毛烏素沙地典型湖濱帶濕地有機碳、氮素空間分布特征

張雪冰+閆玉琴+陳國靜+申衛博+王國棟

摘要：通過對陜西毛烏素沙地典型湖濱帶濕地有機碳和氮素的空間分布特征進行研究，為探討濕地生態系統如何在沙化環境下發揮其特有的功能提供科學依據。在巴嚇采當湖泊湖濱帶A～F類型區采集土壤，測定土壤的有機碳、全氮、有機氮、硝態氮和銨態氮等指標。利用方差分析、Spearman相關性分析和主成分分析等方法分析對湖濱帶有機碳、氮素空間分布特征進行研究。土壤表層0～10 cm的有機碳和全氮含量隨水位升高呈增加趨勢。除了銨態氮外，有機碳、全氮、有機氮和硝態氮含量垂直分布上隨著土壤深度增加呈降低趨勢。 土壤有機碳、全氮含量分別與全磷、土壤容重、含水率、水位顯著相關。銨態氮和全磷、含水率、土壤容重、全氮、有機碳和水位等顯著相關。硝態氮與微生物生物量碳、氮的相關系數分別為r=0.637和r=0.617（中度正相關）。有機碳及氮素的含量與土壤粘粒含量相關性不高。主成分分析提取3個主成分，累積貢獻率達76.15%。土壤全磷、土壤含水率、土壤容重和水位是影響湖濱帶土壤有機碳、氮素空間分布的主要因子。

關鍵詞：湖濱帶；有機碳 ；全氮； 分布特征；水位

中圖分類號：S153.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）04-0087-07

Abstract：This study was aimed to analyze the spatial distribution characteristics of soil organic carbon and nitrogen in soils from typical lake littoral wetland of Mu Us Sandland in Shaanxi Province and to provide a scientific basis for studying the way in which wetland ecosystem plays its special function in desertified environment.We collected soil samples from A-F zones along Baxiacaidang Lake and measured the contents of soil organic carbon，total nitrogen，organic nitrogen，nitrate nitrogen，and ammonium nitrogen.Soil organic carbon and nitrogen distribution were analyzed by ANOVA，Spearman correlation coefficients，and principal components analysis.At the depth of 0-10 cm，the contents of soil organic carbon and total nitrogen would increase with the increasing water level.Regarding vertical distribution，except for ammonium nitrogen，the contents of soil organic carbon，total nitrogen，organic nitrogen，and nitrate nitrogen would all decrease with the increasing soil depth.The contents of soil organic carbon and total nitrogen were significantly and positively correlated with total phosphorus，volume weight of soil，soil moisture content，and water level.The content of soil ammonium nitrogen was significantly and positively correlated with total phosphorus，soil moisture content，volume weight of soil，total nitrogen，organic carbon，and water level.Between nitrate nitrogen and microbial biomass carbon，the correlation coefficient was 0.637；between nitrate nitrogen and microbial biomass nitrogen，the correlation coefficient was 0.617.The contents of soil organic carbon and nitrogen were not significantly correlated with soil clay content.The cumulative contribution rate of the three principal components was 76.15%.Total phosphorus，soil moisture content，volume weight of soil，and water level were major factors which can affect the spatial distribution of soil organic carbon and nitrogen distribution.

Key words：lake littoral zone；soil organic carbon；total nitrogen；distribution characteristics；water level

濕地是自然界具有最富生物多樣性的生態景觀之一，并且是人類賴以生存的環境[1]，也是陸地和水生生態系統間的過渡帶，具有極高的資源開發價值和環境調節功能[2]。全球濕地有機碳儲量約為450 Gt（1 Gt=109 t），占陸地生態圈表層碳總儲量的20%～30%[3]，但濕地面積僅占陸地總面積的4%～6%[4]。濕地碳庫在全球碳循環中發揮重要作用[5]。氮素作為限制濕地生態系統生產力的關鍵營養因子[6]，其含量及其遷移轉化過程顯著影響著濕地生態系統的結構與功能[7]，所以氮循環一直是濕地科學研究熱點。

湖濱帶是湖泊濕地水陸生態交錯帶的一種類型，湖泊湖濱帶同時受到湖泊和陸地作用的共同影響，是一個脆弱的邊緣地帶。湖濱帶這個緩沖區對于發揮湖泊濕地生態系統功能有著重要作用[8-9]。湖濱帶具有污染物截留與凈化、控制沉積和侵蝕等功能[10-11]。有機碳和氮素是土壤重要的營養元素，是衡量濕地環境質量的參考標準，其含量直接影響著濕地生態系統功能的發揮[8]。

毛烏素沙地是鄂爾多斯高原與黃土高原之間的過度地帶，是具有特殊地理景觀的生態過度帶。本實驗選取毛烏素沙地典型湖泊巴嚇采當作為研究對象，在湖泊湖濱帶采集土壤樣品，研究了該區域內有機碳和氮素的空間分布特征。這為發揮毛烏素沙地中濕地的生態系統功能和治理毛烏素沙地沙漠化提供一定的科學借鑒。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 研究區概況

研究區位于巴嚇采當湖泊巴嚇采當，地處東經：109°47′，北緯：38°54′，海拔1 274.9 m。巴嚇采當位于毛烏素沙地東南緣，是禿尾河河源區典型湖泊。因湖濱帶水位不同，分為6種類型區A～F，各類型區的植被分布受到水位的影響（見表1），各類型區水位變化為A（-50 cm）>B（-20 cm）>C（-10 cm）>D（10 cm）>E（40 cm）>F（60 cm），上述各類型區的水位為湖泊豐水期（7月-9月）測定。各類型區的水位直接影響各類型區的土壤含水量，即含水量從A至F逐漸降低。由此，將A和B定義為水淹層，C和D定義為干濕區，E和F為干旱區。

1.1.2 樣品的采集

2014年9月，在巴嚇采當的6個類型區分別隨機選取9個采樣點，采集0～40 cm土壤，分為0～10 cm，10～20 cm和20～40 cm三層，共采集162個土壤樣品。將采集的土壤樣品封存于無菌塑料袋中，帶回實驗室。土壤樣品自然風干后，研磨后過篩為1 mm和0.25 mm粒徑的土壤樣品。6個類型區分別隨機布設9個1 m×1 m樣方，測定植物各項指標數據，其中采集樣方內植物地上部分，在80 ℃烘干24 h后稱量生物量。

1.2分析方法

1.2.1 土壤理化性質的測定

土壤有機碳采用重絡酸鉀外加熱容量法測定，全氮采用半微量凱氏定氮法測定，銨態氮和硝態氮采用2 mol·L-1KCl侵提—靛酚藍比色法測定，有機氮含量等于全氮含量減去銨態氮和硝態氮含量，全磷采用HClO4-H2SO4法測定，微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定。土壤pH值采用pH計測定（m（土）：V（水）=1.0：2.5）。土壤粒徑采用激光粒度分析儀測定。土壤含水率采用烘[HJ1.73mm]干法測定，土壤容重采用環刀法測定。碳氮比采用物質的量比值。

1.2.2 數據處理

方差分析土壤C、N在各個類型區的差異性。Spearman相關性分析和主成分分析土壤有機碳、氮素和其他環境因子間的關系。統計分析采用IBM SPSS Statistical 22，圖表繪制采用SigmaPlot12.5。

2 結果與討論

2.1 環境因子的空間分布變化

如表2所示，湖濱帶區域的pH值為6.57～7.49，濕地土壤為偏酸性，各類型區pH值具有顯著性差異（p<0.01）。土壤全磷含量在水平方向上按大小排序為0～10 cm：A>B>D>E>F>C，10～20cm：A>E>C>B>D>F，20～40cm：A>E>D>C>F>B，土壤全磷含量在垂直方向上隨土壤深度增加有降低趨勢，其中表層0～10 cm的全磷含量占0～40 cm層土壤的40%～54%。土壤含水率基本遵循水淹層（A+B）>干濕區（C+D）>干旱區（E+F）。濕地土壤顆粒組成中98%以上為砂粒，土壤質地為砂土。

2.2 湖濱帶土壤有機碳、氮素空間分布變化

土壤有機碳作為衡量土壤質量的一個重要指標，也是生態系統碳庫的重要組成部分。由圖1可以看出，巴嚇采當湖濱帶濕地有機碳含量在0～10 cm分布為A>B>C>D>E>F，含量為17.82～44.81 g/kg，10～20 cm為A>C>B>E>D>F，含量為2.99～43.89 g/kg，20～40 cm分布為A>B>C>E>D>F，含量為1.77～11.26 g/kg。在垂直方向上，有機碳含量隨著土壤深度增加呈降低趨勢。其中表層0～10 cm土壤有機碳含量占0～40 cm層土壤的44～78%，原因可能是植被對土壤有機碳有表層富集作用。植被對湖濱帶土壤有機碳含量的影響主要發生在土壤表層，這與謝文霞等[12]和郭二輝等[13]研究河流濕地植被對土壤表層有機碳含量影響顯著結論一致，植物形成枯落物補充土壤碳，不受濕地類型影響。土壤表層0～10 cm全氮含量水平分布為A>B>C>D>E>F，含量為1.59～3.25 g/kg，土壤10～20 cm層全氮水平分布為A>C>B>E>D>F，含量為0.27～3.06 g/kg，土壤20～40 cm層全氮水平分布為A>B>C>E>D>F，含量為0.15～0.90 g/kg。濕地覆水區常年積水，微生物活動弱，全氮分解程度低，這是類型區A、B、C全氮含量高于類型區D、E、F的主要原因。有機氮含量的水平分布與全氮相同，原因是全氮的主要部分為有機氮。同時對比數據可知湖濱帶濕地0～40 cm層的全氮和有機氮含量隨土壤深度增加呈降低趨勢。

由圖2知湖濱帶濕地表層表層0～10 cm的全氮占土壤0～40 cm層的45%～79%，湖泊濕地全氮含量均富集于0～10 cm，呈“倒金字塔”分布，這與卜曉燕等[14]研究結論湖泊濕地全氮含量富集于0～10 cm相同。可見植被對土壤全氮有頂層富集作用，可能與植被枯落物形成腐殖質層有關。如圖4所示銨態氮水平分布為：0～10 cm為A>B>C>F>E>D，10～20 cm為A>B>C>F>D>E，20～40 cm為A>C>B>F>E>D。垂直分布中銨態氮含量隨著土壤深度增加呈降低趨勢并不明顯。如圖5所示硝態氮水平分布為：0～10 cm為E>F>A>C>B>D，10～20 cm為A>E>F>C>B>D，20～40 cm為 A>C>E>F>B>D。硝態氮水分分布與全氮不同，水淹區和干濕區受到規律性淹水影響，促使硝態氮淋失。硝態氮含量垂直分布中隨著土壤深度增加呈降低趨勢。圖6知，C/N水平分布：0～10 cm A>B>F>D>C>E，10～20 cm A>F>D>B>E>C，20～40 cm F>D>E>B>A>C，類型區D、F碳氮比值較大，這可能是該區干濕交替的環境有助于有機質和有機氮的礦化分解[12、15]。其中C/N比值最大值為22.85，最小值為12.72，平均值為15.40，Zhang等[16]在雙臺子河濕地研究結構C/N比值達16.15，這可能與巴嚇采當湖泊地處沙地，碳含量低而植物枯落物補充全氮有關。

2.3 湖濱帶濕地土壤有機碳、氮素與其他環境因子的相關關系

由表3知，土壤全氮和有機碳、全磷、土壤容重、土壤含水率（p=0.01）和水位顯著相關（p=0.05），其中全氮和有機碳相關系數r=0.996（p=0.01）。湖濱帶土壤0～40 cm層的有機碳和全氮遵循相同的分布規律，這與毛志剛等[2]研究濱海濕地土壤有機碳、全氮分布變化趨勢一致結論相同，可見不同類型濕地之間土壤有機碳、全氮相關性不變。有機碳、全氮和土壤容重之間均存在顯著的相關性，這與石福臣等[17]研究河流濕地有機碳、全氮和容重之間相關性結果一致，可見土壤容重與有機碳、全氮的相關性不受濕地類型影響。銨態氮與土壤全磷、土壤含水率、土壤容重、全氮、有機碳（p=0.05）和水位（p=0.05）等顯著相關。硝態氮與微生物生物量碳、氮的相關系數分別為r=0.637和r=0.617（中度相關），這可能與微生物的硝化與反硝化作用相關。有機碳和氮素與土壤黏粒相關性不高，這與Wang等[18]研究結果不一致，可能與巴嚇采當土壤質地為砂土，土壤顆粒組成中，黏粒含量低有關。

2.4 湖濱帶濕地土壤有機碳、氮素與其他環境因子的主成分分析

根據特征值大于1的原則提取了3個主成分（表4），其特征值分別為5.096，2.638和1.403，累積貢獻率達76.15%，它們能反映出毛烏素沙地典型湖濱帶濕地12項指標的76.15%的信息。其中F1的貢獻率為42.47%，與濕地的有機碳，全氮，有機氮和全磷高度相關，與土壤含水率和土壤容重有較高的相關性。F2的貢獻率為21.98%，與濕地土壤的顆粒組成高度相關。F3的貢獻率為11.70%，與濕地土壤硝態氮和pH有較高的相關性。

2.5 不同濕地營養元素含量

表5列出了不同類型濕地有機碳和全氮含量的對比，巴嚇采當湖濱帶土壤有機碳和全氮含量較其他類型濕地含量高，尤其是覆水區。湖濱帶土壤氮素的來源主要是植物的枯落物，該區域蘆葦、狹葉香蒲等植物長勢良好，植物的凋落物對土壤的碳氮歸還作用比較明顯。而覆水區抑制了土壤呼吸，降低了有機碳和全氮的分解效率。另一方面，人為干擾作用，包括使用化肥農藥、洗滌等，在一定程度上都使得巴嚇采當湖濱帶土壤營養元素增加。

3 結論

毛烏素沙地典型湖濱帶土壤表層0～10 cm有機碳、全氮含量隨土壤水位升高而增加，水淹區（A、B）>干濕區（C、D）>干旱區（E、F），但土壤10～40 cm層有機碳和全氮變化規律不明顯。除銨態氮外，土壤有機碳、全氮、有機氮和硝態氮含量隨土壤深度增加呈降低趨勢。土壤有機碳與氮素和全磷、土壤容重、土壤含水率和水位顯著相關。實驗結果表明，土壤全磷、土壤含水率、土壤容重和水位是影響毛烏素沙地湖濱帶有機碳、氮素空間分布的主要因子。有機碳和氮素的含量與土壤黏粒相關性不高，這有異之前的研究結論。與其他類型濕地相比，巴嚇采當湖濱帶有機碳、氮素含量較高。

本文研究了巴嚇采當湖濱帶土壤有機碳和氮素的空間分布，為毛烏素沙地的治理與恢復提供科學參考。在進行毛烏素沙地濕地修復過程中，通過添加合適改良劑提高土壤黏粒含量，以便增強濕地的儲碳固碳功能。

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