安金玲

(1.甘肅祁連山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，甘肅 張掖 734000)

作為植物生長和凈初級生產(chǎn)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(fā)育需要從土壤中吸收足夠的氮素營養(yǎng)，這些氮素營養(yǎng)如何分布，引起氮素增加或減少的原因是什么，是不是因?yàn)橥寥浪只蛲寥罍囟鹊纳呋蚪档投绊懙睾?，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(dǎo)致土壤、植被空間差異明顯，土壤養(yǎng)分的有效性特別是氮素的有效性大大受到限制[2]，表現(xiàn)為氮的可利用含量限制了植物對土壤氮素的養(yǎng)分利用效率，直接影響陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力；氮的可利用含量與群落演替、植物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)退化和健康之間存在反饋關(guān)系；礦化過程還影響到森林生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素的流失和氣態(tài)損失，關(guān)系到環(huán)境污染和氮素經(jīng)濟(jì)利用；氮氧化物向大氣中的排放是溫室效應(yīng)和全球變暖的誘因[3]。因此，通過移植培養(yǎng)，改變環(huán)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(guān)鍵問題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對土壤氮的轉(zhuǎn)化以及影響土壤氮含量的水熱條件、土壤質(zhì)地等單因素方面展開了大量工作[4,5]，對土壤氮在環(huán)境變量、季節(jié)動態(tài)、賦存形態(tài)等[1]方面研究雖較多，但無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和方法，給不同地區(qū)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(tài)變化還有些不確定性，尤其是關(guān)于土壤氮礦化與影響因素的關(guān)系及不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮礦化趨勢的研究結(jié)果差異還很大[9]。因此，本文重點(diǎn)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(fā)生怎樣的分布特征，采用野外取樣和室內(nèi)分析結(jié)合的方法，探討土壤氮在海拔梯度上發(fā)生怎樣的變化規(guī)律，搞清楚土壤氮的分布特征后，根據(jù)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(guān)性，對于維持和提高林分生產(chǎn)力的關(guān)鍵技術(shù)和評估全球變化情景下祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)的格局、過程變化有著重要的作用，為西北干旱半干旱區(qū)應(yīng)對全球氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

哈溪林區(qū)位于祁連山東段天祝縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)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(qū)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(qū)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(fā)量1234.2mm，屬于高寒濕潤半濕潤氣候區(qū)[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(shù)2130.5h。該區(qū)土壤具有明顯的山地特征，隨海拔升高表現(xiàn)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(qū)植被生長較好的土壤；該區(qū)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(yōu)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(yōu)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(yàn)設(shè)計

在祁連山哈溪森林分布典型的區(qū)域沿海拔和植被布設(shè)12個樣點(diǎn)，包括9個不同海拔樣點(diǎn)，3個不同植被 (草地、灌叢、云杉)樣點(diǎn)，最低海拔為2550m，最高海拔為2950m，50m為一個高程點(diǎn)，取樣時去除樣點(diǎn)上層的枯落物及腐殖質(zhì)，先在各樣點(diǎn)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(biāo)簽，防止樣品混合，難以分辨，立即帶回實(shí)驗(yàn)室分析測定全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等含量。同時，在不同海拔和不同植被間布設(shè)了針式土壤溫度記錄儀，對土壤溫度進(jìn)行了定位監(jiān)測，測定期限為一年，利用土壤剖面機(jī)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(jìn)行了土溫測定；并對每層土壤水分和容重利用100體積環(huán)刀法進(jìn)行取樣測定，所有的測定因子均設(shè)置兩個重復(fù)取其均值。便于分析土壤氮的含量是否受不同培養(yǎng)點(diǎn)土溫、水分、容重等的影響，見表1。

表1 祁連山哈溪林區(qū)土壤氮野外培養(yǎng)點(diǎn)參數(shù)概況

2.2 樣品的處理與數(shù)據(jù)分析方法

把采集回來的土壤自然風(fēng)干后過2 mm孔徑土篩，并進(jìn)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(kuò)散法測定NH4+-N含量。

數(shù)據(jù)基本統(tǒng)計分析和作圖采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行，采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行有關(guān)回歸性分析并作圖。

3 結(jié)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(chǎn)力的一個關(guān)鍵因素，特別在干旱區(qū)水分是植被生長的最大限制因子。容重則是土壤的一項(xiàng)重要指標(biāo)，與土壤其他指標(biāo)如機(jī)械阻力直接相關(guān)，影響植物根系的發(fā)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(chǎn)力[4]。圖1是祁連山哈溪林區(qū)不同海拔和植被土壤含水量和容重的變化情況，該區(qū)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(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)土壤含水量在海拔上呈線型變化關(guān)系，線型方程為Y=3.1139X+4.753，可以看出方程的斜率系數(shù)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(guān)系，線型方程為Y=-0.0215X+0.8133，斜率系數(shù) K=-0.0215＜0，說明容重隨海拔的升高有波動下降趨勢。出現(xiàn)該規(guī)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(fā)較小，或氣溫低導(dǎo)致土溫低，或許有些海拔的土壤一年中大多數(shù)時間處于凍融或半凍融狀態(tài)，甚至土壤水分達(dá)到飽和狀態(tài)；其二人為因素，哈溪林區(qū)低海拔人為活動特別頻繁，森林和農(nóng)家住戶交織在一起，該區(qū)是牛、羊的重要放牧區(qū)，牛羊踐踏也是導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行測定，將數(shù)據(jù)進(jìn)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(yǎng)能力尤于喬木林，保水、固土能力更強(qiáng)，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(fā)、固土、保肥都有很好的作用，土壤比較肥沃，有機(jī)質(zhì)含量較高，因此土壤容重相對較低。

圖1 祁連山哈溪林區(qū)土壤水分和容重在海拔植被間的變化

3.2 全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)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(qū)土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量存在明顯差異，土壤中全氮含量是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的幾百倍，其平均含量為5.04gkg-1，銨態(tài)氮和硝態(tài)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(tài)氮含量更小，銨態(tài)氮是硝態(tài)氮含量的2倍多，將兩者加起來構(gòu)成無機(jī)態(tài)氮，其無機(jī)態(tài)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(qū)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(qū)無機(jī)態(tài)氮含量較少，有機(jī)態(tài)氮含量較高，將有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)氮才能被植物吸收利用，因此，說明該林區(qū)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(fèi)，造成氮損失。全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮在整個海拔上變化均呈現(xiàn)“V”字型，變化趨勢有差異，銨態(tài)氮隨海拔的升高有緩慢降低趨勢，全氮和硝態(tài)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(tài)氮和硝態(tài)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(jìn)行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)TN、NO3--N、NH4+-N變異系數(shù)(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(qū)土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在海拔上的變化

圖4 祁連山哈溪林區(qū)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?yàn)椋翰莸兀驹粕迹竟鄥玻瑥膱D5中得知三個植被類型土壤水分含量的大小關(guān)系為：灌叢＞云杉＞草地，由此發(fā)現(xiàn)兩結(jié)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(shù)為2.3%，NH4+-N變異系數(shù)為1.5%，NO3--N變異系數(shù)為0.97%，變異系數(shù)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(qū)不同植被類型銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量比較

3.3 銨態(tài)氮、硝態(tài)氮在剖面上的分布特征

圖7是對哈溪森林分布典型的區(qū)域利用剖面法獲取土壤樣品，利用SPSS統(tǒng)計軟件對剖面上不同層次的NH4+-N、NO3--N進(jìn)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(shù)為17.3%；NO3--N在剖面上也有變異，變異程度接近中等，其系數(shù)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(xiàng)式變化趨勢，線型方程為Y=1.205X2-5.085X+12.5,r2為1，系數(shù)a=1.205＞0,說明該多項(xiàng)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(xù)增加土壤深度，是否還會增大，這個問題需要今后繼續(xù)研究和探索。

圖7 祁連山哈溪林區(qū)土壤剖面層次銨態(tài)氮、硝態(tài)氮變化

3.4 水分、容重與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮之間的關(guān)系

圖8是對祁連山哈溪林區(qū)12個培養(yǎng)點(diǎn)不同層次(0-10cm、10-20cm、20-40cm)土壤水分、容重與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之間的關(guān)系利用SPPS進(jìn)行了回歸分析，通過分析發(fā)現(xiàn)他們之間均有三次多項(xiàng)式變化關(guān)系，表現(xiàn)為土壤容重和銨態(tài)氮在0-10cm(a)有較顯著的擬合關(guān)系，其r2為0.843，P＜0.05；10-20cm和20-40cm處顯著性不強(qiáng)。土壤容重和硝態(tài)氮在0-10cm、10-20cm、20-40cm均顯著性不強(qiáng)。水分和銨態(tài)氮在0-10cm、10-20cm顯著性不強(qiáng)；在20-40cm(i)有較強(qiáng)的顯著性，其r2為0.61，P＜0.05。水分和硝態(tài)氮在0-10cm、10-20cm表現(xiàn)為不顯著；在20-40cm(l)有較顯著的變化關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)r2為0.653，P＜0.05。因?yàn)楸韺油寥廊葜剌^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(tài)氮和硝態(tài)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(yǎng)分含量。

圖8 祁連山哈溪林區(qū)不同層次土壤水分、容重與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮之間的關(guān)系

4 討論

影響土壤氮的主要環(huán)境因子為土壤溫度和水分[14]。通過研究發(fā)現(xiàn)土壤氮的分布與植被類型關(guān)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(shù)均很小，均為弱變異，這是因?yàn)槿N植被類型分布在同一個海拔，同一海拔的環(huán)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??；在海拔和剖面上的變化較為顯著，而且變異系數(shù)較高，大部分為中等變異，因?yàn)楹０魏推拭鎸哟尾煌瑢?dǎo)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(guān)關(guān)系，土壤溫度和土壤水分越高能夠有效促進(jìn)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(fā)現(xiàn)，在水分一定的情況下，升高溫度能促進(jìn)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(dāng)增加土壤水分也能促進(jìn)土壤氮的礦化，增加植被吸收氮源，可消耗土壤中的氮素。