哈溪林區(qū)土壤氮礦化隨海拔植被變化特征

張恒平，張富，車(chē)宗璽，顧玉梅

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，甘肅 張掖734000；3.天祝藏族自治縣哈溪鎮(zhèn)人民政府，甘肅 天祝 733206）

祁連山是我國(guó)著名的高大山系之一，位于歐亞大陸中心，處于青—蒙—黃土高原交匯地帶。受三大高原氣候的影響，祁連山土壤、植被空間差異明顯，尤其表現(xiàn)為植被自東南向西北逐漸荒漠化[1-2]。祁連山高海拔地區(qū)氣候嚴(yán)寒，淺山區(qū)干旱少雨，自然條件惡劣，土壤養(yǎng)分的有效性受到限制，從而影響植被的生產(chǎn)力。土壤氮是植被生產(chǎn)力的主要影響因素，植被吸收的氮幾乎都是通過(guò)微生物礦化作用從有機(jī)態(tài)轉(zhuǎn)化為銨態(tài)和硝態(tài)2 種無(wú)機(jī)態(tài)有效氮，前者簡(jiǎn)稱(chēng)銨化，后者簡(jiǎn)稱(chēng)硝化。

土壤氮礦化是陸地生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)的重要過(guò)程，主要受水熱及植被等要素的影響[3]，很大程度上決定陸地生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力[4]，被認(rèn)為是土壤氮循環(huán)的關(guān)鍵，是控制植物有效氮的主要過(guò)程[5]。因此，研究土壤氮礦化及其影響因素對(duì)探討植被生產(chǎn)力和氮循環(huán)具有重要意義[6]。隨著氣候變化和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的深入，土壤氮循環(huán)及其影響因素的研究廣受關(guān)注[7]。目前，國(guó)外土壤氮礦化研究主要集中在不同因素對(duì)土壤氮礦化動(dòng)態(tài)的影響[3,8]、森林土壤氮礦化速率及其影響因素[9]、土壤氮礦化對(duì)氣候變化的響應(yīng)[10]等方面。我國(guó)土壤氮礦化研究主要在農(nóng)田、森林和草原[11-13]等方面，以及土壤氮礦化的時(shí)空分布格局和與溫度、水分等環(huán)境因子的相關(guān)性等研究[14-16]，但對(duì)土壤氮礦化在不同植被類(lèi)型和海拔梯度上的特征研究還較少。因此，本研究以祁連山青海云杉林和草地2 種植被類(lèi)型為研究對(duì)象，在不同海拔梯度上進(jìn)行土壤氮礦化測(cè)定分析，了解其變化規(guī)律以及氮礦化過(guò)程與各因素之間的相關(guān)性，為研究祁連山地區(qū)土壤氮礦化對(duì)海拔變化的響應(yīng)機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)哈溪自然保護(hù)站，分青海云杉林和草地2 個(gè)研究分區(qū)。青海云杉林研究分區(qū)102°23′～102°42′E、37°20′～37°30′N(xiāo)，草地研究分區(qū)102°19′～102°34′E、37°28′～37°39′N(xiāo)。氣候高寒陰濕，年平均氣溫多在1.8 ℃，年降水量300～500 mm，主要集中在5～9 月，占全年降水量的89.2%，相對(duì)濕度50%～70%。主要植被為青海云杉Picea crassifolia、祁連圓柏Sabuna przewalskii等組成的高溫性針葉林；灌木主要有吉拉柳Salix gilashanica、金 露 梅Potentilla fruticosa、爬 地 柏Sabina procumbens、鮮 黃 小 檗Berberis diaphana等；草本主要有珠芽蓼Polygonum viviparum、苔草Carex tristachya、蘚生馬先蒿Pedicularis muscicola等，林區(qū)土壤均為山地森林灰褐土[15]。

2 材料與方法

2.1 研究方法

野外試驗(yàn)采用頂蓋埋管培養(yǎng)法，培養(yǎng)管采用PVC 管，管徑7.5 cm，管長(zhǎng)25 cm。沿海拔2 700 m、2 800 m、2 900 m、3 000 m、3 100 m 依次布設(shè)培養(yǎng)樣方。每個(gè)海拔梯度設(shè)置3 個(gè)樣方，樣方四角用木樁標(biāo)記。青海云杉林樣方20 m×20 m，草地樣方10 m×10 m。每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選取4 個(gè)取樣點(diǎn)，去除樣點(diǎn)表層枯落物及腐殖質(zhì)，每個(gè)樣點(diǎn)分別將5 個(gè)PVC 管垂直打入土中，入土深20 cm。連同土體拔出培養(yǎng)管，下端用尼龍網(wǎng)和塑料布冠封后插回原洞。同時(shí)，每個(gè)PVC 管旁邊用土鉆各取2 個(gè)土樣用于分析土壤養(yǎng)分，土鉆直徑5 cm，取樣深20 cm。土樣采集后及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室置于4 ℃恒溫箱冷藏備用[6]。于2014 年6 月埋管，2015年6 月取管，土樣從PVC 管中取出后及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮含量，酚二磺酸比色法測(cè)定硝態(tài)氮含量，氧化鎂浸提擴(kuò)散法測(cè)定銨態(tài)氮含量[14]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

土壤氮礦化量計(jì)算公式：W=W1-W0

土壤氮礦化比計(jì)算公式：R=(W/O0)×100%

式中：W為土壤氮礦化量mg/(kg·a)；W1為培養(yǎng)1 年后土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量mg/kg；W0為培養(yǎng)前土壤中初始銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量mg/kg；R為土壤氮礦化比；O0為培養(yǎng)前土壤中初始有機(jī)氮含量mg/kg。

3 結(jié)果與分析

3.1 礦化特征

由表1 看出，同一海拔梯度，青海云杉林與草地之間，礦化量和礦化比均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明其數(shù)值的差異不屬于隨機(jī)誤差，由試驗(yàn)因素即植被類(lèi)型的不同導(dǎo)致。表1 顯示，同一海拔梯度，青海云杉林礦化量和礦化比數(shù)值均大于草地近一個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明青海云杉林土壤氮礦化過(guò)程遠(yuǎn)比草地土壤強(qiáng)烈。

青海云杉林礦化量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果海拔分為4 組：2 700 m、3 000 m 為一組，其余海拔梯度各為一組，組內(nèi)無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明其數(shù)值差異屬于隨機(jī)誤差，同組試驗(yàn)因素即海拔梯度帶來(lái)的效果相同；組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明其數(shù)值差異不屬于隨機(jī)誤差，組間試驗(yàn)因素即海拔梯度帶來(lái)的效果不同。青海云杉林礦化量2 800 m 海拔組數(shù)值最大，2 900 m 海拔組數(shù)值最小，說(shuō)明青海云杉林土壤氮絕對(duì)礦化能力在海拔2 800 m 處最強(qiáng)，在海拔2 900 m 處最弱。青海云杉林礦化比，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果海拔分為2 組：2 900 m 為一組，其余海拔為一組。青海云杉林礦化比在2 900 m 海拔組數(shù)值最大，說(shuō)明青海云杉林土壤氮相對(duì)礦化能力在海拔2 900 m 處最強(qiáng)。

草地礦化量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果海拔分為4 組：2 900 m、3 000 m 為一組，其余海拔各為一組。表1 顯示，草地礦化量2 900 m、3 000 m 海拔組數(shù)值最大，2 800 m 組數(shù)值最小，說(shuō)明草地土壤氮絕對(duì)礦化能力在海拔2 900～3 000 m 處最強(qiáng)，在海拔2 800 m 處最弱。草地礦化比，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果海拔分為4 組：2 700 m、2 900 m 為一組，其余海拔各為一組。草地礦化比3 000 m 海拔組數(shù)值最大，3 100 m 海拔組數(shù)值最小，說(shuō)明草地土壤氮相對(duì)礦化能力在海拔3 000 m 處最強(qiáng)，在海拔3 100 m 處最弱。

表1 礦化量測(cè)定及其統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 銨化和硝化特征

由表2 看出，同一海拔梯度，青海云杉林與草地之間，土壤銨化和硝化量均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明其數(shù)值差異不屬于隨機(jī)誤差。表2 顯示，同一海拔梯度，青海云杉林銨化和硝化量數(shù)值均顯著大于草地，說(shuō)明青海云杉林土壤氮銨化和硝化過(guò)程均強(qiáng)于草地。

由表2 可以看出，青海云杉林銨化量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果海拔分為5 組：每個(gè)海拔梯度各為一組。青海云杉林銨化量3 100 m 海拔組數(shù)值最大，2 800 m 海拔組數(shù)值最小，說(shuō)明青海云杉林土壤氮銨化過(guò)程在海拔3 100 m 處最強(qiáng)，在海拔2 800 m 處最弱。青海云杉林硝化量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果海拔分為3 組：2 900 m 為一組，2 700 m、3 000 m、3 100 m 為一組，2 800 m為一組。青海云杉林硝化量在海拔2 800 m 數(shù)值最大，在海拔2 900 m 數(shù)值最小，說(shuō)明青海云杉林土壤氮硝化過(guò)程在海拔2 800 mm 處最強(qiáng)，在海拔2 900 m 處最弱。

草地銨化量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果海拔分為5 組：每個(gè)海拔梯度各為一組。草地銨化量3 000 m 海拔組數(shù)值最大，2 800 m 海拔組數(shù)值最小，說(shuō)明草地土壤氮銨化過(guò)程在海拔3 000 m 處最強(qiáng)，在海拔2 800 m 處最弱。草地硝化量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果海拔分為4 組：2 700 m、3 100 m 為一組，其余海拔梯度各為一組。草地硝化量2 900 m海拔組數(shù)值最大，2 700 m 海拔組數(shù)值最小，說(shuō)明草地土壤氮硝化過(guò)程在海拔2 900 m 處最強(qiáng)，在海拔2 700 m 處最弱。

綜合上述分析，海拔梯度相同時(shí)，青海云杉林土壤氮礦化以及銨化、硝化過(guò)程均顯著強(qiáng)于草地；植被類(lèi)型相同時(shí)，土壤氮絕對(duì)礦化與相對(duì)礦化、銨化、硝化能力隨海拔變化過(guò)程各不相同。

表2 銨化和硝化量測(cè)定及其統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

海拔梯度相同時(shí)，青海云杉林土壤氮礦化以及銨化、硝化過(guò)程均顯著強(qiáng)于草地，前者礦化量高于后者近一個(gè)數(shù)量級(jí)；植被類(lèi)型相同時(shí)，土壤氮絕對(duì)礦化、相對(duì)礦化、銨化、硝化能力隨海拔變化過(guò)程各不相同。青海云杉林土壤氮礦化量在海拔2 800 m 處最大為156.77 mg/(kg·a)，2 900 m 處最小為92.60 mg/(kg·a)；相對(duì)礦化能力海拔2 900 m 處強(qiáng)于其余海拔梯度。草地土壤氮礦化量在海拔2 900～3 000 m 處最大為19.16～20.66 mg/(kg·a)，2 800 m 處最小為2.15 mg/(kg·a)；相對(duì)礦化能力在海拔3 000 m 處最強(qiáng)，在3 100 m 處最弱。青海云杉林土壤氮銨化過(guò)程在海拔3 100 m處最強(qiáng)，2 800 m 處最弱；硝化過(guò)程在海拔2 800 m 處最強(qiáng)，2 900 m 處最弱。草地土壤氮銨化過(guò)程在海拔3 000 m 處最強(qiáng)，2 800 m 處最弱；硝化過(guò)程在海拔2 900 m 處最強(qiáng)，2 700 m 處最弱。

本次研究與車(chē)宗璽[17]和徐憲根[18]等結(jié)果一致，海拔2 800 m 處青海云杉林土壤氮礦化過(guò)程最強(qiáng)，可能是因?yàn)樵谠撎幥嗪Ｔ粕剂钟糸]度最高[14]，該海拔梯度是祁連山青海云杉林分布最多的地段，林下草本和苔蘚等生物量多，枯落物較多，土壤有機(jī)質(zhì)含量高，適宜微生物的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致土壤氮礦化過(guò)程最強(qiáng)。海拔2 900 m 土壤氮礦化量最低，但礦化比最高，可能是因?yàn)樵摰囟为?dú)特的地理位置，該地段坡度較陡，海拔增加使得水土流失，土壤氮素淋溶等強(qiáng)度較大，微生物數(shù)量低所致。海拔2 900～3 100 m 青海云杉林土壤氮礦化過(guò)程逐漸增加，可能是因?yàn)殡S著海拔的升高氣溫降低，降水量增加，微生物的數(shù)量逐漸增加進(jìn)而加劇了土壤氮素的流失所致。草地土壤氮礦化過(guò)程在海拔2 900～3 000 m 處最強(qiáng)，這可能是因?yàn)樵撎幹脖簧w度均在90%以上[17]，地上生物量較高。土壤氮礦化量與群落植物密度，地上生物量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系[6]，因此在海拔2 900～3 000 m處草地土壤氮礦化量較高。青海云杉林土壤氮硝化過(guò)程強(qiáng)于銨化過(guò)程，而草地土壤則是銨化過(guò)程強(qiáng)于硝化過(guò)程。這可能與不同植被類(lèi)型向土壤中輸入的有機(jī)質(zhì)氮數(shù)量和質(zhì)量、對(duì)降水的再分配和遮陰程度以及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。