東祁連山森林分布區土壤氮分布特征研究＊

安金玲

(1.甘肅祁連山國家級自然保護區管理局，甘肅 張掖 734000)

作為植物生長和凈初級生產限制因子的氮素，對其分布特征的研究在全球變化中顯得尤為重要[1]。植物正常生長發育需要從土壤中吸收足夠的氮素營養，這些氮素營養如何分布，引起氮素增加或減少的原因是什么，是不是因為土壤水分或土壤溫度的升高或降低而影響氮素含量，是本論文需要解決的核心問題。

祁連山是我國著名的高大山系之一，地處歐亞大陸中心，位于青藏、蒙新、黃土高原交匯地帶，受三大高原氣候的影響導致土壤、植被空間差異明顯，土壤養分的有效性特別是氮素的有效性大大受到限制[2]，表現為氮的可利用含量限制了植物對土壤氮素的養分利用效率，直接影響陸地生態系統生產力；氮的可利用含量與群落演替、植物多樣性、生態系統退化和健康之間存在反饋關系；礦化過程還影響到森林生態系統土壤氮素的流失和氣態損失，關系到環境污染和氮素經濟利用；氮氧化物向大氣中的排放是溫室效應和全球變暖的誘因[3]。因此，通過移植培養，改變環境因子來探索如何提高對氮素有效性的利用，是今后亟待解決的關鍵問題。

目前，國內外學者對土壤氮的轉化以及影響土壤氮含量的水熱條件、土壤質地等單因素方面展開了大量工作[4,5]，對土壤氮在環境變量、季節動態、賦存形態等[1]方面研究雖較多，但無統一標準和方法，給不同地區的橫向比較帶來困難。國外，在土壤氮方面開展較早，包括不同因素對土壤氮礦化的影響[6,7]，土壤氮礦化速率及其影響因素[8]等，對土壤氮動態變化還有些不確定性，尤其是關于土壤氮礦化與影響因素的關系及不同生態系統中土壤氮礦化趨勢的研究結果差異還很大[9]。因此，本文重點從不同海拔(2550-3000m)同一植被、同一海拔(3000m)不同植被(草地、灌叢、云杉)土壤氮發生怎樣的分布特征，采用野外取樣和室內分析結合的方法，探討土壤氮在海拔梯度上發生怎樣的變化規律，搞清楚土壤氮的分布特征后，根據土壤溫度和土壤水分分析兩者之間的變化情況，建立兩者之間的相關性，對于維持和提高林分生產力的關鍵技術和評估全球變化情景下祁連山森林生態系統的格局、過程變化有著重要的作用，為西北干旱半干旱區應對全球氣候變化提供科學依據。

1 研究區概況

哈溪林區位于祁連山東段天?？h境內，地理坐標為 102°01′～102°51′E，37°16′～37°45′N，東西長越75km，南北寬越25km，總面積1403km2。該區屬高中山地貌，海拔在2400-4500m之間，山體平均坡度在25°-40°之間，林區年平均氣溫1.8℃，年均降水量350-400mm，降雨主要集中在5-9月，年蒸發量1234.2mm，屬于高寒濕潤半濕潤氣候區[10]。降水具有明顯的垂直梯度和水平差異，極端最高溫38℃，極端最低溫-36℃，≥10℃積溫200～1130℃，相對濕度50%～70%，無霜期 90～120d，年均日照時數2130.5h。該區土壤具有明顯的山地特征，隨海拔升高表現為明顯的垂直分布特征即山地灰鈣土、山地栗鈣土、山地灰褐土、亞高山灌叢草甸土、高山寒漠土，其中山地灰褐土和亞高山草甸土是該區植被生長較好的土壤；該區植被分布格局明顯，主要有青海云杉、祁連圓柏、高山濕性灌叢、中低山干性灌叢，垂直分布梯度差異較大，青海云杉(Picea crassifolia)為祁連山主要的優勢樹種，呈斑塊狀分布在陰坡或半陰坡，祁連圓柏(Sabina Przewalskii)呈小塊狀分布在陽坡或半陽坡，灌木優勢種有金露梅(Potentilla fruticosa)、鬼箭錦雞兒(Caragana jubata)、高山繡線菊(Spiraea alpina)、吉拉柳(Salix gilashanica)等；草本主要有披針苔草(Cavex lanceolate)、珠芽蓼(Polygonum viviparum)及針茅(Stipa ssp)等。

2 研究方法

2.1 試驗設計

在祁連山哈溪森林分布典型的區域沿海拔和植被布設12個樣點，包括9個不同海拔樣點，3個不同植被 (草地、灌叢、云杉)樣點，最低海拔為2550m，最高海拔為2950m，50m為一個高程點，取樣時去除樣點上層的枯落物及腐殖質，先在各樣點分別提取少量原狀土就地測定其土壤容重和水分含量，再在每個海拔取1管原狀土，貼上標簽，防止樣品混合，難以分辨，立即帶回實驗室分析測定全氮、銨態氮、硝態氮等含量。同時，在不同海拔和不同植被間布設了針式土壤溫度記錄儀，對土壤溫度進行了定位監測，測定期限為一年，利用土壤剖面機械分層法，將土壤剖面劃分為5層，即0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-40cm、40-60cm，每月月初、月中、月末對每個層次進行了土溫測定；并對每層土壤水分和容重利用100體積環刀法進行取樣測定，所有的測定因子均設置兩個重復取其均值。便于分析土壤氮的含量是否受不同培養點土溫、水分、容重等的影響，見表1。

表1 祁連山哈溪林區土壤氮野外培養點參數概況

2.2 樣品的處理與數據分析方法

把采集回來的土壤自然風干后過2 mm孔徑土篩，并進一步處理通過1 mm孔徑土篩，以凱氏蒸餾法測全氮含量，用酚二磺酸比色法測定NO3--N的含量；用氧化鎂浸提擴散法測定NH4+-N含量。

數據基本統計分析和作圖采用Microsoft Excel 2010進行，采用SPSS 17.0軟件進行有關回歸性分析并作圖。

3 結果與分析

3.1 土壤水分和容重在海拔及植被間的變化

土壤水分是影響陸地生產力的一個關鍵因素，特別在干旱區水分是植被生長的最大限制因子。容重則是土壤的一項重要指標，與土壤其他指標如機械阻力直接相關，影響植物根系的發育，最終影響地上部分的生長，也影響到植被的生物量和生產力[4]。圖1是祁連山哈溪林區不同海拔和植被土壤含水量和容重的變化情況，該區土壤平均含水量為58.9%，平均容重為0.695g/cm3，對含水量和容重在整個海拔上的變化情況進行擬合，發現土壤含水量在海拔上呈線型變化關系，線型方程為Y=3.1139X+4.753，可以看出方程的斜率系數k=3.139＞0，說明土壤含水量隨海拔的升高有波動增大趨勢；土壤容重的變化在海拔上也呈線型變化關系，線型方程為Y=-0.0215X+0.8133，斜率系數 K=-0.0215＜0，說明容重隨海拔的升高有波動下降趨勢。出現該規律的原因主要有兩個方面：其一為自然因素，祁連山大氣降水隨海拔的升高而增大[12]，高海拔降水多，在加上氣溫低、地表水分蒸發較小，或氣溫低導致土溫低，或許有些海拔的土壤一年中大多數時間處于凍融或半凍融狀態，甚至土壤水分達到飽和狀態；其二人為因素，哈溪林區低海拔人為活動特別頻繁，森林和農家住戶交織在一起，該區是牛、羊的重要放牧區，牛羊踐踏也是導致土壤含水量降低和容重增大的一個重要原因，已有研究表明重度放牧是導致土壤含水量降低的一個重要原因[13]，高海拔牛羊放牧較少，植被生長較好，踐踏和破壞較小，所以土壤含水量較高，土壤容重較小。同時，對同一海拔的云杉、草地以及灌叢土壤含水量、容重進行測定，將數據進行分析得出：灌叢土壤含水量＞云杉土壤含水量＞草地土壤含水量；草地土壤容重＞云杉土壤容重＞灌叢土壤容重。灌木林是祁連山的主要林型，而且水源涵養能力尤于喬木林，保水、固土能力更強，叢生是灌木生長的一個明顯特征，而且密度一般都很大，大多都在0.8以上，對有效防止地表水分蒸發、固土、保肥都有很好的作用，土壤比較肥沃，有機質含量較高，因此土壤容重相對較低。

圖1 祁連山哈溪林區土壤水分和容重在海拔植被間的變化

3.2 全氮、銨態氮、硝態氮在海拔和植被間的分布特征

從圖3、4可以看出祁連山哈溪林區土壤全氮、銨態氮、硝態氮含量存在明顯差異，土壤中全氮含量是銨態氮和硝態氮的幾百倍，其平均含量為5.04gkg-1，銨態氮和硝態氮含量均較小，其平均含量分別為13.557mgkg-1和6.266mgkg-1，而且硝態氮含量更小，銨態氮是硝態氮含量的2倍多，將兩者加起來構成無機態氮，其無機態氮平均含量為19.823 mgkg-1，這種氮才能被植物吸收利用，可見祁連山哈溪林區可被植物吸收利用的氮含量太少，僅占全氮含量的3.9‰。因此，哈溪林區無機態氮含量較少，有機態氮含量較高，將有機態氮轉化為無機態氮才能被植物吸收利用，因此，說明該林區土壤氮礦化速率較低，如何提高氮利用率是我們今后需要解決的核心問題，以便減少氮源浪費，造成氮損失。全氮、銨態氮、硝態氮在整個海拔上變化均呈現“V”字型，變化趨勢有差異，銨態氮隨海拔的升高有緩慢降低趨勢，全氮和硝態氮均隨海拔的增大有緩慢波動增加趨勢，從圖3可以看出2條曲線的波動變化完全相同，2800m海拔銨態氮和硝態氮含量均最小，分別為11.07mgkg-1和4.96mgkg-1，均小于平均值；2700m兩者含量均最高，分別為14.97mgkg-1和7.53mgkg-1，均大于平均值。對三者在不同海拔上的變異情況利用SPSS進行了統計分析，發現TN、NO3--N、NH4+-N變異系數(CV)分別為19.2%、12.6%、8.48%，可見TN、NO3--N在整個海拔上變異程度屬于中等變異，NH4+-N屬于弱變異。

圖3 祁連山哈溪林區土壤銨態氮和硝態氮在海拔上的變化

圖4 祁連山哈溪林區土壤全氮隨海拔的變化

同一海拔不同植被類型(灌叢、云杉、草地)的TN、NO3--N、NH4+-N含量不同，TN含量差異更為明顯，平均值均大于7gkg-1，其大小順序為：草地＞云杉＞灌叢，從圖5中得知三個植被類型土壤水分含量的大小關系為：灌叢＞云杉＞草地，由此發現兩結論相反，因此可以推斷土壤水分可能會影響全氮含量。圖6反映了NH4+-N、NO3--N的變化情況，可以看出，NH4+-N含量明顯大于NO3--N，且兩者的均值分別為15.55mgkg-1、7.2mgkg-1，前者含量是后者的2倍多。但從整體來看，不同植被類型的NH4+-N、NO3--N含量變化不大，均接近于平均值。三種植被類型的TN變異系數為2.3%，NH4+-N變異系數為1.5%，NO3--N變異系數為0.97%，變異系數均小于10%，均屬于弱變異，說明植被類型對土壤氮含量的影響不明顯。

圖5 不同植被類型土壤全氮比較

圖6 祁連山哈溪林區不同植被類型銨態氮和硝態氮含量比較

3.3 銨態氮、硝態氮在剖面上的分布特征

圖7是對哈溪森林分布典型的區域利用剖面法獲取土壤樣品，利用SPSS統計軟件對剖面上不同層次的NH4+-N、NO3--N進行了方差分析，表明土壤NH4+-N在剖面層次上有變異，變異程度為中等，變異系數為17.3%；NO3--N在剖面上也有變異，變異程度接近中等，其系數為9.9%。通過比較兩種氮在剖面上的變異程度明顯大于不同植被類型，因此說明土壤深度更容易影響兩種氮的變化，植被類型間差異不顯著?？梢妰煞N氮均在表層含量較高，其余各層變化各異，NH4+-N在剖面上的變化為線型變化趨勢，線型方程為Y=-2.15X+17.42,r2為0.89，斜率k=-2.15＜0，說明NH4+-N在剖面上呈線型遞減趨勢，而且這種遞減趨勢較明顯；NO3--N在剖面上呈多項式變化趨勢，線型方程為Y=1.205X2-5.085X+12.5,r2為1，系數a=1.205＞0,說明該多項式有最小值，可以看出第二層10-20cm含量最小，第三層20-40cm又增大，如果繼續增加土壤深度，是否還會增大，這個問題需要今后繼續研究和探索。

圖7 祁連山哈溪林區土壤剖面層次銨態氮、硝態氮變化

3.4 水分、容重與銨態氮、硝態氮之間的關系

圖8是對祁連山哈溪林區12個培養點不同層次(0-10cm、10-20cm、20-40cm)土壤水分、容重與銨態氮和硝態氮之間的關系利用SPPS進行了回歸分析，通過分析發現他們之間均有三次多項式變化關系，表現為土壤容重和銨態氮在0-10cm(a)有較顯著的擬合關系，其r2為0.843，P＜0.05；10-20cm和20-40cm處顯著性不強。土壤容重和硝態氮在0-10cm、10-20cm、20-40cm均顯著性不強。水分和銨態氮在0-10cm、10-20cm顯著性不強；在20-40cm(i)有較強的顯著性，其r2為0.61，P＜0.05。水分和硝態氮在0-10cm、10-20cm表現為不顯著；在20-40cm(l)有較顯著的變化關系，其相關系數r2為0.653，P＜0.05。因為表層土壤容重較大，而且表層大氣降水能夠帶來一部分氮素，這些氮素一部分會隨降水滲透到土壤中，一部分會隨降水以地表徑流的形式流失，因此，降水能改變土壤中銨態氮和硝態氮含量，降水在氣溫、地溫適宜的條件下能加速地表層的枯枝落葉腐爛、霉變，在微生物和霉菌的共同作用下能改變土壤中養分含量。

圖8 祁連山哈溪林區不同層次土壤水分、容重與銨態氮、硝態氮之間的關系

4 討論

影響土壤氮的主要環境因子為土壤溫度和水分[14]。通過研究發現土壤氮的分布與植被類型關系不大，三種植被類型的云杉、草地、灌叢氮的含量差異不顯著，而且變異系數均很小，均為弱變異，這是因為三種植被類型分布在同一個海拔，同一海拔的環境因子差異不大，在相同的土壤溫度和水分的脅迫下土壤氮的變化較?。辉诤０魏推拭嫔系淖兓^為顯著，而且變異系數較高，大部分為中等變異，因為海拔和剖面層次不同導致土壤溫度和水分差異性明顯，已有研究表明土壤氮與土壤水分、土壤溫度之間有正相關關系，土壤溫度和土壤水分越高能夠有效促進土壤氮的礦化。因此，空間變化是引起土壤氮變化的主要影響因素之一。通過研究發現，在水分一定的情況下，升高溫度能促進氮的礦化，能增加氮被植被的吸收利用，因此能消耗部分氮源；在溫度一定的情況下，適當增加土壤水分也能促進土壤氮的礦化，增加植被吸收氮源，可消耗土壤中的氮素。