[3]、水源涵養(yǎng)能力[4]、含水量和含鹽量[5]、動物[6]、微生物[7]、酶活性[8]和重金屬元素含量[9]等方面的研究，但是定量評價恢復濕地土壤質(zhì)量方面的研究還需要進一步加強。

隨著松嫩平原西部土壤鹽堿化和沙化程度的加劇，該區(qū)域的濕地嚴重退化，生態(tài)環(huán)境愈加脆弱[10]。本研究在向海國家級保護區(qū)的天然蘆葦(Phragmites australis)沼澤和人工恢復1～6 a的退化蘆葦沼澤中，設(shè)置采樣地，采集土壤樣品，研究各采樣地土壤的理化性質(zhì)；以天然蘆葦沼澤土壤作為對照，采用主成分分析方法，對恢復蘆葦沼澤土壤的質(zhì)量進行評估，以期為向海濕地的保護、管理和恢復工作提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣地設(shè)置、土壤樣品的采集和分析測試

在大地構(gòu)造上，向海國家級自然保護區(qū)(44°55′N 至45°9′N，122°5′E 至122°35′E)屬于松遼凹陷的西部沉降帶，地貌特征以沖積平原為主。該區(qū)域的氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L氣候，年平均氣溫為6.5 ℃，年降水量為390 mm，降水集中在每年的7月和8月[3]。該保護區(qū)的土壤主要為沼澤土，土壤呈堿性，蘆葦群落為主要植物群落。2013年，在向海國家級自然保護區(qū)中，建立了濕地恢復試驗示范區(qū)，采取人工栽植蘆葦和灌溉工程措施，恢復退化濕地。

2018 年4 月，根據(jù)實地調(diào)查資料，在該保護區(qū)工作人員的指導下，在天然蘆葦沼澤、已經(jīng)恢復1 a、3 a 和5 a 的退化蘆葦沼澤中，各布設(shè)了1處采樣地。4 處采樣地的地貌類型和水文條件都很相似，植物群落都為蘆葦群落。在退化蘆葦沼澤的每處采樣地，設(shè)置8個采樣點；在每個采樣點，設(shè)置1個標準樣點和3個重復樣點。

結(jié)合遙感影像，利用手持GPS，定位采樣地中心點的位置。天然蘆葦沼澤、已經(jīng)恢復了1 a、3 a和5 a的退化蘆葦沼澤采樣地中心點的緯度和經(jīng)度分別為45°0′21.530″N 和122°20′12.811″E、45°1′21.156″N和122°20′12.994″E、45°1′26.773″N 和122°20′12.913″E、44°59′50.639″N和122°19′15.257″E。

于2018 年和2019 年每年的5 月12 日、7 月10日和9月14日，分別在4處采樣地，采集土壤樣品。

在2018 年各采樣日，采集了天然蘆葦沼澤和已經(jīng)人工恢復了1 a、3 a 和5 a 的退化蘆葦沼澤的土壤樣品；在2019年各采樣日，采集了天然蘆葦沼澤和已經(jīng)人工恢復了2 a、4 a 和6 a 的退化蘆葦沼澤的土壤樣品。在每個采樣點的1 個標準樣點和3 個重復樣點，利用帶襯管的原狀取土器(ZL201210534424.7)，采 集 0～10 cm、＞10～20 cm、＞20～30 cm、＞30～40 cm 深度的土壤樣品各1份，原狀放入樣品袋中，密封、標記，運回實驗室。

在實驗室中，利用精度為0.001 g的電子天平，稱量每份土壤樣品的質(zhì)量并記錄，將土壤樣品自然風干，挑揀出其中的植物根和石塊等雜物，之后，研磨，過100目篩，備用。

采用環(huán)刀法，測定土壤樣品的容重。采用烘干法，測定土壤樣品的含水量。利用電位計，測量土壤樣品的pH。利用電導率自動分析儀，測定土壤的電導率。采用質(zhì)量法，測定土壤樣品的含鹽量。采用重鉻酸鉀外加熱法，測定土壤樣品中的有機質(zhì)含量。采用半微量-凱氏蒸餾法，測定土壤樣品的全氮含量。采用鉬銻抗比色法，測定土壤樣品的全磷含量。

1.2 土壤質(zhì)量評價和數(shù)據(jù)處理方法

利用Excel 2010 軟件，對測定出的土壤樣品的各指標數(shù)據(jù)進行匯總。

利用SPSS 21 軟件，對土壤樣品的容重、含水量、電導率、含鹽量、pH、有機質(zhì)含量、全氮含量和全磷含量的原數(shù)據(jù)進行z-score 標準化處理；采用主成分分析方法，根據(jù)主成分特征值大于1 的原則，利用8種指標的標準化數(shù)據(jù)，提取主成分，得到其特征值、方差解釋率和土壤因子載荷矩陣、土壤因子得分系數(shù)矩陣；各主成分的各土壤因子的標準化值乘以其對應(yīng)的得分系數(shù)再求和，就得到各主成分的得分值；將各主成分的方差解釋率乘以其得分值，得到其土壤質(zhì)量評價分值；采用加權(quán)求和方法[11]，最終得到土壤質(zhì)量的綜合得分，土壤質(zhì)量的綜合得分越高，表示土壤質(zhì)量越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 各采樣地的土壤理化性質(zhì)

由表1可知，恢復了1～4 a的退化蘆葦沼澤土壤樣品的容重值顯著大于天然蘆葦沼澤(p＜0.05)，恢復了5 a的退化蘆葦沼澤土壤樣品的容重值大于天然蘆葦沼澤，而恢復了6 a的退化蘆葦沼澤土壤樣品的容重值(0.85 g/cm3)略小于天然蘆葦沼澤土壤樣品的容重值(0.89 g/cm3)，二者非常相近。隨著退化蘆葦沼澤恢復時間的增加，其土壤樣品的容重值逐漸減小且與天然蘆葦沼澤土壤樣品的容重值接近?；謴土? a 的退化蘆葦沼澤土壤樣品的含水量、電導率和含鹽量與天然蘆葦沼澤的最接近。

表1 天然和恢復蘆葦沼澤0～40 cm深度土壤樣品的8項理化指標值Table 1 Values of 8 physicochemical indicators of soil samples at 0-40 cm depth from natural and restored reed marshes

除了恢復了5 a 的退化蘆葦沼澤土壤樣品的pH與天然蘆葦沼澤的最接近以外，其他恢復時間長度的退化蘆葦沼澤的土壤樣品的pH 都顯著大于或小于天然蘆葦沼澤(p＜0.05)。

恢復了1 a 的退化蘆葦沼澤土壤樣品的有機質(zhì)含量顯著小于天然蘆葦沼澤(p＜0.05)，而恢復了5 a 的退化蘆葦沼澤土壤樣品的有機質(zhì)含量與天然蘆葦沼澤的最接近。

隨著退化蘆葦沼澤恢復時間的增加，土壤樣品中的全氮含量逐漸增大，恢復了5 a的退化蘆葦沼澤土壤樣品中的全氮含量最大(2 019.22 mg/kg)，而且最接近天然蘆葦沼澤土壤樣品中的全氮含量(1 992.45 mg/kg)。

恢復了4 a 的退化蘆葦沼澤土壤樣品中的全磷含量(310.38 mg/kg)與天然蘆葦沼澤土壤樣品中的全磷含量(311.28 mg/kg)最接近。

2.2 恢復蘆葦沼澤土壤質(zhì)量的評價結(jié)果

主成分分析結(jié)果顯示，利用土壤樣品的8項理化指標的標準化數(shù)據(jù)，共提取出兩個主成分，主成分1和主成分2的特征值分別為6.495和1.063，其方差解釋率分別為81.185%和13.293%，累積方差解釋率為94.478，說明提取出的兩個主成分能滿足評價土壤質(zhì)量的需要。

由表2 可知，在主成分1 的土壤因子中，有機質(zhì)含量、全氮含量、容重、含鹽量和pH載荷值的絕對值較大；在主成分2的土壤因子中，含水量和全磷含量載荷值的絕對值較大，這些土壤因子對恢復蘆葦沼澤土壤質(zhì)量的影響較大。

表2 兩個主成分的8個土壤因子的載荷值和得分系數(shù)值Table 2 Values of loadings and score coefficients of 8 soil factors of two principal components

由表3 可知，恢復了6 a 的退化蘆葦沼澤土壤質(zhì)量的綜合得分(2.51分)最高，其次為天然蘆葦沼澤(2.24 分)，恢復了1 a 的退化蘆葦沼澤土壤質(zhì)量的綜合得分(-2.39 分)最低，即隨著恢復時間的增加，退化蘆葦沼澤土壤的質(zhì)量逐漸變好，恢復了6 a 的退化蘆葦沼澤的土壤質(zhì)量已經(jīng)與天然濕地相近，這與測定的土壤理化性質(zhì)的結(jié)果一致。在對土壤質(zhì)量評價結(jié)果影響較大的主成分1中，土壤有機質(zhì)含量和全氮含量都是恢復了6 a 的退化蘆葦沼澤的最大。

表3 天然和恢復蘆葦沼澤土壤質(zhì)量的綜合得分Table 3 Combined scores for soil quality of natural and restored reed marshes

3 討 論

在本研究中，隨著恢復時間的增加，各退化蘆葦沼澤采樣地0～40 cm深度土壤樣品的理化性質(zhì)總體上接近天然蘆葦沼澤，有的指標甚至優(yōu)于天然蘆葦沼澤，恢復蘆葦沼澤土壤的質(zhì)量得到較大改善。土壤有機質(zhì)含量、全氮含量、容重、含鹽量和pH 是影響向海濕地中恢復蘆葦沼澤土壤質(zhì)量的主要因素。土壤有機質(zhì)含量和容重與其他理化指標的關(guān)系都很密切[12]，而且容易測定，所以其常被作為修復濕地土壤質(zhì)量的衡量指標。在本研究中，隨著退化蘆葦沼澤恢復時間的增加，土壤容重逐漸減小，說明土壤的質(zhì)地得到明顯改善。這主要是因為退化蘆葦沼澤的水文條件得到恢復，促進了蘆葦?shù)纳L，蘆葦根系可以疏松土壤結(jié)構(gòu)，增加其孔隙度和透水性[13]，同時，在蘆葦?shù)纳L過程中，不斷產(chǎn)生枯枝和落葉，使有機質(zhì)在土壤中積累，促進了團聚體的形成，而團聚體又可以將有機質(zhì)暫時固存，所以退化蘆葦沼澤恢復后，土壤的容重減小，土壤中的有機質(zhì)含量增大，這與恢復的河谷濕地的相關(guān)研究結(jié)果[14]類似。退化蘆葦沼澤中的蘆葦群落恢復后，植株的枯枝和落葉使土壤中的有機質(zhì)不斷積累，而且其腐殖質(zhì)化程度低，再加上蘆葦根際微生物的固氮作用，使土壤中的全氮含量逐年增大。在被恢復的淡水濕地中，植被的快速演替、植物生物量的增大會使土壤中的碳、氮含量增大，因此，植物的初級生產(chǎn)力是控制土壤養(yǎng)分積累的關(guān)鍵因素，植物的死根和根系分泌物有助于土壤固存氮[15]。松嫩平原西部蘇打鹽堿恢復濕地土壤中較低的養(yǎng)分含量與土壤的含鹽量較高有關(guān)[16]。黃河三角洲退化濕地土壤pH 與含鹽量顯著正相關(guān)，與含水量顯著負相關(guān)，這是因為蘆葦可以吸收土壤中的鹽分，而通過引水恢復和排灌結(jié)合，可以使?jié)竦氐乃倪B通性加強，從而起到使土壤溶鹽、脫堿的作用[17]，使土壤pH 和含鹽量降低。向海濕地地處半濕潤半干旱區(qū)域，氣溫高、蒸發(fā)量大，而蘆葦殘體覆蓋地面降低了地表溫度，使土壤的蒸發(fā)量減小，從而抑制了土壤中的鹽分向上遷移。在本研究中，恢復了1～6 a 的退化蘆葦沼澤土壤的電導率都小于天然蘆葦沼澤。

在向海濕地，進行了生態(tài)補水、人工種植蘆葦?shù)葷竦鼗謴痛胧?，在退化濕地的恢復過程中，人類活動的干擾很少。在恢復了6 a 的退化蘆葦沼澤中，蘆葦長勢好且密度大，其成為了恢復區(qū)的優(yōu)勢物種，蘆葦群落的穩(wěn)定性很好，使退化蘆葦沼澤在較短的時間內(nèi)得到了恢復。在松嫩平原西部，水旱交替更能促進蘆葦?shù)纳L，改善鹽堿土特性[18]。這可能是恢復了6 a 的退化蘆葦沼澤土壤部分理化指標值大于天然蘆葦沼澤的部分原因。本研究結(jié)果顯示，向海濕地退化蘆葦沼澤土壤的恢復時間大概為6 a。長江中下游菜子湖區(qū)退耕濕地土壤的恢復時間為19～31 a[2]。向海濕地中退化蘆葦沼澤恢復采用的是人工恢復措施，而菜子湖區(qū)退耕濕地的恢復采用的是自然恢復方式，而且高網(wǎng)式水產(chǎn)養(yǎng)殖池與部分退耕濕地鑲嵌分布，養(yǎng)殖區(qū)水體與天然水體相連通可能會干擾土壤的正常生態(tài)修復過程。另外，雖然植物恢復成功是土壤恢復的關(guān)鍵，但是，采用自然恢復方式的太湖附近的退化濕地土壤恢復比植物恢復滯后[19]。與植物恢復相比，退化濕地土壤恢復可能需要更長的時間，人工恢復可以使土壤恢復加速。

4 結(jié) 論

在向海國家級自然保護區(qū)中，采用栽植蘆葦和合理澆灌等人工恢復措施，使退化蘆葦沼澤的土壤質(zhì)量不斷得到改善。從0～40 cm深度土壤8項理化指標的平均值和土壤質(zhì)量綜合得分值看，恢復了6 a 的退化蘆葦沼澤的土壤質(zhì)量已經(jīng)與天然蘆葦沼澤的土壤質(zhì)量非常接近。