三峡库区消落带土壤有机质和全氮含量分布特征*

郭劲松，黄轩民，张 彬，2，方 芳，付 川

(1:重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400045)

(2:西华大学能源与环境学院，成都610039)

(3:重庆三峡学院化学与环境工程学院，重庆404000)

三峡库区消落带土壤有机质和全氮含量分布特征*

郭劲松1，黄轩民1，张 彬1，2，方 芳1，付 川3

(1:重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400045)

(2:西华大学能源与环境学院，成都610039)

(3:重庆三峡学院化学与环境工程学院，重庆404000)

在三峡库区消落带落干期间(2010年4月)，对库区巫山-重庆主城区段消落带土壤有机质(OM)和全氮(TN)含量分布及与土壤理化性质的相关性进行了调查研究.结果表明该区域消落带土壤OM和TN含量均较低，分别为10.70±4.03和0.84±0.39 mg/g，且服从正态分布.消落带土壤碳氮比(C/N)较低，推测消落带土壤无机氮在淹水期间存在向上覆水体释放的可能性.在与其它关于土壤OM和TN含量研究的比较中，研究区域内土壤OM和TN含量处于偏低的水平;而在与对照带样品的比较分析中发现，消落带样品的OM和TN含量变异系数均偏低，因此消落带干湿交替可减小不同区域消落带之间土壤OM和TN含量差异.相关性分析表明，消落带土壤pH、ORP、TN与OM之间呈显著正相关，可见研究范围内消落带土壤氮形态可能主要以有机氮的形式存在于有机质中，而C/N与TN呈负相关，与OM相关性不显著，表明C/N的大小主要取决于TN含量.

消落带;土壤;有机质;全氮;三峡库区

消落带是指江河、湖泊、水库等水体水位因季节性涨落使土地被周期性淹没和出露成陆形成的干湿交替的水陆衔接地带［1］.消落带可以看作淡水湿地的一种，属于一类特殊的湿地生态系统［2-3］，具有敏感而脆弱的生态环境，在淹水期间易与上覆水发生物质交换和能量传递.三峡库区消落带的垂直距离为30 m(水位145～175 m)、面积为348.93 km2.同时，随着水位变化，三峡库区消落带每年有大量土地处于季节性淹没状态和非淹没状态，此时其干湿交替的环境条件以及附近居民的耕作等因素都可能对三峡库区消落带的土壤生态环境及水环境产生各种影响.

有机质(Organic Matter，OM)和全氮(Total Nitrogen，TN)是湿地土壤重要的组成部分，也是湿地生态系统十分重要的生态因子，其含量变化对湿地生态系统的生产力影响非常显著［4］.OM含量是土壤肥力状况的重要指标，并为水体及土壤中的生物活动提供了能源和基质，在维持生物多样性方面起着至关重要的作用［5-6］.氮素则是湿地生态系统中最重要的限制因素之一，也是水体发生富营养化的重要诱导因子，是一种湿地营养水平指示物［7］，而消落带是淡水湿地的一种，具有类似湿地的生态环境特征.目前，有关三峡库区消落带土壤的研究主要集中在重金属含量调查［8］、氮磷形态分布特征［9-11］和氮磷吸附释放规律［12-13］等方面，而关于三峡库区消落带在经历多次反复的淹水-出露后，消落带土壤OM和TN含量特征的研究较少.

本文针对三峡库区巫山-重庆主城区段消落带，于2010年4月对该区域土壤OM和TN含量进行研究，分析了二者在研究区域中的分布规律和土壤理化特征，及OM、TN和C/N三者的相互联系及土壤中碳、氮的转化，以期为三峡库区消落带土壤OM、TN含量变化和碳氮物质循环提供基础数据与科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域

三峡库区巫山 -重庆主城区段消落带(28°28'～31°44'N，105°49'～110°12'E)面积约为 306.28 km2，总共涉及22个区县(市)，遍布于长江干流和库区大大小小百余条次级河流.库区地貌类型复杂多样，以山地为主.研究区域地处亚热带季风气候区，具有雨热同季、热量丰富、雨量充沛、空气潮湿、云雾较多等气候特点，多年年均温度18.1℃，最热月均温度28.4℃，最冷月均温度7℃，是全国著名的高温区.年降雨量1087～1400 mm，但季节分配不均，降雨集中在夏季，相对湿度79%～82%［14］.

1.2 样品采集与分析

在研究区域内共选择了14个采样点(图1)，贯穿整个三峡库区重庆段消落带，分布于长江干流以及干流南北两侧重要的支流消落带;除此之外，在消落带面积较大的区县，不同土地利用方式和类型的消落带均分布有采样点，具体信息详见表1，共采集样品54个.采样期间(2010年4月)的水位为154 m，所采集的样品分为两部分:1)刚出露的消落带土壤样品(样品数n=41)，淹水历时约7个月，每个采样点按154～175 m的高程区间均匀分成上、中、下3个区段分别采集1份土壤样品，其中，忠县新政村未能采集到下部的土壤样品;2)对照带土壤样品(样品数n=13)，未被库区水体淹没过，在高程175～180 m之间采集1份土壤样品，其中，开县汉丰湖未能采集到土壤样品.采集土样时，使用洛阳铲采集表层土(0～20 cm)，为了使所采样品具有代表性，在1 m范围内采集4～5个不同土样，捡掉砾石、动植物残体等，充分混合后用四分法缩分至1 kg左右，装入聚乙烯袋密封保存带回实验室.样品采集时同时测定各采样点的经纬度、酸碱度(pH)、氧化还原电位(ORP)和含水率.

图1 三峡库区消落带采样点分布图Fig.1 Distribution of sampling sites of water-level-fluctuating zone in Three Gorges Reservoir area

表1 采样点位置Tab.1 The location of sampling sites

样品经冷冻干燥器低温冷冻干燥处理后，碾磨过100目筛，处理后装入聚乙烯密封袋中，并存储于-20℃冰箱中以备化学分析.土壤有机质(OM)采用重铬酸钾-外加热法进行测定，TN采用凯氏法进行测定.

2 结果与讨论

2.1 OM在消落带土壤中的含量分布特征

消落带有机物输入输出量的相对大小决定其土壤中有机质含量的变化.土壤中的有机质输入主要依赖于有机残体归还量的多少及有机残体的腐殖化系数，有机质的输出量则主要包括分解和侵蚀损失，受各种生物和非生物条件的控制［15-17］.除此之外，消落带的干湿交替［18］、管理方式及污染物质的输入也同样影响着消落带土壤中有机质含量的分布.

OM在研究区域内的含量统计分析结果表明，消落带土壤OM含量平均值为10.70±4.03 mg/g，与对照带土壤OM 含量相比，二者差异性不显著(sig.＞0.05)，但对照带样品的变异系数为57.7%，高于消落带样品(3 7.7%)(表2)，表明消落带干湿交替可减小不同采样点消落带之间土壤O M含量差异.消落带O M含量的频数分布直方图见图2 a.正态性检验显示消落带土壤样品O M含量服从正态分布，表明其分布比较集中.研究区域内，消落带O M含量均值置信度0.9 5 的置信区间为(9.4 2，1 1.9 7)，即有9 5%的可能性认为研究区域内消落带土壤的O M含量均值落在该置信区间内.

表2 研究区域消落带OM、TN和C/N的统计分析*Tab.2 Statistical analysis of OM，TN and C/N ratio in the soils of study area

不同研究区域OM含量表明，本研究区域消落带土壤OM含量处于较低水平，明显低于澎溪河消落带、其他区域湿地和沉积物OM含量(表3).这可能是因为张雷等［19］对澎溪河消落带采样时间为2009年，早于本研究，由于土壤在水中长时间浸泡，OM会逐渐分解，导致其含量降低且分布均匀［9］;而三江平原和梁子湖湿地的土壤主要是沼泽土，含有大量的腐殖质，因此其OM含量相对而言略高;太湖五里湖受人为活动影响较大，富营养化程度严重，且为湖湾，水体动力条件较弱，有利于OM和营养盐的沉积，导致OM含量较高;巢湖富营养化程度相比太湖较弱，且为浅水湖泊，水动力条件较强，不利于OM的积累.而三峡库区消落带土壤较低的OM含量可能与库区的水动力相对较强，不利于OM和营养盐的积累，以及消落带的水土侵蚀导致土壤OM和营养元素的流失有关.

表3 不同区域类型OM和TN含量比较Tab.3 Comparison of OM and TN contents in different areas

图2 OM(a)、TN(b)在研究区域土壤中的频数分布Fig.2 The distribution of frequency of OM(a)and TN(b)contents in the soils of study area

2.2 TN在消落带土壤中的含量分布特征

氮素的输入和输出量的相对大小决定着土壤中全氮的含量变化.土壤中的氮素主要来源于植物残体的归还量及生物固氮，也有少量来源于大气降水;输出主要是土壤中有机质的分解，分解后大部分被植物吸收利用，部分NH3经过矿化(氨化)、硝化、反硝化作用以及氨挥发等生物过程而重返大气中［25-27］.除此之外，消落带的干湿交替［18］、管理方式及污染物质的输入也同样影响着消落带土壤中全氮含量的分布.

消落带土壤TN含量的统计分析表明，研究区域消落带土壤样品TN含量的平均值为0.84±0.39 mg/g，与对照带土壤TN含量相比，二者差异性不显著(sig.＞0.05)，但对照带样品的变异系数为79.1%，高于消落带样品(46.7%)，表明消落带干湿交替可减小不同区域消落带之间土壤TN含量差异(表2).消落带土壤TN含量的频数分布直方图见图2b.正态性检验显示消落带土壤样品TN含量服从正态分布，也表明其分布比较集中.研究区域内，消落带土壤TN含量均值置信度0.95的置信区间为(0.71，0.96)，即可以认为研究区域内消落带土壤的TN含量均值落在该置信区间内的概率为95%.

从不同研究区域TN含量的比较可知，库区消落带TN含量处于较低的水平(表3).其中大宁河［9］和澎溪河［20］的采样时间均早于本研究，由于OM和TN的相关性极显著(后文已分析)，二者有相同的输入和输出途径，因此OM的分解可能导致土壤中氮的释放.其他研究区域湿地/沉积物TN含量的大小顺序与OM含量的大小顺序基本一致，但龙感湖TN含量较高.因龙感湖为典型的草型湖泊，大型水草在固定营养盐方面具有重要的作用，所以其TN含量较高，而其他研究区域TN含量高低的原因与OM类似.

2.3 研究区域内消落带土壤碳氮比

土壤碳氮比指示土壤生物分解过程中碳和氮转化作用的密切关系.正常耕地的土壤生物在土壤C/N约为25时获得平衡营养.如果C/N高于25，表明土壤中的N含量无法满足微生物的需要，此时N不但不会积累，而且腐败菌类会迅速繁殖，加快OM的分解，并且土壤中的NH+4-N含量不足以产生硝化作用［28］.研究区域内消落带土壤C/N相对较低，变化范围为4.04～22.47(表2)，这意味着土壤中有机碳具有较高的腐殖化程度，有机氮易于矿化，致使消落带土壤无机氮的增加［16］，从而导致研究区域较低的C/N，其均值为8.32±3.86.相比对照带样品的C/N，变化范围为2.53～12.75，库区消落带土壤在经过特有的干湿交替后土壤C/N有所增加，但仍然较低，并且OM的增加程度远远小于TN的减小程度，由此表明消落带土壤无机氮在淹水期间存在向上覆水体释放的可能性.

2.4 消落带土壤基本理化特征及其与OM、TN、C/N之间的相互关系

研究区域内ORP 为-49.90 ～63.90 mV，含水率为16.2% ～67.9%，pH 为5.92 ～7.76.其中大部分采样点的pH值大于7，处于中性偏微碱性的范围，且ORP整体上也呈还原性.

从研究区域土壤基本理化性质及OM、TN、C/N之间的相关性可以看出，消落带土壤OM与pH值呈显著正相关，与ORP呈显著负相关，表明库区消落带土壤pH值和ORP对土壤OM分布会造成一定的影响(表4).土壤pH值对OM的影响常常通过影响土壤微生物的活动来实现［29］.在中性条件下微生物活性最强，在强碱和强酸条件下其活动受到抑制，从而抑制有机质的分解转化.而研究区域内消落带土壤pH值整体上偏微碱性，这可能是导致pH值对该区域消落带OM分布产生一定影响的原因.土壤ORP的高低表征了其氧化性和还原性，相对于还原条件来说，土壤OM在氧化条件下更易被氧化分解，所以在ORP高时，土壤OM含量相对较低，反之则相对较高.

研究区域内土壤OM与TN呈极显著正相关，相关系数r=0.674，表明TN和OM具有相同的消长趋势(表4)，这同以往的研究结果相一致［29-30］.此外，OM和TN呈极显著正相关也表明研究区域内有机氮可能为消落带土壤氮形态主要存在形式之一，在对氮形态的分析中发现有机氮在消落带土壤氮形态中占有较高的比重，为氮素的主要存在形态(另文发表).C/N与OM之间的相关性不显著，而C/N与TN呈极显著负相关，其相关系数r=-0.513，由此表明C/N的变化主要由TN含量决定，该结果与白军红等［16］对内蒙古乌兰泡湿地的研究结果一致.

表4 消落带土壤理化指标及OM、TN之间的相关系数矩阵Tab.4 Matrix of correlation coefficients between OM，TN and physical and chemical indexes

3 结论

1)研究区域消落带OM和TN含量均服从正态分布，且其在消落带样品中的变异系数均低于对照带样品，表明消落带干湿交替是影响消落带土壤OM和TN分布的重要因子.与其它区域土壤OM和TN含量的比较表明，库区消落带土壤OM和TN含量处于偏低水平，且与消落带的早期研究成果对比后发现，消落带土壤OM和TN含量随三峡水库运行时段而有所降低.

2)库区消落带土壤C/N介于4.04～22.47之间，相比对照带的C/N较低，表明消落带土壤有机氮容易发生分解矿化生成无机氮，增加其在淹水过程中向上覆水体释放的潜力.

3)土壤TN与OM呈极显著正相关，表明消落带土壤TN和OM具有相同的消长趋势;C/N与TN呈极显著负相关，而与OM相关性不显著，表明C/N的大小主要取决于TN含量;土壤pH、ORP与OM的相关性表明pH、ORP是影响OM分布的重要因子.对于消落带土壤的迁移转化机制以及截留和释放尚待进一步定量研究.

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Distribution characteristics of organic matter and total nitrogen in the soils of water-levelfluctuating zone of Three Gorges Reservoir area

GUO Jinsong1，HUANG Xuanmin1，ZHANG Bin1，2，FANG Fang1＆ FU Chuan3
(1:Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，P.R.China)
(2:Energy and Environment College of Xihua University，Chengdu 610039，P.R.China)
(3:Faculty of Chemistry and Environmental Engineering，Chongqing Three Gorges University，Chongqing 404000，P.R.China)

The distribution characteristics of organic matter(OM)and total nitrogen(TN)in the soils of water-level-fluctuating zone(WLFZ)of Three Gorges Reservoir were studied during the non-flooded period，while the correlation among the soil physicalchemical characteristics，OM and TN contents was also be analyzed.OM and TN contents in the soils of WLFZ were both fairly low，were 10.70 ±4.03 and 0.84 ±0.39 mg/g，respectively;however，they followed the normal distribution.The lower C/N ratio of the soils of WLFZ suggested possibility of releasing of inorganic nitrogen from soil in the WLFZ to overlying water in the flood period.Compared with other study areas，the OM and TN contents were at the low level.The variation coefficients of OM and TN contents of the soil samples of WLFZ were on the low side by comparison with those in control zone.That is why the differences of OM and TN contents among difference WLFZ of study areas could be reduced by cyclic drying and wetting of WLFZ periodically.Correlation analysis showed that pH，oxidation-reduction potential(ORP)，TN was significantly and positively correlated with OM.The result indicated that organic nitrogen was the main nitrogen compositions in soils of WLFZ of the study area.Soil C/N ratio was negatively correlated with TN，but insignificantly correlated with OM，suggesting that soil C/N ratio was mainly determined by the content of TN.

Water-level-fluctuating zone;soil;organic matter;total nitrogen;Three Gorges Reservoir area

* 国家水体污染控制与治理科技重大专项项目(2009ZX07104-003，2009ZX07104-002)资助.2011-10-25收稿;2011-12-05 收修改稿.郭劲松，男，1963 年生，教授;E-mail:guo0768@126.com.