文峪河上游河岸林土壤氮素截留潛力及其影響因素

李素新，郭小宇，張蕓香，郭晉平

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，山西 太谷030801）

河岸帶是典型的高生產(chǎn)力生態(tài)系統(tǒng)，土壤中含有大量有機質(zhì)［1］，鄰近高地氮素的輸入和植物凋落物的分解為土壤進(jìn)行反硝化作用提供了充足的氮素［2］。河岸帶土壤的一系列物理化學(xué)和生物化學(xué)過程對外源輸入的氮磷營養(yǎng)元素進(jìn)行截留和轉(zhuǎn)化。地表徑流攜帶的不同形態(tài)氮素通過沉積過程被截留在河岸帶中［3］，可溶解性營養(yǎng)物質(zhì)通過徑流下滲和壤中滲入河岸帶土壤，通過植物吸收、土壤吸附、微生物固定及反硝化作用等得到進(jìn)一步的截留和濾除［4，5］。河岸帶森林系統(tǒng)對N的去除效果隨季節(jié)變化和相應(yīng)的地下水位的變化有顯著變化，這種變化主要取決于反硝化所需條件及植物生長條件的變化［6］。

目前對河岸帶氮素的截留轉(zhuǎn)化機理研究主要集中在土壤反硝化細(xì)菌對氮素的去除作用機制［7，8］。關(guān)于河岸帶土壤氮素截留潛力的研究還鮮見報道。本研究以文峪河上游華北落葉松落葉針葉林、白樺山楊落葉闊葉林和沙棘灌木林3種典型河岸林為研究對象，采用外源氮磷聯(lián)合加載試驗定點觀測的方法，研究3類典型河岸林土壤的氮素截留潛力及其影響因素，通過分析比較研究地區(qū)3種典型河岸林群落土壤特征的差異以及土壤含水量和pH值對土壤氮截留率的影響，為區(qū)域性河岸林對外源氮磷加載的截留潛力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為合理開發(fā)利用、經(jīng)營和管理河岸林提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究地區(qū)設(shè)在關(guān)帝山林區(qū)的龐泉溝國家級自然保護(hù)區(qū)，山西境內(nèi)呂梁山脈中段文峪河源頭地區(qū)，地理坐標(biāo)為111°21′～111°37′E，37°45′～37°59′N。氣候?qū)儆谑芗撅L(fēng)影響和控制的暖溫帶大陸性山地氣候，年均氣溫4.2℃，年均降水量822.6 mm；年日照時數(shù)1900～2200h，無霜期100～130 d，水文特征受大氣候影響，每年7～8月為洪水期；由于地處呂梁山斷裂隆起的核心地帶，屬背斜構(gòu)造，是由花崗巖隆起形成的亞高山山地。分布的主要土壤類型有亞高山草甸土、山地棕色森林土、山地淋溶褐土、山地褐土、粗骨性褐土及褐土性土。該區(qū)自然植被茂盛，主要河岸林類型有云杉林、華北落葉松林、云杉落葉松混交林、山楊遼東櫟混交林、落葉松遼東櫟混交林、白樺林、青楊林等；主要喬木樹種有華北落葉松（Larix principis－rupperchtii）、云杉（白扦（Picea meyeri）、青扦（P.wilsonii）、油松（Pinus tabulaeformis）、白樺（Betula platyphylla）、紅 樺 （B.albo－sinensis）、山 楊 （Populus davidiana）、遼 東 櫟（Quercus liaotungensis）等；灌木主要有沙棘（Hippsphae rhamnoides）、毛榛（Corylus mandshurica）、四川忍冬（L.kungeana Hao）、土莊繡線菊（Spiraea pubescens）等，草本植物主要有披針苔草（Carex lanceolata）、蕨類（Gymnocarpium petaloideum）、瓣蕊唐 松 草 （Thalictrum petaloideum）、落 新 婦（Astible chinensis）、蒿類（Artemisia Spp）等。

2 材料與方法

2.1 典型試驗樣帶的選擇設(shè)置

2010年秋，在孝文山林場大草坪營林區(qū)，選取具有代表性的針葉（落葉松、云杉）混交林，闊葉（白樺、茶條槭）混交林和灌木（沙棘等）林3種類型的典型河岸林，調(diào)查記錄其地理位置、海拔、坡向、坡度、土壤類型和林型等基本因子（表1）。在每個類型的典型河岸林內(nèi)沿垂直于河道方向設(shè)置10條樣帶，樣帶寬5m，長25m，對樣帶內(nèi)所有喬木樹種進(jìn)行每木檢尺，測定記錄其樹種、胸徑和樹高。

表1 河岸林基本情況Table 1 General character of the tipical riparian forest experiment sites

2.2 試驗設(shè)計

本研究的外源氮素輸入采用含氮46.4%的尿素，設(shè)5個輸入量梯度，分別為N0：0g·m－2、N1：9g·m－2、N2：12g·m－2、N3：15g·m－2和 N4：18g·m－2；外源磷素輸入采用含磷量為12%的過磷酸鈣，設(shè)5個輸入量梯度，分別為P0：0g·m－2，P1：3.28g·m－2、P2：6.55g·m－2、P3：9.82g·m－2和P4：12g·m－2。

2.3 試驗樣帶的土壤取樣和測定方法

在每條樣帶內(nèi)以5m為間隔等距離設(shè)5個采樣點。2011年4月底設(shè)置試驗地時，進(jìn)行外源加載之前，在每條樣帶內(nèi)進(jìn)行初次采樣，采樣后進(jìn)行外源加載，10月底以同樣的方法再次進(jìn)行土樣采集。土壤取樣采用土鉆法，采樣深度30cm，每個采樣點重復(fù)采樣3次，混合為一個混合樣品，用四分法取其中一部分作為分析樣品帶回實驗室分析，兩次共取樣300個。

帶回實驗室的樣品進(jìn)行土壤全氮、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷含量測定，并測定土壤含水量和土壤pH值測定。土壤全氮采用凱氏定氮法測定，土壤全磷采用HClO4—H2SO4法測定，土壤銨態(tài)氮采用KCl浸提—靛酚藍(lán)比色法測定，土壤硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法測定，土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測定，土壤含水量采用105℃烘干法測定，pH值采用電位法測定。

2.4 數(shù)據(jù)分析

土壤氮素截留量以外源氮素加載試驗一個生長季后土壤氮素含量指標(biāo)來表示；土壤氮素截留率以土壤氮素截留量占外源氮素加載后土壤氮素含量的百分比表示。

用Excel 2003繪制截留率隨土壤含水量、pH的變化趨勢圖。用SPSS 18.0軟件，分別對截留量和截留率隨外源氮和磷的加載量、土壤含水量、土壤pH值不同而產(chǎn)生的差異進(jìn)行統(tǒng)計分析，并分析其變化趨勢。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類型河岸林土壤氮截留量比較

分別計算3類河岸林在不同外源氮素輸入水平下的土壤氮素截留量，進(jìn)行差異顯著性檢驗和多重比較（表2），結(jié)果顯示，在本研究設(shè)計的氮素外源輸入水平下，生長季末的土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮截留量隨外源氮素輸入量的增加而呈現(xiàn)不同的變化趨勢。3類河岸林的土壤全氮截留量都隨外源氮素輸入量的增加而增加，氮素外源輸入水平下3類河岸林的土壤全氮最大截留量分別為闊葉林（3.35mg·kg－1）＞灌木林（3.18g·kg－1）＞針葉林（2.50g·kg－1）；銨態(tài)氮和硝態(tài)氮截留量都在一定的外源氮素輸入12g·m－2甚至9g·m－2水平上出現(xiàn)最大值，土壤銨態(tài)氮最大截留量分別為灌木林（16.37mg·kg－1）＞闊葉林（13.05mg·kg－1）＞針葉林（6.86mg·kg－1），土壤硝態(tài)氮最大截留量分別為灌木林（8.40mg·kg－1）＞闊葉林（6.12 mg·kg－1）＞針葉林（5.43mg·kg－1）。

表2 三類河岸林土壤在不同外源氮素輸入水平下的氮素含量和差異比較Table 2 Dynamic retention of nitrogen for coniferous forest soil in different rate of nitrogen input

3.2 不同類型河岸林土壤氮截留率比較

由表3可見，全氮和硝態(tài)氮的截留率在不同類型河岸林之間差異極顯著，在不同氮素輸入量下，土壤氮素截留率差異在全氮和銨態(tài)氮指標(biāo)上差異極顯著，在硝態(tài)氮指標(biāo)上的差異顯著，但交互作用在3個指標(biāo)上的差異均不顯著。

表3 河岸林土壤氮素截留率的差異顯著性Table 3 p－values for soil retention rate of nitrogen inforest types

由表4可見，不同類型河岸林土壤全氮平均截留率，針葉林＞闊葉林≥灌木林，針葉林與闊葉林、灌木林差異均顯著；土壤銨態(tài)氮平均截留率，針葉林≥闊葉林≥灌木林，針葉林與灌木林差異顯著；土壤硝態(tài)氮平均截留率，針葉林＞闊葉林≥灌木林，針葉林與闊葉林、灌木林差異均顯著。總體來看，針葉林的氮素截留率最高，灌木林最低，各類河岸林土壤的硝態(tài)氮截留率高于銨態(tài)氮。

表4 不同類型河岸林氮素截留率比較Table 4 Retention rate of nitrogen indifferent riparian forest types

3.3 外源磷輸入對河岸林土壤氮截留率的影響

外源磷的輸入有助于植物對氮的吸收，隨著外源磷輸入量的增加，土壤氮的截留率逐漸降低，變化趨勢如圖1。

圖1 外源磷輸入量對全氮（TN）截留率的影響Fig.1 Variation trend in retention rate of TN with the rate of phosphorus inputs

如圖1所示，隨著外源磷素輸入量的增加，河岸林土壤全氮截留率總體上呈降低趨勢，總降幅10.59%，但兩者不表現(xiàn)線性關(guān)系，氮素截留率對外源磷輸入有一個敏感的輸入量區(qū)間。

3.4 河岸林土壤含水量和pH值對土壤氮截留率的影響

外源氮素輸入后，河岸林土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的截留率之間關(guān)系密切，外源氮素輸入沒有影響到土壤pH值，也與土壤含水量沒有顯著相關(guān)性，土壤pH值與土壤氮截留率的相關(guān)性也不顯著（表5）。但是，3種形態(tài)的土壤氮素含量指標(biāo)表示的氮素截留率都與外源氮素輸入量相關(guān)性極顯著，全氮和硝態(tài)氮與土壤含水量的相關(guān)性也達(dá)到統(tǒng)計極顯著水平。

表5 土壤氮素截留率與土壤含水量、pH值的相關(guān)分析Table 5 correlation analysis between retention rate of nitrogen and Soil Moisture，pH

由圖2可見，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的截留率都與全氮的截留率呈極顯著正相關(guān)；土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的截留率與外源氮輸入量都呈顯著正相關(guān)，隨著輸入量的增加，3個指標(biāo)的氮素截留率都隨之增大。土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮截留率都與土壤含水量有負(fù)相關(guān)趨勢，其中全氮和硝態(tài)氮的負(fù)相關(guān)性達(dá)到統(tǒng)計極顯著水平（圖3）。

圖2 銨態(tài)氮（AN）和硝態(tài)氮（NN）截留率隨全氮（TN）截留率的變化趨勢Fig.2 Variation trend in retention rate of AN and NN with the retention rate of TN

圖3 全氮（TN）銨態(tài)氮（AN）和硝態(tài)氮（NN）截留率隨土壤含水量的變化趨勢Fig.3 variation trend in retention rate of TN 、AN and NN with the Soil Moisture

4 討論

文峪河上游地區(qū)針葉林、闊葉林和灌木林3種河岸林土壤，在去除植被影響的條件下，氮截留率分別為88.75%、85.25%、77.89%，針葉林表現(xiàn)出較強的截留能力，但在外源氮輸入情況下，針葉林土壤中的氮磷儲量最低；河岸林土壤的NH＋4－N容納能力明顯強于NO3—N容納量［9］。本研究中針葉林土壤對氮的截留率最高，結(jié)論與之相符。針葉林、闊葉林、灌木林對全氮的截留率分別為78.30%、72.37%、68.58%，針葉林的截留率相對較高。在3個氮含量指標(biāo)中銨態(tài)氮截留量顯著大于硝態(tài)氮的截留量，說明在河岸林條件下，土壤中銨態(tài)氮形式存在的氮素含量總是高于硝態(tài)氮。

郭萍等研究了施肥后對煙田土壤養(yǎng)分含量和微生物數(shù)量及酶活性的動態(tài)變化，試驗表明，影響土壤C、N含量的最主要措施是施肥，不同的施肥處理對土壤養(yǎng)分含量的影響是顯著的，施肥能夠明顯的增加土壤養(yǎng)分含量［10］。外源氮素輸入對土壤磷截留率有顯著影響，外源氮輸入有助于植物對磷的吸收，使土壤磷含量減少，導(dǎo)致磷截留量下降。尹澄清等對湖泊水陸交錯區(qū)蘆葦植被帶土壤的氮磷截留率進(jìn)行研究表明，對地下徑流中全氮和全磷的截留率分別為64%和92%，截留最多的是銨態(tài)氮和速效磷［11］，這與本試驗的研究結(jié)論一致，銨態(tài)氮的截留量顯著大于硝態(tài)氮。河岸林土壤對銨態(tài)氮的截留效果好，因為河岸帶土壤有機質(zhì)含量高，而土壤含水量、土壤容重和土壤本底銨態(tài)氮含量都是抑制截留效果的因素。

本研究表明，土壤氮滯留率與土壤含水量極顯著負(fù)相關(guān)。因為，土壤含水量越高氮滯留越少，土壤含水量越高，土壤氮越容易隨地表徑流流入水體。河岸林土壤磷滯留率與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)，河岸林土壤為濕地土壤，可通過粘粒和鐵鋁氧化物吸附磷［12］。

5 結(jié)論

（1）灌木林對氮的截留量最高，全氮截留量灌木林＞闊葉林＞針葉林，銨態(tài)氮的截留量闊葉林＞灌木林＞針葉林，硝態(tài)氮的截留量灌木林＞針葉林＞闊葉林，銨態(tài)氮的截留量顯著大于硝態(tài)氮。

（2）不同河岸林土壤對氮素的截留率有差異，針葉林、闊葉林、灌木林對全氮的截留率分別為78.30%、72.37%、68.58%，對銨態(tài)氮的截留率分別為72.97%、69.09%、66.83%，對硝態(tài)氮的截留率分別為77.03%、70.50%、67.90%。

（3）針葉林的氮素截留率最高，灌木林最低，各類河岸林土壤的硝態(tài)氮截留率高于銨態(tài)氮。

（4）土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的截留率與外源氮輸入量都呈極顯著正相關(guān)，隨著輸入量的增加，截留率都增大；土壤全氮、硝態(tài)氮截留率與土壤含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的截留率與土壤pH相關(guān)性不顯著。

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