不同森林群落类型中土壤氮素的变化及分布规律,农业基础科学论文.docx

不同森林群落类型中土壤氮素的变化及分布规律,农业基础科学论文随着世界范围内的气候变暖和人为活动的日益加强，森林生态系统将不可避免地遭到影响，其养分元素也会发生一定量的改变，直接影响林木的生长，介入森林生态系统的能量流动和物质循环。而森林土壤是陆地上最重要的 C/N 库/源，森林土壤的变化经过将在很大程度上影响到全球气候变化以及植被动态。氮是土壤养分中对植物生长最重要的元素，从发育初期到成熟，植物的生长都需要氮。一般以为，氮的有效性往往影响森林生态系统的生产力，土壤氮素在森林生态系统中是一种限制植物生长的重要元素，其化学形态及其转化制约着植物对氮素的吸收。受气候、植被、土壤理化性质及人为经营措施的影响，土壤氮素状况呈现一定的变化规律，直接制约着林木的生长发育，并能反映氮素的流失、浸透等现象。 大兴安岭林区是我们国家唯一的寒温带针叶林区(其森林面积和蓄积分别占全国森林总面积和总蓄积的11% 、14% ) ，同时又是我们国家高纬度森林冻土发育的主要地区之一。其年平均气温为 5 7，极端最低气温为 52 3，是全国最低气温记录。其优势树种兴安落叶松林有甚少扰动的原始森林。我们国家兴安落叶松林由于受长期采伐及土地利用变化的影响，大多处于退化状态或次生演替的早期阶段，对土壤氮素含量水平及分布状况的研究，能够为合理利用土壤、指导林业生产、合理地保卫生态环境和促进林业可持续发展提供根据。 选取大兴安岭地区 7 种典型森林类型进行研究，比拟分析不同森林群落类型中土壤氮素的变化及分布规律。 1、 研究区域大概情况 试验区位于内蒙古的东北部，大兴安岭国家级森林生态定位站，地理坐标为北纬 50 49 50 51 ，东经 121 30 121 31 ，海拔为 810 1700m 左右。该区属寒温带湿润森林气候区，年大于 10 的积温为1403 ，年平均气温为 5 4 ，最低气温 50 ，最高为 40 ，年降水量为 450 550mm，60% 集中在 7、8月份。9 月末至第二年5 月初为降雪期，降雪厚度20 40cm。年均日照2594 小时，无霜期80 天。土壤冻结状态从头一年的 9 月下旬到次年的 5 月初，冻结时间长达 7 个多月，土壤 pH 值为 4 5 6 5，腐殖质层一般在 10cm 左右。土层厚度不均，盐基饱和度一般在 50% 70%，交换性酸 1 27 59 51cmol/kg。 本地区的植被主要为兴安落叶松林，其间混有岳桦、白桦、山杨、甜杨和钻天柳等阔叶树种和杜香、越桔和兴安杜鹃等灌木。 兴安落叶松7 种典型林型的分布状况:1) 杜香 兴安落叶松林 Ledum Sphagnum Larix gmelini for-est: 该林型分布在山地中部寒温性针叶林亚带，分布普遍，是大兴安岭兴安落叶松林的主要林型之一，多分布在阳坡和半阳坡，坡度为 5 10 之间，生境较冷湿，土壤为棕色针叶林土，有泥炭化现象，枯枝落叶层分解不良，土层较浅薄，永冻层的融解层较浅; 2) 柴桦 兴安落叶松林 fruitcosa Larix gmelini forest: 该林型分布在河谷地带，土壤水分经常饱和，下部有多年冻土，土层较厚，具有泥炭层; 3) 草类 兴安落叶松林 Grass Larix gmelini forest: 该林型多分布在阳坡和半阳坡，坡度为 6 10 ，由于气候和土壤条件较好，故此林型的生产力在全部兴安落叶松林的林型中是最高的，面积较小，土壤为棕色针叶林土，湿度较低;4) 杜鹃 兴安落叶松林 Dahuricum Larix gmelini forest: 该林型坡向多为阳坡、半阳坡，坡度在 10 以上，土壤为典型的棕色针叶林土，并且具有一定灰化现象，土层较薄，下部石块多，肥力差，水分较少; 5) 赤杨 兴安落叶松林 Alnus Larix gmelini forest: 该林型是大兴安岭兴安落叶松林寒温性针叶林亚带的代表，分布在湿度较大的阳坡，地势较高，不普遍，生境冷湿，土层浅薄，土壤为灰化棕色针叶林土; 6) 真藓 兴安落叶松林 Bryum Larix gmelini forest: 该林型是兴安落叶松林沼泽化程度最高的林型，分布在排水不良的平缓谷地和阴破下部的集水区，土壤极度潮湿，属于高位沼泽土，有较厚的泥炭层; 7) 溪旁 兴安落叶松林Streamside Larix gmelini forest: 该林型属于谷地林型组，分布在流水的溪旁，排水条件较好，土壤水分充足，面积不大。通常发育在河流冲积物上，土壤上层有分解不良的腐殖质层，下层多为石块、石砾，土壤为河岸冲积土。 2、 材料与方式方法 2 1 土样采集与处理 2007 年 7 8 月期间，在研究区 7 种林型: 草类 兴安落叶松林、杜鹃 兴安落叶松林、溪旁 兴安落叶松林、真藓 兴安落叶松林、柴桦 兴安落叶松林、杜香 兴安落叶松林、赤杨 兴安落叶松林内进行取样，每一林型随机取三个点，在每一点上取腐殖质层和淀积层，同时用环刀在剖面上直接取样，并带回实验室进行室内风干、挑出大的根系和砾石等杂质，研磨、分别过 2mm、0 15mm 的筛子，装袋、标记、待测试用。 2 2 测定方式方法 土壤有机质用重铬酸钾外加热氧化法测定，土壤全氮采用凯氏定氮仪直接测定，碱解氮用碱解扩散法。 2 3 数据分析 通过 Excel 进行元素均值、绘制图表、曲线; 通过 SPSS13 0 软件进行方差分析、及标准差的计算、元素间的相关分析、回归分析等。 3、 结果与分析 3 1 不同森林类型土壤全氮含量比拟 由表 1 可知，在 7 个林型土壤全氮平均含量以真藓 兴安落叶松林最大为 15 76g/kg，溪旁 兴安落叶松林最低为 6 83g/kg。在腐殖质层土壤全氮含量在 8 35 17 86g/kg 之间，土壤的全氮含量以赤杨 兴安落叶松林最高，溪旁 兴安落叶松林最小，淀积层土壤全氮含量在 2 77 15 18g/kg 之间，以真藓 兴安落叶松林最高，杜香 兴安落叶松林最小，表示清楚兴安落叶松不同林型土壤全氮含量具有明显差异不同。 不同森林类型腐殖质层全氮含量与淀积层的比值也存在较大差异，以草类 兴安落叶松林最大，比值为4 49; 真藓 兴安落叶松林最小，比值为1 08; 其他类型的比值在1 14 4 45 之间，表示清楚草类 兴安落叶松林土壤全氮含量在 2 层中变化幅度最大，腐殖质层土壤较淀积层土壤肥沃; 真藓 兴安落叶松林最小，腐殖质层与淀积层土壤全氮相差不多。 从变异系数来看，即变异系数 = 标准方差/平均值。根据变异程度分级，C 0 1 属于弱变异性; 0 1 C 1 属于中等变异性; C 1 属于强变异性，研究区各种森林类型在两层均未表现为强变异性。从偏度来看，偏度表示数据距样本平均值的分散程度。偏度为正，即分布向大于平均数方向偏斜; 偏度为负，即分布向小于平均数方向偏斜，当偏度的绝对值大于 2 时，分布的偏斜程度严重。研究区偏度范围介于 1 71 1 68 之间，其绝对值均小于 2，讲明各森林类型在腐殖质层淀积层全氮分布的偏斜程度不严重。图 1 土壤全氮与有机质的相关性Fig 1 The correlation between organic matters and total nitrogen图 1 表示清楚研究区土壤有机质含量和全氮含量有着极显著正相关关系，这表示清楚土壤全氮含量主要以有机氮的形式存在于有机质中。森林土壤全氮量的消长主要取决于各地区有机质的积累和分解作用的相对强度。随有机质含量的变化，全氮含量也发生相应的变化。土壤有机质含有植物需要的多种养分，是营养元素，十分是氮素主要储存场地，土壤表层中大约 80% 97% 的氮存在于有机质之中。土壤中的氮素，能被植物直接吸收利用的无机态氮仅占全氮量的 5% 左右，而绝大部分是以有机形态存在，它的含量和分布与土壤有机质密切相关。 杨振兴、车丽等对常绿阔叶林研究表示清楚 0 10cm 土层土壤全氮平均含量为 1 94g/kg; 樊兰英，郭晋平等对落叶松 辽东栎，青杨 辽东栎，云杉林土壤全氮含量研究表示清楚表层土壤的全氮含量为 3 77 6 92g / kg; 杨秀清等对华北山地 6 种天然次生林土壤氮素的空间异质性特征研究表示清楚: 针叶林全氮含量为 0 9 1 3g/kg，阔叶林全氮含量为 3 1 4 5g/kg。本研究中，兴安落叶松林 7 种林型土壤全氮含量范围为 6 83 15 76g/kg，与全国其他地区的森林土壤全氮含量相比处于高位，这主要是由于大兴安岭地区低温，高湿，生长季短，有利于土壤有机质及全氮的积累。 不同类型植被的生长方式、光合产物分配形式和土壤表层小气候的差异，决定了土壤全氮和碱解氮含量的不同。研究区土壤全氮含量以真藓 兴安落叶松林最高，溪旁 兴安落叶松林最低; 主要是由于真藓 兴安落叶松林，柴桦 兴安落叶松林处于阴坡，有深切厚重的泥炭层，有机质含量丰富，因此该林型土壤全氮含量较高。这与张鹏等对祁连山北麓自然垂直带土壤氮含量研究发现阴坡土壤氮含量高于阳坡结果一致。而溪旁 兴安落叶松林土壤上层有分解不良的腐殖质层，下层多为石块、石砾，有机质含量相对较少，故而该林型下土壤全氮含量较低。天然林土壤有机质的输入量主要依靠于有机残体归还量的多少及有机残体的腐殖化系数，而氮素的输入量则主要依靠于植物残体的归还量及生物固氮量。林下植被的种类、数量及分布格局决定了森林凋落物的种类、产量及最终归还于土壤的异质性分布情况，进而影响了土壤氮素等养分的异质性分布状况。引起土壤全氮含量分布不同的因素除植被类型外还有很多，如地形、土壤质地、土壤坡位方向、海拔等，以及土壤理化性质在局部范围内也影响着土壤全氮的含量。这些因素可以能导致土壤氮素空间异质性的产生。 对于同一森林类型全氮含量在腐殖质层、淀积层的差异，归因于，土壤氮从来源于有机质，而林地土壤有机质主要来自于地表枯枝落叶层的分解补充与累积，有机质在土壤剖面的分布取决于土壤有机质和腐殖质在下渗水作用下在土体中的淋溶、迁移、淀积以及在土壤小动物作用下与矿质土土体扰动、混合的经过，腐殖质层是植物根系分布的集中层，供给植物生长的主要养分层，因此林地土壤有机质及腐殖质组分以腐殖质层较高，淀积层较低。 3 2 不同森林类型土壤碱解氮含量比拟 碱解氮包括无机的矿物态氮和部分有机质中易分解的，比拟简单的有机态氮，它是铵态氮、硝态氮、氨基酸、酞胺和易水解的蛋白质氮的总和。对于同一森林类型腐殖质层、淀积层土壤碱解氮的差异在各个林型中都比拟明显，均是腐殖质层大于淀积层，其原因也是森林地表枯枝落叶较厚，随时间的推移，由于表层逐步向下分解、转化、积累，构成腐殖质层的碱解氮含量也都大于淀积层。 不同森林类型在两个不同层次土壤碱解氮含量的变动幅度不同，差异最大的为杜鹃 兴安落叶松林，倍数为 8 46，最小的是真藓 兴安落叶松林，倍数为 1 08。在 7 个林型土壤碱解氮平均含量以赤杨 兴安落叶松林最大为 916 28mg/kg，杜鹃 兴安落叶松林最低为 475 27mg/kg。不同森林类型在同一土壤深度层次也存在明显的差异不同: 腐殖质层碱解氮平均值变化范围在 850 00 1517 19mg/kg 之间，华而不实赤杨 兴安落叶松林最高，最小的是杜鹃 兴安落叶松林; 淀积层碱解氮平均值变化范围在 100 54 77146mg / kg 之间(表 2) ，华而不实真藓 兴安落叶松林最高，最小的为杜鹃 兴安落叶松林。从变异系数来看，研究区各种森林类型在两层均未表现为强变异性。从偏度来看，研究区偏度范围介于 1 73 1 73 之间，其绝对值均小于 2，讲明各森林类型在腐殖质层淀积层碱解氮分布的偏斜程度不严重。 张世熔、孙波等对南方丘陵区不同尺度下土壤有效氮含量研究表示清楚，小尺度有效氮含量为 648mg / kg，中尺度为 66 3mg / kg，大尺度为 80 2mg / kg。张振明、余新晓等对北京八达岭林场不同植被类型土壤碱解氮空间变异性研究表示清楚，疏林地土壤碱解氮含量为 28 01mg/kg、灌木林地为 28 25mg/kg、针叶林地为 25 02mg/kg、阔叶林地为 32 54mg/kg、针阔混交林地为 28 93mg/kg。本研究中，兴安落叶松林7 种林型土壤碱解氮含量范围为 100 54 1517 19mg / kg 与全国其他地区的森林土壤碱解氮含量相比同样处于高位，引起这一分布格局的原因，有可能与枯枝落叶归还量和其分解速度有关，同时也表示清楚该地区不仅表层有丰富的碱解氮供给给植物，而且整个剖面碱解氮含量也比拟高，供氮的总量相对较多。 研究区土壤碱解氮含量以赤杨 兴安落叶松林最高，杜鹃 兴安落叶松林最低; 主要是由于赤杨 兴安落叶松林分布在湿度较大的阳坡，生长季时温度较高，适宜微生物的活动，有利于氮矿化的进行。而杜鹃 兴安落叶松林由于土层较薄，下部石块多，肥力差，水分较少，即便是在温度较高的生长季微生物活动也并不活泼踊跃，加之其有机质含量较低，因此其可供微生物进行氮矿化的氮素含量也较低，故在该林型下土壤碱解氮含量低。 4、 讨论 森林土壤氮素是森林生态系统氮素循环重要的组成部分，也是森林植被生长最主要影响因素之一。全氮是衡量土壤氮素的基础肥力指标，而土壤碱解氮能够较灵敏地反映土壤氮素动态变化和供氮水平。大部分森林生态系统氮素缺乏，且森林中氮的利用效率又明显低于农业系统，因此土壤可利用性氮成为限制林木生产的最重要因子。 大兴安岭地处 东北亚 环境敏感区的寒温带地区，具有独特的北方林生态环境。它的针叶林生态系统、针阔叶混交林生态系统、以及冻土湿地系统等，都是我们国家代表性较强的植被生态系统。兴安落叶松林和冻土存在着互相依存、互相制约的关系。由于冻土存在，兴安落叶松呈浅根系分布，长期依靠冻结滞水维持生长，并与冻土共同储存了大量淡水资源，构成典型的冻土森林。大兴安岭这一冷湿环境，就是兴安落叶松林不管土壤全氮还是碱解氮含量与我们国家其他森林土壤相比处于较高位置的主要条件，其既维持了冻土的继续存在，又保证了土壤有机质及氮素积累，为兴安落叶松林的生存与发展创造了条件。 大兴安岭林区存在的森林湿地(如真藓 兴安落叶松林和柴桦 兴安落叶松林) 在全国林区内是分布面积最大的。大兴安岭湿地有其特殊性，主要反映在与冻土共存方面。有冻土的地区，就有湿地。由于永冻层构成天然隔水板，使得降水和径流无法渗入地下，造成地表集水，土壤过湿，使土壤上层低温缺氧，限制了好氧细菌的活动，同时，由于土壤中缺少亚硝酸细菌和对有机质分解作用强的纤维素菌，植物残留体在嫌气条件下难以分解，残存在泥炭之中，构成泥炭层，进一步滞水，逐步构成各种类型的湿地。这些湿地也对土壤有机质及氮素的固定起着不可替代的作用。 总之，兴安落叶松是在低温、高湿的环境下，拥有维持其基本生长氮素水平。大气变暖、不合理采伐、湿地排水等外部条件变化，都将造成冻土退化，改变低温、高湿的环境，使土壤有机质分解加快，氮素含量降低，兴安落叶松林将永久失去生长的能力。 5、 结论 (1) 兴安落叶松林 7 种林型土壤全氮含量范围为 6 83 15 76g/kg，碱解氮含量范围为 100 54 1517 19mg / kg，与全国其他地区的森林土壤全氮及碱解氮含量相比处于高位，讲明大兴安岭地区在低温，高湿的条件，有利于土壤全氮及碱解氮的积累。 (2) 兴安落叶松林不同林型土壤全氮含量大小的顺序为: 真藓 兴安落叶松林柴桦 兴安落叶松林赤杨 兴安落叶松林草类 兴安落叶松林杜鹃 兴安落叶松林杜香 兴安落叶松林溪旁 兴安落叶松林。 (3) 兴安落叶松林不同林型土壤碱解氮含量大小的顺序为: 赤杨 兴安落叶松林真藓 兴安落叶松林溪旁 兴安落叶松林柴桦 兴安落叶松林杜香 兴安落叶松林草类 兴安落叶松林杜鹃 兴安落叶松林。 (4) 不同森林类型腐殖质层全氮含量与淀积层的比值也存在较大差异，以草类 兴安落叶松林最大，比值为4 49; 真藓 兴安落叶松林最小，比值为1 08; 其他类型的比值在1 14 4 45 之间，兴安落叶松林土壤氮素含量随土壤深度增加而减少，且主要分布在腐殖质层中。 (5) 生长在阴坡的真藓 兴安落叶松林等林型利于全氮的积累，而腐殖质层全氮含量与淀积层的比值较小，生长在阳坡的赤杨等林型利于全氮的分解，腐殖质层全氮含量与淀积层的差异较大。 以下为参考文献： 1韩铭哲，冯林 兴安落叶松基本林型的讨论A 中国森林生态系统定位研究C 哈尔滨: 东北林业大学出版社，1994: 590 596 2刘光崧 土壤理化分析与剖面描绘叙述M 北京: 中国标准出版社，1996: 166 167 3鲍士旦 土壤农化分析M 北京: 中国农业出版社，2000: 44 58 4竺丽英 SPSS 软件在教学统计分析中的应用J 化学教学，2006(3) : 46 48 5郑纪勇，邵明安，张兴昌 土区坡面表层土壤容重和饱和导水率空间变异特征J 水土保持学报，2004，18(3) : 53 56 6孟彩侠，黄领梅，沈冰，秦胜英，李淼，武飞周 近半个世纪来和田地区气温变化分析J 干旱区资源与环境 2007，21(1) : 51 53 7Killham K Nitrification in coniferous forest soilsJ Plant and Soil，1990，128: 31 44 8杨振兴，车丽，普惠娟，廖康 不同土地利用类型对土壤全氮与碱解氮累积的影响J 广西农业科学，2018，40(8) : 1021 1026 9樊兰英，郭晋平 3 种典型河岸林土壤氮磷的空间分布格局及其影响因素J 水土保持通报，2020，32(2) : 17 25 10杨秀清，韩有志 华北山地 6 种天然次生林土壤氮素的空间异质性特征J 中国水土保持科学，2018，8(6) : 95 102 11张鹏，张涛，陈年来 祁连山北麓山体垂直带土壤碳氮分布特征及影响因素J 应用生态学报，20