岷江上游干旱河谷不同坡向土壤氮素分異研究

張振恒 宮淵波

摘要 [目的]研究岷江上游干旱河谷不同坡向土壤氮分異特征。 [方法]采用野外調查和室內分析相結合的方法，立足于岷江上游山地深林/干旱河谷交錯帶，對不同坡向土壤氮分異特征進行研究。[結果]陽坡坡面土壤全氮、水解性氮、硝態氮、微生物量氮隨海拔降低和土壤剖面的加深而逐漸減少，彼此之間有顯著的正相關關系。而在陰坡坡面全氮、水解性氮、硝態氮、微生物量氮含量隨海拔降低而逐漸升高，剖面上的變化趨勢與陽坡相似，相關分析結果表明，這種氮素形態之間的相關性與陽坡一致。[結論]不同坡向、不同海拔對氮分布有極大的影響。

關鍵詞 土壤氮；海拔；坡向；干旱河谷

中圖分類號 S158 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）23-0098-05

Abstract [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

土壤氮與其所處生態系統的生態過程密切相關，是自然生態系統中主要的限制性養分，氮可利用性養分在數量和形態上的變化，對植物群落的生物量形成、物種組成和群落演替產生顯著影響[1]。由于受地形、母質、植被、土壤侵蝕狀況及坡度等因素異質性的影響，同一土壤類型上甚至同一林分類型下土壤氮含量在不同尺度上均有變化[2]。鐘芳等[3]對蘭州南北兩山5類喬灌木林草地土壤養分和土壤微生物空間分布進行研究，結果發現，南山地區的土壤養分含量普遍高于北山地區。徐華勤等[4]對廣東省不同土地利用方式對土壤微生物量碳氮的影響，結果發現，不同土地利用方式下土壤微生物量碳、氮差異顯著。劉秉儒[5]對賀蘭山東坡典型植物群落土壤微生物量氮沿海拔梯度的變化特征進行研究，結果發現，微生物量氮隨海拔梯度的升高顯著增加，與土壤有機碳、氮含量有一致的變化規律。王琳等[6]研究表明，貢嘎山東坡表層土壤有機質含量（SOC）和全氮含量隨海拔升高呈上升趨勢。余新曉等[7]對八達嶺森林土壤養分空間變異性進行研究，結果表明，土壤全氮和堿解氮具有中等的空間相關性。關于土壤氮時空分布特征研究較多。但前人對土壤氮的研究集中于氣候溫暖濕潤地帶，對我國干旱生境下的研究相對較少。

岷江上游干旱河谷是我國生態環境十分脆弱的地區，由于降水少、蒸發量大、降水分布不均，因此植被恢復十分困難；而且該區域因地形破碎，山高坡陡，滑坡、泥石流、崩塌等自然災害十分突出[8]。當地脆弱的生態環境已受研究者的高度重視。近年來，對干旱河谷土壤的研究主要從土壤養分的空間分異、發生特性、剖面特征、對植被恢復和水文的影響等方面開展研究，并取得一定成果。但對于不同坡向、不同海拔梯度下土壤養分的分布特征研究很少。岷江上游干旱河谷山地氣候垂直變化顯著，從山麓到山項構成一個山地氣候的土壤系列，為研究干旱河谷地區土壤氮海拔梯度變化規律提供了良好場所。筆者通過對岷江上游山地森林/干旱河谷交錯帶土壤氮在不同坡向、不同海拔、不同植被恢復條件下的比較，探討影響土壤氮分布的生物和非生物因子，旨在為整個干旱河谷退化生態系統的恢復和重建提供理論依據，對于區域的社會經濟發展和生態安全具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處四川省西部理縣雜谷腦河流域，屬岷江一級支流，是典型山地森林/干旱河谷交錯帶。地理坐標為103°12′25″～103°13′36″ E，

31°31′6″～31°32′10″ N。該地區屬于典型的高山峽谷區，地質結構屬龍門山斷裂帶中段，平均海拔2 700 m，具有典型的干旱河谷氣候。據雜谷腦河干旱河谷9個鄉鎮和理縣縣城的氣象資料表明，該地區最高極溫37 ℃左右，最低極溫-19 ℃左右，年平均氣溫12 ℃左右，年平均降雨量584 mm，年平均蒸發量1 399 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與土壤采集。

2016年8月，在野外調查的基礎上，以植被變化為依據，按植被分布的典型性和代表性進行樣地選擇，且盡量選取植被類型單一的區域。沿海拔梯度從上到下，分別在熊耳山陽坡（以A坡面表示）布設8塊樣地和耳布山陰坡（以B坡面表示）布設5塊樣地，在每一塊樣地內按“S”型布設5個采樣點，采集0～10、10～20 cm土層土樣各2 kg左右。一部分鮮樣4 ℃低溫保存，以供微生物兩碳氮、銨態氮、硝態氮等指標分析；另一部分經自然風干，供全氮、有機質等指標分析。基本情況見表1。

1.2.2 土壤樣品分析。

土壤樣品分析方法采用《土壤農化分析方法》；土壤pH采用酸堿度&氧化還原電位控制器測定；SOC采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，全氮采用全自動凱氏定氮法測定；水解性氮采用堿解-擴散法測定；硝態氮含量采用酚二磺酸比色法測定；銨態氮采用2 mol/L KCl浸提-靛酚藍比色法測定；土壤微生物量采用氯仿熏蒸法熏蒸后用硫酸鉀浸提，用TOC-Vcph型TOC分析儀測定微生物生物量碳（microbial biomass C，MBC）、氮（microbial biomass N，MBN）。土壤微生物量碳系數為2.22，土壤微生物氮系數為1.85。

1.3 數據分析

試驗數據采用SPSS 20.0進行顯著性及相關性分析，不同海拔高度的土壤數據變量的差異運用One-Way ANOVA分析，差異顯著性采用SNK-q檢驗（P<0.05），相關性分析采用Pearson相關分析。

2 結果與分析

2.1 不同坡向全氮含量隨海拔梯度的變化

土壤中的氮絕大多數以有機態存在的，土壤中有機態氮與無機態氮的總和稱土壤全氮。土壤氮絕大部分來自有機質，故有機質的含量與全氮含量呈正相關。土壤中的全氮含量代表土壤氮的總貯量和供氮潛力，因此，全氮含量與有機質是土壤肥力的主要指標之一。從圖1可以看出，陽坡區域垂直帶土壤全氮含量隨海拔降低而逐漸下降，灌木林（A2）含量最高， 灌草叢（A7）含量最低，0～30 cm土層平均含量分別為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）出現一個低谷，可能與其土地利用類型有關，這一區間曾是主要的放牧和農耕區，雖然已經退耕多年，但全氮含量短期未能恢復過來。陰坡區域垂直帶土壤全氮含量隨海拔降低而逐漸上升，荒地（B4）含量最高，退耕林（B1）含量最低，0～20 cm土層平均含量分別為2.34和0.88 g/kg， 退耕林（B1）含量較低的原因可能與刺槐林（A3）、幼林地（A4）相似。從土壤剖面看，不同坡向的土壤全氮含量隨土層下降而逐漸降低，各樣地表層（0～10 cm）和中層（10～20 cm）土壤全氮含量差異顯著，陽坡下層（20～30 cm）差異程度明顯下降。

表層土壤平均有機碳在不同坡向和不同海拔的分布規律與全氮相似，相關性分析表明，土壤全氮和有機碳在陽坡和陰坡的相關系數分別是r=0.951和r=0.865（P<0.01），均達極顯著水平。說明土壤有機質分解過程中存在碳氮的耦合作用[9]。

土壤全氮和有機碳隨海拔的變化規律可能與當地的氣候和土壤質地有關[10]，隨著海拔降低，在焚風效應[11]的影響下，土壤含水量逐漸降低，表層土壤蒸發量增大，植被生產力下降，且土壤質地變粗，不僅每年歸還到土壤中的有機物質減少，而且有機碳礦化程度增加，在這些因素的共同作用下，導致全氮和有機碳隨海拔降低和土壤剖面的下降而逐步減少。

2.2 不同坡向土壤硝態氮和銨態氮隨海拔梯度的變化

土壤中的氮以各種復雜的化學形態存在，其中可被植物吸收利用的主要是硝態氮（NO.-3）和銨態氮（NH.+4）。土壤中銨態氮和硝態氮的含量主要來源于土壤微生物進行的礦化作用，因此其含量的高低受土壤有機質含量、微生物種類和土壤環境條件如土壤溫度、濕度和鹽堿度等的多重影響。土壤銨態氮含量與土壤本身的通透性、質地等因素有關，特別是在通氣良好的條件下， 硝化細菌和亞硝化細菌非常活躍，土壤中的銨態氮很容易轉變為硝態氮。硝態氮可以在反硝化細菌的作用下形成N2或N2O釋放到大氣中。土壤水解氮又稱土壤有效氮，包括無機的礦質態氮和部分有機物質中的有機態氮，主要有銨態氮、硝態氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白質，這部分氮能反映近期內土壤氮的供應狀況[12]。

由圖2可知，陽坡區域低海拔A4～A8樣地表層0～30 cm土壤硝態氮含量為1.53～5.45 mg/kg，明顯低于高海拔區域[次生林（A1）、灌木林（A2）和刺槐林（A3）均值14.09 mg/kg]。陰坡區域0～20 cm土層 退耕林（B1）含量最低，為0.45 mg/kg，其次是荒地（B4），最高是矮灌草（B2） ，為7.63 mg/kg。這可能是因為陽坡高海拔區域和陰坡矮灌草（B2）植被生長較好，枯落物歸還量較高，林下環境有利于微生物活動，有更多底物供微生物礦化成硝態氮。試驗區域硝態氮在剖面上的分布規律與水解性氮相似，含量均隨土層加深而減少。陽坡0～30 cm土層銨態氮隨海拔梯度的降低而減少，但在幼林地（A5）和草叢（A8）明顯升高，具體原因有待進一步研究。陰坡區域銨態氮隨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）含量較低可能是因為灌木林生長較好，對銨態氮的利用率較高。

在土壤剖面上，陽坡各樣地間0～10和10～20 cm土層差異較大，在20～30 cm土層逐漸趨向一致。陰坡0～10 cm土層各樣地差異明顯，10～20 cm土層除荒草地（B5）外，其他樣地相差不大。

2.3 不同坡向土壤微生物量氮隨海拔梯度的變化

土壤微生物生物量是指生活在土壤中微生物活體的總量。土壤微生物生物量雖然僅占有機質的很小部分，但對氮、磷、硫循環和植物有效性的作用巨大。一方面土壤微生物本身所含的養分氮、磷、硫等是植物潛在有效的，另一方面土壤微生物不僅通過自身的代謝和周轉，促進養分的循環和植物有效性，成為土壤有效養分的重要來源，而且參與物質轉化過程中的許多生化反應。因此，微生物生物量是土壤養分的儲備庫。土壤微生物對外界條件變化敏感，能夠及時反映土壤管理變化。土壤微生物量氮是指土壤中所有活微生物體內所含有氮的總量占土壤有機氮總量的 1%～5%，是土壤氮養分轉化和循環研究的重要參數，能夠直觀反映土壤微生物和土壤肥力狀況。

從圖3可以看出，陽坡區域微生物量碳（MBC）和氮（MBN）與海拔呈極顯著相關（MBC：r=0.841，MBN：r=0.575，P<0.01），隨著海拔降低而減少，在表層0～30 cm土壤中的最大值（MBC：4.56 g/kg；MBN：155.00 mg/kg）和最小值（MBC：0.76 g/kg；MBN：18.70 mg/kg）都在相同的樣地，分別是次生林（A1）和草叢（A8）。這可能是因為草叢（A8）主要是以旱生低矮灌叢荒草為主的荒地，地被蓋度小，植被改造土壤的能力較弱，土壤有機物質積累緩慢，不利于微生物的生長和繁殖。隨著海拔升高，植物群落環境開始形成，土壤有機質積累增多，微生物的種類和數量均大幅度增加，因此微生物量碳和微生物量氮含量顯著升高。在陰坡區域，微生物量氮的最大值和最小值分別在荒地（B4）（95.23 mg/kg）和退耕林（B1）（18.86 mg/kg），在0～10 cm土層，退耕林（B1）遠小于其他樣地。無論是陰坡還是陽坡，樣地的微生物量碳和微生物量氮均隨土層深度的增加而明顯下降。

3 結論

從不同坡向看，陽坡區域垂直帶土壤全氮含量隨海拔降低而逐漸下降，而陰坡區域相反。從土壤剖面看，不同坡向的土壤全氮含量都隨土層下降而逐漸降低，各樣地同一土層間差異程度明顯下降。土壤有機碳的分布規律與全氮相似，相關性分析表明，土壤全氮和有機碳在陽坡和陰坡的相關系數分別為0.951和0.865，均達極顯著水平。說明土壤有機質分解過程中也存在碳氮的耦合作用。

陽坡區域土壤水解性氮分布規律與全氮相似，與全氮均達極顯著正相關關系（r=0.890，P<0.01）；土壤硝態氮含量在低海拔樣地平均含量明顯低于高海拔樣地；銨態氮隨海拔梯度的降低而減少，但在幼林地（A5）和草叢（A8）明顯升高，具體原因有待進一步研究。從土壤垂直剖面看，水解性氮和硝態氮隨土層加深而減少，而銨態氮的變化趨勢不明顯。陰坡區域水解性氮與全氮也均達極顯著正相關（r=0.951）；硝態氮在退耕林（B1）含量遠低于其他樣地；銨態氮則在矮灌草（B2）較低，與其他樣地差異顯著。從剖面看，水解性氮和硝態氮隨剖面變化趨勢與陽坡相似，銨態氮在0～10 cm土層各樣地差異顯著，10～20 cm土層除荒草地（B5），其他樣地相差不大，銨態氮和硝態氮相關關系不顯著，這與陽坡坡相一致。

陽坡區域微生物量氮隨海拔降低而減少，與微生物量碳極顯著相關（r=0.875，P<0.01）。在陰坡區域，微生物量氮隨海拔降低而增加， 退耕林（B1）遠小于其他樣地，與微生物量碳相關性未達顯著水平（r=0.367，a=0.05）。無論是陰坡還是陽坡，樣地微生物量碳和微生物量氮均隨土層深度的增加而明顯下降。

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