排水对小兴安岭森林沼泽湿地溶解性有机碳和有效氮磷的影响
2017-05-25赵光影臧淑英邵宗仁
江 姗,赵光影,臧淑英,邵宗仁
黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室,哈尔滨师范大学, 哈尔滨 150025
排水对小兴安岭森林沼泽湿地溶解性有机碳和有效氮磷的影响
江 姗,赵光影*,臧淑英,邵宗仁
黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室,哈尔滨师范大学, 哈尔滨 150025
选取不同排水年限的兴安落叶松人工林湿地(1974年排水、1985年排水、1992年排水、2003年排水)和天然森林沼泽湿地(兴安落叶松沼泽湿地)为研究对象,探讨排水对小兴安岭森林沼泽湿地土壤溶解性有机碳(DOC)和有效氮磷的影响。结果表明,天然沼泽排水后,在土壤垂直剖面上,不同排水年限的森林湿地与天然沼泽湿地的土壤溶解性有机碳含量均呈递减变化。与天然森林沼泽湿地相比,排水湿地各土层DOC含量均显著低于天然沼泽湿地(P<0.05)。天然森林沼泽,表层(0—10 cm)的土壤SOC含量、DOC/SOC、土壤有效氮含量均大于排水森林沼泽,但是有效磷含量却低于排水森林沼泽(P<0.05)。在土壤表层(0—10 cm),排水年限与DOC、SOC、DOC/SOC、土壤有效氮呈显著性负相关,与有效磷呈显著性正相关(P<0.05)。天然沼泽排水后,表层(0—10 cm)土壤的DOC含量与有效氮(铵态氮、硝态氮)含量成正比,与有效磷含量成反比(P<0.05)。
排水；小兴安岭；溶解性有机碳；有效氮磷
溶解性有机碳(DOC)是指能通过0.45 μm滤膜,可溶于水或酸碱溶液,由一系列大小和结构不同的有机物质组成的有机碳。虽然DOC占土壤有机碳的比例很小,它却是有机碳库中最活跃的组成部分[1]。DOC比较敏感,可以在土壤全碳变化之前反映土壤微小变化,又直接参与土壤生物化学转化过程,因而,对土壤碳库平衡和土壤化学、生物化学肥力保持、以及全球生态系统碳循环具有重要意义[2]。土壤中有效氮主要以铵态和硝态形式存在,也是植物从土壤中吸收氮素的主要形态,土壤有效磷是指土壤中对植物有效或可被植物利用的磷。
小兴安岭森林沼泽湿地面积106.96万hm2,固碳潜力巨大,其平均碳密度高于黑龙江省天然林碳密度及全国森林植被碳密度水平[3],在区域碳循环中发挥着重要作用。20世纪70年代以来,小兴安岭森林沼泽湿地深受人类活动的影响,其中排水造林是湿地遭受到的主要干扰方式。湿地排水造林即在湿地内挖排水沟,改变土壤水分状况以促进乔木的生长,但是对于湿地却是一种破坏,改变了土壤结构以及土壤肥力。湿地排水使土壤DOC发生空间运移,一部分土壤DOC沿着排水沟渠水平和垂直方向重新分布或直接迁移到其它水域中,而另一部分土壤DOC在迁移过程中损失[4]。而且,湿地排水疏干后,地表由常年积水或季节性积水转变为非积水或干旱状态,土壤水热环境发生变化,由厌氧环境变为好氧环境,土壤有机质分解速率加快[5]。排水对森林沼泽湿地土壤溶解性有机碳含量和有效氮磷含量具有重要影响,但目前国内外很多此类研究主要集中在平原草本沼泽湿地,而关于中高纬度森林沼泽湿地的相关研究还不是很多见,而且关于人类活动对湿地DOC所产生的影响,主要集中在湿地垦殖为农田后DOC的变化[6]。本文以小兴安岭排水森林沼泽为研究对象,研究森林沼泽经过长期排水改造后土壤DOC、土壤有机碳和土壤有效氮磷的变化,以期为深入了解DOC,和有效氮磷在区域生态系统碳氮循环中的动态变化,为小兴安岭森林沼泽湿地生态系统的管理和可持续发展提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究地点位于小兴安岭中段,黑龙江省东北部伊春市友好林业局永青林场(48°03′53″N,128°30′36″E),平均海拔在260—500 m,属于温带大陆湿润季风气候。年平均气温约0.4 ℃,年积温为 2000—2500 ℃。年平均降雨量为630 mm,全年有两个降水高峰期,一个是冬季降雪,另一个是每年7—8月的降雨,高峰期降水占全年降雨量的70%。无霜期约为110 d。地带性土壤为暗棕壤,其次为草甸土和沼泽土。典型植被为红松阔叶混交林,目前大部分已退化为次生林和人工林,森林覆盖率为74.8%。研究区尚有沼泽湿地4302 hm2,湿地类型丰富,包括森林沼泽、灌丛沼泽、草丛沼泽、藓类沼泽和泥炭藓沼泽等多种湿地类型,其中以兴安落叶松森林沼泽为主要类型[7]。
1.2 样品采集
2015年5月,在伊春市友好林业局永青林场选择4块样地,分别是1974年、1985年、1992年、2003年进行排水的兴安落叶松人工林作为样地,标记为PS74、PS85、PS92、PS03。天然森林沼泽选择人工林附近与排水造林的沼泽类型相对应的森林沼泽(兴安落叶松沼泽),标记为XA。在每个调查样地内,用“S”型的布设方式采样,各取 5个样点,采样土壤剖面深度为40 cm,去除枯枝落叶层后,用5 cm内径的土钻于0—10、10—20、20—40 cm分层采集,共计75个土壤样品。采集的新鲜土样带回室内,除去动植物残体、石块等杂物,分成2份。一份立即过2 mm孔径的尼龙筛,混匀、密封置于4 ℃冰箱中避光保存,用于DOC测定; 另一份自然风干,用于土壤有机碳(SOC)以及其他土壤理化性质测定。
1.3 实验方法
土壤DOC含量测定：称取10 g鲜土放入盛有50 mL蒸馏水的三角瓶中,常温25 ℃下振荡浸提30 min,高速离心10 min,上清液用0.45 μm滤膜过滤,用TOCVCPH仪测定浸提液中的有机碳浓度,得到DOC浓度。最后,通过水土比将DOC浓度(mg/L)值换算成土壤DOC含量(mg/kg)[8]。土壤有机碳(SOC)的测定：采用Multi N/C 2100 TOC仪(德国耶拿)高温燃烧法测定土壤SOC含量[9]。土壤铵态氮、硝态氮采用比色法测定。土壤有效磷采用HCLO4-H2SO4浸提,钼锑钪比色法测定[10]。
1.4 统计分析方法
利用 Excel 2003 和 SPSS 19.0 软件对数据进行统计分析,采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA),应用最小显著差异法(least-significant-difference,LSD)对数据组间差异进行显著性检验; 显著性水平设定为α=0.05。采用Pearson法进行相关性分析,图表中数据为平均值±标准差,相关图表制作在OriginPro 8.5中完成。
2 结果与分析
2.1 排水对森林沼泽湿地土壤溶解性有机碳的影响
图1 排水与天然森林沼泽的DOC含量在垂直剖面上分布对比图Fig.1 Distribution of DOC content in the vertical section of the drainage and natural forest swampPS74、PS85、PS92、PS03分别代表从1974、1985、1992、2003年开始排水,XA代表兴安落叶松天然沼泽; 图中不同字母表示差异显著(P <0.05),相同字母表示差异不显著(P >0.05);图中数据为平均值±标准差(n=3)
在垂直剖面上,不同排水年限的DOC含量均呈现自上向下逐渐降低的趋势。不同排水年限,土壤表层(0—10 cm),DOC含量分别为241.02、307.1、462.03、771.95 mg/kg(图1),表现为PS74
天然森林沼泽和排水森林沼泽的DOC含量在垂直剖面上均呈现自上而下递减的趋势。PS74、PS85、PS92、PS03与天然沼泽对比,土壤表层DOC含量分别减少了79%、73%、59%、32%。在土壤10—20 cm,DOC含量分别减少了78%、72%、56%、59%。在土壤20—40 cm,DOC含量分别减少了76%、77%、57%、65%(图1)。由此看出,排水森林沼泽的DOC含量,在不同深度上均小于天然沼泽。其中在土壤表层0—10 cm,排水沼泽与天然沼泽对比,不同排水年限的DOC减少百分比差异性显著(P<0.05),而且随着排水年限增加,DOC含量减少得越多,呈显著性正相关关系(P<0.05)。在其他深度上,不同排水年限的DOC减少百分比,差异性不显著(P>0.05),DOC减少百分比与排水时间,相关性不显著(P>0.05)(表1)。
2.2 排水对森林沼泽湿地土壤有机碳的影响
2.2.1 天然森林沼泽与排水森林沼泽的SOC含量对比
天然森林沼泽与排水森林沼泽的SOC含量,在土壤表层0—10 cm,分别为312.94、225.09、243.77、260.68、286.67 g/kg,大小关系为PS74
2.2.2 排水对森林沼泽湿地土壤DOC占SOC比例的影响
土壤DOC占SOC的比例(DOC/SOC)是反映土壤碳库质量的重要指标,可以用来指示有机碳的稳定性、有效性和水溶性,研究土壤DOC/SOC更有助于了解排水对土壤中有机碳转化的影响。
在土层0—10 cm,排水森林沼泽DOC/SOC的比值在0.11%—0.27%(图3),差异性显著(P<0.05),并且表现为随着排水年限增加而递减,呈显著性负相关关系(P<0.05)。在土层10—20 cm处,排水的森林沼泽DOC/SOC的比值在0.1%—0.16%,排水年限与DOC/SOC相关关系不显著(P>0.05),不同排水年限间的DOC/SOC的比值,差异性不显著(P>0.05)。在土层20—40 cm处,排水的森林沼泽DOC/SOC的比值在0.07%—0.14%,排水年限与DOC/SOC相关关系并不显著(P>0.05),不同排水年限间的DOC/SOC的比值,差异性不显著(P>0.05)。天然森林沼泽的DOC/SOC,在不同土壤深度上均大于排水森林沼泽,呈显著性差异(P<0.05)(表1)。
图2 排水与天然森林沼泽的SOC含量垂直分布特征对比图Fig.2 Comparison of vertical distribution of SOC content in drainage and natural forest swamp
图3 排水森林沼泽与天然森林沼泽的DOC/SOC垂直分布特征对比图Fig.3 DOC/SOC vertical distribution characteristics of the drainage forest and natural forest swamp
同时排水森林沼泽的DOC与SOC具有一定的相关关系,在0—10、10—20、20—40 cm,相关系数分别为0.9671、0.1189、0.2087。由此看出,排水的DOC与SOC只有在表层0—10 cm才呈正相关,而且是显著性相关(P<0.05)。在其他深度上,无相关性(P>0.05)。
2.3 排水对森林沼泽湿地有效氮、磷的影响
2.3.1 排水对森林沼泽湿地土壤有效氮的影响
土壤中有效氮主要以铵态和硝态形式存在,也是植物从土壤中吸收氮素的主要形态[11]。铵态氮含量在垂直剖面上,分布并无明显差异(P>0.05)。排水森林沼泽,在表层0—10 cm,铵态氮含量明显低于天然森林沼泽,差异性显著(P<0.05)。而且随着排水年限的增加逐渐递减,呈极显著性负相关(P<0.01)。在其他深度上,天然沼泽铵态氮含量没有明显的大于排水森林沼泽,差异性不显著(P>0.05)(图4),排水年限与铵态氮含量,相关性不显著(P>0.05)。排水森林沼泽的DOC含量与铵态氮含量之间呈正比,呈显著性正相关(P<0.05)(表1)。
表1 所有数据的相关性表
**极显著相关,P<0.01；*显著相关,P<0.05
土壤硝态氮的含量,在垂直剖面上,自上而下呈递减规律。天然森林沼泽的土壤硝态氮含量在不同深度上均大于排水森林沼泽。其中在表层0—10 cm,随着排水年限的增加,而出现土壤硝态氮含量逐渐递减的规律,即排水年限与土壤硝态氮含量呈显著性负相关(P<0.05)。在其他深度上,不同排水年限间的土壤硝态氮含量,差异不显著(P>0.05),排水年限与土壤硝态氮含量,相关性不显著(P>0.05)(图5)。排水森林沼泽的土壤硝态氮含量与土壤溶解性有机碳含量之间呈正比,呈显著性正相关(P<0.05)(表1)。
图4 排水森林沼泽与天然森林沼泽的土壤铵态氮含量垂直分布对比图Fig.4 Comparison Chart of soil ammonium nitrogen content in drainage forest and natural forest swamp
图5 排水森林沼泽与天然森林沼泽的土壤硝态氮含量垂直分布对比图Fig.5 Comparison Chart of soil nitrate nitrogen content in drainage forest and natural forest swamp
2.3.2 排水对森林沼泽湿地土壤有效磷的影响
图6 排水森林沼泽与天然森林沼泽的土壤有效磷含量垂直分布对比图Fig.6 Comparison Chart of soil available P content in drained forest and natural forest
土壤有效磷含量,在垂直剖面上,自上而下呈递减的规律。土壤有效磷含量的垂直分布,天然森林沼泽的含量明显低于排水森林沼泽,而且各层均小于排水的土壤有效磷含量。其中在表层0—10 cm,不同排水年限间的土壤有效磷含量,差异性显著(P<0.05),而且随着排水年限的增加,土壤有效磷含量增加,与排水年限呈极显著性正相关(P<0.01)。在其他深度上,不同排水年限间的土壤有效磷含量,差异性不显著(P>0.05)(图6)。排水森林沼泽的土壤溶解性有机碳含量与土壤有效磷含量呈显著性负相关(P<0.05)(表1)。
3 讨论
3.1 排水对森林沼泽湿地土壤溶解性有机碳的影响
水文条件是湿地重要的生态属性,水分条件变化如土壤含水量、水位波动等都会影响湿地大气-植被-土壤之间碳的生物地球化学过程各环节的方向与强度[12]。通过挖排水沟渠,人为的对森林沼泽湿地进行排干,使湿地的水分条件发生变化。湿地排水疏干后,地表由于常年积水或季节性积水转变为非积水或干旱状态,土壤水热环境发生变化,由厌氧环境变为好氧环境,微生物活性增强[13],土壤有机质分解速率加快。随着湿地排干后水位、植被群落的变化,生态系统由长期以来的净碳汇转变为连续的碳排放源。湿地排水后的生态系统一开始DOC产生量迅速增加,同时DOC的流失也增加,这是由于湿地排水后,土壤DOC发生空间运移,一部分土壤DOC沿着排水沟渠水平和垂直方向重新分布或直接迁移到其它水域中,而另一部分土壤DOC在迁移过程中损失,这将导致湿地生态系统更多的碳输出。而且,随着排水时间的增加,pH值逐渐降低(P<0.05)。杨玉盛等[14]发现酸性土壤中DOC吸附能力随pH值降低而减小,因此,DOC吸附能力降低,DOC沿着排水沟渠发生流失。同时,排水造林活动会对土壤产生强烈的扰动,使原有的植被类型发生变化,湿地原有的结构、生产力也发生改变,从而影响了碳汇功能乃至土壤DOC含量的变化。而且,湿地排水沟渠的建设也改变了土壤DOC的释放过程和传输途径,导致不同沟渠沉积物中DOC的含量发生变化[15]。而且人类的排水造林活动,使作为DOC主要来源的地表枯落物也会减少。因为天然林大都是成熟或近成熟林,因而积累的凋落物较多,人工林处于幼林阶段凋落物积累较少,其碳密度也就减少[16],因此天然森林沼泽的DOC含量大于排水的森林沼泽。凋落物的减少,进一步影响了DOC产生量。而且沿着排水沟渠,DOC发生迁移,使DOC最终含量减少。因此,排水湿地土壤DOC含量比未排水的天然森林沼泽低,而且排水时间越长,排水湿地表层(0—10 cm),土壤DOC含量越少。
3.2 排水对森林沼泽湿地土壤有机碳的影响
湿地土壤有机碳含量的多少是衡量土壤各指标的多少标准,有机碳含量高说明有机质含量大,说明土壤通气性不好,含水量比较高。水的深度对有机碳的矿化有很大的影响。有机碳主要和土壤中原来有机质分解速度和外界能源有关,生长的植物的根系和根系分泌物、植物的掉落物、自然的因素有降水温度等的输入量也有很大关系[17]。因此,森林沼泽湿地被排水后,土壤因水分减少而由嫌气环境变成好气环境,此时,土壤中微生物的活性增强,有机残体分解加快,泥炭层和草根层也迅速被氧化而丧失了碳的积累能力,从而由“碳汇”变成"碳源”。而且随着地表凋落物的减少,有机质的来源变少,以及土壤团粒体结构发生变化,对C素吸附能力降低[18],最终土壤有机碳含量降低。天然森林沼泽的有机碳含量也因此大于排水的森林沼泽。而且随着排水时间的增加,排水湿地表层(0—10 cm),土壤SOC含量越少,土壤DOC/SOC的比值也越少。
3.3 排水对森林沼泽湿地土壤有效氮、磷的影响
硝态氮和铵态氮是两种可被植物直接吸收利用的有效态氮,其含量变化显著影响着湿地土壤氮的迁移与转化过程[19]。而湿地土壤中溶解性有机碳、铵态氮、硝态氮,有效磷等是湿地生态系统中极其重要的生态因子,是土壤营养水平的重要指示物,显著影响湿地生态系统的生产力[20]。
湿地排水后,水热条件发生变化,水分变少,湿地土壤的含水量降低。美国土壤科学家Staoford和EPstein认为在环境因子中,水分对氮矿化影响极大,土壤氮矿化率随水分含量的变化而变化。随含水量的增加,土壤氮矿化量增加[21]。因此,排水后土壤含水量降低,导致土壤氮矿化水平降低,土壤有机氮转化为铵态氮和硝态氮就变少。而且排水后,土壤对铵态氮和硝态氮的吸附能力降低,同时排水后新栽的落叶松,通过根系吸收大量的有效氮,来促进自身生长,最后导致土壤中有效氮减少。最终天然森林沼泽的有效氮含量大于排水森林的,并且在土壤表层(0—10 cm),随着排水时间的增加,有效氮(铵态氮、硝态氮)含量减少。
土壤有效磷是指土壤中对植物有效或可被植物利用的磷。不少研究都发现,土壤中水分的增减使土壤氧化还原条件改变从而造成土壤中铁氧化物的形态变化与土壤中磷的吸附与释放过程直接相关,吸附释放量的增减使磷的有效性的发生改变[22]。同样章永松[23]等发现淹水会使土壤磷的吸持增加,他们认为虽然整体土壤为还原环境,但是还原了的Fe2+扩散到氧化薄层中并氧化形成无定形铁,其强烈的吸附磷的作用使得磷的有效性降低。因此当人类对湿地进行排水,使湿地长期处于氧化环境,土壤对磷的吸附能力降低,土壤有效磷含量增加。天然森林沼泽的有效磷小于排水的,并且土壤有效磷含量,在土壤表层(0—10 cm),随排水时间的增加而增加。
土地利用方式的变化可以改变土壤的植被覆盖同时也会引起土壤管理措施的改变,进而引起土壤有效氮、磷,在土壤系统中的再分配,进而影响到土壤有机碳库的循环过程。本文研究表明：土壤DOC含量与土壤有效氮磷关系密切。排水后的表层(0—10 cm)土壤DOC与有效氮(铵态氮、硝态氮)成正比,与有效磷成反比,这一结论与蓝家程[24]的研究基本一致。
4 结论
本文研究排水对小兴安岭森林沼泽湿地土壤溶解性有机碳(DOC)和有效氮磷的影响。结果表明,在垂直剖面上,不同排水年限的森林湿地与天然沼泽湿地的土壤溶解性有机碳含量均呈递减变化。与天然森林沼泽湿地相比,排水湿地各土层DOC含量均低于天然沼泽湿地(P<0.05)。天然森林沼泽的表层(0—10 cm)土壤SOC含量、DOC/SOC、土壤有效氮含量均大于排水森林沼泽,但是天然沼泽的有效磷含量小于排水的(P<0.05)。在土壤表层(0—10 cm),排水时间与DOC、SOC、DOC/SOC、土壤有效氮呈显著性负相关,与有效磷呈显著性正相关(P<0.05)。排水后的表层(0—10 cm)土壤DOC与有效氮(铵态氮、硝态氮)成正比,与有效磷成反比(P<0.05)。土壤DOC与土壤有效氮磷关系密切,可以作为衡量土壤肥力变化的指标之一。
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Effect of drainage on dissolved organic carbon and available nitrogen and phosphorus in the wetland forests of Xiaoxing′an Mountain
JIANG Shan,ZHAO Guangying*,ZANG Shuying,SHAO Zongren
KeyLaboratoryofRemoteSensingMonitoringofGeographicEnvironmentinCommonUniversitiesofHeilongjiangProvince,HarbinNormalUniversity,Harbin150025,China
The effect of drainage on soil dissolved organic carbon (DOC) in the Xiaoxing′an Mountain forests was investigated by selectingLarixgmeliniiplantation wetlands of different ages (drain in 1974, drain in 1985, drain in 1992, and drain in 2003), as well as a natural forest swamp wetland (L.gmeliniimarsh). The results showed that soil DOC content decreased vertically with soil depth for all sites. Compared with the natural forest wetland, the DOC content in all soil layers was lower (P<0.05). The soil organic carbon (SOC) content, DOC/SOC, and soil available nitrogen (N) in the surface layer (0-10 cm) of the natural forest swamp were all higher than those in the drained forests. In contrast, the available phosphorus (P) content was lower in the natural wetland than in the drained forests (P<0.05). In the soil surface (0—10 cm), the time since drainage was significantly negatively correlated with DOC, DOC/SOC, SOC, and soil N, and was significantly positively correlated with the available P (P<0.05). After drainage of the soil surface (0—10 cm), DOC and available N (ammonium nitrogen, nitrate nitrogen) were inversely proportional to the effective P (P<0.05). In the forest wetlands where drainage ditches were dug, the soil moisture status was changed to promote the forest growth. Overall, the area of the Xiaoxing′an Mountain forest wetlands covers 106.96 ten thousand ha, with great carbon sequestration potential. Its average carbon density was higher than natural forest carbon densities, as well as the carbon density of the forest vegetation in Heilongjiang Province. It therefore plays an important role in the regional carbon cycling. Since the 1970s, the wetlands in the Xiaoxing′an Mountain forests have been greatly influenced by human activities, and mainly by wetland drainage. Movement of soil DOC with wetland drainage occurred in the directions of the water movement. A portion of the soil DOC moved along the horizontal and vertical direction of the drainage ditches, or was lost directly to the water. At present, research on the impacts of human activities on DOC is mainly focused on how wetland reclamation for farmland changes DOC, as well as the effects of different land use patterns on soil DOC.In this study, we researched the forest swamps of the Xiaoxing′an Mountain forests. We conducted a quantitative study on the changes of soil DOC and SOC after drainage and transformation, in order to understand the role of DOC in the regional ecosystem′s carbon cycle and the mechanisms of carbon transformation, in order to provide a theoretical basis for the management and sustainable development of the regional wetland ecosystems.
drainage; Xiaoxing′an Mountains; dissolved organic carbon; effective nitrogen and phosphorus
国家自然科学基金项目(41301082,4157012165)；黑龙江省博士后资助项目(LRB13- 200)
2015- 09- 24;
日期:2016- 07- 13
10.5846/stxb201509241960
*通讯作者Corresponding author.E-mail: zhaoguangying2004@126.com
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