高海峰，白軍紅＊，黃來斌，王國平，黃辰，劉佩佩

（1.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院 水環(huán)境模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春130012）

洪泛區(qū)是河流在周期性水文因素控制下，洪水漫出河道而形成的一種復(fù)雜的濕地環(huán)境；河流水文情勢(shì)與地貌條件直接影響洪泛區(qū)空間展布和集水狀況［1］。洪泛區(qū)濕地是在洪水作用下通過一系列的物理過程、化學(xué)過程和生物過程形成的生物地球化學(xué)障礙帶，具有降低洪水流速、削減洪峰流量、減少泥沙輸移、過濾營養(yǎng)成分和雜質(zhì)等生態(tài)功能［2］。洪泛區(qū)濕地的消長速率與洪水發(fā)生頻率、持續(xù)時(shí)間以及洪流攜帶泥沙的含量有關(guān)，洪水的周期性作用造就了洪泛區(qū)濕地土壤干濕交替的生境，在很大程度上影響著洪泛濕地土壤營養(yǎng)元素的動(dòng)態(tài)變化［3，4］。研究表明洪水頻率、持續(xù)時(shí)間對(duì)土壤養(yǎng)分含量、轉(zhuǎn)化及分布和洪泛區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)具有重要的影響［5－8］。土壤氨揮發(fā)是土壤氮素循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是濕地土壤氮素氣態(tài)損失的主要途徑［9］。因此洪泛區(qū)濕地土壤氨轉(zhuǎn)化及氨揮發(fā)可能會(huì)受不同淹水頻率的影響。以往的研究多集中于農(nóng)田土壤氮素?fù)p失［10－12］，且多是探討水肥條件對(duì)土壤氨揮發(fā)的影響以期提高N肥利用率。目前盡管Sun等［13］研究了三江平原不同植被群落濕地氨揮發(fā)，但對(duì)洪泛區(qū)濕地不同淹水頻率下土壤氨揮發(fā)的研究卻鮮有報(bào)道。研究淹水頻率對(duì)洪泛區(qū)濕地土壤氨揮發(fā)的影響，可為進(jìn)一步研究洪泛區(qū)濕地氮素循環(huán)特征及其土壤質(zhì)量演變，增加濕地初級(jí)生產(chǎn)力，為洪泛區(qū)濕地土壤質(zhì)量演變和優(yōu)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處霍林河中下游的洪泛區(qū)，位于松嫩平原西部的向海國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)境內(nèi)（東經(jīng)122°05′～122°31′，北緯44°55′～45°09′），屬內(nèi)陸沼澤濕地。該地區(qū)處于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)的吉林省半干旱草原和農(nóng)牧交錯(cuò)地帶，總體特征為四季分明，雨熱同期，光照、溫度及降水等受季節(jié)影響明顯。年均溫5.1℃，年均降水量408.2mm，多集中在7，8月份；年平均蒸發(fā)量1 945mm，約為降水量的5倍［14］；該區(qū)全年盛行西南風(fēng)，風(fēng)速一般5～6級(jí)，多年月平均風(fēng)速的最大值和最小值分別出現(xiàn)在4和8月，其值分別為5.3和3.0m／s。研究區(qū)土壤類型為沼澤土，植被以蘆葦群落為主。

1.2 樣品采集與分析

研究區(qū)按洪水發(fā)生頻率設(shè)置5個(gè)樣區(qū)，分別為百年一遇洪泛區(qū)（H）、十年一遇洪泛區(qū)（T）、五年一遇洪泛區(qū)（F）、一年一遇洪泛區(qū)（O）和常年淹水洪泛區(qū)（B）［5，6］。土壤氨揮發(fā)測(cè)定分別于2010年7，9和11月在5個(gè)樣區(qū)進(jìn)行，每個(gè)樣區(qū)單個(gè)裝置測(cè)定30～60min，3～4個(gè)平行測(cè)定，并記錄樣地主要信息（表1）。因11月份蘆葦枯死且被收割，所以于生長季（7和9月）在每個(gè)樣區(qū)內(nèi)隨機(jī)布設(shè)3個(gè)0.5m×0.5m植物樣方測(cè)定蘆葦高度和生物量。2010年7月實(shí)驗(yàn)時(shí)同時(shí)在每個(gè)樣區(qū)隨機(jī)采土壤表層（0～10cm）樣品，3個(gè)重復(fù)，分析土壤基本理化性質(zhì)。土壤pH及電導(dǎo)率分別采用pH計(jì)和電導(dǎo)率儀測(cè)定（水土比為5∶1）；土壤容重的測(cè)定采用烘干法將環(huán)刀樣品在105℃烘箱內(nèi)烘至恒重［15］。土壤全氮用半微量凱氏法消解［16］后，用流動(dòng)分析儀測(cè)定。土壤粒度使用激光粒度儀（Mastersizer 2000－Marlvern，英國）測(cè)定。采用收獲法測(cè)定各樣方的地上生物量，然后帶回室內(nèi)在80℃恒溫下烘干稱重［17］。

土壤氨揮發(fā)實(shí)驗(yàn)采用的通氣法裝置由聚氯乙烯硬質(zhì)塑料管制成，內(nèi)徑15cm，高10cm，測(cè)定過程見文獻(xiàn)［18］，測(cè)定時(shí)吸收的氨用KCl溶液浸提后，用流動(dòng)分析儀（荷蘭SKALAR公司SAN＋＋－system）測(cè)定。

表1 實(shí)驗(yàn)期樣地信息Table 1 Site description during the period from July to November

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

土壤氨揮發(fā)速率計(jì)算公式如下：

式中，M——為單個(gè)裝置平均每次測(cè)得的銨態(tài)氮量（mg）；A——為捕獲裝置的橫截面積（m2）；D——為每次連續(xù)捕獲的時(shí)間（h）。

運(yùn)用SPSS 13.0軟件對(duì)同一樣點(diǎn)不同時(shí)期以及同一時(shí)期不同樣地間土壤氨揮發(fā)速率、生物量進(jìn)行方差分析。采用Origin 8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與討論

圖1表明了不同時(shí)期研究區(qū)不同淹水頻率濕地土壤氨揮發(fā)速率的變化。除F區(qū)外，9月土壤氨揮發(fā)速率最高，11月次之，7月土壤氨揮發(fā)速率最低，3次監(jiān)測(cè)期（7，9和11月）土壤氨揮發(fā)速率差異顯著（P＜0.05），7，9和11月的土壤氨揮發(fā)平均速率分別為0.175，1.155以及0.651mg／（m2·h）。

溫度能夠顯著影響氨揮發(fā)過程，其作用是通過影響與氨揮發(fā)有關(guān)的主要生物化學(xué)過程而產(chǎn)生間接的影響。已有研究發(fā)現(xiàn)氨揮發(fā)速率與大氣溫度呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系［18，19］。本研究發(fā)現(xiàn)在地上植被均受到一定程度的破壞時(shí)，洪泛區(qū)濕地9月份土壤氨揮發(fā)速率顯著高于11月份。這主要是與11月份相比，研究區(qū)9月份氣溫較高，蒸發(fā)量較大（表1，2），所以較高溫度增加了脲酶活性，進(jìn)而加速了尿素分解過程［19］，導(dǎo)致 NH3和 NH4＋的擴(kuò)散速率增加［20］，氨揮發(fā)損失量加大。但是研究區(qū)7月份的氣溫和地溫與9月份相當(dāng)（表1），而7月份土壤氨揮發(fā)量顯著低于9月份，這主要與9月份濕地植被地上部分受到一定程度的破壞有關(guān)。

植被生長狀況也是影響氨揮發(fā)的一個(gè)重要原因。7月份植被處于快速生長階段，植被需要吸收大量銨態(tài)氮來滿足生長需求［21］，故銨態(tài)氮以氨揮發(fā)形式的損失量就相應(yīng)減少；同時(shí)植被覆蓋降低了地表風(fēng)速，進(jìn)而導(dǎo)致氨氣擴(kuò)散速率也相對(duì)較低［10，22］。但是植被覆蓋度的下降則增加了土壤水分的散失，進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)氨揮發(fā)過程的影響。高鵬程和張一平［23］的研究也表明，當(dāng)土壤水分存在散失時(shí)，氨揮發(fā)量將會(huì)隨土壤濕度的增加而有不同程度的增加。研究區(qū)自9月開始受到放牧、收割等人為干擾，9月蘆葦生物量顯著低于7月（P＜0.05，表2）；同時(shí)動(dòng)物踐踏改變了土壤物理狀況，影響了根系對(duì)土壤營養(yǎng)（如NH4＋－N）的吸收［24］，從而導(dǎo)致地表土壤松散，緊實(shí)度下降，土壤透氣性增加［25］。這可能也是導(dǎo)致9和11月氨揮發(fā)速率增加的重要原因。

圖1 不同淹水頻率洪泛區(qū)濕地土壤氨揮發(fā)速率時(shí)空變化Fig.1 Spatial and temporal changes in soil ammonia volatilization rates in the five floodplain wetlands with different flooding frequencies

表2 不同淹水頻率洪泛區(qū)濕地生長季蘆葦高度和生物量（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Table 2 P.australis biomass in the five floodplain wetlands with different flooding frequencies（mean±SD）

從空間上看，7月份各洪泛區(qū)濕地間土壤氨揮發(fā)速率無顯著差異（P＞0.05）；9月各洪泛區(qū)土壤氨揮發(fā)速率沿淹水頻率增加方向呈現(xiàn)“U”型變化趨勢(shì)，H、O和B區(qū)土壤氨揮發(fā)速率較高，F(xiàn)區(qū)的土壤氨揮發(fā)速率最低，且存在顯著性差異（P＜0.05）；11月土壤氨揮發(fā)速率最大的區(qū)域出現(xiàn)在F和O區(qū)，稍高于B區(qū)和H區(qū)。

氨揮發(fā)過程發(fā)生在濕地地表或濕地水層與大氣的界面上。由于相同時(shí)期內(nèi)各洪泛區(qū)濕地氣候條件相同，因此，各洪泛區(qū)濕地間氨揮發(fā)速率的差異性則決定于土壤pH、質(zhì)地及氮素物質(zhì)基礎(chǔ)等［13］。已有研究表明氨揮發(fā)僅發(fā)生在堿性土壤中［26］，且土壤pH控制著水－土體系中NH4＋－N向NH3－N的轉(zhuǎn)化過程［27］。Rao等［28］指出當(dāng)濕地水體pH值為8～9時(shí)，NH4＋－N將會(huì)向NH3－N發(fā)生大量轉(zhuǎn)化。本研究區(qū)各洪泛區(qū)濕地土壤均為堿性土壤（pH＞8，表3），有利于發(fā)生土壤氨揮發(fā)損失，但土壤pH與NH3揮發(fā)量的相關(guān)關(guān)系不顯著（P＞0.05），這表明在堿性條件下，土壤pH值并不是導(dǎo)致各洪泛區(qū)濕地土壤氨揮發(fā)速率不同的主要限制性因素。

土壤質(zhì)地和緊實(shí)度通過影響著土壤的透氣性以及對(duì)NH3－N和NH4＋－N的吸附特性，也能夠影響土壤氨揮發(fā)過程［23］。本研究發(fā)現(xiàn)7月土壤氨揮發(fā)速率與土壤粘粒（P＜0.01）和粉砂（P＜0.01）呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與沙粒（P＜0.01）呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（表4），這可能與NH4＋－N易被土壤粘粒吸附有關(guān)。但放牧后的9和11月土壤氨揮發(fā)速率與土壤質(zhì)地的相關(guān)性不顯著（P＞0.05）。各洪泛區(qū)濕地土壤全氮含量僅與11月的土壤氨揮發(fā)量呈正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），表明土壤初始氮含量差異不是導(dǎo)致各洪泛區(qū)濕地土壤氨揮發(fā)量不同的決定性因素。

此外，土壤水分條件也是影響氨揮發(fā)量的重要因素［29］，但以往的研究并沒有得到統(tǒng)一的結(jié)論。一種觀點(diǎn)認(rèn)為土壤較低的含水率會(huì)降低土壤脲酶活性，不利于尿素的水解，因此較高的含水率有利于氮素以氨揮發(fā)的形式產(chǎn)生氮損失［30］；但也有研究得出了相反的結(jié)論［31，32］。本研究中各洪泛區(qū)濕地在放牧前土壤含水率與氨揮發(fā)量無顯著相關(guān)關(guān)系（P＞0.05，表4），但由于放牧后各洪泛區(qū)濕地植被減少、土壤表層結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，地表變干（表1），所以土壤含水率的微小差異可能是造成放牧后各洪泛區(qū)濕地土壤氨揮發(fā)差異顯著的原因，仍需要更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來證實(shí)這一結(jié)論。

表3 向海濕地土壤基本性質(zhì)（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Table 3 Soil properties of Xianghai Wetland（mean±SD）

表4 向海濕地土壤氨揮發(fā)速率與基本性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系矩陣Table 4 Correlation matrix between ammonia volatilization rate and soil properties of Xianghai Wetland

放牧后植被和地表土壤結(jié)構(gòu)被破壞，土壤透氣性增加，氨揮發(fā)強(qiáng)度也相應(yīng)增加。但由于各洪泛區(qū)濕地的放牧程度不同，隨機(jī)性較大，所以氨揮發(fā)速率的差異性變化可能主要來自于不同的植被破壞程度。而且氨揮發(fā)過程是一個(gè)發(fā)生在大氣－土壤界面包括多種反應(yīng)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過程，嚴(yán)重的人為干擾增加了這一過程的復(fù)雜性。因此，要明確各因素對(duì)氨揮發(fā)過程的綜合作用仍需開展進(jìn)一步的研究。

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