三江平原碟形洼地-岛状林土壤阳离子交换量分布特征

孔令阳，殷书柏，刘吉平*，梁 晨

(1.吉林师范大学旅游与地理科学学院，四平 136000；2.唐山师范学院资源管理系，唐山 063000；3.北京林业大学生态与自然保护学院，北京 100083)

土壤阳离子交换量(cation exchange capacity,CEC)是土壤最基本的理化性质之一，影响着土壤中许多化学反应和过程，直接反映了土壤养分对植物和土壤微生物的有效性，在土壤质量的维持和保育、土壤物质循环和能量流动以及土地资源的可持续利用方面具有重要作用[1]。中外对土壤CEC的分布特征及其影响因素进行大量研究，主要通过对农田、森林等土壤进行分析[2-9]，并建立了地形因素[2-4]、土地利用方式[5-7]、土壤类型[8-9]与土壤CEC的关系，对土壤的合理利用和管理具有一定的指导作用。但这些研究往往关注于大范围的区域，单一或者多个相互独立的影响因子，没有综合考虑研究区域的生态环境状况，同时对湿地土壤CEC研究较少，从而使研究成果在湿地中的应用受到限制。

三江平原是中国最大的淡水沼泽集中分布区之一，也是中纬度冷湿(季节性冻融)低平原沼泽湿地的典型分布区[10]。碟形洼地是三江平原较为特殊的一种景观，具有面积小、生物多样性丰富、环境梯度变化大和对环境变化反应敏感等特点[11]。一些学者对三江平原碟形洼地土壤碳、氮、磷的空间分布规律[12-13]及其生态化学计量特征[14]进行系统研究，但土壤CEC与它们之间的关系尚不明确。现以碟形洼地为研究对象，分析了微地貌下湿地的土壤CEC分布状况以及水文梯度、土壤养分和群落特征等对土壤CEC分布的影响，旨在为湿地土壤、植物和微生物的研究提供基础数据，为孤立湿地的保护与恢复[15]提供理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

研究在东北地区三江平原沼泽湿地生态试验站试验区进行，该站由中国科学院东北地理与农业生态研究所在三江平原腹地的同江市东南部(47°35′N,133°31′E)建立[16]。研究区面积约4 hm2，属温带湿润季风气候，年平均气温2.9 ℃，年平均无霜期142 d。年平均降水量532.7 mm，5—9月降水量占全年的79.2%。年平均日照时数2 600 h。土壤以泥炭沼泽土、腐殖质沼泽土和草甸白浆土为主，湿地植物种类繁多且多呈环带状分布。

1.2 样品采集及测定

湿地土壤在非生长季冻结，内部物理结构和化学成分较为稳定，此时采集土壤样品有助于试验的准确性和科学性。2014年非生长季，在试验区内碟形洼地-岛状林方向设置宽5 m的样线，并在样线上的漂筏薹草-芦苇群落(Carexpseudocuraica-Phragmitesaustralis)、毛薹草群落(Carexlasiocarpa)、乌拉薹草群落(Carexmeyeriana)和沼柳-小叶章群落(Salixbrachypoda-Calamagrosticsangustifolia)4个群落中，各设置 1 个采样点，每两个采样点之间的平均距离为10.6 m(图1)。在样点垂直方向上，利用长 60 cm、口径56 mm 的圆状取土器，按照自表层至底层方向采取深度为 40 cm土柱样品，并按每 5 cm 深度划分出8个层次，放入不同的密封袋中并编号，记录采样地点、深度等信息，4个样点共采得32个土壤样品。

图1 研究区示意图

土壤样品测定在中国科学院东北地理与农业生态研究所进行，土壤CEC采用乙酸铵交换法测定[17]；土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定[18]；全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定[19]；全磷含量采用酸溶钼锑钪比色法测定[20]；全钾含量采用醋酸铵法测定[21]。

1.3 数据处理

采用ArcGIS 10.2、Origin和SPSS 22.0软件分别进行研究区示意图绘制、空间分布图绘制和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤CEC的总体特征

在碟形洼地-岛状林方向上，土壤CEC平均值先增大后减小而后稍有增大，呈“N”字形，即毛薹草群落土壤CEC最大，乌拉薹草群落土壤CEC最小，沼柳-小叶章群落与漂筏薹草-芦苇群落土壤CEC处于两者之间且沼柳-小叶章群落小于漂筏薹草-芦苇群落区(图2)。在垂直方向上，4个群落不同深度土壤CEC范围为9.83～37.97 cmol/kg。各群落0～25 cm深度，随着土层深度增加，土壤CEC呈下降趋势。漂筏薹草-芦苇群落土壤CEC，在25～35 cm深度上呈现出急剧下降的现象，并在35～40 cm深度上微弱回升；而其他3个群落土壤CEC，25～40 cm深度上都在20 cmol/kg左右。在4个群落中，漂筏薹草-芦苇群落土壤CEC最大值出现在10 cm深度上，最小值出现在35 cm深度上；其他3个群落壤CEC，最大值均出现在5 cm深度上，毛薹草群落最小值出现在35 cm深度上，乌拉薹草群落最小值出现在30 cm深度上，沼柳-小叶章群落最小值出现在40 cm深度上。

图2 土壤CEC水平分布图

2.2 碟形洼地-岛状林方向不同群落土壤CEC的分层描述性统计

根据研究区域特征把土壤样品分为表层土壤(0～10 cm)、表下层土壤(10～25 cm)和下层土壤(25～40 cm)。4个群落表层、表下层和下层土壤CEC变化范围分别为27.85～37.97、18.6～31.56、9.83～23.51 cmol/kg，根据土壤CEC的划分标准，研究区域表层及表下层湿地土壤养分保持能力、养分供应能力及缓冲能力处于中等偏强水平，下层土壤则处于中等偏弱水平[1]。4个群落表层土壤CEC含量为漂筏薹草-芦苇群落>沼柳-小叶樟群落>毛薹草群落>乌拉薹草群落；表下层土壤CEC含量为漂筏薹草-芦苇群落>毛薹草群落>乌拉薹草群落>沼柳-小叶樟群落；下层土壤CEC含量为毛薹草群落>乌拉薹草群落>沼柳-小叶樟群落>漂筏薹草-芦苇群落。

根据变异等级划分标准[22]，除漂筏薹草-芦苇群落下层土壤CEC处于高度变异水平，沼柳-小叶章群落表下层土壤处于中度变异水平外，其他群落各分层土壤CEC为低度变异。漂筏薹草-芦苇群落、乌拉薹草群落和毛薹草群落表下层土壤均接近于中等变异水平，且3个群落土壤CEC全距较大，这说明研究范围内的土壤CEC的分布和变化受到内外部因素的共同影响[23]。

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 水文地貌对土壤CEC分布的影响

地势影响着土壤的温度和水分条件，土壤的温度和水分是影响和反映湿地生态环境的重要因素，它们不仅影响湿地土壤中生物的活动，更对湿地土壤的物理化学性质产生影响[24]。4个湿地植物群落在碟形洼地-岛状林方向上土壤平均温度均呈现逐渐上升的趋势[14]。这种变化是由太阳光照、植被以及土壤含水量等因素综合影响的结果。毛薹草群落、乌拉薹草群落和沼柳-小叶章群落由于地势相对较高，土壤含水量较低，受太阳光照变化影响较强，土壤温度日际变化和年际变化较为显著，土壤风化程度较高，土壤质地较为疏松，上下层土壤质地变化相对较小，自表层至下层土壤CEC变化趋势较为和缓；漂筏薹草-芦苇群落则因地势较低，常呈现水淹状态，土壤含水量高，土壤温度变化较小，呼吸作用弱，表层、表下层和下层土壤质地相差较大且出现不同质状态，自表层至下层土壤CEC变化较大。

3.1.2 土壤养分对土壤CEC分布的影响

土壤有机质是土壤中最重要的组成成分之一，是土壤肥力的物质基础，也是土壤形成发育的主要标志[25]。已有相关资料表明[26-27]，土壤有机质与土壤CEC有极显著的正相关关系，土壤有机质与土壤CEC的显著程度达到1%。

研究区域表层土壤有机质含量高于表下层和下层土壤，这与湿地动植物在表层积累了较多的有机质有关，表层温度较高，水热耦合性高，微生物活跃，土壤腐殖质较多，土壤有机质含量高，土壤CEC较高[25]。通过相关性分析，4个样点土壤有机质与土壤CEC呈显著正相关(表1)，即随土壤有机质含量增加，土壤阳离子交换量也增大。在碟形洼地-岛状林方向上，土壤有机质和土壤CEC相关性有逐渐增强的趋势，即离碟形洼地中心越远，地势越高，土壤有机质与土壤CEC相关性越强。在碟形洼地-岛状林方向上，离碟形洼地中心越远，气温升高，生物量增多[28]，土壤中可供分解的动植物残体也越多，动植物残体在土壤微生物的分解作用下形成土壤腐殖质，而土壤腐殖质是土壤有机质重要组成部分和来源[25]，从而有机质逐渐增多，阳离子交换量也逐渐增大(图3)。

图3 土壤有机质分布图

氮、磷和钾是湿地生态系统物质循环和能量流动过程中所必需的大量元素，Tateno等[29]指出，湿地生态系统活动易受氮、磷和钾的限制。碟形洼地-岛状林土壤全氮、全磷与土壤CEC极显著正相关(表1)。湿地土壤中的全氮全磷分布受土壤淹水影响，此时土壤处于还原状态，土壤中的氮磷元素无法发生矿化作用，可保持在土层中。漂筏薹草-芦苇群落距离碟形洼地中心最近，水淹作用尤为显著，导致氮磷元素以有机状态赋存于植被下层并被植物固定于土壤中上层；毛薹草群落相较筏薹草-芦苇群落距碟形洼地中心稍远，水位下降，加之其生物量(304 g/m2)[24]在4个群落中最多，更有利于氮磷的积累，但一定程度上同时会导致部分营养元素被吸收利用，氮磷含量相对下降；乌拉薹草群落和沼柳-小叶章群落接近湿地边缘，脱离了水淹环境而处于氧化还原环境过渡区，在此环境下氮、磷元素矿质化易释放，加之乌拉薹草群落生物量(231.6 g/m2)[24]最低，所以乌拉薹草群落氮磷含量降低较快，但沼柳-小叶章群落生物量(241.77 g/m2)[24]仅次于漂筏薹草-芦苇群落(266.9 g/m2)[24]，有利于将植物残体和土壤原有氮磷元素集中起来，故在沼柳-小叶章群落氮磷含量出现次高峰，呈“N”字形，这与碟形洼地-岛状林土壤CEC平均值变化趋势是相一致的。

表1 土壤CEC与土壤全氮、全磷及钾含量的相关性

与刘世全等[30]所研究的旱地土壤CEC具有保钾功能的结论不同，碟形洼地-岛状林土壤钾元素与土壤CEC呈现出极显著的负相关，这可能是因为土壤CEC与土壤胶体含量有关[8]，钾离子化学性质活跃，对土壤胶体的凝聚作用低，而研究区域钾离子含量较高，对土壤胶体有一定破坏作用，使土壤CEC降低，这对于湿地的保护、研究和恢复具有重要的参考意义。

3.1.3 植物群落特征对土壤CEC分布的影响

漂筏薹草-芦苇群落生长于碟形洼地明水面边缘地带，土壤水淹程度最高。此群落茎叶部分高度较低(10～30 cm)，表层土壤受太阳光照影响较大[28]，利于微生物活动；地表常年积水，漂筏苔草与芦苇在地表长出紧密的根茎混合层，交织成毡，承载了群落的枯落物[31]，便于微生物分解枯枝落叶形成腐殖质，改善了表层水淹土壤质地，发育为泥炭沼泽土[32]，土壤CEC高。下层土壤透水性和呼吸功能差且植物根系较少到达，土壤内有机质含量少[13]，由表下层到下层土壤CEC急剧降低。毛薹草群落距碟形洼地中心稍远，秆疏丛生[33]，枯落物易到达地表，且表层土壤与空气接触程度较高，增强了透气性，加快了表层土壤微生物的分解活动[34]，有机质转化为腐殖质，腐殖质沼泽土发育，土壤CEC较高。乌拉薹草群落水分条件较毛薹草群落差；秆紧密丛生，透光透气性差；叶片坚硬且基部叶鞘无叶片，土壤表层枯落物少[28]。因此毛薹草群落土壤CEC最低。沼柳-小叶章群落距明水远，面积较大，群落内沼柳、小叶樟分布较为稀疏，植株较高(80～150 cm)，根茎较粗，透气透光性较强；植株冠大叶多，且群落下部伴生有柳叶绣线菊(Spiraeasalicifolia)和蚊子草(Filipendulaintermedia)等低矮湿地植物[35]，土壤表层生物活动频繁，表层土壤表现为矿质多根，孔隙度高且呈团聚状，土壤CEC高；表下层为淋溶层，下层为白浆层[36]；土壤CEC呈由表层到表下层缓慢降低，下层基本不变态势。

4 结论

(1)碟形洼地-岛状林土壤CEC范围为9.83～37.97 cmol/kg，在水平方向上，毛薹草群落区土壤CEC最大，乌拉薹草群落区土壤CEC最小，沼柳-小叶章群落与漂筏薹草-芦苇群落区土壤CEC处于两者之间且沼柳-小叶章群落小于漂筏薹草-芦苇群落区土壤CEC，呈“N”字形。

(2)在垂直方向上，表层土壤CEC高，由表层至下层土壤CEC逐渐降低；表层土壤CEC处于低度变异水平，表下层土壤CEC近于或处于中等程度变异，下层土壤CEC除漂筏薹草-芦苇群落处于高度变异水平外均处于低度变异水平。

(3)相关分析表明，碟形洼地-岛状林土壤CEC与土壤有机质呈极显著正相关，土壤CEC分布主要受土壤有机质的积累状况影响；土壤全磷全氮含量与土壤CEC含量呈极显著的正相关；群落的水文状况、土壤温度影响土壤CEC的分布。土壤CEC与土壤钾含量呈现极显著的负相关，这对于三江平原湿地的保护、研究和恢复具有重要的参考意义。