岷江上游干旱河谷不同坡向土壤氮素分异研究.docx

岷江上游干旱河谷不同坡向土壤氮素分异研究 张振恒 宫渊波摘要 [目的]研究岷江上游干旱河谷不同坡向土壤氮分异特征 [方法]采用野外调查和室内分析相结合的方法，立足于岷江上游山地深林/干旱河谷交错带，对不同坡向土壤氮分异特征进行研究[结果]阳坡坡面土壤全氮、水解性氮、硝态氮、微生物量氮随海拔降低和土壤剖面的加深而逐渐减少，彼此之间有显著的正相关关系而在阴坡坡面全氮、水解性氮、硝态氮、微生物量氮含量随海拔降低而逐渐升高，剖面上的变化趋势与阳坡相似，相关分析结果表明，这种氮素形态之间的相关性与阳坡一致[结论]不同坡向、不同海拔对氮分布有极大的影响关键词 土壤氮；海拔；坡向；干旱河谷S158 A 0517-6611（2018）23-0098-05Abstract [Objective]To study soil nitrogen heterogeneity among different slopes in the semiarid areas of upper reaches of the Minjiang River.[Method]Using the method of combining field investigation and indoor analysis，based on the upper reaches of the Minjiang River deep mountain forest in the arid valley ecotone， soil nitrogen differentiation characteristics of different slopes were studied .[Result]Total nitrogen，hydrolyzable nitrogen，nitrate nitrogen，microbial biomass nitrogen in sunny slope soil decreased with decreasing altitude and soil depth，there was a significant positive correlation between each other，while in shady slopes， total nitrogen，hydrolyzable nitrogen，nitrate nitrogen，microbial biomass nitrogen content decreased gradually with altitude increasing.The variation trend in the profile was similar to that of the sunny slope，and the correlation analysis results showed that the correlation between different nitrogen forms was consistent with the sunny slope.[Conclusion]Different slope directions and altitudes have great influence on nitrogen distribution.Key words Soil nitrogen；Altitude；Slope；Arid valley土壤氮與其所处生态系统的生态过程密切相关，是自然生态系统中主要的限制性养分，氮可利用性养分在数量和形态上的变化，对植物群落的生物量形成、物种组成和群落演替产生显著影响[1]。

由于受地形、母质、植被、土壤侵蚀状况及坡度等因素异质性的影响，同一土壤类型上甚至同一林分类型下土壤氮含量在不同尺度上均有变化[2]钟芳等[3]对兰州南北两山5类乔灌木林草地土壤养分和土壤微生物空间分布进行研究，结果发现，南山地区的土壤养分含量普遍高于北山地区徐华勤等[4]对广东省不同土地利用方式对土壤微生物量碳氮的影响，结果发现，不同土地利用方式下土壤微生物量碳、氮差异显著刘秉儒[5]对贺兰山东坡典型植物群落土壤微生物量氮沿海拔梯度的变化特征进行研究，结果发现，微生物量氮随海拔梯度的升高显著增加，与土壤有机碳、氮含量有一致的变化规律王琳等[6]研究表明，贡嘎山东坡表层土壤有机质含量（SOC）和全氮含量随海拔升高呈上升趋势余新晓等[7]对八达岭森林土壤养分空间变异性进行研究，结果表明，土壤全氮和碱解氮具有中等的空间相关性关于土壤氮时空分布特征研究较多但前人对土壤氮的研究集中于气候温暖湿润地带，对我国干旱生境下的研究相对较少岷江上游干旱河谷是我国生态环境十分脆弱的地区，由于降水少、蒸发量大、降水分布不均，因此植被恢复十分困难；而且该区域因地形破碎，山高坡陡，滑坡、泥石流、崩塌等自然灾害十分突出[8]。

当地脆弱的生态环境已受研究者的高度重视近年来，对干旱河谷土壤的研究主要从土壤养分的空间分异、发生特性、剖面特征、对植被恢复和水文的影响等方面开展研究，并取得一定成果但对于不同坡向、不同海拔梯度下土壤养分的分布特征研究很少岷江上游干旱河谷山地气候垂直变化显著，从山麓到山项构成一个山地气候的土壤系列，为研究干旱河谷地区土壤氮海拔梯度变化规律提供了良好场所笔者通过对岷江上游山地森林/干旱河谷交错带土壤氮在不同坡向、不同海拔、不同植被恢复条件下的比较，探讨影响土壤氮分布的生物和非生物因子，旨在为整个干旱河谷退化生态系统的恢复和重建提供理论依据，对于区域的社会经济发展和生态安全具有十分重要的意义1 材料与方法1.1 研究区概况研究区地处四川省西部理县杂谷脑河流域，属岷江一级支流，是典型山地森林/干旱河谷交错带地理坐标为10312′25″～10313′36″ E，3131′6″～3132′10″ N该地区属于典型的高山峡谷区，地质结构属龙门山断裂带中段，平均海拔2 700 m，具有典型的干旱河谷气候据杂谷脑河干旱河谷9个乡镇和理县县城的气象资料表明，该地区最高极温37 ℃左右，最低极温-19 ℃左右，年平均气温12 ℃左右，年平均降雨量584 mm，年平均蒸发量1 399 mm。

1.2 研究方法1.2.1 样地设置与土壤采集2016年8月，在野外调查的基础上，以植被变化为依据，按植被分布的典型性和代表性进行样地选择，且尽量选取植被类型单一的区域沿海拔梯度从上到下，分别在熊耳山阳坡（以A坡面表示）布设8块样地和耳布山阴坡（以B坡面表示）布设5块样地，在每一块样地内按“S”型布设5个采样点，采集0～10、10～20 cm土层土样各2 kg左右一部分鲜样4 ℃低温保存，以供微生物两碳氮、铵态氮、硝态氮等指标分析；另一部分经自然风干，供全氮、有机质等指标分析基本情况见表11.2.2 土壤样品分析土壤样品分析方法采用《土壤农化分析方法》；土壤pH采用酸碱度&氧化还原电位控制器测定；SOC采用重铬酸钾容量法-外加热法测定，全氮采用全自动凯氏定氮法测定；水解性氮采用碱解-扩散法测定；硝态氮含量采用酚二磺酸比色法测定；铵态氮采用2 mol/L KCl浸提-靛酚蓝比色法测定；土壤微生物量采用氯仿熏蒸法熏蒸后用硫酸钾浸提，用TOC-Vcph型TOC分析仪测定微生物生物量碳（microbial biomass C，MBC）、氮（microbial biomass N，MBN）土壤微生物量碳系数为2.22，土壤微生物氮系数为1.85。

1.3 数据分析试验数据采用SPSS 20.0进行显著性及相关性分析，不同海拔高度的土壤数据变量的差异运用One-Way ANOVA分析，差异显著性采用SNK-q检验（P<0.05），相关性分析采用Pearson相关分析2 结果与分析2.1 不同坡向全氮含量随海拔梯度的变化土壤中的氮绝大多数以有机态存在的，土壤中有机态氮与无机态氮的总和称土壤全氮土壤氮绝大部分来自有机质，故有机质的含量与全氮含量呈正相关土壤中的全氮含量代表土壤氮的总贮量和供氮潜力，因此，全氮含量与有机质是土壤肥力的主要指标之一从图1可以看出，阳坡区域垂直带土壤全氮含量随海拔降低而逐渐下降，灌木林（A2）含量最高， 灌草丛（A7）含量最低，0～30 cm土层平均含量分别为4.51和1.68 g/kg次生林（A1）、灌木林（A2）、幼林地（A5）、幼林地（A6）含量相差不大全氮含量在刺槐林（A3）和幼林地（A4）出现一个低谷，可能与其土地利用类型有关，这一区间曾是主要的放牧和农耕区，虽然已经退耕多年，但全氮含量短期未能恢复过来阴坡区域垂直带土壤全氮含量随海拔降低而逐渐上升，荒地（B4）含量最高，退耕林（B1）含量最低，0～20 cm土层平均含量分别为2.34和0.88 g/kg， 退耕林（B1）含量较低的原因可能与刺槐林（A3）、幼林地（A4）相似。

从土壤剖面看，不同坡向的土壤全氮含量随土层下降而逐渐降低，各样地表层（0～10 cm）和中层（10～20 cm）土壤全氮含量差异显著，阳坡下层（20～30 cm）差异程度明显下降表层土壤平均有机碳在不同坡向和不同海拔的分布规律与全氮相似，相关性分析表明，土壤全氮和有机碳在阳坡和阴坡的相关系数分别是r=0.951和r=0.865（P<0.01），均达极显著水平说明土壤有机质分解过程中存在碳氮的耦合作用[9]土壤全氮和有机碳随海拔的变化规律可能与当地的气候和土壤质地有关[10]，随着海拔降低，在焚风效应[11]的影响下，土壤含水量逐渐降低，表层土壤蒸发量增大，植被生产力下降，且土壤质地变粗，不仅每年归还到土壤中的有机物质减少，而且有机碳矿化程度增加，在这些因素的共同作用下，导致全氮和有机碳随海拔降低和土壤剖面的下降而逐步减少2.2 不同坡向土壤硝态氮和铵态氮随海拔梯度的变化土壤中的氮以各种复杂的化学形态存在，其中可被植物吸收利用的主要是硝态氮（NO.-3）和铵态氮（NH.+4）土壤中铵态氮和硝态氮的含量主要来源于土壤微生物进行的矿化作用，因此其含量的高低受土壤有机质含量、微生物种类和土壤环境条件如土壤温度、湿度和盐碱度等的多重影响。

土壤铵态氮含量与土壤本身的通透性、质地等因素有关，特别是在通气良好的条件下， 硝化细菌和亚硝化细菌非常活跃，土壤中的铵态氮很容易转变为硝态氮硝态氮可以在反硝化细菌的作用下形成N2或N2O释放到大气中土壤水解氮又称土壤有效氮，包括无机的矿质态氮和部分有机物质中的有机态氮，主要有铵态氮、硝态氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白质，这部分氮能反映近期内土壤氮的供应状况[12]由图2可知，阳坡区域低海拔A4～A8样地表层0～30 cm土壤硝态氮含量为1.53～5.45 mg/kg，明显低于高海拔区域[次生林（A1）、灌木林（A2）和刺槐林（A3）均值14.09 mg/kg]阴坡区域0～20 cm土層 退耕林（B1）含量最低，为0.45 mg/kg，其次是荒地（B4），最高是矮灌草（B2） ，为7.63 mg/kg这可能是因为阳坡高海拔区域和阴坡矮灌草（B2）植被生长较好，枯落物归还量较高，林下环境有利于微生物活动，有更多底物供微生物矿化成硝态氮试验区域硝态氮在剖面上的分布规律与水解性氮相似，含量均随土层加深而减少阳坡0～30 cm土层铵态氮随海拔梯度的降低而减少，但在幼林地（A5）和草丛（A8）明显升高，具体原因有待进一步研究。

阴坡区域铵态氮随海拔梯度的降低而增加，矮灌草（B2）含量最低，荒草地（B5）含量最高矮灌草（B2）含量较低可能是因为灌木林生长较好，对铵态氮的利用率较高在土壤剖面上，阳坡各样地间0～10和10～20 cm土层差异较大，在20～30 cm土层逐渐趋向一致阴坡0～10 cm土层各样地差异明显，10～20 cm。