三江平原典型湿地土壤中硫的分布特征

三江平原典型湿地土壤中硫的分布特征

三江平原是中国最大的沼泽平原，该地区沼泽分布广泛。沼泽是一种处于水陆交错带的独特生态系统,系统内各种营养元素的研究,特别是有关C、N的研究受到人们的重视,并取得了丰硕的研究成果。80年代以来随着土壤缺硫现象的日益严重,我国学者对耕地土壤中硫的形态及有效性进行了大量研究,但有关三江平原湿地土壤硫的研究仅有零星报道。本文以三江平原典型湿地-小叶樟草甸、乌拉苔草沼泽、毛果苔草沼泽为对象,初步探讨了土壤中硫组分的分布规律。为本区域进行硫的生物地球化学循环研究奠定基础。1研究领域的总结和研究方法1.1沼泽化最大的草地类型及生长特性三江平原位于黑龙江省东部,由松花江、黑龙江和乌苏里江冲积而成的低平原,土地总面积为5×104km2,是我国沼泽和沼泽化草甸分布最密集的区域之一。主要沼泽类型为毛果苔草沼泽,漂筏苔草沼泽,芦苇沼泽,乌拉苔草-灰脉苔草沼泽,苔草-小叶樟沼泽。主要的草甸有典型草甸、沼泽化草甸、拂子茅-芦苇沼泽化草甸、水冬瓜沼泽化草甸四种类型,其中沼泽化草甸以小叶樟草甸最为普遍,沼泽以毛果苔草沼泽为主。本区为温带湿润半湿润大陆性季风气候,冬季干旱,夏季温暖多雨,气温年较差大,冻结期长,气温南高北低,降雨东多西少。本区年降水量500~650mm,季节分配不均,主要集中于夏秋两季。区内土壤成土母质多为粘土或亚粘土,在土壤形成过程中广泛发育了白浆土(漂白滞水湿润均腐土)、草甸土(暗色潮湿雏形土)、沼泽土(有机正常潜育土)、棕壤(简育湿润淋溶土)和黑土(简育湿润均腐土)。三江平原沼泽化草甸和沼泽植被分布广泛,生长茂密,覆盖度大,一般为70%以上,最高达90%~100%。1.2土壤剖面层序本研究以黑龙江省三江平原三种典型湿地—小叶樟草甸、毛果苔草沼泽、乌拉苔草沼泽为对象。毛果苔草沼泽分布地势较低,常年积水,小叶樟草甸分布地势较高,季节性积水,乌拉苔草沼泽是处于以上两种沼泽类型之间的过渡形态。于2001年5月底到6月初按土壤发生层次采集土壤。本区大部分沼泽土壤的剖面一般具有3个不同的发生层:表层为未充分分解的草根层或分解较好的泥炭层(草根层一般与其下面的土壤发生层之间具有明显的界面,而泥炭层则不明显或逐渐过渡);表层之下一般是较薄的(因不同土壤而异)黑色腐殖质层;腐殖质层以下逐渐变为灰白色或灰蓝色的潜育层。采用NZ型泥炭钻进行采样,以防止各层之间的干扰。土样风干磨碎过80目筛。用3∶3∶7的HClO4∶HNO3∶H3PO4消化土壤,BaSO4比浊法测定总硫,水溶性硫、吸附性硫、HCl可溶性硫和盐酸挥发性硫采用连续提取-BaSO4比浊法测定,土壤有机硫用差减法获得。无机硫=吸附性硫+水溶性硫+盐酸可溶性硫+盐酸挥发性硫,有机硫=总硫-无机硫,用环境标准样品(GSS-1)进行分析准确度检验,结果满意。2结果与讨论2.1不同流域土壤硫素及形态硫含量分布特征拉洪河、挠力河、鸭绿河和浓江是三江平原上比较有代表性的沼泽性河流。别拉洪河、鸭绿河及浓江发源于平原沼泽,又穿行于平原沼泽;挠力河发源于山区,穿行于平原沼泽。流域内沼泽广泛发育,山前倾斜平原主要是乌拉苔草-灰脉苔草沼泽,河流阶地主要是毛果苔草沼泽和苔草-小叶樟草甸,河漫滩主要是漂筏苔草沼泽和芦苇沼泽。挠力河沼泽位于饶河、富锦和宝清县境内,河长596km,沼泽面积为136700km2。别拉洪河位于三江平原腹地,自西向东横贯整个抚远三角洲,河长143km,沼泽面积为64275km2。鸭绿河和浓江相邻,位于三江平原北部,是两条比较短小的河流。鸭绿河沼泽位于同江市和抚远县境内,面积为9000km2。浓江沼泽也位于同江市和抚远县境内。分别沿四条河流布点采集土样,分析不同流域土壤中总硫及各形态硫的含量,结果如表1所示。总硫及各形态硫在不同的流域土壤中分布存在着差异,但差异不显著(单因素方差分析,α=0.05),其中挠力河流域硫素含量最高。总硫、水溶性硫、有机硫均为挠力河>鸭绿河>浓江>别拉洪河,吸附性硫为挠力河>浓江>鸭绿河>别拉洪河;盐酸可溶性硫为挠力河>鸭绿河>别拉洪河>浓江;盐酸挥发性硫为挠力河>别拉洪河>浓江>鸭绿河。2.2江平原沼泽和湿地土壤硫含量的分布及特征硫广泛的分布在地壳中,在岩石圈中估计约为600mgkg-1,在土壤中硫的含量变化较大,一般在30~10000mgkg-1之间,其平均值约为700mgkg-1。三江平原不同类型的湿地土壤中总硫及各形态硫含量差异较大(见表2),但均在世界土壤含硫变幅范围(30~10000mgkg-1)内。除了小叶樟草甸外,乌拉苔草沼泽和毛果苔草沼泽土壤中的总硫量均高于世界土壤含量均值(700mgkg-1)。这种差异可能与土壤类型、成土母质以及地形特征等多种因素有关。三江平原不同类型的沼泽分布在不同的地貌或同一地貌的不同部位,这主要是由于水分条件的不同而造成的,毛果苔草沼泽常年积水,小叶樟草甸则是季节性积水,乌拉苔草沼泽是两者之间的过渡形态。对于各种沼泽洼地,从中心到边缘,由于积水逐渐变浅,通常依次分布毛果苔草沼泽、乌拉苔草沼泽和小叶樟草甸,各植物带土壤中总硫及各形态硫的含量具有从岸边向中心递增的趋势,呈现水平分布的分带性规律。在无机硫各组分中,水溶性硫含量最高.它主要来源于有机质的淀积,一般说来,排水性能良好的土壤,因硫酸盐很难滞留累积,土壤中硫酸盐的含量很少;而在湿地土壤中,排水不良、有机质含量丰富,常年处于淤积状态,对硫酸盐的淀积十分有利,所以水溶性硫含量可以达到较高的水平。在所有的硫组分中,盐酸挥发性硫含量最低,平均值只有1.29mgkg-1。三江平原沼泽长期或季节性积水,地表以还原性环境为主,应有利于硫化物的形成和积累.但实测浓度很低,原因可能主要有以下两个方面:一是低的温度条件可能影响硫酸还原细菌的活动,二是酸性土壤中硫化氢散逸到大气中造成损失。在这三类湿地土壤中,有机硫含量相当高,范围在291mgkg-1~1154.7mgkg-1之间,平均为683.7mgkg-1,占总硫百分比为85.9%,是土壤总硫的主体.因为本区湿地土壤中有机质含量十分丰富,范围在77gkg-1~694gkg-1之间,平均为25.6gkg-1,而有机硫是土壤有机质的组成部分,它随有机质含量的升高而增加。2.3江平原湿地土壤有机质的剖面特征由于沼泽土壤不同发生层的物质组成和其它物理、化学条件(如温度、积水深度、有机质、pH值等)有较大的差异,因此硫在土壤剖面垂直方向上产生分异,呈现出明显的分层性:即从上到下,除盐酸挥发性硫以外,其余硫组分的含量均呈递减趋势。并且硫主要富集在草根层。其中总硫由上而下的递减趋势与金泰龙在三江平原的研究结果一致。三江平原沼泽湿地土壤中总硫及各形态硫在不同层次中,其含量各不相同,除盐酸挥发性硫外,其余硫组分普遍具有自上而下逐渐递减的趋势,这是由沼泽湿地土壤中有机质的剖面特征决定的。三江平原的地质地貌因素、气候因素、水文因素都有利于沼泽湿地的形成和广泛发育,在湿地分布区,湿生植物生长茂盛,死亡后,就地堆积,未被分解或分解不完全的植物残体形成了较厚的草根层:在积水状况下,残体进行嫌气分解,产生甲烷、氢和二氧化碳,同时形成无定形的黑色物质泥炭。随着时间的延长,泥炭不断积累,形成一定厚度的泥炭层。但在降水量少的年份,强烈的地表蒸发,使地表积水干涸,粘重的地面组成物质又阻滞了地下水的上升,缺失的地表水得不到补充,土壤的嫌气环境遭到破坏,已经积累的有机残体也被强烈的分解为腐泥状物质,形成腐殖质层:土壤矿物质在缺氧或完全没有氧气的条件下,形成灰蓝色的潜育层。因此土壤的层次结构为:表层是未充分分解的草根层或分解较好的泥炭层,其下为黑色腐殖质层,底层逐渐变为含植物根系极少的潜育层。由以上的分析可以看出,土壤有机质的剖面特征明显,从上到下,有机质含量递减,有机硫含量也随之呈递减趋势,并且有机质吸附、淀积和累积硫酸盐的能力也逐渐降低。这就普遍造成土壤中总硫、水溶性硫、吸附性硫、盐酸可溶性硫、有机硫表土含量高于底土含量的状况。2.4各硫组分间的相关性在湿地土壤中(n=91),各形态硫之间相关系数大于r=0.267(P0.01)的有12对(表4),表明总硫与各形态硫之间以及吸附性硫与其它硫形态之间均已达到显著相关;除盐酸可溶性硫外,水溶性硫与其余各硫组分之间也均已达到显著相关;除水溶性硫与盐酸挥发性硫以外,盐酸可溶性硫与其它硫组分呈显著相关;对于盐酸挥发性硫而言,除盐酸可溶性硫和有机硫外,其与其它硫组分之间也均呈显著相关。其中总硫与有机硫之间的相关系数最大,水溶性硫与吸附性硫次之,水溶性硫与盐酸可溶性硫的相关系数最小,说明在湿地土壤中总硫与有机硫相关性最显著,这两种硫组分联系最密切,而水溶性硫与盐酸可溶性硫的相关性最差。2.5影响湿地硫素状况的因素土壤的物理化学性质,包括土壤有机质、pH值、机械组成、氧化-还原条件等,影响土壤中微生物活动,从而影响硫的形态和含量分布。2.5.1土壤有机质中总硫含量的特征沼泽土的有机质是草根层、腐殖质层和泥炭层的重要成分,它是由分解和未分解或部分腐殖化的植物残体组成。本区沼泽土的有机质含量丰富,泥炭沼泽土和泥炭土中泥炭层的有机质含量最多,达50gkg-1~700gkg-1;腐殖质沼泽土和草甸沼泽土的有机质含量次之,多为100gkg-1~300gkg-1土壤有机质中含有丰富的硫,而且有机硫又是许多土壤中硫素的主要形态,凡有机质含量高的,其总硫含量一般也较多,回归分析表明:土壤总硫(Yt)、水溶性硫(Yw)、吸附性硫(Ya)、盐酸可溶性硫(Ys)、盐酸挥发性硫(Yh)、有机硫(Yo)与有机质含量均呈极显著正相关,相关方程及相关系数分别为Yt=13.774x+383.43,r=0.644;Yw=1.491x+9.064,r=0.512;Ya=0.508x+16.603,r=0.504;Ys=0.386x+16.25,r=0.435;Yh=0.0049x+1.1644,r=0.316;Yo=8.774x+453.35,r=0.519,相关系数均大于r=0.267(P0.01,n=91),因此土壤总硫及各形态硫随有机质含量的升高而增加。2.5.2土壤ph与土壤有机硫的相关研究湿地土壤呈中性至微酸性反应,pH值多在5.0~6.0之间,在同一剖面中,自上而下,pH值逐渐增大。总硫(Yt)、吸附性硫(Ya)、盐酸可溶性硫(Ys)、有机硫(Yo)与土壤pH值均呈极显著负相关,相关方程和相关系数分别为Yt=-348.4x+2647.5,r=-0.511;Ya=-11.73x+93.93,r=-0.461;Ys=-11.17x+87.40,r=-0.386;Yo=-199.97x+1774.8,r=-0.359,相关系数的绝对值均大于r=0.267(P0.01,n=91),因此总硫、吸附性硫、盐酸可溶性硫、有机硫含量随土壤pH值的升高而降低。2.5.3砂粒的粘粒情况本区沼泽土的质地都比较粘重,特别是发育在阶地上的沼泽土更为明显。其中小于0.01mm的物理粘粒都大于50%,一般在60%以上,小于0.001mm的粘粒一般占15%~20%,各级砂粒多在10%以下。一般情况下,小叶樟草甸下发育的草甸沼泽土与乌拉苔草沼泽及毛果苔草沼泽下发育的腐殖质沼泽土相比,q<0.001mm的粘粒和物理粘粒的含量均有所降低。在有机质含量相近的情况下,凡含物理粘粒偏少的土壤,其总硫含量都偏低,并且土壤中q<0.001mm的粘粒与土壤吸附性硫的含量之间存在着显著正相关。2.5.4盐酸挥发性硫自然湿地由于常年或季节性积水,在一定时期内土壤整体或土壤下层处于还原性环境。此时,在硫酸还原细菌的作用下,硫酸盐通过复杂的生物化学反应,被还原为0、-2价的硫。由于铁在还原条件下以+2价的Fe2+存在,硫化物的一种重要表现形式就是FeS。FeS遇盐酸能生成出H2S,是盐酸挥发性硫的主要来源。因此,盐酸挥发性硫也反映了土壤还原程度。毛果苔草沼泽、乌拉苔草沼泽、小叶樟草甸土壤中盐酸挥发性硫含量依次降低,就是与其还原性强弱相一致。3土壤硫素性质及影响因素3.1不同类型湿地土壤总硫、有机硫、水溶性硫、吸附性硫、盐酸可溶性硫及盐酸挥发性硫含量均为:小叶樟草甸<乌拉苔草沼泽<毛果苔草沼泽,与有机质含量一致;3.2在不同流域土壤中,吸附性硫为挠力河>浓江>鸭绿河>别拉洪河,盐酸可溶性硫为挠力河>鸭绿河>别拉洪河>浓江,盐酸挥发性硫为别拉洪河>挠力河>浓江>鸭绿河,总硫、水溶性硫、有机硫均为挠力河>鸭绿河>浓江>别拉洪河;3.3湿地土壤中的总硫、有机硫、水溶性硫、吸附性硫、盐酸可溶性硫的含量在剖面上均具有明显的规律性:即从上至下逐渐减少;但盐酸挥发性硫的含量在不同土层上没有明显差异;3.4湿地土壤各硫组分中有机硫含量最高,为683.7