湿地土壤不同水埋深度的剖面特征——以东洞庭湖为例

张涛,李素艳†,翟鹏辉,张洋,付颖

(1.北京林业大学林学院,100083,北京；2.北京东方园林股份有限公司,100012,北京)

湿地土壤不同水埋深度的剖面特征
——以东洞庭湖为例

张涛1,李素艳1†,翟鹏辉2,张洋1,付颖1

(1.北京林业大学林学院,100083,北京；2.北京东方园林股份有限公司,100012,北京)

以东洞庭湖湿地为研究对象,研究东洞庭湖湿地各类土壤的发育情况、剖面特征、理化性质以及养分的空间分布随地下水埋深度的增加而变化的规律。结果表明:1)随地下水埋深度的加深,土壤发育加深,表下层厚度增加,潜育层加深,土壤类型分布为草甸土—潮土。2)土壤的土粒密度大,平均值为2.78 g/cm3,土壤密度变化范围为0.71～1.41 g/cm3。3)土壤有机质质量分数范围为1.78%～5.07%,土壤表层有机质质量分数的分布规律随水埋深度的加深而减小,表下层土壤的有机质质量分数基本一致,在垂直方向上有机质质量分数随土壤剖面深度的增加而降低。4)土壤全P的质量分数随水埋深度的增加而增加,在垂直方向上表层土壤的全P质量分数高于下层土壤；土壤全K质量分数较高,随着水埋深度的加深而减小,在垂直方向上全K质量分数没有显著变化。5)土壤中Ca、Mg元素随着水埋深度的变化没有规律性,其中水埋深度最浅的草甸土Ca、Mg元素质量分数最高,其他样点剖面差异不大。

湿地土壤；剖面特征；理化性质；养分分布；东洞庭湖

湿地类型多样,分布广泛,面积各异,从陆地到海洋,从乡村到城镇都有湿地分布。湿地不仅可以直接影响地下水补给、径流调蓄,同时能够净化污染物、拦截沉积物、维护生物多样性、调节气候,甚至还能够调节区域乃至全球C、N等元素的生物地球化学循环过程。

目前,国内在湿地土壤方面的研究主要集中在我国北方地区的森林湿地、沼泽湿地等类型的湿地土壤[1-5]方面,而南方地区则主要研究湖泊湿地生态系统以及滨海湿地生态系统。对于洞庭湖湿地生态系统的研究,主要集中在湿地洪涝灾害[6]、围垦[7]、湿地演变[8]、土壤污染[9-10]以及湖洲的土地利用等方面,对湿地土壤的形成、不同水埋深度土壤的剖面特征、营养元素的变化规律等研究不多。笔者以东洞庭湖湿地为研究对象,研究不同水埋深度的土壤剖面的形态特征、土壤类型、物理性质及化学性质的变化规律,为湿地的土壤保护、生态恢复及环境研究等提供科学依据。

1 研究区概况

本文主要以东洞庭湖为研究对象,洞庭湖区是指洞庭湖及其周围地区,位于长江中游荆江段南岸。东洞庭湖区域的年平均径流量为3 035万m3,水深4～22 m,最大水位高差17.76 m。盛水期为6—8月,枯水期为12月—翌年3月。东洞庭湖属亚热带气候,大部分湖洲土壤成土母质为河流冲击物和湖积物,以紫湖泥土为主,土层深厚,土地肥沃。全年雨量充沛,气候温和,四季分明,1月平均气温3.3℃,7月平均气温 30.2℃,年均日照时间1 792 d、降水量967 mm、无霜期277 d,农、林业发达[11]。该区域主要植被包括短尖苔草(Cyperaceae brevicuspis)群落、辣蓼(Polygonum hydropiper)群落、芦苇(Phragmites australis)群落、南荻(Miscanthus sacchariflorus)群落、灯芯草(Juncus effusus)群落、弯囊苔草(Cyperaceae dispalata)群落以及欧美杨(Populus euramericana)人工林群落等。

2 研究方法

2.1 取样方法

在东洞庭湖区受人为干扰程度最轻的小西湖(东洞庭湖国际重要湿地保护管理站),从湖心向外围依次布设取样点。以水埋深度为依据分别在水埋深度40、60、80、100、120 cm处设点,进行土壤剖面及植被类型的调查。样点设置见表1。

表1 剖面地点分布Tab.1 Profile plot distribution

在同一水埋深度分别挖掘3个土壤剖面点,按土壤的自然发育情况来分层,直到地下水位为止。观察并记录各层土壤的形态特征,并分层取分析样品1 kg左右,捡去石块、残根等杂物,自然风干后,研磨过筛,装袋备用。

2.2 土壤指标分析方法

土粒密度采用体积质量瓶法、土壤密度采用环刀法、土壤质地采用体积质量计法、土壤pH值采用电位法、土壤有机质质量分数采用重铬酸钾稀释热-容量法、土壤速效P 质量分数采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法、土壤速效K质量分数采用乙酸铵浸提-火焰光度法、土壤Ca、Mg质量分数采用电感耦合等离子体(ICP)法分别进行测定。

2.3 数据分析方法

实验数据的处理部分采用Excel、SPSS软件。

3 结果与分析

3.1 不同地下水埋深的湿地土壤剖面发育特征

调查结果见表2。可以看出,从湖心向四周延伸,地下水埋深度越来越深,土壤发育层越来越厚。

距湖面25 m的1号剖面,水埋深40 cm,地上植被为小灯芯草群落,层次为3层,即A-Bu-G。A层为黑褐色的腐殖质层,质地为砂壤土,根量较多,没有新生体,有少量的小螺。Bu为锈色斑纹层,颜色为棕黄色,有明显锈纹锈斑,质地为粉黏土。G为潜育层,该层是由于常年积水造成,青蓝色。此类土壤类型为潜育化草甸土。

表2 不同样点土壤剖面的形态特征Tab.2 Profile characteristics in different plots

距湖面135 m的2号剖面,地下水埋深60 cm,地上植被为短尖苔草群落。层次为3层,即A-Bu-G,A层为腐殖质层,团粒结构,较疏松,根量多,无新生体和侵入体。Bu层剖面厚度68 cm,较1号剖面(46 cm)要厚,G层出现在距地表80 cm处,其他特征及土壤类型与1号剖面一致。

距湖面240 m的3号剖面,地下水埋深度为80 cm,地上植被为短尖苔草群落,层次为3层,即A-Bu-G。Bu层厚度70 cm,可明显看到2个亚层:Bu1和Bu2层。Bu1层比较黏重,为粉黏土,紧实,有少量根系；Bu2层黏粒质量分数较Bu1层小,为壤黏土,无根系。整个Bu层有绣纹绣斑及少量田螺。81 cm下方有潜育层,其他特征及土壤类型与1号剖面和2号剖面一致。

1～3号剖面样点受人为影响较少,剖面湿度大,含水量高,均属草甸土类型。这类土壤地下水埋深度较浅,土壤受地下水浸润,升降频繁,氧化还原交替形成锈纹锈斑,但随地下水埋深的加深,B层的土壤发育层加深,厚度增加。

4号剖面是在地势相对较高的高滩芦苇地,离湖心距离约为1 000 m,地下水埋深度为100 cm。因有排水设施,未挖至水面。挖至1 m深,观察到的层次有A、B层,A层为腐殖质层,B层较深厚,可分2个亚层,未见G层。

5号剖面是围湖造田的农田,距离湖心约为5 000 m,地下水埋深度为大于120 cm。受人为干扰较严重,退田还湖以后种植的是速生杨。5号剖面可观察到的层次有耕作层(A11)、亚耕层(A12)、心土层(C1)、底土层(C2),属潮土类型,质地变化是从表层往下各层次为壤—黏—壤—黏。这也说明此处土壤属冲积物发育而来,有明显的分层性。

3.2 不同地下水埋深的湿地土壤物理性质分析

土壤密度和土壤质地与土壤水、肥、气、热及耕作的难易状况有着密切的关系。湿地土壤物理性质的好坏直接影响着湿地植被的生长和发育。测定的土粒密度、土壤密度、土壤孔隙度、土壤质地及含水量结果见表3。

表3 不同立地的土壤物理性质Tab.3 Soil physical characteristics in different plots

可以看出,这5处样地的土壤剖面的不同土层中,土粒密度介于2.68～2.86 g/cm3之间,平均值为2.78 g/cm3,明显高于常见陆地生态系统中的土粒密度值。这是由于东洞庭湖湿地的地势相对低洼,常年被湖水浸没,湖水中携带的大量黏性颗粒在此不断沉积,最终导致该研究区的土粒密度值偏大。

由表3还可以看出,不同立地条件的土壤密度也存在着显著的差异。土壤密度介于 0.71～ 1.41 g/cm3之间,平均值为1.25 g/cm3。其中,1号剖面的A层最低,5号剖面的A层最大,平均值为1.37 g/cm3。这是由于1号剖面离湖面最近,地势相对低洼,长期处于被浸没状态,导致土壤表层有机质的回归总量远远大于土壤有机质的分解腐化量；因此,土壤有机质的质量分数较高,最终导致土壤的孔隙度最大,密度最小。5号剖面的密度最大,这主要是由于5号剖面属于农田改造地段,受人类的干扰较大,由于人类长期的从土壤中不断的获取,而忽略了对土壤的补偿,导致土地生态系统的物质循环和能量流动断裂,土壤肥力也渐渐不能自我维持,致使土壤有机质越来越贫瘠,土壤质地黏重,土壤密度相对增大。这与陈刚起等[12]在研究三江平原湿地土壤经农业开垦以后得出的土壤理化性质变化的趋势相一致。土壤质地是砂壤土—黏土,层次构造为一层砂一层黏土。巨大的持水性是湿地土壤的一大特征,其持水量高出一般土壤的2～8倍[13]。

同时,从表3可以看出,湿地的土壤含水率随着地下水位的降低而降低。这是因为,一方面湿地所处的微地貌特征存在差异,另一方面,随着湿地退化程度的加重,湿地土壤中有机质质量分数不断减少,土壤的保水和持水能力不断降低。这与王世岩[14]在研究三江平原退化湿地土壤含水率时得出的结果一致。

3.3 不同地下水埋深度的湿地土壤化学性质

3.3.1 土壤有机质的分布规律 土壤中有机质的质量分数变化主要取决于有机物质的输入量与输出量之间的相对大小。天然土壤中的有机质的输入主要依靠其地上生长、生活的植物、动物等的有机残体的回归量与分解腐化率[15]。为研究湿地土壤有机质的分布规律,分别测定了不同水埋深度下不同层次的土壤有机质的质量分数,见图1。

图1 土壤有机质分布图Fig.1 Soil organic matter distribution

从水平分布来看,不同水埋深度的5个点位上的表层土壤的有机质质量分数差异显著。1号剖面表层土(A层)有机质质量分数最高,为50.7 g/kg；5号剖面的农田土壤表层土的有机质质量分数最低,为17.8 g/kg；2、3、4号剖面居中,范围在27.0～32.1 g/kg之间,变化不大。1号剖面是距湖面最近,湖滩草本植物群落的生态系统受人类活动的干扰较少,每年的净同化总量几乎就相当于总投入量,使得有机质的输入量较大,因此,该剖面中土壤表层的有机质质量分数就高；而距湖面较远的湖滩草地,由于有落水季节总是有放牧等人为影响；而芦苇地每年都有大量的芦苇被收割走,所以,有机质质量分数较1号剖面相对较低；5号剖面为华容县集成垸的杨树林地,表层土壤中的有机质得不到充足补充,同时在当地水热气候条件下,土壤中剩余的有机物也以较快的速度分解、流失掉,不能在表层土壤中长期保留,因此,表层土壤的有机质质量分数低。这也说明在这种自然情况以及人类生产活动的干扰下就有可能造成洞庭湖湿地有机碳的大量损失,增加湿地中存储的碳向大气的排放[16]。从垂直分布来看,不同水埋深度下的土壤下层的有机质质量分数基本一致,没有明显的差异。

如图1所示,在土壤剖面纵向分布变化方面,有机质质量分数的总体变化趋势基本都是表层土壤质量分数高于下层土壤。其中主要的一个原因是,植物残体在回归土壤的过程中,大部分被生长在上面的植物所吸收利用,重新以碳的形式进入生态系统；同时,由于泥沙的淤积作用,底层土壤中的有机质得不到必要的补充又被植物通过根吸收的方式所转移,于是造成表下层有机质质量分数小于表层。

3.3.2 土壤P、K、Ca、Mg元素的分布规律 由于天然土壤的有机质质量分数与土壤全N质量分数成正相关的关系,因此,在研究土壤中大量元素及中量元素的分布规律时未进行土壤全N的测定,只做了P、K、Ca、Mg测定,见图2～图4。

图2 土壤全P分布图Fig.2 Soil total P distribution

如图2所示,水平方向上,不同水埋深度,土壤全P质量分数总体来说普遍不高,平均值为185.4 mg/kg；最高值是水埋深度最高的5号剖面的表层土,为248.6 mg/kg；最低值是水埋深度最浅的1号剖面的表层土,为133.7 mg/kg。随水埋深度的增加,全P质量分数总体上呈现上升趋势。水埋深度越浅,地势越低,一年里被水浸润的时间较长,有些P元素随水流失；地势高的地方土壤被水浸润的时间较短,P元素会富积在土壤中,使土壤中P元素的质量分数会随地势的增高而增加。从垂直分布来看,各个样地的表层土壤全P质量分数高于下层土壤。

如图3所示,研究区域土壤全K质量分数范围为4 904.1～4 227.4 mg/kg,平均值为4 497.4 mg/ kg。水埋深度较低的草甸土全K质量分数高于水埋深度较高的潮土。这与地上植被有关,草甸土上生长的植被是苔草,每年的枯落物又返还到土壤中。而高滩芦苇地和农田每年都把地上植物收割走,同时也带走了大量的K元素,常年不被水淹,也得不到水流中携带的K素的补充；因此,随水埋深度的增加,全K质量分数基本上呈下降趋势。从垂直分布来看,各个样地的表层和下层全K质量分数没有显著变化。

图3 土壤全K分布图Fig.3 Soil total K distribution

从图4可知,土壤中Ca、Mg元素的分布规律基本一致。表层土壤Ca、Mg元素只有1号剖面的Ca、 Mg元素质量分数明显高于其他4个剖面,而其他4个剖面表层土差异不大。这主要是因为1号剖面距湖心最近,常年被湖水浸润,湖水携带的Ca、Mg元素淤积在表层,表层有机质质量分数又高,把这些养分吸持在表层。而距湖面较远的湖滩草地及高滩芦苇地受湖水浸润的时间相对较短而有机质质量分数也低,Ca、Mg元素质量分数也随之降低。5号剖面为农田改造,有施肥等人为的经营活动,Ca、Mg元素质量分数有所回升。下层土壤的Ca、Mg元素质量分数无显著变化。从垂直分布来看:只有1号剖面的表层土壤Ca、Mg元素质量分数高于下层土壤,这与1号剖面地势低洼,表层积聚了大量Ca、Mg元素有关；2～4号剖面表层土壤地上植被为苔草和芦苇,由于人类放牧或长期从土里取走植物收获物,致使部分Ca、Mg元素流失,另外,潮水来时也会把地上一些植物冲走到地势较低处而损失一些；5号剖面地上植被是8年生杨树林,由于根系较深,能把下层的一些养分吸收到植物体内,所以,地表土壤和下层土壤Ca、Mg元素质量分数没有显著变化。2种元素比较,Ca元素质量分数较高,范围为12.69～22.28 g/kg,Mg元素质量分数相对较低,范围为133.7～240.8 mg/kg。

4 结论

1)随地下水埋深度的加深,B层的土壤厚度增加。水埋深度较浅的地方土壤类型为草甸土,土壤层次构造为A-Bu-G。水埋深度较深的地方土壤类型主要为潮土,且有一层沙一层黏的层次构造特征。

2)东洞庭湖区域,土壤的土粒密度明显高于常见陆地生态系统中的土壤土粒密度值。土壤密度随着水埋深度的增加而增加,土壤含水率则随水埋深度的增加而减小。

图4 土壤Ca、Mg元素分布图Fig.4 Soil Ca and Mg distribution

3)表层土壤有机质的水平分布规律随着水埋深度的加深而减小,下层土壤的有机质质量分数不随水埋深度的变化而变化,基本一致。在垂直方向上,各种水埋深度下的土壤表层有机质质量分数均高于下层土壤。土壤中全P质量分数在水平分布上均随着水埋深度的增加而增加；在垂直方向上,表层土壤的全P质量分数高于下层土壤。土壤全K质量分数在水平分布上,随着水埋深度的增加而减少；在垂直方向上,全K质量分数没有显著变化。土壤中Ca、Mg元素随着水埋深度的变化没有规律性,其中水埋深度最浅的湖心地的草甸土Ca、Mg元素质量分数最高,其他样点土壤中Ca、Mg元素的质量分数差异不大。

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(责任编辑:郭雪芳)

Soil profile characteristics in wetland at different submerging depths: A case study of the East Dongting Lake

Zhang Tao1,Li Suyan1,Zhai Penghui2,Zhang Yang1,Fu Ying1
(1.School of Forestry,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China；2.Beijing Orient Landscape Limited Liability Company,100012,Beijing,China)

We studied soil profile characteristics,physico-chemical properties and nutrient distribution in wetland at different submerging depths in water of East Dongting Lake,central China.Results showed: 1)The thickness of subsurface horizon and the depth of gley horizon increased as the wetland elevation increased,with soil types distributed as meadow soil and tidal soil.2)The average soil particle density was 2.78 g/cm3and the soil bulk density varied between 0.71 -1.41 g/cm3.3)The content of organic matters ranged from 1.78%to 5.07%.It decreased with the increase of soil depth.No change of organic matter content was found in subsurface horizon.4)With the increase of wetland elevation,soil total P increased,but total K decreased.Total P in surface horizon were higher than that in subsurface horizon, but there were no significaut differences of total K between surface horizon and subsurface horizon.5) The contents of Ca and Mg in gleyed meadow soil were higher than that in the other soil types,but there were no relationships between the depth of ground water and the conteuts of Ca and Mg.

wetland soil；profile characteristics；physical and chemical properties；nutrients distribution；East Dongting Lake

S159.2

A

1672-3007(2015)04-0025-07

2013- 11- 08

2015- 01- 08

项目名称:国家林业局“948”引进项目“利用柳树生态系统处理污水技术引进”(2012 -4 -75)

张涛(1988—),男,博士研究生。主要研究方向:土壤修复。E-mail:zhangtao5291@126.com

†通信作者简介:李素艳(1968—),女,博士,副教授。主要研究方向:土壤与植物营养。E-mail:lisuyan@bjfu.edu.cn