东北北部温带森林和干草地土壤养分分布及影响因素

王芳，宋明华，黄玫，张甲珅

1. 生态系统网络观测与模拟重点实验室，中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2. 国家卫星气象中心，北京 100081

东北北部温带森林和干草地土壤养分分布及影响因素

王芳1，宋明华1，黄玫1*，张甲珅2

1. 生态系统网络观测与模拟重点实验室，中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2. 国家卫星气象中心，北京 100081

土壤是陆地生态系统碳储存的重要场所，其养分变化与全球陆地碳循环密切相关。土壤养分是植物生长的重要保证，而土壤各养分之间是紧密联系的。理解土壤养分变化与环境因素的关系有助于更好地了解陆地生态系统碳、氮、磷循环。本研究以东北北部自东向西沿降水量梯度变化纬度带上的温带森林与干草地生态系统为研究对象，利用气象数据和野外土壤实测数据，分析了纬度带上不同植被类型土壤的有机碳、全氮、碳氮比、速效磷的空间分布格局及其与环境因子（年降水量、年均温、土壤pH值）的关系。研究纬度带上降水量自东向西逐渐减少，植被类型从温带森林过渡到干草原，与降水量和植被类型对应，植被生物量也自东向西呈现从高到低的分布梯度。研究结果表明：从整个研究带上来说，降水量与土壤pH值是土壤养分空间分布的决定因素，沿纬度带从东到西，随着降水量逐渐减少，土壤pH值逐渐增加，而土壤有机碳、全氮、碳氮比、速效磷含量逐渐减少。但如果将森林和草地分别讨论则发现，森林和草地生态系统的土壤养分环境控制因素有较大差别。对于草地生态系统而言,降水量和土壤pH值仍然是其土壤养分含量的控制因子，但森林生态系统由于所处区域降水量充足，降水量不再是其土壤养分的控制因子，降水量只与森林土壤碳氮比呈显著正相关。研究还发现森林土壤的速效磷含量与温度呈正相关，与土壤pH值呈负相关，说明温度对东北北部温带森林的土壤养分含量具有一定的控制作用。

东北北部；土壤养分；干草地；温带森林；环境因子

土壤是陆地生态系统碳储存的重要场所，在全球碳循环中起着十分重要的作用。土壤中的养分直接影响陆地植被生产力和土壤有机碳库，是陆地生态系统碳源汇的重要调控因素(Robinson等, 2002)。气候是驱动土壤碳氮循环的最主要的自然因素，气候要素与土壤养分特征的关系一直以来就是土壤学家关注的课题(Robinson等, 1978; Post等, 1982)。由于气候变化对土壤碳库的影响问题被广泛关注，土壤养分特征与气候要素的关系也成为研究热点。

我国学者开展了大量土壤养分相关研究，特别是从土壤肥力的角度研究农田土壤有机质和土壤氮(熊毅等, 1990)，有学者从气候变化角度对土壤有机碳的动态变化(吴建国等, 2004)、区域土壤有机碳和氮含量与气候要素的关系（Conen等, 2003）、以及海拔梯度及气候变化对有机质分解的影响等方面进行过研究，以上研究所选择的研究区域都比较小。王叔平等沿着中国东北样带(NECT)进行过大规模土壤取样，并研究了土壤碳、氮、磷的梯度分布与气候因子的关系（王淑平等, 2002）。

NECT位于中纬度温带，沿着43.5° N。在NECT以北的广大地区，年平均气温较NECT低，却是全球变化中我国升温最为剧烈的区域。此区域有关土壤养分状况与气候因素之间关系的研究很少。为了进一步研究东北土壤养分的空间分布特点及其与环境因素的关系，本研究沿着比NECT高5°的纬度带48°～49° N，116°54′32.4″～128°56′38.4″ E之间取样。与王叔平等每隔25 km取样方法不同，本研究为了更有针对性的对不同植被类型土壤的养分状况及其影响因素进行研究，采取了根据实地调查，沿着纬度带上森林、草地的优势树种或生物群落的变化选取典型样地采样的方法，并以此来研究纬度带上土壤养分、环境因素以及植被类型的相互关系。为进一步研究全球气候变化下的碳、氮、磷的生物地球化学循环及评估陆地生态系统的碳收支提供基础资料。

1 研究区概况

研究区为我国东北地区，2011年 8月进行了一次野外采样，采样点位于 48°28′15.6″～49°29′2.4″ N和116°54′32.4″～128°56′38.4″ E之间，横跨12个经度（见图1）。由图1可知，该纬度带东部大部地区是森林，林地土壤均属暗棕壤，其中 F1采样点的主要树种是红松（Pinus koraiensis Sieb. et Zucc）、樟子松（mongolica Litv）和云杉（Picea asperata）、冷杉（Abies），年降水量在500～600 mm之间；F2和 F3样点的主要树种均是蒙古栎（Quercus mongolica）和兴安落叶松（Larix gmelinii），F4样点的主要树种是白桦（Betula platyphylla Suk）和兴安落叶松，年降水量在 400～500 mm之间，年均温在-2 ℃到 1 ℃；G1～G5采样点主要都是羊草草地，土壤类型为栗钙土，属温带半干旱气候，年降水量为 250～350 mm，年均温-2 ℃左右。

2 材料和方法

2.1 样点的选取和样方设置

野外考察前根据东北地区植被和土壤空间分布图结合降水量和年平均气温空间分布图（刘明光, 2010）确定了典型温带森林和干草地生态系统样点选取的大致经纬度位置。在实际考察中根据确定的经纬度位置，选择地势平坦且代表性强的温带森林和干草地生态系统作为取样点。

图1 研究区植被类型及样点空间分布图Fig.1 Spatial distribution of vegetation types and samples of the study area

本研究设置22个样方，获得198个土壤样品。在样方设置时充分考虑样方的代表性。干草原区域地势平坦，样方代表性较好，G1至G5采样点（图1）设置2个样方，其余采样点设置3个样方。由于温带森林生态系统所处的区域地势略有起伏，分别在上坡、中坡和下坡位设置3个样方进行取样，以使所取样方能最大限度地消除立地因子影响，从而代表生态系统的平均状况。

2.2 土壤样品的采集及化学分析方法

对于每个样方，使用土壤环刀分0～10、10～20、20～40 cm 3个层次分别进行取样，3次重复。土壤样品放入布袋中带回实验室风干；风干过程中将土块压碎，去除植物残根等杂物，经常翻动，使其慢慢风干；将风干后的土样过1 mm筛，去除植物残体（主要是根），留下的样品充分混匀，分别取50 g左右进一步研磨，装密封袋备用（鲁如坤, 1999）。

土壤有机碳的测定采用外加热、重铬酸钾容量法；土壤全N含量用元素分析仪测定；速效P采用碳酸氢钠浸提，钼锑抗比色法测定。

2.2 气象数据的来源与统计分析方法

本研究所用的多年平均气象数据来源于中国气象局。本研究首先应用 Anuspline插值软件将气象站数据插值到0.1°×0.1°经纬度网格上，然后根据样点经纬度从插值结果中提取样点的 1950—2008年平均气温和年降水量数据。

本研究采用EXCEL对实验数据进行简单统计分析，借助SPSS（Statistical Product and Service Solution）软件，用单因素方差分析法比较不同生态系统类型间土壤有机碳、全N、碳氮比、速效P的差异，用相关分析法分析各养分指标与环境因子之间的关系。

3 结果与分析

3.1 研究区的环境梯度

图2 采样点的环境因素分布图Fig.2 Distribution of environmental factors about the sampling point

图2 为采样点的年降水量、土壤pH值、年均温和海拔高度分布。横坐标上标注的采样点名称与图1一致。由图2a可知，样点位于一条年降水量从东到西依次递减的梯度带上。东部4个林地采样点的平均年降水量较高，为447 mm；西部5个草地采样点位于呼伦贝尔草原，由于远离海洋，又受到大兴安岭的影响，湿润气流难以到达，因此平均年降水量只有295 mm。图2b为采样点土壤pH值的变化，从中可以看出，土壤pH值随降水量的增加呈减小的趋势，草地土壤的pH值呈中性，平均值为7.45，森林土壤的pH值呈酸性，平均为5.68。采样点的年均温分布如图2c所示，森林采样点的年均温波动较大，F1与F2点的平均温为-0.2 ℃，而F3与F4的平均温为-2.2 ℃，二者相差2 ℃，结合图2d可知，林区年均温差异较大主要和海拔高度有关，F1与F2点的平均海拔高度为273 m，而F3与F4的平均海拔高度明显高于F1和F2点，为696 m。因此导致F3与F4点的年平均气温偏低。总的来看，森林采样点的年平均气温为-1.2 ℃，低于草地样点的平均值（-0.6 ℃）。图2d还显示，森林采样点的海拔高度变化较大，从219 m到881 m，平均为500 m。草地采样点的海拔高度变化不大，在545～722 m之间变化，平均海拔高度为632 m。

3.2 东北地区森林和草地土壤养分含量比较

图3比较了东北地区草地和森林的土壤有机碳、全N、C／N和速效P的差异。由图3可知，研究区森林和草地平均土壤有机碳含量分别为40.96、12.74 g·kg-1，森林土壤有机碳含量是草地的3.2倍，二者差异显著。森林土壤的速效P含量较高，为 22.65 mg·kg-1，草地较低，为 10.23 mg·kg-1，森林与草地土壤速效磷含量也有显著性差异。森林全氮含量、碳氮比分别为3.02 g·kg-1和13.622 g·kg-1，草地全氮含量、碳氮比分别为1.55 g·kg-1和8.432 g·kg-1，森林和草地土壤的全氮含量、碳氮比均不存在显著性差异。

3.3 研究区土壤养分含量与环境因子的关系

图4展示了所有采样点的土壤有机碳、全氮、速效磷、碳氮比与年降水量、年均温、土壤pH值的相关散点图和线性拟合结果。由图4可见，研究区土壤有机碳、全氮、速效磷、碳氮比与年降水量呈极显著的正相关关系，相关系数分别为0.866、0.792、0.718、0.890。即降水量越大，土壤有机碳、全氮、速效磷、碳氮比越高。以上土壤养分含量与土壤pH值呈极显著的负相关关系，相关系数分别为-0.758、-0.681、-0.867、-0.736，土壤酸性越大，则土壤中土壤养分含量越高。但土壤中的养分含量与年均温均没有显著的相关关系。

如果将草地生态系统和森林生态系统分别进行统计，我们发现草地土壤的有机碳、全氮、速效磷含量与年降水量呈极显著的正相关关系，相关系数分别为0.893、0.883、0.849；土壤有机碳、全氮还受土壤pH值的影响，与土壤pH值呈显著负相关关系，即土壤pH值越高，草地土壤的有机碳、全氮含量越低，相关系数分别为-0.675、-0.687；草地土壤各养分含量与年均温均没有显著性相关关系。

图3 草地和森林土壤有机碳、全N、C/N、速效P的差异比较Fig.3 Comparison of Soil organic carbon, N, C/N, available P between grassland and forest

森林土壤各养分含量与环境因子之间的关系与草地土壤明显不同，研究区森林土壤的有机碳、全氮含量与年降水量、年均温、土壤pH值没有显著性相关关系；速效磷含量与年均温呈显著正相关关系，相关系数为0.681，与土壤pH值呈显著负相关关系，相关系数为-0.697；土壤碳氮比主要受年降水量的影响，与年降水量呈极显著的正相关关系，相关系数为0.802。

4 讨论与结论

4.1 讨论

4.1.1 研究区土壤有机碳空间分布的环境影响因素

土壤有机碳含量取决于进入土壤的有机物质数量和土壤有机质分解速度之差。本研究区自东到西降水量逐渐减少，植被从温带森林过渡到干草原，植被生物量也呈现从高到低的分布格局。土壤有机碳与降水量的关系反映了植被生物量空间分布对土壤有机碳的影响。土壤pH值的形成与降水量和植物根的活性有较大关系，降水量大的地方，土壤的pH值较低。因此土壤有机碳与?pH值显著负相关。

将森林和草地生态系统分别进行分析发现，草地土壤有机碳与降水量呈显著正相关关系与土壤pH值呈显

著负相关关系，而森林土壤有机碳与降水量和土壤pH值均没有显著相关关系。林区由于降水量充足，使得降水量不是限制植物生长和土壤养分变化的关键因子，导致林区土壤有机碳与降水量和土壤pH值均没有显著相关关系。

4.1.2 影响土壤全氮含量和土壤碳氮比空间分布的环境因素

王长庭等(王长庭等, 2005)在青海对高寒草甸以及傅华等(傅华等, 2006)在贺兰山西坡等的研究都发现湿度越大，土壤中的氮素越容易积累，这一结论与本研究结果相似。本研究同时发现，土壤pH值越低，就越有利于氮素的积累。本研究中草地全氮含量与降水量、土壤pH值都呈显著相关，但森林全氮含量与降水量和土壤pH值的相关不显著。

有研究表明，在年均温大致相同情况下，干旱地带土壤中碳氮比要比湿润地带低(李天杰等, 1983)，本研究也有类似的结果，本研究同时发现土壤碳氮比与土壤pH值有显著的负相关关系。森林土壤的碳氮比与降水量的正相关显著，而草地碳氮比与降水量关系不显著。

4.1.3 研究区土壤速效磷的空间分布特点

影响土壤速效磷空间分布的环境因素很多，一般认为土壤速效磷与全磷并无确定的关系，而与土壤有机质碳呈显著正相关（袁可能，1983；于天仁等，1983），与土壤pH值的关系比较复杂（王朝辉等，1997）。本研究发现，研究区土壤速效磷的空间分布特点与土壤有机碳类似，与降水量呈显著正相关，与土壤pH值呈显著负相关。这一研究结果与刘世全等（刘世全等，2005）在研究西藏土壤时得出的结论一致。本研究同时发现，森林土壤速效磷与气温呈显著正相关关系。

4.2 结论

本研究基于东北地区野外采集的土壤养分数据，结合气象数据分析了影响土壤有机碳、全氮、碳氮比、速效磷空间分布的环境因素。得出如下2点结论：

（1）对于整个研究区而言，降水量和土壤pH值是东北北部温带森林和干草地区域土壤有机碳和土壤养分空间分布的决定因素，但就研究区的森林生态系统而言，降水量只与森林土壤碳氮比呈显著正相关，并不是其土壤养分的控制因子。

图4 采样点土壤养分含量与年降水量、年均温、土壤pH值之间的关系Fig.4 Relationship between the Soil Nutrients of sampling points and annual precipitation, an average annual temperature, soil pH value

（2）研究区土壤有机碳、全氮、碳氮比、速效磷的空间分布与降水量呈显著正相关，与土壤pH值显著负相关。即随着降水量逐渐增加，研究区内生态系统的土壤pH值逐渐减少，而土壤有机碳、全氮、碳氮比、速效磷含量逐渐增加。

土壤养分空间分布的形成是长期受生物与非生物环境因素影响的结果，本研究通过实地调查和统计分析探讨了土壤养分空间分布的规律和影响因素，如何从机理上揭示其空间分布的形成机制是未来需要进一步研究的问题。

致谢：黑龙江省森林防火办王志成博士、中国科学院地理资源所的研究生李雷、孙向阳、王昭生、商贵铎、岳溪柳、夏芹参与本研究的野外采样工作，为本研究的顺利完成提供了大力支持，在此一并表示衷心的感谢！

参考文献：

Campbell C A. 1978. Chapter 5 Soil Organic Carbon, Nitrogen and Fertility [M]. Soil Organic Matter, Schnitzer M, Khan S U, Elsevier, 8: 173-271.

Conen F, Yakutin M V, Sambuu A D. 2003. Potential for detecting changes in soil organic carbon concentrations resulting from climate change[Z]. Blackwell Science Ltd, 9: 1515-1520.

Post W M, Emanuel W R, Zinke P J, et al. 1982. Soil carbon pools and world life zones [J]. Nature, 298(5870): 156-159.

Robinson C. 2002. Controls on decomposition and soil nitrogen availability at high latitudes [J]. Plant and Soil, 242(1): 65-81.

傅华, 裴世芳, 张洪荣. 2006. 贺兰山西坡不同海拔梯度草地土壤氮特征[J]. 草业学报, 14(6): 50-56.

李天杰, 郑应顺, 王云. 1983. 土壤地理学[M]. 高等教育出版社.

刘明光. 2010. 中国自然地理图集[M]. 3版. 北京: 中国地图出版社.

刘世全, 高丽丽, 蒲玉琳, 等. 2005. 西藏土壤磷素和钾素养分状况及其影响因素[J]. 水土保持学报, 19(1): 75-78.

鲁如坤. 1999. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社.

王朝辉, 田霄鸿. 1997. 土壤水分对蔬菜硝态氮累积的影响[J]. 西北农业大学学报, 25(6): 15-20.

王淑平, 周广胜, 吕育财, 等. 2002. 中国东北样带(NECT)土壤碳, 氮,磷的梯度分布及其与气候因子的关系[J]. 植物生态学报, 26(5): 513-517.

王长庭, 龙瑞军, 王启基, 等. 2005. 高寒草甸不同海拔梯度土壤有机质氮磷的分布和生产力变化及其与环境因子的关系[J]. 草业学报, 14(4): 15-20.

吴建国, 徐德应. 2004. 土地利用变化对土壤有机碳的影响：理论，方法和实践[M]. 中国林业出版社.

熊毅, 李庆逵. 1990. 中国土壤[M]. 科学出版社.

于天仁, 王振权. 1988. 土壤分析化学[M]. 科学出版社.

袁可能. 1983. 植物营养元素的土壤化学[M]. 科学出版社.

The Spatial Distribution of Soil Nutrients and the Controlling Factors of Temperate Forest and Steppe in Northeastern China

WANG Fang1,2, SONG Minghua1, HUANG Mei1*，ZHANG Jiashen3

1. Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Simulation, Institute of Geographical Sciences and Nature Resources Research, CAS, Beijing 100101, China;
2. Shandong Normal University, Jinan, Shandong 250014, China;
3. National Satellite Meteorological Center, Beijing 100081, China

Soil carbon (C) pools contribute to a large part of carbon sequestrated by terrestrial ecosystems. Little changes in soil carbon pools are directly relevant to dynamics of atmospheric CO2concentration. Additionally, soil nitrogen (N) and phosphorous (P) are important nutrient elements for plant growth. Nutrient cycles of these elements are inter-connected. Therefore, knowledge on soil nutrient condition and their correlations with environmental condition across ecosystems are crucial for better understanding their dynamics in the face of environmental changes. Soil C, N and available P contents were investigated in steppe and temperate forest ecosystems along precipitation gradient from east to west in the northeastern region. Moreover, we analyzed the relationships between nutrient element contents and environmental factors, such as annual precipitation, mean annual temperature and soil pH. Which may provides fundamental data for studying global carbon, nitrogen and phosphorus biogeochemical cycles and assessing of ecosystem carbon budget. Our results showed soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), C/N ratio and available phosphorus contents decreased across forest and grass ecosystems from east to west. Precipitation decreased gradually, but soil pH increased along this direction. By internal analysis of grassland ecosystem, we also found precipitation and soil pH are the main factors controlling spatial distribution of soil nutrients along the latitude. In addition, precipitation and soil pH are also important factors influencing SOC, TN, and available phosphorus contents within grass ecosystems. However, the relationship between nutrient and the environmental factors of the forest soil are complex, in forest ecosystems there is no significant correlation of soil nutrient element contents with precipitation or soil pH with the exception of significant positive correlation between C/N ratio and precipitation. Besides, available phosphorus content was positively correlated with temperature and negatively correlated with soil pH in forest ecosystems.

Northeast China; soil nutrient; grass; forest; environmental factors

S151.9

：A

：1674-5906（2014）08-1280-06

王芳，宋明华，黄玫，张甲珅. 东北北部温带森林和干草地土壤养分分布及影响因素[J]. 生态环境学报, 2014, 23(8): 1280-1285.

WANG Fang, SONG Minghua, HUANG Mei, ZHANG Jiashen. The Spatial Distribution of Soil Nutrients and the Controlling Factors of Temperate Forest and Steppe in Northeastern China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(8): 1280-1285.

国家自然科学基金项目（41171371）；中国科学院战略性先导科技专项（XDA05050209）

王芳（1986年生），女，硕士，从事森林土壤研究。

*通信作者：黄玫，女，副研究员，主要从事生态系统碳循环研究。E-mail：huangm@igsnrr.ac.cn

2013-09-25