荒漠綠洲過渡帶不同植被下土壤全氮的空間分布規(guī)律研究

金彥龍

(塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300)

1 研究意義

荒漠綠洲過渡地帶是綠洲生態(tài)系統(tǒng)與原始荒漠生態(tài)系統(tǒng)之間相互聯(lián)系和溝通的連接點，其自身的生境脆弱、敏感，容易改變，是整個綠洲生態(tài)系統(tǒng)與原始荒漠生態(tài)系統(tǒng)之間進行物質(zhì)循環(huán)、能源轉(zhuǎn)換和信息傳播的主要場所[1]，并且成為一個能量、物質(zhì)、信息交換最多的界面地帶。同時，荒漠綠洲的過渡帶也在干旱地區(qū)處于重要的地位，綠洲的氣候條件變遷以及對綠洲耕種和農(nóng)田的未來拓展都應該是從荒漠-綠洲的過渡帶出發(fā)，不僅關(guān)乎著綠洲耕種和農(nóng)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展以及內(nèi)部的穩(wěn)定，保護綠洲耕種和農(nóng)業(yè)免受強烈的風沙威脅，并且成為綠洲耕種和農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的一個天然屏障，而且對我國綠洲耕種和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展也會具有巨大的促進作用和貢獻。其保持了綠洲內(nèi)部農(nóng)區(qū)的穩(wěn)定與安全，最重要的是保證過渡地帶的平衡與穩(wěn)定，防止綠洲內(nèi)部土地的貧瘠化與次生鹽漬化[2]?；哪?、綠洲這個過渡地帶對自然生態(tài)意義重大，近年來一直都是干旱半干旱地區(qū)的一項重點工作，研究一個區(qū)域內(nèi)植被的健康生長和恢復狀況也是影響該區(qū)域自然生態(tài)條件的一個重要決定性因素，而荒漠、綠洲內(nèi)依賴于天然降水及地下水所維持的自然植被質(zhì)量的穩(wěn)定性與其土壤中的含水率有著密切的聯(lián)系。由于干旱、半干旱等地區(qū)的降水較為稀少，季節(jié)性分配不均勻，蒸發(fā)較強，土壤中氮的生成和變化規(guī)律也不同，所以土壤中的水鹽、氮在各個區(qū)域內(nèi)的分布一直都是對土壤學中水分研究的重要方向之一，這也是當前土壤學領(lǐng)域研究的熱點。

2 研究范圍及取樣方法

土壤并不是一個均勻的、統(tǒng)一的成分，而是一種空間和水平不斷變化的變異體，具有高度的空間異質(zhì)性。土壤中的水分、鹽、氮是土壤中最重要的3種物質(zhì)和特征，氮本身是所有人類生命形式的重要元素，是各種動植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)物質(zhì)，在作物生產(chǎn)過程中，對氮的需求較大。土壤中的氮素不但是土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，而且也是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要因子，因而始終備受生態(tài)學、土壤學等諸多學科的參與和關(guān)注，目前已經(jīng)成為國際關(guān)于全球變革的研究課題之一。為了研究荒漠綠洲過渡帶土壤氮的特性及空間分布規(guī)律，以新疆南疆環(huán)塔里木盆地周圍為研究區(qū)域，采集過渡帶中7類不同植被覆蓋下20個土壤剖面的140個土樣進行分析，在研究區(qū)內(nèi)分別選取灌木、喬木、灌木加草本、喬木加草本、喬木加灌木、喬木加灌木加少量堿蓬、灌木(檉柳加死胡楊)7種不同植被下，土壤氮的空間的垂直分布情況。土樣采集點分別分布在環(huán)塔里木河流域，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第一師阿拉爾市12團境內(nèi)為起點，阿克蘇地區(qū)沙雅縣境內(nèi)為終點，此地針對塔里木盆地荒漠綠洲過渡帶具有很強的代表性。主要研究內(nèi)容，在每種植被類型覆蓋下，找有代表性的樣點挖2m×3m的取土坑，其中一面留有垂直地表以下1m深度的剖面，沿著剖面方向，自下至上以每5cm厚度取一個土樣，帶回實驗室，在測定各土樣全氮含量；研究土壤氮的空間分布垂直變化規(guī)律及變化層次劃分。采樣點分布圖如圖1所示。

3 實驗方法

采用半微量開氏法測定土壤含氮量，原理為當樣品土壤中的氮元素在不同加速催化劑和熱蒸汽的參與下，用氨消毒和制備少量濃硫酸溶液時，各種微量有機化合物通過一次高溫加熱分解反應，轉(zhuǎn)化成為全銨態(tài)氮，堿化后將其加熱蒸餾后把得出的銨態(tài)氨用一種硼酸溶液進行快速吸收，以一種酸性標準溶液對氨進行快速滴定，求出整個樣品土壤中所有的全銨態(tài)氮[3,4]。

儀器設(shè)備有土樣粉碎機、瑪瑙研缽、土壤篩、分析天平、開氏燒瓶、滴定管等，相關(guān)化學藥劑。

計算公式：

土壤全氮(%)=[(V-V0)×CH×0.014/m]×1000

式中，V為測量滴定標準試液時需要使用的方法時滴定硫酸為標準溶液的平均體積，mL；V0為測量滴定液體為溶液空白時所需要使用的標準溶液平均體積，mL;CH為測定酸性標準溶液的平均濃度，mol·L-1；0.014為含氮化氫原子的毫克每摩爾質(zhì)量；m為用水烘干后的土樣平均質(zhì)量值，mg。所有化學檢驗測定的最終結(jié)果都應采用數(shù)學算術(shù)中的平均值公式來準確表示，并且其中應至少保留3位的1個小數(shù)點。在荒漠綠洲過渡帶，7種不同類型植被土壤中，取土樣，在每一種植被下Z字形取樣，7個點位，每個層次取1個土樣。

4 全氮分布情況

通過實驗數(shù)據(jù)比對、校驗，用Excel工具制圖，得到帶數(shù)據(jù)標記的堆積折線圖。

5 結(jié)論與討論

相關(guān)調(diào)查結(jié)果表明，處于極端干旱地帶荒漠地段的塔里木河流域，氣候干燥，年平均雨量低于50mm，塔里木盆地荒漠綠洲的過渡地帶土壤發(fā)生了鹽堿化、荒漠化、退化嚴重，將本次研究地區(qū)7種不同植被下20個不同土層的地區(qū)根據(jù)土壤全氮含量指標進行分層測定，取平均值，由圖2可知，不同的植被下土壤全氮含量根據(jù)土壤全氮的分布可以表現(xiàn)出明顯特性，實驗數(shù)據(jù)表明，不同植被下的土壤全氮含量累計總體上在10～35cm達到了最高值，隨后逐漸下降，其累計值在60～70cm又逐漸形成一個小高峰，比第1次峰值更小，從綠洲到荒漠的方向上，由于地理位置遠離山脈和河道，所以植被的分布很稀疏，因此無法形成植物群落分布總數(shù)在整體上呈現(xiàn)減少趨勢；在河流的流向和方向上，是我國過渡地帶植被生態(tài)系統(tǒng)中群落分布最為集中的地段，植被生態(tài)系統(tǒng)群落與地理位置差異很?。辉诖怪焙拥赖姆较蛏?，過渡地帶植物群的分布逐漸呈現(xiàn)顯著的減少變化趨勢，表現(xiàn)為顯示出明確的河道效果[5]。隨著植被覆蓋量的增加，土壤全氮含量總體上也呈富集增加狀況。其中，胡楊類型群落在高度超出0～4km后，分布十分罕見；檉柳群落與疏葉駱駝刺群落占地總數(shù)量減少的趨勢也相對緩慢。這一梯度對應了地下水位由淺變深的分布，體現(xiàn)了不同群落對干旱適應性的差異，檉柳群落是對干旱適應能力最強的群落。土壤全氮含量在不同植被層出現(xiàn)明顯差異，其中,在喬木加灌木層中土壤中全氮含量最低，在喬木加灌木層中，土壤中全磷含量最高，從系列1至系列7方向，喬木加灌木<喬木加灌木<喬木加草本<喬木加灌木加少量堿蓬<單一灌木<單一灌木(檉柳加死胡楊)<單一喬木<喬木加灌木；土壤全氮含量依次不斷增多，垂直層次變化比較明顯，表明在荒漠綠洲過渡帶，在喬木和灌木混合植被下土壤最肥沃。

荒漠綠洲-過渡地區(qū)的植物數(shù)量比較少，以干旱生態(tài)和耐鹽的植物多樣化為主；物種群落的分布極其破碎，斑點塊態(tài)明顯，空間特征異質(zhì)性較高，而且檉柳群落是過渡地區(qū)分布范圍最廣闊、面積最大的一個優(yōu)勢群落。從綠洲到荒漠過渡的方向范圍內(nèi)，植物群落分布總體上已經(jīng)表現(xiàn)出了數(shù)量逐漸減少的趨勢；在沿著河流的流向和方向上，植被群落的分布范圍不大[5]；在水平或垂直的河道方向上，過渡地帶內(nèi)野生動物群的分布呈明顯減少的趨勢，表現(xiàn)出明顯的河道效應。水作為土壤環(huán)境中各種物質(zhì)流動和運輸?shù)闹饕d體，土壤中水分產(chǎn)生的時空差別異質(zhì)性及其動態(tài)變化也是直接影響土壤肥力的一個重要因素。降水量的提高既可以大幅度增強其表層土壤中水分的空間依存性，對于土壤的硝化與氮素礦化具有重要的影響，還能夠通過影響植物在土壤中所吸收的氮的各種微生物學過程，從而影響土壤中氮在循環(huán)、儲備的效果。在一定溫度下，土壤中氮硝化和氨化的速率與其溫度呈顯著正相關(guān)。增溫主要通過影響植物的光合速率和土壤微生物活動來影響土壤氮素的積累和沉降，增溫會促進植被對N20的吸收，降低土壤水分，促進硝化過程。當土壤中的水分被脅迫時，硝酸根在土中的擴散范圍就會受限，進而可能會影響硝酸根在土中的反硝化效應，減少N20的排放，這樣地形就是影響綠洲生態(tài)發(fā)展過程的一個重要因素，通過太陽光輻射、溫濕度和土壤中營養(yǎng)物質(zhì)等的分布格局，影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的自然物質(zhì)循環(huán)過程和土壤的強度[6]，也是直接引起動植物在土中的群落生產(chǎn)能力、物種構(gòu)造變化以及土壤空間中的異質(zhì)性改變的一個重要主導因子，從多維、多尺度影響著土壤全氮的空間異質(zhì)性。海拔梯度的變化改變了植物的繁殖、生存、物質(zhì)代謝和形態(tài)結(jié)構(gòu)，隨著海拔梯度的增加，溫度逐漸降低，降水量減少，大氣壓強降低，太陽輻射增加，植物生長季節(jié)縮短，植物功能特性隨著環(huán)境因子的變化而變化，改變了輸入土壤的氮源，進而影響到土壤氮的累積過程和儲量。植物物種在荒漠綠洲過渡帶的適宜生境中呈斑塊狀分布，間接導致該地帶植被覆蓋組成和物種多樣性在空間上的不同分布，土壤全氮含量也呈不同分布狀態(tài)。植物群落主要是由于植物的生態(tài)學屬性與其外界環(huán)境之間的相互關(guān)系而形成的環(huán)境。植物的群落構(gòu)造及其組成、生長能力和凋落物可以通過一系列反應改變土壤中的氮源，間接地影響土壤中全氮含量。不同的植被類型中枯落物的數(shù)量主要受到了植被品種、海拔高度、斜率及坡度等各種環(huán)境條件的影響。土壤是保證植物健康生存的重要基質(zhì)，在給予植物提供養(yǎng)分的同時將一部分經(jīng)由光合作用而產(chǎn)生的二氧化碳直接轉(zhuǎn)移到了土壤，并以枯落凋零物在土壤中腐化等的形式將礦質(zhì)元素補償給土壤，不同土壤生境下植被地上生物量和土壤礦化速率明顯不同，植被富集程度越高，地上生物量越多，土壤氮素的輸入就越大。