秦岭火地塘林区土壤剖面碳氮垂直分布规律的研究.docx

1、西北林学院学报2011,26(4)：16JournalofNorthwestForestryUniversity秦岭火地塘林区土壤剖面碳氮垂直分布规律的研究李珊珊，耿增超收稿日期：201007-27修回日期：201009-10基金项目：科技部科技基础性工作专项森林上壤资源调食及标本搜集(2007FY210300)作者简介；李明珊.女硕士研究生主要从事上壤特性及系统分类方面的研究.通讯作者：耿增妞，男.教授，硕士生导师，主要从事森林土壤及农林废弃物转化方面的研究.，姜林，余雕，罗志伟(西北农林科技大学资源环境学院，陕西锡险7)2100)摘要：采用野外采样、室内分析并姑合相关的方法，探讨了火地塘林

2、区土壤碳、氮的垂直分布规律。结果表明：供试土壤碳、氮含量随深度的增加而减少；A层的碳、氮含量比B、C层高，且差异显著，A层有机碳含量最高可达68.10g-kg"1,而C层最低，只有2.61gkgf；同一剖而随着深度的增加，A层碳、氮含量最高，而BX层之间含量变化不大，差异性明显减小；土壤碳氮比均小于25:1,随着海拔升高先增加后戒少，在土壤剖面中的分布随海拔不同而有所差异。因气候特征、林分类型和土壤类型的不同，土壤碳氮、含量垒直分布差异较大。层间差异显著，显著性沿刨面减小。关键词：秦岭；火地塘林区；有机碳；全氮；铉态氮；硝态氮；垂直分布中图分类号：S714.2文献标志码：A文章编号:

3、1001-7461(2011)04-0001-06VerticalDistributionofCarbonandNitrogenatHuoditangForestRegionintheQinlingMountainsLIShan-shan,GENGZeng-chao*,JIANGLin,SHEDiao,LUOZhi-wei(CollegeofResourcesandEnvironmentfNorthwestA&-FUniwrsitytYangling,Shaanxi721OO.China)Abstract：Theverticaldistributionofsoilcarbonandni

4、trogenHuoditangwasexaminedthroughlaboratoryanalysisandmathematicalstatisticsmethod.Theresultsshowedthatthecontentsofcarbonandnitrogenofthetestedsoilsdecreasedwithincreaseofdepth；thecontentsofcarbonandnitrogenofAhorizonwerehigherthanhorizonBandC,andthedifferenceweresignificant.ThehighestcontentofAhor

5、izonwas68.10gkg1,butthelowestcontentofChorizonwasonly2.61gkg1.Inthesameprofile,withtheincreaseofdepth»thecontentsofcarbonandnitrogenofAhorizonwerehighest,thecontentsbetweenhorizonBandCchangedlittleandthedifferencedecreasedobvious.GenerallysoilC/Nwaslessthan25!1.Itclimbedupandthendeclinedwiththe

6、increaseofaltitude,butvariedwiththealtitudeinthesoilprofile.Duetothedifferenceofclimaticcharacteristics,foresttypesandsoiltypes,theverticaldistributionofcarbonandnitrogenweredifferent.Thecontentsofcarbonandnitrogenofthetestedsoilsdecreasedfromthetopsoiloftheprofilestothebasementsoil,andthedifference

7、betweenanytwolayersweresignificant,butthesignificancedecreasedalongtheprofiles.Keywords:QinlingMountains；Huoditangforestregion；SOC；TN；NH；-N；NO3-N；verticaldistribution森林土壤中的碳占全球土壤有机碳的73%，而森林土壤的氮素储量超过森林生态系统总氮鼠的85%。土壤有机质和氮素是土壤肥力的重要物质基础，对于土壤生产力和土地可持续利用及环境保护等有着重要作用。土壤有机碳和全氮是衡屋土壤肥力水平的重要指标，土壤碳、氮资源的总量和可获得性较

8、低，碳氮资源中的氮已经成为制约森林生产力提高的主要限制因子。作为陆地碳库的主要部分，森林土壤有机碳主要贮存于林下枯落物和表层土壤中，对气候变化较为敏感。气候改变导致的表层土壤碳库的微小变化可能造成全球CO?通鼠的显著变化务，因此，森林土壤有机碳在全球碳循环中起着重要作用槌刃。在森林生态系统中，生物对敏的需求屋往往大于土壤有机氮矿化速率，所以森林生态系统通常表现为氮缺乏型在一定含虽范围内，全氮和有机质含量的多少，反映了土壤肥力的高低。揭示土壤全氮和有机质的空间变异规律和分布特征对于实现土壤资源的合理利用和可持续发展具有重要意义森林在全球碳氮循环中有着重要的地位，是重要的碳源或碳汇，而土壤又是森林

9、生长的物质基础，因此研究森林土壤碳敏过程，对于了解森林生态系统碳氮循环，从而进一步弄清森林生态系统与全球变化的关系有着重要意义对于秦岭火地塘林区，相关方面的研究较少，特别是土壤中铉态氮和硝态氮的变化规律至今无人报道。为此，本文在前人研究的基础上，对该林区不同海拔高度的土壤进行碳、氮养分状况的研究，以期能对火地塘林区森林土壤碳氮分布规律和林业生产提供更为详细的基本数据。1材料与方法1.1研究区域概况火地塘林区位于秦岭南坡中山地带中部,地处陕西省宁陕县境内，属汉江中上游支流子午河水系。林区面积22.25km'海拔14702473m,坡度30°35°。气候为暖温带湿润山地

10、气候，年均气温812C,多年平均降水量1130mm,主要集中于79月。林区土壤主要为棕色森林土（乂名棕壤），平均厚度50cm,成土母岩主要为花岗岩、片麻岩、变质砂岩和片岩。除棕壤外，还有黄棕壤、暗棕壤、沼泽土等土壤类型。选取不同海拔高度的10个典型土壤剖面，包括棕壤，暗棕壤和黄棕壤3种土壤类型。1.2分析样品的采集与处理分别在火地塘林场附近不同海拔地区选定10个标准地块（表1），在每个地块按照S形布点法确定采样点；每个采样点按土壤的发生层次逐层采样，最后将每个地块内各剖面土壤样品按层混合，NH+-N和NOr-N的测定采用新鲜土壤样品，其余样品经风干后，分别磨细并通过孔径为1mm和0.25mm的

11、筛子，以备分析用。衰1标准地概况一览表Table1Asurveyoftheplots制面堀号采样地点海拔/m主要植物坡度尸坡向土壤类则1老气象站山坡11部1840铁橡树(Quercusspinosa)、华山松(Pinusamandii)、锐齿株(Quercusalienavaracuteserrate)21西北坡棕壤2老气象站附近1596油松(Pinustabulaeformis、落叶松(Larixptnacae)、锐齿株、莎草microiria)38西南坡棕壤3林场场部对面1777锐齿栋、华山松，白檀(Symplocospaniculata)、苔草(Carexbronzitacolorgra

12、sb)26西北坡棕填4板桥沟1515悦齿株、胡(.(.Juglansregia)胡赖子(Elaeagnusf>ungens)32东南坡棕壤5千河梁2340华北落叶松(Larixprincipis-rupprchtii)、红桦(Befulaalbo-sinensis)12西南坡暗棕填6平河梁2268华北落叶松47西南坡暗棕填7平河梁2560箭竹(Fargninspathacea)5西南坡暗棕壤8平河梁2450红桦、箭竹20西北坡暗棕壤9宁陕城关1030板栗(Castaneamollissima)、锐齿株、盐肤木(Rhuschinensis15西南坡黄棕壤10宁陕米家咀770农田16西南坡黄

13、棕壤13分析指标及方法SOC采用K2Cr2O7氧化一外加热法m叫T、采用半微量凯式法NH/-N采用1mol-L-'KC1浸提一流动分析仪法*成；NOf-N采用】mol-ILKC1浸提一流动分析仪法5。1.4数据处理采用EXCEL进行基本的数据处理，DPS软件中的LSD多重比较方法进行分析。2结果与分析不同土壤类型具有不同的成七过程、发育程度及耕作管理措施，因此造成土壤特性在不同上壤类型间存在差异随着海拔和植物群落的不同，土壤全氮和有机质的变化规律有相似的趋势，即从A层向C层递减（表2）.供试土壤A层全氮含量为1.002.00gkg1，只有剖面2和8超过3.00gkg'1,表2供

14、试土培的碳氮含量Table2Carbonandnitrogencontentoftheexperimentalsoils削面编号土层有机碳/<gkgT）全氮/(gkg*铉态氮'><mgkg-1硝态氮/Imgkg-*)C/N1A46.632.1145.900.9222.07B11.970.514.770.4423.64C4.200.270.440.2615.692A68.103.3724.791.0520.21B3.460.341.860.8210.32C3.240.300.940.0910.683A32.971.7428.822.6518.91B4.270.292.9

15、11.3814.68C4.070.282.780.9214.364A32.272.1011.006.4015.38B16.911.227.712.8113.90C2.750.302.542.519.085A20.611.9612.415.2010.52B8.950.967.903.089.37C2.610.285.691.919.206A23.811.8416.952.5912.93B15.071.1116.732.2713.53C5.810.304.741.1319.527A21.012.1017.015.9110.02B13.521.0612.524.8712.73C8.450.4810.

16、212.9017.628A57.564.1024.072.2914.04B20.441.2615.161.9016.20C18.460.8013.891.8623.229A35.251.8710.315.5018.81B3.6415.96C3.2614.9110A18.821.068.563.2917.75B7.700.466.832.7016.74C5.140.361.272.1814.28而有机碳的含量则相对较高，表层含量有的高达68.10gkg'，下层最低含址也有2.61gkg1e但是，土壤碳氮比随着海拔升高先增加后减少，在土壤剖面

17、中的分布随海拔不同而有所差异。这-结论与薛晓蜗等I®人的研究结论一致。从表2还可以看出，供试土壤的铉态氮含辱明显高于硝态氮含量,前者最高达到45.90mg-kg-*,后者最高仅为6.40mg.kg-'o由上述数据进行统计分析。2.1供试土壤各层有机碳含量由图1可知，供试土壤样品的A层有机碳含量明显高于B、C层.分别高出33.44%1868.79%和131.34%1999.14%,且差异显著，进一步做极显著水平分析可知，A层的有机碳含址与B、C两层差异极显著。供试10个土壤剖面中，剖面2和8的表层土壤有机碳含量最高，均超过57.56g-kg*,有机碳表聚现象非常明显。而B、C两

18、层的土壤有机碳含蛀差异性显著的有8个剖面，另2个剖面的差异性不显著。由此可知，随着土壤深度的增加.有机碳的含坦呈现F降的趋势，对于有些剖面，下降的趋势更加明显，甚至会出现有机碳的表聚现象，主要是由于森林上壤有机质主要靠高大的木本植物枯枝落叶归还土壤，主要聚集在表层。枯枝落叶层较厚，气温较低，有利于土壤有机质的积累.而有机碳占有机质的58%左右且具有显著的相关性.因此这与有机质的表聚现象相吻合。80706050403020100(rssooxM忌秘56土层图I土壤的有机碳含及差异显著性Fig.1Organiccarboncontentandsignificantdifferenceoftheex

19、perimentalsoils不同土壤类型间，其化学性质具有较大差异.这种差异主要是由其成土过程中的环境特点及植被类型等方面不同所引起5】。国外的一些研究结果也表明.土壤有机碳的积累受诸多因素的影响，如气候、土壤、土地利用状况、土壤耕作状况、枯落物层厚度、土壤微生物等，这些因素影响到输入土壤有机质的质量和时空分布、土壤呼吸和矿化速率、土壤温度、土壤pH和离子交换能力等，从而在不同程度上图2土壤的全氮含及差异显著性Fig.2TotalNcontentandsignificantdifferenceoftheexperimentalsoils505050505o4433221100r誓.8)、源b

20、q2bo崩912(345678910土层影响土壤碳储量的动态12供试土壤各层全氮含量从图2中可以看出，供试土壤样品的A层全氮含量明显高于B、C两层，分别高出65.37%905.50%和257.94%1008.83%,且差异显著。供试10个土壤剖面中，剖面2和8的表层土壤全氮量最高，均超过3.37gkg'1,这一趋势与有机碳的变化一致。而B、C两层的土壤全氮含量差异显著的有7个剖面，另3个剖面的差异不显著。分析原因，可能是地形和土壤类型的影响，剖面14为棕壤，58为暗棕壤，9和10为黄棕壤，其中暗棕壤海拔最高，人为干扰小，枯枝落叶员多，而黄棕壤海拔最低，土地利用强度大，枯枝落叶量少，棕壤

21、介于两者之间，因此全氮含扯的高低表现为暗棕壤棕壤黄棕壤。同一森林类型中，土壤上、中、下3层的全氮含址依次减少，这归因于土壤氮素来源于有机质，而林地土壤的有机质主要来自于地表枯枝落叶层的分解与累积。有机质在土壤剖面中的分布取决于土壤有机物质和腐殖质在下渗水作用下在七体中的淋溶、迁移、淀积以及其在土壤微生物作用下与矿质土土体扰动、混合的过程。表层土是植物根系分布的集中层，供应植株生长的主要养分层，因而林地土壤有机质及腐殖质组分以表土中为最高，向下迅速减少这一结论与荣兴民等人的观点一致，即不同地理位置的森林，由于其水热状况的差异，经过长期的演替，其物种结构、物种多样性以及优势植物种群都有着各自的特点

22、。大址的研究表明，林型不同，其土壤凋落物分解动态、土壤碳氮矿化等过程有着很大的差别口幻。23供试土填各层铉态氮含量由图3可以看出，供试土壤样品（剖面6除外）的A层铉态氮含量极显著高于B、C两层。剖面6的A层和B层差异不显著，而与C层差异显著。图3土壤的核态氮含及差异显著性Eig.3NH4Ncontentandsignificantdifferenceoftheexperimentalsoils10个土壤剖面中，剖面1、2、3和8的表层土壤铉态氮含量最高,均超过24.07mg-kg-*.而B、C两层的土壤铉态氮含量:差异性显著的有8个剖面,另2个剖面的差异不显著。可见，随者土壤深度的增加，铉态氮

23、的含量呈现骤减的趋势，对于有些剖面，下降的趋势更加明显，母质层的铉态氮含量低于0.30mg-kg-*e原因可能在于，随着土壤深度的增加，铉态氮流失和被植物根系吸收利用，导致土壤粘化层和母质层的含量下降。2.4供试土壤各层硝态氮含量硝态氮与铉态氮都是土壤中无机态氮的主要形式。研究结果表明，对于同一土壤发生层次，铉态氮的含量要比硝态氮的含量高。主要原因是硝态氮在土壤中很少被土壤颗粒所吸持，主要以溶质的形式存在于土壤溶液中】；与硝态氮相比，铉态贫更易被土壤吸附，它只有在特定条件如土壤水分接近饱和的情况下借助下渗流的驱动才可能在土壤剖面中随水迁移S3°图4表明，供试10个土壤剖面的表层硝态氮

24、含量明显高于下层土壤。其中，剖面1、4、5、6、7、8、9、10的A层和B、C层表现出了明显的差异，其余2个剖面虽然也表现出了随深度的增加硝态氮含量减少的趋势，但是差异不显著。7.006.005.004.003.002.001.000.007.006.005.004.003.002.001.000.00图，供试土填的硝态氮含及差异显著性Fig.4NO3"-Ncontentandsignificantdifferenceoftheexperimentalsoils朱红霞等*的研究也表明，表层土壤的硝态氮含址明显要高，而底层的成态氮含量变化不大，土壤垂直剖面中硝态氮含量基本由土壤上层到下

25、层呈逐渐递减的趋势.这种趋势主要是由硝态兢的性质决定的。15供试土填各层C/N比C/N比是指土壤有机质中的有机碳总址和氮素总量:之比,其大小影响微生物对上壤有机质的分解转化。一般来说.微生物通过同化作用形成自身的细胞需要吸收1份氮和5份碳，同时需要20份碳作为生命活动的能源，所以微生物在生命活动过程中，需要土壤的最佳C/、比约为25:1,即C/N比越接近于25：1,越有利于有机质的转化,C/N比小于25：1时，有机质不仅易转化，还可以为土壤提供充足的敏素，但当C/N比大于25:1时，有机质较难转化，而旦易出现微生物与植物的争氮现象，但却有利于土壤有机质的积累。从表2中可看出,供试10个土壤剖面

26、的C/N比基本都在9.0823.64之间，均小于25：1。一般来说，土壤C/N比范围大致处于270之间，在此分布范围以外的0/N比在其他分析中应作为特异值处理本次试验中的C/N比均处于这个范围之内.其土壤有机质是容易转化的.转化后一方面可以被植物吸收用于生长，但另一方面，当其分解转化成易溶于水的无机物时，如果没有及时被植物吸收则会随径流产生流失。3结论秦岭火地塘林区土壤有机碳含最随深度的增加而减少，其中表层的有机碳氮量高于深层，并H差异显著，随着深度的增加.差异显著性减小。随着上层深度的增加，土壤全威含量随之减少，表层土壤的全佩含量较深层土壤高且差异显著，随着土层深度的增加.土壤全氮含量:降低

27、且差异显著性减小。耿玉清等人的研究结果也表明，在森林土壤剖面中全敏呈显著垂直递减规律"J。随着土层深度的增加.土壤铉态敏和铉态氮的含量随之减少，占层土壤的铉态觥含敌与深层的相比，含质高且差异显著，B、c两层的铉态氮含岐低且差异不显著。这主要与铉态氮和硝态氮的自身性质有关。秦岭火地塘林区土壤C/N比基本上都小于25：1,有机质易转化且能够为土壤提供充足的氮素。参考文献：1SEDJORA.ThecarboncycleandglobalforestecosystemJ.Water,Air,andSoilPolution.1993,70s295-307.2?COLEDW.RAPPM.Elem

28、entalcyclinginforestecosystemsAHEICHLEDE.Dynamicpropertiesofforestecosys-temsC.London：CambridgeUniversityPress.1981：341-409.3 SHAFFERMJ,MALW,HANSENS.ModelingcarbonandnitrogendynamicsforsoilmanagementM.BocaRaton.FL：LewisPublishers.2001:110.4 PREG1TZERKS.EUSKIRCHENES.Carboncyclingandstorageinworldfore

29、sts：BiomepatternsrelatedtoforestageJ.GlobalChangeBiology,2004,10：2052-2077.5 FANGC.SMITHP,MONCRIEFFJB.ftal.Similarresponseoflabileandresistantsoilorganicmatterpoolstochangesintemperature。.Nature,2005.433：57-59.6 RAICHJW.TUEEKC1OGLUA.Vegetationandsoilrespiration：CorrelationsandcontrolsJ.Biogeochemist

30、ry.2000,48,71-90.7 RUSTADLE,HUNTINGTONTG.B(X)NERG.Controlsonrespiration：ImplicationsforclimatechangeJj.Biogeochemistry,2004.48：1-6.8 周成虎.周启鸣，王绍强.等.中国土填有机碳犀空间分布的分析与估算:J.人类环境杂志，2003.32(1):6-12.ZHOUCH.ZHOUQM.WANGSQ,ftal.EstimatingandanalyzingthespatialdistributionofsoilorganiccarboninChinaJ.Ambio.2003,

31、32(1)：6-12.9 W/NGSH»TIANHQ.LIUJY.etal.PatternandchangeofsoilorganiccarbonstorageinChinafj.TellusB.2003.55：416-427.10 邓小文.韩士杰.氤沉降对森林生态系统土壤碳库的影响J.生态学杂志,2007,26(10),1622-1627.DENGXW,HANSJ.ImpactofnitrogendepositiononforestsoilcarbonpoolJ2.ChineseJournalofEcology.2007,26(10),1622-1627.11 黄昌勇.土壤学M.北

32、京：中国农业出版社，2000:209-213.12 胡克林.余艳.张风荣，等.北京郊区土壤有机质含植的时空变异及其影响因素J.中国农业科学.2006.39(4):764-771.HUKM,YUY»ZHANGFR.etal.ThespatialtemporalvariabilityofsoilorganicmatteranditsinfluencingfactorsinsuburbanareaofBeijingfJ.ScientiaAgriculturaSinica.2006.39(4),764-771.13j荣兴民.陈玉成、王开运，等.获林土壤碳氛过程研究现状和展堡J.内蒙古林业科技

33、.2004(1),30-35.RONGXM.CHENYC.WANGKY,ftal.AdvancesandprospectforcarbonandnitrogenprocessinforestsoifJ.InnerMongoliaForestryScience&Technology.2004(1)：30-35.14鲍士旦.it填农化分析M.3版.北京：中伺农业出版社.2000,30-33,44-49.C15件如坤.土壤农业化学分析方法M.北京：中国农通科技出版社.20001147-149.16 中华人民共和版林业行业标准.森林土壤分析方法M.北京:中国准出版社.2000>10610

34、8.17 度夙.李廷轩.王永东.等.其域农印土埃氤泰空间分布特征及其影响因素J.应用生态学报.2010,21(6):1497-1503.PANGS,LITX,WANGYD,aal.Spatialdistributionpatternofsoilnitrogenincroplandsatcountyscaleandrelatedaffectingfactors。.ChineseJournalofAppliedEcology,2010,21(6)11497-1503.18 薛晓娟，李英年.杜明远，等.祁连山东段南麓不同海拔土壤有机质及全氮的分布状况J.冰川冻土，2009,31(4)：642-649

35、.XUEXJ.LIYN,DUMY,val.SoilorganicmatterandtotalnitrogenchangingwithaltitudesonthesouthernfootofEasternQilianMountains".JournalofGlaciologyandGeocryology,2009,31(4)1642-649.19 党坤良.黄瑞德.耿增超.等.泰岭火地地林区不同土壤类型化学性质的研究J.西北林学院学报，1996,11():26-30.DANGKL,LEIRD,GENGZC,etal.ChemicalpropertiesofdifferenttypesofsoilsatHuoditangforestregionintheQinlingMountainsJ.JournalofNorthwestForestryCollege.1996,ll(sup):