大兴安岭多年冻土区不同土地利用方式对土壤碳、氮组分的影响

来源:用户上传      作者:刘雨桐

　　摘 要：为研究大兴安岭多年冻土区不同土地利用方式下不同深度土壤碳氮的特征，对大兴安岭漠河市沼泽、白桦林、落叶松、耕地4种土地利用方式下土壤碳氮储量进行了分析。结果表明4种土地利用方式总碳、有机碳、铵态氮、硝态氮存在显著差异，且均随土壤深度增加而降低。其中在0-10cm土层，沼泽总碳含量显著高于耕地、落叶松（P<0.01）;白桦林与耕地的土壤有机碳含量具有显著性差异（P<0.05）;沼泽铵态氮含量与白桦林具有极显著差异（P<0.01），与落叶松具有显著性差异（P<0.05）;沼泽的硝态氮含量远远大于其他三种土地利用方式（P<0.01）。10-30cm土层含量规律与土壤表层相似。通过相关性分析表明，土壤有机碳对铵态氮、硝态氮影响较大（P<0.01）。大兴安岭多年冻土区，不同土地利用方式的碳、氮含量具有规律性、差异性。不同土地利用方式影响壤中碳、氮的含量。
　　关键词：多年冻土;土地利用方式;土壤碳氮
　　1 绪论
　　多年冻土是寒区的重要标志，对植被发育、维持生态环境具有决定性作用[1]。作为我国唯一地带性多年冻土区，大兴安岭已成为我国冻土研究的热门区域之一[2]。碳、氮不仅是植物生长所需的主要的营养元素，也是组成土壤养分重要元素。土壤碳库是陆地生态系统中重要的碳库，碳储量是大气碳储量的2倍，植被碳储量的4倍，且土壤氮库与碳库紧密相关[3-6]。
　　国内外学者在土壤的碳氮方面进行了深入研究[7-9]，相关研究表明，在诸多影响土壤碳氮的因素中，土地利用方式改变是引发土壤碳库、氮库变化的重要驱动力[10]。但在多年冻土区的土地利用类型多局限于林地、湿地和草地等，耕地土壤碳氮研究相对较少。本研究通过对多年冻土区的4种典型土地利用方式沼泽、耕地、白桦林、落叶松土壤的碳氮含量特征进行分析，探究各土地利用类型碳氮分布差异，为该区的生态环境保护提供了基础数据。
　　2 材料与方法
　　2.1 区域概况
　　研究区位于黑龙江省北部大兴安岭漠河市，北纬53°33′30″、东经122°20'27.14"，属寒温带大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季气候干燥寒冷，年均气温为-3℃左右，年均降水量大致为350-550mm。试验区内土地主要分为林地、耕地、沼泽3种利用类型，森林覆盖率为90.6%[11]。受高寒气候的影响，该地区植物种类相对较少，其中林地植被以兴安落叶松和白桦为主，伴生少量樟子松、山杨林等[12-13]，耕地以玉米、大豆为主要农作物，湿地植被以苔草为主。
　　2.2 样品采集与测试
　　土壤样品于2017年7月份在大兴安岭漠河市进行采集。按不同土地利用方式将样地划分为耕地、沼泽、落叶松以及白桦林4个类型。每个类型样地中设置3个重复样点，按照0-10cm，10-20cm，20-30cm分层采集土壤。将新鲜的土壤去除石块、植物根系后，密封于样品袋中带回。过2mm孔径的尼龙筛，一部分放置于4℃冰箱，另外一部分风干保存。土壤样品测定包括：总碳（TC）、土壤有机碳（SOC）、土壤铵态氮（NH+4-N）和土壤硝态氮（NO-3-N）。其中TC和SOC使用Multi N/C 3100碳/氮分析仪（德国耶拿）测定，NH+4-N、NO-3-N采用Lammbda35型紫外/可见光光度计（美国帕金埃尔默）进行测定。
　　3 结果与分析
　　3.1 不同土地利用方式TC分布特征
　　如图1所示，研究區土壤TC含量在49.02-144.80g/kg之间，4种类型土壤在垂直剖面上，TC含量均随深度的增加而减少。沼泽、白桦林、落叶松、耕地底层土壤（20-30cm）TC平均含量比表层（0-10cm）土壤分别减少了44.58%、30.83%、28.11%、2.75%。就水平方向而言，TC平均含量在0-10cm从大至小依次为沼泽>白桦林>落叶松>耕地。沼泽极显著高于耕地、落叶松（P<0.01），与白桦林无显著差异（P>0.05）。10-20cm、20-30cm的变化规律与0-10cm一致，沼泽土壤TC平均含量最高，耕地含量最低，两者呈极显著相关（P<0.01），耕地与落叶松显著相关（P<0.05）。
　　3.2 不同土地利用方式SOC分布特征
　　由图2可知，4种类型土壤在垂直剖面上SOC含量为1528-140.50g/kg，均随土壤深度增加而减少。在0-10cm土壤SOC含量从高至低分别为沼泽、白桦林、落叶松、耕地。沼泽SOC含与其他利用类型土地具有显著性差异（P<0.05），白桦、落叶松、耕地间无显著性差异（P>0.05）。在10-20cm、20-30cm土层之间，土壤SOC含量从高至低分别为沼泽、耕地、白桦林、落叶松，以及沼泽、耕地、落叶松、白桦林。方差研究表明，在10-20cm、20-30cm土层中沼泽含量依然为最高，且与耕地呈无显著性差异（P>0.05），在20-30cm中，白桦含量最低12.69g/kg，沼泽有机碳含量与白桦林具有极显著相关（P<0.01）。
　　3.3 不同土地利用方式NH+4-N分布特征
　　如图3所示，各类型土壤NH+4-N含量在6.66-27.81mg/kg之间，均随土壤深度增加而降低。在0-10cm深度下的土层中，沼泽的NH+4-N含量最高，从高至低依次为沼泽、白桦林、落叶松、耕地。沼泽与白桦林、落叶松的NH+4-N含量有极显著差异（P<0.01），与耕地呈现显著性差异（P<0.05）。10-20cm土层的NH+4-N含量大小排序与土壤表层含量是一致的，沼泽与白桦林、落叶松、耕地呈极显著差异（P<0.01）。在20-30cm深度中，其从大至小的排序为沼泽>白桦>耕地>落叶松，落叶松为最小值，沼泽与其他土地利用方式的NH+4-N含量呈现极显著差异（P<0.01）。沼泽NH+4-N含量比土壤表层减少了4.47615mg/kg。 　　3.4 不同土地利用方式下NO-3-N分布特征
　　由图4可知，研究区内土壤NO-3-N的含量在0.10-11.21mg/kg之间，均随土壤深度的增加而减少。在0-10cm深度内，不同土地利用方式NO3—N由高到低为：沼泽>落叶松>白桦林>耕地。沼泽含量远大于其他三种土地类型（P<0.01）。10-20cm及20-30cm深度土壤NO-3-N和土壤表层的规律一致，在10-30cm土层中，耕地与沼泽具有极显著差异（P<0.01），与其他两种土地利用类型无显著性差异（P>0.05）。
　　3.5 土壤碳氮间相关性分析
　　由下表可知，SOC与NH+4-N、NO-3-N含量均呈现极显著相关（P<0.01），相关系数0.850以及0.867;土壤TC与土壤NH+4-N含量具有极显著相关关系（P<0.01），与NO-3-N具有显著性相关关系（P<0.05）。
　　3.6 讨论
　　在大兴安岭多年冻土区，4种土地类型的碳含量均为表层（0-10cm）最高，这是由于0-10cm区域是土壤与植被地上部分的交界处，每年的枯枝落叶及新鲜的动物残体全部聚集至土壤表面，有助于土壤碳的加快输入[14，15]。并且在研究区域内，常年有植被覆盖，使土壤中植物根系分泌物增加，为土壤的表层提供了更多的营养物质，不断提高土壤碳含量。随着土壤深度的增加，有机质含量逐渐减少，导致碳含量减少。而就土地利用方式间的差异而言，在整个土层内沼泽碳含量大于其他土地类型。相关研究表明，在全球陆地总面积中，湿地只占其面积的6-8%，但含碳量却占陆地土壤碳库的三分之一[16]，是全球最大的碳库，碳总量约为600Gt C[17]。并且沼泽地表有积水时，土壤的通透性很差，导致氧气缺乏、微生物活性低，所以有机残体会缓慢得分解，矿化分解过程不彻底，中间产物随着停留时间加长，积累会越多，为腐殖质的形成给予了良好的环境，积水越深、时间越长，就有利于土壤的积累，从而不利于土壤碳的释放。耕地在0-30cm土层间，由于耕地常年翻耕，致使土壤表层松软，加重了耕地水土流失，致使土壤全碳在不同深度下的差异并不明显。并且在农作物的收获后，会导致植物中的碳不能还田，所以以上的原因都导致了耕地不利于土壤碳的沉积[18]。
　　土壤中的氮元素主要以植物残体的归还量和生物固氮作用为输入模式，还有少部分来源于大气沉降。大气是氮元素的最终来源，固氮细菌及蓝藻是氮元素转化的原因，在土壤植物根系的分布范围内最为活跃。土壤NH+4-N和NO-3-N属于无机氮，可以直接被植物利用，所以在0-20cm土层内氮含量较高[19]。土壤表层0-10cm的氮含量高于其他剖面，表明土壤氮存在表层聚集现象。其原因可能是在垂直方向上，氮元素被植物根系直接吸收，但受生物循环的影响，使吸收的氮的营养元素归还于土壤的表层（固定与转化），致使氮元素在0-10cm土层积累[20]。
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　　作者简介：刘雨桐，女，哈尔滨师范大学硕士研究生。
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