林业科学  2012, Vol. 48 Issue (3): 7-10   PDF    
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郭泉水, 康义, 赵玉娟, 洪明,, 孔倩倩, 聂必红
Guo Quanshui, Kang Yi, Zhao Yujuan, Hong Ming, Kong Qianqian, Nie Bihong
三峡库区消落带土壤氮磷钾、pH值和有机质变化
Changes in the Contents of N, P, K, pH and Organic Matter of the Soil Which Experienced the Hydro-Fluctuation in the Three Gorges Reservoir
林业科学, 2012, 48(3): 7-10.
Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(3): 7-10.

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收稿日期:2010-12-21
修回日期:2011-12-29

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郭泉水
康义
赵玉娟
洪明,
孔倩倩
聂必红

三峡库区消落带土壤氮磷钾、pH值和有机质变化
郭泉水1, 康义2, 赵玉娟1, 洪明,1, 孔倩倩3, 聂必红4    
1. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 国家林业局森林生态环境重点实验室 北京 100091;
2. 河北省塞罕坝机械林场 围场 068466;
3. 广西贺州市林业科学研究所 贺州 543100;
4. 重庆市巫山县林业局 巫山 404700
摘要: 在三峡库区消落带设置固定监测样地,研究消落带首次经历水库水位涨落后土壤氮磷钾含量、pH值和有机质含量的变化特征。结果表明:受三峡水库水位涨落影响,消落带0~10, 10~20和20~30 cm土层的速效氮含量下降41.53%~59.87%,速效磷含量下降5.26%~36.76%,速效钾含量下降3.55%~45.56%,全氮含量下降9.52%~40.00%,土壤有机质含量下降7.62%~37.83%,全磷和全钾含量基本上没有变化,土壤pH值略有变化,变幅为1.73%~9.58%。
关键词:消落带    土壤氮磷钾    pH值    有机质    变化    三峡库区    
Changes in the Contents of N, P, K, pH and Organic Matter of the Soil Which Experienced the Hydro-Fluctuation in the Three Gorges Reservoir
Guo Quanshui1, Kang Yi2, Zhao Yujuan1, Hong Ming1, Kong Qianqian3, Nie Bihong4    
1. Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, CAF Key Laboratory of Forest Ecology and Environment of State Forestry Administration Beijing 100091;
2. Saihanba Mechanized Forest Farm of Hebei Weichang 068466;
3. Scientific and Research Ingtitute of Forestry of Hezhou City of Guanxi Hezhou 543100;
4. Wushan County Bureau of Forestry Wushan 404700
Abstract: Setting monitoring transect in the middle and shallow water area (altitude 156-172 m) in Three Gorges reservoir hydro-fluctuation belt to research the changing characteristics of the contents of N, P, K, pH and organic matter of the soil which experienced the influence of fluctuation the first time. The results showed that by the influence of water level fluctuating, contents of soil N, P, K, pH and organic matter had reduced in different soil layers in hydro-fluctuation belt. The available N decreased by 41.53%-59.87%, available P decreased by 5.26%-36.76%, available K decreased by 3.55%-45.56%, total N decreased by 9.52%-40.00%, total P had no change generally, total K had decreased a little, content of organic material decreased by 7.62%-37.83%%, pH value turned to neutral, changed by 1.73%-9.58%.
Key words: hydro-fluctuation belt    soil N, P, K    pH    organic matter    changes    Three Gorges reservoir    

三峡库区消落带垂直落差达30 m,总面积约349 km2,其垂直落差和面积之大,在国内外实属罕见。消落带属于水域生态系统和陆地生态系统物质、能量和信息传输与转换最活跃且最不稳定的生态脆弱带,世界高度关注三峡水库的生态环境问题,消落带是其焦点之一。

三峡库区消落带有半年左右处于淹水状态,半年左右出露成陆地。在水位涨落过程中,消落带的土壤不仅受到水位涨落的重力侵蚀和波浪的冲击,而且在出露成陆期还要遭受雨水的冲刷(康义等,2010)和淋溶,长期作用必将导致消落带土壤性质发生改变。土壤是植物生存的物质基础,植被建设是库区生态环境治理的重要举措,掌握消落带土壤理化性质的变化特征和变化规律,可为消落带植被建设中植物物种筛选、群落配置等提供重要依据。早在三峡水库建设初期,国内外众多学者就非常关注三峡库区消落带的土壤变化,并开展了许多模拟试验研究(张金洋等,2004詹艳慧等,2006陈梓云等,20012003石孝洪,2004石孝洪等,2004傅杨武,2007傅杨武等,2008王改改等,2008),这些研究成果为深入探讨三峡水库运行后消落带土壤的变化提供了许多重要资料。但由于模拟试验的环境条件(如光、温、水、土、气等)很难控制到与消落带土壤所处的环境条件完全一致,因此,模拟试验的结果与消落带土壤的真实变化必然会存在一定的差距。在消落带上设置固定监测样地,直接观测土壤性质的变化,可有效避免模拟试验的不足。近年来,基于固定监测开展了一些三峡库区消落带土壤物理性质研究(康义等,2010),但对三峡库区消落带土壤氮磷钾、pH值和有机质变化特征的研究尚未见报道。

本研究基于三峡水库主干线秭归段和巫山段库岸坡地消落带设置固定监测样地,对消落带土壤首次经历水库水位涨落影响后土壤的氮磷钾含量、pH值及有机质含量变化进行研究,为深入揭示三峡库区消落带土壤性质的变化规律和消落带植被建设和植物物种筛选提供科学依据。

1 研究区概况

三峡水库设计的最低限制水位为海拔145 m,最高限制水位为海拔175 m。按照水库运行计划,2009年以前为水库水位调整期,2009年以后进入水库正常运行期。2007—2008年水库最高水位海拔156 m,2008—2009年最高水位海拔172 m。水库水位调控规律是:每年10月份开始蓄水,11月至翌年1月为水库的高水位保持期,而后开始缓慢下降,5月份左右降至最低限制水位(海拔145m)。在水库水位变化过程中,消落带的土壤也随之发生干湿交替变化。

本研究在位于三峡水库主干线秭归段库岸茅坪镇兰陵溪村九曲垴(110°54′E,30°52′N)(简称秭归样地)和巫山段库岸巫峡镇龙江村(109°54′E,31°03′N)(简称巫山样地)的消落带内分别设置1块16 m×15 m固定监测样地。秭归样地邻近区域年均气温18 ℃,年均降雨量1 100 mm,坡度36°,母岩为花岗岩,土壤类型为黄壤土,土层厚度40 cm左右,原生植被为人工马尾松(Pinus massoniana)林,林分郁闭度0.5,林龄20年左右,灌木覆盖度50%,草本覆盖度75%,枯落物覆盖度约70%,2008年按照水库管理部门的要求对高大乔木和灌木进行了采伐。巫山样地邻近地区年均气温18.4 ℃,年均降水量1 049.3 mm,坡度41°,母岩为石灰岩,土壤类型为黄色石灰土,土层厚度35 cm左右,样地植被为天然次生灌丛,覆盖度60%,草本覆盖度45%,枯落物覆盖度约60%,2008年水库水位上涨前未对林地植被进行清理。

2 研究方法

2块监测样地的设置方式一致。样地底边设在海拔156 m(2008年水库水位最高线),顶边设在海拔172 m(2009年水库水位最高线)。调查工作分2个年度进行,2008年8月调查消落带未经历水位涨落影响的土壤状况,2009年8月调查经历水位涨落影响后的土壤的状况。

在每块监测样地的四角和中间各设1个土壤采样点,在每个采样点,用土钻按0~10,10~20和20~30 cm土层采集土样,每个土层5个重复。将采集的土样带回实验室自然风干、研磨、过筛后进行化学分析和测定。

全氮含量采用凯氏定氮法测定;速效氮含量采用碱解扩散法测定;土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定;pH值采用pH酸度计法(仪器名称HANNA pH211酸度计)测定;速效磷、速效钾、全磷和全钾含量采用等离子发射光谱法(国家林业局,1999;章程,2009)(仪器名称IRIS Intrepid Ⅱ XSP)测定。所有测定分析工作均在中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所国家林业局森林生态环境重点实验室完成。

采用单因素方差分析和多重比较方法中的最小显著差异法(LSD),对水位涨落前后消落带土壤各项测定指标的差异显著性进行检验;数据处理采用SPSS 16.0软件完成。

3 结果与分析 3.1 土壤速效氮磷钾含量变化

表 1可以看出:消落带土壤经历水位涨落影响后,各监测样地各土层的速效氮磷钾含量均呈现出下降趋势。秭归样地各土层速效氮含量下降了41.53%~59.87%,速效磷含量下降了5.26%~19.32%,速效钾含量下降了35.48%~45.56%;巫山样地速效氮含量下降了46.64%~55.07%,速效磷含量下降了20.81%~36.76%,速效钾含量下降了3.55%~12.37%。土壤速效氮是易被淋失的土壤养分,因此,土壤速效氮是受水位涨落影响最大的营养元素。差异显著性检验结果表明:不论是秭归样地还是巫山样地水位涨落影响前(2008年)后(2009年)各个土层的土壤速效氮含量均差异显著(P<0.05);土壤速效磷和速效钾含量下降幅度也很大,但大多数土层间未出现显著差异。

表 1 土壤速效氮磷钾含量 Tab.1 Soil available N, available P, and available K contents
3.2 土壤全氮、全磷、全钾含量变化

消落带受水位涨落影响前后的土壤全氮、全磷和全钾含量见表 2。从表 2可以看出:消落带经历水位涨落影响后,各监测样地、各土层的全氮含量有不同程度的降低(秭归样地减少14.29%~40.00%,巫山样地减少9.52%~13.33%),而全磷和全钾含量基本上没有变化;差异显著性检验结果表明:不同测定年度各样地各个土层的全氮、全磷和全钾含量差异均不显著(P<0.05)。

表 2 土壤全氮、全磷和全钾含量 Tab.2 Soil total N, total P, and total K content
3.3 土壤有机质含量和pH值变化

消落带受水位涨落影响前后的土壤有机质含量和pH值见表 3。从表 3可以看出:消落带经历水位涨落影响后,各监测样地各土层的土壤有机质含量都不同程度地降低, 其中秭归样地下降了16%~37.83%,巫山样地下降了7.62%~12.26%;消落带土壤经历水位涨落影响后,秭归样地各个土层的pH值均不同程度地上升,而巫山样地各个土层pH值均不同程度下降,2个样地pH值均呈现出向中性(pH=7)变化的趋势;差异性检验结果表明,秭归样地0~10 cm土层经历水位涨落影响前后土壤有机质含量差异显著(P<0.05),巫山样地各土层经历水位涨落影响前后土壤有机质含量均差异不显著,各样地各土层经历水位涨落影响前后土壤pH值也均差异不显著。

表 3 土壤有机质含量和土壤pH值 Tab.3 Soil organic content and pH
3.4 各测定指标间的相关性分析

应用2009年的测定数据对各测定指标间的相关性进行定量分析,结果见表 4。从表 4可以看出,三峡库区消落带土壤速效氮含量与其他各项测定指标之间的相关性均达到显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)水平;速效磷含量与速效氮含量、有机质含量和全氮含量显著相关;速效K含量与速效氮含量、pH、有机质含量、全氮含量、全磷含量和全钾含量极显著相关;pH与速效氮含量、速效钾含量、有机质含量、全氮含量、全磷含量和全钾含量极显著(P<0.01)相关。

表 4 2009年各测定指标含量相关性分析 Tab.4 Correlation of each index in 2009
4 结论与讨论

土壤氮的积累和消耗程度取决于土壤有机质的积累和分解(朱晓芳等,2008Decau et al., 2004),这与定量分析二者存在极显著(P<0.01)相关的结果(表 4)相吻合。土壤有机质主要来源于植被凋落物,死地被物,土壤中小动物和微生物的排泄物、分泌物和残体。在三峡水库水位涨落过程中,凋落物、死地被物被水浸泡后很容易悬浮并随着水的流动离开土壤表面;含有机质的森林土壤亲水性强,被水浸泡后很容易出现软化和泥化现象,在浪击和雨水的作用下,土壤有机质很容易发生流失。土壤有机质的减少对土壤氮的积累将会产生直接影响。

有机质具有突出的保钾作用(刘世全等,2005徐晓燕等,2003)。这与定量分析2者存在显著相关的结果(表 4)相吻合。三峡库区消落带经历水位涨落影响前后土壤全磷、全钾含量基本上没有变化,可能与水浸促进了含钾或含磷矿物的风化及钾和磷元素释放有关。

已有研究表明,酸性土壤淹水后pH值升高,碱性土壤淹水后pH值降低(张金洋等,2004)。本研究发现,经历水库水位涨落影响后,尽管样地的母岩类型不同(石灰岩和花岗岩),但消落带土壤pH值均趋于中性(pH值=7)。这一结果与有关结论相吻合。

基于消落带固定监测样地研究消落带土壤性质的变化,可以避免模拟试验的不足。本研究重点揭示三峡水库库岸典型的坡地消落带首次经历水位涨落后土壤氮磷钾和有机质含量及pH值的变化特征,对于经历数个水位涨落周期后,以及不同消落带类型(如滩地、回水区等)土壤性质的变化特征仍有待长期观测和研究。

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