黑河自然保护区沼泽湿地土壤化学性质的空间分布特征研究

白娜，王立*，孔东升

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.河西学院河西生态与绿洲农业研究院，甘肃 张掖 734000)



黑河自然保护区沼泽湿地土壤化学性质的空间分布特征研究

白娜1，王立1*，孔东升2

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.河西学院河西生态与绿洲农业研究院，甘肃 张掖 734000)

通过对张掖黑河湿地国家级自然保护区沼泽湿地野外调查、土样采集、实验室分析，利用空间分布格局代替时间演替序列，应用描述性统计及线性回归和相关性的分析方法，对该湿地的速效养分、有机质和土壤全盐含量及pH进行了研究。结果表明, 土壤有机质(SOM)含量随着土层深度的增加而显著增加；速效氮(AN)含量垂直分异明显且整体趋势先减少后急剧增加；土壤中速效磷(AP)、速效钾(AK)、全盐含量空间分布存在表聚现象，上高下低的分布格局明显；pH值含量空间分布差异不大但该地区土壤呈碱性和强碱性。pH和SOM存在弱负相关性，pH通过抑制植被的生长来间接影响SOM含量；全盐含量和AK含量具有强烈的乘幂和正线性相关性。全盐、SOM、AN、AP、AK含量均属于中等变异，pH为弱变异。黑河保护区湿地生态系统正处于退化阶段，脆弱性和敏感性使该保护区在干旱半干旱区涵养水源、保持水土的重要性减弱，建立当地自然条件特征基础上长期持续的试验研究，保护与恢复措施迫在眉睫。

沼泽湿地；速效养分；全盐；有机质；空间分布；黑河湿地

湿地作为陆地生态系统与水域生态系统相互作用形成的过渡地带，是地球上具有多种功能的独特生态系统，是最富有生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一[1-2]，也是地球上最具生产力的生态系统，被誉为“地球之肾”[3]。湿地的萎缩、扩张以及植被的变化是整个湿地生态环境的综合反映，而湿地土壤的理化性状不仅能反映土壤结构状况和蓄水能力，而且也影响植被生长，关系到湿地环境的形成与演替[4-6]。目前湿地研究中有关湿润、半湿润地区的湿地土壤理化性质研究较多，主要集中于长三角以及湘鄂交界处、山东中部和三江平原地区[7-10]，而干旱区湿地研究较少，且集中在塔里木河和艾比湖区域[11-13]；从湿地类型看，对沼泽湿地整体研究少，且集中于湿润、半湿润地区湿地[14-17]，干旱区沼泽湿地土壤理化性状及其空间分布特征的研究鲜见。土壤速效养分在探究生物系统物质和能量循环以及多元素平衡过程中发挥着重要作用，并对该过程具有良好的指示作用，随着对土壤速效氮(AN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)养分元素空间变异特征研究的不断深入，科学家们发现许多土壤特性在空间上并不独立存在，不属纯随机变量，沼泽湿地土壤理化性质的特征和变化受湿地生态系统的植物群落类型、土壤养分、水文过程等多种因素的影响，研究湿地土壤营养元素的空间分布特征及其相关性，对揭示植被对养分的可获得性以及营养元素的循环和平衡机制及其对环境的生态效应具有重要意义[18-19]。

张掖黑河湿地国家级自然保护区是2010年由国务院批准成立的，面积4.1万hm2，属于典型的干旱半干旱区“内陆湿地和水域生态系统类型”，是全球8条候鸟迁徙的中亚—印度通道的重要中转站，是河西走廊甚至西北地区重要的生态屏障，也是黑河中下游重要的水源涵养地，有着十分重要的生态安全战略地位[20]。该湿地保护区无论从地理位置、生态功能还是湿地类型来看，都与东部平原湖群或青藏高原湖群湿地具有不同的特质，土壤理化特性复杂。加之近年来，国内外湿地环境遭到严重干扰和破坏，加强保护与研究势在必行。关于张掖黑河湿地研究主要集中在景观、生态旅游、候鸟多样性及生态服务功能价值[21-25]，西大湖沼泽湿地作为张掖黑河湿地国家级自然保护区的重要组成部分，该地区土壤化学性质空间分布特征如何？土壤各要素之间有什么联系？未见相关文献。揭示黑河保护区湿地土壤养分空间变化规律是认识和评价湿地演替的重要依据，因此，本研究以张掖黑河湿地国家级自然保护区西大湖沼泽湿地土壤速效氮、磷、钾、有机质、全盐含量及pH含量空间特征为主要研究内容，阐明保护区沼泽湿地各营养元素含量的分布特征及空间联系，对该湿地保护、恢复和生态环境实现可持续发展具有重要的生态学意义，这不仅对干旱区沼泽湿地退化过程研究与恢复具有一定的借鉴作用，也可为大尺度研究湿地生态保护、维护生态系统的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

张掖市甘州区西大湖湿地是黑河湿地国家级自然保护区内的典型沼泽湿地，位于黑河流域中游，其地理坐标为100°21′51.179″ E-100°22′59.382″ E，39°01′21.438″ N-39°02′03.072″ N，面积358.9 hm2，海拔1439～1496 m之间。该保护区属大陆性干旱气候，年平均气温为7 ℃，极端最高气温为41 ℃，极端最低气温为-31 ℃；日照充足，昼夜温差大，年日照时数2683～3088 h；降水稀少而集中，仅129 mm；年平均蒸发量为2047 mm，蒸发强烈，干旱指数高达15.87。全年盛行西北风，最大风速36 m/s，年均大风日数14.9 d，年均沙尘暴日数20.3 d，无霜期110～170 d。灾害性天气有大风、沙尘暴、干热风、干旱、霜冻等。研究区具体位置见图1。

1.2 野外调查取样

2015年9月30日对张掖黑河湿地国家级自然保护区西大湖沼泽湿地土壤进行了野外采集。在充分考虑空间因素的差异性对演替序列的干扰，选择有代表性的地段作为样地。以湿地浅水处为起点，沿直线设置3条平行样带进行固定样方的调查，平行样带之间的距离为200 m，长度1.1 km，样带每隔100 m布设一个样方，每个固定样带12个样方，共计36个(图1)，并用GPS定位。在选择的每一样地中，调查记录样方环境因子，包括小生境、海拔、经纬度、干扰状况等；利用土钻在每一个样方固定点周围等距区域间隔120°处分别取土层深度0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土样，每层混合均匀后带回实验室，共108个土样，测定土壤有机质、速效氮、磷、钾含量及土壤全盐含量、pH值等。

图1 张掖市黑河湿地国家级自然保护区规划图-西大湖沼泽湿地采样点示意图Fig.1 Heihe Wetland National Nature Reserve Layout area of Zhangye-Sampling spots in Xidahu Marsh Wetlands图来源于环境保护部南京环境科学研究所。 Picture is from Nanjing Institute of Environmental Science， MEP.

1.3 样品的制备和测定

野外采回的土样经过风干、磨细、过筛、混匀、装袋的制备过程。装袋样品标明地点、样带号、采样日期、孔筛等项目后封存。土壤有机质(SOM)的测定采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法，油浴锅分析；土壤全盐含量采用电导法，使用DDS-307型电导率仪测定；速效氮(AN)采用扩散吸收法测定；速效磷(AP)采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾(AK)采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；pH测定采用电位法。以上土壤理化性质的测定均根据《土壤农化分析》[26]的规程进行。

1.4 数据处理

根据野外调查资料和实验室内的分析结果，采用SPSS 18.0的单因素方差分析(one-way ANOVA)、多重显著性比较检验(LSD, Duncan)和相关及线性回归分析方法，Excel及Google earth软件处理数据、分析及作图。

2 结果与分析

2.1 土壤化学性质的空间分布特征

从表1可以看出，6种土壤要素的变异系数范围为6.92%～94.43%，变异系数为全盐含量>速效钾>速效磷>速效氮>有机质>pH，除pH值外，其他元素含量属于中等变异。6种土壤要素的峰度值均为正值，除pH值外，均表明呈现“高峰态”分布；全盐含量、有机质、速效氮、速效磷、速效钾的描述数据统计出的偏度都比较大，说明原始数据中存在特异值而使正态分布偏向一侧；土壤pH值碱性程度强，比较集中，偏度和峰度值均为正值且较小，符合正态分布。描述性统计分析只能说明土壤速效氮、速效磷、速效钾含量的特征，不能完全反映整个研究区域的分布特征，也就是说不能充分反映土壤特性的空间结构性和随机性、相关性和独立性。因此，需要用单因素分析与相关性分析相结合的方法进行土壤理化特性的分析和探讨。

表1 西大湖湿地各样带土壤全盐、有机质、速效氮、速效磷、速效钾、pH特征描述性统计Table 1 Statistical feature values of soil total salt， organic matter, available N, P, K, and pH

2.1.1 土壤速效氮的空间分布特征 仅从水平关系看，表1表明，土壤AN含量均值差异不明显。水平方向，表层0～10 cm土层中3条样带的AN含量差异很小(F=0.272，P=0.860>0.05)(图2A)；10～20 cm时呈现出第1、3样带AN含量极显著高于第2样带 (F=5.545，P=0.005<0.01)；20～40 cm土层深度时3条样带差异性不显著(F=0.057，P=0.945>0.05)。整体来看，AN水平方向差异不明显，仅在10～20 cm土层深度时，AN含量差异极显著，造成这种差异的原因可能是一般草本植被根系分布于0～20 cm，由于植被根系分布不均匀，长势、吸收量不一样，加之该地区微生物分解产生的AN不能与植被吸收量相一致，从而导致的。

由图2A可看出，垂直方向，通过单因素分析，第1样带底层含量远高于0～10 cm土层深度，第2样带中间层含量远低于表层和底层，第3样带随土层深度加深含量逐渐增加但不显著。总体分析0～10 cm、10～20 cm与20～40 cm的土层深度含量均值在0.05水平存在显著差异。速效氮含量在不同土层深度差异性显著(F=3.854，P=0.022<0.05)，大体变化趋势为随深度增加含量先减少后极显著增加。以上土层和区域分布不均匀可能由于大气中的氮素要进入生物体必须通过固氮细菌和蓝绿藻活动，而土壤微生物呼吸与温度是呈正比的[27]，所以N素主要分布于生物活动频繁的范围内，尤其是在植物根系分布区，该试验地是草本沼泽湿地，表层根系分布区的AN转化快、消耗多，底层长期累积造成AN含量上低下高的分布格局。

2.1.2 土壤速效磷的空间分布特征 由图2B、表1分析表明，对研究区不同区域土壤速效磷的研究分析可以发现，水平方向同土层含量差异不明显，0～10 cm(F=1.136，P=0.325>0.05)、10～20 cm(F=2.355，P=0.100>0.05)、20～40 cm(F=0.795，P=0.454>0.05)，造成同土层差异的原因可能由于第2样带表层植被长势较好，覆盖度高，截留风力作用吹积的速效磷的能力高导致的，从而出现第2样带表层速效磷含量高于其他研究区域并且高于其他土层深度的现象。各土层不同样带速效磷的含量变化与在整个研究区域水平方向速效磷含量分布趋势基本一致，速效磷含量由第1样带向第2和第3依次递减，差异不显著。

垂直方向，土壤中速效磷含量呈极显著(F=17.315，P<0.01)的上高下低的分布格局，由图2B中各样带不同土层深度的含量差异显著性(F=1.468，P=0.235>0.01；F=10.927，P<0.01；F=10.927，P<0.01)能够更加清晰的说明这一分布格局。造成差异的原因可能是植被根系和土壤表层速效磷累积，这与无机磷的转化强度增加有关，同时由于土壤pH在6.5～7.5时，土壤中迟效难溶性的无机磷在碳酸和有机酸的作用下，可转化为速效磷，该研究区域土壤大多数情况下为强碱性，速效磷易和钙形成Ca3(PO4)2从而形成难溶性磷酸盐，只有经长期风化过程，才能转化为被作物吸收利用的形态，随着土层深度的增加，草本沼泽土壤速效磷含量急剧下降。相关研究也表明，P在土壤中沿剖面垂直向下淋溶的可能性不大且量极少[19]。

2.1.3 土壤速效钾的空间分布特征 对研究区不同样带土壤速效钾水平方向的研究表明，速效钾含量由第1样带向第2和第3依次递减，差异并不显著(F=2.960，P=0.053>0.05)。但具体到各土层时，仅在土壤表层0～10 cm深度中含量差异不显著(F=2.007，P=0.140>0.05)，10～20 cm(F=4.939，P=0.009<0.01)时呈现出第1样带含量差异极显著高于第2、3样带的情况；20～40 cm(F=8.588，P<0.01)土层深度速效钾含量差异较大且第2样带小于第1、3样带。造成这种差异的原因尚不清楚。

垂直方向，随着土层深度的增加，土壤速效钾含量减少(图2C)，0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm的土层深度含量均值分别为27.41，12.15和6.77 mg/kg，上层、中层和下层土壤速效钾含量变化大且差异极显著(F=184.988，P<0.01)，分层现象明显，变化趋势体现了土壤速效钾含量的分布是受明显的生物富集和表聚作用及风力作用，这可能与植物地上部分的凋落物量以及根系的垂直分布密切相关，同时植物根系从深层土壤中吸收养分，然后再通过枯枝落叶等形式将部分养分归还于表层土壤并提供丰富的钾源，而在深层土壤造成含量逐渐减少。土壤中K素的含量及其分布受土壤类型、成土母质、地形、土壤颗粒组成等多种因素的影响。从采样点的地理位置来看，第1样带为保护区外围地带，且整个区域全年盛行西北风，在风的作用下，该地区土壤速效钾含量由外围向中心逐渐递减[27]。从研究区表面来看，外围地表裸露度高且有少许人为活动的影响，植被相对中心区域少，而K又是植物生长所必需的元素，植物生长好的区域从土壤中吸取可供利用的速效钾含量就多，说明植物量的多少会导致速效钾在两区域分配不均。0～40 cm 各层含量最大值和最小值差异明显，表明土壤速效钾存在本底差异，本实验区土壤中速效钾含量较低，并不等同于总钾量在土壤中很低，土壤钾素在剖面中的垂直移动，可能受植被的吸收、气温、降水及土壤水分运动的影响。

图2 各样带不同深度土壤速效氮、磷、钾含量分布特征Fig.2 Distribution characteristics of soil available N,P,K content in different depth and sampling sites 图中不同大小写字母分别表示差异P<0.01和P<0.05显著水平，下同。 Different capital and small letters in a column mean significant at P<0.01 and P<0.05 levels, respectively. The same below.

2.1.4 土壤有机质含量的空间分布特征 如图3A所示，水平方向SOM含量变化不明显(F=0.780，P=0.459>0.05)，同样具体到同土层差异亦不明显(F=0.397，P=0.686>0.05；F=0.641，P=0.529>0.05；F=0.345，P=0.709>0.05)。该地区是草本沼泽湿地，地下水位较高，部分区域微生物分解SOM的外在条件好于地势稍低区域和淹水区。就整个研究区而言，水平分布差异性可能源于湿地水环境不同，同时各样带处于淹水区域、微地形各不相同，土壤通气性差，微生物的活性较低，有利于SOM和氮的积累[28]。

垂直方向SOM含量变化随着土层深度的增加极显著增加。各样带不同深度SOM存在极显著差异(F=7.398，P=0.001<0.05；F=18.894，P<0.01；F=16.300，P<0.01)。这可能因为研究区干旱、高温的气候条件下，好气微生物比较活跃，增加了有机质的矿化分解量，不利于SOM的累积。表层较其他层SOM和AN含量较低可能是由于SOM含量取决于有机物质输入和输出量的相对大小，其中有机物质的输入量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，该湿地受人为因素干扰较小，植被覆盖度较高且均是草本植物，但数据呈现出碱性强的特征，可能湿地处于退化状态，加之该自然保护区为沼泽湿地，土壤熟化程度较低造成SOM含量在垂直方向的差异。

图3 各样带不同深度有机质和全盐含量空间分布特征Fig.3 Distribution characteristics of organic matter and total salt content in different depth and sampling sites

2.1.5 土壤全盐含量的空间分布特征 由表1可知，土壤全盐含量在0.100～3.770 mg/g之间，均值为0.63786 mg/g。水平方向，不同样带全盐含量存在极显著差异(F=3.979，P=0.022<0.05)，全盐含量均值由第1样带向第2和第3样带呈阶梯状下降，全盐含量均值分别达到(0.83797±0.127243) mg/g，(0.62628±0.093674) mg/g，(0.44878±0.060493) mg/g。其中，水平方向0～10 cm土壤全盐含量在0.158～3.370 mg/g之间，变化范围大，3条样带组内差异性不是很明显(F=2.682，P=0.083>0.05)，但多重比较之后，第1和第3样带差异性显著(P=0.029<0.05)，第2样带与第1，3样带差异不明显；10～20 cm土壤全盐含量均值(0.47819±0.084101) mg/g，且在0.162～2.380 mg/g之间，变化范围较大，差异性显著(F=3.909，P=0.030<0.05)；20～40 cm土壤全盐含量均值(0.29506±0.0297357) mg/g，且在0.100～1.600 mg/g范围之间变化，与其他土层相比变化范围小但差异性极显著(F=5.863，P=0.007<0.01)。0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层深度的全盐含量均有一个共同特点，即土层深度相同的情况下，第1样带含量均高于其他两样带且差异性极显著，原因可能在于该试验区域地理位置，3条样带中第1样带处于保护区最外围，通过实地观察，该区域外围植被稀少，地表裸露面积大于其他两样带，pH值第1样带高于其他2个样带，淹水面积、植被覆盖率低于其他2个样带，加之该实验区属于典型的干旱半干旱区内陆沼泽湿地，蒸发强烈，干旱指数高，年均蒸发量是年均降水量的近16倍，土壤表层过高的盐分往往形成盐结皮。

垂直梯度上，其土壤全盐含量存在极显著差异(F=30.363，P<0.01)。各样带不同土层差异性极显著(F=8.855，P<0.01；F=20.072，P<0.01；F=12.669，P<0.01)，盐分主要集中在0～10 cm的表土层。0～10 cm深度全盐含量与20～40 cm深度相比差异极显著(P=0.006<0.01)，表层土壤的盐分往往是下层土壤盐分的几倍甚至是几十倍，土壤盐分表聚现象十分明显(图3)，从整体和不同深度情况下第1样带整体含盐量显著高于其他两样带，同时研究区域为自然保护区，受人为干扰影响较小，但是保护区外围人类活动如大面积开沟引水进行农田灌溉，对保护区土壤水分和全盐含量变化有一定的影响，同时也可能与研究区局部地下水埋深的高低、成土母质及微地形起伏有关。

2.1.6 土壤pH的空间分布特征 该沼泽湿地土壤pH均值为8.585，变化范围较大，变异系数6.92%，变异较小，各土层间含量差异几乎不存在，说明该研究区域酸碱度分布较均匀，总体呈碱性，空间分布上具有结构性和随机性特点，存在一定的自相关关系(图4，表2)。

图4 pH分布Fig.4 Distribution of pH A：不同样带pH值 pH in different nect；B：不同深度pH值 pH in different depth.

样带Nect土层深度Soildepth第1样带Firstnect0～10cm10～20cm20～40cm第2样带Secondnect0～10cm10～20cm20～40cm第3样带Thirdnect0～10cm10～20cm20～40cm第1样带Firstnect0～10cm1.00010～20cm0.866**1.00020～40cm0.681*0.828**1.000第2样带Secondnect0～10cm0.4830.681*0.702*1.00010～20cm0.634*0.779**0.744**0.814**1.00020～40cm0.4380.588*0.4360.4930.5001.000第3样带Thirdnect0～10cm0.269-0.0840.178-0.227-0.152-0.2131.00010～20cm0.4820.2480.422-0.0630.0540.0310.815**1.00020～40cm0.4590.4120.4300.1020.252-0.0850.5090.650*1.000

*:在 0.05 水平(双侧)上显著相关Significant correlation at 0.05 level (bilateral). **:在0.01 水平(双侧)上显著相关Significant correlation at 0.01 level (bilateral).下同The same below.

水平方向，pH整体含量差异不显著(F=2.150，P=0.122)，各层亦同(F=0.294，P=0.747；F=1.592，P=0.219；F=0.721，P=0.494)。其中，第1、3样带间存在正线性相关(R2=0.316)，并且样带间存在多项式相关(R2=0.254)。

垂直分布pH值差异不显著(F=0.624，P=0.538)，各样带不同深度含量不存在明显差异(F=0.347，P=0.710；F=0.489，P=0.618；F=0.335，P=0.718)，但层与层之间存在极明显自相关(表2)，0～10 cm与10～20 cm和20～40 cm之间均存在极明显线性正相关(R2=0.677，R2=0.279)；10～20 cm与20～40 cm土层间存在极明显对数相关(R2=0.394)。根据我国惯用土壤酸碱度分级标准[29]，本实验区域pH值小于7.5的中性样地3.71%，7.5～8.5之间的碱性样地达到44.45%，8.5～9.5之间的强碱性样地达到47.22%，大于9.5的碱性极强样地占4.62%，盐碱化严重，占到研究区域的96.29%。

2.2 土壤各化学成分之间的关系

西大湖草本沼泽湿地表现为土壤速效磷和速效钾、有机质和pH值、全盐和速效钾含量间垂直变化显著相关(表3)。速效磷和速效钾虽然通过相关性分析存在相关，但由于转化过程不尽相同，存在相关可能是由于它们均来自矿物岩石风化、植被根系吸收等原因造成上高下低的垂直变化趋势。以往研究中，TN和SOM相关性比较显著，SOM和TN在随机性和固定性因子的作用下，好氧微生物分解情况不均匀及水位高低不同，SOM和AN的转化含量不均，所以本实验中虽然它们的变化趋势基本一致，但是相关性却并不显著。

2.2.1 土壤有机质含量和pH值关系 根据表3，得出有机质与pH含量整体相关性不明显，仅10～20 cm土层深度时呈弱负相关。西大湖湿地属干旱少雨地区，有机质微生物分解以及淋溶作用与湿润区、半湿润区相比均不强，而且该沼泽湿地自然土壤大多呈碱性和强碱性。在自然条件下，植物的生长对土壤速效养分有着不同的要求和适应，速效养分又来源于微生物对各自有机物质的分解，同时植物生长状况受土壤酸碱性的影响明显，该研究区有机质和pH的整体数据较集中、变异程度较低，土壤pH值较高，对植物群落及生物量有较大影响，因此pH含量升高导致有机质含量减小。淋溶作用和有机质含量决定了pH值的高低。

2.2.2 土壤全盐含量和速效钾含量关系 表3相关性分析数据充分说明土壤全盐和速效钾含量空间分布存在极显著正相关。而通过两种方法整体分析全盐含量和速效钾含量，得出他们之间的相关系数达到了0.807和0.786。研究区土壤全盐含量、速效钾含量在土壤表层总体较高，随着土层深度的增加含量均减少，垂直方向呈上高下低的分布格局，极显著相关(P<0.01)；由图2C和图3B看出水平方向全盐含量和速效钾含量均由第1样带向第2和第3样带呈现阶梯状减少趋势，各土层相关性分别达到了极显著水平。如图5所示，两者幂函数相关极显著(R2=0.6624)，土壤全盐和速效钾大部分分布在土壤表层中，分层现象明显且相关，这相同的变化趋势可能与地下水埋深、矿化度，水分蒸发、淋溶作用、植被根系吸收运输、土壤微生物、pH值等有关。

图5 全盐含量和速效钾含量关系Fig.5 Relationship of soil total salt and available K content A:全盐含量和速效钾含量整体散点图Scatter plot of soil total salt and available K；B:不同深度全盐含量和速效钾含量散点图Scatter plot of soil total salt and available K content in different depth.

2.2.3 土壤速效磷和速效钾关系 土壤速效磷和速效钾存在极显著相关关系且线性关系明显(r=0.304，P<0.01)，线性关系式为y=318.3x+11.07(R2=0.095)。各层相关关系如下，0～10 cm土层深度速效磷和速效钾的相关系数r=-0.057，P=0.626，相关关系不明显；10～20 cm土层深度土壤速效磷和速效钾的相关系数r=0.327，P=0.001，y=0.582x+0.005，二项式表示速效磷和速效钾之间的相关关系式y=2357x2+39.49x+11.00；20～40 cm土层深度土壤速效磷和速效钾的相关系数r=0.491，P<0.01，关系式y=1.576x+5.437×10-6。相关分析结果表明，西大湖草本沼泽湿地土层深度、土壤有机质与pH值、全盐含量和速效钾含量相关性显著(表3)。土壤pH对N、P含量的影响是通过影响微生物活动来实现的；大多数微生物在中性土壤环境中具有较高的活性，而西大湖湿地土壤 pH 处于7.28～10.55，其碱性土壤环境可能对微生物活动起抑制作用。此外，土壤有机质和N、P含量变化也可能受土壤粘粒结构变化的影响，由于土壤粘粒含量和水环境能够直接影响土壤的通气性，从而影响土壤微生物的活动，使得土壤全盐、有机质和速效磷含量与土壤深度呈显著正相关。

3 讨论

3.1 土壤有机质的分布特征及影响因素

本研究区域表层土壤有机质含量最少，可能由于微生物分解活跃，将有机质分解为可供植物吸收的速效养分的转换较大，同时土壤自身的理化性质也影响有机质的含量，土壤速效养分主要受制于其有机质的空间分布状况，同时枯落植被转化成养分可以不断回馈到土壤植物根系分布区，一般草本植物根系都分布在土壤表层，中下层植物根系分布逐渐减少，因而含量逐渐缓慢降低且趋于稳定，可能草本沼泽湿地地下水位较低，好氧微生物分解有机质增加，长期积累条件下土壤盐分表聚强烈且研究区域内土壤pH值大多呈强碱性，使得有机质随土层深度增加含量升高，随微地形的起伏变化含量发生变化，主要与植物凋落和生物归还密切相关，而且植物根系分泌物和死根也会增加土壤有机质的含量[30]，与王勇辉等[13]关于干旱区湖泊湿地土壤的研究存在本质差异。

本实验区表层土壤有机质含量较中间层和底层低，可能由于土壤呼吸与其温度呈正相关，土壤呼吸作用强烈，微生物分解速率快，与王军静等[19]在哈拉海芦苇(Phragmitesaustralis)沼泽湿地土壤的研究中得出的有机质垂直变化一致。以往研究中[31]，全氮和有机质相关性比较显著，全氮和有机质在随机性和固定性因子的作用下，好氧微生物分解情况不均及水位高低不同，有机质和速效氮转化不均，所以本实验中虽然它们的变化趋势基本一致，但是相关性却并不显著；土壤pH对有机质含量的影响是通过影响微生物活动来实现的；大多数微生物在中性土壤环境中具有较高的活性，而西大湖湿地土壤pH以碱性或强碱性为主，其土壤环境可能对微生物活动起抑制作用，因为土壤过碱，会造成有机质含量低，同时土壤肥力降低，不利植物生长，本研究区域pH值较高间接影响了土壤粘粒含量和水环境，这与唐琨等[32]有关pH对植物生长发育的研究是一致的。此外，有机质和N、P含量变化也可能受土壤物理性质如粘粒结构变化的影响，由于土壤粘粒含量和水环境能够直接影响土壤的通气性，从而影响土壤微生物的活动。因此，土壤过碱条件不仅影响了有机质含量的多少，还会导致土壤物理性质变差，造成土壤和植物的抗逆性减弱，甚至造成不可逆的重大损失，同时湿地抵御自然灾害的能力下降，生产能力降低，长此以往，可能会造成湿地不可逆转性的破坏而功能减退。因此，本研究结果可为黑河湿地国家级自然保护区区域尺度上土壤理化特性的空间分布格局研究提供理论依据。当然，这需要结合植物-土壤-水文相互关系作进一步研究。

3.2 速效养分的分布特征及影响因素

土壤速效养分具有明显的表聚性[32-33]，本实验结果显示速效磷和速效钾含量的空间变化与前人研究成果一致[27,34-35]，呈现出明显的上高下低的分层现象，速效氮含量却是上低下高，含量垂直分布特征随土壤深度的增加而增加，差异可能由于水分在自然界的重新分配和分布，土壤中速效养分含量变化与土层深度密切相关。该湿地为沼泽湿地，实验区距淹水区较近，底层植物根系较少，对速效养分的需求较表层少[36]，从而影响到土壤速效养分含量的分布情况，而各种人为活动如周边村民开壕挖沟、引水灌溉及放牧的影响，土壤水分因而产生内部差异，使得土壤养分的空间相关性减弱。郭旭东等[37]认为土壤养分分布由结构性因素(气候、母质、地形、土壤类型等自然因素可以导致土壤养分的空间相关性增强)和随机性因素(施肥、耕作措施、种植制度等各种人为活动使得养分的空间相关性减弱)共同作用。自然土壤中的氮主要来源于枯枝落叶和动物尸体，少量来自于大气和生物固氮，但大气中氮素的转换必须通过土壤中固氮菌和蓝绿藻的活动才能进入生物体[38]，其所处的水分条件差异及其引起的不同质地土层中速效氮的空间分布变化，本实验区表层速效氮的分布格局可能是水位下降、温度升高导致的蒸发到大气环境中，或者自身转化快的同时植被吸收利用也快，底层土壤植被根系吸收量少，在这种长期累积的条件下造成速效氮含量独特的分布特征，加之氮素的赋存形态和含量是湿地退化的最明显特征，这种分布说明该沼泽湿地土壤内部循环减弱，植被吸收调节变缓，可能该湿地处于微弱的退化阶段。

速效氮含量表层明显高于其他土层，研究结果表明速效氮含量急剧减少，速效磷和速效钾含量反而处于增加状况，正常情况下湿地退化后土壤养分积累量急剧下降，随退化程度增大，土壤逐渐变得贫瘠，多样性指数和物种丰富度会表现出增加的趋势，群落高度变矮，会向低矮型中生群落演替，群落密度、盖度也逐渐增加[39]，它的升高伴随着湿地退化加剧的情况出现。植物与土壤是相互作用，相互影响的[32,40-43]。速效养分含量、植物群落种类、生长发育和空间分布特征也会影响到植物群落特征和分布，湿地植物群落对土壤营养元素的选择性吸收、归还和滞留会强烈影响土壤中元素的分布与变化，这会对后期研究实验区的植被与速效养分变化特征提供一定的借鉴。

整体上看西大湖沼泽湿地速效钾含量偏少[37,44]，研究区沼泽湿地速效养分内几乎无流动，说明西大湖湿地土壤处于退化状态。庞夙等[41]在大尺度大范围速效养分空间分布研究中发现土壤速效氮和速效磷含量的空间变异主要受结构性因子影响，而速效钾含量受结构性因子和随机性因子共同影响。尚文等[39]和田昆[42]研究发现，滇西北高原纳帕海不同退化程度湿地类型速效氮含量增加是由于湿地土壤水分减少、通气性增加导致全氮被加速分解，从而更加说明西大湖沼泽湿地正处于退化状态。

3.3 pH对营养元素的作用及影响

西大湖湿地是天然草本沼泽湿地，酸碱性受成土因子控制，我国南北气候差异形成了土壤南酸北碱的稳定的地带性pH分布格局。不同类型的土壤具有不同孔隙度、渗透系数、保水性和通气性等，以致土壤中O2及CO2含量均不同，从而影响土壤环境中的pH；土壤内pH高低受H+含量的影响，草本沼泽湿地土壤孔隙内含氧量与其他湿地类型相比较高，而土壤含水率较低，含水率对H+的影响较小，因而该湿地类型对pH影响也较小。土壤pH值是一个区域化变量，其影响因素也因地而异，本研究结果显示pH为弱变异，说明其变异主要是由结构性因素引起，此分布特征不仅反映了它在土壤中分布的总貌，而且在某种程度上包含了地形条件、地下水位、土地利用和土壤类型等环境因素对其影响的相关信息，土壤pH的变化取决于内因(土壤本身抵制酸碱变化)与外因(外界致酸致碱因素)的共同作用，土壤过碱，影响微生物分解，可能会导致土壤有机质含量低、土壤结构性差、易板结，通气性、透水性差，肥力降低，从而影响植物的生长[32]。本实验区土壤呈强碱性，pH空间变化不明显，在一些研究中发现[43]，北方土壤pH变化与土地利用程度有关，土地利用程度越高，pH值反而是一个降低的变化过程，而该实验区为国家级自然保护区，湿地类型为沼泽湿地，土地利用率低，在自然条件下pH相对较高，土壤碱化严重，严重威胁到该湿地植物的生长环境，故降低土壤碱性程度，提升土壤肥力，使该地区利于植被生长的环境达到一定程度的动态平衡，减少或者减弱造成湿地破坏或者退化程度，做到合理科学的利用湿地资源将是我们长期要坚持的目标。

3.4 各相关关系存在的重要意义

该区土壤有机质含量与全盐含量在不同土层深度相关系数不同。肥力影响植被的生长情况，本研究与盐碱地治理中积累的“碱大吃肥，肥大吃碱” 经验一致[44]，即有机质含量较高土壤的盐分含量较低，而盐分较高的有机质含量较低，该地区土壤盐分相对过高，有机质含量较低，可以得出植被的生长环境处于一个不断恶化的土壤环境，从而对该湿地保护恢复过程提供了一定的借鉴意义，即降低土壤盐分含量和提高有机质含量对改善与修复土壤养分具有同等重要的作用。

本研究结果得出土壤速效钾和全盐含量的分布具有很大的相关性，土壤速效钾和全盐含量较高可能由于部分区域地势较低，地下水位较高；全盐和速效钾含量有降低的趋势可能受微地形的起伏变化及周边植物生长影响，与在滨海盐碱湿地研究结果[43]基本一致，即各土壤指标的分布与地势、含水量及盐碱性有关，说明本实验区盐碱化程度跟滨海盐碱湿地存在一定相似性。

土壤养分空间分布都有一定规律可循，各变量趋势研究可为该地区土壤养分分区管理提供理论依据。西大湖湿地是沼泽湿地，外围轻微的放牧对速效养分的空间变化产生影响，加之近年来气温的升高，蒸发量增加，土壤含水量的下降，植被的演替，湿地生态系统的脆弱性和敏感性正在凸现，湿地正在退化，为减少这些内外影响因素，更好地保护、发展、恢复湿地生态的稳定，必须减少地下水开采，保护植被的生长环境，减少人为活动的影响，通过一系列生物措施降低该地区盐碱化程度，同时人们认识到黑河保护区生态系统在干旱半干旱区涵养水源、保持水土的重要性。土壤空间分布变化是一个很复杂的问题，必须长期致力于该自然保护区土壤理化特性的研究，以期取得更多的实验数据，为该地区的发展及湿地的合理保护提供科学依据和理论支持。

4 结论

张掖黑河湿地国家级自然保护区西大湖湿地土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾和全盐含量的变异均属于中等强度变异，各指标含量的变化幅度均较大。土壤有机质含量与速效氮含量变化趋势一致，其垂直分异显著，均随着土层深度的增加含量在显著增加。说明现阶段湿地水位在降低，好氧微生物呼吸作用强烈、活动频繁，在干旱、高温等因素的作用下导致速效氮、有机质的分解加快。速效磷、速效钾含量水平分布具有一致性，含量有随地势变化的可能，同时表聚现象明显；随土层深度的增加，速效磷、速效钾含量显著下降，整个实验区垂直变化趋势一致。

pH值空间变异程度不大，自相关明显，实验区大部分土壤呈强碱性，空间分布受结构性因子影响；pH值很大程度影响土壤有机质和速效养分的吸收转化且有机质与pH值存在显著相关性。

当前土壤速效养分、有机质、pH值、全盐含量的空间分布表明西大湖沼泽湿地处于微弱退化阶段。

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Spatial distribution and chemical properties of marsh wetland soil in the Heihe Nature Reserve

BAI Na1, WANG Li1*, KONG Dong-Sheng2

1.CollegeofForestry,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China; 2.HexiEcological&OasisAgriculturalResearchInstitute,HexiUniversity,Zhangye734000,China

The aim of this study was to analyze the spatial distribution of soils with different chemical properties in the marsh wetland of the Heihe Nature Reserve, Zhangye. A field study was conducted in the marsh wetland, and soil samples were collected for chemical analyses in the laboratory. Using spatial distribution instead of time succession, descriptive statistics and linear regressions of data were used to explore the distribution of available nutrients, organic matter, soil total salt content, and pH in the marsh soils. The soil organic matter levels significantly increased with increasing soil depth. As the soil depth increased, the available nitrogen content showed a clear vertical differentiation, first increasing and then decreasing. Available phosphorus, available potassium, and total salt content showed the same distribution patterns; that is, significant accumulation in surface soils. There was no significant difference in the spatial distribution of pH, but soil in this region is alkaline to strongly alkaline. Soil organic matter and pH showed a weak negative correlation, because pH indirectly affects the soil organic matter content by inhibiting growth. The total salt content was strongly correlated with available potassium. The variability coefficients of total salt, soil organic matter, available nitrogen, available phosphorus, and available potassium had medium values, while that of pH had a low value. The marsh wetland in Heihe is deteriorating because of a lack of soil and water conservation in arid and semiarid regions. Long-term experimental research to monitor changes in soils in sensitive areas is required for their protection and restoration.

marsh wetland; available nutrient; total salt; organic matters; spatial distribution; Heihe wetland

10.11686/cyxb2016269

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-07-01；改回日期：2016-11-04

国家自然科学基金项目(31460113)和甘肃省自然科学基金(1308RJZA256)资助。

白娜(1991-)，女，甘肃庆城人，在读硕士。 E-mail:18709464263@163.com *通信作者Corresponding author. E-mail：wangli@gsau.edu.cn

白娜, 王立, 孔东升. 黑河自然保护区沼泽湿地土壤化学性质的空间分布特征研究. 草业学报, 2017, 26(5): 15-28.

BAI Na, WANG Li, KONG Dong-Sheng. Spatial distribution and chemical properties of marsh wetland soil in the Heihe Nature Reserve. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(5): 15-28.