大兴安岭北部4种沼泽湿地土壤活性氮质量分数变化特征1)

朱哲圣 夏炎 满秀玲

(东北林业大学,哈尔滨,150040) (黑龙江省林业和草原调查规划设计院) (东北林业大学)

1 研究区概况

研究区位于黑龙江漠河森林生态系统国家定位观测研究站,地理坐标为122°6′～122°27′E、 53°17′～53°30′N。该地区为寒温带大陆性季风气候,有明显的山地气候特点,冬季寒冷干燥,全年冰雪覆盖时间最高可达200 d,年均气温-4.9 ℃,年降水量为350～500 mm,多集中在夏季,年均无霜期为90 d。该地区沼泽湿地类型主要是以兴安落叶松(Larixgmelinii)为主的森林沼泽、以绣线菊(Spiraeasalicifolia)为主的灌木沼泽、以苔草(Carexspp.)为主的草丛沼泽。兴安落叶松沼泽主要分布于地势低洼、平坦的林地,林下灌木主要有杜香(Ledumpalustre)、笃斯越橘(Vacciniumuliginosum)、越桔(Vacciniumvitis-idaea)等;毛赤杨沼泽主要分布于河流两侧沼泽至森林过渡带的平坦区域,林下灌木主要有红瑞木(Cornusalba)、绣线菊等;草丛沼泽主要分布于河流两侧阶地、低洼地等,草本植物主要为苔草类等。

2 研究方法

2.1 样品采集及试验设计

在查阅资料及实地踏查的基础上,按照典型性与代表性原则,选取4种原始状态的沼泽湿地类型(毛赤杨沼泽、苔草沼泽、落叶松-苔草沼泽、落叶松-苔藓沼泽)为研究对象,样地基本情况见表1。在每种类型的沼泽地典型地段布设3块样地,样地面积为20 m×30 m。在每个样地内按照“S”型设置3个取样点,清理土壤表层凋落物和草毡层,使用内径为10 cm的土钻分层采集土壤深度(h)为0

表1 样地基本情况

2.2 样品测定

土壤含水量使用烘干法测定;土壤密度使用环刀法测定;土壤温度使用纽扣式温度传感器(DS1922L,Maxim/Dallas Semiconductor Inc.,USA)测定;采用氯化钾溶液(浓度为1 mol·L-1)浸提法提取土壤铵态氮、硝态氮;使用AA3连续流动分析仪测定土壤铵态氮、硝态氮、全氮质量分数;使用multiN/C2100分析仪测定土壤全碳、可溶性有机碳氮、微生物量碳氮质量分数。

2.3 数据处理

使用SPSS26.0和Excel2010软件对数据进行统计分析;单因素方差分析法和最小显著差异法进行数据差异性检验;皮尔逊相关分析法进行指标相关性分析。

3 结果与分析

3.1 大兴安岭4种沼泽类型土壤铵态氮质量分数动态

由表2可知,6—10月4种沼泽类型土壤铵态氮质量分数呈波动式下降,波动范围为0.71～15.03 mg·kg-1。对于表层土壤(0

表2 各沼泽类型土壤活性氮质量分数

3.2 大兴安岭4种沼泽类型土壤硝态氮质量分数动态

4种沼泽类型土壤硝态氮质量分数在观测期内均呈波动式下降,波动范围为0.35～3.30 mg·kg-1,动态变化范围小于土壤铵态氮质量分数。对于0

3.3 大兴安岭4种沼泽类型土壤微生物量氮质量分数动态

观测期内0

3.4 大兴安岭4种沼泽类型土壤可溶性有机氮质量分数动态

4种沼泽类型的土壤可溶性有机氮质量分数多表现为0

3.5 不同影响因子对沼泽湿地土壤活性氮的影响

对大兴安岭4种沼泽湿地土壤活性氮和各影响因子进行Pearson相关性分析(表3)。4种沼泽类型的土壤活性氮间多呈显著或极显著相关。其中,毛赤杨沼泽土壤活性氮均与土壤有机碳呈极显著正相关;微生物量氮、可溶性有机氮与土壤含水量、土壤温度呈极显著正相关。苔草沼泽中,土壤铵态氮与可溶性有机氮、土壤有机碳呈极显著正相关,与土壤温度呈极显著负相关;土壤硝态氮与土壤微生物量氮、土壤含水量呈极显著正相关,与土壤微生物量碳呈显著正相关。2种落叶松沼泽土壤活性氮与土壤微生物量碳、土壤含水量均呈极显著正相关。落叶松-苔草沼泽土壤活性氮与土壤有机碳均呈极显著正相关;落叶松-苔藓沼泽土壤活性氮多与土壤有机碳呈显著正相关。由此可见,当不同沼泽类型土壤活性氮与影响因子间显示较好的相关性时,说明其具有一定的关联。

表3 4种沼泽土壤活性氮与影响因子的Perason相关系数

4 结论与讨论

研究表明,大兴安岭北部不同沼泽类型土壤活性氮质量分数较低,且表聚效应显著。有研究指出,土壤深度、温度、湿度、植被类型、气候、季节变化等都会对土壤活性氮产生较大影响[21-22]。相关性分析显示,不同影响因子对沼泽土壤活性氮质量分数的影响效果不同。4种沼泽类型的土壤无机氮质量分数变化范围为0.35～15.03 mg·kg-1,低于三江平原沼泽湿地土壤[23]。7月,各沼泽处于漫水状态,部分铵态氮在土壤微生物的参与下经过硝化作用转化为硝态氮[24],且植被此时处于生长旺盛阶段,对氮素的需求更大,进而造成沼泽土壤无机氮在7—8月波动较大[25]、9—10月,植被生长减缓,对氮素的需求减小,且降水的减少降低了硝态氮的垂直淋溶,因此相较于8月,各沼泽土壤无机氮平均质量分数有不同程度的增高。大兴安岭地区冬季积雪时间较长,4—5月是积雪及冻土融化的主要时段,此时积雪融化向土壤输入氮[26-27],且土壤反复冻融[28]促进有机氮矿化[29],进而释放大量的无机氮[30-31],因此造成6月时4种沼泽类型的土壤无机氮质量分数均相对较高。本研究中,不同沼泽类型土壤无机氮组成及质量分数存在一定差异,这表明不同沼泽类型土壤氮素有效性存在差异。土壤氮素的供应水平受土壤类型、有机质及凋落物的分解、土壤质地等理化性质影响[32-33]。土壤微生物量氮为土壤中活跃的氮组分,是植被氮营养的重要来源,可作为判断土壤健康情况的重要指标[34]。4—5月,研究区土壤缓慢解冻,土壤温度低导致微生物活性降低,凋落物、动植物残体分解变慢[35],从而降低了土壤微生物量氮的释放量,因此,6月时各沼泽土壤微生物量氮质量分数均较低。7月,土壤微生物量氮质量分数整体呈增加的趋势,但不同沼泽类型及土层的变化趋势有所不同。表层土壤中,苔草沼泽土壤微生物量氮质量分数增幅达165.92%,极显著高于其他沼泽类型,这是由于草类沼泽植被根系发达且分布较浅,周转速率快,且苔草沼泽光照、热量条件好,动植物残体和根系衰亡后堆积在土壤表层,较易分解,为微生物繁殖创造了良好的条件。土壤微生物量氮质量分数受季节变化、土层变化的显著影响[36],还受pH、温度等因素影响[37-38],不同类型沼泽土壤微生物分解强度存在差异[39]。表层土壤有机底物输入波动较大,水热通气条件适宜微生物生长,土层加深后,土壤通透性和养分浓度下降,微生物活动减慢,植物根系与土壤微生物竞争激烈[40],从而导致土壤微生物生物量下降。因此,4种沼泽表层土壤微生物量氮质量分数的动态变幅大于较深层土壤。土壤有机氮库中最活跃的部分为土壤可溶性有机氮,其质量分数的变化可以反映土壤供氮水平[41]。观测期内,4种沼泽类型的土壤可溶性有机氮质量分数变化范围为5.15～38.66 mg·kg-1。不同类型沼泽土壤可溶性有机氮质量分数月波动性较大,受季节变化和土壤理化因子的影响也较大。有机质分解、土壤胶体吸附和解吸、大气沉降是土壤可溶性有机氮的重要来源[20]。表层土壤能够接受更多的可溶性有机氮输入,且4种沼泽土壤可溶性有机氮质量分数随土层的加深而显著下降(P<0.05),说明大兴安岭北部沼泽湿地土壤可溶性有机氮质量分数具有一定表聚性。6月,落叶松-苔草沼泽土壤可溶性有机氮质量分数极显著高于苔草沼泽,且两者表层土壤可溶性有机氮质量分数极显著高于毛赤杨沼泽、落叶松-苔藓沼泽。6—7月,土壤温度升高导致土壤矿化速率增大,此时,植被快速生长消耗大量养分,土壤水分饱和造成土壤表层的可溶性有机氮淋溶迁移,导致土壤可溶性有机氮质量分数显著下降。本研究中,10月时,毛赤杨沼泽、苔草沼泽土壤可溶性有机氮质量分数整体呈下降趋势,但落叶松-苔草沼泽、落叶松-苔藓沼泽土壤可溶性有机氮质量分数在10月呈上升趋势,出现这一现象是由于不同沼泽类型的植被组成、凋落物量、土壤性质不同。同时,季节变化对可溶性有机氮质量分数变化也有影响[42]。本研究表明,土壤含水量是影响沼泽土壤微生物量氮质量分数的重要因素。除苔草沼泽微生物量氮外,其他活性氮之间多呈显著相关。不同沼泽类型土壤活性氮多数与微生物量碳、可溶性有机碳、土壤含水率呈显著正相关关系。