尕海沼泽化草甸湿地不同地下水位土壤理化特征的比较分析

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(1. 甘肃农业大学林学院， 甘肃 兰州730070； 2. 甘肃农业大学农学院， 甘肃 兰州730070； 3. 甘肃尕海则岔国家级自然保护区管理局， 甘肃 碌曲747200)

土壤水分物理性质是土壤的物理性质和与其相适应的土壤中水分动态的特征，反映了土壤的结构状况、养分状况、持水性能、保水能力及渗透能力，是评价土壤理化性质的重要指标，也是研究土壤水分传输的前提和基础[1]。良好的土壤水分物理性质能够促进各种营养物质的矿化和转移速度[2-3]，对植物营养元素的有效性和供应能力有重要影响。因此，土壤水分物理性质是影响生态系统健康的重要因素， 是当前国内外学者共同关注的热点问题。

湿地是陆生生态系统和水生生态系统之间具有独特水文、土壤、植被与生物特征的多功能过渡性生态系统，在涵养水源、调节洪水径流及生物多样性形成等方面具有十分重要的作用[4]。尕海湿地位于青藏高原东缘，是青藏高原面积最大的高原沼泽若尔盖湿地的重要组成部分，被誉为“高原明珠”[5-6]。从20世纪50年代左右开始，由于受气候变化及人类活动的影响，该区高寒草甸湿地开始向自然疏干方向发展，湿地积水区面积减小、地下水位下降[7]，导致泥炭层厚度急剧下沉[8]，土壤有机碳分解加快、湿地碳“汇”功能减弱[9]。从而形成了一种常年积水区、季节性积水区及无积水区等不同水分梯度的湿地分布区。已有研究表明，在不同水分条件下的高寒嵩草草甸湿地土壤有机碳含量差异显著，这将会对湿地土壤持水性能和土壤结构性状产生影响[10]，而三江平原湿地研究已经证实不同水分梯度湿地物理特征显著不同[11]。目前，对青藏高原湿地不同地下水位区域的土壤理化性质的比较分析少有报道。因此，本研究选取了尕海沼泽化草甸的3个不同地下水位的区域，通过研究不同地下水位沼泽化草甸土壤的理化性质的变化规律，旨在为高寒湿地土壤生态研究提供数据支持，并为该区高寒湿地的保护、利用与管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

尕海湿地位于青藏高原东北边缘甘肃省碌曲县尕海-则岔国家级自然保护区内(33°58'12″～34°32′16″ N，102°05′00″～102°47′39″ E)，海拔3 430～4 300 m，区内湿地面积57 846 hm2，主要为河流湿地、沼泽草甸和泥炭湿地，其中沼泽化草甸51 160 hm2，泥炭地10 429 hm2 [12]。气候属于青藏高原带、高寒湿润气候区，年均气温1.2 ℃，无绝对无霜期，年均降水量781.8 mm，主要集中在7—9月，年蒸发量1 150.5 mm。土壤类型主要包括暗色草甸土、沼泽土和泥炭土等，植物种类以乌拉苔草(CarexmeyerianaKunth)、唐松草(ThalictrumaquilegifoliumL.var.sibiricum)、线叶蒿(ArtemisiasubulataNakai )、二裂萎陵菜(PotentillabifurcaL. )、珠芽蓼(PolygonumviviparumL. )、蕨麻(PotentillaanserinaL. )等。

1.2 样地设置及土壤样品采集

2014年7—8月，在实地调查的基础上，选取尕海湿地保护区境内典型沼泽化草甸为研究对象，按照地下水位由高到低的特征将沼泽化草甸分为高水位(SI)、中间水位(SII)、低水位(SIII)类型(3种类型高寒沼泽化草甸分布区概况见表1)。在每种地下水位的样地内，随机挖取3个土壤剖面，各剖面间空间距离均>5 m，在每个土壤剖面，用环刀和铝盒分别采集0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm土层土壤，同时在各层取土约1 kg(分别重复3 次)带回室内用以土壤颗粒组成分析。针对高水位(SI)土壤取样难的问题，试验首先用50×50×30 cm的铁框隔断地面水源，然后抽干铁框内的积水，快速挖取土壤剖面，进行取样。

1.3 土壤理化性质测定

用环刀浸水法测定土壤容重、孔隙度等物理指标；用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机碳含量；土壤氮、磷先用浓硫酸-双氧水进行消解，冷却后转移到100 ml的容量瓶中(反复冲洗消解管)定容，然后采用凯氏定氮法和钼锑抗比色法测定土壤全N和全P含量[13]。

表1 样地基本情况Table 1 Fundamental state of sample location

1.4 数据分析

采用Excel 2007对数据进行处理，在SPSS 19.0软件环境下用单因素方差分析和LSD多重比较法进行差异显著性检验，使用Excel 2007软件做图。

2 结果与分析

2.1 不同地下水位样地的土壤物理特征

2.1.1不同地下水位样地的土壤颗粒组成 由表2可知，甘南尕海沼泽化草甸不同地下水位区域的土壤颗粒组成差异显著。从土壤的粒径特征来看，除SI湿地土壤以细砂(<0.2 mm)为主外，其它2种地下水位土壤均以粗砂(2～0.2 mm)为主。其中细砂粒径均以0.2～0.1 mm含量最多，SI土壤平均细砂粒分别比SII、SIII高出了16.57%、35.22%，且差异显著(P<0.05)；而土壤粗砂粒径均以0.5～0.2 mm含量最多，SIII土壤平均粗砂粒分别比SII、SI高出了12.08%、31.00%，且差异显著(P<0.05)。在土壤垂直剖面上，SIII、SII土壤粗砂总量随土层深度的增加逐渐增大，SI土壤粗砂总量随土层深度的增加呈先下降后上升的变化趋势，最小值为44.75%；而SIII、SII土壤细砂总量随土层深度的增加逐渐降低，SI土壤细砂总量随土层深度的增加呈先增加后降低的变化趋势，最大值为55.25%。

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

注：同列数据后不同小写字母表示不同水位0～40cm层平均值的差异显著(P<0.05)，下同；大写字母表示各相同水位下不同土层间的差异显著(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不同地下水位样地的土壤容重 土壤容重作为评价土壤物理状况指标之一，在一定程度上反映了土壤肥力的好坏，其大小与土壤质地、孔隙结构及土壤紧实度等密切相关，可以反映土壤的孔隙状况和贮水能力[14]。由表3可知，尕海沼泽化草甸由高水位到低水位的变化过程中，土壤容重变化较大。3种不同水位下土壤剖面的平均容重为SIII比SII、SI高出了6.94%、21.26%，且SI土壤容重显著小于其它2种水位类型(P<0.05)。在垂直剖面上，3种不同地下水位的土壤容重均随土层深度的增加而增大，且各土层土壤容重具有不同的差异性，其中SIII土壤容重的变化范围在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之间，3种区域土壤容重平均值均随地下水位的升高依次减小。

2.1.3不同地下水位样地的土壤孔隙度 由表3可以看出，尕海沼泽化草甸地下水位由高到低的变化过程中，土壤孔隙度变化较大。其中SI样地的平均土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度分别比SII和SIII显著高出了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、总孔隙度均随土层深度的增加逐渐减小；SII区域10～20 cm土层的土壤非毛管孔隙度最大，但该层土壤毛管孔隙度和总孔隙度较小；SI区域的非毛管孔隙度在0～10 cm土层最大，而毛管孔隙度和总孔隙度均在10～20 cm层最大。SIII区平均土壤通气度分别比SII、SI高出23.43%和13.68%，但差异不显著。在土壤垂直剖面上，3种地下水位的土壤通气度随土层深度的增加逐渐减小，表明尕海沼泽化草甸SI区域土壤孔隙度最好，SII区域次之，SIII区域土壤孔隙度最差。

表3 不同地下水位和土层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 不同地下水位样地的土壤蓄水性能

由表4可知，尕海沼泽化草甸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%，土壤蓄水性能差异显著(P<0.05)。在垂直剖面上，SIII区土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量随土层深度的增加逐渐降低，方差分析表明差异显著(P<0.05)，而最大蓄水量和非毛管蓄水量随土层深度的增加呈先减小后增大的变化趋势；SII区土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量、最大蓄水量随土层深度的增加先减小后增大(P<0.05)，非毛管蓄水量随土层深度的增加逐渐增大，差异不显著；SI区土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量随土层的变化规律与SII完全相反，SI区土壤最大蓄水量随土层的增加之间增大。研究结果表明，湿地SI区的水源涵养功能强于其它区域，因为土壤的蓄水量主要取决于土壤孔隙度，孔隙度影响土壤的持水和蓄水性能，进而影响土壤的水源涵养功能[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养分特征

3个水位梯度土壤有机碳含量介于34.92～93.35 g·kg-1，样地间土壤有机碳含量差异显著(P<0.05)。随着水位的降低，土壤有机碳含量减小，最高水位下(SI) 的土壤有机碳含量均值是最低水位下(SIII) 的2. 67倍(图 1a) 。SI、SII、SIII各样地不同土层间有机碳含量差异显著(P<0.05)，随土壤深度的增加，3个水位梯度土壤有机碳含量均递减。各样点0～10 cm土层有机碳积累较多，分别占总有机碳的比例为47.34% (SI)、49.98% (SII)、47.19% (SIII)。

图1 不同地下水位土壤各层的养分特征Fig.1 Nutrient characteristics of soil layers at different groundwater levels

3个水位梯度下土壤全氮含量介于1.70～3.66 g·kg-1(图 1b)，随着水位的降低，土壤全氮含量逐渐减小，SI样地与SII和SIII样地全氮含量差异显著(P<0.05)，而SII和SIII样地全氮含量无明显差异。SI、SII、SIII各样地不同土层间全氮含量差异显著(P<0.05)，随土壤深度的增加，SIII样地呈现先减小后增加的趋势，20～40 cm土层全氮积累较多，占土壤全氮的59.77%；而SI和SII样地均呈减小的趋势，0～10 cm土层全氮积累较多，分别占总氮的比例为51.19% (SI) 、44.78% (SII)。

3个水位梯度下土壤全磷含量介于37.63～59.82 mg·kg-1(图 1c)，随着地下水位的降低，土壤全磷含量显著降低(P<0.05)。SI、SII、SIII各样地全磷含量随土层深度变化的趋势不同。随土壤深度的增加，SI样地土壤全磷呈现逐渐减小的变化趋势，0～10 cm土层全磷积累较多，占土壤全磷的49.60%，而SII和SIII样地均呈先减小后增大的趋势，SII的0～10 cm土层和SIII的20～40 cm土层全磷积累较多，分别占总磷的56.35%和37.17%。

3个水位梯度下的0～40 cm土壤碳氮比介于20.59～27.27(图 1d)，平均值为24.25，各样地间土壤C:N无明显差异；氮磷比、碳磷比介于37.46～61.21、927.92～1 560.50(图1e, 1f)，且SI样地N:P、C:P显著高于SII和SIII样地(P<0.05，n=9)，而SII和SIII样地的N:P、C:P差异不显著。

2.4 湿地土壤理化性质间的相关分析

本研究中，不同采样区土壤物理性质与化学性质之间具有不同的相关性(表5)。其中地下水位与有机碳、全氮、全磷、最大持水量、孔隙度呈极显著的正相关性(P<0.01)，土壤有机碳与全氮、全磷、最大持水量、孔隙度呈极显著的正相关性(P<0.01)，全氮与全磷、最大持水量、孔隙度呈极显著的正相关性(P<0.01)，全磷含量与最大持水量呈显著的正相关性(P<0.05)，最大持水量与孔隙度呈极显著的正相关性(P<0.01)。但土壤容重与地下水位、有机碳、全氮、全磷、最大持水量均呈极显著的负相关性(P<0.01)。

表5 不同地下水位土壤理化性质间的相关性Table 5 Correlativity between soil physical and chemical properties in different groundwater levels

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关，*表示在0.05水平(双侧)上显著相关

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

3 讨论

湿地土壤的水分主要来源于降雨、冻融、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种力的作用，形成不同的土壤水分类型并反映出不同的性质[18]。土壤的种类和结构直接影响着土壤的持水、蓄水能力，对减少地表径流和涵养水源具有重要的作用。本研究表明，甘南尕海沼泽湿地不同地下水位土壤的颗粒组成差异明显，地下水位较高的SI样地土壤以细砂(<0.2 mm)为主，其它2个样地土壤均以粗砂(2～0.2 mm)为主。这可能由于尕海沼泽湿地地处高寒地区，水淹、冻融现象频繁发生，地下水位的波动使得土壤出现干湿交替过程[19]，引起了土壤胶体的形态变化，使土壤团聚体崩溃，土壤结构发生变化，容重、粒径等物理性质的改变使原来不能被分解的有机质因团聚体的分散而能够被分解[20]，所以SII和SIII样地随着地下水位的降低，土壤容重增大，土壤粗粒含量增多；而高水位(SI)样地土壤处于水分饱和状态，同时植被主要以水生植物为主，植物根系生长、冻融所产生的作用力降低了土壤团聚体稳定性的同时，加快了土壤大颗粒介质的破碎[21-22]。土壤容重能够反映湿地土壤的孔隙状况和贮水能力，因此是评价湿地土壤物理性质的重要指标之一[23]。本研究发现土壤容重随地下水位的降低逐渐增大，土壤容重与地下水位和最大持水量呈显著的负相关性(P<0.05)，当地下水埋深较浅时，土壤可以得到上升毛管水的补给，而维持较高的土壤含水量，随着地下水埋深变深，SIII样地得到地下水的补给最少，土壤容重最大[24]，而在高水位条件下，土壤吸水饱和处于膨胀状态，导致土壤容重变得较小[15]。随着湿地地下水位的递增，土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度逐渐增大，通气度逐渐下降，因为高水位条件下土壤水分处于过度饱和状态，土壤以厌氧环境为主，枯死的植物根系不易被微生物分解，从而增加了土壤的孔隙度，因此高水位湿地土壤在降低土壤容重和通气性的同时，还具有良好的贮水能力。

本研究表明，0～40 cm土层范围内，土壤有机碳含量随着水位下降而显著下降。水文条件是湿地形成和发育中最关键的因子，水位升高会提高湿地土壤有机碳的积累速率。当土壤过湿时，进入土壤的氧气减少，土壤缺氧，起分解作用的好氧气微生物活动减弱或停止，所以有机质分解率低，未分解的有机质得到积累[25]。反之，土壤水分含量下降和通气量的增加会导致土壤有机质的分解加速。同时，水位也通过影响土壤容重和孔隙度对土壤养分产生影响，本研究表明，水位与土壤容重呈极显著的负相关性，而水位与孔隙度呈极显著的正相关性。说明地下水位通过影响容重和孔隙度等因素对土壤有机碳产生影响[26]，因此地下水位是影响土壤有机碳含量的关键因素。尕海沼泽化草甸湿地土壤全氮和全磷含量随着地下水位的降低而逐渐减小，且全氮、全磷含量与地下水位具有极显著的正相关性，而与孔隙度的相关性不显著，与有机碳存在极显著的正相关关系。3个水位梯度下土壤养分含量随土层深度的增加逐渐降低，但在低水位(SIII)20～40 cm层土壤全氮和全磷含量高于10～20 cm层(图1)，这是因为低水位样地的地下水位的均值在土壤深度约20 cm处，该样地20 cm层土壤经常处于干湿交替的过程，加速了湿地的脱氮，而20～40 cm层处于水分饱和状态，该土层的脱氮作用要弱于干湿交替的脱氮作用，同时干湿交替促进了土壤有机磷和无机磷的释放，因此10～20 cm层土壤积累下的氮、磷含量较低[27]。碳氮比低有利于微生物在有机质分解过程中的养分释放，最适于微生物分解的碳氮比约为25左右，而本研究中3个水位样地土壤碳氮比介于20.59～27.27，其中SI(25.49)土壤有机碳的腐殖化程度最高，表明SI样地土壤有机碳比较容易矿化，有利于土壤泥炭层的形成。

4 结论

尕海湿地土壤颗粒组成和土壤容重在不同地下水位样地间差异显著，高水位土壤细砂(<0.2 mm)较多、土壤容重较小，而低水位土壤粗砂含量(2～0.2 mm)较多、土壤容重较大。在土壤垂直剖面上，3个不同水位的土壤容重均随土层深度的增加而增大，0～40 cm范围内高水位平均土壤总孔隙度、最大持水量分别是中水位和低水位的1.19和1.36倍、1.93和2.75倍。尕海湿地土壤有机碳、全氮、全磷含量随着地下水位的降低而逐渐减小，地下水位越高，土壤有机碳、全氮和全磷含量越大，沼泽化草甸湿地排水、降低地下水位是湿地土壤有机碳、全氮和全磷丧失的重要原因。湿地地下水位的降低显著影响有机质的分解转化，加快了氧化分解的速率，造成土壤碳氮磷养分含量减少，湿地土壤环境恶化。