河岸帶落葉松林土壤氮素空間格局研究

杜寧寧,郭晉平,陳東莉

(山西農業大學林學院,山西 太谷 030801)

氮素是相鄰河岸帶水體的重要污染物之一,相鄰高地土壤中的氮素可通過河岸帶進入水體。河岸帶屬于高地與水體之間的過渡帶,由于其特殊的地理位置,會發生陸地與水體之間的物質交換,河流兩岸一定寬度的植物帶和土壤可通過過濾、滲透、吸收、滯留和轉化等作用減少或消除進入地表及地下水中的污染物,減少污染物向水體中輸入,進而可以實現對氮素等的截流轉化。本研究通過樣帶的重復性試驗得出氮素含量,進行數據整理和相關性分析,了解河岸帶氮素儲量格局,為河岸帶寬度確定以及河岸帶對氮素濾除研究提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究地設在山西省西部、呂梁山脈中段的關帝山林區,東經 111°22′～ 111°33′,北緯 37°45′～37°55′.該區屬暖溫帶大陸性季風氣候,年平均溫度4.3℃,1月份平均溫度 10.2℃,7月份平均溫度17.5℃;年平均降水量 822.6 mm;年平均蒸發量1 268mm,屬于典型的山地氣候。

試驗在龐泉溝神尾溝的落葉松林中進行,土壤為酸性土,容重 0.697 g/cm3～1.886 g/cm3,變異系數為0.299,植被類型以落葉松、美人玫、野草莓為主。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣點布置

采樣區為長方形,樣帶方向垂直于河流方向,選擇相鄰的 3條樣帶為樣地(3條樣帶做重復試驗),每條樣帶面積為 400m2,樣地總面積為 1200m2.秋季林內降水較為頻繁,采樣時河流寬度為 9.7m,采用線狀樣帶取樣,沿樣帶的起點每隔 3m設 1個樣點(0m,3 m,6 m,……,51 m),每條樣帶設取樣點18個,共 54個樣點。

2010年 10月,在試驗區以剖面法采集土壤樣品,從腐殖質層、淋溶層、淀積層分別取樣,共取得樣品 162個。土壤取樣時,先除去各樣點處表層枯枝落葉,然后取土,隨即裝入封口塑料袋內,低溫保存備用。為減少其他環境因子的影響,土壤取樣工作選擇在雨后至少 3 d～4 d的晴天進行(采樣前次降水量為 69 mm)。

1.2.2 測定方法

土壤全氮采用全自動開氏定氮法進行測定;

土壤銨態氮采用 2mol/LKCL浸提—靛酚藍比色法進行測定;

土壤硝態氮采用酚二磺酸比色法進行測定。

2 結果與分析

2.1 土壤全氮含量在河岸帶上的變化

統計3條樣帶所有數據,分別對土壤腐殖質層、淋溶層、淀積層的全氮含量取平均值,做落葉松林高地連續體不同土壤層全氮含量的格局散點圖,見圖1.

圖1 落葉松林全氮含量

由圖1可見,落葉松林高地連續體各層土壤之間全氮含量大致表現為腐殖質層 ＞淋溶層 ＞淀積層。腐殖質層全氮含量隨河岸帶寬度的增加基本呈遞增趨勢,最高值出現在河岸帶的 51 m處,39m處全氮含量最低;淋溶層全氮含量隨著河岸帶寬度的增加大致呈遞減趨勢。全氮含量最高值出現在15 m處,最低值出現在 48 m處;淀積層全氮含量隨著河岸帶寬度的增加基本呈遞減趨勢,全氮含量最高值在 9 m處,最低值出現在 21m處。

2.2 土壤中銨態氮含量在河岸帶上的變化

統計 3條樣帶所有數據,分別對土壤腐殖質層、淋溶層、淀積層的銨態氮含量取平均值,做落葉松林高地連續體不同土壤層銨態氮含量的格局散點圖,見圖2.

圖2 落葉松林銨態氮含量

由圖2可見,在水平距離上,土壤銨態氮含量腐殖質層 ＞淋溶層 ＞淀積層,3層土壤中銨態氮含量都隨著河岸帶寬度的增加而呈遞減趨勢。腐殖質層土壤銨態氮含量的最高值出現在21m處,最低值出現在 45m處;淋溶層土壤銨態氮含量最高值出現在12 m處,最低值出現在 48m處;淀積層土壤銨態氮含量最高值出現在 18m處,最低值出現在27m處。

2.3 土壤中硝態氮含量在河岸帶上的變化

統計 3條樣帶所有數據,分別對土壤腐殖質層、淋溶層、淀積層的硝態氮含量取平均值,做落葉松林高地連續體不同土壤層硝態氮含量的格局散點圖,見圖3.

圖3 落葉松林硝態氮含量

由圖3可見,在水平距離上,腐殖質層的硝態氮含量要明顯高于淋溶層和淀積層,而淋溶層和淀積層的硝態氮含量相差無幾。腐殖質層硝態氮含量變化不穩定,硝態氮含量最高值出現在 48 m處,最低值出現在 9 m處;淋溶層土壤硝態氮含量變化趨勢平穩,硝態氮含量最高值出現在 9m處,最低值出現在 18m處;淀積層土壤硝態氮含量變化平穩,硝態氮含量最高值出現在 15 m處,最低值出現在18 m處。

這是由于靠近河流的河岸帶樹木稀少,多為草本植物,隨著河岸帶寬度的增加,地表植物也有所變化,多為落葉松與灌木、草本相結合的植物群落。秋季落葉松林內枯枝落葉繁多,造成了有機質的增加,Snyder等認為,有機質含量為 16%的腐殖質土壤中反硝化速率是有機質含量為 1.5%的土壤的10倍,反硝化速率的降低導致了硝態氮含量的增加。

2.4 落葉松林土壤氮素含量相關性分析

對落葉松林高地連續體河岸帶全氮、硝態氮、銨態氮以及采樣點距離的數據進行 Pearson相關分析,見表1.

表1 落葉松林氮素和采樣點之間的相關分析

通過相關性分析可知,全氮含量與河岸帶寬度的增加呈負相關,在淋溶層和淀積層表現較為明顯,全氮含量隨著土壤深度的增加而降低,主要是因為全氮主要通過凋落物的凋落和分解歸還到土壤中。再次,由于河岸帶不同位置植物群落不同,靠后的河岸帶植物群落豐富,從而導致了這種負相關關系。并且河岸帶的全氮含量在距河流近的采樣點要高于距河流遠的采樣點。河岸帶土壤銨態氮含量與河岸帶寬度的增加呈明顯負相關(r=-0.417),即土壤銨態氮含量隨著河岸帶寬度的增加而降低,因為銨態氮溶解度較小,極易被土壤膠體吸附,在土壤中很難隨介質發生長距離水平的遷移,向土壤深層淋溶強度也較小。硝態氮總體含量與河岸帶寬度的增加呈正相關,在淋溶層和淀積層表現明顯。

河岸帶落葉松林土壤全氮、銨態氮、硝態氮含量之間存在相關性,土壤全氮含量與銨態氮含量呈正相關(r=0.114),土壤全氮含量與硝態氮含量呈顯著正相關(r=0.613),土壤硝態氮含量與銨態氮含量之間呈負相關(r=-0.004)。

2.5 土壤剖面氮素含量

將腐殖質層、淋溶層、淀積層的全氮含量,銨態氮含量和硝態氮含量分別取平均值,做出氮素在土壤剖面的散點圖,如圖4.

圖4 土壤剖面全氮、銨態氮、硝態氮含量

由圖4可見,在土壤剖面上,土壤全氮、銨態氮、硝態氮含量隨著土壤深度的增加而明顯降低,土壤中多余的硝態氮含量也會隨著水分向下遷移,造成深層土壤中硝態氮的空間變異大于淺層土壤的。在微生物的作用下,通過硝化作用可有意將銨態氮轉化為硝態氮。所以,硝態氮的含量要比銨態氮含量高一些。

在土壤垂直剖面中,銨態氮含量基本上都是由土壤上層到土壤下層逐漸遞減,這種趨勢主要是由銨態氮的性質所決定。土壤顆粒和土壤膠體對銨態氮具有很強的吸附作用,使得大部分可交換的銨態氮吸附于其表面,成為不易移動的氮。銨態氮在土壤剖面中的分布更直接地決定于作物生長、氣候條件、灌溉方式以及土壤性質等因素。銨態氮的濃度隨土層的加深而降低,而更多的銨離子是通過微生物的作用氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。此外,林區過度放牧、伐木等人為活動也影響著整體氮素的分布情況。

3 小結

1 )河岸帶落葉松林土壤全氮、銨態氮、硝態氮含量之間存在相關性,土壤全氮含量與銨態氮含量呈正相關(r=0.114),土壤全氮含量與硝態氮含量呈顯著正相關(r=0.613),土壤硝態氮含量與銨態氮含量之間呈負相關(r=-0.004)。

2 )河岸帶不同位置對氮素的濾除情況不同,一般來說,距離河流近的地方效果會更好。

3 )土壤氮素來源于有機質,一般來說,有機質含量豐富的腐殖質層,氮素的含量也高。

4 )土壤的理化性質在土壤層之間存在不規則的垂直格局和水平格局。土壤氮素指標在同一位置雖然均呈現出某種空間分布格局,但其空間分布格局是不同的,反映了土壤具有很大的空間異質性。

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