黃河三角洲不同植被類型下土壤氮的差異研究

朱源山　馮若昂　靖淑慧　張?zhí)炫e

【摘 要】依據(jù)檉柳、堿蓬、蘆葦、棉田4種植物群落下的土壤樣品資料，分析了濱海濕地不同植物群落下土壤全氮、有效氮含量的變化差異，結(jié)果表明：（1）蒸騰作用及植物對氮素的需求，導(dǎo)致氮素在根際發(fā)生積累，從而檉柳、堿蓬、蘆葦、棉田4種植物群落的土壤全氮含量的隨著土層深度增加而呈波動降低變化，土壤速效氮的垂直變化與全氮相似，其中，蘆葦?shù)牟▌有宰畲蠓从吵鲈撊郝涞耐寥鲤B(yǎng)分較豐富，尤其是表層。（2）不同植被覆蓋下，表土的全氮、有效氮大小順序?yàn)樘J葦>檉柳>棉田>堿蓬，反應(yīng)了不同植物群落固氮能力的差異；就每個(gè)群落0-5cm表土而言，蘆葦群落的土壤全氮、有效氮變異性都較大，說明在養(yǎng)分含量較高的群落，更易造成局部土壤理化性質(zhì)的差異。（3）土壤表層與深層全氮的差比大小順序?yàn)闄f柳>蘆葦>棉田>堿蓬；而速效氮的相差率為蘆葦>檉柳>棉田>堿蓬，反映出高腐殖質(zhì)層的蘆葦群落，0-5cm表層是可供植物利用的無機(jī)氮的重要儲備庫。

【關(guān)鍵詞】植被群落；濕地土壤；氮含量；黃河三角洲

土壤氮是植物生長發(fā)育所需要的重要元素，影響著植物的生產(chǎn)力與植被類型；反過來，植物殘?bào)w輸入量以及植被類型也影響著氮素的動態(tài)[1]。土壤中全氮的含量變化決定于氮素的輸入和輸出量的相對大小[2]。氮素的輸入量主要依賴于植物殘?bào)w的歸還量及生物固氮，也有少部分來源于大氣沉降[3]，全氮的輸出量則主要包括分解和侵蝕損失，其受各種生物和非生物條件的控制[4]。

黃河三角洲是中國暖溫帶地區(qū)最完整、最廣闊、最年輕的新生濕地生態(tài)系統(tǒng)[5]，其土壤養(yǎng)分含量變化受水、鹽、植被類型[6]等多種因素的影響，區(qū)域物種多樣性的高低受制于養(yǎng)分與鹽分含量的多寡[7]。有研究表明，不同造林模式下的土壤氮養(yǎng)分含量均顯著高于裸地（白蠟林除外），農(nóng)林間作模式下可溶性全氮和可溶性有機(jī)氮平均含量均高于純林模式[8]；土壤中全氮、硝態(tài)氮、全氮儲量與有機(jī)碳含量顯著相關(guān)[9]，具體表現(xiàn)為全氮的垂直分布受制于土壤有機(jī)質(zhì)的分布，氮儲量主要集中分布在土壤表層[10]，并且全氮與全鹽之間存明顯的倒數(shù)關(guān)系[11]。本文以不同植物群落下土壤氮含量的差異為研究對象，分析群落變化對土壤氮的影響，以期為濱海濕地營養(yǎng)元素生物地球化學(xué)循環(huán)過程及濕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)、保護(hù)和管理提供參考。

1 研究方法

1.1 樣品采集

選擇典型的四種植被群落即檉柳群落、堿蓬群落、蘆葦群落、棉田群落，分別進(jìn)行土壤剖面采樣，采樣深度為0-5cm、5-10cm、10-20cm、 20-40cm、40-60cm、60-80cm等分層采樣，直至采到地下水水位，同時(shí)每個(gè)群落表層隨機(jī)布點(diǎn)6次，采集表層0-5cm的土壤樣品6個(gè)。對每個(gè)采樣點(diǎn)用GPS進(jìn)行定位，并記錄每個(gè)采樣點(diǎn)周圍的地形地貌和植被類型。

1.2 測試方法與數(shù)據(jù)處理

將采集的土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干、研磨、過篩等預(yù)處理后，采用凱氏蒸餾法測定全氮（TN），堿解擴(kuò)散法測定有效氮（ AN）[12]。根據(jù)野外實(shí)測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室的分析結(jié)果，采用Excel2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖；采用SPSS18.0 軟件進(jìn)行極值、均值和方差的計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全氮、有效氮的垂直分布

在全氮的垂直剖面上（圖1A），檉柳群落土壤中全氮含量由表層往深層表現(xiàn)出逐漸遞減趨勢，全氮含量最大值在土壤中0-5cm。堿蓬與棉田群落土壤全氮的垂直變化相似，都呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢，其中，堿蓬群落最大值出現(xiàn)在10-20cm土層，為0.531g/kg，棉田群落最大值在5-10cm土層。蘆葦群落中全氮含量在剖面中的變化范圍為0.21-1.106g/kg，與其他群落相比含量最多，由表層至深層全氮含量逐漸降低，最大值在0-5cm土層。在有效氮的垂直剖面上（圖1B），檉柳群落最大值出現(xiàn)在5-10cm土層，為57.75mg/kg；與棉田群落的土壤速效氮變化趨勢相似，棉田群落中土壤有效氮最大值在5-10cm土層，為49.875mg/kg。堿蓬群落呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，蘆葦群落有效氮含量變化范圍最大，總體上呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。

分析原因可知，植物由于蒸騰作用及自身對養(yǎng)分的需求，使養(yǎng)分向根際轉(zhuǎn)移速率的增加， 當(dāng)其大于植物自身對養(yǎng)分的吸收速率時(shí)，會導(dǎo)致這種養(yǎng)分在根際發(fā)生積累[13]，從而呈現(xiàn)出隨深度增加土壤氮含量的波動降低變化。蘆葦群落較其他群落的氮含量要高，尤其是表層，是因?yàn)樘J葦是多年生草本、有橫向生長的根狀徑，每年歸還土壤的氮素不易隨風(fēng)、水等散失；枯萎后的蘆葦，不能立即覆蓋在濕地土壤表面，而是處于立枯狀態(tài)，有些立枯物能夠保持幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間[14]，加之該蘆葦間歇性處于滯水狀態(tài)，不利于有機(jī)氮的礦化分解[15]，從而表土層的全氮、有效氮含量比較大。檉柳的土壤表層氮含量較高，與檉柳的凋落物返回土壤有密切關(guān)系，因檉柳低矮，株型緊湊，能保護(hù)冠層下的凋落物不受損失，其枯枝落葉等在土壤微生物的作用下轉(zhuǎn)化成簡單含氮化合物[13]，導(dǎo)致含氮化合物在表層聚集。堿蓬的根系主要分布在0-30cm的土壤層，其為一年生草本，每年植株生長的環(huán)境都有所不同，土壤表層受風(fēng)、雨等因素的影響較大，其全氮含量在10-20cm土層較高。棉田地屬農(nóng)耕區(qū)，農(nóng)田施肥主要以氮、磷、鉀肥料為主，且經(jīng)常翻耕、周期性排干和生長季末的收獲且無凋落物返還，而且該地區(qū)土壤砂性較強(qiáng)，保肥能力較差，故棉田地全氮、有效氮在垂直剖面上的變化幅度較小。

2.2 土壤全氮與速效氮的水平分布

就每個(gè)群落內(nèi)0-5cm表土而言（表1），氮含量以蘆葦群落中表土的差異較大，全氮標(biāo)準(zhǔn)差為0.44g/kg、有效氮為42mg/kg；而檉柳、堿蓬、棉田群落差別不明顯，全氮標(biāo)準(zhǔn)差變化在0.09-0.16g/kg，有效氮在5.37-15.01mg/kg說明在養(yǎng)分含量較高的群落，更易造成局部土壤理化性質(zhì)的差異，這是因?yàn)殡S著植物群落的生長，植物生物量和地表凋落物的差異會明顯，土壤中微生物的增減也會加劇，而在局部低洼裸露地形成高鹽區(qū)，從而造成蘆葦群落表層土壤氮變異較大。

以土壤氮指標(biāo)的平均值成圖（圖2），反映出不同植被覆蓋下，表土全氮含量大小依次為蘆葦>檉柳>棉田>堿蓬，有效氮的分布特征與全氮相同，這與地表枯枝落葉層的分解補(bǔ)充不斷累積有關(guān)。堿蓬群落土壤表層全氮、有效氮含量明顯低于其他三種群落，一方面是因?yàn)閴A蓬是原生濕地的先鋒種，易生長在貧瘠的土壤中，另一方面，堿蓬是一年生草本，對表層土壤氮素的儲存能力不強(qiáng)，這也反應(yīng)了不同群落的初級生產(chǎn)力，以及植物群落固氮能力的差異[16]。

2.3 同一群落表層與深層的差異

由于不同群落地下水位埋深不同，故本文取群落表層與60-80cm土層來分析土壤中全氮、有效氮的差異（見圖3），由圖3可知，四種群落土壤氮表層均大于深層，這與氮積累于土壤表層并隨水或者其他介質(zhì)向下層遷移擴(kuò)散[17]有關(guān)。以表層氮含量減去深層氮含量再除以表層氮含量的百分比，可以得到表層與深層的相差比率（表2）。由相差率可知，土壤全氮表層與深層的相差率為檉柳>蘆葦>棉田>堿蓬；而速效氮的相差率為蘆葦>檉柳>棉田>堿蓬。分析原因可知，檉柳屬于灌木、根系相對較深，可以對深層土壤的無機(jī)氮吸收利用、產(chǎn)生根系分泌物和細(xì)根周轉(zhuǎn)歸還，而歸還的氮素以表層積累量為多，故其表層與深層全氮的相差比率最大。而對于蘆葦而言，土壤表層的腐殖質(zhì)層較厚，故隨水或其他介質(zhì)進(jìn)入下層土壤的氮素也較多，使其土壤表層與深層的全氮差比率較檉柳群落要低；但其較厚的腐殖質(zhì)層是有效氮提供了豐富的儲備庫，加之蘆葦?shù)母堤卣魑绽脽o機(jī)氮主要在5cm以下土層（圖1B），所以其表層的有效氮與底層的相差比率最大。堿蓬是該區(qū)域的先鋒種，易生和在貧瘠的土壤中，故其表層和深層差比最小。

3 小結(jié)

（1）在全氮的垂直剖面上，檉柳群落土壤中全氮含量由表層往深層表現(xiàn)出逐漸遞減趨勢，堿蓬與棉田群落土壤全氮的垂直變化相似。在有效氮的垂直剖面上，檉柳群落與棉田群落的土壤速效氮變化趨勢相似，堿蓬群落呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。蘆葦群落在全氮和有效氮的垂直剖面上變化范圍最大。這與蘆葦有橫向生長的根狀徑，枯萎后的蘆葦處于立枯狀態(tài)和間歇性處于滯水狀態(tài)有關(guān)。說明在蒸騰作用及植物對氮素需求的作用下，導(dǎo)致氮素在根際發(fā)生積累，從而呈現(xiàn)出隨深度增加土壤氮含量的波動降低變化。

（2）不同植被覆蓋下，0-5cm土壤表層全氮含量依次為蘆葦>檉柳>棉田>堿蓬，有效氮的分布特征與全氮相同，也反應(yīng)了不同植物群落固氮能力的差異；就每個(gè)群落0-5cm表土而言，蘆葦群落的土壤全氮、有效氮標(biāo)準(zhǔn)差值都較高，反映出其生境的異質(zhì)性較大，這與豐富腐殖質(zhì)層的蘆葦群落局部生境存在鹽斑有著密切的關(guān)系，說明在養(yǎng)分含量較高的群落，更易造成局部土壤理化性質(zhì)的差異。

（3）同一群落土壤表層與深層氮元素的相差比率表明，土壤全氮差比為檉柳>蘆葦>棉田>堿蓬；而速效氮的相差率為蘆葦>檉柳>棉田>堿蓬。這與蘆葦較厚的腐殖質(zhì)層有關(guān)，厚的腐殖質(zhì)層產(chǎn)生的氮更易故隨水或其他介質(zhì)進(jìn)入下層土壤，致使其土壤全氮差比率較檉柳群落要低；而其豐厚的腐殖質(zhì)層為有效氮提供了儲備庫，可供植物吸收利用的無機(jī)氮主要在5cm以下土層，所以其表層與底層有效氮的相差比率最大。

【參考文獻(xiàn)】

[1]白軍紅，鄧偉，王慶改，等.內(nèi)陸鹽沼濕地土壤碳氮磷剖面分布的季節(jié)動態(tài)特征[J].湖泊科學(xué)，2007，19（5）：599-603.

[2]張金屯.全球氣候變化對自然土壤碳，氮循環(huán)的影響[J].地理科學(xué)，1998，18（5）：463-471.

[3]李忠佩，王效舉.小區(qū)域水平土壤有機(jī)質(zhì)動態(tài)變化的評價(jià)與分析[J].地理科學(xué)， 2000，20（2）：182-188.

[4]余曉鶴，朱培立，黃東邁，等.土壤表層管理對稻田土壤氮礦化勢、固氮強(qiáng)度及銨態(tài)氮的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，1991（1）：73-79.

[5]王永麗，于君寶，董洪芳，等.黃河三角洲濱海濕地的景觀格局空間演變分析[J]. 地理科學(xué)，2012，32（6）：717-724.

[6]趙欣勝，崔保山，孫濤，等.黃河三角洲潮溝濕地植被空間分布對土壤環(huán)境的響應(yīng)[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，19（8）：1855-1861.

[7]劉加珍，李衛(wèi)衛(wèi)，陳永金，等.黃河三角洲濕地水鹽影響下灌草群落的物種多樣性研究[J].生態(tài)科學(xué)，2015，34（5）：135-141.

[8]夏江寶，陳印平，王貴霞，等.黃河三角洲鹽堿地不同造林模式下的土壤碳氮分布特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，35（14）：4633-4641.

[9]賈佳，白軍紅，高照琴，等.黃河三角洲潮間帶鹽沼土壤碳、氮含量和儲量[J].濕地科學(xué)，2015（6）.

[10]夏志堅(jiān)，白軍紅，賈佳，等.黃河三角洲蘆葦鹽沼土壤碳、氮含量和儲量的垂直分布特征[J].濕地科學(xué)，2015（6）.

[11]陳永金，靖淑慧，杜婷婷，等.濱海濕地原生灌草群落土壤養(yǎng)分與鹽分關(guān)系[J]. 南水北調(diào)與水利科技，2015（5）：1029-1034.

[12]中國土壤學(xué)會.土壤常規(guī)分析方法[M].科學(xué)出版社，1965.

[13]何秀平，王保棟，謝琳萍.檉柳對鹽堿地生態(tài)環(huán)境的影響[J].海洋科學(xué)，2014，38（1）：96-101.

[14]潘根興，李戀卿，張旭輝，等.中國土壤有機(jī)碳庫量與農(nóng)業(yè)土壤碳固定動態(tài)的若干問題[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2003，18（4）：609-618.

[15]王玲玲，孫志高，牟曉杰，等.黃河口濱岸潮灘不同類型濕地土壤氮素分布特征[J].土壤通報(bào)，2011，42（6）：1439-1445.

[16]凌敏，劉汝海，王艷，等.黃河三角洲檉柳林場濕地土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性及其與植物群落分布的耦合關(guān)系[J].濕地科學(xué)，2010，8（1）：92-97.

[17]劉興華，陳為峰，段存國，等.黃河三角洲未利用地開發(fā)對植物與土壤碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量特征的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2013，27（2）：204-208.

[18]王海梅，李政海，宋國寶，等.黃河三角洲植被分布、土地利用類型與土壤理化性狀關(guān)系的初步研究[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，37（1）：69-75.

[19]丁秋祎，白軍紅，高海峰，等.黃河三角洲濕地不同植被群落下土壤養(yǎng)分含量特征[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（10）：2092-2097.

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