色季拉山山地酸性棕壤土壤氮素的分布特征

劉合滿 ，曹麗花 ，張 華 ，孫 巧

（1.西藏農(nóng)牧學(xué)院 資源與環(huán)境系，西藏 林芝 860000；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

色季拉山山地酸性棕壤土壤氮素的分布特征

劉合滿1,2，曹麗花1，張 華1，孫 巧1

（1.西藏農(nóng)牧學(xué)院 資源與環(huán)境系，西藏 林芝 860000；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

為闡明色季拉山山地酸性棕壤土壤氮素含量、無機(jī)氮分配特征及對植被類型的響應(yīng)，以色季拉山海拔3 900～4 100 m的區(qū)域?yàn)檠芯繉ο螅芯坎煌脖粭l件下土壤0～10 cm和10～20 cm層次土壤總氮、無機(jī)態(tài)氮（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）含量。結(jié)果表明：（1）土壤全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量空間變異較大，且均表現(xiàn)為0～10 cm＞10～20 cm。在95%置信區(qū)間0～10 cm和10～20 cm土層中全氮含量分別為3.14～4.24 g·kg-1和2.03～3.37 g·kg-1，硝態(tài)氮分別為 119.96 ～ 169.95 mg·kg-1和 85.86 ～ 124.69 mg·kg-1，銨態(tài)氮分別為 404.36 ～ 513.26 mg·kg-1和276.32～369.41 mg·kg-1，土壤銨態(tài)氮含量顯著高于硝態(tài)氮。(2)土壤無機(jī)氮占總氮的比例較高，0～10 cm和10～20 cm層次上95%置信區(qū)間分別為：15.41～20.45%和16.01～23.79%。（3）植被類型對土壤氮素含量和形態(tài)影響顯著；（4）喬木冷杉對土壤氮的表聚作用較明顯，其表層土壤氮素含量顯著高于其它植被。研究結(jié)果建議，對于色季拉山土壤氮素分布特征研究除海拔梯度和植被類型因素外，還應(yīng)充分考慮土壤類型對氮素空間異質(zhì)性的影響。

山地酸性棕壤; 色季拉山；西藏； 植被；全氮；硝態(tài)氮；銨態(tài)氮

氮素是陸地生態(tài)系統(tǒng)一種重要的營養(yǎng)元素和環(huán)境元素，其循環(huán)過程對植物生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境變化產(chǎn)生重要影響，尤其是氮素轉(zhuǎn)化過程[1]及無機(jī)氮的營養(yǎng)和環(huán)境意義受到廣大學(xué)者的廣泛重視[2-3]。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤氮素轉(zhuǎn)化過程最終通過土壤總氮、不同形態(tài)氮素含量形式表現(xiàn)出來。而這一過程受到植被條件、氣候條件和土壤條件[4-5]的深刻影響。

森林生態(tài)系統(tǒng)是最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，由于其低的氮素輸入[6]和較少的人為擾動，成為研究自然生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)的重要場所。色季拉山是林芝的主要林區(qū)之一，其海拔高度分布范圍大，植被、土壤類型沿海拔高度垂直分布規(guī)律，是研究土壤物質(zhì)分布特征及與植被、土壤、氣候響應(yīng)的天然實(shí)驗(yàn)室。而目前關(guān)于色季拉山土壤物質(zhì)分布的研究主要集中在海拔梯度[7]和植被類型[8]的變化，而缺乏針對相同土壤類型土壤氮素變異與植被響應(yīng)的研究與報(bào)道。為減少氣候條件和土壤條件對土壤氮素的影響，本文以色季拉山主要土壤類型之一的山地酸性棕壤土為研究對象，探討土壤氮素分布特征和不同植被條件下土壤氮素含量變化，旨在為色季拉山山地酸性棕壤土氮素循環(huán)與預(yù)測研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究樣區(qū)概況

色季拉山位于林芝縣以東，屬念青唐古拉山脈，處于半濕潤與濕潤區(qū)的過度帶，海拔2 200～5 300 m，土壤和植被類型具有規(guī)律的垂直地帶性。植被類型豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)色季拉山木本植物有135種，草本植物370種[9]。本研究選擇色季拉山東坡中部，海拔3 900～4 100 m的地帶進(jìn)行研究。本研究區(qū)域位于 29°39′N, 94°42′E，土壤類型為山地酸性棕壤[10]，土壤pH值在4.4～5.5。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集與分析

為評價(jià)本樣區(qū)內(nèi)土壤總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的分布特征及植被對氮素分布的影響，于2012年10月28日，分別選擇該區(qū)域的11種主要植被。上層植被主要為高大的喬木：冷杉Abies spectabilis、高山柏Sabina squamata、云杉Picea asperata，下層主要為小喬木或灌木及草本植物：紫菀Aster、莢蒾Viburnum dilatatum、峨眉薔薇Rosa omeiensis Rolfe、小檗 Berberis angulosa、杜鵑 Rhododendron、 花 楸 Sorbus pohuashanensis、金露梅Potentilla fruticosa和烏柳Salix cheilophila Schneid。分別采集表層0～10 cm和10～20 cm兩個(gè)層次土壤樣品，每種植被下采集3個(gè)樣點(diǎn)，作為該類植被下的3個(gè)重復(fù)，共采集66個(gè)土壤樣品。將采集的土壤樣品帶回室內(nèi)，去除石塊、根系、植物殘?bào)w等可見非土壤成分，自然風(fēng)干，磨碎。土壤全氮采用開氏法，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用2 mol·L-1KCL溶液浸提30 min[11]，連續(xù)流動分析儀測定。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析

氮素分布特征箱式圖采用Origin 8.5進(jìn)行作圖分析，不同植被條件下氮素含量方差分析采用SPSS 20.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全氮分布特征

土壤全氮分布特征如圖1a所示，在空間分布上表現(xiàn)較大的空間異質(zhì)性。全氮含量表現(xiàn)為0～10 cm＞10～20 cm，由統(tǒng)計(jì)箱式圖箱體高低可以看出，10～20 cm層次上土壤全氮含量較0～10 cm變化大，數(shù)據(jù)分散度高。在0～10 cm層次上，土壤全氮含量最大值為7.62 g·kg-1，最小值為1.64 g·kg-1，均值為 3.69 g·kg-1，95% 置信區(qū)間分布在3.14～4.24 g·kg-1之間，整體數(shù)據(jù)變異系數(shù)較大，為42.09%。統(tǒng)計(jì)顯示，0～10 cm層次土壤全氮含量有4個(gè)高離群值，在剔除這4個(gè)高離群值后，數(shù)據(jù)變異系數(shù)為29.86%。在10～20 cm層次上，土壤全氮含量最大值為9.66 g·kg-1，最小值為 0.53 g·kg-1，均值為 2.70 g·kg-1，95% 置信區(qū)間分布在2.03～3.37 g·kg-1之間，數(shù)據(jù)變異系數(shù)為69.71%，屬于高變異性，其中在本組數(shù)據(jù)中，有一個(gè)離群值（7.16 g·kg-1）和一個(gè)極端大值（9.66 g·kg-1），剔除這兩個(gè)離群值后，數(shù)據(jù)變異系數(shù)為50.16%。

圖1 土壤氮素分布特征Fig. 1 Distribution characteristics of soil nitrogen contents

2.2 土壤無機(jī)氮分布特征

土壤無機(jī)氮是土壤中有效性比較高的形態(tài)，主要是硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，其在土壤中的含量多少主要受土壤氮礦化作用的影響。而土壤氮礦化作用也是一個(gè)復(fù)雜的過程，與植被類型[12]、植物葉片和根系殘?bào)w氮礦化及微生物的分解活動有關(guān)[13-14]，同時(shí)受到土壤環(huán)境條件，如溫度和濕度[4]及溫濕度交互作用[15]的顯著影響。土壤溫度升高會加速土壤氮素礦化，增加土壤無機(jī)氮含量[16]。

土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分布特征如圖1所示，由圖可知銨態(tài)氮含量高于硝態(tài)氮。兩個(gè)供試層次上表現(xiàn)為0～10 cm土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量變異性均高于10～20 cm，這與0～10 cm層次上土壤性質(zhì)受外界環(huán)境條件影響大，氮素易轉(zhuǎn)化有關(guān)。在0～10 cm層次上土壤更易受到外界水分和溫度條件及植被凋落物的影響，而促進(jìn)土壤氮的轉(zhuǎn)化和接納更多的環(huán)境氮素。任艷林[17]等研究也表明在表層0～5 cm上土壤凈硝化速率和凈氮礦化速率顯著高于下層。

在0～10 cm層次上土壤銨態(tài)氮含量最大值為 792.39 mg·kg-1，最小值為 173.75 mg·kg-1，95%置信區(qū)間為404.36～ 513.26 mg·kg-1，數(shù)據(jù)變異系數(shù)為33.47%。10～20 cm層次上，土壤銨態(tài)氮最大值為 680.04 mg·kg-1，最小值為 150.47 mg·kg-1，數(shù)據(jù)變異系數(shù)為40.66%，95%置信區(qū)間為276.32～369.41 mg·kg-1。其中有一個(gè)離群值（AN=680.04 mg·kg-1），在去除這一離群值后，10～20 cm層次土壤銨態(tài)氮含量空間變異系數(shù)為37.33%。

土壤硝態(tài)氮在0～10 cm上，最大值為302.02 mg·kg-1，最小值為 54.21 mg·kg-1，95% 置信區(qū)間為119.96 ～ 169.95 mg·kg-1，數(shù)據(jù)分布在上、下四分位數(shù)間點(diǎn)數(shù)較10～20 cm的多，數(shù)據(jù)變異系數(shù)為48.63%。而在10～ 20 cm 層次上，土壤硝態(tài)氮含量最大值為 249.85 mg·kg-1，最小值為 34.05 mg·kg-1，95%置信區(qū)間為85.86～124.69 mg·kg-1。由一個(gè)離群值（NN=249.84 mg·kg-1），在剔除離群值后，所得數(shù)據(jù)變異系數(shù)為48.62%。

2.3 土壤硝態(tài)、銨態(tài)氮在總氮中的分配比例

在0～10 cm層次上，土壤銨態(tài)氮占總氮比例最大值為32.59%，最小值為5.51%，考慮某些特殊位點(diǎn)極端值的影響，故采用5%截尾平均數(shù)進(jìn)行衡量，5%截尾平均數(shù)為13.16%。95%置信區(qū)間分布在11.59～15.81%，其中分別有一個(gè)離群值（29.08%）和極端大值（32.59%）。10～20 cm層次上，土壤銨態(tài)氮占總氮比例最大值為43.79%，最小值為5.76%，5%截尾平均數(shù)為14.17%。95%置信區(qū)間為12.09～17.96%，在此層次上分別有兩個(gè)離群值（31.80%和31.32%）和一個(gè)極端大值（43.79%）。

在研究區(qū)內(nèi)供試兩個(gè)層次上土壤硝態(tài)氮與總氮含量之比同樣表現(xiàn)為：10～20 cm＞0～10 cm。在0～10 cm層次上最大值為11.57%，最小值為1.76%，5%截尾平均數(shù)為4.05%。95%置信區(qū)間為3.47～4.99%，其中有一個(gè)離群值11.57%。10～20 cm層次上，硝態(tài)氮與總氮之比最大值為18.90%，最小值為1.55%，5%截尾平均數(shù)為4.42%，95%置信區(qū)間為3.65～6.11%。

在0～10 cm層次上，土壤無機(jī)氮（硝態(tài)氮和銨態(tài)氮之和）占總氮含量的95%置信區(qū)間為15.41～20.45%，5%截尾平均數(shù)為17.41%。10～20 cm層次上土壤無機(jī)氮占總氮比例的95%置信區(qū)間為16.01～23.79%，5%截尾平均數(shù)為18.60%。由此區(qū)域上硝態(tài)和銨態(tài)氮占土壤總氮比例可知，該區(qū)域上土壤無機(jī)氮含量占總氮含量的比例較高。

2.4 不同植被條件下土壤全氮分布特征

由不同植被下土壤全氮分布圖（圖2）可知，除冷杉、莢蒾及金露梅三種植被下0～10 cm和10～20 cm土層土壤全氮含量差異不顯著外，其余8種植被兩供試層次全氮含量差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05），且均表現(xiàn)為0～10 cm＞10～20 cm，即植被對土壤養(yǎng)分具有表聚效應(yīng)[18]。且由本研究可知，紫菀和冷杉對土壤氮素的表聚作用更明顯，在0～20 cm層次上土壤總氮含量明顯高于其它植被。

圖2 不同植被類型下土壤全氮分布特征Fig. 2 Distribution characteristics of soil total nitrogen contents of different vegetation

由相同土層不同植被條件下，土壤全氮含量變化特征可知，在相同土壤類型背景下，植被類型對土壤氮含量的影響差異顯著。這可能與不同植被對土壤氮素的吸收和植被凋落物氮素分解特征不同有關(guān)。不同類型植物凋落物的質(zhì)和量及分解速率有較大差異，從而使植物體氮素向土壤的歸還量及速率也存在較大差異，而影響土壤氮素含量。

對于在0～10 cm土層全氮含量表現(xiàn)為：紫菀＞冷杉＞莢蒾＞高山薔薇＞杜鵑＞小檗＞烏柳＞高山柏＞金露梅＞云杉＞花楸。紫菀植被下土壤全氮量最高，為6.81 g·kg-1，而花楸植被下土壤的全氮量最低，其含量為0.25 g·kg-1，比紫菀植被下土壤氮含量低174.55%。在10～20 cm土層中，土壤全氮含量表現(xiàn)為：冷杉＞莢蒾＞紫菀＞金露梅＞杜鵑＞高山薔薇＞小檗＞高山柏＞云杉＞烏柳＞花楸，其中冷杉土壤中全氮含量最高，花楸土壤中全氮量最低。

2.5 不同植被條件下土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮分布特征

圖3 土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分布特征Fig. 3 Distribution characteristics of contents of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in soil

由圖3可知，植被對土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量影響顯著。不同植被條件下0～20 cm層次土壤銨態(tài)氮含量以冷杉和紫菀最高，以花楸含量最低。土壤硝態(tài)氮以冷杉含量最高，以小檗為最低。由不同植被條件下0～10 cm和10～20 cm兩個(gè)供試層次土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分布特征可知，喬木冷杉對無機(jī)氮的表聚作用顯著。

由圖3還可知，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為0～10 cm＞10～20 cm。供試兩個(gè)層次上土壤銨態(tài)氮含量，除紫菀、莢蒾、小檗、云杉、金露梅之外，其余幾種植被條件下二者差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）。相同植被不同供試層次上土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為除冷杉、莢蒾、小檗、金露梅和烏柳外，其余表現(xiàn)為二者差異顯著（P＜0.05）。

3 結(jié) 論

（1）色季拉山酸性棕壤土氮素具有較高的空間異質(zhì)性，0～10 cm層次土壤總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量分別為：3.14～4.24 g·kg-1、119.96～169.95 mg·kg-1、404.36 ～ 513.26 mg·kg-1，10 ～20 cm層次分別為：2.03～3.37 g·kg-1、85.86～124.69 mg·kg-1和 276.32 ～ 369.41 mg·kg-1；

（2）植被對土壤氮素具有表聚作用，在0～10 cm和10～20 cm兩個(gè)層次上土壤氮素含量表現(xiàn)為0～10 cm ＞10～20 cm，但不同植被對氮素的表聚效果差異較大，此區(qū)域內(nèi)以冷杉和紫菀對氮素的表聚作用最顯著；

（3）在供試酸性棕壤土壤中，土壤無機(jī)氮（硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）占總有機(jī)氮的比重較大，供試兩個(gè)層次上無機(jī)氮占總氮比值均值分別為17.41%和18.63%。

（4）植被對土壤氮素含量與形態(tài)分布產(chǎn)生顯著影響。

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Distribution characteristics of soil nitrogen in mountain acid brown soil in Sejila Mountain, Tibet

LIU He-man1,2, CAO Li-hua1, ZHANG Hua1, SUN Qiao1
(1. Dept. of Resources and Environment, Tibet Agricultural and Animal Husbandry College, Linzhi 860000, Tibet, China;2. College of Resources and Environment, China Agricultural University, Beijing 1000193)

Soil nitrogen is an important environment and nutrient element, but few studies were focused on the nitrogen spatial variation and responding to different vegetation in Sejila mountain, Tibet. In order to elucidate the variation of mountain acid brown soil nitrogen content and response to vegetation, the soil total nitrogen（TN） and the mineral nitrogen (Nmin) ( included nitrate N (NN) and ammonium nitrogen (AN)) were analyzed at the altitude range of 3 900～4 100 m of Sejila mountain. The results show (1) The spatial variability of soil TN, NN and AN content were obvious, and that in 0～10 cm layer was higher than that in the 10～20 cm layer; (2) A higher value of Nmin/TN, 95% conf i dence intervals were 15.41～20.45% and 16.01～23.79% respectively of 0～10 cm and 10～20 cm; (3)The vegetation type signif i cantly inf l uenced soil nitrogen content and nitrogen forms; (4) The fi r signif i cant increased nitrogen content of the surface soil and was higher than other vegetation. The results suggested that it is should considered that the effects of soil type to nitrogen spatial heterogeneity besides altitudinal gradient and vegetation.

mountain acid brown soil; Sejila mountain;Tibet; vegetation; total nitrogen; nitrate nitrogen; ammonium nitrogen

S714.2

A

1673-923X(2013)10-0126-04

2013-04-09

國家自然科學(xué)基金（41161052）；西藏自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目；西藏農(nóng)牧學(xué)院青年科學(xué)基金項(xiàng)目

劉合滿（1979-），男，河南南陽人，講師，博士研究生，主要從事土壤物質(zhì)循環(huán)與氣候響應(yīng)研究；

E-mail：hmliu@cau.edu.cn

[本文編校：吳 彬]