祁连山区土壤碳氮变化对土壤水分入渗影响的研究,农业基础科学论文

祁连山区土壤碳氮变化对土壤水分入渗影响的研究,农业基础科学论文入渗是指水分从地表进入土壤的经过,是大气水、地表水、土壤水和地下水转化经过中的重要环节[1],是降雨和灌溉水转化为土壤水供植物吸收利用的唯一途径.土壤水分入渗性能与土壤水源内涵修养作用、水分最优调控、土壤侵蚀、养分和盐分随水分的迁移等问题密切相关.大多研究者以为土壤水分物理参数中的土壤密度、土壤含水量、土壤质地及土壤构造特性等对土壤水分入渗的影响都比拟明显,也有研究者以为影响土壤水分入渗的因子还与土壤有机碳、氮质量分数有密切的关系[2-15].祁连山区植被类型和土壤类型的垂直变化非常显着[16,17],而有关祁连山区土壤碳氮变化对土壤水分入渗影响的研究相比照较缺乏.为此,于2018年生长季对祁连山区高山草甸土壤水分入渗对土壤有机碳氮的反应作用进行了研究,为开展不同环境条件下土壤质量分数变化及其对全球气候变化和土地利用方式转化的反应作用提供基础数据支持.1研究区大概情况及研究方式方法1.1研究区大概情况试验地点位于甘肃省肃南县西水林场的排露沟流域,流域面积2.95km2,华而不实草地面积约占该流域面积的55%,林地面积约40%.它属于高寒半干旱、半湿润山地森林草原气候类型,年均气温0.5℃,年均降水435mm,年可能蒸发量1051mm[18-20].试验区高山草甸主要分布在海拔2500~3000m的范围内,其面积约占祁连山区面积的28.27%[18,19],土壤类型为山地灰褐土,土壤厚度1.0m.植物分布状况如表1所示.1.2土样采集与有机碳氮的测定按不同海拔(2500m、2600m、2700m、2800m、2900m和3000m)在排露沟流域内选定植被和土壤类似,在每一海拔选择3块具有一定代表性的固定地点作为样地(5m5m),共计18块样地(见图1).沿每块样地坡面的上部、中部和下部随机挖取3个土壤剖面,按表层0~20cm、中层20~40cm和下层40~60cm3个层次,用环刀取原状土样,每层4个重复,共采集48个土样,用于土壤有机碳氮分析[18].采用外加热重铬酸钾氧化法[21]对土镶有机碳(SOC)进行分析测定;土壤全氮(TN)分析测定采用凯氏法.1.3土壤水分入渗速率测定2018年5-9月在研究区按不同海拔梯度每个月对祁连山高山草甸的土壤采用双环法进行入渗试验,每块样地试验3次.双环入渗仪外环直径为22cm,内环直径为10.5cm,内、外环高度均为25cm.试验经过中内、外环打入土壤的深度均为10cm,保持内外环5cm的入渗水头均匀供水,记录相应时间内环的水分入渗量,到达稳渗时为止.土壤含水量采用TDR进行测定,与入渗同步观测.土壤有机碳氮与水分入渗的关系采用SPSS12.0统计分析软件进行分析,曲线图采用origin8.5绘制.2结果与分析2.1土壤有机碳、氮分布特征在研究区海拔2500~3000m范围内,土壤有机碳、全氮含量与海拔显着正相关(见表2).土壤有机碳含量在14.220.19~78.300.54gkg-1,平均为43.23gkg-1,土壤全氮含量在0.980.09~7.010.19gkg-1,平均为3.29gkg-1.土壤有机碳和全氮含量随土层深度的增加而逐步减少.20~40cm土层有机碳含量和全氮含量相对0~20cm呈明显下降趋势.0~20cm土壤有机碳含量与40~60cm土壤有机碳含量平均相差58.21gkg-1.0~20cm土壤全氮含量与40~60cm土壤全氮含量最大相差5.23gkg-1,最小为3.37gkg-1,平均相差4.37gkg-1.2.2土壤水分入渗经过分析土壤水分入渗经过中,在未到达土壤稳渗速率前,在不同海拔,祁连山高山草甸土壤水分入渗速率随时间的增加均表现为逐步减小的趋势(见图2),并且其入渗速率并不均匀,初渗速率表现为2900~3000m2800~2900m2700~2800m2600~2700m2500~2600m.在入渗约60min时,海拔2500~2600m的高山草甸成为几块样地中入渗速率最大的样地,到达稳渗速率时,下渗速度为海拔2500~2600m的最大,海拔2600~2700m次之,2700~2800m、2800~2900m和2900~3000m依次变小(见图2(b)).2.3入渗速率对有机碳氮的响应数据分析显示,祁连山不同海拔土壤有机碳氮含量与高山草甸土壤初渗速率变化趋势基本一致(见表3),为2900~3000m2800~2900m2700~2800m2600~2700m2500~2600m.土壤有机碳氮含量最高的海拔(2900~3000m)地区的初渗速率到达7.36cmmin-1.土壤有机碳氮含量最低的低海拔(2500~2600m)地区土壤水分的初渗速率也最慢,为5.92cmmin-1.而土壤水分的稳渗速率与土壤有机碳氮含量的变化关系不是十分明显.3结论张鹏等[17]研究以为由于海拔的变化其周围的环境因子也在发生相对变化,而环境因子则通过对植被类型和生产力的制约直接影响土壤有机质的输入量.祁连山高山草甸土壤有机碳和全氮含量随海拔升高而显着增加,这是由于祁连山高山草甸土地外表堆积有一定厚度的枯枝落叶层,为高山草甸表层土壤提供了土壤有机质来源.Boruvka[23]研究指出土壤中矿质态氮的有效性直接控制着土壤有机碳的分解速率,土壤碳氮比是土壤氮素矿化能力的标志,碳氮比低有利于土壤微生物的分解,氮的矿化速率随之就高[24].祁连山高山草甸在海拔2900~3000m土层的有机碳氮含量比其他海拔的土层的有机碳氮含量要高,并且土层间有机碳质量分数变化量不大,土层间孔隙度相对稳定,进而保证了高山草甸土壤水分的初渗速率相对较高.而其他海拔土层的有机碳氮含量岁海拔的变化明显减少,变幅也较大,这样就在很大程度上减少了土壤团圆体和土壤孔隙的数量.因而,由于外界环境的影响使得土壤含水量迅速提高的条件下,其初渗速率相对降低.黄耀等[25]研究以为在土壤水分的稳渗速率较大的原因是该群落类型的土壤容重较小,总孔隙度高,土体在一定土水势下吸收水分的空间相对较大.在对祁连山高山草甸土壤水分入渗的研究中发现,高山草甸土壤水分的稳渗速率与土壤有机碳氮含量的变化关系不是十分明显.讲明土壤有机碳氮含量的变化缺乏以揭示海拔梯度上土壤水分的稳渗速率,而植被地上、地下生物量、群落构造和土壤团粒构造等因子可以能是导致土壤水分稳渗速率变化的重要因子,有待于在以后的研究中做进一步的验证.以下为参考文献:[1]魏恒,赵成义,孙栋元.塔里木河上游绿洲典型地表特征土壤水分入渗性能研究[J].冰川冻土,2018,32(4):837-843.[2]李婧,张洪江,程金花,等.有机碳质量分数对森林土壤水分入渗经过的影响及其模拟[J].中国水土保持科学,2020,10(3):50-56.[3]吕刚,吴祥云.土壤入渗特性影响因素研究综述[J].中国农学通报,2008,24(7):494-499.[4]符素华.土壤中砾石存在对入渗影响研究进展[J].水土保持学报,2005,19(1):171-175.[5]张华.影响大同地区土壤入渗能力的因素分析[J].人民黄河,2007,29(4):49-53.[6]解文艳,樊贵盛.土壤含水量对土壤入渗能力影响的研究[J].太原理工大学学报,2004,35(3):272-275.[7]SepaskhahAR,Afshar-ChamanabadH.DeterminationofIn-filtrationRateforEvery-otherFurrowIrrigation[J].Biosys-temsEng,2002,82(4):479-484.[8]FranzluebbersAJ.WaterInfiltrationandSoilStructureRe-latedtoOrganicMatterandItsStratificationwithDepth[J].SoilTillageResearch,2002,66(2):197-205.[9]ZhangGS,ChanKY,OatesA,etal.RelationshipBet