艾比湖濕地不同植物群落下土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮時空分布特征

馬瑩萍　李艷紅　努爾比耶·阿布都熱合曼

摘 要：為研究新疆艾比湖濕地不同植物群落土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮時空變化特征，筆者以艾比湖典型植被梭梭、胡楊、檉柳和蘆葦群落為研究對象，分析不同植物群落下銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的時空分布，并進行土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析。結(jié)果表明，不同植物群落土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量分別介于2.45～14.02mg/kg、58.45～1.28mg/kg，兩種氮素形態(tài)都以硝態(tài)氮為主。從垂直來看，4種不同群落的總體分布為檉柳群落>梭梭群落>胡楊群落>蘆葦群落。從時間來看，8月銨態(tài)氮累積較多，11月硝態(tài)氮累積含量較多，且8月、11月銨態(tài)氮和硝態(tài)氮與土壤的理化性質(zhì)具有顯著性差異。

關(guān)鍵詞：艾比湖濕地;銨態(tài)氮;硝態(tài)氮;時空分布

中圖分類號：X833 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）26-0150-07

Temporal and Spatial Distribution Characteristics of Soil Ammonium and Nitrate Nitrogen in Different Plant Communities in the Ebinur Lake Wetland

MA Yingping LI Yanhong NURBIYE Abdulzheman

（Xinjiang Normal University，Urumqi Xinjiang 830054）

Abstract： In order to study the spatial and temporal variation characteristics of soil ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in different plant communities in the Ebinur Lake wetland in Xinjiang，the author studied the typical vegetation of Haloxylon ammodendron， Populus euphratica， Tamarix chinensis and Phragmites communis， analyzed the spatial and temporal distributions of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in different plant communities， and carried out the correlation analysis of soil physical and chemical properties. The results showed that the contents of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in different plant communities were between 2.45 and 14.02mg/kg and 58.45 to 1.28mg/kg， respectively， the two nitrogen forms were mainly nitrate nitrogen. From a vertical perspective， the overall distribution of four different communities was Tamarix chinensis community>Haloxylon ammodendron>Populus euphratica community>Reed community. From the time point of view， the accumulation of ammonium nitrogen was more in August， and the accumulation of nitrate nitrogen in November was more， and the physicochemical properties of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in August and November were significantly different.

Keywords： Wetland of Ebinur Lake;ammonium nitrogen;nitrate nitrogen;space-time distribution

濕地是具有獨特土壤、水文、植被與生物特征的生態(tài)系統(tǒng)，濕地氮素分布特征影響濕地植物的養(yǎng)分供給和濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[1，2]。新疆艾比湖是典型的干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊，由于降水稀少、蒸發(fā)旺盛，土壤鹽澤化為影響該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素之一[3]。學(xué)者對艾比湖的水分、養(yǎng)分、鹽分等土壤理化性質(zhì)進行了多方面的研究[4-7]，而對艾比湖流域不同植物群落下氮素的時空變化研究甚少。為探尋干旱區(qū)湖泊濕地有機碳的蓄積量及固碳機制[8，9]，本文選擇艾比湖沿湖不同植物群落作為研究對象，對艾比湖不同類型1m深度土壤的有機碳儲量進行分層定量測算后統(tǒng)計濕地的總氮庫量，分析不同植物群落下土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的時空變化，探究土壤理化性質(zhì)與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的相關(guān)性，為新疆干旱區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)、保護與科學(xué)管理提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

艾比湖濕地自然保護區(qū)位于東經(jīng)82°36′～83°50′，北緯44°30′～45°09′。它是新疆第一大咸水湖，總面積約650km2，屬于典型溫帶大陸性氣候，日照充足，蒸發(fā)量大，降水量少。年均氣溫為6～8℃，多年平均降水量為200mm[10-14]。本研究按湖心質(zhì)點將研究區(qū)分為西南、東南、東北和西北四個部分。西南部有博爾塔拉河，土壤類型主要有粉砂、細(xì)砂、鹽土和砂土，植被以蘆葦和堿蓬為主;東南部為河流沖積平原和湖積平原，同時也疊加風(fēng)成地貌，土壤類型為灰棕漠土、灰漠土和鹽土[15]，主要植被類型為胡楊、梭梭和羅布麻等植物;東北部是準(zhǔn)噶爾盆地西南邊最低洼地和水鹽匯集中心[16]，土壤類型有灰棕漠土、灰漠土，主要植被類型有梭梭、胡楊和檉柳等耐鹽堿植被;西部處于阿拉爾山口的主風(fēng)道，土壤類型為風(fēng)沙土、砂粒，主要植被類型為梭梭、檉柳和蘆葦?shù)萚17]。研究其空間變異規(guī)律可為土壤和地下水環(huán)境的保護，防止水體富營養(yǎng)化提供科學(xué)依據(jù)。

1.2 研究方法

2017年8月，沿湖由北（石頭房子）至南（鳥島）設(shè)置7個采樣點（石頭房子、科克巴斯陶、桑德庫木、鹽池橋、鴨子灣、北地和鳥島），分別選擇梭梭、胡楊、蘆葦和檉柳4種典型植物群落，同時記錄各采樣點的經(jīng)緯度、海拔、地形、地貌及植被特征等環(huán)境因素，如表1所示。每個采樣點設(shè)置一個100m×100m大樣方，用五點法分別在每個大樣方中設(shè)5個10m×10m的小樣方。每個小樣方內(nèi)取一個剖面分5層取樣，即0～5cm、5～10cm、10～20cm、20～40cm和40～60cm，采好后放入密封袋中。樣品在實驗室內(nèi)風(fēng)干、碾碎、過篩，標(biāo)記后放在陰涼干燥處儲存?zhèn)溆肹18]。

本研究采用數(shù)理統(tǒng)計方法，選用Excel 2003處理數(shù)據(jù)、ArcGIS制圖，運用SPSS 23.0分析銨態(tài)氮、硝態(tài)氮土壤理化性質(zhì)。

2 不同植物群落濕地土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的動態(tài)分布特征

2.1 不同植物群落濕地土壤銨態(tài)氮動態(tài)分布特征

2.1.1 不同植物群落濕地土壤銨態(tài)氮空間分布特征。如圖1（a）所示，2015年8月，銨態(tài)氮含量為3.85～15.24mg/kg。從垂直分布來看，4種不同植物群落濕地土壤中，檉柳群落濕地銨態(tài)氮含量明顯偏高，總體趨勢為10～20層出現(xiàn)小累積峰且都降低。從水平分布來看，4種植物群落濕地土壤銨態(tài)氮總體趨勢表現(xiàn)為由地表向地下含量逐漸降低，5～10層出現(xiàn)小累積峰和明顯的低谷（分解谷）。4種不同群落的總體分布趨勢為檉柳群落>梭梭群落>胡楊群落>蘆葦群落。

相反，如圖1（b）所示，11月的銨態(tài)氮含量為2.47～7.53mg/kg。垂直方向上，胡楊群落濕地土壤銨態(tài)氮含量明顯降低，總體來看，10～20層出現(xiàn)小累積峰且都降低。從水平分布來看，其土壤銨態(tài)氮總體趨勢為0～5層，5～10層，胡楊群落>蘆葦群落>梭梭群落>檉柳群落;10～20cm，20～40cm，40～60cm層，蘆葦群落>梭梭群落>檉柳群落>胡楊群落。4種不同植物群落濕地土壤達(dá)到顯著差異水平（[P]<0.05）。

2.1.2 不同植物群落濕地土壤銨態(tài)氮的時間變化特征。如圖2（a）所示，2015年8月，梭梭群落土壤銨態(tài)氮含量為5.32～6.89mg/kg。總體來看，各土層銨態(tài)氮含量差距不大，梭梭群落濕地土壤剖面20～40層銨態(tài)氮平均含量高，40～60層含量最低，與各土層的肥量有關(guān)。梭梭群落平均值為14.05mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.01。2015年11月，銨態(tài)氮含量范圍為3.85～4.97mg/kg。平均值為16.8mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.02，總體趨勢為每個土壤層8月銨態(tài)氮含量都高于11月，說明梭梭群落土壤累積銨態(tài)氮含量具有季節(jié)性，且夏季大于秋季。

如圖2（b）所示，2015年8月胡楊群落土壤銨態(tài)氮含量為8.72～4.02mg/kg，土壤剖面0～5層銨態(tài)氮含量最高，5～10層含量最低，但無明顯差距。胡楊群落土壤銨態(tài)氮平均值為4.15mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.01，隨著土層深度的變大，銨態(tài)氮含量逐漸降低。11月，胡楊群落銨態(tài)氮含量范圍為5.24～2.01mg/kg。總體來看，11月胡楊群落土壤銨態(tài)氮含量明顯低于8月。但隨著土壤深度的增加，銨態(tài)氮含量逐漸減少。

如圖2（c）所示，2015年8月，蘆葦群落土壤銨態(tài)氮含量為5.91～3.08mg/kg。0～5土層蘆葦群落土壤銨態(tài)氮含量最高，10～20土層含量最低。銨態(tài)氮平均含量為10.85mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.01。11月，蘆葦群落土壤銨態(tài)氮含量為5.83～4.05mg/kg。20～40層土壤剖面累積的銨態(tài)氮含量最多，5～10層的累積含量最低，銨態(tài)氮的平均含量為8.72mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.02，總體上，蘆葦群落土壤銨態(tài)氮含量兩個月增減趨勢大概一致。

如圖2（d）所示，2015年8月，檉柳銨態(tài)氮含量為13.01～16.23mg/kg，總體上各土層銨態(tài)氮含量一致。銨態(tài)氮平均含量為8.13mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.30。11月，檉柳群落土壤銨態(tài)氮含量為8.72 mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.21?？傮w來看，其增減趨勢一致，無明顯增減，累積量一樣且8月銨態(tài)氮含量明顯高于11月。

不同植物群落下平均銨態(tài)氮含量統(tǒng)計特征值如表2所示。

2.2 不同植物群落土壤硝態(tài)氮動態(tài)分布特征

2.2.1 不同植物群落土壤硝態(tài)氮空間分布特征。如圖3所示，2015年8月，硝態(tài)氮含量為16.45～46.73mg/kg。垂直分布上，4種不同植物群落濕地土壤硝態(tài)氮含量變化趨勢一致，整體來看，由表向上明顯增高，40～60層出現(xiàn)小累積峰。蘆葦群落土壤累積峰出現(xiàn)在5層，且硝態(tài)氮含量逐漸降低。水平分布上，4種不同群落總體分布趨勢為檉柳群落>梭梭群落>胡楊群落>蘆葦群落。2015年11月，硝態(tài)氮含量為2.47～7.30mg/kg。從垂直分布上看，4種不同植物群落土壤各土層硝態(tài)氮含量分解谷明顯，10～20層胡楊群落硝態(tài)氮含量最多，總體來看，40～60層都出現(xiàn)小累積峰且含量最低。從水平分布來看，4種植物群落土壤硝態(tài)氮含量的分布為：胡楊群落>梭梭群落>檉柳群落>蘆葦群落。

2.2.2 不同植物群落土壤硝態(tài)氮時間變化特征。如圖4（a）所示，2015年8月，梭梭群落土壤硝態(tài)氮含量為58.34～1.72mg/kg?？傮w來看，8月各土層硝態(tài)氮含量差距不大，梭梭群落濕地土壤剖面20～40層銨態(tài)氮的平均含量高，40～60層含量最低，這與各土層的肥量有關(guān)。梭梭群落平均值為34.05mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為為0.08。11月，硝態(tài)氮的含量范圍為56.43～1.97mg/kg。平均值為19.08mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.03，總體來看，8月每個土壤層的硝態(tài)氮含量都高于11月，說明梭梭群落土壤累積的硝態(tài)氮含量具有季節(jié)性，且夏季大于秋季。

如圖4（b）所示，2015年8月，胡楊群落土壤硝態(tài)氮含量介于54.62～1.34mg/kg，0～5層銨態(tài)氮含量最高，5～10層含量最低，胡楊群落土壤硝態(tài)氮平均值為20.96mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.2，隨著土層深度的變大，硝態(tài)氮含量逐漸降低。11月，胡楊群落銨態(tài)氮含量范圍為58.46～2.01mg/kg。隨著土壤深度增加，銨態(tài)氮含量逐漸減少。

如圖4（c）所示，2015年8月，蘆葦群落土壤硝態(tài)氮含量為5.91～3.08mg/kg。0～5土層蘆葦群落土壤硝態(tài)氮含量最高，10～20土層含量最低。硝態(tài)氮平均含量為19.43mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.5。11月，蘆葦群落土壤硝態(tài)氮含量為48.24～1.85mg/kg。20～40層土壤剖面累積硝態(tài)氮含量最多，5～10層累積含量最低，銨態(tài)氮的平均含量為18.8mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.5，總體上來，蘆葦群落土壤硝態(tài)氮含量兩個月的增減趨勢大概一致，沒有太明顯的差別。

如圖4（d）所示，2015年8月，檉柳硝態(tài)氮含量為58.42～4.08mg/kg，總體上看，各土層硝態(tài)氮的含量一致，無明顯差別。銨態(tài)氮的平均含量為25.6mg/kg，平準(zhǔn)值為1.24mg/kg。11月，檉柳群落土壤硝態(tài)氮含量為53.2～2.03mg/kg。

不同植物群落的平均硝態(tài)氮含量如表3所示。

3 結(jié)果分析

3.1 不同植物群落土壤理化性質(zhì)與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的關(guān)系

2015年8月，不同植物群落銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性如表4所示。銨態(tài)氮與有機質(zhì)、鹽分含量呈顯著正相關(guān)（[P]<0.05），說明土壤銨態(tài)氮與有機質(zhì)的變化緊密聯(lián)系，有機質(zhì)和鹽分存儲在土壤中。銨態(tài)氮與土壤pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)（[P]<0.01），說明土壤pH值是影響銨態(tài)氮與硝態(tài)氮平衡轉(zhuǎn)化的重要因素，pH值會影響土壤中微生物的活性，進而間接影響其平衡轉(zhuǎn)化[19，20]。

2015年11月，不同植物群落銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性如表5所示。有機質(zhì)與銨態(tài)氮呈負(fù)相關(guān)（[P]<0.05），這與土壤儲存養(yǎng)分的季節(jié)性有關(guān)。銨態(tài)氮與鹽分、pH值呈顯著正相關(guān)（[P]<0.05），說明土壤銨態(tài)氮與鹽分、pH直接相關(guān)，鹽分儲存于土壤中。硝態(tài)氮與有機質(zhì)、鹽分呈顯著正相關(guān)（[P]<0.05），說明土壤硝態(tài)氮與有機質(zhì)的變化緊密關(guān)聯(lián)，有機質(zhì)和鹽分儲存于土壤中。硝態(tài)氮與pH值呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)（[P]<0.05），pH值會影響土壤中微生物的活性，進而間接影響其平衡轉(zhuǎn)化。

3.2 不同植物群落土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的空間變異性分析

結(jié)合半方差函數(shù)理論及計算模型，本研究得出了2015年8月、11月不同植物群落的土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮變異函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)，如表6、表7所示。半方差模型參數(shù)中，能夠表明土壤性質(zhì)空間相關(guān)性高低程度的參數(shù)為空間相關(guān)性，即[C0/（C0+C1）]。若[C0/（C0+C1）]值小于25%，表現(xiàn)為強空間相關(guān)性;若比值為25%～75%，空間相關(guān)性為中等;若比值大于75%，空間相關(guān)性很弱;若比值接近1，表明區(qū)域尺度上具有恒定的變異。

通過分析可知，除11月檉柳群落下土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮為指數(shù)模型和8月梭梭群落下土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮為球狀模型外，其他群落下土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量的半方差理論模型均為高斯模型。本研究所選取的4種植物群落中，除8月檉柳群落下土壤的銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量的[C0/（C0+C1）]均值大于25%外，其余群落土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量的[C0/（C0+C1）]值均小于25%。由此可見，不同植物群落土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮呈較強的空間自相關(guān)性。

對模型的結(jié)構(gòu)方差、塊方差和基臺值（[C0+C1]）的比值分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)不同植物群落下土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的空間差異以結(jié)構(gòu)性差異為主，其主要可能是當(dāng)?shù)匦夂?、土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素引起的，8月梭梭群落下土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量的塊金值（[C0]）和基臺值（[C0+C1]）均高于其他植物群落相應(yīng)值，說明8月梭梭群落下土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量的總變異程度明顯強于其他植物群落?？傮w來看，8月、11月不同植物群落下土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮均有一定的空間變異性。

3.3 不同植物群落對土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的空間分布影響

土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的空間分布如圖5所示。通過克里格插值法（Kriging）對2015年8月和11月的土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量進行插值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，植物群落土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量空間分布呈破碎斑塊狀，高值主要分布在艾比湖周邊區(qū)域，低值主要分布在遠(yuǎn)離艾比湖區(qū)域。8月，土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮最值范圍分別為1.3～29.7mg/kg、13.2～75.2mg/kg;11月，土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮最值范圍分別為2.1～11.0mg/kg、2.3～55.3mg/kg。

濕地植物群落與土壤理化性質(zhì)之間具有一定影響，通過土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量空間分析，筆者發(fā)現(xiàn)，8月土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量分布高于11月，表明植物群落生長區(qū)域土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量隨季節(jié)的變化而改變，具有季節(jié)性。另外，含水量對土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的形成與積累產(chǎn)生一定影響。

4 結(jié)論

不同植物群落土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量分布介于2.45～14.02mg/kg、58.45～1.28mg/kg，兩種氮素形態(tài)都以硝態(tài)氮為主。從垂直分布看，4種不同植物群落土壤銨態(tài)氮含量總體趨勢均表現(xiàn)為由地表向地下逐漸降低，但累積峰深度不同。從水平分布看，4種不同植物群落土壤硝態(tài)氮含量總體趨勢均表現(xiàn)為由地表向地下逐漸上升，每個土層的累積峰度也高。受土壤理化性質(zhì)影響，植物群落不同，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的相互轉(zhuǎn)化能力不同。

不同月份，不同植物群落土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的含量分布不同。銨態(tài)氮8月累積含量較多，硝態(tài)氮11月累積的含量較多，且8月和11月的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與土壤的理化性質(zhì)具有顯著性差異，跟月份緊密相關(guān)。有機質(zhì)、pH值與8月不同植物群落的土壤銨態(tài)氮分布顯著相關(guān)。鹽分與硝態(tài)氮含量具有顯著性。有機質(zhì)、鹽分與11月不同植物群落的土壤硝態(tài)氮含量具有顯著性，pH值與不同植物群落的銨態(tài)氮顯著相關(guān)。

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