全 文 ：第 46卷 第 1期 土　壤　学　报 Vol.46, No.1
2009年 1月 ACTA PEDOLOGICA SINICA 　Jan., 2009
＊国家自然科学基金项目(30770396)、湖北省自然科学基金青年杰出人才项目(2007ABB002)及湖北省自然科学基金项目
(2006ABA177)资助
通讯作者:汪正祥 ,教授 , E-mail:wangzx66@hubu.edu.cn
作者简介:毛　瑞(1981～ ),男 ,湖北宜昌人 ,硕士研究生 ,主要研究方向为湿地生态学。 E-mail:maorui19810201@126.com
收稿日期:2007-07-16;收到修改稿日期;2007-10 -25
七姊妹山自然保护区泥炭藓湿地剖面特征
及元素垂直分布规律＊
毛　瑞 1　汪正祥 1 　雷　耘 2　李中强 1　满金山 3　彭宗林 3
(1湖北大学资源环境学院 ,武汉　430062)
(2华中师范大学生命科学学院 ,武汉　430079)
(3宣恩县林业局 ,湖北宣恩　445500)
PROFILECHARACTERISTICSANDELEMENTVERTICALDISTRIBUTIONIN
SPHAGNUM WETLANDINQIZIMEIMOUNTAINSNATRUERESERVE, HUBEI
MaoRui1 　WangZhengxiang1 　LeiYun2 　LiZhongqiang1　ManJinshan3　PengZonglin3
(1 ColegeofResourcesandEnvironment, HubeiUniversity, Wuhan　430062, China)
(2 ColegeofLifeScience, CentralChinanormaluniversity, Wuhan　430079, China)
(3 ForestryBureauofXuan en, Xuan en, Hubei　445500, China)
　　关键词　　元素分布;剖面特征;泥炭藓湿地;亚热带山地;七姊妹山
　　中图分类号　　X144;S153　　　　文献标识码　　A
　　泥炭藓湿地是由适应能力强 、耐周期性干旱的
泥炭藓(Sphagnum)以及草本植物沼泽化形成的一
种十分重要的湿地类型 ,也是一种重要的自然资
源 ,多分布于湿润多雨的地区[ 1] 。泥炭藓湿地在我
国主要集中分布于松嫩平原 、三江平原和若尔盖高
原 [ 2] 。在亚热带山地 ,由于受水热条件的限制 ,泥
炭藓湿地有小面积分布。 2005年对湖北省七姊妹
山国家级自然保护区的科学考察中发现了面积约
300 hm2的呈斑块状分布的亚热带亚高山泥炭藓湿
地 ,其发现为鄂西山地古地质 、古气候及植被变迁
研究提供了珍贵的研究样本。
目前国内外关于泥炭藓湿地的研究主要集中
在湿地植被研究 、泥炭元素分析 、泥炭种子和孢粉
构成分析 、泥炭对古气候及古环境的反映 、不同泥
炭中成分变化规律的对比分析及泥炭资源的利用
等方面 [ 2 ～ 6] ,其研究样地主要集中于温带和寒温带 。
而关于亚热带亚高山泥炭藓湿地的研究极少 ,仅见
于何报寅等[ 7] 2000年对神农架大九湖泥炭藓湿地
的群落学和孢粉学研究以及汪正祥等 [ 8] 2005年对
湖北七姊妹山亚高山泥炭藓湿地植物群落的研究 。
这些研究虽然从不同侧面揭示了亚热带亚高山泥
炭藓湿地的基本特征 ,但对其演化形成规律的认识
还很不够 。
本文报道对七姊妹山自然保护区泥炭藓湿地
剖面性质及元素垂直分布的分析 ,探讨亚高山泥炭
藓湿地泥炭分层特征及元素的垂直分布规律 ,以期
为开展亚热带亚高山泥炭藓湿地的演化形成规律
及其保护提供基础资料与参数 。
1　研究地区与研究方法
1.1　研究区概况
七姊妹山国家级自然保护区位于湖北省恩施
土家族苗族自治州宣恩县东部(29°39′～ 30°5′N,
160　 　土　　壤　　学　　报 46卷
109°37′～ 109°51′E),海拔 650 ～ 2 015 m,属中亚热
带湿润型季风气候 ,是我国中亚热带向北亚热带过
渡的区域 , 为云贵高原的东北延伸部分 , 年均温
8.9℃,年降水 1 665 mm,主要集中于 6月至 9月份 ,
年日照时间 1 512 h。
本研究的泥炭藓湿地位于七姊妹山国家级自
然保护区东北部的椿木营乡 ,包括天花板和落儿坪
两地(图 1),海拔 1 800 ～ 1 950 m,呈大斑块分布 ,
总面积约 300 hm2。地表植被主要为大理苔草-泥炭
藓群落(Carextaliensis-Sphagnumpalustresp.palus-
trecomm.)和野灯心草-泥炭藓群落(Juncassethuen-
sis-Sphagnumpalustressp.palustrecomm.)两种群落
类型[ 8] 。
图 1　七姊妹山亚高山泥炭藓湿地分布图
1.2　研究方法
1.2.1　样品采集　　2005年 11月对照泥炭藓湿
地分布图确定各个斑块的中心点 ,在各个斑块内从
中心点起每隔 500 m选取 1 ～ 2个采样点 ,共计 14
个 ,分别选定 1 m×1 m的样方 ,剥去地表鲜活植被
后 ,利用荷兰 Wardenaar泥炭采样器(50 ×Υ50 cm)
　　　　
在每个样方中随机采集 3个泥炭柱样本 ,并装入配
套的透明聚乙烯管中 ,于 -4℃下低温保存。
1.2.2　剖面分层及性质测定　　在采样处向下开
挖泥炭剖面 ,根据剖面颜色及组成物质不同现场分
层 ,并测量剖面总厚度及各层厚度 , 利用美国 PH-
300防水型便携式 pH计测定各层 pH。在实验室中
取冷冻的泥炭柱 ,将其以 3 cm为单位切割 ,分别称
量湿重与测定体积 ,其比值即为湿容重。将切割后
样本风干 [ 9] ,称量风干后样本重量 ,风干前后样本
重量差值与其风干前重量的比值即为含水率 。同
一深度风干土样均匀混合后通过 60目和 100目标
准土壤分样筛待用 。
1.2.3　元素测定　　取通过 100目分样筛的土样 ,
用 HNO3 -HClO4加热消解 ,以去离子水定容 ,最后用
ICP-AES法测定 P、K、Ca、Mg、Al、Fe、Mn、Cu、Zn、Ti
等元素的含量;取通过 60目分样筛的土样 ,消解后
采用分光光度法测定总氮(TN)含量 ,采用重铬酸钾
容量法测定总有机碳(TOC)含量 [ 9, 10] 。
1.2.4　数据分析　　应用 SPSS11.0软件统计湿
地剖面理化特性数据 , 分析各种成分的含量与剖
面深度以及元素之间的相关性。由于各元素含量
差异较大 , 将实测数据取自然对数 (Ln)后分析
制图 [ 9, 10] 。
2　结　果
2.1　泥炭剖面形态特征
七姊妹山亚高山泥炭藓湿地剖面厚度为 48 ±5
cm,根据剖面颜色及组成物质不同可分为三层 ,即
草根层(Ase)、泥炭沉积层(H)、淤泥质亚粘土潜育
层(G),剖面特征见表 1。各个层面的主要物质分
别为地表植物的根系 、草本泥炭粘土和砂石 , 随剖
面深度增加颜色由褐色逐渐变浅为浅黄色 。含水
率和 pH随剖面深度增加而降低 ,湿容重在 H层和
G层高于 Ase层。
表 1　七姊妹山亚高山泥炭藓湿地剖面特征对照表
剖面 厚度(cm) 含水率(%) 湿容重(gcm-3) pH 主要物质及颜色
草根层 Ase层 18.10±1.16 41.23±7.31 1.30 ±0.08 6.7±1.2 植物根系 ,褐色
泥炭沉积层 H层 18.09±1.21 35.27±6.18 1.68 ±0.01 5.7±1.2 草本泥炭 ,浅褐色
淤泥质亚粘土潜育层 G层 12.05±2.09 28.54±5.62 1.66 ±0.01 5.3±1.1 黏土 、砂石 ,浅黄色
2.2　泥炭中元素含量垂直分布
2.2.1　总有机碳 、总氮和磷含量垂直分布　　总有
机碳(TOC)、总氮(TN)和磷(P)含量垂直分布规律
呈现各自不同的特点(图 2 A)。其中 TOC含量在
1期 　　毛　瑞等:七姊妹山自然保护区泥炭藓湿地剖面特征及元素垂直分布规律 161　
0 ～ 18 cm范围内较高 ,随剖面深度增加而增加 ,最
低为 321.5 mgg-1(Lny=5.77, Lny为元素实测含
量的自然对数值),于 18 cm处达到最高值 400.9 mg
g-1(Lny=5.99),此后随深度增加含量不断降低 ,并
于 48 cm处降至最低 101.1 mgg-1(Lny=4.62)。
TN的含量随剖面深度增加而降低 , 最高为
29.3 mgg-1(Lny=3.38),于 48 cm处降至最低值
20.4 mgg-1(Lny=3.02)。
磷在 0 ～ 18 cm范围内分布大体均匀 ,最高含量
为 1.83 mgg-1 (Lny=0.62),最低含量为 1.77 mg
g-1(Lny=0.58),于 21 cm处开始逐渐降低 ,至 42
cm处降为最低值 0.87 mgg-1(Lny=-0.14),最终
于 48 cm处达到 0.95 mgg-1(Lny=-0.05)。
2.2.2　常量元素含量垂直分布　　常量元素含量
垂直分布规律呈现三种不同变化态势(图 2 B)。其
中 Fe和 K元素变化规律比较一致 ,含量均随深度
增加而持续增加 ,并于 48 cm处增至最高 。最低含
量分别为 3.9 mgg-1 (Lny=1.37)和 20.6 mgg-1
(Lny=3.02),最高含量分别为 7.1 mgg-1(Lny=
1.96)和 22.5 mgg-1(Lny=3.11)。　
Al和 Mg元素含量变化规律比较一致 , 即在
0 ～ 24 cm内有波动 ,自 24 cm处开始大幅增加 ,至
48 cm处达到最高值 ,最低含量分别为 5.0 mgg-1
(Lny=1.62)和 0.5 mgg-1(Lny=-0.64),最高含
量分别为 16.2 mgg-1(Lny=2.78)和 1.8 mgg-1
(Lny=0.60)。
Ca元素含量呈现逐渐降低的趋势 , 0 ～ 21 cm范
围内分布均匀 ,自 21 cm处开始随剖面深度增加急
剧降低 ,至 39 cm处达到最低值 0.66 mgg-1(Lny=
-0.42), 39 cm以后出现波动 ,最终达到 0.78 mg
g-1(Lny=-0.24)。
2.2.3　微量元素含量垂直分布　微量元素含量垂
直分布规律亦呈现三种不同形式(图 2 C)。其中
Cu和 Mn元素变化规律比较一致 ,呈 “凹形 ”分布 ,
最高值均出现在 48 cm处。 Cu在 0 ～ 12 cm分布均
匀 ,平均含量为 6.5 mgkg-1 (Lny=1.87), 12 ～ 24
cm内随剖面深度增加降低 ,并于 24 cm处下降至最
低 1.1 mgkg-1(Lny=0.05);Mn在 0 ～ 15 cm范围
内分布均匀 , 最高含量为 68.4 mgkg-1 (Lny=
4.22),最低含量为 64.3 mgkg-1(Lny=4.13), 15 ～
21 cm内含量随深度增加而下降 ,于 21 cm处下降
至 41.1 mgkg-1(Lny=3.71)后 , 24 ～ 30 cm范围内
维持在 41 mgkg-1(Lny=3.71), 42 cm处再次上升
至 71.8 mgkg-1(Lny=4.26)后保持稳定。
图 2　七姊妹山亚高山泥炭藓湿地元素垂直变化规律
　　Zn元素含量随剖面深度增加呈阶梯状下降 ,在
0 ～ 18 cm内最高 ,平均值高达 222.37 mgkg-1(Lny=
5.40), 18 ～ 33 cm内平均含量为 89.17 mgkg-1(Lny
=4.50), 33 ～ 48 cm内平均含量为 50.25 mgkg-1
162　 　土　　壤　　学　　报 46卷
(Lny=3.92),平均降幅为 52%,两个折点分别出现
在 18 cm和 33 cm处 ,并于 48 cm处降至最低值
45.36 mgkg-1(Lny=3.81)。
Ti元素含量随剖面深度增加呈先升后降的趋势 ,
0 ～ 9 cm内含量保持在 81.22 mgkg-1(Lny=4.39),在
12 cm处出现一个拐点 ,并于此处达到最高值 129.3 mg
kg-1(Lny=4.86)。 12 cm后含量持续降低 ,于 48 cm
处降至最低值 26.41 mgkg-1(Lny=3.26)。
2.3　元素之间的相关性分析
由表 2可以看出 ,相关系数大于 0.85的有:Ca
与 Ti、Zn、TOC、TN、TP;Mg与 Al、Cu;Al与 Cu;Fe与
K;Ti与 Zn、TP;Zn与 TP;TOC与 TN、TP;TN与 TP。
负相关性的有:Ca与 Fe;TOC与 Mg、Al、Fe;TN与
Mg、Al、Fe;TP与 Fe;K与 Ca、Ti、Zn、TP,即这些相关
元素的变化趋势基本相反;TN与各元素相关性最
高 , Mn与各元素的相关性最低。
表 2　泥炭中各元素含量之间的相关系数
Ca Mg Al Fe Ti Zn Mn Cu TOC TN TP K
Ca 1
Mg -0.810 1
Al -0.835 0.996 1
Fe -0.900 0.806 0.838 1
Ti 0.896 -0.712 -0.736 -0.726 1
Zn 0.914 -0.710 -0.751 -0.838 0.941 1
Mn -0.114 0.547 0.503 0.190 -0.005 0.084 1
Cu -0.522 0.873 0.865 0.513 -0.415 -0.408 0.673 1
TOC 0.930 -0.924 -0.935 -0.853 0.820 0.821 -0.392 -0.745 1
TN 0.889 -0.967 -0.975 -0.881 0.802 0.819 -0.464 -0.765 0.950 1
TP 0.972 -0.746 -0.783 -0.889 0.938 0.978 0.008 -0.433 0.882 0.852 1
K -0.917 0.707 0.747 0.866 -0.895 -0.978 -0.028 0.405 -0.842 -0.826 -0.970 1
3　讨　论
泥炭是在沼泽湿地特定的环境中多种自然因
素综合作用的产物 ,由于沉积环境和组成物质的差
异出现了多个明显的层次 [ 10, 12] 。从泥炭剖面形态
特征来看 ,含水率随剖面增加而降低 ,这与泥炭藓
具有很强的吸水能力有关 , 愈近表层 ,泥炭藓和植
物根系含量愈高 。
东北地区集中分布有大面积的泥炭藓湿地 ,而
亚热带山地泥炭藓湿地分布很少 。于君宝等 [ 11 ～ 13]
在东北别拉洪河流域湿地进行的研究表明 ,别拉洪
河流域湿地可分为三层 ,泥炭厚度为 110 cm,各层
厚度不一 ,其中泥炭层(H)厚度高达 54 cm。相比
而言七姊妹山亚高山泥炭藓湿地剖面亦可分为三
层 ,但三层的厚度比较均匀 ,泥炭厚度仅为 18 cm。
三江平原湿地属于腐泥沼泽(Marsh),柴桦 —苔草
沼泽 、兴安落叶松 —狭叶杜香—泥炭藓沼泽和兴安
落叶松 —玉簪苔草—泥炭藓沼泽等是该区主要沼
泽类型 ,乔木和灌丛分布较广泛 [ 11 ～ 13] ;本研究湿地
以大理苔草 -泥炭藓和野灯心草-泥炭藓沼泽为主 ,
而乔木和灌丛仅稀疏分布于湿地边缘地带 ,地表植
被生物量少 ,因而生物体残留量也相对较少 , 这是
本研究湿地剖面中泥炭累计量较少的主要原因 。
东北别拉洪河流域湿地泥炭形成的时期更早 、沉积
时间更长也是形成这一差异的重要原因。此外湿
地形成的地势条件也是重要因素之一 [ 11 ～ 15] 。
七姊妹山亚高山泥炭藓湿地剖面 pH<7,与三
江平原泥炭藓湿地研究结果[ 9, 12]一致 ,推测还原性
物质的积累是形成其酸性随剖面深度增加而增强
的主要原因 。七姊妹山亚高山泥炭藓湿地所处气
温相对较高及积水较少的环境更利于有机质的分
解 、产生更多腐殖酸 ,导致其酸度高于三江平原泥
炭藓湿地 [ 15, 16, 18] 。
本研究还表明 ,七姊妹山亚高山泥炭藓湿地的
元素含量(除 Zn元素外)较别拉洪河泥炭藓湿地均
低。土壤本底值和发育地貌的差异可能是造成这
些差异的主要原因。别拉洪河泥炭藓湿地以元素
含量非常丰富的黑钙土为主 [ 16 ～ 18] ,而七姊妹山亚高
山泥炭藓湿地以山地黄棕壤为主 。由于该湿地发
1期 　　毛　瑞等:七姊妹山自然保护区泥炭藓湿地剖面特征及元素垂直分布规律 163　
育于山间盆地 ,淋溶较强烈 ,因而有机质和元素更
易流失 [ 14, 17] ;Zn元素出现的异常可能与当地土壤含
Zn矿物质丰富以及地表植被差异所造成的选择性
吸收差异有关[ 16 ～ 18] 。
在泥炭的形成中 ,由于植物吸收和水分运动等
造成的元素的输入和输出使得元素在垂直分布上
呈现一定的规律性 [ 15 ～ 17] 。元素(尤其是金属元素)
的垂直分布与其本身的特性和所处的环境有很大
关系[ 12] 。本研究表明 ,泥炭中 Mg、Fe和 Al元素含
量随剖面深度增加而增加 ,在 G层累积;TOC、TN、
TP、Ca、Ti、Zn元素含量随剖面深度增加而减少 ,在
Ase层富集;Cu和 Mn元素含量 H层低于其他层
面 , K在各层分布均匀。 Mg、Fe和 Al元素在还原性
环境下活性增强 , 发生向下的淋溶 、迁移和沉
积 [ 14, 17] 。有机质在表层富集以及它对 N、P等元素
的吸持作用造成了它们在表层含量相对较
高 [ 12, 15, 18] 。这 与 于 君 宝 、 何 太 蓉 、 白 军 红
等 [ 11 ～ 13, 16, 18]在三江平原的研究结果一致。
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