東北北部溫帶森林和干草地土壤養分分布及影響因素

王芳，宋明華，黃玫，張甲珅

1. 生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室，中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；2. 國家衛星氣象中心，北京 100081

東北北部溫帶森林和干草地土壤養分分布及影響因素

王芳1，宋明華1，黃玫1*，張甲珅2

1. 生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室，中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；2. 國家衛星氣象中心，北京 100081

土壤是陸地生態系統碳儲存的重要場所，其養分變化與全球陸地碳循環密切相關。土壤養分是植物生長的重要保證，而土壤各養分之間是緊密聯系的。理解土壤養分變化與環境因素的關系有助于更好地了解陸地生態系統碳、氮、磷循環。本研究以東北北部自東向西沿降水量梯度變化緯度帶上的溫帶森林與干草地生態系統為研究對象，利用氣象數據和野外土壤實測數據，分析了緯度帶上不同植被類型土壤的有機碳、全氮、碳氮比、速效磷的空間分布格局及其與環境因子（年降水量、年均溫、土壤pH值）的關系。研究緯度帶上降水量自東向西逐漸減少，植被類型從溫帶森林過渡到干草原，與降水量和植被類型對應，植被生物量也自東向西呈現從高到低的分布梯度。研究結果表明：從整個研究帶上來說，降水量與土壤pH值是土壤養分空間分布的決定因素，沿緯度帶從東到西，隨著降水量逐漸減少，土壤pH值逐漸增加，而土壤有機碳、全氮、碳氮比、速效磷含量逐漸減少。但如果將森林和草地分別討論則發現，森林和草地生態系統的土壤養分環境控制因素有較大差別。對于草地生態系統而言,降水量和土壤pH值仍然是其土壤養分含量的控制因子，但森林生態系統由于所處區域降水量充足，降水量不再是其土壤養分的控制因子，降水量只與森林土壤碳氮比呈顯著正相關。研究還發現森林土壤的速效磷含量與溫度呈正相關，與土壤pH值呈負相關，說明溫度對東北北部溫帶森林的土壤養分含量具有一定的控制作用。

東北北部；土壤養分；干草地；溫帶森林；環境因子

土壤是陸地生態系統碳儲存的重要場所，在全球碳循環中起著十分重要的作用。土壤中的養分直接影響陸地植被生產力和土壤有機碳庫，是陸地生態系統碳源匯的重要調控因素(Robinson等, 2002)。氣候是驅動土壤碳氮循環的最主要的自然因素，氣候要素與土壤養分特征的關系一直以來就是土壤學家關注的課題(Robinson等, 1978; Post等, 1982)。由于氣候變化對土壤碳庫的影響問題被廣泛關注，土壤養分特征與氣候要素的關系也成為研究熱點。

我國學者開展了大量土壤養分相關研究，特別是從土壤肥力的角度研究農田土壤有機質和土壤氮(熊毅等, 1990)，有學者從氣候變化角度對土壤有機碳的動態變化(吳建國等, 2004)、區域土壤有機碳和氮含量與氣候要素的關系（Conen等, 2003）、以及海拔梯度及氣候變化對有機質分解的影響等方面進行過研究，以上研究所選擇的研究區域都比較小。王叔平等沿著中國東北樣帶(NECT)進行過大規模土壤取樣，并研究了土壤碳、氮、磷的梯度分布與氣候因子的關系（王淑平等, 2002）。

NECT位于中緯度溫帶，沿著43.5° N。在NECT以北的廣大地區，年平均氣溫較NECT低，卻是全球變化中我國升溫最為劇烈的區域。此區域有關土壤養分狀況與氣候因素之間關系的研究很少。為了進一步研究東北土壤養分的空間分布特點及其與環境因素的關系，本研究沿著比NECT高5°的緯度帶48°～49° N，116°54′32.4″～128°56′38.4″ E之間取樣。與王叔平等每隔25 km取樣方法不同，本研究為了更有針對性的對不同植被類型土壤的養分狀況及其影響因素進行研究，采取了根據實地調查，沿著緯度帶上森林、草地的優勢樹種或生物群落的變化選取典型樣地采樣的方法，并以此來研究緯度帶上土壤養分、環境因素以及植被類型的相互關系。為進一步研究全球氣候變化下的碳、氮、磷的生物地球化學循環及評估陸地生態系統的碳收支提供基礎資料。

1 研究區概況

研究區為我國東北地區，2011年 8月進行了一次野外采樣，采樣點位于 48°28′15.6″～49°29′2.4″ N和116°54′32.4″～128°56′38.4″ E之間，橫跨12個經度（見圖1）。由圖1可知，該緯度帶東部大部地區是森林，林地土壤均屬暗棕壤，其中 F1采樣點的主要樹種是紅松（Pinus koraiensis Sieb. et Zucc）、樟子松（mongolica Litv）和云杉（Picea asperata）、冷杉（Abies），年降水量在500～600 mm之間；F2和 F3樣點的主要樹種均是蒙古櫟（Quercus mongolica）和興安落葉松（Larix gmelinii），F4樣點的主要樹種是白樺（Betula platyphylla Suk）和興安落葉松，年降水量在 400～500 mm之間，年均溫在-2 ℃到 1 ℃；G1～G5采樣點主要都是羊草草地，土壤類型為栗鈣土，屬溫帶半干旱氣候，年降水量為 250～350 mm，年均溫-2 ℃左右。

2 材料和方法

2.1 樣點的選取和樣方設置

野外考察前根據東北地區植被和土壤空間分布圖結合降水量和年平均氣溫空間分布圖（劉明光, 2010）確定了典型溫帶森林和干草地生態系統樣點選取的大致經緯度位置。在實際考察中根據確定的經緯度位置，選擇地勢平坦且代表性強的溫帶森林和干草地生態系統作為取樣點。

圖1 研究區植被類型及樣點空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of vegetation types and samples of the study area

本研究設置22個樣方，獲得198個土壤樣品。在樣方設置時充分考慮樣方的代表性。干草原區域地勢平坦，樣方代表性較好，G1至G5采樣點（圖1）設置2個樣方，其余采樣點設置3個樣方。由于溫帶森林生態系統所處的區域地勢略有起伏，分別在上坡、中坡和下坡位設置3個樣方進行取樣，以使所取樣方能最大限度地消除立地因子影響，從而代表生態系統的平均狀況。

2.2 土壤樣品的采集及化學分析方法

對于每個樣方，使用土壤環刀分0～10、10～20、20～40 cm 3個層次分別進行取樣，3次重復。土壤樣品放入布袋中帶回實驗室風干；風干過程中將土塊壓碎，去除植物殘根等雜物，經常翻動，使其慢慢風干；將風干后的土樣過1 mm篩，去除植物殘體（主要是根），留下的樣品充分混勻，分別取50 g左右進一步研磨，裝密封袋備用（魯如坤, 1999）。

土壤有機碳的測定采用外加熱、重鉻酸鉀容量法；土壤全N含量用元素分析儀測定；速效P采用碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法測定。

2.2 氣象數據的來源與統計分析方法

本研究所用的多年平均氣象數據來源于中國氣象局。本研究首先應用 Anuspline插值軟件將氣象站數據插值到0.1°×0.1°經緯度網格上，然后根據樣點經緯度從插值結果中提取樣點的 1950—2008年平均氣溫和年降水量數據。

本研究采用EXCEL對實驗數據進行簡單統計分析，借助SPSS（Statistical Product and Service Solution）軟件，用單因素方差分析法比較不同生態系統類型間土壤有機碳、全N、碳氮比、速效P的差異，用相關分析法分析各養分指標與環境因子之間的關系。

3 結果與分析

3.1 研究區的環境梯度

圖2 采樣點的環境因素分布圖Fig.2 Distribution of environmental factors about the sampling point

圖2 為采樣點的年降水量、土壤pH值、年均溫和海拔高度分布。橫坐標上標注的采樣點名稱與圖1一致。由圖2a可知，樣點位于一條年降水量從東到西依次遞減的梯度帶上。東部4個林地采樣點的平均年降水量較高，為447 mm；西部5個草地采樣點位于呼倫貝爾草原，由于遠離海洋，又受到大興安嶺的影響，濕潤氣流難以到達，因此平均年降水量只有295 mm。圖2b為采樣點土壤pH值的變化，從中可以看出，土壤pH值隨降水量的增加呈減小的趨勢，草地土壤的pH值呈中性，平均值為7.45，森林土壤的pH值呈酸性，平均為5.68。采樣點的年均溫分布如圖2c所示，森林采樣點的年均溫波動較大，F1與F2點的平均溫為-0.2 ℃，而F3與F4的平均溫為-2.2 ℃，二者相差2 ℃，結合圖2d可知，林區年均溫差異較大主要和海拔高度有關，F1與F2點的平均海拔高度為273 m，而F3與F4的平均海拔高度明顯高于F1和F2點，為696 m。因此導致F3與F4點的年平均氣溫偏低。總的來看，森林采樣點的年平均氣溫為-1.2 ℃，低于草地樣點的平均值（-0.6 ℃）。圖2d還顯示，森林采樣點的海拔高度變化較大，從219 m到881 m，平均為500 m。草地采樣點的海拔高度變化不大，在545～722 m之間變化，平均海拔高度為632 m。

3.2 東北地區森林和草地土壤養分含量比較

圖3比較了東北地區草地和森林的土壤有機碳、全N、C／N和速效P的差異。由圖3可知，研究區森林和草地平均土壤有機碳含量分別為40.96、12.74 g·kg-1，森林土壤有機碳含量是草地的3.2倍，二者差異顯著。森林土壤的速效P含量較高，為 22.65 mg·kg-1，草地較低，為 10.23 mg·kg-1，森林與草地土壤速效磷含量也有顯著性差異。森林全氮含量、碳氮比分別為3.02 g·kg-1和13.622 g·kg-1，草地全氮含量、碳氮比分別為1.55 g·kg-1和8.432 g·kg-1，森林和草地土壤的全氮含量、碳氮比均不存在顯著性差異。

3.3 研究區土壤養分含量與環境因子的關系

圖4展示了所有采樣點的土壤有機碳、全氮、速效磷、碳氮比與年降水量、年均溫、土壤pH值的相關散點圖和線性擬合結果。由圖4可見，研究區土壤有機碳、全氮、速效磷、碳氮比與年降水量呈極顯著的正相關關系，相關系數分別為0.866、0.792、0.718、0.890。即降水量越大，土壤有機碳、全氮、速效磷、碳氮比越高。以上土壤養分含量與土壤pH值呈極顯著的負相關關系，相關系數分別為-0.758、-0.681、-0.867、-0.736，土壤酸性越大，則土壤中土壤養分含量越高。但土壤中的養分含量與年均溫均沒有顯著的相關關系。

如果將草地生態系統和森林生態系統分別進行統計，我們發現草地土壤的有機碳、全氮、速效磷含量與年降水量呈極顯著的正相關關系，相關系數分別為0.893、0.883、0.849；土壤有機碳、全氮還受土壤pH值的影響，與土壤pH值呈顯著負相關關系，即土壤pH值越高，草地土壤的有機碳、全氮含量越低，相關系數分別為-0.675、-0.687；草地土壤各養分含量與年均溫均沒有顯著性相關關系。

圖3 草地和森林土壤有機碳、全N、C/N、速效P的差異比較Fig.3 Comparison of Soil organic carbon, N, C/N, available P between grassland and forest

森林土壤各養分含量與環境因子之間的關系與草地土壤明顯不同，研究區森林土壤的有機碳、全氮含量與年降水量、年均溫、土壤pH值沒有顯著性相關關系；速效磷含量與年均溫呈顯著正相關關系，相關系數為0.681，與土壤pH值呈顯著負相關關系，相關系數為-0.697；土壤碳氮比主要受年降水量的影響，與年降水量呈極顯著的正相關關系，相關系數為0.802。

4 討論與結論

4.1 討論

4.1.1 研究區土壤有機碳空間分布的環境影響因素

土壤有機碳含量取決于進入土壤的有機物質數量和土壤有機質分解速度之差。本研究區自東到西降水量逐漸減少，植被從溫帶森林過渡到干草原，植被生物量也呈現從高到低的分布格局。土壤有機碳與降水量的關系反映了植被生物量空間分布對土壤有機碳的影響。土壤pH值的形成與降水量和植物根的活性有較大關系，降水量大的地方，土壤的pH值較低。因此土壤有機碳與?pH值顯著負相關。

將森林和草地生態系統分別進行分析發現，草地土壤有機碳與降水量呈顯著正相關關系與土壤pH值呈顯

著負相關關系，而森林土壤有機碳與降水量和土壤pH值均沒有顯著相關關系。林區由于降水量充足，使得降水量不是限制植物生長和土壤養分變化的關鍵因子，導致林區土壤有機碳與降水量和土壤pH值均沒有顯著相關關系。

4.1.2 影響土壤全氮含量和土壤碳氮比空間分布的環境因素

王長庭等(王長庭等, 2005)在青海對高寒草甸以及傅華等(傅華等, 2006)在賀蘭山西坡等的研究都發現濕度越大，土壤中的氮素越容易積累，這一結論與本研究結果相似。本研究同時發現，土壤pH值越低，就越有利于氮素的積累。本研究中草地全氮含量與降水量、土壤pH值都呈顯著相關，但森林全氮含量與降水量和土壤pH值的相關不顯著。

有研究表明，在年均溫大致相同情況下，干旱地帶土壤中碳氮比要比濕潤地帶低(李天杰等, 1983)，本研究也有類似的結果，本研究同時發現土壤碳氮比與土壤pH值有顯著的負相關關系。森林土壤的碳氮比與降水量的正相關顯著，而草地碳氮比與降水量關系不顯著。

4.1.3 研究區土壤速效磷的空間分布特點

影響土壤速效磷空間分布的環境因素很多，一般認為土壤速效磷與全磷并無確定的關系，而與土壤有機質碳呈顯著正相關（袁可能，1983；于天仁等，1983），與土壤pH值的關系比較復雜（王朝輝等，1997）。本研究發現，研究區土壤速效磷的空間分布特點與土壤有機碳類似，與降水量呈顯著正相關，與土壤pH值呈顯著負相關。這一研究結果與劉世全等（劉世全等，2005）在研究西藏土壤時得出的結論一致。本研究同時發現，森林土壤速效磷與氣溫呈顯著正相關關系。

4.2 結論

本研究基于東北地區野外采集的土壤養分數據，結合氣象數據分析了影響土壤有機碳、全氮、碳氮比、速效磷空間分布的環境因素。得出如下2點結論：

（1）對于整個研究區而言，降水量和土壤pH值是東北北部溫帶森林和干草地區域土壤有機碳和土壤養分空間分布的決定因素，但就研究區的森林生態系統而言，降水量只與森林土壤碳氮比呈顯著正相關，并不是其土壤養分的控制因子。

圖4 采樣點土壤養分含量與年降水量、年均溫、土壤pH值之間的關系Fig.4 Relationship between the Soil Nutrients of sampling points and annual precipitation, an average annual temperature, soil pH value

（2）研究區土壤有機碳、全氮、碳氮比、速效磷的空間分布與降水量呈顯著正相關，與土壤pH值顯著負相關。即隨著降水量逐漸增加，研究區內生態系統的土壤pH值逐漸減少，而土壤有機碳、全氮、碳氮比、速效磷含量逐漸增加。

土壤養分空間分布的形成是長期受生物與非生物環境因素影響的結果，本研究通過實地調查和統計分析探討了土壤養分空間分布的規律和影響因素，如何從機理上揭示其空間分布的形成機制是未來需要進一步研究的問題。

致謝：黑龍江省森林防火辦王志成博士、中國科學院地理資源所的研究生李雷、孫向陽、王昭生、商貴鐸、岳溪柳、夏芹參與本研究的野外采樣工作，為本研究的順利完成提供了大力支持，在此一并表示衷心的感謝！

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袁可能. 1983. 植物營養元素的土壤化學[M]. 科學出版社.

The Spatial Distribution of Soil Nutrients and the Controlling Factors of Temperate Forest and Steppe in Northeastern China

WANG Fang1,2, SONG Minghua1, HUANG Mei1*，ZHANG Jiashen3

1. Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Simulation, Institute of Geographical Sciences and Nature Resources Research, CAS, Beijing 100101, China;
2. Shandong Normal University, Jinan, Shandong 250014, China;
3. National Satellite Meteorological Center, Beijing 100081, China

Soil carbon (C) pools contribute to a large part of carbon sequestrated by terrestrial ecosystems. Little changes in soil carbon pools are directly relevant to dynamics of atmospheric CO2concentration. Additionally, soil nitrogen (N) and phosphorous (P) are important nutrient elements for plant growth. Nutrient cycles of these elements are inter-connected. Therefore, knowledge on soil nutrient condition and their correlations with environmental condition across ecosystems are crucial for better understanding their dynamics in the face of environmental changes. Soil C, N and available P contents were investigated in steppe and temperate forest ecosystems along precipitation gradient from east to west in the northeastern region. Moreover, we analyzed the relationships between nutrient element contents and environmental factors, such as annual precipitation, mean annual temperature and soil pH. Which may provides fundamental data for studying global carbon, nitrogen and phosphorus biogeochemical cycles and assessing of ecosystem carbon budget. Our results showed soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), C/N ratio and available phosphorus contents decreased across forest and grass ecosystems from east to west. Precipitation decreased gradually, but soil pH increased along this direction. By internal analysis of grassland ecosystem, we also found precipitation and soil pH are the main factors controlling spatial distribution of soil nutrients along the latitude. In addition, precipitation and soil pH are also important factors influencing SOC, TN, and available phosphorus contents within grass ecosystems. However, the relationship between nutrient and the environmental factors of the forest soil are complex, in forest ecosystems there is no significant correlation of soil nutrient element contents with precipitation or soil pH with the exception of significant positive correlation between C/N ratio and precipitation. Besides, available phosphorus content was positively correlated with temperature and negatively correlated with soil pH in forest ecosystems.

Northeast China; soil nutrient; grass; forest; environmental factors

S151.9

：A

：1674-5906（2014）08-1280-06

王芳，宋明華，黃玫，張甲珅. 東北北部溫帶森林和干草地土壤養分分布及影響因素[J]. 生態環境學報, 2014, 23(8): 1280-1285.

WANG Fang, SONG Minghua, HUANG Mei, ZHANG Jiashen. The Spatial Distribution of Soil Nutrients and the Controlling Factors of Temperate Forest and Steppe in Northeastern China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(8): 1280-1285.

國家自然科學基金項目（41171371）；中國科學院戰略性先導科技專項（XDA05050209）

王芳（1986年生），女，碩士，從事森林土壤研究。

*通信作者：黃玫，女，副研究員，主要從事生態系統碳循環研究。E-mail：huangm@igsnrr.ac.cn

2013-09-25