不同淹水頻率洪泛區濕地土壤氨揮發研究

高海峰，白軍紅＊，黃來斌，王國平，黃辰，劉佩佩

（1.北京師范大學環境學院 水環境模擬國家重點實驗室，北京100875；2.中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林 長春130012）

洪泛區是河流在周期性水文因素控制下，洪水漫出河道而形成的一種復雜的濕地環境；河流水文情勢與地貌條件直接影響洪泛區空間展布和集水狀況［1］。洪泛區濕地是在洪水作用下通過一系列的物理過程、化學過程和生物過程形成的生物地球化學障礙帶，具有降低洪水流速、削減洪峰流量、減少泥沙輸移、過濾營養成分和雜質等生態功能［2］。洪泛區濕地的消長速率與洪水發生頻率、持續時間以及洪流攜帶泥沙的含量有關，洪水的周期性作用造就了洪泛區濕地土壤干濕交替的生境，在很大程度上影響著洪泛濕地土壤營養元素的動態變化［3，4］。研究表明洪水頻率、持續時間對土壤養分含量、轉化及分布和洪泛區濕地生態系統動力學具有重要的影響［5－8］。土壤氨揮發是土壤氮素循環的一個重要環節，也是濕地土壤氮素氣態損失的主要途徑［9］。因此洪泛區濕地土壤氨轉化及氨揮發可能會受不同淹水頻率的影響。以往的研究多集中于農田土壤氮素損失［10－12］，且多是探討水肥條件對土壤氨揮發的影響以期提高N肥利用率。目前盡管Sun等［13］研究了三江平原不同植被群落濕地氨揮發，但對洪泛區濕地不同淹水頻率下土壤氨揮發的研究卻鮮有報道。研究淹水頻率對洪泛區濕地土壤氨揮發的影響，可為進一步研究洪泛區濕地氮素循環特征及其土壤質量演變，增加濕地初級生產力，為洪泛區濕地土壤質量演變和優化管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處霍林河中下游的洪泛區，位于松嫩平原西部的向海國家級自然保護區境內（東經122°05′～122°31′，北緯44°55′～45°09′），屬內陸沼澤濕地。該地區處于北溫帶大陸性季風氣候區的吉林省半干旱草原和農牧交錯地帶，總體特征為四季分明，雨熱同期，光照、溫度及降水等受季節影響明顯。年均溫5.1℃，年均降水量408.2mm，多集中在7，8月份；年平均蒸發量1 945mm，約為降水量的5倍［14］；該區全年盛行西南風，風速一般5～6級，多年月平均風速的最大值和最小值分別出現在4和8月，其值分別為5.3和3.0m／s。研究區土壤類型為沼澤土，植被以蘆葦群落為主。

1.2 樣品采集與分析

研究區按洪水發生頻率設置5個樣區，分別為百年一遇洪泛區（H）、十年一遇洪泛區（T）、五年一遇洪泛區（F）、一年一遇洪泛區（O）和常年淹水洪泛區（B）［5，6］。土壤氨揮發測定分別于2010年7，9和11月在5個樣區進行，每個樣區單個裝置測定30～60min，3～4個平行測定，并記錄樣地主要信息（表1）。因11月份蘆葦枯死且被收割，所以于生長季（7和9月）在每個樣區內隨機布設3個0.5m×0.5m植物樣方測定蘆葦高度和生物量。2010年7月實驗時同時在每個樣區隨機采土壤表層（0～10cm）樣品，3個重復，分析土壤基本理化性質。土壤pH及電導率分別采用pH計和電導率儀測定（水土比為5∶1）；土壤容重的測定采用烘干法將環刀樣品在105℃烘箱內烘至恒重［15］。土壤全氮用半微量凱氏法消解［16］后，用流動分析儀測定。土壤粒度使用激光粒度儀（Mastersizer 2000－Marlvern，英國）測定。采用收獲法測定各樣方的地上生物量，然后帶回室內在80℃恒溫下烘干稱重［17］。

土壤氨揮發實驗采用的通氣法裝置由聚氯乙烯硬質塑料管制成，內徑15cm，高10cm，測定過程見文獻［18］，測定時吸收的氨用KCl溶液浸提后，用流動分析儀（荷蘭SKALAR公司SAN＋＋－system）測定。

表1 實驗期樣地信息Table 1 Site description during the period from July to November

1.3 數據處理與統計

土壤氨揮發速率計算公式如下：

式中，M——為單個裝置平均每次測得的銨態氮量（mg）；A——為捕獲裝置的橫截面積（m2）；D——為每次連續捕獲的時間（h）。

運用SPSS 13.0軟件對同一樣點不同時期以及同一時期不同樣地間土壤氨揮發速率、生物量進行方差分析。采用Origin 8.0軟件對數據進行作圖。

2 結果與討論

圖1表明了不同時期研究區不同淹水頻率濕地土壤氨揮發速率的變化。除F區外，9月土壤氨揮發速率最高，11月次之，7月土壤氨揮發速率最低，3次監測期（7，9和11月）土壤氨揮發速率差異顯著（P＜0.05），7，9和11月的土壤氨揮發平均速率分別為0.175，1.155以及0.651mg／（m2·h）。

溫度能夠顯著影響氨揮發過程，其作用是通過影響與氨揮發有關的主要生物化學過程而產生間接的影響。已有研究發現氨揮發速率與大氣溫度呈現一定的正相關關系［18，19］。本研究發現在地上植被均受到一定程度的破壞時，洪泛區濕地9月份土壤氨揮發速率顯著高于11月份。這主要是與11月份相比，研究區9月份氣溫較高，蒸發量較大（表1，2），所以較高溫度增加了脲酶活性，進而加速了尿素分解過程［19］，導致 NH3和 NH4＋的擴散速率增加［20］，氨揮發損失量加大。但是研究區7月份的氣溫和地溫與9月份相當（表1），而7月份土壤氨揮發量顯著低于9月份，這主要與9月份濕地植被地上部分受到一定程度的破壞有關。

植被生長狀況也是影響氨揮發的一個重要原因。7月份植被處于快速生長階段，植被需要吸收大量銨態氮來滿足生長需求［21］，故銨態氮以氨揮發形式的損失量就相應減少；同時植被覆蓋降低了地表風速，進而導致氨氣擴散速率也相對較低［10，22］。但是植被覆蓋度的下降則增加了土壤水分的散失，進一步增強了對氨揮發過程的影響。高鵬程和張一平［23］的研究也表明，當土壤水分存在散失時，氨揮發量將會隨土壤濕度的增加而有不同程度的增加。研究區自9月開始受到放牧、收割等人為干擾，9月蘆葦生物量顯著低于7月（P＜0.05，表2）；同時動物踐踏改變了土壤物理狀況，影響了根系對土壤營養（如NH4＋－N）的吸收［24］，從而導致地表土壤松散，緊實度下降，土壤透氣性增加［25］。這可能也是導致9和11月氨揮發速率增加的重要原因。

圖1 不同淹水頻率洪泛區濕地土壤氨揮發速率時空變化Fig.1 Spatial and temporal changes in soil ammonia volatilization rates in the five floodplain wetlands with different flooding frequencies

表2 不同淹水頻率洪泛區濕地生長季蘆葦高度和生物量（平均值±標準差）Table 2 P.australis biomass in the five floodplain wetlands with different flooding frequencies（mean±SD）

從空間上看，7月份各洪泛區濕地間土壤氨揮發速率無顯著差異（P＞0.05）；9月各洪泛區土壤氨揮發速率沿淹水頻率增加方向呈現“U”型變化趨勢，H、O和B區土壤氨揮發速率較高，F區的土壤氨揮發速率最低，且存在顯著性差異（P＜0.05）；11月土壤氨揮發速率最大的區域出現在F和O區，稍高于B區和H區。

氨揮發過程發生在濕地地表或濕地水層與大氣的界面上。由于相同時期內各洪泛區濕地氣候條件相同，因此，各洪泛區濕地間氨揮發速率的差異性則決定于土壤pH、質地及氮素物質基礎等［13］。已有研究表明氨揮發僅發生在堿性土壤中［26］，且土壤pH控制著水－土體系中NH4＋－N向NH3－N的轉化過程［27］。Rao等［28］指出當濕地水體pH值為8～9時，NH4＋－N將會向NH3－N發生大量轉化。本研究區各洪泛區濕地土壤均為堿性土壤（pH＞8，表3），有利于發生土壤氨揮發損失，但土壤pH與NH3揮發量的相關關系不顯著（P＞0.05），這表明在堿性條件下，土壤pH值并不是導致各洪泛區濕地土壤氨揮發速率不同的主要限制性因素。

土壤質地和緊實度通過影響著土壤的透氣性以及對NH3－N和NH4＋－N的吸附特性，也能夠影響土壤氨揮發過程［23］。本研究發現7月土壤氨揮發速率與土壤粘粒（P＜0.01）和粉砂（P＜0.01）呈顯著正相關關系，與沙粒（P＜0.01）呈顯著負相關關系（表4），這可能與NH4＋－N易被土壤粘粒吸附有關。但放牧后的9和11月土壤氨揮發速率與土壤質地的相關性不顯著（P＞0.05）。各洪泛區濕地土壤全氮含量僅與11月的土壤氨揮發量呈正相關關系（P＜0.05），表明土壤初始氮含量差異不是導致各洪泛區濕地土壤氨揮發量不同的決定性因素。

此外，土壤水分條件也是影響氨揮發量的重要因素［29］，但以往的研究并沒有得到統一的結論。一種觀點認為土壤較低的含水率會降低土壤脲酶活性，不利于尿素的水解，因此較高的含水率有利于氮素以氨揮發的形式產生氮損失［30］；但也有研究得出了相反的結論［31，32］。本研究中各洪泛區濕地在放牧前土壤含水率與氨揮發量無顯著相關關系（P＞0.05，表4），但由于放牧后各洪泛區濕地植被減少、土壤表層結構破壞嚴重，地表變干（表1），所以土壤含水率的微小差異可能是造成放牧后各洪泛區濕地土壤氨揮發差異顯著的原因，仍需要更進一步的實驗來證實這一結論。

表3 向海濕地土壤基本性質（平均值±標準差）Table 3 Soil properties of Xianghai Wetland（mean±SD）

表4 向海濕地土壤氨揮發速率與基本性質的相關關系矩陣Table 4 Correlation matrix between ammonia volatilization rate and soil properties of Xianghai Wetland

放牧后植被和地表土壤結構被破壞，土壤透氣性增加，氨揮發強度也相應增加。但由于各洪泛區濕地的放牧程度不同，隨機性較大，所以氨揮發速率的差異性變化可能主要來自于不同的植被破壞程度。而且氨揮發過程是一個發生在大氣－土壤界面包括多種反應的復雜動力學過程，嚴重的人為干擾增加了這一過程的復雜性。因此，要明確各因素對氨揮發過程的綜合作用仍需開展進一步的研究。

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