宋勇生,李德福
吉安城郊不同土地利用方式下的土壤氮素特征
*宋勇生1,2,李德福1
(1. 井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,江西,吉安 343009;2. 江西省生物多樣性與生態(tài)工程重點實驗室,江西,吉安 343009)
以吉安市城郊各類典型土地利用方式下的土壤為研究對象,選取菜地(V)、城市綠地(G)、林地(F)、稻田(P)四種土地利用類型,分析不同土壤0~10 cm和10~20 cm層次中的氮素形態(tài)及其含量。結(jié)果表明:吉安市城郊地區(qū)表層0~10 cm土壤全氮含量為564~964 mg·kg-1,土壤中以稻田最高,平均含量為964 mg·kg-1,其次是菜地、綠地和林地土壤,其平均含量分別為769,646和564 mg·kg-1;銨態(tài)氮和水解氮在稻田0~10 cm土壤中的平均含量分別為99.2 mg·kg-1和120 mg·kg-1,遠(yuǎn)高于菜地、綠地和林地;土壤硝態(tài)氮含量為3.08~27.2 mg·kg-1,硝態(tài)氮在4種土地利用類型中土壤含量大小順序大致為:菜地≈綠地>稻田>林地。不同形態(tài)的氮素含量在10~20 cm土壤中的變化規(guī)律與0~10 cm基本相同;對于同一土地利用類型土壤不同層次間的各種氮素含量,均是0~10 cm高于10~20 cm。
土地利用方式;氮素;速效氮;城郊土壤;吉安市
氮素是植物生長發(fā)育所必需的大量元素之一[1],也是土壤肥力質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。由于土壤中氮素存在形態(tài)多種多樣,不同形態(tài)的氮生物有效性不同,各氮素形態(tài)循環(huán)過程也并不一致,但在土壤有效氮的供應(yīng)中又起著各自獨特的作用。土地利用變化是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的主要人為因素之一,其對全球生物地球化學(xué)循環(huán)的影響日益受到人們的重視[2]。土地利用方式不同,直接影響土壤養(yǎng)分物質(zhì)的輸入和輸出,進(jìn)而深刻影響土壤的養(yǎng)分貯量。合理的土地利用方式有利于土壤氮素的固定,不合理土地利用方式將會影響土壤氮素的礦化、運輸、和植物的吸收和利用并造成土壤氮素的差異[3-7],甚至導(dǎo)致土壤氮的損失,使其逆轉(zhuǎn)為氮源。
土地利用方式體現(xiàn)了管理與決策的因素,不僅影響到土壤中養(yǎng)分元素的利用效率,而且對不同土地單元中氮、磷等營養(yǎng)元素的滯留與轉(zhuǎn)化也產(chǎn)生影響[8]。因此,針對土壤中氮的不同形態(tài)進(jìn)行定量研究,對揭示土壤氮素狀況和土壤氮素循環(huán)特點具有重要意義。研究不同土地類型土壤中氮素的區(qū)域變化特征,可以及時掌握土壤中養(yǎng)分的盈虧平衡,科學(xué)合理使用土地,降低養(yǎng)分流失的潛在危險均具有重要意義[9-11]。
國內(nèi)外許多學(xué)者研究表明,在氣候和土壤等自然條件基本相同的條件下,土地利用方式對土壤氮素及其轉(zhuǎn)化具有重要的影響[12-13]。孫庚等[14]研究表明,不同管理措施對土壤氮、碳庫,氮轉(zhuǎn)化速率和土壤呼吸有顯著影響,圍欄草地的全氮、有機質(zhì)含量分別比天然放牧草地高58%和61%;對祁連山區(qū)草地不同放牧強度下土壤全氮動態(tài)的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn),輕度放牧地與中度及重度放牧地之間土壤全氮量均有明顯差異[15];此外,隨著土地利用方式的改變,土壤氮素形態(tài)和含量都會產(chǎn)生明顯變化[16]。不同地區(qū)自然條件和受人類干擾強度差別較大,土地利用方式及其變化對土壤氮庫的影響和作用具有明顯的區(qū)域特征,在已有的研究中,對于城市內(nèi)部不同土地利用方式下土壤氮庫的影響研究鮮有報道[17-18]。
本研究通過實地采樣及實驗室分析測定等手段,對江西吉安市城郊地區(qū)不同土地利用方式下土壤氮素形態(tài)及其含量進(jìn)行了分析,研究不同土地利用方式下的土壤氮素及其轉(zhuǎn)化狀況,探討土壤氮素及其轉(zhuǎn)化特征對幾種主要土地利用方式的響應(yīng),分析造成土壤氮素含量變化的原因,以期為吉安城郊不同土地利用類型土壤肥力恢復(fù)及區(qū)域土地利用規(guī)劃提供參考。
吉安市地處江西省中西部,贛江中游,羅霄山脈中段。位于北緯25°58'32"至27°57'50"、東經(jīng)113°46'至115°56'之間。全市土地總面積約2.53萬平方公里,占全省土地總面積的15.14%。贛江自南向北流經(jīng)全境,山地占總面積的51%,丘陵、崗地占29%,平原占l4%,水面占6%。境內(nèi)土地利用類型齊全,區(qū)域差異則較明顯。常態(tài)地貌類型以山地和丘陵為主。整個地勢東西高聳、南部突起、中部低平、北部平坦而由邊及里三面逐漸向北傾斜,構(gòu)成以吉安、泰和為中心的吉泰盆地。該區(qū)域土壤肥沃,主要的土壤類型有水稻土和紅壤等類型。
1.2.1 樣品采集與處理
基于研究區(qū)現(xiàn)有的土地利用類型,重點選擇吉州區(qū)東門菜地(V)、白鷺洲公園綠地(G)、井岡山大學(xué)校園內(nèi)濕地松林地(F)和青原區(qū)尹家村稻田(P)四種典型土地利用類型,在每一個樣地中選擇地勢平坦,有代表性的地塊,選定距離在50 m以上的3個樣點作為重復(fù),在每一個樣點內(nèi)進(jìn)行5次亞抽樣,用內(nèi)徑為6 cm的土鉆分別采集0~10和10~20 cm土層的土壤,同一層次的土壤混合成1個土樣。同時,在土壤剖面上按0~10 cm和10~20 cm土層用環(huán)刀法取原狀土樣3個,用作測定土壤容重。將土樣用塑料袋密封,帶回實驗室。每次采集土壤樣品后,迅速將部分鮮土樣品過20目土壤篩,并分別用2 mol·L-1的 KC1和二水硫酸鈣按水土比例 5:1進(jìn)行土壤浸提,浸提液用于銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的測定。剩余土樣挑去可見的礫石、土壤動物和植物殘體,經(jīng)風(fēng)干,輕輕碾碎過100目分樣篩,混勻,所得樣品用塑料袋密封保存,用于測定土壤全氮和水解性氮。不同土地利用類型土壤的基本性狀如表1。
表1 不同土地利用方式下的土壤基本性質(zhì)
1.2.2 樣品測定
土壤全氮的測定采用半微量定氮蒸餾法[19]。采用酚二磺酸比色法[20]測定土壤硝態(tài)氮;采用堿解擴散法[21]測定土壤銨態(tài)氮;采用堿解擴散法[19]測定土壤水解性氮。
采用excel和SPSS16.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,采用單因素方差分析(ANOVA),當(dāng)F檢驗顯著時,進(jìn)行均值間LSD顯著性檢驗。所有圖形均使用Sigmaplot 11.0作圖軟件進(jìn)行繪制。
銨態(tài)氮是植物可吸收態(tài)氮,其在土壤中的含量與變化與農(nóng)田施肥及作物吸收之間的關(guān)系更為密切[22]。同時,其動態(tài)消長也在一定程度上反映了土壤中微生物的活動狀況[23]。雖然同為植物吉安市城郊地區(qū)0~10 cm土層土壤銨態(tài)氮含量為36.2~99.2 mg·kg-1,10~20 cm土層土壤銨態(tài)氮含量為12.6~47.3 mg·kg-1(圖1)。不同土地利用方式下的土壤銨態(tài)氮含量存在較為顯著的差異。從平均含量來看,無論表層還是底層,都是稻田的銨態(tài)氮含量最高,分別為99.2 mg·kg-1和47.3 mg·kg-1;菜地其次,分別只有66.2 mg·kg-1和31.5 mg·kg-1,占稻田的66.7%和66.6%;林地最低,分別只有36.2 mg·kg-1和14.2 mg·kg-1,僅相當(dāng)于稻田的36.5%和30%。稻田和菜地的人類干擾強度要林地,耕種過程中施用氮肥會導(dǎo)致土壤銨態(tài)氮明顯積累。從不同土壤層次的銨態(tài)氮來看,在0~10 cm土層,稻田>菜地≈綠地>林地,而在10~20 cm土層,稻田>菜地>綠地≈林地。雖然綠地和菜地的植物都為淺根系植物,但綠地銨態(tài)氮含量在10~20 cm的土層顯著低于菜地,其原因是可能是由于綠地經(jīng)常被踐踏而菜地經(jīng)常被松土導(dǎo)致的結(jié)果。
圖1 不同土地利用類型下的土壤銨態(tài)氮含量
吉安城郊表層0~10 cm土壤硝態(tài)氮含量為11.1~27.2 mg·kg-1,不同土地利用類型間土壤硝態(tài)氮含量沒有顯著性差異;10~20 cm土層土壤硝態(tài)氮含量為3.08~11.0 mg·kg-1(圖2),其中菜地與綠地顯著高于稻田與林地。與銨態(tài)氮明顯不同硝態(tài)氮分布特點是菜地、綠地總體要高于稻田和林地,這與呂學(xué)軍等在黃河三角洲進(jìn)行的試驗結(jié)果非常相似[24]。雖然同為植物可吸收態(tài)氮,但由于硝酸根離子不易被帶負(fù)電荷的土壤顆粒吸附,在土壤中易隨水流失。因此,對于經(jīng)常處于淹水狀態(tài)的稻田或深根系的林地而言,硝態(tài)氮很容易遷移到下層土壤中。如果土壤中硝態(tài)氮含量過高,還會對地下水環(huán)境造成影響。而對于常處于相對干旱的菜地和綠地,硝態(tài)氮主要積累在表層土壤中。另外,從本實驗結(jié)果來看,近地表的植被覆蓋如綠地和菜地可能會對土壤硝態(tài)氮儲藏與循環(huán)具有一定的保護(hù)效應(yīng)。
圖2 不同土地利用下的土壤硝態(tài)氮含量
從圖3可知,不同土地利用方式下的土壤水解氮含量差異顯著(< 0.05),含量高低順序大致為:稻田> 菜地> 綠地> 林地。林地土壤水解氮含量最低,表層和下層分別較稻田降低43.6%和36.4%;其次為綠地,上下層土壤水解氮含量較稻田分別降低19.9%和36.4%。綠地和林地很少施用肥料,主要依靠枯枝落葉、根茬及根系分泌物等有機物歸還土壤,土壤易礦化態(tài)氮含量較低,有可能導(dǎo)致土壤供氮潛力逐年降低[6]。因此,有必要采取適當(dāng)?shù)氖┓蚀胧┲鸩教岣咄寥赖毓?yīng)潛力。
圖3 不同土地利用下的土壤水解氮含量
已有研究表明[25],不同土地利用類型下,作物對氮肥的需求規(guī)律,土壤中營養(yǎng)元素平衡以及微生物活動等,都會對土壤氮素含量及形態(tài)產(chǎn)生影響。由圖4可知,對于0~10 cm土壤,全氮含量以稻田土壤最高,其平均值達(dá)到964 mg·kg-1,其次是菜地和綠地,其平均含量分別為769和646 mg·kg-1,最低的林地僅有564 mg·kg-1。稻田、菜地和綠地的全氮含量均顯著高于林地土壤的全氮含量。不同土地利用方式下底層10~20 cm土壤全氮含量與0~10 cm土層結(jié)果相似,只是含量更低,范圍在為422~769 mg·kg-1之間。根據(jù)全國第二次土壤普查結(jié)果,全國平均耕作層土壤全氮含量為1.05 g·kg-1,從本試驗結(jié)果來看,吉安市城郊地區(qū)土壤全氮含量均低于全國平均水平。土壤中全氮含量的差異,主要是不同用地利類型下土壤氮素累積與消耗程度不同所致。
圖4 不同土地利用下的土壤總氮含量
綜上而言,稻田、菜地和公園綠地的氮含量較高與農(nóng)業(yè)管理中施肥密切相關(guān),化肥的大量施用導(dǎo)致了這幾種形態(tài)的氮素保持了較高的含量;而林地的管理中,肥料的投入十分有限,另外受制于土體發(fā)育不明顯和理化性狀差等原因,導(dǎo)致各種形態(tài)的氮含量水平都較低。
由表2可以看出,就不同土地利用方式下不同形態(tài)土壤氮素含量比較而言,不管是0~10 cm還是10~20 cm土壤,均是水解氮> 銨態(tài)氮> 硝態(tài)氮,其中水解氮的含量大致等于銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之和。一般而言,土壤中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮或水解氮含量均可用于指示土壤速效氮狀況,但從本試驗結(jié)果來看,水解氮最能代表土壤速效氮的指標(biāo)。
表2 不同土地利用方式下的土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和水解氮含量比較
(1)不同土地利用方式下土壤全氮含量呈顯著性變化:稻田>菜地>綠地>林地;對不同土層而言,表層0~10 cm土壤中的全氮含量高于底層10~20 cm土壤。
(2)銨態(tài)氮和水解氮林地土壤中的含量遠(yuǎn)低于其它3種土地利用類型,其由大到小的順序依次為:稻田>菜地>綠地>林地;與銨態(tài)氮和水解氮不同,硝態(tài)氮在4種土地利用類型中土壤含量大小順序大致為:菜地≈綠地>稻田>林地。無論是哪種形態(tài)的氮,其含量在10~20 cm土壤中與其在0~10 cm土壤中的變化規(guī)律基本相同。
(3)堿解氮是最能反映土壤速效氮狀況的指標(biāo)。無論哪種土地利用類型,水解氮含量均約為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之和。另外,不同土地利用方式下,無論上層還是下層土壤均呈現(xiàn)水解氮>銨態(tài)氮>硝態(tài)氮的現(xiàn)象,這主要和農(nóng)業(yè)用地施肥制度和管理方式有關(guān)。
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CHARACTERISTICS OF SOIL NITROGEN UNDER DIFFERENT LAND USE TYPES IN JI’AN CITY
*SONG Yong-sheng1,2,LI De-fu1
(1. School of Life Sciences, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China; 2. Key Laboratory for Biodiversity Science and Ecological Engineering, Jiangxi Province, Ji’an, Jiangxi 343009, China)
This study was set up to characterize the effect of land use on soil nitrogen and its transformation in suburb soil in Ji’an city, soils under four types of land use were employed, i.e., vegetable land (V), green land (G), forest land (F) and paddy field (P). The results showed that the greatest total nitrogen in top soil layer (0~10 cm) was in the paddy land, followed by vegetable land and green land, and the least was in forest land soil. The mean value from the greatest to the least was 964, 769, 646 and 564 mk·kg-1, respectively. In 10~20 cm soil layer, the average concentration of the total nitrogen was 769 mg·kg-1in paddy soil, which is higher than that in the other three land use types. The average concentration of NH4+-N and hydrolysis N in 0-10 cm paddy soil layer is 99.2 and 119 mg·kg-1, respectively, far higher than that in other three land use types, while NO3--N in different land use types was similar, range in from 11.1 to 27.2 mg·kg-1. Soil NH4+-N, NO3--N and hydrolysis N concentration in 10~20 cm layer in different land use soils showed the similar changes as those in top layer (0~10 cm). The results also showed that the different nitrogen concentrations at 0-10 cm soil layer was greater than those at 10~20 cm soil layer in the same land use types.
land use; soil nitrogen; available nitrogen; suburb soil; Ji'an city
X144
A
10.3969/j.issn.1674-8085.2012.06.010
1674-8085(2012)06-0040-06
2012-07-12;
2012-08-28
國家自然科學(xué)基金項目(41161050);江西省教育廳科學(xué)技術(shù)計劃項目(GJJ10690);江西省生物學(xué)高水平學(xué)科
*宋勇生(1977-),男,江西吉水人,講師,博士,主要從事環(huán)境污染與生態(tài)恢復(fù)、土壤資源利用方面研究(E-mail: yshsong001@126.com);
李德福(1988-),男,江西萬年人,井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2008級本科生(E-mail: lidefu88kl@163.com).