河岸帶落葉松林土壤氮素空間格局研究

杜寧寧,郭晉平,陳東莉

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,山西 太谷 030801)

氮素是相鄰河岸帶水體的重要污染物之一,相鄰高地土壤中的氮素可通過(guò)河岸帶進(jìn)入水體。河岸帶屬于高地與水體之間的過(guò)渡帶,由于其特殊的地理位置,會(huì)發(fā)生陸地與水體之間的物質(zhì)交換,河流兩岸一定寬度的植物帶和土壤可通過(guò)過(guò)濾、滲透、吸收、滯留和轉(zhuǎn)化等作用減少或消除進(jìn)入地表及地下水中的污染物,減少污染物向水體中輸入,進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氮素等的截流轉(zhuǎn)化。本研究通過(guò)樣帶的重復(fù)性試驗(yàn)得出氮素含量,進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和相關(guān)性分析,了解河岸帶氮素儲(chǔ)量格局,為河岸帶寬度確定以及河岸帶對(duì)氮素濾除研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究地設(shè)在山西省西部、呂梁山脈中段的關(guān)帝山林區(qū),東經(jīng) 111°22′～ 111°33′,北緯 37°45′～37°55′.該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均溫度4.3℃,1月份平均溫度 10.2℃,7月份平均溫度17.5℃;年平均降水量 822.6 mm;年平均蒸發(fā)量1 268mm,屬于典型的山地氣候。

試驗(yàn)在龐泉溝神尾溝的落葉松林中進(jìn)行,土壤為酸性土,容重 0.697 g/cm3～1.886 g/cm3,變異系數(shù)為0.299,植被類型以落葉松、美人玫、野草莓為主。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣點(diǎn)布置

采樣區(qū)為長(zhǎng)方形,樣帶方向垂直于河流方向,選擇相鄰的 3條樣帶為樣地(3條樣帶做重復(fù)試驗(yàn)),每條樣帶面積為 400m2,樣地總面積為 1200m2.秋季林內(nèi)降水較為頻繁,采樣時(shí)河流寬度為 9.7m,采用線狀樣帶取樣,沿樣帶的起點(diǎn)每隔 3m設(shè) 1個(gè)樣點(diǎn)(0m,3 m,6 m,……,51 m),每條樣帶設(shè)取樣點(diǎn)18個(gè),共 54個(gè)樣點(diǎn)。

2010年 10月,在試驗(yàn)區(qū)以剖面法采集土壤樣品,從腐殖質(zhì)層、淋溶層、淀積層分別取樣,共取得樣品 162個(gè)。土壤取樣時(shí),先除去各樣點(diǎn)處表層枯枝落葉,然后取土,隨即裝入封口塑料袋內(nèi),低溫保存?zhèn)溆?。為減少其他環(huán)境因子的影響,土壤取樣工作選擇在雨后至少 3 d～4 d的晴天進(jìn)行(采樣前次降水量為 69 mm)。

1.2.2 測(cè)定方法

土壤全氮采用全自動(dòng)開(kāi)氏定氮法進(jìn)行測(cè)定;

土壤銨態(tài)氮采用 2mol/LKCL浸提—靛酚藍(lán)比色法進(jìn)行測(cè)定;

土壤硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全氮含量在河岸帶上的變化

統(tǒng)計(jì)3條樣帶所有數(shù)據(jù),分別對(duì)土壤腐殖質(zhì)層、淋溶層、淀積層的全氮含量取平均值,做落葉松林高地連續(xù)體不同土壤層全氮含量的格局散點(diǎn)圖,見(jiàn)圖1.

圖1 落葉松林全氮含量

由圖1可見(jiàn),落葉松林高地連續(xù)體各層土壤之間全氮含量大致表現(xiàn)為腐殖質(zhì)層 ＞淋溶層 ＞淀積層。腐殖質(zhì)層全氮含量隨河岸帶寬度的增加基本呈遞增趨勢(shì),最高值出現(xiàn)在河岸帶的 51 m處,39m處全氮含量最低;淋溶層全氮含量隨著河岸帶寬度的增加大致呈遞減趨勢(shì)。全氮含量最高值出現(xiàn)在15 m處,最低值出現(xiàn)在 48 m處;淀積層全氮含量隨著河岸帶寬度的增加基本呈遞減趨勢(shì),全氮含量最高值在 9 m處,最低值出現(xiàn)在 21m處。

2.2 土壤中銨態(tài)氮含量在河岸帶上的變化

統(tǒng)計(jì) 3條樣帶所有數(shù)據(jù),分別對(duì)土壤腐殖質(zhì)層、淋溶層、淀積層的銨態(tài)氮含量取平均值,做落葉松林高地連續(xù)體不同土壤層銨態(tài)氮含量的格局散點(diǎn)圖,見(jiàn)圖2.

圖2 落葉松林銨態(tài)氮含量

由圖2可見(jiàn),在水平距離上,土壤銨態(tài)氮含量腐殖質(zhì)層 ＞淋溶層 ＞淀積層,3層土壤中銨態(tài)氮含量都隨著河岸帶寬度的增加而呈遞減趨勢(shì)。腐殖質(zhì)層土壤銨態(tài)氮含量的最高值出現(xiàn)在21m處,最低值出現(xiàn)在 45m處;淋溶層土壤銨態(tài)氮含量最高值出現(xiàn)在12 m處,最低值出現(xiàn)在 48m處;淀積層土壤銨態(tài)氮含量最高值出現(xiàn)在 18m處,最低值出現(xiàn)在27m處。

2.3 土壤中硝態(tài)氮含量在河岸帶上的變化

統(tǒng)計(jì) 3條樣帶所有數(shù)據(jù),分別對(duì)土壤腐殖質(zhì)層、淋溶層、淀積層的硝態(tài)氮含量取平均值,做落葉松林高地連續(xù)體不同土壤層硝態(tài)氮含量的格局散點(diǎn)圖,見(jiàn)圖3.

圖3 落葉松林硝態(tài)氮含量

由圖3可見(jiàn),在水平距離上,腐殖質(zhì)層的硝態(tài)氮含量要明顯高于淋溶層和淀積層,而淋溶層和淀積層的硝態(tài)氮含量相差無(wú)幾。腐殖質(zhì)層硝態(tài)氮含量變化不穩(wěn)定,硝態(tài)氮含量最高值出現(xiàn)在 48 m處,最低值出現(xiàn)在 9 m處;淋溶層土壤硝態(tài)氮含量變化趨勢(shì)平穩(wěn),硝態(tài)氮含量最高值出現(xiàn)在 9m處,最低值出現(xiàn)在 18m處;淀積層土壤硝態(tài)氮含量變化平穩(wěn),硝態(tài)氮含量最高值出現(xiàn)在 15 m處,最低值出現(xiàn)在18 m處。

這是由于靠近河流的河岸帶樹(shù)木稀少,多為草本植物,隨著河岸帶寬度的增加,地表植物也有所變化,多為落葉松與灌木、草本相結(jié)合的植物群落。秋季落葉松林內(nèi)枯枝落葉繁多,造成了有機(jī)質(zhì)的增加,Snyder等認(rèn)為,有機(jī)質(zhì)含量為 16%的腐殖質(zhì)土壤中反硝化速率是有機(jī)質(zhì)含量為 1.5%的土壤的10倍,反硝化速率的降低導(dǎo)致了硝態(tài)氮含量的增加。

2.4 落葉松林土壤氮素含量相關(guān)性分析

對(duì)落葉松林高地連續(xù)體河岸帶全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮以及采樣點(diǎn)距離的數(shù)據(jù)進(jìn)行 Pearson相關(guān)分析,見(jiàn)表1.

表1 落葉松林氮素和采樣點(diǎn)之間的相關(guān)分析

通過(guò)相關(guān)性分析可知,全氮含量與河岸帶寬度的增加呈負(fù)相關(guān),在淋溶層和淀積層表現(xiàn)較為明顯,全氮含量隨著土壤深度的增加而降低,主要是因?yàn)槿饕ㄟ^(guò)凋落物的凋落和分解歸還到土壤中。再次,由于河岸帶不同位置植物群落不同,靠后的河岸帶植物群落豐富,從而導(dǎo)致了這種負(fù)相關(guān)關(guān)系。并且河岸帶的全氮含量在距河流近的采樣點(diǎn)要高于距河流遠(yuǎn)的采樣點(diǎn)。河岸帶土壤銨態(tài)氮含量與河岸帶寬度的增加呈明顯負(fù)相關(guān)(r=-0.417),即土壤銨態(tài)氮含量隨著河岸帶寬度的增加而降低,因?yàn)殇@態(tài)氮溶解度較小,極易被土壤膠體吸附,在土壤中很難隨介質(zhì)發(fā)生長(zhǎng)距離水平的遷移,向土壤深層淋溶強(qiáng)度也較小。硝態(tài)氮總體含量與河岸帶寬度的增加呈正相關(guān),在淋溶層和淀積層表現(xiàn)明顯。

河岸帶落葉松林土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量之間存在相關(guān)性,土壤全氮含量與銨態(tài)氮含量呈正相關(guān)(r=0.114),土壤全氮含量與硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)(r=0.613),土壤硝態(tài)氮含量與銨態(tài)氮含量之間呈負(fù)相關(guān)(r=-0.004)。

2.5 土壤剖面氮素含量

將腐殖質(zhì)層、淋溶層、淀積層的全氮含量,銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量分別取平均值,做出氮素在土壤剖面的散點(diǎn)圖,如圖4.

圖4 土壤剖面全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量

由圖4可見(jiàn),在土壤剖面上,土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量隨著土壤深度的增加而明顯降低,土壤中多余的硝態(tài)氮含量也會(huì)隨著水分向下遷移,造成深層土壤中硝態(tài)氮的空間變異大于淺層土壤的。在微生物的作用下,通過(guò)硝化作用可有意將銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。所以,硝態(tài)氮的含量要比銨態(tài)氮含量高一些。

在土壤垂直剖面中,銨態(tài)氮含量基本上都是由土壤上層到土壤下層逐漸遞減,這種趨勢(shì)主要是由銨態(tài)氮的性質(zhì)所決定。土壤顆粒和土壤膠體對(duì)銨態(tài)氮具有很強(qiáng)的吸附作用,使得大部分可交換的銨態(tài)氮吸附于其表面,成為不易移動(dòng)的氮。銨態(tài)氮在土壤剖面中的分布更直接地決定于作物生長(zhǎng)、氣候條件、灌溉方式以及土壤性質(zhì)等因素。銨態(tài)氮的濃度隨土層的加深而降低,而更多的銨離子是通過(guò)微生物的作用氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。此外,林區(qū)過(guò)度放牧、伐木等人為活動(dòng)也影響著整體氮素的分布情況。

3 小結(jié)

1 )河岸帶落葉松林土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量之間存在相關(guān)性,土壤全氮含量與銨態(tài)氮含量呈正相關(guān)(r=0.114),土壤全氮含量與硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)(r=0.613),土壤硝態(tài)氮含量與銨態(tài)氮含量之間呈負(fù)相關(guān)(r=-0.004)。

2 )河岸帶不同位置對(duì)氮素的濾除情況不同,一般來(lái)說(shuō),距離河流近的地方效果會(huì)更好。

3 )土壤氮素來(lái)源于有機(jī)質(zhì),一般來(lái)說(shuō),有機(jī)質(zhì)含量豐富的腐殖質(zhì)層,氮素的含量也高。

4 )土壤的理化性質(zhì)在土壤層之間存在不規(guī)則的垂直格局和水平格局。土壤氮素指標(biāo)在同一位置雖然均呈現(xiàn)出某種空間分布格局,但其空間分布格局是不同的,反映了土壤具有很大的空間異質(zhì)性。

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