大興安嶺北部4種沼澤濕地土壤活性氮質(zhì)量分數(shù)變化特征1)

朱哲圣 夏炎 滿秀玲

(東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱,150040) (黑龍江省林業(yè)和草原調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院) (東北林業(yè)大學(xué))

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江漠河森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,地理坐標為122°6′～122°27′E、 53°17′～53°30′N。該地區(qū)為寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,有明顯的山地氣候特點,冬季寒冷干燥,全年冰雪覆蓋時間最高可達200 d,年均氣溫-4.9 ℃,年降水量為350～500 mm,多集中在夏季,年均無霜期為90 d。該地區(qū)沼澤濕地類型主要是以興安落葉松(Larixgmelinii)為主的森林沼澤、以繡線菊(Spiraeasalicifolia)為主的灌木沼澤、以苔草(Carexspp.)為主的草叢沼澤。興安落葉松沼澤主要分布于地勢低洼、平坦的林地,林下灌木主要有杜香(Ledumpalustre)、篤斯越橘(Vacciniumuliginosum)、越桔(Vacciniumvitis-idaea)等;毛赤楊沼澤主要分布于河流兩側(cè)沼澤至森林過渡帶的平坦區(qū)域,林下灌木主要有紅瑞木(Cornusalba)、繡線菊等;草叢沼澤主要分布于河流兩側(cè)階地、低洼地等,草本植物主要為苔草類等。

2 研究方法

2.1 樣品采集及試驗設(shè)計

在查閱資料及實地踏查的基礎(chǔ)上,按照典型性與代表性原則,選取4種原始狀態(tài)的沼澤濕地類型(毛赤楊沼澤、苔草沼澤、落葉松-苔草沼澤、落葉松-苔蘚沼澤)為研究對象,樣地基本情況見表1。在每種類型的沼澤地典型地段布設(shè)3塊樣地,樣地面積為20 m×30 m。在每個樣地內(nèi)按照“S”型設(shè)置3個取樣點,清理土壤表層凋落物和草氈層,使用內(nèi)徑為10 cm的土鉆分層采集土壤深度(h)為0

表1 樣地基本情況

2.2 樣品測定

土壤含水量使用烘干法測定;土壤密度使用環(huán)刀法測定;土壤溫度使用紐扣式溫度傳感器(DS1922L,Maxim/Dallas Semiconductor Inc.,USA)測定;采用氯化鉀溶液(濃度為1 mol·L-1)浸提法提取土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮;使用AA3連續(xù)流動分析儀測定土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮質(zhì)量分數(shù);使用multiN/C2100分析儀測定土壤全碳、可溶性有機碳氮、微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS26.0和Excel2010軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析;單因素方差分析法和最小顯著差異法進行數(shù)據(jù)差異性檢驗;皮爾遜相關(guān)分析法進行指標相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 大興安嶺4種沼澤類型土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)動態(tài)

由表2可知,6—10月4種沼澤類型土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)呈波動式下降,波動范圍為0.71～15.03 mg·kg-1。對于表層土壤(0

表2 各沼澤類型土壤活性氮質(zhì)量分數(shù)

3.2 大興安嶺4種沼澤類型土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)動態(tài)

4種沼澤類型土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)在觀測期內(nèi)均呈波動式下降,波動范圍為0.35～3.30 mg·kg-1,動態(tài)變化范圍小于土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)。對于0

3.3 大興安嶺4種沼澤類型土壤微生物量氮質(zhì)量分數(shù)動態(tài)

觀測期內(nèi)0

3.4 大興安嶺4種沼澤類型土壤可溶性有機氮質(zhì)量分數(shù)動態(tài)

4種沼澤類型的土壤可溶性有機氮質(zhì)量分數(shù)多表現(xiàn)為0

3.5 不同影響因子對沼澤濕地土壤活性氮的影響

對大興安嶺4種沼澤濕地土壤活性氮和各影響因子進行Pearson相關(guān)性分析(表3)。4種沼澤類型的土壤活性氮間多呈顯著或極顯著相關(guān)。其中,毛赤楊沼澤土壤活性氮均與土壤有機碳呈極顯著正相關(guān);微生物量氮、可溶性有機氮與土壤含水量、土壤溫度呈極顯著正相關(guān)。苔草沼澤中,土壤銨態(tài)氮與可溶性有機氮、土壤有機碳呈極顯著正相關(guān),與土壤溫度呈極顯著負相關(guān);土壤硝態(tài)氮與土壤微生物量氮、土壤含水量呈極顯著正相關(guān),與土壤微生物量碳呈顯著正相關(guān)。2種落葉松沼澤土壤活性氮與土壤微生物量碳、土壤含水量均呈極顯著正相關(guān)。落葉松-苔草沼澤土壤活性氮與土壤有機碳均呈極顯著正相關(guān);落葉松-苔蘚沼澤土壤活性氮多與土壤有機碳呈顯著正相關(guān)。由此可見,當(dāng)不同沼澤類型土壤活性氮與影響因子間顯示較好的相關(guān)性時,說明其具有一定的關(guān)聯(lián)。

表3 4種沼澤土壤活性氮與影響因子的Perason相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論與討論

研究表明,大興安嶺北部不同沼澤類型土壤活性氮質(zhì)量分數(shù)較低,且表聚效應(yīng)顯著。有研究指出,土壤深度、溫度、濕度、植被類型、氣候、季節(jié)變化等都會對土壤活性氮產(chǎn)生較大影響[21-22]。相關(guān)性分析顯示,不同影響因子對沼澤土壤活性氮質(zhì)量分數(shù)的影響效果不同。4種沼澤類型的土壤無機氮質(zhì)量分數(shù)變化范圍為0.35～15.03 mg·kg-1,低于三江平原沼澤濕地土壤[23]。7月,各沼澤處于漫水狀態(tài),部分銨態(tài)氮在土壤微生物的參與下經(jīng)過硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮[24],且植被此時處于生長旺盛階段,對氮素的需求更大,進而造成沼澤土壤無機氮在7—8月波動較大[25]、9—10月,植被生長減緩,對氮素的需求減小,且降水的減少降低了硝態(tài)氮的垂直淋溶,因此相較于8月,各沼澤土壤無機氮平均質(zhì)量分數(shù)有不同程度的增高。大興安嶺地區(qū)冬季積雪時間較長,4—5月是積雪及凍土融化的主要時段,此時積雪融化向土壤輸入氮[26-27],且土壤反復(fù)凍融[28]促進有機氮礦化[29],進而釋放大量的無機氮[30-31],因此造成6月時4種沼澤類型的土壤無機氮質(zhì)量分數(shù)均相對較高。本研究中,不同沼澤類型土壤無機氮組成及質(zhì)量分數(shù)存在一定差異,這表明不同沼澤類型土壤氮素有效性存在差異。土壤氮素的供應(yīng)水平受土壤類型、有機質(zhì)及凋落物的分解、土壤質(zhì)地等理化性質(zhì)影響[32-33]。土壤微生物量氮為土壤中活躍的氮組分,是植被氮營養(yǎng)的重要來源,可作為判斷土壤健康情況的重要指標[34]。4—5月,研究區(qū)土壤緩慢解凍,土壤溫度低導(dǎo)致微生物活性降低,凋落物、動植物殘體分解變慢[35],從而降低了土壤微生物量氮的釋放量,因此,6月時各沼澤土壤微生物量氮質(zhì)量分數(shù)均較低。7月,土壤微生物量氮質(zhì)量分數(shù)整體呈增加的趨勢,但不同沼澤類型及土層的變化趨勢有所不同。表層土壤中,苔草沼澤土壤微生物量氮質(zhì)量分數(shù)增幅達165.92%,極顯著高于其他沼澤類型,這是由于草類沼澤植被根系發(fā)達且分布較淺,周轉(zhuǎn)速率快,且苔草沼澤光照、熱量條件好,動植物殘體和根系衰亡后堆積在土壤表層,較易分解,為微生物繁殖創(chuàng)造了良好的條件。土壤微生物量氮質(zhì)量分數(shù)受季節(jié)變化、土層變化的顯著影響[36],還受pH、溫度等因素影響[37-38],不同類型沼澤土壤微生物分解強度存在差異[39]。表層土壤有機底物輸入波動較大,水熱通氣條件適宜微生物生長,土層加深后,土壤通透性和養(yǎng)分濃度下降,微生物活動減慢,植物根系與土壤微生物競爭激烈[40],從而導(dǎo)致土壤微生物生物量下降。因此,4種沼澤表層土壤微生物量氮質(zhì)量分數(shù)的動態(tài)變幅大于較深層土壤。土壤有機氮庫中最活躍的部分為土壤可溶性有機氮,其質(zhì)量分數(shù)的變化可以反映土壤供氮水平[41]。觀測期內(nèi),4種沼澤類型的土壤可溶性有機氮質(zhì)量分數(shù)變化范圍為5.15～38.66 mg·kg-1。不同類型沼澤土壤可溶性有機氮質(zhì)量分數(shù)月波動性較大,受季節(jié)變化和土壤理化因子的影響也較大。有機質(zhì)分解、土壤膠體吸附和解吸、大氣沉降是土壤可溶性有機氮的重要來源[20]。表層土壤能夠接受更多的可溶性有機氮輸入,且4種沼澤土壤可溶性有機氮質(zhì)量分數(shù)隨土層的加深而顯著下降(P<0.05),說明大興安嶺北部沼澤濕地土壤可溶性有機氮質(zhì)量分數(shù)具有一定表聚性。6月,落葉松-苔草沼澤土壤可溶性有機氮質(zhì)量分數(shù)極顯著高于苔草沼澤,且兩者表層土壤可溶性有機氮質(zhì)量分數(shù)極顯著高于毛赤楊沼澤、落葉松-苔蘚沼澤。6—7月,土壤溫度升高導(dǎo)致土壤礦化速率增大,此時,植被快速生長消耗大量養(yǎng)分,土壤水分飽和造成土壤表層的可溶性有機氮淋溶遷移,導(dǎo)致土壤可溶性有機氮質(zhì)量分數(shù)顯著下降。本研究中,10月時,毛赤楊沼澤、苔草沼澤土壤可溶性有機氮質(zhì)量分數(shù)整體呈下降趨勢,但落葉松-苔草沼澤、落葉松-苔蘚沼澤土壤可溶性有機氮質(zhì)量分數(shù)在10月呈上升趨勢,出現(xiàn)這一現(xiàn)象是由于不同沼澤類型的植被組成、凋落物量、土壤性質(zhì)不同。同時,季節(jié)變化對可溶性有機氮質(zhì)量分數(shù)變化也有影響[42]。本研究表明,土壤含水量是影響沼澤土壤微生物量氮質(zhì)量分數(shù)的重要因素。除苔草沼澤微生物量氮外,其他活性氮之間多呈顯著相關(guān)。不同沼澤類型土壤活性氮多數(shù)與微生物量碳、可溶性有機碳、土壤含水率呈顯著正相關(guān)關(guān)系。