三江平原环型湿地土壤温度梯度特征

三江平原环型湿地土壤温度梯度特征

湿地土壤温度的变化是阳光直射平衡、土壤热量平衡与土壤热学性质相互作用的结果。不同的时间、不同的地点和土壤的不同组成和性质会不同程度地影响土壤的热量收支。因此，土壤温度具有明显的时空特征。由于湿地长期或季节性积水,水热容量大,消耗太阳能多,地表增温困难;同时强烈蒸发导致近地层空气湿度增加,气候较周边地区冷湿。湿地土壤温度影响湿地温室气体的排放、微生物的分解、泥炭的累积和营养元素的迁移等,研究环型湿地的土壤温度的变化特征有助于从水热角度来进一步揭示沼泽湿地的生态环境效应,为湿地的保护及合理利用提供科学依据。由于湿地土壤温度影响很多湿地生态过程,一些学者对湿地土壤温度的时空变化规律进行了研究[10~13],大部分是对不同土壤类型或受人类活动影响程度不同的土壤温度的差异进行研究。由于观测样点之间的距离较大,土壤周围的环境不同而影响观测结果的可比性。本文在环型湿地内设一样带,按不同植物群落(对应不同的湿地土壤类型)设置观测样点,各观测点处在相类似的环境之中,便于分析湿地土壤的温度梯度。1学习方法1.1水中沉水植物群落观测样地选在三江平原的腹地,别拉洪河与浓江河分水线上的中国科学院三江平原沼泽湿地试验站内,其核心位置的地理坐标为133°30′35″E,47°35′11″N(GPS定位)。观测样地的面积约4hm2,海拔高度在55.39~55.97m之间,在其周围还有四个碟型洼地及岛状林地相连接(图1)。所选择的环型湿地中心部位是一个南北长8m,东西宽6m的椭圆型水面,水中有沉水植物,如小狸藻(Utricrlariaintermedia)等,发育的土壤是泥炭土。围绕明水面由内向外的第一个植物群落带是毛果苔草-漂筏苔草群落(Ass.Carexcasiocarpa-Carexseudocurqica),这个带宽约7m,植物平均高度为54cm,盖度为40%,土壤是泥炭沼泽土。第二个植物群落带是乌拉苔草-毛果苔草群落(Ass.Carexcasiocaepa-Carexmeyeriana),这一带宽约5m,植物平均高度为65cm,盖度为60%,土壤是草甸沼泽土。第三个植物群落带是沼柳-小叶章群落(Ass.Salixbrachypada-Deyeuxiaangustifola),这一带宽约5m,植物平均高度为70cm,盖度为85%,这一群落是碟型洼地的边缘,也是与岛状林地过渡的地带,土壤是潜育草甸白浆土。第四个植物群落带是蒙古栎-白桦群落(Ass.Quercusmongolica-Betulaplatyphylla),位于岛状林上,树木高度10m左右,土壤是岗地草甸白浆土(图2)。1.2下垫面为020cm,确定下封头温度表、曲管式地温表观测在观测研究样地内的南北走向上,由环型湿地的中心到边缘选一条样带(图1),根据不同的植物带来确定观测地点。本项研究选择毛果苔草-漂筏苔草群落、乌拉苔草-毛果苔草群落、沼柳-小叶章群落和蒙古栎-白桦群落4个群落进行观测,相对于明水面中心点(海拔高度为55.39m),各观测点的相对高度分别为0.03m,0.11m,0.26m和0.41m。深层土壤温度(30~180cm)观测时间为2000年6~10月,将长2m、直径10cm的钢管打入各植物带的土壤中,然后将气温表用线挂在钢管上,气温表的感应部分距地表分别为30cm,60cm,90cm,120cm,150cm和180cm,读数时迅速将气温表提出读数,读完数后将气温表放回钢管中,每天8点,14点和20点各观测一次。为了防止读数时温度的变化,将气温表的感应部分用导热性很差的橡皮套套住。浅层土壤温度(0~20cm)用曲管式地温表观测,观测时间为2004年6月23~24日,每2小时观测一次。地面温度用地面温度表观测,观测时间和频率与浅层土壤温度一致。2结果分析2.1不同植物群落土壤温度的水平梯度2.1.1不同群落土壤温度土壤温度状况影响土壤生物过程及转化过程,它与植物生长发育关系密切。土壤的热学性质和土壤水分含量等因素直接制约着土壤的温度变化,天气状况及地表覆盖状况不同,土壤温度状况也不同。如图3所示,0~10cm土壤温度的基本变化趋势为沼柳-小叶章群落>乌拉苔草-毛果苔草群落>毛果苔草-漂筏苔草群落>蒙古栎-白桦群落,而且沼柳-小叶章群落和乌拉苔草-毛果苔草群落的变化幅度大于毛果苔草-漂筏苔草群落和蒙古栎-白桦群落,这主要和植物群落的盖度和土壤性质有关。15cm土壤温度为沼柳-小叶章群落>乌拉苔草-毛果苔草群落>蒙古栎-白桦群落>毛果苔草-漂筏苔草群落。而到20cm土壤温度为蒙古栎-白桦群落>沼柳-小叶章群落>乌拉苔草-毛果苔草群落>毛果苔草-漂筏苔草群落。从中可以看出,4个群落中,随着深度的增加,蒙古栎-白桦群落由地表温度的最低,逐渐变化到20cm的最高,而沼柳-小叶章群落一直处于较高的温度,毛果苔草-漂筏苔草群落一直处于较低的温度。上述土壤温度变化规律的形成原因,主要由于土壤组成和地表覆盖的差异。由于蒙古栎-白桦群落地表覆盖较好,盖度较大,地表得不到阳光,因此0~10cm蒙古栎-白桦群落的土壤温度最低。其它3个群落0~10cm处主要为枯落物和草根层,这些层次容重小,孔隙度大。由环型中心到边缘土壤水分含量逐渐降低,毛果苔草-漂筏苔草群落表层土壤水分饱和,而沼柳-小叶章群落土壤不饱和,由于空气的导温系数(0.16)比水大(0.0013),因此0~10cm土壤温度沼柳-小叶章群落>乌拉苔草-毛果苔草群落>毛果苔草-漂筏苔草群落。在10~20cm,乌拉苔草-毛果苔草群落和毛果苔草-漂筏苔草群落主要为泥炭层或泥炭草根层,而沼柳-小叶章群落和蒙古栎-白桦群落主要为潜育化层或淋溶层,由于经常处于过湿状态下的泥炭层的导温率远小于相对较干燥的潜育化层或淋溶层,因此蒙古栎-白桦群落的由地表温度的最低,逐渐变化到20cm的最高。2.1.2土壤温度的季节变化不同植物群落深层土壤(30~180cm)温度具有明显的规律,即蒙古栎-白桦群落>沼柳-小叶章群落>乌拉苔草-毛果苔草群落>毛果苔草-漂筏苔草群落(图4,图5),这与环型湿地土壤的垂直结构与各群落土壤的性质有关。由环型湿地的中心到边缘,土壤层的厚度逐渐变薄,土壤水分含量逐渐减少,泥炭层的厚度逐渐变薄以至消失,有机质含量逐渐降低,而土壤导温率逐渐增大,造成岛状林处土壤向下传递的热量远大于碟型洼地。因此,由环型湿地的中心到边缘,深层土壤温度逐渐升高。从日变化上看,各群落日变化不明显(图4)。而季节变化较明显(图5)。6月份,蒙古栎-白桦群落和沼柳-小叶章群落的温度明显高于乌拉苔草-毛果苔草群落和毛果苔草-漂筏苔草群落,蒙古栎-白桦群落各层平均温度为10.644℃,而毛果苔草-漂筏苔草群落仅2.698℃(表1);8月份,各群落土壤温度差异减少,10月份各群落土壤温度差异更小,蒙古栎-白桦群落各层平均温度为7.817℃,而毛果苔草-漂筏苔草群落为5.233℃(表1)。这主要与各群落冻结层融解时间不同有关,由于由环型湿地的中心到边缘,土壤导温率逐渐增大,因此环型湿地边缘处的冻结层先融解,中心处的冻结层融解时间最晚,沼泽土壤化通日期比一般土壤后延一两月,由于冻结土壤导温率远小于无冻结土壤导温率,因此6月份蒙古栎-白桦群落和沼柳-小叶章群落的土壤温度明显高于乌拉苔草-毛果苔草群落和毛果苔草-漂筏苔草群落。而到了8月和10月,由于冻结层的消失,各群落土壤温度差异减少。2.2土壤温度垂直变异系数通过测试表明,环形湿地中心到边缘,浅层土壤温度垂直变异由大逐渐减小(表2),毛果苔草-漂筏苔草群落浅层土壤温度垂直变异系数为0.152,而蒙古栎-白桦群落仅为0.102。深层土壤温度垂直变异也有由大变小的趋势(表1)。这主要是由于由环型湿地的中心到边缘,土壤导温率逐渐增大的缘故。不同群落间深层土壤温度垂直变异系数差异以6月最大,8月和10月份差异较小(表1),这与不同群落土壤冻结层融解时间有关。3土壤温度梯度湿地土壤热力状况是湿地土壤的主要特征,它直接影响湿地生态系统的生态过程。本文对三江平原环型湿地土壤温度进行了研究,结果表明:由环型湿地的中心到边缘,0~15cm土壤温度的基本变化趋势为沼柳-小叶章群落>乌拉苔草-毛果苔草群落>毛果苔草-漂筏苔草群落>蒙古栎-白桦群落;20cm以下,从环型湿地的中心到边缘,土壤温度逐渐升高;从环型湿地的中心到边缘土壤温度垂直变异由大逐渐减小。深层土壤各群落土壤温度日变化不明显,而季节变化较明显,不同群落间深层土壤温度水平变异和垂直变异差异以6月最大,8月和10月份差异较小。这种时空分布规律与李英年对祁连山海北高寒湿地40~80cm土壤温度、王世岩对三江平原典型湿地0~20cm土壤温度分析所得出的结论一致。因此湿地土壤具有致冷效应,土壤温度垂直变异较大。三江平原环型湿地土壤温度梯度是特定的水文地貌条件下,生物(主要是植物)与环境(太阳辐射、土壤含水量、土壤内空气含量、土壤有机质含量、冻土等)长期相互作用下形成的,它一旦形成,就会影响湿地生态过程,并通过生态过程决定生态系统的功能。它主要影响以下生态过程和功能:第一,影响有机质的积累。由于土壤温度影响植物残体的分解量、分解强度和泥炭物质聚集,土壤温度越低,越有利于有机质的积累。环型湿地中心部分,由于土壤温度较低和土壤含水量较大,有机物质的积累速度大于分解速度,因此成为碳汇,对缓解气候变暖具有一定的意义。这可以从湿地排放温室气体与土壤温度的关系得到论证,如Bubier等研究表明土壤温度与甲烷排放正相关,宋长春等研究表明沼泽湿地生态系统呼吸通量与土壤温度呈显著正相关关系。三江平原地处我国东北边陲,是由黑龙江、松花江和乌苏里江冲积而形成的低平原,是我国最大的淡水湿地分布区,也是受人类活动影响天然湿地面积减少最快的区域之一。环型湿地是三江平原主要的湿地景观类型,是水陆交互作用的核心,多分布在高漫滩、低阶地及沼泽性平原河流的分水线上,具有面积小、生物群落多、生物多样性丰富、环境梯度变化较大、对环境变化反应敏感等特点。每个环型湿地,一般都是低势能区向高势能区逐渐过渡的一种地貌组合单元。地表面的植物或群落呈环状从低到高(或从高到低)有规律分布,也有的呈多弧状或线状有规律的分布。环型湿地两种地貌(碟型洼地和岛状林)的特点,形成了不同的热能量区:高势能区为岛状林地,好氧高温区;低势能区为碟型洼地,厌氧低温区;两者之间为过渡区。这些不同的环境组合,形成了环型湿地特有的小气候特征。因此环型湿地是研究三