色季拉山山地酸性棕壤土壤氮素的分布特征

刘合满 ，曹丽花 ，张 华 ，孙 巧

（1.西藏农牧学院 资源与环境系，西藏 林芝 860000；2.中国农业大学 资源与环境学院，北京 100193）

色季拉山山地酸性棕壤土壤氮素的分布特征

刘合满1,2，曹丽花1，张 华1，孙 巧1

（1.西藏农牧学院 资源与环境系，西藏 林芝 860000；2.中国农业大学 资源与环境学院，北京 100193）

为阐明色季拉山山地酸性棕壤土壤氮素含量、无机氮分配特征及对植被类型的响应，以色季拉山海拔3 900～4 100 m的区域为研究对象，研究不同植被条件下土壤0～10 cm和10～20 cm层次土壤总氮、无机态氮（铵态氮、硝态氮）含量。结果表明：（1）土壤全氮、硝态氮和铵态氮含量空间变异较大，且均表现为0～10 cm＞10～20 cm。在95%置信区间0～10 cm和10～20 cm土层中全氮含量分别为3.14～4.24 g·kg-1和2.03～3.37 g·kg-1，硝态氮分别为 119.96 ～ 169.95 mg·kg-1和 85.86 ～ 124.69 mg·kg-1，铵态氮分别为 404.36 ～ 513.26 mg·kg-1和276.32～369.41 mg·kg-1，土壤铵态氮含量显著高于硝态氮。(2)土壤无机氮占总氮的比例较高，0～10 cm和10～20 cm层次上95%置信区间分别为：15.41～20.45%和16.01～23.79%。（3）植被类型对土壤氮素含量和形态影响显著；（4）乔木冷杉对土壤氮的表聚作用较明显，其表层土壤氮素含量显著高于其它植被。研究结果建议，对于色季拉山土壤氮素分布特征研究除海拔梯度和植被类型因素外，还应充分考虑土壤类型对氮素空间异质性的影响。

山地酸性棕壤; 色季拉山；西藏； 植被；全氮；硝态氮；铵态氮

氮素是陆地生态系统一种重要的营养元素和环境元素，其循环过程对植物生产和生态环境变化产生重要影响，尤其是氮素转化过程[1]及无机氮的营养和环境意义受到广大学者的广泛重视[2-3]。在陆地生态系统中，土壤氮素转化过程最终通过土壤总氮、不同形态氮素含量形式表现出来。而这一过程受到植被条件、气候条件和土壤条件[4-5]的深刻影响。

森林生态系统是最重要的陆地生态系统之一，由于其低的氮素输入[6]和较少的人为扰动，成为研究自然生态系统氮素循环的重要场所。色季拉山是林芝的主要林区之一，其海拔高度分布范围大，植被、土壤类型沿海拔高度垂直分布规律，是研究土壤物质分布特征及与植被、土壤、气候响应的天然实验室。而目前关于色季拉山土壤物质分布的研究主要集中在海拔梯度[7]和植被类型[8]的变化，而缺乏针对相同土壤类型土壤氮素变异与植被响应的研究与报道。为减少气候条件和土壤条件对土壤氮素的影响，本文以色季拉山主要土壤类型之一的山地酸性棕壤土为研究对象，探讨土壤氮素分布特征和不同植被条件下土壤氮素含量变化，旨在为色季拉山山地酸性棕壤土氮素循环与预测研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究样区概况

色季拉山位于林芝县以东，属念青唐古拉山脉，处于半湿润与湿润区的过度带，海拔2 200～5 300 m，土壤和植被类型具有规律的垂直地带性。植被类型丰富，据统计色季拉山木本植物有135种，草本植物370种[9]。本研究选择色季拉山东坡中部，海拔3 900～4 100 m的地带进行研究。本研究区域位于 29°39′N, 94°42′E，土壤类型为山地酸性棕壤[10]，土壤pH值在4.4～5.5。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品采集与分析

为评价本样区内土壤总氮、硝态氮和铵态氮的分布特征及植被对氮素分布的影响，于2012年10月28日，分别选择该区域的11种主要植被。上层植被主要为高大的乔木：冷杉Abies spectabilis、高山柏Sabina squamata、云杉Picea asperata，下层主要为小乔木或灌木及草本植物：紫菀Aster、荚蒾Viburnum dilatatum、峨眉蔷薇Rosa omeiensis Rolfe、小檗 Berberis angulosa、杜鹃 Rhododendron、 花 楸 Sorbus pohuashanensis、金露梅Potentilla fruticosa和乌柳Salix cheilophila Schneid。分别采集表层0～10 cm和10～20 cm两个层次土壤样品，每种植被下采集3个样点，作为该类植被下的3个重复，共采集66个土壤样品。将采集的土壤样品带回室内，去除石块、根系、植物残体等可见非土壤成分，自然风干，磨碎。土壤全氮采用开氏法，硝态氮和铵态氮采用2 mol·L-1KCL溶液浸提30 min[11]，连续流动分析仪测定。

1.2.2 数据分析

氮素分布特征箱式图采用Origin 8.5进行作图分析，不同植被条件下氮素含量方差分析采用SPSS 20.0进行。

2 结果与分析

2.1 土壤全氮分布特征

土壤全氮分布特征如图1a所示，在空间分布上表现较大的空间异质性。全氮含量表现为0～10 cm＞10～20 cm，由统计箱式图箱体高低可以看出，10～20 cm层次上土壤全氮含量较0～10 cm变化大，数据分散度高。在0～10 cm层次上，土壤全氮含量最大值为7.62 g·kg-1，最小值为1.64 g·kg-1，均值为 3.69 g·kg-1，95% 置信区间分布在3.14～4.24 g·kg-1之间，整体数据变异系数较大，为42.09%。统计显示，0～10 cm层次土壤全氮含量有4个高离群值，在剔除这4个高离群值后，数据变异系数为29.86%。在10～20 cm层次上，土壤全氮含量最大值为9.66 g·kg-1，最小值为 0.53 g·kg-1，均值为 2.70 g·kg-1，95% 置信区间分布在2.03～3.37 g·kg-1之间，数据变异系数为69.71%，属于高变异性，其中在本组数据中，有一个离群值（7.16 g·kg-1）和一个极端大值（9.66 g·kg-1），剔除这两个离群值后，数据变异系数为50.16%。

图1 土壤氮素分布特征Fig. 1 Distribution characteristics of soil nitrogen contents

2.2 土壤无机氮分布特征

土壤无机氮是土壤中有效性比较高的形态，主要是硝态氮和铵态氮，其在土壤中的含量多少主要受土壤氮矿化作用的影响。而土壤氮矿化作用也是一个复杂的过程，与植被类型[12]、植物叶片和根系残体氮矿化及微生物的分解活动有关[13-14]，同时受到土壤环境条件，如温度和湿度[4]及温湿度交互作用[15]的显著影响。土壤温度升高会加速土壤氮素矿化，增加土壤无机氮含量[16]。

土壤硝态氮和铵态氮分布特征如图1所示，由图可知铵态氮含量高于硝态氮。两个供试层次上表现为0～10 cm土壤铵态氮和硝态氮含量变异性均高于10～20 cm，这与0～10 cm层次上土壤性质受外界环境条件影响大，氮素易转化有关。在0～10 cm层次上土壤更易受到外界水分和温度条件及植被凋落物的影响，而促进土壤氮的转化和接纳更多的环境氮素。任艳林[17]等研究也表明在表层0～5 cm上土壤净硝化速率和净氮矿化速率显著高于下层。

在0～10 cm层次上土壤铵态氮含量最大值为 792.39 mg·kg-1，最小值为 173.75 mg·kg-1，95%置信区间为404.36～ 513.26 mg·kg-1，数据变异系数为33.47%。10～20 cm层次上，土壤铵态氮最大值为 680.04 mg·kg-1，最小值为 150.47 mg·kg-1，数据变异系数为40.66%，95%置信区间为276.32～369.41 mg·kg-1。其中有一个离群值（AN=680.04 mg·kg-1），在去除这一离群值后，10～20 cm层次土壤铵态氮含量空间变异系数为37.33%。

土壤硝态氮在0～10 cm上，最大值为302.02 mg·kg-1，最小值为 54.21 mg·kg-1，95% 置信区间为119.96 ～ 169.95 mg·kg-1，数据分布在上、下四分位数间点数较10～20 cm的多，数据变异系数为48.63%。而在10～ 20 cm 层次上，土壤硝态氮含量最大值为 249.85 mg·kg-1，最小值为 34.05 mg·kg-1，95%置信区间为85.86～124.69 mg·kg-1。由一个离群值（NN=249.84 mg·kg-1），在剔除离群值后，所得数据变异系数为48.62%。

2.3 土壤硝态、铵态氮在总氮中的分配比例

在0～10 cm层次上，土壤铵态氮占总氮比例最大值为32.59%，最小值为5.51%，考虑某些特殊位点极端值的影响，故采用5%截尾平均数进行衡量，5%截尾平均数为13.16%。95%置信区间分布在11.59～15.81%，其中分别有一个离群值（29.08%）和极端大值（32.59%）。10～20 cm层次上，土壤铵态氮占总氮比例最大值为43.79%，最小值为5.76%，5%截尾平均数为14.17%。95%置信区间为12.09～17.96%，在此层次上分别有两个离群值（31.80%和31.32%）和一个极端大值（43.79%）。

在研究区内供试两个层次上土壤硝态氮与总氮含量之比同样表现为：10～20 cm＞0～10 cm。在0～10 cm层次上最大值为11.57%，最小值为1.76%，5%截尾平均数为4.05%。95%置信区间为3.47～4.99%，其中有一个离群值11.57%。10～20 cm层次上，硝态氮与总氮之比最大值为18.90%，最小值为1.55%，5%截尾平均数为4.42%，95%置信区间为3.65～6.11%。

在0～10 cm层次上，土壤无机氮（硝态氮和铵态氮之和）占总氮含量的95%置信区间为15.41～20.45%，5%截尾平均数为17.41%。10～20 cm层次上土壤无机氮占总氮比例的95%置信区间为16.01～23.79%，5%截尾平均数为18.60%。由此区域上硝态和铵态氮占土壤总氮比例可知，该区域上土壤无机氮含量占总氮含量的比例较高。

2.4 不同植被条件下土壤全氮分布特征

由不同植被下土壤全氮分布图（图2）可知，除冷杉、荚蒾及金露梅三种植被下0～10 cm和10～20 cm土层土壤全氮含量差异不显著外，其余8种植被两供试层次全氮含量差异均达显著水平（P＜0.05），且均表现为0～10 cm＞10～20 cm，即植被对土壤养分具有表聚效应[18]。且由本研究可知，紫菀和冷杉对土壤氮素的表聚作用更明显，在0～20 cm层次上土壤总氮含量明显高于其它植被。

图2 不同植被类型下土壤全氮分布特征Fig. 2 Distribution characteristics of soil total nitrogen contents of different vegetation

由相同土层不同植被条件下，土壤全氮含量变化特征可知，在相同土壤类型背景下，植被类型对土壤氮含量的影响差异显著。这可能与不同植被对土壤氮素的吸收和植被凋落物氮素分解特征不同有关。不同类型植物凋落物的质和量及分解速率有较大差异，从而使植物体氮素向土壤的归还量及速率也存在较大差异，而影响土壤氮素含量。

对于在0～10 cm土层全氮含量表现为：紫菀＞冷杉＞荚蒾＞高山蔷薇＞杜鹃＞小檗＞乌柳＞高山柏＞金露梅＞云杉＞花楸。紫菀植被下土壤全氮量最高，为6.81 g·kg-1，而花楸植被下土壤的全氮量最低，其含量为0.25 g·kg-1，比紫菀植被下土壤氮含量低174.55%。在10～20 cm土层中，土壤全氮含量表现为：冷杉＞荚蒾＞紫菀＞金露梅＞杜鹃＞高山蔷薇＞小檗＞高山柏＞云杉＞乌柳＞花楸，其中冷杉土壤中全氮含量最高，花楸土壤中全氮量最低。

2.5 不同植被条件下土壤硝态氮、铵态氮分布特征

图3 土壤铵态氮和硝态氮分布特征Fig. 3 Distribution characteristics of contents of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in soil

由图3可知，植被对土壤硝态氮和铵态氮含量影响显著。不同植被条件下0～20 cm层次土壤铵态氮含量以冷杉和紫菀最高，以花楸含量最低。土壤硝态氮以冷杉含量最高，以小檗为最低。由不同植被条件下0～10 cm和10～20 cm两个供试层次土壤铵态氮和硝态氮含量分布特征可知，乔木冷杉对无机氮的表聚作用显著。

由图3还可知，土壤铵态氮和硝态氮含量表现为0～10 cm＞10～20 cm。供试两个层次上土壤铵态氮含量，除紫菀、荚蒾、小檗、云杉、金露梅之外，其余几种植被条件下二者差异均达显著水平（P＜0.05）。相同植被不同供试层次上土壤硝态氮含量表现为除冷杉、荚蒾、小檗、金露梅和乌柳外，其余表现为二者差异显著（P＜0.05）。

3 结 论

（1）色季拉山酸性棕壤土氮素具有较高的空间异质性，0～10 cm层次土壤总氮、硝态氮和铵态氮含量分别为：3.14～4.24 g·kg-1、119.96～169.95 mg·kg-1、404.36 ～ 513.26 mg·kg-1，10 ～20 cm层次分别为：2.03～3.37 g·kg-1、85.86～124.69 mg·kg-1和 276.32 ～ 369.41 mg·kg-1；

（2）植被对土壤氮素具有表聚作用，在0～10 cm和10～20 cm两个层次上土壤氮素含量表现为0～10 cm ＞10～20 cm，但不同植被对氮素的表聚效果差异较大，此区域内以冷杉和紫菀对氮素的表聚作用最显著；

（3）在供试酸性棕壤土壤中，土壤无机氮（硝态氮和铵态氮）占总有机氮的比重较大，供试两个层次上无机氮占总氮比值均值分别为17.41%和18.63%。

（4）植被对土壤氮素含量与形态分布产生显著影响。

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Distribution characteristics of soil nitrogen in mountain acid brown soil in Sejila Mountain, Tibet

LIU He-man1,2, CAO Li-hua1, ZHANG Hua1, SUN Qiao1
(1. Dept. of Resources and Environment, Tibet Agricultural and Animal Husbandry College, Linzhi 860000, Tibet, China;2. College of Resources and Environment, China Agricultural University, Beijing 1000193)

Soil nitrogen is an important environment and nutrient element, but few studies were focused on the nitrogen spatial variation and responding to different vegetation in Sejila mountain, Tibet. In order to elucidate the variation of mountain acid brown soil nitrogen content and response to vegetation, the soil total nitrogen（TN） and the mineral nitrogen (Nmin) ( included nitrate N (NN) and ammonium nitrogen (AN)) were analyzed at the altitude range of 3 900～4 100 m of Sejila mountain. The results show (1) The spatial variability of soil TN, NN and AN content were obvious, and that in 0～10 cm layer was higher than that in the 10～20 cm layer; (2) A higher value of Nmin/TN, 95% conf i dence intervals were 15.41～20.45% and 16.01～23.79% respectively of 0～10 cm and 10～20 cm; (3)The vegetation type signif i cantly inf l uenced soil nitrogen content and nitrogen forms; (4) The fi r signif i cant increased nitrogen content of the surface soil and was higher than other vegetation. The results suggested that it is should considered that the effects of soil type to nitrogen spatial heterogeneity besides altitudinal gradient and vegetation.

mountain acid brown soil; Sejila mountain;Tibet; vegetation; total nitrogen; nitrate nitrogen; ammonium nitrogen

S714.2

A

1673-923X(2013)10-0126-04

2013-04-09

国家自然科学基金（41161052）；西藏自治区自然科学基金项目；西藏农牧学院青年科学基金项目

刘合满（1979-），男，河南南阳人，讲师，博士研究生，主要从事土壤物质循环与气候响应研究；

E-mail：hmliu@cau.edu.cn

[本文编校：吴 彬]