大興安嶺多年凍土區(qū)不同土地利用方式對(duì)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(duì)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(chǔ)量進(jìn)行了分析。結(jié)果表明4種土地利用方式總碳、有機(jī)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(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(guān)性分析表明，土壤有機(jī)碳對(duì)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(guān)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(biāo)志，對(duì)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(chǔ)量是大氣碳儲(chǔ)量的2倍，植被碳儲(chǔ)量的4倍，且土壤氮庫與碳庫緊密相關(guān)[3-6]。

國內(nèi)外學(xué)者在土壤的碳氮方面進(jìn)行了深入研究[7-9]，相關(guān)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(qū)動(dòng)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(duì)較少。本研究通過對(duì)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(jìn)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(hù)提供了基礎(chǔ)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(fēng)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(yàn)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(duì)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(cè)試

土壤樣品于2017年7月份在大興安嶺漠河市進(jìn)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(gè)類型。每個(gè)類型樣地中設(shè)置3個(gè)重復(fù)樣點(diǎn)，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(fēng)干保存。土壤樣品測(cè)定包括：總碳（TC）、土壤有機(jī)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(cè)定，NH+4-N、NO-3-N采用Lammbda35型紫外/可見光光度計(jì)（美國帕金埃爾默）進(jìn)行測(cè)定。

3 結(jié)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(guān)（P<0.01），耕地與落葉松顯著相關(guān)（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(jī)碳含量與白樺林具有極顯著相關(guān)（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?yàn)檎訚?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(yuǎn)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(guān)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(guān)（P<0.01），相關(guān)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(guān)關(guān)系（P<0.01），與NO-3-N具有顯著性相關(guān)關(guān)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(dòng)物殘?bào)w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(jī)質(zhì)含量逐漸減少，導(dǎo)致碳含量減少。而就土地利用方式間的差異而言，在整個(gè)土層內(nèi)沼澤碳含量大于其他土地類型。相關(guān)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(shí)，土壤的通透性很差，導(dǎo)致氧氣缺乏、微生物活性低，所以有機(jī)殘?bào)w會(huì)緩慢得分解，礦化分解過程不徹底，中間產(chǎn)物隨著停留時(shí)間加長，積累會(huì)越多，為腐殖質(zhì)的形成給予了良好的環(huán)境，積水越深、時(shí)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(huì)導(dǎo)致植物中的碳不能還田，所以以上的原因都導(dǎo)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?bào)w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(xì)菌及藍(lán)藻是氮元素轉(zhuǎn)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(jī)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(zhuǎn)化），致使氮元素在0-10cm土層積累[20]。

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作者簡(jiǎn)介：劉雨桐，女，哈爾濱師范大學(xué)碩士研究生。