河岸带落叶松林土壤氮素空间格局研究

杜宁宁,郭晋平,陈东莉

(山西农业大学林学院,山西 太谷 030801)

氮素是相邻河岸带水体的重要污染物之一,相邻高地土壤中的氮素可通过河岸带进入水体。河岸带属于高地与水体之间的过渡带,由于其特殊的地理位置,会发生陆地与水体之间的物质交换,河流两岸一定宽度的植物带和土壤可通过过滤、渗透、吸收、滞留和转化等作用减少或消除进入地表及地下水中的污染物,减少污染物向水体中输入,进而可以实现对氮素等的截流转化。本研究通过样带的重复性试验得出氮素含量,进行数据整理和相关性分析,了解河岸带氮素储量格局,为河岸带宽度确定以及河岸带对氮素滤除研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究地设在山西省西部、吕梁山脉中段的关帝山林区,东经 111°22′～ 111°33′,北纬 37°45′～37°55′.该区属暖温带大陆性季风气候,年平均温度4.3℃,1月份平均温度 10.2℃,7月份平均温度17.5℃;年平均降水量 822.6 mm;年平均蒸发量1 268mm,属于典型的山地气候。

试验在庞泉沟神尾沟的落叶松林中进行,土壤为酸性土,容重 0.697 g/cm3～1.886 g/cm3,变异系数为0.299,植被类型以落叶松、美人玫、野草莓为主。

1.2 研究方法

1.2.1 采样点布置

采样区为长方形,样带方向垂直于河流方向,选择相邻的 3条样带为样地(3条样带做重复试验),每条样带面积为 400m2,样地总面积为 1200m2.秋季林内降水较为频繁,采样时河流宽度为 9.7m,采用线状样带取样,沿样带的起点每隔 3m设 1个样点(0m,3 m,6 m,……,51 m),每条样带设取样点18个,共 54个样点。

2010年 10月,在试验区以剖面法采集土壤样品,从腐殖质层、淋溶层、淀积层分别取样,共取得样品 162个。土壤取样时,先除去各样点处表层枯枝落叶,然后取土,随即装入封口塑料袋内,低温保存备用。为减少其他环境因子的影响,土壤取样工作选择在雨后至少 3 d～4 d的晴天进行(采样前次降水量为 69 mm)。

1.2.2 测定方法

土壤全氮采用全自动开氏定氮法进行测定;

土壤铵态氮采用 2mol/LKCL浸提—靛酚蓝比色法进行测定;

土壤硝态氮采用酚二磺酸比色法进行测定。

2 结果与分析

2.1 土壤全氮含量在河岸带上的变化

统计3条样带所有数据,分别对土壤腐殖质层、淋溶层、淀积层的全氮含量取平均值,做落叶松林高地连续体不同土壤层全氮含量的格局散点图,见图1.

图1 落叶松林全氮含量

由图1可见,落叶松林高地连续体各层土壤之间全氮含量大致表现为腐殖质层 ＞淋溶层 ＞淀积层。腐殖质层全氮含量随河岸带宽度的增加基本呈递增趋势,最高值出现在河岸带的 51 m处,39m处全氮含量最低;淋溶层全氮含量随着河岸带宽度的增加大致呈递减趋势。全氮含量最高值出现在15 m处,最低值出现在 48 m处;淀积层全氮含量随着河岸带宽度的增加基本呈递减趋势,全氮含量最高值在 9 m处,最低值出现在 21m处。

2.2 土壤中铵态氮含量在河岸带上的变化

统计 3条样带所有数据,分别对土壤腐殖质层、淋溶层、淀积层的铵态氮含量取平均值,做落叶松林高地连续体不同土壤层铵态氮含量的格局散点图,见图2.

图2 落叶松林铵态氮含量

由图2可见,在水平距离上,土壤铵态氮含量腐殖质层 ＞淋溶层 ＞淀积层,3层土壤中铵态氮含量都随着河岸带宽度的增加而呈递减趋势。腐殖质层土壤铵态氮含量的最高值出现在21m处,最低值出现在 45m处;淋溶层土壤铵态氮含量最高值出现在12 m处,最低值出现在 48m处;淀积层土壤铵态氮含量最高值出现在 18m处,最低值出现在27m处。

2.3 土壤中硝态氮含量在河岸带上的变化

统计 3条样带所有数据,分别对土壤腐殖质层、淋溶层、淀积层的硝态氮含量取平均值,做落叶松林高地连续体不同土壤层硝态氮含量的格局散点图,见图3.

图3 落叶松林硝态氮含量

由图3可见,在水平距离上,腐殖质层的硝态氮含量要明显高于淋溶层和淀积层,而淋溶层和淀积层的硝态氮含量相差无几。腐殖质层硝态氮含量变化不稳定,硝态氮含量最高值出现在 48 m处,最低值出现在 9 m处;淋溶层土壤硝态氮含量变化趋势平稳,硝态氮含量最高值出现在 9m处,最低值出现在 18m处;淀积层土壤硝态氮含量变化平稳,硝态氮含量最高值出现在 15 m处,最低值出现在18 m处。

这是由于靠近河流的河岸带树木稀少,多为草本植物,随着河岸带宽度的增加,地表植物也有所变化,多为落叶松与灌木、草本相结合的植物群落。秋季落叶松林内枯枝落叶繁多,造成了有机质的增加,Snyder等认为,有机质含量为 16%的腐殖质土壤中反硝化速率是有机质含量为 1.5%的土壤的10倍,反硝化速率的降低导致了硝态氮含量的增加。

2.4 落叶松林土壤氮素含量相关性分析

对落叶松林高地连续体河岸带全氮、硝态氮、铵态氮以及采样点距离的数据进行 Pearson相关分析,见表1.

表1 落叶松林氮素和采样点之间的相关分析

通过相关性分析可知,全氮含量与河岸带宽度的增加呈负相关,在淋溶层和淀积层表现较为明显,全氮含量随着土壤深度的增加而降低,主要是因为全氮主要通过凋落物的凋落和分解归还到土壤中。再次,由于河岸带不同位置植物群落不同,靠后的河岸带植物群落丰富,从而导致了这种负相关关系。并且河岸带的全氮含量在距河流近的采样点要高于距河流远的采样点。河岸带土壤铵态氮含量与河岸带宽度的增加呈明显负相关(r=-0.417),即土壤铵态氮含量随着河岸带宽度的增加而降低,因为铵态氮溶解度较小,极易被土壤胶体吸附,在土壤中很难随介质发生长距离水平的迁移,向土壤深层淋溶强度也较小。硝态氮总体含量与河岸带宽度的增加呈正相关,在淋溶层和淀积层表现明显。

河岸带落叶松林土壤全氮、铵态氮、硝态氮含量之间存在相关性,土壤全氮含量与铵态氮含量呈正相关(r=0.114),土壤全氮含量与硝态氮含量呈显著正相关(r=0.613),土壤硝态氮含量与铵态氮含量之间呈负相关(r=-0.004)。

2.5 土壤剖面氮素含量

将腐殖质层、淋溶层、淀积层的全氮含量,铵态氮含量和硝态氮含量分别取平均值,做出氮素在土壤剖面的散点图,如图4.

图4 土壤剖面全氮、铵态氮、硝态氮含量

由图4可见,在土壤剖面上,土壤全氮、铵态氮、硝态氮含量随着土壤深度的增加而明显降低,土壤中多余的硝态氮含量也会随着水分向下迁移,造成深层土壤中硝态氮的空间变异大于浅层土壤的。在微生物的作用下,通过硝化作用可有意将铵态氮转化为硝态氮。所以,硝态氮的含量要比铵态氮含量高一些。

在土壤垂直剖面中,铵态氮含量基本上都是由土壤上层到土壤下层逐渐递减,这种趋势主要是由铵态氮的性质所决定。土壤颗粒和土壤胶体对铵态氮具有很强的吸附作用,使得大部分可交换的铵态氮吸附于其表面,成为不易移动的氮。铵态氮在土壤剖面中的分布更直接地决定于作物生长、气候条件、灌溉方式以及土壤性质等因素。铵态氮的浓度随土层的加深而降低,而更多的铵离子是通过微生物的作用氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。此外,林区过度放牧、伐木等人为活动也影响着整体氮素的分布情况。

3 小结

1 )河岸带落叶松林土壤全氮、铵态氮、硝态氮含量之间存在相关性,土壤全氮含量与铵态氮含量呈正相关(r=0.114),土壤全氮含量与硝态氮含量呈显著正相关(r=0.613),土壤硝态氮含量与铵态氮含量之间呈负相关(r=-0.004)。

2 )河岸带不同位置对氮素的滤除情况不同,一般来说,距离河流近的地方效果会更好。

3 )土壤氮素来源于有机质,一般来说,有机质含量丰富的腐殖质层,氮素的含量也高。

4 )土壤的理化性质在土壤层之间存在不规则的垂直格局和水平格局。土壤氮素指标在同一位置虽然均呈现出某种空间分布格局,但其空间分布格局是不同的,反映了土壤具有很大的空间异质性。

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