大興安嶺多年凍土區(qū)不同土地利用方式對土壤碳、氮組分的影響

摘 要：為研究大興安嶺多年凍土區(qū)不同土地利用方式下不同深度土壤碳氮的特征，對大興安嶺漠河市沼澤、白樺林、落葉松、耕地4種土地利用方式下土壤碳氮儲量進行了分析。結果表明4種土地利用方式總碳、有機碳、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮存在顯著差異，且均隨土壤深度增加而降低。其中在0-10cm土層，沼澤總碳含量顯著高于耕地、落葉松（P<0.01）;白樺林與耕地的土壤有機碳含量具有顯著性差異（P<0.05）;沼澤銨態(tài)氮含量與白樺林具有極顯著差異（P<0.01），與落葉松具有顯著性差異（P<0.05）;沼澤的硝態(tài)氮含量遠遠大于其他三種土地利用方式（P<0.01）。10-30cm土層含量規(guī)律與土壤表層相似。通過相關性分析表明，土壤有機碳對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮影響較大（P<0.01）。大興安嶺多年凍土區(qū)，不同土地利用方式的碳、氮含量具有規(guī)律性、差異性。不同土地利用方式影響壤中碳、氮的含量。

關鍵詞：多年凍土;土地利用方式;土壤碳氮

1 緒論

多年凍土是寒區(qū)的重要標志，對植被發(fā)育、維持生態(tài)環(huán)境具有決定性作用[1]。作為我國唯一地帶性多年凍土區(qū)，大興安嶺已成為我國凍土研究的熱門區(qū)域之一[2]。碳、氮不僅是植物生長所需的主要的營養(yǎng)元素，也是組成土壤養(yǎng)分重要元素。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳庫，碳儲量是大氣碳儲量的2倍，植被碳儲量的4倍，且土壤氮庫與碳庫緊密相關[3-6]。

國內(nèi)外學者在土壤的碳氮方面進行了深入研究[7-9]，相關研究表明，在諸多影響土壤碳氮的因素中，土地利用方式改變是引發(fā)土壤碳庫、氮庫變化的重要驅動力[10]。但在多年凍土區(qū)的土地利用類型多局限于林地、濕地和草地等，耕地土壤碳氮研究相對較少。本研究通過對多年凍土區(qū)的4種典型土地利用方式沼澤、耕地、白樺林、落葉松土壤的碳氮含量特征進行分析，探究各土地利用類型碳氮分布差異，為該區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護提供了基礎數(shù)據(jù)。

2 材料與方法

2.1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于黑龍江省北部大興安嶺漠河市，北緯53°33′30″、東經(jīng)122°20'27.14"，屬寒溫帶大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季氣候干燥寒冷，年均氣溫為-3℃左右，年均降水量大致為350-550mm。試驗區(qū)內(nèi)土地主要分為林地、耕地、沼澤3種利用類型，森林覆蓋率為90.6%[11]。受高寒氣候的影響，該地區(qū)植物種類相對較少，其中林地植被以興安落葉松和白樺為主，伴生少量樟子松、山楊林等[12-13]，耕地以玉米、大豆為主要農(nóng)作物，濕地植被以苔草為主。

2.2 樣品采集與測試

土壤樣品于2017年7月份在大興安嶺漠河市進行采集。按不同土地利用方式將樣地劃分為耕地、沼澤、落葉松以及白樺林4個類型。每個類型樣地中設置3個重復樣點，按照0-10cm，10-20cm，20-30cm分層采集土壤。將新鮮的土壤去除石塊、植物根系后，密封于樣品袋中帶回。過2mm孔徑的尼龍篩，一部分放置于4℃冰箱，另外一部分風干保存。土壤樣品測定包括：總碳（TC）、土壤有機碳（SOC）、土壤銨態(tài)氮（NH+4-N）和土壤硝態(tài)氮（NO-3-N）。其中TC和SOC使用Multi N/C 3100碳/氮分析儀（德國耶拿）測定，NH+4-N、NO-3-N采用Lammbda35型紫外/可見光光度計（美國帕金埃爾默）進行測定。

3 結果與分析

3.1 不同土地利用方式TC分布特征

如圖1所示，研究區(qū)土壤TC含量在49.02-144.80g/kg之間，4種類型土壤在垂直剖面上，TC含量均隨深度的增加而減少。沼澤、白樺林、落葉松、耕地底層土壤（20-30cm）TC平均含量比表層（0-10cm）土壤分別減少了44.58%、30.83%、28.11%、2.75%。就水平方向而言，TC平均含量在0-10cm從大至小依次為沼澤>白樺林>落葉松>耕地。沼澤極顯著高于耕地、落葉松（P<0.01），與白樺林無顯著差異（P>0.05）。10-20cm、20-30cm的變化規(guī)律與0-10cm一致，沼澤土壤TC平均含量最高，耕地含量最低，兩者呈極顯著相關（P<0.01），耕地與落葉松顯著相關（P<0.05）。

3.2 不同土地利用方式SOC分布特征

由圖2可知，4種類型土壤在垂直剖面上SOC含量為1528-140.50g/kg，均隨土壤深度增加而減少。在0-10cm土壤SOC含量從高至低分別為沼澤、白樺林、落葉松、耕地。沼澤SOC含與其他利用類型土地具有顯著性差異（P<0.05），白樺、落葉松、耕地間無顯著性差異（P>0.05）。在10-20cm、20-30cm土層之間，土壤SOC含量從高至低分別為沼澤、耕地、白樺林、落葉松，以及沼澤、耕地、落葉松、白樺林。方差研究表明，在10-20cm、20-30cm土層中沼澤含量依然為最高，且與耕地呈無顯著性差異（P>0.05），在20-30cm中，白樺含量最低12.69g/kg，沼澤有機碳含量與白樺林具有極顯著相關（P<0.01）。

3.3 不同土地利用方式NH+4-N分布特征

如圖3所示，各類型土壤NH+4-N含量在6.66-27.81mg/kg之間，均隨土壤深度增加而降低。在0-10cm深度下的土層中，沼澤的NH+4-N含量最高，從高至低依次為沼澤、白樺林、落葉松、耕地。沼澤與白樺林、落葉松的NH+4-N含量有極顯著差異（P<0.01），與耕地呈現(xiàn)顯著性差異（P<0.05）。10-20cm土層的NH+4-N含量大小排序與土壤表層含量是一致的，沼澤與白樺林、落葉松、耕地呈極顯著差異（P<0.01）。在20-30cm深度中，其從大至小的排序為沼澤>白樺>耕地>落葉松，落葉松為最小值，沼澤與其他土地利用方式的NH+4-N含量呈現(xiàn)極顯著差異（P<0.01）。沼澤NH+4-N含量比土壤表層減少了4.47615mg/kg。

3.4 不同土地利用方式下NO-3-N分布特征

由圖4可知，研究區(qū)內(nèi)土壤NO-3-N的含量在0.10-11.21mg/kg之間，均隨土壤深度的增加而減少。在0-10cm深度內(nèi)，不同土地利用方式NO3—N由高到低為：沼澤>落葉松>白樺林>耕地。沼澤含量遠大于其他三種土地類型（P<0.01）。10-20cm及20-30cm深度土壤NO-3-N和土壤表層的規(guī)律一致，在10-30cm土層中，耕地與沼澤具有極顯著差異（P<0.01），與其他兩種土地利用類型無顯著性差異（P>0.05）。

3.5 土壤碳氮間相關性分析

由下表可知，SOC與NH+4-N、NO-3-N含量均呈現(xiàn)極顯著相關（P<0.01），相關系數(shù)0.850以及0.867;土壤TC與土壤NH+4-N含量具有極顯著相關關系（P<0.01），與NO-3-N具有顯著性相關關系（P<0.05）。

3.6 討論

在大興安嶺多年凍土區(qū)，4種土地類型的碳含量均為表層（0-10cm）最高，這是由于0-10cm區(qū)域是土壤與植被地上部分的交界處，每年的枯枝落葉及新鮮的動物殘體全部聚集至土壤表面，有助于土壤碳的加快輸入[14，15]。并且在研究區(qū)域內(nèi)，常年有植被覆蓋，使土壤中植物根系分泌物增加，為土壤的表層提供了更多的營養(yǎng)物質(zhì)，不斷提高土壤碳含量。隨著土壤深度的增加，有機質(zhì)含量逐漸減少，導致碳含量減少。而就土地利用方式間的差異而言，在整個土層內(nèi)沼澤碳含量大于其他土地類型。相關研究表明，在全球陸地總面積中，濕地只占其面積的6-8%，但含碳量卻占陸地土壤碳庫的三分之一[16]，是全球最大的碳庫，碳總量約為600Gt C[17]。并且沼澤地表有積水時，土壤的通透性很差，導致氧氣缺乏、微生物活性低，所以有機殘體會緩慢得分解，礦化分解過程不徹底，中間產(chǎn)物隨著停留時間加長，積累會越多，為腐殖質(zhì)的形成給予了良好的環(huán)境，積水越深、時間越長，就有利于土壤的積累，從而不利于土壤碳的釋放。耕地在0-30cm土層間，由于耕地常年翻耕，致使土壤表層松軟，加重了耕地水土流失，致使土壤全碳在不同深度下的差異并不明顯。并且在農(nóng)作物的收獲后，會導致植物中的碳不能還田，所以以上的原因都導致了耕地不利于土壤碳的沉積[18]。

土壤中的氮元素主要以植物殘體的歸還量和生物固氮作用為輸入模式，還有少部分來源于大氣沉降。大氣是氮元素的最終來源，固氮細菌及藍藻是氮元素轉化的原因，在土壤植物根系的分布范圍內(nèi)最為活躍。土壤NH+4-N和NO-3-N屬于無機氮，可以直接被植物利用，所以在0-20cm土層內(nèi)氮含量較高[19]。土壤表層0-10cm的氮含量高于其他剖面，表明土壤氮存在表層聚集現(xiàn)象。其原因可能是在垂直方向上，氮元素被植物根系直接吸收，但受生物循環(huán)的影響，使吸收的氮的營養(yǎng)元素歸還于土壤的表層（固定與轉化），致使氮元素在0-10cm土層積累[20]。

參考文獻：

[1]楊文，王勇，尹喜霖.黑龍江省大興安嶺地區(qū)多年凍土環(huán)境的芻議[J].環(huán)境科學與管理，2005，30（3）：57-59，112.

[2]孫菊，李秀珍，王憲偉，等.大興安嶺凍土濕地植物的生態(tài)特征及分布區(qū)型[J].生態(tài)學雜志，2010，29（6）：1061-1067.

[3]Lal R.Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security.Science，2004，304：1623-1627.

[4]Post WM，Kwon KC.Soil carbon sequestration and land-use change：Processes and potetial.Global Change Biology，2000，6：317-327.

[5]Tom MS，Trunbore SE，Chadwick OA，et al.Mineral control of soil organic carbon on storage and turnover.Nature，1997，389：170-173.

[6]Batjes NH.Total catbon and nitrogen in the soils of the soil of the world.European Journal of Soil Science，1996，47：151-163.

[7]牟長城，王彪，盧慧翠，包旭，崔巍.大興安嶺天然沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量.生態(tài)學報，2013，33（16）：4956-4965.

[8]Yallop AR，Clutterbuck B.Land management as a factor controlling dissolved organic carbon release from upland peat soils：Spatial variation in DOC productivity.Science of the Total Environment，2009，407：3803-3813.

[9]王嬌月.凍融作用對大興安嶺多年凍土區(qū)泥炭地土壤有機碳的影響研究[M].中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，2014.

[10]楊光，邸雪穎，舒立福.近40a大興安嶺漠河縣林火行為指標變化特征[J].東北林業(yè)大學學報，2012，40（12）：76-80，98.

[11]Davidson EA，Ackerman IL.Change in soil carbon inventories following cultivation of previous untilled soils[J].Biogeochemistry，1993，20：161-193.

[12]郭金停，韓風林，胡遠滿，等.大興安嶺北坡多年凍土區(qū)植物生態(tài)特征及其對凍土退化的響應[J].生態(tài)學報，2017，37（19）：6552-6561.

[13]丁令智，滿秀玲，肖瑞晗.大興安嶺北部主要樹種生長季根際土壤氮素含量特征[J].中南林業(yè)科技大學學報，2019，39（2）：65-71，92.

[14]王合云，郭建英，董智，李紅麗，李錦榮，陳新闖.不同放牧退化程度的大針茅典型草原有機碳儲量特征.中國草地學報，2016，38（2）：65-71.

[15]趙勁松，張旭東，袁星，王晶.土壤溶解性有機質(zhì)的特性與環(huán)境意義[J].應用生態(tài)學報，2013，14（1）：126-130.

[16]Mitsch WJ，Gosselink JG Wetlands（4th.edn），John Wiley & Sons，New York，NY，2007.

[17]Yu Z.Holocene carbon flux histories of the worlds peatlands.The Holocene，2011，21，761-774.

[18]李鑒霖，江長勝，郝慶菊.縉云山不同土地利用方式土壤有機碳組分特征.生態(tài)學報，2015，35（11）：3733-3742.

[19]王軍靜，白軍紅，趙慶慶，等.哈拉海濕地蘆葦沼澤土壤碳、氮和磷含量的剖面特征[J].濕地科學，2014，12（6）：690-696.

[20]楊佳佳.延河流域植被類型對土壤酶活性和土壤碳氮形態(tài)的影響[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2014.

作者簡介：劉雨桐，女，哈爾濱師范大學碩士研究生。