荒漠绿洲过渡带不同植被下土壤全氮的空间分布规律研究

金彦龙

(塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300)

1 研究意义

荒漠绿洲过渡地带是绿洲生态系统与原始荒漠生态系统之间相互联系和沟通的连接点，其自身的生境脆弱、敏感，容易改变，是整个绿洲生态系统与原始荒漠生态系统之间进行物质循环、能源转换和信息传播的主要场所[1]，并且成为一个能量、物质、信息交换最多的界面地带。同时，荒漠绿洲的过渡带也在干旱地区处于重要的地位，绿洲的气候条件变迁以及对绿洲耕种和农田的未来拓展都应该是从荒漠-绿洲的过渡带出发，不仅关乎着绿洲耕种和农业的持续健康发展以及内部的稳定，保护绿洲耕种和农业免受强烈的风沙威胁，并且成为绿洲耕种和农业稳定发展的一个天然屏障，而且对我国绿洲耕种和农业经济的发展也会具有巨大的促进作用和贡献。其保持了绿洲内部农区的稳定与安全，最重要的是保证过渡地带的平衡与稳定，防止绿洲内部土地的贫瘠化与次生盐渍化[2]。荒漠、绿洲这个过渡地带对自然生态意义重大，近年来一直都是干旱半干旱地区的一项重点工作，研究一个区域内植被的健康生长和恢复状况也是影响该区域自然生态条件的一个重要决定性因素，而荒漠、绿洲内依赖于天然降水及地下水所维持的自然植被质量的稳定性与其土壤中的含水率有着密切的联系。由于干旱、半干旱等地区的降水较为稀少，季节性分配不均匀，蒸发较强，土壤中氮的生成和变化规律也不同，所以土壤中的水盐、氮在各个区域内的分布一直都是对土壤学中水分研究的重要方向之一，这也是当前土壤学领域研究的热点。

2 研究范围及取样方法

土壤并不是一个均匀的、统一的成分，而是一种空间和水平不断变化的变异体，具有高度的空间异质性。土壤中的水分、盐、氮是土壤中最重要的3种物质和特征，氮本身是所有人类生命形式的重要元素，是各种动植物生长发育所必需的营养物质，在作物生产过程中，对氮的需求较大。土壤中的氮素不但是土壤生态系统结构的重要组成部分，而且也是土壤生态系统的重要因子，因而始终备受生态学、土壤学等诸多学科的参与和关注，目前已经成为国际关于全球变革的研究课题之一。为了研究荒漠绿洲过渡带土壤氮的特性及空间分布规律，以新疆南疆环塔里木盆地周围为研究区域，采集过渡带中7类不同植被覆盖下20个土壤剖面的140个土样进行分析，在研究区内分别选取灌木、乔木、灌木加草本、乔木加草本、乔木加灌木、乔木加灌木加少量碱蓬、灌木(柽柳加死胡杨)7种不同植被下，土壤氮的空间的垂直分布情况。土样采集点分别分布在环塔里木河流域，新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市12团境内为起点，阿克苏地区沙雅县境内为终点，此地针对塔里木盆地荒漠绿洲过渡带具有很强的代表性。主要研究内容，在每种植被类型覆盖下，找有代表性的样点挖2m×3m的取土坑，其中一面留有垂直地表以下1m深度的剖面，沿着剖面方向，自下至上以每5cm厚度取一个土样，带回实验室，在测定各土样全氮含量；研究土壤氮的空间分布垂直变化规律及变化层次划分。采样点分布图如图1所示。

3 实验方法

采用半微量开氏法测定土壤含氮量，原理为当样品土壤中的氮元素在不同加速催化剂和热蒸汽的参与下，用氨消毒和制备少量浓硫酸溶液时，各种微量有机化合物通过一次高温加热分解反应，转化成为全铵态氮，碱化后将其加热蒸馏后把得出的铵态氨用一种硼酸溶液进行快速吸收，以一种酸性标准溶液对氨进行快速滴定，求出整个样品土壤中所有的全铵态氮[3,4]。

仪器设备有土样粉碎机、玛瑙研钵、土壤筛、分析天平、开氏烧瓶、滴定管等，相关化学药剂。

计算公式：

土壤全氮(%)=[(V-V0)×CH×0.014/m]×1000

式中，V为测量滴定标准试液时需要使用的方法时滴定硫酸为标准溶液的平均体积，mL；V0为测量滴定液体为溶液空白时所需要使用的标准溶液平均体积，mL;CH为测定酸性标准溶液的平均浓度，mol·L-1；0.014为含氮化氢原子的毫克每摩尔质量；m为用水烘干后的土样平均质量值，mg。所有化学检验测定的最终结果都应采用数学算术中的平均值公式来准确表示，并且其中应至少保留3位的1个小数点。在荒漠绿洲过渡带，7种不同类型植被土壤中，取土样，在每一种植被下Z字形取样，7个点位，每个层次取1个土样。

4 全氮分布情况

通过实验数据比对、校验，用Excel工具制图，得到带数据标记的堆积折线图。

5 结论与讨论

相关调查结果表明，处于极端干旱地带荒漠地段的塔里木河流域，气候干燥，年平均雨量低于50mm，塔里木盆地荒漠绿洲的过渡地带土壤发生了盐碱化、荒漠化、退化严重，将本次研究地区7种不同植被下20个不同土层的地区根据土壤全氮含量指标进行分层测定，取平均值，由图2可知，不同的植被下土壤全氮含量根据土壤全氮的分布可以表现出明显特性，实验数据表明，不同植被下的土壤全氮含量累计总体上在10～35cm达到了最高值，随后逐渐下降，其累计值在60～70cm又逐渐形成一个小高峰，比第1次峰值更小，从绿洲到荒漠的方向上，由于地理位置远离山脉和河道，所以植被的分布很稀疏，因此无法形成植物群落分布总数在整体上呈现减少趋势；在河流的流向和方向上，是我国过渡地带植被生态系统中群落分布最为集中的地段，植被生态系统群落与地理位置差异很小；在垂直河道的方向上，过渡地带植物群的分布逐渐呈现显著的减少变化趋势，表现为显示出明确的河道效果[5]。随着植被覆盖量的增加，土壤全氮含量总体上也呈富集增加状况。其中，胡杨类型群落在高度超出0～4km后，分布十分罕见；柽柳群落与疏叶骆驼刺群落占地总数量减少的趋势也相对缓慢。这一梯度对应了地下水位由浅变深的分布，体现了不同群落对干旱适应性的差异，柽柳群落是对干旱适应能力最强的群落。土壤全氮含量在不同植被层出现明显差异，其中,在乔木加灌木层中土壤中全氮含量最低，在乔木加灌木层中，土壤中全磷含量最高，从系列1至系列7方向，乔木加灌木<乔木加灌木<乔木加草本<乔木加灌木加少量碱蓬<单一灌木<单一灌木(柽柳加死胡杨)<单一乔木<乔木加灌木；土壤全氮含量依次不断增多，垂直层次变化比较明显，表明在荒漠绿洲过渡带，在乔木和灌木混合植被下土壤最肥沃。

荒漠绿洲-过渡地区的植物数量比较少，以干旱生态和耐盐的植物多样化为主；物种群落的分布极其破碎，斑点块态明显，空间特征异质性较高，而且柽柳群落是过渡地区分布范围最广阔、面积最大的一个优势群落。从绿洲到荒漠过渡的方向范围内，植物群落分布总体上已经表现出了数量逐渐减少的趋势；在沿着河流的流向和方向上，植被群落的分布范围不大[5]；在水平或垂直的河道方向上，过渡地带内野生动物群的分布呈明显减少的趋势，表现出明显的河道效应。水作为土壤环境中各种物质流动和运输的主要载体，土壤中水分产生的时空差别异质性及其动态变化也是直接影响土壤肥力的一个重要因素。降水量的提高既可以大幅度增强其表层土壤中水分的空间依存性，对于土壤的硝化与氮素矿化具有重要的影响，还能够通过影响植物在土壤中所吸收的氮的各种微生物学过程，从而影响土壤中氮在循环、储备的效果。在一定温度下，土壤中氮硝化和氨化的速率与其温度呈显著正相关。增温主要通过影响植物的光合速率和土壤微生物活动来影响土壤氮素的积累和沉降，增温会促进植被对N20的吸收，降低土壤水分，促进硝化过程。当土壤中的水分被胁迫时，硝酸根在土中的扩散范围就会受限，进而可能会影响硝酸根在土中的反硝化效应，减少N20的排放，这样地形就是影响绿洲生态发展过程的一个重要因素，通过太阳光辐射、温湿度和土壤中营养物质等的分布格局，影响土壤生态系统的自然物质循环过程和土壤的强度[6]，也是直接引起动植物在土中的群落生产能力、物种构造变化以及土壤空间中的异质性改变的一个重要主导因子，从多维、多尺度影响着土壤全氮的空间异质性。海拔梯度的变化改变了植物的繁殖、生存、物质代谢和形态结构，随着海拔梯度的增加，温度逐渐降低，降水量减少，大气压强降低，太阳辐射增加，植物生长季节缩短，植物功能特性随着环境因子的变化而变化，改变了输入土壤的氮源，进而影响到土壤氮的累积过程和储量。植物物种在荒漠绿洲过渡带的适宜生境中呈斑块状分布，间接导致该地带植被覆盖组成和物种多样性在空间上的不同分布，土壤全氮含量也呈不同分布状态。植物群落主要是由于植物的生态学属性与其外界环境之间的相互关系而形成的环境。植物的群落构造及其组成、生长能力和凋落物可以通过一系列反应改变土壤中的氮源，间接地影响土壤中全氮含量。不同的植被类型中枯落物的数量主要受到了植被品种、海拔高度、斜率及坡度等各种环境条件的影响。土壤是保证植物健康生存的重要基质，在给予植物提供养分的同时将一部分经由光合作用而产生的二氧化碳直接转移到了土壤，并以枯落凋零物在土壤中腐化等的形式将矿质元素补偿给土壤，不同土壤生境下植被地上生物量和土壤矿化速率明显不同，植被富集程度越高，地上生物量越多，土壤氮素的输入就越大。