三江平原碟形洼地-島狀林土壤陽離子交換量分布特征

孔令陽，殷書柏，劉吉平*，梁 晨

(1.吉林師范大學旅游與地理科學學院，四平 136000；2.唐山師范學院資源管理系，唐山 063000；3.北京林業大學生態與自然保護學院，北京 100083)

土壤陽離子交換量(cation exchange capacity,CEC)是土壤最基本的理化性質之一，影響著土壤中許多化學反應和過程，直接反映了土壤養分對植物和土壤微生物的有效性，在土壤質量的維持和保育、土壤物質循環和能量流動以及土地資源的可持續利用方面具有重要作用[1]。中外對土壤CEC的分布特征及其影響因素進行大量研究，主要通過對農田、森林等土壤進行分析[2-9]，并建立了地形因素[2-4]、土地利用方式[5-7]、土壤類型[8-9]與土壤CEC的關系，對土壤的合理利用和管理具有一定的指導作用。但這些研究往往關注于大范圍的區域，單一或者多個相互獨立的影響因子，沒有綜合考慮研究區域的生態環境狀況，同時對濕地土壤CEC研究較少，從而使研究成果在濕地中的應用受到限制。

三江平原是中國最大的淡水沼澤集中分布區之一，也是中緯度冷濕(季節性凍融)低平原沼澤濕地的典型分布區[10]。碟形洼地是三江平原較為特殊的一種景觀，具有面積小、生物多樣性豐富、環境梯度變化大和對環境變化反應敏感等特點[11]。一些學者對三江平原碟形洼地土壤碳、氮、磷的空間分布規律[12-13]及其生態化學計量特征[14]進行系統研究，但土壤CEC與它們之間的關系尚不明確。現以碟形洼地為研究對象，分析了微地貌下濕地的土壤CEC分布狀況以及水文梯度、土壤養分和群落特征等對土壤CEC分布的影響，旨在為濕地土壤、植物和微生物的研究提供基礎數據，為孤立濕地的保護與恢復[15]提供理論依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

研究在東北地區三江平原沼澤濕地生態試驗站試驗區進行，該站由中國科學院東北地理與農業生態研究所在三江平原腹地的同江市東南部(47°35′N,133°31′E)建立[16]。研究區面積約4 hm2，屬溫帶濕潤季風氣候，年平均氣溫2.9 ℃，年平均無霜期142 d。年平均降水量532.7 mm，5—9月降水量占全年的79.2%。年平均日照時數2 600 h。土壤以泥炭沼澤土、腐殖質沼澤土和草甸白漿土為主，濕地植物種類繁多且多呈環帶狀分布。

1.2 樣品采集及測定

濕地土壤在非生長季凍結，內部物理結構和化學成分較為穩定，此時采集土壤樣品有助于試驗的準確性和科學性。2014年非生長季，在試驗區內碟形洼地-島狀林方向設置寬5 m的樣線，并在樣線上的漂筏薹草-蘆葦群落(Carexpseudocuraica-Phragmitesaustralis)、毛薹草群落(Carexlasiocarpa)、烏拉薹草群落(Carexmeyeriana)和沼柳-小葉章群落(Salixbrachypoda-Calamagrosticsangustifolia)4個群落中，各設置 1 個采樣點，每兩個采樣點之間的平均距離為10.6 m(圖1)。在樣點垂直方向上，利用長 60 cm、口徑56 mm 的圓狀取土器，按照自表層至底層方向采取深度為 40 cm土柱樣品，并按每 5 cm 深度劃分出8個層次，放入不同的密封袋中并編號，記錄采樣地點、深度等信息，4個樣點共采得32個土壤樣品。

圖1 研究區示意圖

土壤樣品測定在中國科學院東北地理與農業生態研究所進行，土壤CEC采用乙酸銨交換法測定[17]；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[18]；全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定[19]；全磷含量采用酸溶鉬銻鈧比色法測定[20]；全鉀含量采用醋酸銨法測定[21]。

1.3 數據處理

采用ArcGIS 10.2、Origin和SPSS 22.0軟件分別進行研究區示意圖繪制、空間分布圖繪制和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤CEC的總體特征

在碟形洼地-島狀林方向上，土壤CEC平均值先增大后減小而后稍有增大，呈“N”字形，即毛薹草群落土壤CEC最大，烏拉薹草群落土壤CEC最小，沼柳-小葉章群落與漂筏薹草-蘆葦群落土壤CEC處于兩者之間且沼柳-小葉章群落小于漂筏薹草-蘆葦群落區(圖2)。在垂直方向上，4個群落不同深度土壤CEC范圍為9.83～37.97 cmol/kg。各群落0～25 cm深度，隨著土層深度增加，土壤CEC呈下降趨勢。漂筏薹草-蘆葦群落土壤CEC，在25～35 cm深度上呈現出急劇下降的現象，并在35～40 cm深度上微弱回升；而其他3個群落土壤CEC，25～40 cm深度上都在20 cmol/kg左右。在4個群落中，漂筏薹草-蘆葦群落土壤CEC最大值出現在10 cm深度上，最小值出現在35 cm深度上；其他3個群落壤CEC，最大值均出現在5 cm深度上，毛薹草群落最小值出現在35 cm深度上，烏拉薹草群落最小值出現在30 cm深度上，沼柳-小葉章群落最小值出現在40 cm深度上。

圖2 土壤CEC水平分布圖

2.2 碟形洼地-島狀林方向不同群落土壤CEC的分層描述性統計

根據研究區域特征把土壤樣品分為表層土壤(0～10 cm)、表下層土壤(10～25 cm)和下層土壤(25～40 cm)。4個群落表層、表下層和下層土壤CEC變化范圍分別為27.85～37.97、18.6～31.56、9.83～23.51 cmol/kg，根據土壤CEC的劃分標準，研究區域表層及表下層濕地土壤養分保持能力、養分供應能力及緩沖能力處于中等偏強水平，下層土壤則處于中等偏弱水平[1]。4個群落表層土壤CEC含量為漂筏薹草-蘆葦群落>沼柳-小葉樟群落>毛薹草群落>烏拉薹草群落；表下層土壤CEC含量為漂筏薹草-蘆葦群落>毛薹草群落>烏拉薹草群落>沼柳-小葉樟群落；下層土壤CEC含量為毛薹草群落>烏拉薹草群落>沼柳-小葉樟群落>漂筏薹草-蘆葦群落。

根據變異等級劃分標準[22]，除漂筏薹草-蘆葦群落下層土壤CEC處于高度變異水平，沼柳-小葉章群落表下層土壤處于中度變異水平外，其他群落各分層土壤CEC為低度變異。漂筏薹草-蘆葦群落、烏拉薹草群落和毛薹草群落表下層土壤均接近于中等變異水平，且3個群落土壤CEC全距較大，這說明研究范圍內的土壤CEC的分布和變化受到內外部因素的共同影響[23]。

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 水文地貌對土壤CEC分布的影響

地勢影響著土壤的溫度和水分條件，土壤的溫度和水分是影響和反映濕地生態環境的重要因素，它們不僅影響濕地土壤中生物的活動，更對濕地土壤的物理化學性質產生影響[24]。4個濕地植物群落在碟形洼地-島狀林方向上土壤平均溫度均呈現逐漸上升的趨勢[14]。這種變化是由太陽光照、植被以及土壤含水量等因素綜合影響的結果。毛薹草群落、烏拉薹草群落和沼柳-小葉章群落由于地勢相對較高，土壤含水量較低，受太陽光照變化影響較強，土壤溫度日際變化和年際變化較為顯著，土壤風化程度較高，土壤質地較為疏松，上下層土壤質地變化相對較小，自表層至下層土壤CEC變化趨勢較為和緩；漂筏薹草-蘆葦群落則因地勢較低，常呈現水淹狀態，土壤含水量高，土壤溫度變化較小，呼吸作用弱，表層、表下層和下層土壤質地相差較大且出現不同質狀態，自表層至下層土壤CEC變化較大。

3.1.2 土壤養分對土壤CEC分布的影響

土壤有機質是土壤中最重要的組成成分之一，是土壤肥力的物質基礎，也是土壤形成發育的主要標志[25]。已有相關資料表明[26-27]，土壤有機質與土壤CEC有極顯著的正相關關系，土壤有機質與土壤CEC的顯著程度達到1%。

研究區域表層土壤有機質含量高于表下層和下層土壤，這與濕地動植物在表層積累了較多的有機質有關，表層溫度較高，水熱耦合性高，微生物活躍，土壤腐殖質較多，土壤有機質含量高，土壤CEC較高[25]。通過相關性分析，4個樣點土壤有機質與土壤CEC呈顯著正相關(表1)，即隨土壤有機質含量增加，土壤陽離子交換量也增大。在碟形洼地-島狀林方向上，土壤有機質和土壤CEC相關性有逐漸增強的趨勢，即離碟形洼地中心越遠，地勢越高，土壤有機質與土壤CEC相關性越強。在碟形洼地-島狀林方向上，離碟形洼地中心越遠，氣溫升高，生物量增多[28]，土壤中可供分解的動植物殘體也越多，動植物殘體在土壤微生物的分解作用下形成土壤腐殖質，而土壤腐殖質是土壤有機質重要組成部分和來源[25]，從而有機質逐漸增多，陽離子交換量也逐漸增大(圖3)。

圖3 土壤有機質分布圖

氮、磷和鉀是濕地生態系統物質循環和能量流動過程中所必需的大量元素，Tateno等[29]指出，濕地生態系統活動易受氮、磷和鉀的限制。碟形洼地-島狀林土壤全氮、全磷與土壤CEC極顯著正相關(表1)。濕地土壤中的全氮全磷分布受土壤淹水影響，此時土壤處于還原狀態，土壤中的氮磷元素無法發生礦化作用，可保持在土層中。漂筏薹草-蘆葦群落距離碟形洼地中心最近，水淹作用尤為顯著，導致氮磷元素以有機狀態賦存于植被下層并被植物固定于土壤中上層；毛薹草群落相較筏薹草-蘆葦群落距碟形洼地中心稍遠，水位下降，加之其生物量(304 g/m2)[24]在4個群落中最多，更有利于氮磷的積累，但一定程度上同時會導致部分營養元素被吸收利用，氮磷含量相對下降；烏拉薹草群落和沼柳-小葉章群落接近濕地邊緣，脫離了水淹環境而處于氧化還原環境過渡區，在此環境下氮、磷元素礦質化易釋放，加之烏拉薹草群落生物量(231.6 g/m2)[24]最低，所以烏拉薹草群落氮磷含量降低較快，但沼柳-小葉章群落生物量(241.77 g/m2)[24]僅次于漂筏薹草-蘆葦群落(266.9 g/m2)[24]，有利于將植物殘體和土壤原有氮磷元素集中起來，故在沼柳-小葉章群落氮磷含量出現次高峰，呈“N”字形，這與碟形洼地-島狀林土壤CEC平均值變化趨勢是相一致的。

表1 土壤CEC與土壤全氮、全磷及鉀含量的相關性

與劉世全等[30]所研究的旱地土壤CEC具有保鉀功能的結論不同，碟形洼地-島狀林土壤鉀元素與土壤CEC呈現出極顯著的負相關，這可能是因為土壤CEC與土壤膠體含量有關[8]，鉀離子化學性質活躍，對土壤膠體的凝聚作用低，而研究區域鉀離子含量較高，對土壤膠體有一定破壞作用，使土壤CEC降低，這對于濕地的保護、研究和恢復具有重要的參考意義。

3.1.3 植物群落特征對土壤CEC分布的影響

漂筏薹草-蘆葦群落生長于碟形洼地明水面邊緣地帶，土壤水淹程度最高。此群落莖葉部分高度較低(10～30 cm)，表層土壤受太陽光照影響較大[28]，利于微生物活動；地表常年積水，漂筏苔草與蘆葦在地表長出緊密的根莖混合層，交織成氈，承載了群落的枯落物[31]，便于微生物分解枯枝落葉形成腐殖質，改善了表層水淹土壤質地，發育為泥炭沼澤土[32]，土壤CEC高。下層土壤透水性和呼吸功能差且植物根系較少到達，土壤內有機質含量少[13]，由表下層到下層土壤CEC急劇降低。毛薹草群落距碟形洼地中心稍遠，稈疏叢生[33]，枯落物易到達地表，且表層土壤與空氣接觸程度較高，增強了透氣性，加快了表層土壤微生物的分解活動[34]，有機質轉化為腐殖質，腐殖質沼澤土發育，土壤CEC較高。烏拉薹草群落水分條件較毛薹草群落差；稈緊密叢生，透光透氣性差；葉片堅硬且基部葉鞘無葉片，土壤表層枯落物少[28]。因此毛薹草群落土壤CEC最低。沼柳-小葉章群落距明水遠，面積較大，群落內沼柳、小葉樟分布較為稀疏，植株較高(80～150 cm)，根莖較粗，透氣透光性較強；植株冠大葉多，且群落下部伴生有柳葉繡線菊(Spiraeasalicifolia)和蚊子草(Filipendulaintermedia)等低矮濕地植物[35]，土壤表層生物活動頻繁，表層土壤表現為礦質多根，孔隙度高且呈團聚狀，土壤CEC高；表下層為淋溶層，下層為白漿層[36]；土壤CEC呈由表層到表下層緩慢降低，下層基本不變態勢。

4 結論

(1)碟形洼地-島狀林土壤CEC范圍為9.83～37.97 cmol/kg，在水平方向上，毛薹草群落區土壤CEC最大，烏拉薹草群落區土壤CEC最小，沼柳-小葉章群落與漂筏薹草-蘆葦群落區土壤CEC處于兩者之間且沼柳-小葉章群落小于漂筏薹草-蘆葦群落區土壤CEC，呈“N”字形。

(2)在垂直方向上，表層土壤CEC高，由表層至下層土壤CEC逐漸降低；表層土壤CEC處于低度變異水平，表下層土壤CEC近于或處于中等程度變異，下層土壤CEC除漂筏薹草-蘆葦群落處于高度變異水平外均處于低度變異水平。

(3)相關分析表明，碟形洼地-島狀林土壤CEC與土壤有機質呈極顯著正相關，土壤CEC分布主要受土壤有機質的積累狀況影響；土壤全磷全氮含量與土壤CEC含量呈極顯著的正相關；群落的水文狀況、土壤溫度影響土壤CEC的分布。土壤CEC與土壤鉀含量呈現極顯著的負相關，這對于三江平原濕地的保護、研究和恢復具有重要的參考意義。