全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
矛 , , 一
霍林河流域湿地土壤碳氮空间分布特征及生态效应 ‘
白军红“ 邓 伟 朱颜明 来兆擎 张玉 霞
中国科学院东北地理与农业生态研究所 , 长春
摘要 】 对霍林河流域湿地土壤有机碳及全氮空间分布特征及其生态效应的研究表明 , 有机碳和全氮的
水平分异和垂直分异都十分显著 , 干湿交替周期是引起分异的关键因子 表层土壤有机碳与全氮含量显著
相关 , 土壤碳氮比基本沿湿度梯度变化 土壤 值对土壤表层碳氮含量及碳氮比值影响显
著 流域湿地土壤与流域草原土壤碳氮比与土壤碳氮含量的相关性差异显著 其生态效应主要表现在生产
效应和净化效应两方面
关键词 霍林河流域湿地 有机碳 全氮 空间分布特征 生态效应
文章编号 一 一 一 中图分类号 文献标识码
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引 言
碳氮元素是天然湿地土壤中的两种关键生源要
素 湿地土壤中有机碳和全氮的含量变化显著影响
着湿地生态系统的生产力「 〕湿地土壤有机碳是气
候变化的一种敏感指示物 , 能用来指示对气候变化
的响应 ‘。 而氮素则是一种湿地营养水平指示物
湿地对碳氮具有较强的截留和过滤作用〔川 , 湿地土
壤是氮和碳的重要的源 、汇或转化器 , 所以湿地生态
系统碳 、 氮循环在全球变化中发挥着重要作用 近年
来 , 国内外学者对半干旱区 、农牧交错带或湿地的宏
观研究已初具规模 , 对各 自区域类型 中元素分布也
有不少研究 , 但对同处于半干旱 区及农牧交错区背
景下的闭流流域湿地土壤中元素空间分布及生态效
应定量研究尚少 闭流区湿地土壤 中元素含量变化
印证了整个流域的变化 , 因此 , 研究闭流流域湿地土
壤中碳氮空间分布特征不仅为区域生态安全及全球
变化研究奠定了基础 , 而且为流域湿地可持续利用
及管理提供了理论依据
研究区域与研究方法
研究地区概况
霍林河属松花江流域嫩江水系一级支流 , 是科尔沁 自然
保护区以及向海自然保护区湿地的主要水源之一
,
霍林河人
通榆县境后漫散 , 没有明显 的河道 , 且向下游水量是逐渐递
减 , 断流现象经常发生 , 流域全长约 , 流域面积
霍林河一般年份流量为
· 一 ‘左右 , 河水只能流人
兴隆山境内 , 下游河床干涸 丰水年流量最大达
· 一 ‘ ,
该流域地处北温带大陆性季风气候区的吉林省半干旱草原
和农牧交错地带 , 水资源较为短缺 , 年降水量远小于蒸发量 ,
且年降水量的 集中在 一 月份 但该区是湿地的集中
分布区之一 , 湿地的气候调节功能以及蓄水功能显得尤为重
要 , 是目前国家关注的重点治理区 流域土壤主要有栗钙土 、
黑钙土 、 盐碱土 、 草甸土 、 沼泽土和风沙土 , 湿地区土壤主要
‘ 中国科学院知识创新工程项 目
一 和湖沼三期
一 。 及中国科学院“ 百人计划 ”资助项 目
, 通讯联系人
‘
一 一 收稿 , 一 一 接受
期 白军红等 霍林河流域湿地土壤碳氮空间分布特征及生态效应
表 供试潜育沼泽土的若本性质
卜 触 讲 刻 已蛇
封以
层次
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腐殖质层 。 肠师
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钾洲的一功全加归一孰之主
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为潜育沼泽土 供试潜育沼泽土壤基本性质见表
研究方法
年 月在霍林河流域中下游选择向海滚水坝 、二
百方子 、红光苇场 、付老文泡以及科尔沁等 个典型湿地区
域 , 分别在各区域内随机布点 , 以每份多小区 、 多点混合的方
法随机采集土壤样品 , 以 为一层 , 剖面深度均为
, 并以株为单位采集典型植被样 品 共计采集土样 。
个 , 植物样 个 样品 自然风干后 , 捡去石块等杂物 , 用球磨
机磨碎 , 过 目筛 , 装袋备用待测
土壤有机碳和植物全碳测定用重铬酸钾容量法 土壤全
氮用半微量凯 氏法 植物全氮用 执
一 消煮蒸馏法
值用电位法 运用 和 卜 统计软件进行统
计分析
纬 度 月 忱团
图 霍林河流域湿地表层土坡有机碳水平分布格局图
如 币 啥
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结果与讨论
霍林河流域湿地有机碳空间分布特征
土壤有机碳的含量变化取决于有机碳的输人和
输出量的平衡 天然湿地土壤中的有机碳主要来源
于土壤原有机碳的矿化和动植物残体的分解 , 有机
碳的输出量则主要包括有机质分解和侵蚀损失 , 受
各种生物和非生物条件的控制〔‘“〕土壤有机碳在空
间分布上表现出水平分异和垂直分异规律 由图
可知 , 霍林河流域湿地表层土壤有机碳经度分异显
著 , 而纬度分异较小 , 在 ‘ 一 ’ 范围内
等值线较密 , 变异程度较大 而且有机碳含量相对较
高大 , 均 在 以上 , 最 高值分布在 ,
‘ 的红 光 苇场 , 最 低值分布在 ’ ,
’ 的付老文泡 付老文泡和红光苇场均处在
霍林河流域的洪泛区内 , 受河流洪泛作用都较强 , 但
其有机碳含量差异显著 , 这主要与湿地对有机碳的
持留能力有关 而干湿交替又是影响湿地持留能力
的关键因子 , 因为它造就了土壤 中 以及微生物
群落的交替〔川 , 为有机质的降解和腐殖化提供了条
件 付老文泡是霍林河的一牛扼湖 , 干湿交替 , 周期
较短 , 每年 、 月份被洪水淹没 , 次年 月份解冻 ,
后因蒸发 、渗漏而露出地表 , 而红光苇场地表无积水
但常年保持过湿状态 , 所以付老文泡表层土壤有机
质分解速度大于红光苇场 , 有机碳含量降低 这与
, 以及 , 等所得结论干湿交替不仅
有助于有机质的矿化分解 , 且周期越短分解速度越
快相一致 此外 , 植被覆盖可能是引起分异的又一个
主要因子
,
付老文泡地表覆被 以稀疏的片状芦苇为
主 , 且因其与沙丘榆林相毗邻 , 地表泥沙含量较红光
苇场大 而红光苇场芦苇生长繁茂 , 物种丰富 , 植物
输人残体量远大于付老文泡 而洪水泛滥特别是
年的特大洪水的洪泛作用则可能是导致霍林
河下游土壤表层有机碳含量 比中游科尔沁地带高的
一个重要原因
土壤有机碳在空间上的垂直分异如图 所示
除向海滚水坝及付老文泡外 , 霍林河流域湿地土壤
有机碳总体垂直分异趋势均为由表层 向下逐渐减
少 , 这与植物残体和根系分布相一致 在向海滚水坝
土壤剖面中出现一明显的累积峰 , 有机质由表层 向
深层的机械迁移及未成型泥炭的累积是形成有机碳
累积峰的直接原因 此外 , 洪水泛滥冲刷淤积尤其是
年的特大洪水以及湿地的过滤作用 , 可能是形
图 摄林河流域湿地土壤有机碳空间垂直分布格局图
呀 场 ,
付老文泡 玩 红 光 苇场
滚水坝 科尔沁 二百方
子 下同 】
应 用 生 态 学 报 卷
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成累积峰的间接原 因 而付老文泡土壤剖面底层小
累积峰的出现则是有机碳生物地球化学迁移及地质
沉积作用所致
霍林河流域湿地氮素空间分布特征
自然土壤中的氮素主要来源于动植物残体和生
物固氮 , 也有少量来源于大气降水 此外 , 河流洪泛
作用也给流域湿地土壤带来大量的氮素 土壤氮的
输出主要是土壤中有机质的分解 , 分解后大部分被
植物吸收利用 , 部分有机氮经过矿化 氨化 、 硝化 、
反硝化作用 以及氨挥发等生物过程而重返 回大气
中 ’ 】土壤氮素含量常常与有机质消涨趋势相一
致 , 二者相关性较强 表 , 其空间分异规律也表现
出一定的相似性
,
由图 可知 , 流域湿地土壤氮素等
值线分布较有机质密 , 其水平分异更强 约 的
区域地表氮素含量在 ’ 一 ‘等值线以内 , 其
最高值及最低值也分别分布在红光苇场及付老文泡
地域内 , 干湿交替也是导致其显著分异的主导因素 ,
较短的干湿交替周期有利于湿地脱氮 , 而长期淹水
或较长干湿交替周期则不利于湿地脱氮 这也与
产 等所得结论一致
, 湿地土壤在干湿交替作
用下 , 相当短的干湿交替周期不仅有助于湿地脱氮 ,
而且在湿润阶段可获得的碳和 或 硝酸盐 一
可能会完全被消耗掉 和 。 以及
等 “ 也发现脱氮菌在厌氧条件下仍会产生
酶 , 所以干湿交替作用下脱氮作用较长期淹水更强
此外 , 植被覆盖及洪水泛滥也是引起氮素分异 的重
要原因 , 所以付老文泡湿地土壤氮素含量要低于其
它地带
流域湿地土壤氮素空间垂直分异较有机质更
大 , 土壤剖面中累积峰更明显 图 滚水坝土壤剖
面中累积峰最大且出现在近地表层 , 科尔沁及二百
方子土壤剖面中的累积峰相对较小且层位较深 由
于 一 离子不被带负电荷的土壤粒子所固定而易
溶于溶液 , 所以氮素在湿地中主要通过地下潜流以
硝态氮的形式输移流失 , 这是湿地土壤剖面中累积
峰出现的主要原因之一 因向海滚水坝
、二百方子处
于季节性河流霍林河的下游 , 早季缺水 , 使表层处于
相对较干的氧化环境 , 易于生物固氮 , 且干湿交替也
有利于表层有机氮矿化并向下淋滤 , 所以在土壤剖
面中易出现累积峰 〕在研究氮素的迁移转
化时发现溶液中的 一 离子如果不能被植物或微
生物快速吸收 同化硝酸盐的还原反应 或通过地下
径流流失 , 就会发生异化氮氧化物的还原反应 脱
氮作用 而损失到大气中 这也是导致土壤表层氮
乃
︵巴。三易目另侧引
一
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纬 度 《 〕
圈 霍林河流域湿地表层土壤氮素水平分布格局图
口习目之宕户曰
户罗。日︶碉如喊圳
圈 霍林河流域湿地土壤总氮空间垂直分布格局图
素含量较下层低的一个潜在的原因
霍林河流域湿地土壤碳 氮比值空间变化
霍林河流域湿地土壤碳 氮比除少数异常值外
主要集中在 一 之间 表 , 相对较低 , 表明土壤
有机质的腐殖化程度高 , 而且有机氮更容易矿化 , 付
老文泡土壤剖面底层碳氮比异常高 , 表明该层位碳
的累积速度显著高于氮素
,
因为在全氮中有机氮约
占 以上 , 所以有机氮含量的多少 以及其矿化程
度将直接影响着土壤全氮的含量及供氮能力 就表
层土壤 一 而言 , 碳氮比也有一定的规律性
表现为付老文泡 科尔沁 红光苇场 滚水坝 二
百方子 , 除付老文泡外基本与土壤水分状况序列一
致 , 碳 氮比随着湿度的增加而增加 , 这与耿远波〔‘
在研究锡林河流域草原土壤碳氮含量时所得结论一
致 , 而付老文泡的高碳 氮比则表明了其表层土壤的
有机质矿质化程度要 比其它区域高 , 即有较多的碳
富集
湿地植被特征对湿地有机质及氮素空间分布
的制约
湿地植被特征影响着湿地土壤中有机质及全氮
期 白军红等 霍林河流域湿地土壤碳氮空间分布特征及生态效应
表 粗林河流域湿地土坡碳 氮比值
样地 土壤深度
一 一 一 一 一 一 一 一 一 一
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红光苇场 二百方子 滚水坝 科尔沁 凡 付老文泡
·
空间分布的动态 除沉积作用及植物吸收作用外 , 植
被生长特征也影响着湿地土壤中有机质及全氮的含
量分布 植被对有机质及氮素的持留作用与地表径
流和地下径流有关 对地表径流而言 , 植株密度的高
低是影响其持留量的关键因子 , 高密度植被可减小
水流速度 , 降低水的输送能力 而对于地下潜流 , 植
被可通过改变土壤结构 、 组成及渗透能力来影响其
持留量 此外 , 湿地植被结构也可能影响着湿地土壤
养分的动态 等 在研究大型湿地植物对硝
酸盐的持留作用中发现大型植被更有助于湿地对养
分的持留 所以付老文泡 的稀疏芦苇植被对养分的
持留能力显著小于红光苇场稠密芦苇植被
湿地表层土壤 值 、 有机碳 、 全氮及碳 氮 比
值的关系
土壤 值通过影响微生物的活动而显著影响
着土壤对碳氮的固定和累积能力 , 它是影响土壤有
机碳及全氮的空间分布的环境 因子之一 本研究区
域 值在 一 之间 , 盐碱化程度较强 , 所以
其对有机碳及全氮的影响非常显著 由表 可知 , 表
层土壤 值在 显著性水平上与有机碳和全
氮含量显著负相关 , 与 比显著正相关性 土壤
有机碳在 显著性水平上与全氮极显著正相关
二 , 与 比的相关性微弱 , 表明在土壤
表层氮素主要存在于有机质中 , 对 、 含量做回归
分析得回归方程 全 有机碳
一 二 而全氮在 显著性水平
上则与 比显著负相关 二 一 , 表明表层
土壤碳 氮比的大小主要决定于全氮的含量 此结论
也与耿远波 ‘ 所得结论有机碳及全氮与碳 氮比呈
表 祖林河流域湿地表层土壤 值 、有机碳 、 全氮及碳 氮比的相
关系数矩阵
此 , ,
显著正相关
,
, “ 不一致 , 进一步
说明流域湿地土壤与流域草原土壤碳 氮比值与有
机碳及全氮含量的相关性存在显著差异
湿地土壤有机碳及全氮的生态效应
湿地以芦苇沼泽为主 , 芦苇是湿地优势种植物 ,
伴生 种 以 香 蒲 了多乡丙口 、 碱 蓬
脚
、 辣 寥 口 阴 入笋 用户咖二
、 黑 三 棱
八 二 脚 及 蔺 草 政关 、
撰 为主 湿地土壤是湿地植物的主要营养
库 , 湿地土壤中氮素及有机质 含量空间分布特征显
著影响着湿地生态系统的生产力〔“ , 同时也影响着
植被的生长及其分布 由表 可知 , 流域湿地内植物
含碳量在 一 之间 , 含量范 围差异 不大 , 表
明湿地植物对碳 的固定量相 当 但湿地植被对氮的
累积量差异较大 , 对同一种植物芦苇而言 , 不同样地
的芦苇 含氮量 明显高于芦苇 和芦苇 , 这表明
植物对氮的累积受氮素供应能力的影响 , 在养分含
量高 的地域 对 氮 的 累 积 量高 , 生 产力 也较高 , 与
在滨河湿地植物对养分的吸收研究中所
报道的结论一致 而不同植物种含氮量差异显著 , 碱
蓬 、 蔺草含量较大 , 香蒲次之 , 芦苇 除芦苇 外 、辣
寥 、 黑三棱含量最小 植物碳 氮比则与之相反 , 表明
盐碱植被对氮素的累积净化效应更显著 此外 , 大型
植物的生态效应还表现在可通过提供有机碳来支持
湿地脱氮 ”
表 摄林河流域湿地植物全碳及全氮含
植物种 全 全
有机碳 全
有机碳
全 ‘ ’
一 一 件
酬 二
川 到工 二鱼丝丝卫 卫丝二一二卫丝一
势 屯 荟 朴
结 论
土壤有机碳在空间分布上水平分异表现在经
应 用 生 态 学 报 卷
度分异较大 , 纬度分异较小 ,
‘ 一 ’ 范
围内变异程度最大 而且有机碳含量相对较高 , 大多
在 以上 , 最高值和最低值分布在红光苇场和付
老文泡地带 除向海滚水坝及付老文泡土壤剖面中
出现累积峰外 , 霍林河流域湿地土壤有机碳垂直分
异趋势大体上均为由表层向下逐渐减少
土壤全氮含量常常与有机碳消涨趋势相一致 ,
其空间分异规律也表现 出一定 的相似性 流域湿地
土壤全氮等值线分布较有机碳密集 , 水平分异更强
约 的区域地表氮素含量在
· 一 ’等值
线以内 , 其最高值及最低值分布区域与有机质相吻
合 流域湿地土壤全氮空间垂直分异较有机碳更大 ,
土壤剖面中累积峰更明显
流域湿地土壤表层有机碳与全氮含量显著相
关 , , 回归方程为 全氮 二
有机碳 一
土壤 比集中在 一 之间 , 表层土壤
比基本沿湿度梯度变化
土壤 值对土壤表层 、 含量及 比值
影响显著 流域湿地土壤与流域草原土壤 比对
、 含量敏感性差异显著
流域湿地 、 生态效应主要表现在植物对氮
素的累积净化效应方面 植物对碳素的固定量相当 ,
而对氮素累积量差异显著 , 同种植物对氮的累积受
地域土壤供氮量影响 , 不 同植物种对氮的累积受植
物种的制约 , 但其制约机制尚不清楚 此外 , 其生态
效应还表现在大型湿地植物可通过提供有机碳来支
持湿地脱氮
参考文献
馆
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余晓鹤 , 一 朱培立 ,
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黄东迈
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以 月召月‘ 反 中国农业科学
, 一
作者简介 白军红 , 男 , 年生 , 博士研究生 , 主要从事湿
地生源要素生物地球化学过程及生态效应等方面的研究 , 发
表论文 多篇
一
。 , 以 耿远波
,
章 中
, 一
董云社 ,