东祁连山森林分布区土壤氮分布特征研究＊

安金玲

(1.甘肃祁连山国家级自然保护区管理局，甘肃 张掖 734000)

作为植物生长和净初级生产限制因子的氮素，对其分布特征的研究在全球变化中显得尤为重要[1]。植物正常生长发育需要从土壤中吸收足够的氮素营养，这些氮素营养如何分布，引起氮素增加或减少的原因是什么，是不是因为土壤水分或土壤温度的升高或降低而影响氮素含量，是本论文需要解决的核心问题。

祁连山是我国著名的高大山系之一，地处欧亚大陆中心，位于青藏、蒙新、黄土高原交汇地带，受三大高原气候的影响导致土壤、植被空间差异明显，土壤养分的有效性特别是氮素的有效性大大受到限制[2]，表现为氮的可利用含量限制了植物对土壤氮素的养分利用效率，直接影响陆地生态系统生产力；氮的可利用含量与群落演替、植物多样性、生态系统退化和健康之间存在反馈关系；矿化过程还影响到森林生态系统土壤氮素的流失和气态损失，关系到环境污染和氮素经济利用；氮氧化物向大气中的排放是温室效应和全球变暖的诱因[3]。因此，通过移植培养，改变环境因子来探索如何提高对氮素有效性的利用，是今后亟待解决的关键问题。

目前，国内外学者对土壤氮的转化以及影响土壤氮含量的水热条件、土壤质地等单因素方面展开了大量工作[4,5]，对土壤氮在环境变量、季节动态、赋存形态等[1]方面研究虽较多，但无统一标准和方法，给不同地区的横向比较带来困难。国外，在土壤氮方面开展较早，包括不同因素对土壤氮矿化的影响[6,7]，土壤氮矿化速率及其影响因素[8]等，对土壤氮动态变化还有些不确定性，尤其是关于土壤氮矿化与影响因素的关系及不同生态系统中土壤氮矿化趋势的研究结果差异还很大[9]。因此，本文重点从不同海拔(2550-3000m)同一植被、同一海拔(3000m)不同植被(草地、灌丛、云杉)土壤氮发生怎样的分布特征，采用野外取样和室内分析结合的方法，探讨土壤氮在海拔梯度上发生怎样的变化规律，搞清楚土壤氮的分布特征后，根据土壤温度和土壤水分分析两者之间的变化情况，建立两者之间的相关性，对于维持和提高林分生产力的关键技术和评估全球变化情景下祁连山森林生态系统的格局、过程变化有着重要的作用，为西北干旱半干旱区应对全球气候变化提供科学依据。

1 研究区概况

哈溪林区位于祁连山东段天祝县境内，地理坐标为 102°01′～102°51′E，37°16′～37°45′N，东西长越75km，南北宽越25km，总面积1403km2。该区属高中山地貌，海拔在2400-4500m之间，山体平均坡度在25°-40°之间，林区年平均气温1.8℃，年均降水量350-400mm，降雨主要集中在5-9月，年蒸发量1234.2mm，属于高寒湿润半湿润气候区[10]。降水具有明显的垂直梯度和水平差异，极端最高温38℃，极端最低温-36℃，≥10℃积温200～1130℃，相对湿度50%～70%，无霜期 90～120d，年均日照时数2130.5h。该区土壤具有明显的山地特征，随海拔升高表现为明显的垂直分布特征即山地灰钙土、山地栗钙土、山地灰褐土、亚高山灌丛草甸土、高山寒漠土，其中山地灰褐土和亚高山草甸土是该区植被生长较好的土壤；该区植被分布格局明显，主要有青海云杉、祁连圆柏、高山湿性灌丛、中低山干性灌丛，垂直分布梯度差异较大，青海云杉(Picea crassifolia)为祁连山主要的优势树种，呈斑块状分布在阴坡或半阴坡，祁连圆柏(Sabina Przewalskii)呈小块状分布在阳坡或半阳坡，灌木优势种有金露梅(Potentilla fruticosa)、鬼箭锦鸡儿(Caragana jubata)、高山绣线菊(Spiraea alpina)、吉拉柳(Salix gilashanica)等；草本主要有披针苔草(Cavex lanceolate)、珠芽蓼(Polygonum viviparum)及针茅(Stipa ssp)等。

2 研究方法

2.1 试验设计

在祁连山哈溪森林分布典型的区域沿海拔和植被布设12个样点，包括9个不同海拔样点，3个不同植被 (草地、灌丛、云杉)样点，最低海拔为2550m，最高海拔为2950m，50m为一个高程点，取样时去除样点上层的枯落物及腐殖质，先在各样点分别提取少量原状土就地测定其土壤容重和水分含量，再在每个海拔取1管原状土，贴上标签，防止样品混合，难以分辨，立即带回实验室分析测定全氮、铵态氮、硝态氮等含量。同时，在不同海拔和不同植被间布设了针式土壤温度记录仪，对土壤温度进行了定位监测，测定期限为一年，利用土壤剖面机械分层法，将土壤剖面划分为5层，即0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-40cm、40-60cm，每月月初、月中、月末对每个层次进行了土温测定；并对每层土壤水分和容重利用100体积环刀法进行取样测定，所有的测定因子均设置两个重复取其均值。便于分析土壤氮的含量是否受不同培养点土温、水分、容重等的影响，见表1。

表1 祁连山哈溪林区土壤氮野外培养点参数概况

2.2 样品的处理与数据分析方法

把采集回来的土壤自然风干后过2 mm孔径土筛，并进一步处理通过1 mm孔径土筛，以凯氏蒸馏法测全氮含量，用酚二磺酸比色法测定NO3--N的含量；用氧化镁浸提扩散法测定NH4+-N含量。

数据基本统计分析和作图采用Microsoft Excel 2010进行，采用SPSS 17.0软件进行有关回归性分析并作图。

3 结果与分析

3.1 土壤水分和容重在海拔及植被间的变化

土壤水分是影响陆地生产力的一个关键因素，特别在干旱区水分是植被生长的最大限制因子。容重则是土壤的一项重要指标，与土壤其他指标如机械阻力直接相关，影响植物根系的发育，最终影响地上部分的生长，也影响到植被的生物量和生产力[4]。图1是祁连山哈溪林区不同海拔和植被土壤含水量和容重的变化情况，该区土壤平均含水量为58.9%，平均容重为0.695g/cm3，对含水量和容重在整个海拔上的变化情况进行拟合，发现土壤含水量在海拔上呈线型变化关系，线型方程为Y=3.1139X+4.753，可以看出方程的斜率系数k=3.139＞0，说明土壤含水量随海拔的升高有波动增大趋势；土壤容重的变化在海拔上也呈线型变化关系，线型方程为Y=-0.0215X+0.8133，斜率系数 K=-0.0215＜0，说明容重随海拔的升高有波动下降趋势。出现该规律的原因主要有两个方面：其一为自然因素，祁连山大气降水随海拔的升高而增大[12]，高海拔降水多，在加上气温低、地表水分蒸发较小，或气温低导致土温低，或许有些海拔的土壤一年中大多数时间处于冻融或半冻融状态，甚至土壤水分达到饱和状态；其二人为因素，哈溪林区低海拔人为活动特别频繁，森林和农家住户交织在一起，该区是牛、羊的重要放牧区，牛羊践踏也是导致土壤含水量降低和容重增大的一个重要原因，已有研究表明重度放牧是导致土壤含水量降低的一个重要原因[13]，高海拔牛羊放牧较少，植被生长较好，践踏和破坏较小，所以土壤含水量较高，土壤容重较小。同时，对同一海拔的云杉、草地以及灌丛土壤含水量、容重进行测定，将数据进行分析得出：灌丛土壤含水量＞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＞灌丛土壤容重。灌木林是祁连山的主要林型，而且水源涵养能力尤于乔木林，保水、固土能力更强，丛生是灌木生长的一个明显特征，而且密度一般都很大，大多都在0.8以上，对有效防止地表水分蒸发、固土、保肥都有很好的作用，土壤比较肥沃，有机质含量较高，因此土壤容重相对较低。

图1 祁连山哈溪林区土壤水分和容重在海拔植被间的变化

3.2 全氮、铵态氮、硝态氮在海拔和植被间的分布特征

从图3、4可以看出祁连山哈溪林区土壤全氮、铵态氮、硝态氮含量存在明显差异，土壤中全氮含量是铵态氮和硝态氮的几百倍，其平均含量为5.04gkg-1，铵态氮和硝态氮含量均较小，其平均含量分别为13.557mgkg-1和6.266mgkg-1，而且硝态氮含量更小，铵态氮是硝态氮含量的2倍多，将两者加起来构成无机态氮，其无机态氮平均含量为19.823 mgkg-1，这种氮才能被植物吸收利用，可见祁连山哈溪林区可被植物吸收利用的氮含量太少，仅占全氮含量的3.9‰。因此，哈溪林区无机态氮含量较少，有机态氮含量较高，将有机态氮转化为无机态氮才能被植物吸收利用，因此，说明该林区土壤氮矿化速率较低，如何提高氮利用率是我们今后需要解决的核心问题，以便减少氮源浪费，造成氮损失。全氮、铵态氮、硝态氮在整个海拔上变化均呈现“V”字型，变化趋势有差异，铵态氮随海拔的升高有缓慢降低趋势，全氮和硝态氮均随海拔的增大有缓慢波动增加趋势，从图3可以看出2条曲线的波动变化完全相同，2800m海拔铵态氮和硝态氮含量均最小，分别为11.07mgkg-1和4.96mgkg-1，均小于平均值；2700m两者含量均最高，分别为14.97mgkg-1和7.53mgkg-1，均大于平均值。对三者在不同海拔上的变异情况利用SPSS进行了统计分析，发现TN、NO3--N、NH4+-N变异系数(CV)分别为19.2%、12.6%、8.48%，可见TN、NO3--N在整个海拔上变异程度属于中等变异，NH4+-N属于弱变异。

图3 祁连山哈溪林区土壤铵态氮和硝态氮在海拔上的变化

图4 祁连山哈溪林区土壤全氮随海拔的变化

同一海拔不同植被类型(灌丛、云杉、草地)的TN、NO3--N、NH4+-N含量不同，TN含量差异更为明显，平均值均大于7gkg-1，其大小顺序为：草地＞云杉＞灌丛，从图5中得知三个植被类型土壤水分含量的大小关系为：灌丛＞云杉＞草地，由此发现两结论相反，因此可以推断土壤水分可能会影响全氮含量。图6反映了NH4+-N、NO3--N的变化情况，可以看出，NH4+-N含量明显大于NO3--N，且两者的均值分别为15.55mgkg-1、7.2mgkg-1，前者含量是后者的2倍多。但从整体来看，不同植被类型的NH4+-N、NO3--N含量变化不大，均接近于平均值。三种植被类型的TN变异系数为2.3%，NH4+-N变异系数为1.5%，NO3--N变异系数为0.97%，变异系数均小于10%，均属于弱变异，说明植被类型对土壤氮含量的影响不明显。

图5 不同植被类型土壤全氮比较

图6 祁连山哈溪林区不同植被类型铵态氮和硝态氮含量比较

3.3 铵态氮、硝态氮在剖面上的分布特征

图7是对哈溪森林分布典型的区域利用剖面法获取土壤样品，利用SPSS统计软件对剖面上不同层次的NH4+-N、NO3--N进行了方差分析，表明土壤NH4+-N在剖面层次上有变异，变异程度为中等，变异系数为17.3%；NO3--N在剖面上也有变异，变异程度接近中等，其系数为9.9%。通过比较两种氮在剖面上的变异程度明显大于不同植被类型，因此说明土壤深度更容易影响两种氮的变化，植被类型间差异不显著。可见两种氮均在表层含量较高，其余各层变化各异，NH4+-N在剖面上的变化为线型变化趋势，线型方程为Y=-2.15X+17.42,r2为0.89，斜率k=-2.15＜0，说明NH4+-N在剖面上呈线型递减趋势，而且这种递减趋势较明显；NO3--N在剖面上呈多项式变化趋势，线型方程为Y=1.205X2-5.085X+12.5,r2为1，系数a=1.205＞0,说明该多项式有最小值，可以看出第二层10-20cm含量最小，第三层20-40cm又增大，如果继续增加土壤深度，是否还会增大，这个问题需要今后继续研究和探索。

图7 祁连山哈溪林区土壤剖面层次铵态氮、硝态氮变化

3.4 水分、容重与铵态氮、硝态氮之间的关系

图8是对祁连山哈溪林区12个培养点不同层次(0-10cm、10-20cm、20-40cm)土壤水分、容重与铵态氮和硝态氮之间的关系利用SPPS进行了回归分析，通过分析发现他们之间均有三次多项式变化关系，表现为土壤容重和铵态氮在0-10cm(a)有较显著的拟合关系，其r2为0.843，P＜0.05；10-20cm和20-40cm处显著性不强。土壤容重和硝态氮在0-10cm、10-20cm、20-40cm均显著性不强。水分和铵态氮在0-10cm、10-20cm显著性不强；在20-40cm(i)有较强的显著性，其r2为0.61，P＜0.05。水分和硝态氮在0-10cm、10-20cm表现为不显著；在20-40cm(l)有较显著的变化关系，其相关系数r2为0.653，P＜0.05。因为表层土壤容重较大，而且表层大气降水能够带来一部分氮素，这些氮素一部分会随降水渗透到土壤中，一部分会随降水以地表径流的形式流失，因此，降水能改变土壤中铵态氮和硝态氮含量，降水在气温、地温适宜的条件下能加速地表层的枯枝落叶腐烂、霉变，在微生物和霉菌的共同作用下能改变土壤中养分含量。

图8 祁连山哈溪林区不同层次土壤水分、容重与铵态氮、硝态氮之间的关系

4 讨论

影响土壤氮的主要环境因子为土壤温度和水分[14]。通过研究发现土壤氮的分布与植被类型关系不大，三种植被类型的云杉、草地、灌丛氮的含量差异不显著，而且变异系数均很小，均为弱变异，这是因为三种植被类型分布在同一个海拔，同一海拔的环境因子差异不大，在相同的土壤温度和水分的胁迫下土壤氮的变化较小；在海拔和剖面上的变化较为显著，而且变异系数较高，大部分为中等变异，因为海拔和剖面层次不同导致土壤温度和水分差异性明显，已有研究表明土壤氮与土壤水分、土壤温度之间有正相关关系，土壤温度和土壤水分越高能够有效促进土壤氮的矿化。因此，空间变化是引起土壤氮变化的主要影响因素之一。通过研究发现，在水分一定的情况下，升高温度能促进氮的矿化，能增加氮被植被的吸收利用，因此能消耗部分氮源；在温度一定的情况下，适当增加土壤水分也能促进土壤氮的矿化，增加植被吸收氮源，可消耗土壤中的氮素。