湿地土壤

扎龙湿地土壤有效硅含量分布特征及影响因素

  • 张晴 , 1 ,
  • 叶华香 , 2, * ,
  • 臧淑英 2 ,
  • 徐明 1 ,
  • 王鸿洋 1
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叶华香,副教授。E-mail:

张晴(1999—),女,河北省唐山人,硕士研究生,从事湿地生态与环境研究。E-mail:

收稿日期: 2024-04-17

  修回日期: 2024-06-15

  网络出版日期: 2026-03-12

版权

版权所有©《湿地科学》编辑部2025
张晴, 叶华香, 臧淑英, 等. 扎龙湿地土壤有效硅含量分布特征及影响因素[J]. 湿地科学, 2025, 23(2): 309-319 [Zhang Q, Ye H X, Zang S Y, et al. Distribution characteristics and influencing factors of soil available silicon content in Zhalong Wetland[J]. Wetland Science, 2025, 23(2): 309-319

Distribution characteristics and influencing factors of soil available silicon content in Zhalong Wetland

  • Zhang Qing , 1 ,
  • Ye Huaxiang , 2, * ,
  • Zang Shuying 2 ,
  • Xu Ming 1 ,
  • Wang Hongyang 1
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Received date: 2024-04-17

  Revised date: 2024-06-15

  Online published: 2026-03-12

Copyright

Copyright ©2025 Wetland Science. All rights reserved.

摘要

硅是湿地生态系统的重要元素之一,土壤有效硅是植物可吸收硅素的核心组分。为了解扎龙湿地土壤有效硅含量分布特征及影响因素,在扎龙湿地设置了78个表层土壤采样点和12个剖面土壤采样点,测定各采样点土壤有效硅含量,并分析其与土壤理化指标之间的关系。研究结果表明,扎龙湿地表层土壤有效硅质量比平均值为225.71 mg/kg,属于丰富水平,变异系数为33.16%,属于中度变异。扎龙湿地土壤有效硅空间分布存在较大差异,整体呈现为由西向东递减的分布特征,北部、中南部和东南部土壤有效硅含量高于其他区域。在剖面土样中,随着土壤深度的增加,土壤有效硅含量整体呈先减少后增加的规律。扎龙湿地土壤有效硅含量受土壤养分和理化性质的影响,表层和剖面土壤有效硅含量与土壤全磷和无机磷含量极显著正相关,与土壤pH分别显著负相关和极显著负相关,表层土壤有效硅含量与土壤黏粒含量极显著正相关,与砂粒含量显著负相关。土壤类型和土地利用方式对土壤有效硅含量也有影响,其中中层熟黑土有效硅含量高,潜育暗色草甸土有效硅含量低;林地土壤有效硅含量高,草地土壤有效硅含量低。本研究结果为揭示湿地生态系统生源要素硅的生物地球化学循环过程提供理论依据,对了解扎龙湿地土壤的供硅能力具有重要参考价值。

本文引用格式

张晴 , 叶华香 , 臧淑英 , 徐明 , 王鸿洋 . 扎龙湿地土壤有效硅含量分布特征及影响因素[J]. 湿地科学, 2025 , 23(2) : 309 -319 . DOI: 10.13248/j.cnki.wetlandsci.20240110

Abstract

Silicon is one of the important contents of the element cycle in wetland system, and soil available silicon is the core component of plant absorbable silicon. To understand the distribution characteristics and influencing factors of soil available silicon content in Zhalong Wetland, 78 surface soil sampling points and 12 profile soil sampling points were set up in Zhalong Wetland to measure the soil available silicon content at each sampling point and analyze the relationship between soil available silica content and soil physical and chemical indexes. The results showed that the average effective silicon mass ratio of the surface soil in Zhalong Wetland was 225.71 mg/kg, which belonged to the abundance level, and the coefficient of variation was 33.16%, which belonged to the moderate variation. There were great differences in the spatial distribution of soil available silica in Zhalong Wetland, and the overall distribution characteristics showed a decreasing distribution from west to east, and the soil available silica content in the northern, south-central and southeastern parts of the study area was higher than that in other regions. In the profile soil samples, with the increase of soil depth, the available silicon content of soil decreased first and then increased. The soil available silicon content in Zhalong Wetland was affected by soil nutrients and physicochemical properties, and the available silicon content in the surface and profile soil was significantly positively correlated with the soil total phosphorus and inorganic phosphorus content, and was significantly negatively correlated with the soil pH, respectively, and the available silicon content in the surface soil was significantly positively correlated with the soil clay content, and negatively correlated with the sand content. Soil type and land use also had an effect on the available silicon content of soil, among which the available silicon content of the middle cooked black soil was high, and the available silicon content of the latent dark meadow soil was low. The available silicon content of woodland soil was high, and the available silicon content of grassland soil was low. The results of this study provided a theoretical basis for revealing the biogeochemical cycle process of silicon, a biogenous factor in wetland ecosystems, and had important reference value for understanding the silica supply capacity of soil in Zhalong Wetland.

硅是土壤中的重要元素,在生物地球化学过程中起着重要作用,也是多种植物生长所必需的营养元素[1]。硅通过植物表皮细胞硅质化提高植物的光合效率[2]。硅能促进植物根系的生长,进而提高植物对养分的吸收利用和对不利环境的抗逆性[3-4]。虽然土壤中富含硅元素,但是植物不能直接吸收利用二氧化硅和结晶态硅酸盐,只能吸收和利用有效硅,因此,土壤中的有效硅含量是判断土壤供硅能力的重要指标[5-6]
湿地是硅元素的聚集体,湿地植物也是巨大的生物硅库[7]。在湿地生态系统中,硅是硅藻类浮游植物和湿地其他植物生长的营养元素,硅的形态和含量直接影响植物的生长和发育,进而影响植物体内的生物量碳积累,在一定程度上影响湿地生态系统中碳元素的循环[8-10]。目前,国外关于硅在湿地生态系统中的研究集中在印度尼西亚[11]、菲律宾[12]和越南[12]等。中国也在长江口[13]、洞庭湖[14]和闽江河口[15]开展了相关的研究,研究内容主要包括植物、土壤和水体中的硅[16-17]、间隙水中活性硅酸盐[18-19]等方面,对有效硅的研究主要局限在耕地[20-23],关于湿地土壤有效硅的研究还比较薄弱。在以硅元素富集植物为主的湿地生态系统中,其对碳循环影响较大[24],因此,研究湿地中的硅也是调控湿地生态系统中碳生物地球化学循环的关键。
扎龙湿地是同纬度地区最原始且物种最丰富的自然生态系统之一[25],也是中国保留相对完整的天然芦苇(Phragmites australis)沼泽。目前,在扎龙湿地开展了关于土壤氮、磷、碳等元素的研究[26-28],关于生源要素硅的含量还不明晰。硅在各圈层之间存在的循环流动会影响其他生源要素(氮、磷、碳)的生物地球化学循环。因此,本研究于2023年5–7月,以扎龙湿地为研究对象,通过野外调查和样品采集,测定并分析土壤有效硅含量及其分布特征,并揭示影响土壤有效硅含量的因素,以期为扎龙湿地硅的生物地球化学循环过程研究提供基础数据,为扎龙湿地的保护和修复提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区

扎龙湿地(46°52′N~47°32′N,123°47′E~124°37′E)地处黑龙江省松嫩平原的乌裕尔河与双阳河下游,地跨齐齐哈尔市昂昂溪区、铁锋区、富裕县、泰来县、大庆市林甸县和杜尔伯特蒙古自治县,总面积达2100 km2,是中国最大的丹顶鹤(Grus japonensis)繁殖地,同时是中国珍稀水禽分布区和湿地资源保护区[29]。该区位于中纬度,气候属中温带大陆性季风气候,年平均温度为3.5 ℃,年蒸发量为1 506.2 mm,年平均相对湿度为62%[30]。土壤类型以黑钙土、草甸土和沼泽土为主,植被类型主要是草甸草原、湿草甸、沼泽植被和水生植被[31]

1.2 材料与方法

1.2.1 土壤样品采集与测定

依据黑龙江省人民政府对黑龙江扎龙国家级自然保护区功能区划的批复,将扎龙湿地划分为核心区、缓冲区和试验区。在野外调查的基础上,根据扎龙湿地的实际情况,本研究在3个功能区(核心区、缓冲区和试验区)内合理布设采样单元,并充分考虑扎龙湿地的6类土壤类型(北方水稻土、草甸黑钙土、草甸土、泥炭沼泽土、潜育暗色草甸土和中层熟黑土)和5类土地利用方式(耕地、林地、草地、沼泽、水体)的分布特征,采取分区随机布点法,共设置了78个表层土壤采样点和12个垂直土壤剖面采样点(图1)。
1 Distribution map of soil sampling points in Zhalong Wetland

扎龙湿地土壤采样点分布

于2023年5月25–28日和6月26日–7月4日,利用自制采样器,分别采集0~10 cm深度表层土壤样品和0~60 cm深度的土壤剖面样品,剖面样品按10 cm分层。将所采集的土壤样品分别装入采样袋,贴上标签,运回哈尔滨师范大学环境监测实验室。样品风干后,剔出杂质,全部过10目孔径筛,部分研磨过100目筛,保存待用。
采取柠檬酸浸提–钼蓝比色法,测定土壤有效硅含量[21]。称取风干土壤样品5 g(过2 mm孔径筛),放入100 mL塑料瓶中,加入0.25 mol/L的柠檬酸浸提剂50 mL,盖塞摇匀,置于恒温箱(30 ℃)中保温5 h,每间隔1 h摇1次,滤纸过滤。取滤液5 mL于50 mL容量瓶中,用蒸馏水稀释至15 mL,加入0.6 mol/L的硫酸溶液5 mL,在水浴锅(30~35 ℃)下放置15 min,加50 g/L的钼酸铵溶液5 mL,摇匀后放置5 min,再加入50 g/L的草酸溶液5 mL和15 g/L的抗坏血酸溶液5 mL,蒸馏水定容,显色,用分光光度计于700 nm波长测定,同时做平行样和空白实验。
采用凯氏定氮法,测定土壤全氮含量。采用双波长紫外分光光度法,测定硝态氮含量。采用1 mol/L KCl浸提–紫外分光光度计,测定铵态氮含量[32]。采用欧洲标准测试委员会制定的标准测试方法SMT[33],测定全磷、有机磷和无机磷含量。采用Mastersizer 2000型激光粒度仪,测定土壤粒度,黏土(<0.005 mm)、粉粒(0.005 ~0.075 mm、砂粒(>0.075 mm)。采用烘干法,测定土壤含水率[32]。采用pH计,测定土壤pH。采用便携式电导率仪,测定土壤盐度。采用便携式氧化还原电位仪,测定氧化还原电位(Eh)。

1.2.2 数据处理

数据经SPSS 26软件的箱线图判断离群值,剔除特异值等预处理后,采用SPSS 26软件进行统计分析。土壤有效硅采样点和表层土壤有效硅空间分布图利用ArcMap 10.2绘制,土壤有效硅的剖面分析图以及土壤有效硅的相关性图则采用Origin 2021软件绘制。
扎龙湿地土壤类型和土地利用矢量数据来自全球地理信息资源目录服务系统(http://www.webmap.cn/main.do?method=index)。

2 结果与分析

2.1 扎龙湿地表层土壤有效硅含量空间分布特征

表1可知,扎龙湿地表层土壤有效硅质量比为111.97~414.43 mg/kg,平均值为225.71 mg/kg。根据土壤有效硅含量分级标准[34] (极缺:<25 mg/kg;缺:25~70 mg/kg;中等:>70~115 mg/kg;丰富:>115~230 mg/kg;极丰富:>230 mg/kg)可以推断,扎龙湿地表层土壤有效硅含量属于丰富水平,说明扎龙湿地表层土壤供硅能力较强。各功能区土壤有效硅含量之间差异不明显,其中,核心区、缓冲区和试验区土壤有效硅质量比平均值分别为227.59 mg/kg、233.27 mg/kg和226.39 mg/kg。从变异系数来看,扎龙湿地土壤有效硅含量的变异系数为33.16%,其中,核心区、缓冲区和试验区的变异系数分别为34.90%、32.10%和31.85%。根据变异程度的分类[35] (变异系数<15%为小变异,15%~35%为中等程度变异,>35%为高度变异),本研究属于中等程度变异,由此表明扎龙湿地土壤有效硅含量在一定程度受环境要素或人为因素的干扰。
1 Available silicon content in surface soil of each functional area in Zhalong Wetland

扎龙湿地各功能区表层土壤有效硅含量

功能区有效硅质量比/(mg/kg)标准差变异系数/%
最小值最大值平均值
核心区128.79414.43227.5979.4234.90
缓冲区128.79376.73233.2774.8832.10
试验区111.97371.38226.3972.1131.85
整个研究区111.97414.43225.7174.8633.16
图2可知,扎龙湿地表层土壤有效硅含量分布存在明显的空间差异性,整体呈现从西部向东部递减的趋势。研究区北部、中南部和东南部有效硅的含量高于其他区域。有效硅含量低值区位于东部(采样点7),最小值为119.97 mg/kg,高值区位于中南部(采样点54),最大值为414.43 mg/kg,是最小值的3.5倍。从有效硅含量的空间分布推断,扎龙湿地表层土壤有效硅含量可能与上游乌裕尔河沿岸的工业废水和农业回水直接或间接排入有关;同时,与研究区的土壤类型、土地利用方式、土壤养分及其理化性质等因素有密切关系。
2 Spatial distribution of available silicon content in surface soil of Zhalong Wetland

扎龙湿地表层土壤有效硅含量空间分布

2.2 扎龙湿地土壤有效硅含量的垂直分布特征

图3可得,不同采样点剖面土壤有效硅含量垂直变化特征较为一致,随着土壤深度的增加其含量整体呈现先减少后增加的趋势。其中,采样点Ⅱ、采样点Ⅴ、采样点Ⅵ和采样点Ⅶ土壤有效硅含量变化幅度较明显,采样点Ⅳ、采样点Ⅷ、采样点Ⅹ、采样点Ⅺ和采样点Ⅻ土壤有效硅含量变化较平缓。在12个采样点的垂直方向,0~40 cm深度土层中有效硅含量基本上呈现下降的趋势,而在>40~60 cm深度土层中有效硅含量回升。0~10 cm深度土层中土壤有效硅质量比最高,平均值为236.97 mg/kg;>30~40 cm土层中土壤有效硅质量比最低,平均值为197.75 mg/kg。不同采样点之间土壤有效硅的含量存在一定的差异,其中采样点Ⅰ土壤中有效硅含量最高,其次为采样点Ⅸ,采样点Ⅹ土壤有效硅含量最低,采样点Ⅰ土壤有效硅含量平均值为采样点Ⅹ土壤有效硅含量平均值的2.9倍。
3 Vertical distribution of available silicon content in profile soil in Zhalong Wetland

扎龙湿地剖面土壤有效硅含量的垂直分布

2.3 扎龙湿地土壤有效硅含量的影响因素

2.3.1 土壤类型对土壤有效硅含量的影响

将扎龙湿地土壤按中国土壤系统分类标准[36]亚类级别,划分为北方水稻土、草甸黑钙土、草甸土、泥炭沼泽土、潜育暗色草甸土和中层熟黑土6类(图4),并按照土壤类型统计各采样点不同土壤类型表层(表2)和剖面土样中有效硅含量的统计特征值。由表2可知,中层熟黑土表层土壤有效硅含量平均值最大(288.23 mg/kg),潜育暗色草甸土表层土壤有效硅含量平均值最小(208.72 mg/kg),各土壤类型表层有效硅含量具体表现为中层熟黑土最大,其次为北方水稻土、草甸黑钙土、草甸土、泥炭沼泽土、潜育暗色草甸土。
4 Soil types and land use patterns at each sampling site in Zhalong Wetland

扎龙湿地各采样点的土壤类型和土地利用方式

2 Available silicon content in surface soil by soil type in Zhalong Wetland

扎龙湿地各土壤类型表层土壤有效硅含量

土壤类型有效硅质量比/(mg/kg)标准差
最小值最大值平均值
北方水稻土111.97376.73272.60101.68
草甸黑钙土191.64345.09272.4559.31
草甸土186.04254.20223.5930.88
泥炭沼泽土135.28371.38220.3764.94
潜育暗色草甸土128.79357.18208.7270.86
中层熟黑土178.95414.43288.23118.65
在剖面土样中,同样是中层熟黑土有效硅质量比平均值最大,为387.11 mg/kg,其他依次为北方水稻土(274.15 mg/kg)、草甸黑钙土(256.95 mg/kg)、泥炭沼泽土(251.91 mg/kg)、草甸土(212.40 mg/kg)、潜育暗色草甸土(187.78 mg/kg),与表层土壤有效硅含量分布规律大体相同。
不同土壤类型成土条件和成土过程各异,黑土的形成过程中,土壤受到的淋溶作用较弱,因此黑土中的土壤有效硅含量相对较高;与黑土相比,水稻土受风化淋溶程度相对较强,其土壤有效硅含量相对较低;草甸土的有机质较多,有机质本身的硅溶解和有机质分解的络合作用,会促进硅的释放[14]。黑土的有效硅含量较高,其次为草甸土,这与张兴梅[37]等人对东北地区不同类型土壤的有效硅含量的研究结果一致。由此说明土壤有效硅的含量与土壤类型有关。

2.3.2 土地利用方式对土壤有效硅含量的影响

按耕地、林地、草地、沼泽和水体5种土地利用方式(图4),统计得到扎龙湿地不同土地利用方式下表层土壤有效硅含量的统计特征值(表3),以及耕地、林地、草地和沼泽4种土地利用方式下土壤剖面样品中有效硅含量。
3 Available silicon content in surface soil by land use patterns in Zhalong Wetland

扎龙湿地各土地利用方式表层土壤有效硅含量

土地利用方式有效硅质量比/(mg/kg)标准差
最小值最大值平均值
林地226.46355.19279.0167.54
耕地137.35371.38245.8580.02
沼泽128.79414.43229.8481.51
水体135.28254.20204.4361.78
草地111.97355.19198.1554.67
表3可知,扎龙湿地不同土地利用方式下表层土壤有效硅含量差异较大,林地(279.01 mg/kg)表层土壤有效硅含量相对最大,其次为耕地(245.85 mg/kg)、沼泽(229.84 mg/kg)、水体(204.43 mg/kg)、草地(198.15 mg/kg)。在剖面土壤样品中,不同土地利用方式下土壤有效硅含量的分布规律与表层存在一定的差异,但是整体上差异不大,林地土壤有效硅的含量平均值最大(263.30 mg/kg),其次为沼泽(251.30 mg/kg)和耕地(212.40 mg/kg),最小值在草地(171.46 mg/kg)。
在不同土地利用方式下,表层土壤有效硅含量不同,原因可能是植物在生长过程中会从土壤中吸收有效硅,然后形成生物硅[38-39];植物的根也会不断释放硅,且植物衰亡分解后,枯枝落叶则会释放一定量的硅到土壤中;另外,林地可以加快土壤矿物的风化[40-41],进而增加土壤的有效硅含量。因此,林地的有效硅含量大于其他土地利用方式的土壤有效硅含量。与林地相比,草地中植被密度较稀,加上放牧等人为活动的影响,导致草地中的植物–土壤系统对于有效硅的固定作用较弱,土壤有效硅含量大大降低。沼泽在淹水条件下,有效硅含量可能会受到氧化还原作用的影响,随着氧化还原电位降低,土壤有效硅可能会增加[42]。耕地中原始的硅元素受到长时间的耕作被消耗,最终导致土壤中有效硅含量减少。
与此同时,植物地上的生物量以及根系也可能影响有效硅剖面层面的分布,植物产生的枯枝落叶分解会释放大量的硅,然后再释放到表层土壤中,从而导致土壤表层出现有效硅富集现象[43]。研究表明,芦苇的根系长度在20~40 cm,伴随着芦苇根部的吸收,土壤有效硅含量也随着土壤深度的增加而逐步减小,直至到芦苇根系的底端,土壤有效硅含量可能呈现回升的趋势[44]

2.3.3 理化性质对土壤有效硅含量的影响

2.3.3.1 氮和磷含量

对扎龙湿地土壤养分含量的测定结果见表4。对土壤养分(全磷、有机磷、无机磷、全氮、铵态氮和硝态氮)与土壤有效硅含量进行相关分析(表5),结果表明表层土壤有效硅含量与土壤全磷和无机磷含量均极显著正相关(p<0.01),而与土壤全氮、铵态氮、硝态氮和有机磷含量不显著相关。在剖面土样中,土壤有效硅含量与土壤全磷和无机磷含量均极显著正相关(p<0.01)。硅和磷元素在化学性质和结构上具有相似性[45],许多学者通过对磷、硅的交互作用研究发现,当土壤磷含量增大时,磷会与硅竞争土壤的吸附位点,从而降低土壤硅的吸附效应,提高硅的有效性[46]
4 Soil nutrient content in Zhalong Wetland

扎龙湿地土壤养分含量

土壤样品 指标 最小值/(mg/kg) 最大值/(mg/kg) 平均值/(mg/kg) 标准差
表层样品 全磷 240.44 1 032.44 503.66 143.49
有机磷 64.52 368.17 213.64 59.25
无机磷 196.10 899.54 318.60 113.03
全氮 99.70 1 537.41 509.31 223.41
硝态氮 0.72 115.63 31.49 41.09
铵态氮 1.80 87.00 28.70 0.64
剖面样品 全磷 210.07 680.72 352.76 122.09
有机磷 12.65 304.91 115.87 85.40
无机磷 31.63 340.33 138.41 68.81
全氮 18.99 755.790 334.07 167.68
铵态氮 23.07 36.00 29.78 3.29
硝态氮 11.90 132.20 30.07 167.68
5 Correlation coefficients between soil available silicon content and soil nutrient indexes

土壤有效硅含量与土壤养分指标的相关系数

全磷含量有机磷含量无机磷含量全氮含量铵态氮含量硝态氮含量
注:***分别表示在 p<0.05 和p<0.01水平上显著相关。表层样品 n=78,剖面样品n=72。
表层有效硅含量0.288*−0.1460.326**0.0220.1220.101
0.0110.2020.0040.8450.2860.381
剖面有效硅含量0.390**0.1640.429**0.0990.1350.083
0.0010.1680.0000.4160.2700.509

2.3.3.2 其他理化指标

土壤有效硅含量除了受磷含量的影响外,还与土壤的其他理化指标有关。扎龙湿地土壤理化指标测定结果见表6。对扎龙湿地土壤有效硅含量与pH、土壤含水率、盐度、氧化还原电位和机械组成进行相关分析(表7表8)。由表7可得,表层土壤有效硅与土壤pH、黏粒和砂粒具有明显的相关性,与其他指标相关性不明显。表8的研究结果表明,在剖面土层中有效硅的含量与土壤含水率、盐度、pH负相关,其中有效硅与土壤含水率和盐度相关性不显著,但与pH和Eh有明显的相关性。
6 Soil physicochemical index content in Zhalong Wetland

扎龙湿地土壤理化指标

土壤样品 指标 最小值 最大值 平均值 标准差
表层样品 pH 7.29 10.91 8.80 0.86
含水率/% 1.75 86.97 29.00 18.38
盐度/% 0. 01 0. 45 0. 05 0. 07
氧化还原电位/mv −188.00 602.00 97.92 170.60
黏粒/% 4.00 74.00 35.46 14.65
粉粒/% 8.00 63.00 48.46 13.44
砂粒/% 20.00 86.00 36.47 13.03
剖面样品 pH 8.20 10.72 9.10 0.81
含水率/% 15.41 31.32 23.26 4.37%
盐度/% 0.00 0.20 0.04 0.04
氧化还原电位/mv −133.00 261.00 87.43 92.88
7 Correlation coefficients of available silicon content and other physical and chemical indexes in surface soil

表层土壤有效硅含量与其他理化指标的相关系数

pH含水率盐度氧化还原电位砂粒粉粒黏粒
注:***分别表示在 p<0.05 和p<0.01水平上显著相关。n=78。
有效硅含量−0.286*0.174−0.116−0.018−0.228*0.2110.307**
0.0120.1620.3280.8770.0450.0640.006
8 Correlation coefficients between profile soil available silicon content and other physical and chemical indexes

剖面土壤有效硅含量与其他理化指标的相关系数

pH含水率盐度
注:***分别表示在 p<0.05 和p<0.01水平上显著相关。n=72。
有效硅含量−0.458**−0.140−0.059
0.0000.2400.624
扎龙湿地土壤的pH在7.29~10.91之间,主要为碱性土壤。由表7可知,表层土壤有效硅含量与土壤pH显著负相关(p<0.05)。由表8可知,剖面土壤有效硅含量与土壤pH极显著负相关(p<0.01)。其原因可能是随着土壤pH升高,土壤胶体上可以被硅吸附的位点变多[21],使土壤中有效硅含量降低;另外可能是扎龙湿地处于内陆地区,蒸发量大于降水量,土壤呈现碱性,而硅在酸性条件下易从岩石中分离出来,pH越大,岩石中的硅不易被分离,所以有效硅含量与pH显著负相关。
表7可知,表层土壤有效硅含量与土壤黏粒含量极显著正相关(p<0.01),与土壤砂粒含量显著负相关(p<0.05),与土壤粉粒含量不显著相关。其原因可能是土壤对硅酸的吸附主要发生在黏粒表面,土壤的黏粒含量高则对硅酸吸附量大,有效硅的含量会随着黏粒含量升高呈现增加的趋势[47]。另外相对较小的土壤粒径更有利于植物的生长和发育,提高植物的生物量,为土壤有效硅的累积提供了来源。与砂粒含量负相关可能是粒径大和土壤坚硬的原因,植物生长的阻力大,降低了植物生物量[48],所以最终表现为土壤有效硅含量与黏粒含量极显著正相关,与砂粒含量显著负相关。
表层土壤中有效硅含量与土壤Eh负相关,但相关性不显著(表7)。在剖面土样中,对12个样点进行整体分析,二者相关性不显著。但是对每个采样点在剖面上进行单独分层分析可以得出,有效硅含量与Eh显著负相关(p=0.002~0.023,图5)。由此可推断Eh可能是影响扎龙湿地有效硅含量垂直分布的因素之一。在剖面土样中,随着Eh的降低,土壤有效硅含量增加,这可能是因为随着土壤深度的增加,土壤Eh降低,硅会因氢氧化铁中的Fe3+被还原成Fe2+而释放出来,有效硅含量会在一段时间后呈增加的趋势[49]
5 Correlation analysis of available silicon content of profile soil and redox potential in Zhalong Wetland

扎龙湿地剖面土壤有效硅含量与氧化还原电位的相关分析

3 结论与讨论

扎龙湿地表层土壤有效硅的质量比为111.97~414.43 mg/kg,平均值为225.71 mg/kg,土壤有效硅含量丰富,扎龙湿地表层土壤供硅能力较强。表层土壤有效硅的空间分布规律大体呈现由西向东递减的分布特征,具有明显的空间差异性,研究区北部、中南部和东南部表层土壤有效硅含量较高,其高值区位于研究区中南部,低值区位于研究区东部。
土壤有效硅含量的垂直分布特征与土壤深度有关,随着土壤深度的增加其含量整体呈先减少后增加的趋势。不同采样点剖面土壤有效硅的垂直变化特征较为一致,在0~40 cm深度土壤中有效硅含量大体呈现下降的趋势,>40~60 cm深度土壤中有效硅呈现回升的趋势,有效硅含量最大值出现在0~10 cm深度土壤中。
扎龙湿地土壤有效硅含量在一定程度上受土壤类型和土地利用方式的影响。中层熟黑土有效硅含量高,潜育暗色草甸土有效硅含量低;林地土壤有效硅含量高,草地土壤有效硅含量低。同时,扎龙湿地土壤有效硅含量也受土壤理化性质的影响。在表层土壤中,有效硅含量与土壤全磷、无机磷及土壤黏粒含量极显著正相关,与土壤pH和土壤砂粒含量显著负相关。在剖面土样中,土壤有效硅的含量与土壤全磷和无机磷含量极显著正相关,与pH极显著负相关;除此之外,每个剖面采样点土壤有效硅含量与氧化还原电位显著相关,随着土壤深度的增加,氧化还原电位下降,有效硅含量增大。
在水平维度上,扎龙湿地中南部土壤高硅区可能作为湿地硅素的核心“源库”,其黑土母质与林地系统的协同作用形成了硅素富集效应,而东部低值区则提示需警惕湿地边缘带因水文扰动导致的硅素流失风险;在垂直维度上,表层生物地球化学活跃层(0~40 cm)的硅素耗减现象,反映出湿地植物强烈的硅吸收作用与表层淋溶过程的双重影响,而深层(>40~60 cm)硅素回升则可能源于古沉积层硅释放与氧化还原界面的地球化学激活效应。特别值得注意的是,硅–磷耦合迁移特征(全磷、无机磷含量与硅含量极显著正相关)揭示了湿地硅、磷循环的协同机制,这为通过调控磷素管理来增强湿地固硅能力提供了新的生态调控路径,对于维持湿地硅基植物群落结构和抗逆性具有重要管理启示。建议未来重点维护中南部高硅核心区的生态完整性,同时在东部低硅脆弱带实施土壤改良与植被优化工程。
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