張家洋 王書麗
(新鄉(xiāng)學院,新鄉(xiāng),453003)
祝遵凌
(南京林業(yè)大學)
曹 劍
(海河水利委員會水土保持處)
濕地土壤是構(gòu)成濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)境因子之一,又是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量流通的媒介和動力。在特殊的條件下,濕地土壤有著自身獨特的發(fā)育和形成過程,表現(xiàn)出不同于一般陸地土壤的特殊的生態(tài)功能和理化性質(zhì),這些功能和性質(zhì)對濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡的維持和演替都具有重要作用[1]。土壤理化性質(zhì)是評價濕地土壤質(zhì)量的重要內(nèi)容,是生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的生態(tài)因子,直接影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[2]。伴隨著濕地生態(tài)系統(tǒng)研究的深入,濕地土壤的研究也越來越受到關(guān)注。目前,對濕地生態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中在農(nóng)田、湖泊以及濱海等濕地的土壤養(yǎng)分、酶活性、土壤動物變化等方面[3-6],而對高速公路沿線互通區(qū)人工濕地土壤物理化學性質(zhì)研究較少[7]。筆者依托寧淮鹽高速公路沿線濕地,對其土壤理化因子進行深入分析,以期探討在高速公路建設(shè)過程中如何加強沿線濕地保護,促進濕地生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。
采樣時間及地點:根據(jù)寧淮鹽(南京—淮安—鹽城)高速公路沿線濕地實際情況,于2008年5、9月份選擇新集鎮(zhèn)(XJ)、葉湖水庫(YH)、朱壩鎮(zhèn)(ZB)、馬甸鎮(zhèn)(MD)、裴劉鎮(zhèn)(PL)及岡中鄉(xiāng)(GZ)互通區(qū)的高速公路兩側(cè)距離15~25 m范圍內(nèi)的濕地區(qū)域作為研究樣地。根據(jù)前人研究,濕地土壤的取樣深度大多以地下水位作為底限。
土壤剖面的設(shè)置:在選定的6個樣地內(nèi),針對每個樣地至少挖掘兩個土壤剖面,規(guī)格視立地條件而確定,大約為長1.4 ~1.8 m,寬0.7 ~0.9 m,深1.0 ~1.3 m。
土壤樣品的采集方法:由下而上(45 cm<h≤60 cm、30 cm <h≤45 cm、20 cm <h≤30 cm、10 cm <h≤20 cm和0<h≤10 cm),分層采集土樣,在每層中均勻取樣。采集的土樣分別裝入己經(jīng)編號的保鮮袋中,質(zhì)量約1 kg左右。
土壤樣品測定指標:測定含水率、機械組成、密度、孔隙度、pH值,以及有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀質(zhì)量分數(shù)等。
土壤物理性質(zhì)測定方法:土壤含水率測定采用烘干法;土壤密度測定采用環(huán)刀法;將環(huán)刀內(nèi)的原狀土放入水中浸泡24 h后迅速取出稱質(zhì)量,計算土壤總孔隙度;將稱質(zhì)量后的土樣放置2 h后再稱質(zhì)量,計算其毛管孔隙度,非毛管孔隙度=總孔隙度-毛管孔隙度;土壤機械組成測定采用比重計法。
土壤化學性質(zhì)測定方法:采用PHSJ-4A型pH計測定pH值,用重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法測有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù),用半微量凱氏法測土壤全氮質(zhì)量分數(shù),用0.05 mol·L-1NaHCO3比色法測速效磷質(zhì)量分數(shù),用NH4OAc浸提一火焰光度計法測速效鉀質(zhì)量分數(shù)。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理:對同類型數(shù)據(jù)先做平均處理,原始數(shù)據(jù)的合成、統(tǒng)計分析以及圖表制作使用EXCEL2003和SPSSl7.0統(tǒng)計分析軟件完成。
濕地土壤的蓄水能力與土壤密度和孔隙度狀況密切相關(guān),土壤蓄水量與密度負相關(guān),與孔隙度正相關(guān),密度越小,孔隙度越大,蓄水能力越大[8]。對寧淮鹽高速公路沿線濕地各互通區(qū)研究地的土壤含水量、密度和孔隙度進行測定(見表1)。結(jié)果表明,含水量較大的互通區(qū)是裴劉(21.10%)和馬甸(20.90%),最少的是崗中(18.65%),各互通區(qū)濕地土壤含水量較高(17.6%以上)且變化幅度小,含水量均值在18.60% ~21.09%;土壤密度是衡量土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的重要指標,土壤密度受土壤機械組成、結(jié)構(gòu)以及有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和各種自然因素的影響,各互通區(qū)土壤密度均值在 1.25 ~1.54 g·cm-3,其大小排序為:崗中>朱壩>新集>葉湖>馬甸>裴劉;土壤孔隙度是反映土壤結(jié)構(gòu)的基本指標,一般用土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度表示,三者綜合地反映了土壤通氣性、透水性和持水能力。各互通區(qū)土壤總孔隙度在39.5% ~41.5%,變化不大,朱壩互通區(qū)毛管孔隙度最大(35.94%),新集互通區(qū)最小(30.01%),毛管孔隙度大小依次為:朱壩>葉湖>馬甸>裴劉>岡中>新集;非毛管孔隙度大小排序為:新集>裴劉>岡中>葉湖>馬甸>朱壩。有學者研究指出[9-10],干擾區(qū)表層土壤密度比未受干擾參照區(qū)有不同程度增加,總孔隙度則相應下降,李輝等[11-12]研究原生狀態(tài)的濕地被干擾后土壤密度和孔隙度呈現(xiàn)較大變化。本研究地各互通區(qū)濕地土壤密度和孔隙度偏離原生狀態(tài)較大,原因是高速公路建設(shè)對濕地有干擾。土壤團粒結(jié)構(gòu)是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ),土壤團聚體是土壤的重要組成部分,不同粒級的微團聚體在營養(yǎng)元素的保持、供應及轉(zhuǎn)化能力等方面發(fā)揮著不同的作用[13-14]。土壤機械組成是用3種粒徑不同的土壤顆粒所占比例表示的,第一種是砂粒(0.05~1.00 mm),土壤粒間孔隙大,蓄水量較差;第二種是粉粒(0.005 ~0.05 mm),呈壤性,是比較理想的土壤;第三種是黏粒(<0.005 mm),土壤細粒含量較高,孔隙數(shù)量少,水分難以下滲。通過對各互通區(qū)土壤機械組成進行測定,結(jié)果表明,3種粒徑不同的土壤顆粒在各互通區(qū)的排序分別為:砂粒,岡中>朱壩>裴劉>馬甸>新集>葉湖;粉粒,新集>岡中>葉湖>朱壩>裴劉>馬甸;黏粒,馬甸>裴劉>葉湖>朱壩>新集>岡中。其中岡中互通砂粒質(zhì)量分數(shù)是葉湖互通的3.28倍,馬甸互通區(qū)黏粒質(zhì)量分數(shù)(44.48%)是岡中(15.3%)的2.91 倍。
在0~60 cm土壤深度范圍內(nèi),除了新集和岡中互通各層土壤含水量呈現(xiàn)從表層到深層先減小后增大趨勢外,葉湖、朱壩、馬甸和裴劉互通逐漸增大。6個互通區(qū)土壤剖面0<h≤20 cm范圍密度最小,上下層的變異系數(shù)變化不大。隨土壤深度增加,總孔隙度、毛管孔隙度變化規(guī)律是:新集和裴劉互通區(qū)減小,岡中互通區(qū)增加,馬甸互通區(qū)先減小后遞增,葉湖互通變化幅度很小,朱壩互通變化規(guī)律復雜;對非毛管孔隙度而言,岡中和馬甸互通先遞減后增加,新集互通則反之,裴劉和朱壩互通區(qū)規(guī)律性不強,葉湖互通區(qū)變化較小。隨土壤縱向深度增加,各互通區(qū)土壤機械組成變化情況多樣,新集和朱壩互通區(qū)砂粒質(zhì)量分數(shù)遞減,岡中先減小再遞增,而葉湖、馬壩及裴劉互通區(qū)土壤砂粒質(zhì)量分數(shù)先遞增再減少;葉湖互通區(qū)土壤層次20 cm<h≤30 cm內(nèi)砂粒質(zhì)量分數(shù)(7.28%)是剖面45 cm<h≤60 cm砂粒質(zhì)量分數(shù)(3.65%)的近2倍,岡中互通區(qū)土壤砂粒質(zhì)量分數(shù)從表層到深層分別為同層次葉湖互通的4.93、2.44、2.34、2.87 和5.42 倍。新集和岡中互通區(qū)土壤粉粒質(zhì)量分數(shù)先增再減,其余4個互通區(qū)呈現(xiàn)遞減趨勢;對黏粒而言,朱壩和馬甸互通區(qū)呈現(xiàn)遞增趨勢,土壤層次0<h≤30 cm內(nèi)新集、葉湖、裴劉及岡中4互通區(qū)土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)先遞減后增加規(guī)律,馬甸互通區(qū)土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)從表層到深層分別為同層次岡中的 2.66、3.30、2.54、3.01 和 3.07 倍。
表1 各互通區(qū)土壤物理因子
對不同互通區(qū)不同層次土壤物理性質(zhì)進行多重差異性分析,結(jié)果表明,不同互通區(qū)的土壤含水量、總孔隙度和非毛管孔隙度差異顯著,差異系數(shù)分別為 P=0.002,P=0.010,P=0.003;密度、毛管孔隙度、砂粒、粉粒及黏粒差異極顯著(P<0.001);不同層次土壤密度、粉粒和黏粒差異顯著,分別為P=0.007,P=0.020,P=0.005;土壤層次對含水量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及砂粒質(zhì)量分數(shù)無顯著性影響,分別為 P=0.620,P=0.160,P=0.578,P=0.999,P=0.132。
對寧淮鹽高速公路沿線濕地各互通區(qū)土壤pH值、有機質(zhì)、全氮、速效磷及速效鉀進行測定(見表2),結(jié)果表明,各互通區(qū)濕地土壤表現(xiàn)為微酸性或中性,pH 值在 6.86 ~7.11。戴萬宏等[15]對中國第二次土壤普查的實測土壤數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出,華東68%的土壤pH值在4.5~5.5的范圍內(nèi),顯然在高速公路建設(shè)過程中,大部分濕地土壤為伴有粉煤灰和石灰等物質(zhì)的客土。濕地土壤有機質(zhì)主要來源于土壤原有機物的礦化和動植物殘體的分解,Meyer等[9]認為土壤有機質(zhì)是土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素,因為它影響植被根系發(fā)育、土壤孔隙度、水分入滲率等,從而影響濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。通過對各互通區(qū)土壤有機質(zhì)變化進行分析,結(jié)果得出,馬甸(35.02 mg·g-1) > 裴劉(34.51 mg·g-1) > 葉湖(24.85 mg·g-1) > 岡中(24.17 mg·g-1) > 新集(20.40 mg·g-1) > 朱壩(19.10 mg·g-1)。濕地土壤的 N 是濕地生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的生態(tài)因子,是濕地營養(yǎng)水平的指示劑,其質(zhì)量分數(shù)顯著地影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的高低。各互通區(qū)土壤全氮質(zhì)量分數(shù)差異明顯,裴劉(903.39 μg·g-1)、馬甸(894.80 μg·g-1)、葉湖(714.25 μg·g-1)互通區(qū)土壤全氮質(zhì)量分數(shù)高,而新集(423.58 μg·g-1)、朱壩(381.92 μg·g-1)和岡中(315.95 μg·g-1)全氮質(zhì)量分數(shù)較低,裴劉全氮質(zhì)量分數(shù)是岡中的2.86倍。磷是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的生源元素之一,土壤中磷素主要來源于成土母質(zhì)和動植物殘體歸還,在很多濕地類型中它都是主要的限制性養(yǎng)分。速效磷是指能為植物直接迅速吸收的磷量,它只占全磷的極小部分,有機磷和無機磷共同維持土壤速效磷的供應。磷又是引起水體富營養(yǎng)化的主要因素之一,濕地能對進入水體中的磷起到一定的截留和阻滯作用,從而減小水體富營養(yǎng)化程度[16]。不同互通區(qū)速效磷質(zhì)量分數(shù)變化較大,朱壩互通區(qū)速效磷質(zhì)量分數(shù)是裴劉的2倍以上,各互通區(qū)速效磷質(zhì)量分數(shù)大小依次為:朱壩(14.46 μg·g-1) > 葉湖(13.29 μg·g-1) > 馬甸(12.62 μg·g-1) > 岡中(10.66 μg·g-1) > 新集(9.28 μg·g-1) > 裴劉(6.87 μg·g-1)。濕地土壤中鉀主要為礦物的結(jié)合態(tài),速效鉀(包括水溶性鉀和交換性鉀)只占全鉀的1%左右,這部分鉀能很快被植物吸收利用,故稱為速效鉀。各互通區(qū)速效鉀均值變化范圍為147.25 ~240.72 μg·g-1,其中朱壩(147.25 μg·g-1)和新集(175.00 μg·g-1)質(zhì)量分數(shù)較低,裴劉(207.34 μg·g-1)、馬甸(211.85 μg·g-1)、岡中(214.29 μg·g-1)及葉湖(240.72 μg·g-1)質(zhì)量分數(shù)高。馬甸、裴劉和葉湖互通區(qū)有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高,其全氮和速效鉀質(zhì)量分數(shù)也高,表現(xiàn)為正相關(guān),而速效磷質(zhì)量分數(shù)低,表現(xiàn)為負相關(guān)性,表明有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高的土壤速效磷質(zhì)量分數(shù)并不一定高。
在土壤垂直分布上,除了葉湖和岡中互通區(qū)表層及剖面45 cm<h≤60 cm土壤pH值變化幅度達0.6之外,其余互通區(qū)土壤pH值垂直變化極小。朱壩、馬甸和裴劉互通區(qū)土壤有機質(zhì)從表層到深層基本表現(xiàn)為先減小再增加趨勢,而新集、葉湖和岡中先遞增再減少。在0<h≤10 cm土壤深度內(nèi),除了新集互通區(qū)土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)低外,其余互通區(qū)土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)均較高。隨土壤深度增加,新集、馬甸和岡中互通區(qū)土壤全氮上下層變化不大,朱壩和裴劉互通區(qū)呈現(xiàn)遞減趨勢,葉湖互通區(qū)先增后減,多數(shù)互通區(qū)表層土壤全氮質(zhì)量分數(shù)高,裴劉互通區(qū)0<h≤10 cm土壤全氮質(zhì)量分數(shù)是朱壩互通區(qū)30 cm<h≤45 cm的3.57倍。各互通區(qū)土壤速效磷質(zhì)量分數(shù)20 cm<h≤30 cm剖面最高,從表層到深層基本呈現(xiàn)先遞增再減少趨勢,朱壩互通區(qū)20 cm<h≤30 cm土壤速效磷是裴劉30 cm<h≤45 cm的4.07倍;在0<h≤60 cm垂直分布上,各互通區(qū)土壤速效鉀變化幅度小,0<h≤20 cm土壤深度內(nèi)速效鉀質(zhì)量分數(shù)相對較高。
對不同互通區(qū)不同層次土壤化學性質(zhì)進行多重差異性分析,結(jié)果表明,不同互通區(qū)的有機質(zhì)、全氮、速效磷及速效鉀差異極顯著(P<0.001),pH值差異顯著(P=0.025);不同層次土壤有機質(zhì)、全氮和速效鉀差異顯著,分別為 P=0.014,P=0.009,P=0.007,速效磷差異極顯著(P<0.001),土壤層次對pH值無顯著性影響(P=0.362)。
表2 各互通區(qū)土壤化學因子
寧淮鹽高速公路沿線各互通區(qū)濕地土壤含水量均值在18.60% ~21.09%,土壤密度均值在1.25~1.54 g·cm-3,總孔隙度變化幅度為 39.50% ~ 41.50%,毛管孔隙度總體變化幅度為30.01% ~35.94%,非毛管孔隙度總體變化幅度為5.82% ~9.50%。土壤砂粒、粉粒及黏粒質(zhì)量分數(shù)分別為5.73%~18.72%、48.85% ~ 68.70% 和 15.35% ~ 44.50%。土壤pH值6.86~7.11,為弱酸性或中性。有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù) 19.10 ~35.02 mg·g-1,全氮質(zhì)量分數(shù)315.95 ~903.39 μg·g-1,速效磷質(zhì)量分數(shù) 6.87 ~14.46 μg·g-1,速效鉀質(zhì)量分數(shù) 147.25 ~240.72 μg·g-1,基本達到植物生長所需要求。土壤含水量、密度、砂粒、粉粒、黏粒、總孔隙度、毛管、非毛管孔隙度、pH值、有機質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀各因子最小均值分別出現(xiàn)于岡中、新集、葉湖、馬甸、岡中、馬甸、新集、朱壩及裴劉、朱壩、岡中、裴劉、朱壩互通區(qū),最大值分別出現(xiàn)于裴劉、岡中、岡中、新集、馬甸、朱壩、朱壩、新集及朱壩、馬甸、裴劉、朱壩、葉湖互通區(qū)。
對不同互通區(qū)不同層次土壤理化性質(zhì)進行方差分析,結(jié)果表明,不同互通區(qū)的土壤含水量、總孔隙度和非毛管孔隙度差異顯著,密度、毛管孔隙度、砂粒、粉粒及黏粒差異極顯著;不同層次土壤密度、粉粒和黏粒差異顯著,土壤層次對含水量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及砂粒質(zhì)量分數(shù)無顯著性影響。不同互通區(qū)的有機質(zhì)、全氮、速效磷及速效鉀差異極顯著,pH值差異顯著;不同層次土壤有機質(zhì)、全氮和速效鉀差異顯著,速效磷差異極顯著,土壤層次對pH值無顯著性影響。
在垂直分布上,多數(shù)互通區(qū)各層土壤含水量呈現(xiàn)從表層到深層增大趨勢,土壤密度上下層變化幅度小。隨土壤縱向深度增加,各互通區(qū)土壤孔隙度和機械組成變化情況多樣,原因是各互通區(qū)濕地在建設(shè)時就地取土且擾動較大,還沒有形成穩(wěn)定的土壤組成。各互通區(qū)土壤上下層pH變化幅度小,0<h≤20 cm深度內(nèi)絕大多數(shù)互通區(qū)土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高,多數(shù)互通區(qū)表層土壤氮質(zhì)量分數(shù)高。安通偉研究表明[17],濕地土壤深度加深,pH值升高,有機質(zhì)和全氮質(zhì)量分數(shù)下降。白軍紅等對烏蘭泡濕地土壤研究顯示[18],有機質(zhì)及全氮質(zhì)量分數(shù)垂直分異基本趨勢是土壤表層向下依次減少。本研究地各互通區(qū)濕地土壤pH值垂直分異較復雜,可能是濕地土壤沒有形成穩(wěn)定體系,而有機質(zhì)和全氮質(zhì)量分數(shù)大體呈現(xiàn)表層向下逐漸減少趨勢。各互通區(qū)土壤深度20 cm<h≤30 cm速效磷質(zhì)量分數(shù)最高,趙永強研究安慶沿江濕地土壤營養(yǎng)元素表明[19],在0<h≤30 cm剖面上,白蕩湖表層土壤有效磷質(zhì)量分數(shù)為亞層總體上顯著高于表層(P<0.05),菜子湖有效磷質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)為表層總體上顯著高于亞層(P<0.05),前者與本研究結(jié)果相同,但后者與本研究觀點不同。熊漢鋒等研究得出[20],濕地表層土壤有效鉀質(zhì)量分數(shù)在 72 ~185 μg·g-1,與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)無相關(guān)性,與黏粒質(zhì)量分數(shù)有關(guān)。筆者對各互通區(qū)土壤剖面0<h≤20 cm速效鉀研究表明,其質(zhì)量分數(shù)在 153.80 ~ 274.67 μg·g-1,與有機質(zhì)和黏粒質(zhì)量分數(shù)無相關(guān)性。
水分也是植物生長的必要因素之一,但過高的水分對植物生長也有一定的抑制作用,多數(shù)互通區(qū)濕地土壤含水量相對較大,因此在選擇高速公路沿線濕地景觀植物時,要考慮植物的耐水濕性。大多數(shù)互通區(qū)土壤的孔隙度均較高,通透性較好,有利于土壤水分的貯存,能滿足多數(shù)植物的生長要求。各互通區(qū)土壤砂粒、粉粒及黏粒差異極顯著,主要是由于在高速公路建設(shè)時取土擾動大,還未形成穩(wěn)定的土壤機械組成,岡中和朱壩互通區(qū)濕地土壤砂粒含量高,蓄水量較差,易造成水土流失現(xiàn)象,對此應加強保護。
寧淮鹽高速公路沿線濕地互通區(qū)土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀差異極顯著,主要原因是沿線濕地土壤形成時間較短,微生物和植物凋落物分解較少。同時,沿線濕地土壤全氮、速效磷、速效鉀質(zhì)量分數(shù)在綠化植物生長的初期主要由原土壤帶來,再加之在運送過程中的擾動使各互通區(qū)不同深度土壤全氮、速效磷、速效鉀質(zhì)量分數(shù)變化復雜,但隨著濕地植物群落向高級發(fā)展,植被越來越豐富,有機質(zhì)迅速分解,微生物大量繁殖,最終向土壤釋放的全氮、速效磷、速效鉀就會增多。
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