岷江上游干旱河谷不同坡向土壤氮素分異研究

張振恒 宮淵波

摘要 [目的]研究岷江上游干旱河谷不同坡向土壤氮分異特征。 [方法]采用野外調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，立足于岷江上游山地深林/干旱河谷交錯(cuò)帶，對(duì)不同坡向土壤氮分異特征進(jìn)行研究。[結(jié)果]陽(yáng)坡坡面土壤全氮、水解性氮、硝態(tài)氮、微生物量氮隨海拔降低和土壤剖面的加深而逐漸減少，彼此之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系。而在陰坡坡面全氮、水解性氮、硝態(tài)氮、微生物量氮含量隨海拔降低而逐漸升高，剖面上的變化趨勢(shì)與陽(yáng)坡相似，相關(guān)分析結(jié)果表明，這種氮素形態(tài)之間的相關(guān)性與陽(yáng)坡一致。[結(jié)論]不同坡向、不同海拔對(duì)氮分布有極大的影響。

關(guān)鍵詞 土壤氮；海拔；坡向；干旱河谷

中圖分類(lèi)號(hào) S158 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）23-0098-05

Abstract [Objective]To study soil nitrogen heterogeneity among different slopes in the semiarid areas of upper reaches of the Minjiang River.[Method]Using the method of combining field investigation and indoor analysis，based on the upper reaches of the Minjiang River deep mountain forest in the arid valley ecotone， soil nitrogen differentiation characteristics of different slopes were studied .[Result]Total nitrogen，hydrolyzable nitrogen，nitrate nitrogen，microbial biomass nitrogen in sunny slope soil decreased with decreasing altitude and soil depth，there was a significant positive correlation between each other，while in shady slopes， total nitrogen，hydrolyzable nitrogen，nitrate nitrogen，microbial biomass nitrogen content decreased gradually with altitude increasing.The variation trend in the profile was similar to that of the sunny slope，and the correlation analysis results showed that the correlation between different nitrogen forms was consistent with the sunny slope.[Conclusion]Different slope directions and altitudes have great influence on nitrogen distribution.

Key words Soil nitrogen；Altitude；Slope；Arid valley

土壤氮與其所處生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過(guò)程密切相關(guān)，是自然生態(tài)系統(tǒng)中主要的限制性養(yǎng)分，氮可利用性養(yǎng)分在數(shù)量和形態(tài)上的變化，對(duì)植物群落的生物量形成、物種組成和群落演替產(chǎn)生顯著影響[1]。由于受地形、母質(zhì)、植被、土壤侵蝕狀況及坡度等因素異質(zhì)性的影響，同一土壤類(lèi)型上甚至同一林分類(lèi)型下土壤氮含量在不同尺度上均有變化[2]。鐘芳等[3]對(duì)蘭州南北兩山5類(lèi)喬灌木林草地土壤養(yǎng)分和土壤微生物空間分布進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，南山地區(qū)的土壤養(yǎng)分含量普遍高于北山地區(qū)。徐華勤等[4]對(duì)廣東省不同土地利用方式對(duì)土壤微生物量碳氮的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同土地利用方式下土壤微生物量碳、氮差異顯著。劉秉儒[5]對(duì)賀蘭山東坡典型植物群落土壤微生物量氮沿海拔梯度的變化特征進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微生物量氮隨海拔梯度的升高顯著增加，與土壤有機(jī)碳、氮含量有一致的變化規(guī)律。王琳等[6]研究表明，貢嘎山東坡表層土壤有機(jī)質(zhì)含量（SOC）和全氮含量隨海拔升高呈上升趨勢(shì)。余新曉等[7]對(duì)八達(dá)嶺森林土壤養(yǎng)分空間變異性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，土壤全氮和堿解氮具有中等的空間相關(guān)性。關(guān)于土壤氮時(shí)空分布特征研究較多。但前人對(duì)土壤氮的研究集中于氣候溫暖濕潤(rùn)地帶，對(duì)我國(guó)干旱生境下的研究相對(duì)較少。

岷江上游干旱河谷是我國(guó)生態(tài)環(huán)境十分脆弱的地區(qū)，由于降水少、蒸發(fā)量大、降水分布不均，因此植被恢復(fù)十分困難；而且該區(qū)域因地形破碎，山高坡陡，滑坡、泥石流、崩塌等自然災(zāi)害十分突出[8]。當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境已受研究者的高度重視。近年來(lái)，對(duì)干旱河谷土壤的研究主要從土壤養(yǎng)分的空間分異、發(fā)生特性、剖面特征、對(duì)植被恢復(fù)和水文的影響等方面開(kāi)展研究，并取得一定成果。但對(duì)于不同坡向、不同海拔梯度下土壤養(yǎng)分的分布特征研究很少。岷江上游干旱河谷山地氣候垂直變化顯著，從山麓到山項(xiàng)構(gòu)成一個(gè)山地氣候的土壤系列，為研究干旱河谷地區(qū)土壤氮海拔梯度變化規(guī)律提供了良好場(chǎng)所。筆者通過(guò)對(duì)岷江上游山地森林/干旱河谷交錯(cuò)帶土壤氮在不同坡向、不同海拔、不同植被恢復(fù)條件下的比較，探討影響土壤氮分布的生物和非生物因子，旨在為整個(gè)干旱河谷退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建提供理論依據(jù)，對(duì)于區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)安全具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處四川省西部理縣雜谷腦河流域，屬岷江一級(jí)支流，是典型山地森林/干旱河谷交錯(cuò)帶。地理坐標(biāo)為103°12′25″～103°13′36″ E，

31°31′6″～31°32′10″ N。該地區(qū)屬于典型的高山峽谷區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬龍門(mén)山斷裂帶中段，平均海拔2 700 m，具有典型的干旱河谷氣候。據(jù)雜谷腦河干旱河谷9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和理縣縣城的氣象資料表明，該地區(qū)最高極溫37 ℃左右，最低極溫-19 ℃左右，年平均氣溫12 ℃左右，年平均降雨量584 mm，年平均蒸發(fā)量1 399 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與土壤采集。

2016年8月，在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，以植被變化為依據(jù)，按植被分布的典型性和代表性進(jìn)行樣地選擇，且盡量選取植被類(lèi)型單一的區(qū)域。沿海拔梯度從上到下，分別在熊耳山陽(yáng)坡（以A坡面表示）布設(shè)8塊樣地和耳布山陰坡（以B坡面表示）布設(shè)5塊樣地，在每一塊樣地內(nèi)按“S”型布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)，采集0～10、10～20 cm土層土樣各2 kg左右。一部分鮮樣4 ℃低溫保存，以供微生物兩碳氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等指標(biāo)分析；另一部分經(jīng)自然風(fēng)干，供全氮、有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)分析?；厩闆r見(jiàn)表1。

1.2.2 土壤樣品分析。

土壤樣品分析方法采用《土壤農(nóng)化分析方法》；土壤pH采用酸堿度&氧化還原電位控制器測(cè)定；SOC采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定，全氮采用全自動(dòng)凱氏定氮法測(cè)定；水解性氮采用堿解-擴(kuò)散法測(cè)定；硝態(tài)氮含量采用酚二磺酸比色法測(cè)定；銨態(tài)氮采用2 mol/L KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；土壤微生物量采用氯仿熏蒸法熏蒸后用硫酸鉀浸提，用TOC-Vcph型TOC分析儀測(cè)定微生物生物量碳（microbial biomass C，MBC）、氮（microbial biomass N，MBN）。土壤微生物量碳系數(shù)為2.22，土壤微生物氮系數(shù)為1.85。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0進(jìn)行顯著性及相關(guān)性分析，不同海拔高度的土壤數(shù)據(jù)變量的差異運(yùn)用One-Way ANOVA分析，差異顯著性采用SNK-q檢驗(yàn)（P<0.05），相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡向全氮含量隨海拔梯度的變化

土壤中的氮絕大多數(shù)以有機(jī)態(tài)存在的，土壤中有機(jī)態(tài)氮與無(wú)機(jī)態(tài)氮的總和稱(chēng)土壤全氮。土壤氮絕大部分來(lái)自有機(jī)質(zhì)，故有機(jī)質(zhì)的含量與全氮含量呈正相關(guān)。土壤中的全氮含量代表土壤氮的總貯量和供氮潛力，因此，全氮含量與有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的主要指標(biāo)之一。從圖1可以看出，陽(yáng)坡區(qū)域垂直帶土壤全氮含量隨海拔降低而逐漸下降，灌木林（A2）含量最高， 灌草叢（A7）含量最低，0～30 cm土層平均含量分別為4.51和1.68 g/kg。次生林（A1）、灌木林（A2）、幼林地（A5）、幼林地（A6）含量相差不大。全氮含量在刺槐林（A3）和幼林地（A4）出現(xiàn)一個(gè)低谷，可能與其土地利用類(lèi)型有關(guān)，這一區(qū)間曾是主要的放牧和農(nóng)耕區(qū)，雖然已經(jīng)退耕多年，但全氮含量短期未能恢復(fù)過(guò)來(lái)。陰坡區(qū)域垂直帶土壤全氮含量隨海拔降低而逐漸上升，荒地（B4）含量最高，退耕林（B1）含量最低，0～20 cm土層平均含量分別為2.34和0.88 g/kg， 退耕林（B1）含量較低的原因可能與刺槐林（A3）、幼林地（A4）相似。從土壤剖面看，不同坡向的土壤全氮含量隨土層下降而逐漸降低，各樣地表層（0～10 cm）和中層（10～20 cm）土壤全氮含量差異顯著，陽(yáng)坡下層（20～30 cm）差異程度明顯下降。

表層土壤平均有機(jī)碳在不同坡向和不同海拔的分布規(guī)律與全氮相似，相關(guān)性分析表明，土壤全氮和有機(jī)碳在陽(yáng)坡和陰坡的相關(guān)系數(shù)分別是r=0.951和r=0.865（P<0.01），均達(dá)極顯著水平。說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中存在碳氮的耦合作用[9]。

土壤全氮和有機(jī)碳隨海拔的變化規(guī)律可能與當(dāng)?shù)氐臍夂蚝屯寥蕾|(zhì)地有關(guān)[10]，隨著海拔降低，在焚風(fēng)效應(yīng)[11]的影響下，土壤含水量逐漸降低，表層土壤蒸發(fā)量增大，植被生產(chǎn)力下降，且土壤質(zhì)地變粗，不僅每年歸還到土壤中的有機(jī)物質(zhì)減少，而且有機(jī)碳礦化程度增加，在這些因素的共同作用下，導(dǎo)致全氮和有機(jī)碳隨海拔降低和土壤剖面的下降而逐步減少。

2.2 不同坡向土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮隨海拔梯度的變化

土壤中的氮以各種復(fù)雜的化學(xué)形態(tài)存在，其中可被植物吸收利用的主要是硝態(tài)氮（NO.-3）和銨態(tài)氮（NH.+4）。土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量主要來(lái)源于土壤微生物進(jìn)行的礦化作用，因此其含量的高低受土壤有機(jī)質(zhì)含量、微生物種類(lèi)和土壤環(huán)境條件如土壤溫度、濕度和鹽堿度等的多重影響。土壤銨態(tài)氮含量與土壤本身的通透性、質(zhì)地等因素有關(guān)，特別是在通氣良好的條件下， 硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌非常活躍，土壤中的銨態(tài)氮很容易轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮。硝態(tài)氮可以在反硝化細(xì)菌的作用下形成N2或N2O釋放到大氣中。土壤水解氮又稱(chēng)土壤有效氮，包括無(wú)機(jī)的礦質(zhì)態(tài)氮和部分有機(jī)物質(zhì)中的有機(jī)態(tài)氮，主要有銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白質(zhì)，這部分氮能反映近期內(nèi)土壤氮的供應(yīng)狀況[12]。

由圖2可知，陽(yáng)坡區(qū)域低海拔A4～A8樣地表層0～30 cm土壤硝態(tài)氮含量為1.53～5.45 mg/kg，明顯低于高海拔區(qū)域[次生林（A1）、灌木林（A2）和刺槐林（A3）均值14.09 mg/kg]。陰坡區(qū)域0～20 cm土層 退耕林（B1）含量最低，為0.45 mg/kg，其次是荒地（B4），最高是矮灌草（B2） ，為7.63 mg/kg。這可能是因?yàn)殛?yáng)坡高海拔區(qū)域和陰坡矮灌草（B2）植被生長(zhǎng)較好，枯落物歸還量較高，林下環(huán)境有利于微生物活動(dòng)，有更多底物供微生物礦化成硝態(tài)氮。試驗(yàn)區(qū)域硝態(tài)氮在剖面上的分布規(guī)律與水解性氮相似，含量均隨土層加深而減少。陽(yáng)坡0～30 cm土層銨態(tài)氮隨海拔梯度的降低而減少，但在幼林地（A5）和草叢（A8）明顯升高，具體原因有待進(jìn)一步研究。陰坡區(qū)域銨態(tài)氮隨海拔梯度的降低而增加，矮灌草（B2）含量最低，荒草地（B5）含量最高。矮灌草（B2）含量較低可能是因?yàn)楣嗄玖稚L(zhǎng)較好，對(duì)銨態(tài)氮的利用率較高。

在土壤剖面上，陽(yáng)坡各樣地間0～10和10～20 cm土層差異較大，在20～30 cm土層逐漸趨向一致。陰坡0～10 cm土層各樣地差異明顯，10～20 cm土層除荒草地（B5）外，其他樣地相差不大。

2.3 不同坡向土壤微生物量氮隨海拔梯度的變化

土壤微生物生物量是指生活在土壤中微生物活體的總量。土壤微生物生物量雖然僅占有機(jī)質(zhì)的很小部分，但對(duì)氮、磷、硫循環(huán)和植物有效性的作用巨大。一方面土壤微生物本身所含的養(yǎng)分氮、磷、硫等是植物潛在有效的，另一方面土壤微生物不僅通過(guò)自身的代謝和周轉(zhuǎn)，促進(jìn)養(yǎng)分的循環(huán)和植物有效性，成為土壤有效養(yǎng)分的重要來(lái)源，而且參與物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的許多生化反應(yīng)。因此，微生物生物量是土壤養(yǎng)分的儲(chǔ)備庫(kù)。土壤微生物對(duì)外界條件變化敏感，能夠及時(shí)反映土壤管理變化。土壤微生物量氮是指土壤中所有活微生物體內(nèi)所含有氮的總量占土壤有機(jī)氮總量的 1%～5%，是土壤氮養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)研究的重要參數(shù)，能夠直觀反映土壤微生物和土壤肥力狀況。

從圖3可以看出，陽(yáng)坡區(qū)域微生物量碳（MBC）和氮（MBN）與海拔呈極顯著相關(guān)（MBC：r=0.841，MBN：r=0.575，P<0.01），隨著海拔降低而減少，在表層0～30 cm土壤中的最大值（MBC：4.56 g/kg；MBN：155.00 mg/kg）和最小值（MBC：0.76 g/kg；MBN：18.70 mg/kg）都在相同的樣地，分別是次生林（A1）和草叢（A8）。這可能是因?yàn)椴輩玻ˋ8）主要是以旱生低矮灌叢荒草為主的荒地，地被蓋度小，植被改造土壤的能力較弱，土壤有機(jī)物質(zhì)積累緩慢，不利于微生物的生長(zhǎng)和繁殖。隨著海拔升高，植物群落環(huán)境開(kāi)始形成，土壤有機(jī)質(zhì)積累增多，微生物的種類(lèi)和數(shù)量均大幅度增加，因此微生物量碳和微生物量氮含量顯著升高。在陰坡區(qū)域，微生物量氮的最大值和最小值分別在荒地（B4）（95.23 mg/kg）和退耕林（B1）（18.86 mg/kg），在0～10 cm土層，退耕林（B1）遠(yuǎn)小于其他樣地。無(wú)論是陰坡還是陽(yáng)坡，樣地的微生物量碳和微生物量氮均隨土層深度的增加而明顯下降。

3 結(jié)論

從不同坡向看，陽(yáng)坡區(qū)域垂直帶土壤全氮含量隨海拔降低而逐漸下降，而陰坡區(qū)域相反。從土壤剖面看，不同坡向的土壤全氮含量都隨土層下降而逐漸降低，各樣地同一土層間差異程度明顯下降。土壤有機(jī)碳的分布規(guī)律與全氮相似，相關(guān)性分析表明，土壤全氮和有機(jī)碳在陽(yáng)坡和陰坡的相關(guān)系數(shù)分別為0.951和0.865，均達(dá)極顯著水平。說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中也存在碳氮的耦合作用。

陽(yáng)坡區(qū)域土壤水解性氮分布規(guī)律與全氮相似，與全氮均達(dá)極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.890，P<0.01）；土壤硝態(tài)氮含量在低海拔樣地平均含量明顯低于高海拔樣地；銨態(tài)氮隨海拔梯度的降低而減少，但在幼林地（A5）和草叢（A8）明顯升高，具體原因有待進(jìn)一步研究。從土壤垂直剖面看，水解性氮和硝態(tài)氮隨土層加深而減少，而銨態(tài)氮的變化趨勢(shì)不明顯。陰坡區(qū)域水解性氮與全氮也均達(dá)極顯著正相關(guān)（r=0.951）；硝態(tài)氮在退耕林（B1）含量遠(yuǎn)低于其他樣地；銨態(tài)氮?jiǎng)t在矮灌草（B2）較低，與其他樣地差異顯著。從剖面看，水解性氮和硝態(tài)氮隨剖面變化趨勢(shì)與陽(yáng)坡相似，銨態(tài)氮在0～10 cm土層各樣地差異顯著，10～20 cm土層除荒草地（B5），其他樣地相差不大，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮相關(guān)關(guān)系不顯著，這與陽(yáng)坡坡相一致。

陽(yáng)坡區(qū)域微生物量氮隨海拔降低而減少，與微生物量碳極顯著相關(guān)（r=0.875，P<0.01）。在陰坡區(qū)域，微生物量氮隨海拔降低而增加， 退耕林（B1）遠(yuǎn)小于其他樣地，與微生物量碳相關(guān)性未達(dá)顯著水平（r=0.367，a=0.05）。無(wú)論是陰坡還是陽(yáng)坡，樣地微生物量碳和微生物量氮均隨土層深度的增加而明顯下降。

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