闊葉紅松林土壤氮素的空間分布

劉巍巍，莫 雷，隋 波，紀鵬飛，張 鵬

(1.吉林省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，吉林 長春 130022;2.集安市林業(yè)局，吉林 通化 134200;3.北華大學(xué)，吉林 吉林132013)

在陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)中，土壤中的氮儲量約是植物體中氮儲量的3 倍;在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤中的氮儲量占整個生態(tài)系統(tǒng)氮儲量的90%～95%［1］，所以，研究土壤中氮儲量對整個生態(tài)系統(tǒng)有著重要的作用。作為陸地氮庫的主體，土壤氮庫的微小變化，都會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)發(fā)生紊亂。東北地區(qū)的闊葉紅松林在生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位，所以，研究闊葉紅松林地內(nèi)土壤中氮素的空間分布及影響因素對生態(tài)系統(tǒng)以及整個林分的生長都具有重要的意義。

1 試驗材料和方法

1.1 供試土樣

在蛟河闊葉紅松林固定大樣地(600 m×520 m)內(nèi)，根據(jù)闊葉紅松林的立地條件，采用地統(tǒng)計學(xué)的方法，共設(shè)置195 個小樣方，每個小樣方的面積為(40 m×40 m);在每個樣方內(nèi)設(shè)置3 個樣點。野外用GPS 定位，找到樣點的具體位置，樣點位置如圖1 所示。在每一個樣點中心的1 m2范圍內(nèi)設(shè)置3 個采集點，每個采集點按A 層(0 ～10 cm)、B 層(10 ～30 cm)、C 層(30 cm 以下)(有些特殊地形沒有下層土壤，如小河、巖石等)分別采集土樣［2～3］，然后將每個樣點的同一層土樣均勻混合，作為一個樣本，共采集土壤樣本1 350 個。采集土壤樣本的同時根據(jù)樣點的坐標(biāo)對土壤樣本進行標(biāo)號。

土樣處理:采集回的土壤樣本要立即處理，具體方法:把土樣平鋪于干凈的紙上風(fēng)干，風(fēng)干后粉碎并通過1 mm(18 號篩)的土壤篩。裝袋后貼好標(biāo)簽。

圖1 土壤取樣示意圖Fig.1 The sketch map of soil sample

1.2 試驗步驟

1.2.1 土壤有效氮測定步驟

①稱取通過1 mm 篩孔的風(fēng)干土樣1.00 g，均勻地平鋪于擴散皿外室，在外室內(nèi)加1 g 鋅－硫酸亞鐵還原劑平鋪土樣上。同時做2 個試劑空白試驗。

②加3 mL 20 g·L－1硼酸－指示劑溶液于擴散皿內(nèi)室。

③在擴散皿外室邊緣上方涂堿性膠液，蓋好毛玻璃并旋轉(zhuǎn)，使毛玻璃與皿邊緣完全黏合。然后慢慢轉(zhuǎn)開毛玻璃的一邊，使擴散皿的一邊露出一條狹縫，在此缺口加入10.0 mL8 mol·L－1氫氧化鈉溶液于皿的外室，立即把毛玻璃蓋嚴。

④水平地輕輕轉(zhuǎn)動擴散皿，使溶液與土樣充分混合，然后小心地用橡皮筋2 根交叉成十字形固定毛玻璃。然后置于恒溫箱中，在40℃條件下保溫24 h。

⑤用0.01 mol·L－1鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定內(nèi)室的硼酸，顏色由藍變紫紅，即達終點。滴定時應(yīng)用細玻璃棒攪動內(nèi)室溶液，不宜搖動擴散皿，以免溢出;接近終點時可用玻璃棒蘸取滴定管尖端的少量標(biāo)準(zhǔn)酸溶液，以防滴過終點。

⑥數(shù)據(jù)處理:。

WN=(V－V0)×c×14/(m1×K2)×100

式中:WN——水解性氮含量，mg·kg－1;

V——滴定待測液用去鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL;

V0——滴定試劑空白試驗用去鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL;

c——鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol·L－1;

K2——由風(fēng)干土樣換算成烘干土樣的水分換算系數(shù);

m1——風(fēng)干土樣質(zhì)量，g;

14——氮 原 子 的 摩 爾 質(zhì) 量，mg·m mol－1。

⑦允許誤差(見表1)

表1 有效氮允許誤差Tab.1 The allowable error of available nitrogen

①稱取通過風(fēng)干土樣1.50 g，同時測定土壤水分換算系數(shù)(K1)。

②消煮:將土樣小心送入凱氏燒瓶底部，加混合加速劑，搖勻，然后加10 mL 濃硫酸，瓶口放一小漏斗，在通風(fēng)柜中用調(diào)溫電爐加熱消煮，控制瓶內(nèi)硫酸蒸汽回流的高度約在瓶頸上部的三分之一處。并經(jīng)常振動凱氏瓶，勿使燒干，直至消煮液和土粒全部變?yōu)榛野咨詭ЬG色(約需15 min)后，再繼續(xù)消煮1 h，全部消煮時間約85～90 min。消煮完畢后，取下凱氏瓶，冷卻，以待滴定。同時做2 個試劑空白試驗。

③滴定:將消煮好的土壤試樣用凱氏定氮儀滴定，獲得滴定數(shù)值。

④數(shù)據(jù)處理:

WN=(V－V0)×c×0.014/(m1×K2)×100

式中:WN——全氮含量，mg·kg－1;

V——滴定待測液用去鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL;

V0——滴定試劑空白試驗用去鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL;

c——鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol·L－1;

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般是以大致相同的格子或尺寸較小的單元(重復(fù))組成的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，通常將平板型的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)架，將曲面型的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)簡稱為網(wǎng)殼。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系，所有桿件均按照空間受力體系工作，傳力途徑簡潔，具有重量輕、剛度大、整體性好、抗震性能強等優(yōu)點。

K2——由風(fēng)干土樣換算成烘干土樣的水分換算系數(shù);

m1——風(fēng)干土樣質(zhì)量，g;

0.014——氮原子的摩爾質(zhì)量，g·m mol－1。

⑤允許誤差(見表2)

表2 全氮允許誤差Tab.2 The allowable error of full nitrogen

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 土壤有效氮統(tǒng)計學(xué)分析

對有效氮測定結(jié)果進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表3。

表3 表層土壤有效氮含量描述性統(tǒng)計Tab.3 The descriptive statistics of available nitrogen content of surface soil

從表3 中可以看出，蛟河闊葉紅松林土壤中有效氮的平均含量為0.95±0.45 g·L－1，A層土壤有效氮的平均含量為1.19±0.45 g·L－1，B 層土壤有效氮的平均含量為0.87±0.43 g·L－1，C 層土壤有效氮的平均含量為0.67±0.28 g·L－1;變異系數(shù)分別為0.469、0.374、0.481、0.424，表明有效氮含量相對于其均值離散程度較高。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，做土壤有效氮含量分布曲線，結(jié)果見圖2 ～圖4。

圖2 A 層土壤有效氮含量變化曲線Fig.2 The variation curve of available nitrogen content of A layer soil

圖3 B 層土壤有效氮含量變化曲線Fig.3 The variation curve of available nitrogen content of B layer soil

圖4 C 層土壤有效氮含量變化曲線Fig.4 The variation curve of available nitrogen content of C layer soil

從圖2 ～圖4 中可以看出，闊葉紅松林有效氮的空間分布在水平方向上波動較大，呈現(xiàn)非正態(tài)分布，但在垂直方向上，有效氮的含量逐層遞減，A 層土壤有效氮含量明顯高于其他土層的有效氮含量，B 層土壤有效氮含量略低于A 層土壤，且A 層土壤和B 層土壤有效氮含量始終保持在一個較高的水平，而C 層土壤有效氮含量明顯下降。三層土壤有效氮含量的變化幅度不大，且變化趨勢基本一致。

2.2 土壤全氮統(tǒng)計學(xué)分析

對土壤全氮含量值進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表4。

表4 土壤全氮含量描述性統(tǒng)計Tab.4 The descriptive statistics of total nitrogen content of soil

從表4 中可以看出，蛟河闊葉紅松林土壤中全氮的平均含量為(0.97±0.449)g·L－1，A層土壤全氮的平均含量為1.31±0.391 g·L－1，B 層土壤全氮的平均含量為0.87±0.345 g·L－1，C 層土壤全氮的平均含量為0.58±0.253 g·L－1;變異系數(shù)分別為0.463、0.298、0.397、0.437，表明全氮含量相對于其均值離散程度較高。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，做土壤全氮空間分布曲線，結(jié)果見圖5 ～圖7。

圖5 A 層土壤全氮含量變化曲線Fig.5 The variation curve of total nitrogen content of A layer soil

圖6 B 層土壤全氮含量變化曲線Fig.6 The variation curve of total nitrogen content of B layer soil

圖7 C 層土壤全氮含量變化曲線Fig.7 The variation curve of total nitrogen content of C layer soil

從圖5 ～圖7 中可以看出，紅松闊葉林土壤全氮的空間分布在水平方向上波動較大，呈非正態(tài)分布，但在垂直方向上，土壤全氮的含量逐層遞減，A 層土壤有效氮含量明顯高于其他土層的全氮含量，B 層土壤全氮含量略低于A層土壤，且A 層土壤和B 層土壤全氮含量始終保持在一個較高的水平，而C 層土壤全氮含量明顯下降。

3 結(jié)論與討論

采用地統(tǒng)計學(xué)的方法分析了蛟河紅松闊葉林土壤氮素的空間分布特征，并利用克里格差值繪制了土壤有效氮和全氮的空間分布圖，結(jié)果表明:有效氮的平均含量為0.95±0.45 g·L－1，A 層土壤有效氮的平均含量為1.19±0.45 g·L－1，B 層土壤有效氮的平均含量為0.87±0.43 g·L－1，C 層土壤有效氮的平均含量為0.67±0.28 g·L－1，變異系數(shù)分別為0.469、0.374、0.481、0.424;全氮的平均含量為0.97±0.449 g·L－1，A 層土壤全氮的平均含量為1.31±0.391g·L－1，B 層土壤全氮的平均含量為0.87±0.345g·L－1，C 層土壤全氮的平均含量為0.58±0.253 g·L－1;變異系數(shù)分別為0.463、0.298、0.397、0.437。土壤中有效氮和全氮的含量，在水平方向上波動較大，呈非正態(tài)分布;在垂直方向上逐層遞減，A 層＞B 層＞C 層。

蛟河紅松闊葉林土壤有效氮含量總體上較為豐富，在垂直方向上，有效氮的含量逐層遞減，A 層土壤有效氮含量明顯高于其他土層的有效氮含量，B 層土壤有效氮含量略低于A 層土壤，而C 層土壤有效氮含量明顯下降。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于有效氮在土壤中的移動性比較小、過多的氮主要留存在表層土壤造成的。A 層土樣、B 層土樣、C 層土樣有效氮的含量變化幅度不大，且變化趨勢基本一致。其原因是有效氮空間變異則主要受結(jié)構(gòu)性因素影響，而且隨機因素對其含量空間變異的影響較大。土壤有效氮含量總體上呈小團塊狀分布。各層土壤有效氮的空間分布均表現(xiàn)為西部、南部較高，東部和北部較低，其余較高值呈零星塊狀分布的格局，這與研究區(qū)的地形變化規(guī)律一致。

蛟河闊葉紅松林全氮含量沒有土壤有效氮分布平均，而是含量較高，A 層土壤與C 層土壤相差并不大，其原因可能是由于蛟河闊葉紅松林地內(nèi)植被種類繁多、各種植物對不同土層的氮素吸收程度不同所造成的。與有效氮相比較，土壤全氮受當(dāng)?shù)貧夂蚣碍h(huán)境影響較大，雖然整體相差不大，但是局部差異明顯，即分布格局變化較大。

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