1、西北林學院學報2011,26(4)：16JournalofNorthwestForestryUniversity秦嶺火地塘林區(qū)土壤剖面碳氮垂直分布規(guī)律的研究李珊珊，耿增超收稿日期：201007-27修回日期：201009-10基金項目：科技部科技基礎性工作專項森林上壤資源調食及標本搜集(2007FY210300)作者簡介；李明珊.女碩士研究生主要從事上壤特性及系統(tǒng)分類方面的研究.通訊作者：耿增妞，男.教授，碩士生導師，主要從事森林土壤及農林廢棄物轉化方面的研究.，姜林，余雕，羅志偉(西北農林科技大學資源環(huán)境學院，陜西錫險7)2100)摘要：采用野外采樣、室內分析并姑合相關的方法，探討了火地塘林

2、區(qū)土壤碳、氮的垂直分布規(guī)律。結果表明：供試土壤碳、氮含量隨深度的增加而減少；A層的碳、氮含量比B、C層高，且差異顯著，A層有機碳含量最高可達68.10g-kg"1,而C層最低，只有2.61gkgf；同一剖而隨著深度的增加，A層碳、氮含量最高，而BX層之間含量變化不大，差異性明顯減小；土壤碳氮比均小于25:1,隨著海拔升高先增加后戒少，在土壤剖面中的分布隨海拔不同而有所差異。因氣候特征、林分類型和土壤類型的不同，土壤碳氮、含量壘直分布差異較大。層間差異顯著，顯著性沿刨面減小。關鍵詞：秦嶺；火地塘林區(qū)；有機碳；全氮；鉉態(tài)氮；硝態(tài)氮；垂直分布中圖分類號：S714.2文獻標志碼：A文章編號:

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機碳的73%，而森林土壤的氮素儲量超過森林生態(tài)系統(tǒng)總氮鼠的85%。土壤有機質和氮素是土壤肥力的重要物質基礎，對于土壤生產力和土地可持續(xù)利用及環(huán)境保護等有著重要作用。土壤有機碳和全氮是衡屋土壤肥力水平的重要指標，土壤碳、氮資源的總量和可獲得性較

8、低，碳氮資源中的氮已經(jīng)成為制約森林生產力提高的主要限制因子。作為陸地碳庫的主要部分，森林土壤有機碳主要貯存于林下枯落物和表層土壤中，對氣候變化較為敏感。氣候改變導致的表層土壤碳庫的微小變化可能造成全球CO?通鼠的顯著變化務，因此，森林土壤有機碳在全球碳循環(huán)中起著重要作用槌刃。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，生物對敏的需求屋往往大于土壤有機氮礦化速率，所以森林生態(tài)系統(tǒng)通常表現(xiàn)為氮缺乏型在一定含雖范圍內，全氮和有機質含量的多少，反映了土壤肥力的高低。揭示土壤全氮和有機質的空間變異規(guī)律和分布特征對于實現(xiàn)土壤資源的合理利用和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義森林在全球碳氮循環(huán)中有著重要的地位，是重要的碳源或碳匯，而土壤又是森林

9、生長的物質基礎，因此研究森林土壤碳敏過程，對于了解森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)，從而進一步弄清森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化的關系有著重要意義對于秦嶺火地塘林區(qū)，相關方面的研究較少，特別是土壤中鉉態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化規(guī)律至今無人報道。為此，本文在前人研究的基礎上，對該林區(qū)不同海拔高度的土壤進行碳、氮養(yǎng)分狀況的研究，以期能對火地塘林區(qū)森林土壤碳氮分布規(guī)律和林業(yè)生產提供更為詳細的基本數(shù)據(jù)。1材料與方法1.1研究區(qū)域概況火地塘林區(qū)位于秦嶺南坡中山地帶中部,地處陜西省寧陜縣境內，屬漢江中上游支流子午河水系。林區(qū)面積22.25km'海拔14702473m,坡度30°35°。氣候為暖溫帶濕潤山地

10、氣候，年均氣溫812C,多年平均降水量1130mm,主要集中于79月。林區(qū)土壤主要為棕色森林土（乂名棕壤），平均厚度50cm,成土母巖主要為花崗巖、片麻巖、變質砂巖和片巖。除棕壤外，還有黃棕壤、暗棕壤、沼澤土等土壤類型。選取不同海拔高度的10個典型土壤剖面，包括棕壤，暗棕壤和黃棕壤3種土壤類型。1.2分析樣品的采集與處理分別在火地塘林場附近不同海拔地區(qū)選定10個標準地塊（表1），在每個地塊按照S形布點法確定采樣點；每個采樣點按土壤的發(fā)生層次逐層采樣，最后將每個地塊內各剖面土壤樣品按層混合，NH+-N和NOr-N的測定采用新鮮土壤樣品，其余樣品經(jīng)風干后，分別磨細并通過孔徑為1mm和0.25mm的

11、篩子，以備分析用。衰1標準地概況一覽表Table1Asurveyoftheplots制面堀號采樣地點海拔/m主要植物坡度尸坡向土壤類則1老氣象站山坡11部1840鐵橡樹(Quercusspinosa)、華山松(Pinusamandii)、銳齒株(Quercusalienavaracuteserrate)21西北坡棕壤2老氣象站附近1596油松(Pinustabulaeformis、落葉松(Larixptnacae)、銳齒株、莎草microiria)38西南坡棕壤3林場場部對面1777銳齒棟、華山松，白檀(Symplocospaniculata)、苔草(Carexbronzitacolorgra

12、sb)26西北坡棕填4板橋溝1515悅齒株、胡(.(.Juglansregia)胡賴子(Elaeagnusf>ungens)32東南坡棕壤5千河梁2340華北落葉松(Larixprincipis-rupprchtii)、紅樺(Befulaalbo-sinensis)12西南坡暗棕填6平河梁2268華北落葉松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紅樺、箭竹20西北坡暗棕壤9寧陜城關1030板栗(Castaneamollissima)、銳齒株、鹽膚木(Rhuschinensis15西南坡黃棕壤10寧陜米家咀770農田16西南坡黃

13、棕壤13分析指標及方法SOC采用K2Cr2O7氧化一外加熱法m叫T、采用半微量凱式法NH/-N采用1mol-L-'KC1浸提一流動分析儀法*成；NOf-N采用】mol-ILKC1浸提一流動分析儀法5。1.4數(shù)據(jù)處理采用EXCEL進行基本的數(shù)據(jù)處理，DPS軟件中的LSD多重比較方法進行分析。2結果與分析不同土壤類型具有不同的成七過程、發(fā)育程度及耕作管理措施，因此造成土壤特性在不同上壤類型間存在差異隨著海拔和植物群落的不同，土壤全氮和有機質的變化規(guī)律有相似的趨勢，即從A層向C層遞減（表2）.供試土壤A層全氮含量為1.002.00gkg1，只有剖面2和8超過3.00gkg'1,表2供

14、試土培的碳氮含量Table2Carbonandnitrogencontentoftheexperimentalsoils削面編號土層有機碳/<gkgT）全氮/(gkg*鉉態(tài)氮'><mgkg-1硝態(tài)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而有機碳的含量則相對較高，表層含量有的高達68.10gkg'，下層最低含址也有2.61gkg1e但是，土壤碳氮比隨著海拔升高先增加后減少，在土壤剖面

17、中的分布隨海拔不同而有所差異。這-結論與薛曉蝸等I®人的研究結論一致。從表2還可以看出，供試土壤的鉉態(tài)氮含辱明顯高于硝態(tài)氮含量,前者最高達到45.90mg-kg-*,后者最高僅為6.40mg.kg-'o由上述數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。2.1供試土壤各層有機碳含量由圖1可知，供試土壤樣品的A層有機碳含量明顯高于B、C層.分別高出33.44%1868.79%和131.34%1999.14%,且差異顯著，進一步做極顯著水平分析可知，A層的有機碳含址與B、C兩層差異極顯著。供試10個土壤剖面中，剖面2和8的表層土壤有機碳含量最高，均超過57.56g-kg*,有機碳表聚現(xiàn)象非常明顯。而B、C兩

18、層的土壤有機碳含蛀差異性顯著的有8個剖面，另2個剖面的差異性不顯著。由此可知，隨著土壤深度的增加.有機碳的含坦呈現(xiàn)F降的趨勢，對于有些剖面，下降的趨勢更加明顯，甚至會出現(xiàn)有機碳的表聚現(xiàn)象，主要是由于森林上壤有機質主要靠高大的木本植物枯枝落葉歸還土壤，主要聚集在表層。枯枝落葉層較厚，氣溫較低，有利于土壤有機質的積累.而有機碳占有機質的58%左右且具有顯著的相關性.因此這與有機質的表聚現(xiàn)象相吻合。80706050403020100(rssooxM忌秘56土層圖I土壤的有機碳含及差異顯著性Fig.1Organiccarboncontentandsignificantdifferenceoftheex

19、perimentalsoils不同土壤類型間，其化學性質具有較大差異.這種差異主要是由其成土過程中的環(huán)境特點及植被類型等方面不同所引起5】。國外的一些研究結果也表明.土壤有機碳的積累受諸多因素的影響，如氣候、土壤、土地利用狀況、土壤耕作狀況、枯落物層厚度、土壤微生物等，這些因素影響到輸入土壤有機質的質量和時空分布、土壤呼吸和礦化速率、土壤溫度、土壤pH和離子交換能力等，從而在不同程度上圖2土壤的全氮含及差異顯著性Fig.2TotalNcontentandsignificantdifferenceoftheexperimentalsoils505050505o4433221100r誓.8)、源b

20、q2bo崩912(345678910土層影響土壤碳儲量的動態(tài)12供試土壤各層全氮含量從圖2中可以看出，供試土壤樣品的A層全氮含量明顯高于B、C兩層，分別高出65.37%905.50%和257.94%1008.83%,且差異顯著。供試10個土壤剖面中，剖面2和8的表層土壤全氮量最高，均超過3.37gkg'1,這一趨勢與有機碳的變化一致。而B、C兩層的土壤全氮含量差異顯著的有7個剖面，另3個剖面的差異不顯著。分析原因，可能是地形和土壤類型的影響，剖面14為棕壤，58為暗棕壤，9和10為黃棕壤，其中暗棕壤海拔最高，人為干擾小，枯枝落葉員多，而黃棕壤海拔最低，土地利用強度大，枯枝落葉量少，棕壤

21、介于兩者之間，因此全氮含扯的高低表現(xiàn)為暗棕壤棕壤黃棕壤。同一森林類型中，土壤上、中、下3層的全氮含址依次減少，這歸因于土壤氮素來源于有機質，而林地土壤的有機質主要來自于地表枯枝落葉層的分解與累積。有機質在土壤剖面中的分布取決于土壤有機物質和腐殖質在下滲水作用下在七體中的淋溶、遷移、淀積以及其在土壤微生物作用下與礦質土土體擾動、混合的過程。表層土是植物根系分布的集中層，供應植株生長的主要養(yǎng)分層，因而林地土壤有機質及腐殖質組分以表土中為最高，向下迅速減少這一結論與榮興民等人的觀點一致，即不同地理位置的森林，由于其水熱狀況的差異，經(jīng)過長期的演替，其物種結構、物種多樣性以及優(yōu)勢植物種群都有著各自的特點

22、。大址的研究表明，林型不同，其土壤凋落物分解動態(tài)、土壤碳氮礦化等過程有著很大的差別口幻。23供試土填各層鉉態(tài)氮含量由圖3可以看出，供試土壤樣品（剖面6除外）的A層鉉態(tài)氮含量極顯著高于B、C兩層。剖面6的A層和B層差異不顯著，而與C層差異顯著。圖3土壤的核態(tài)氮含及差異顯著性Eig.3NH4Ncontentandsignificantdifferenceoftheexperimentalsoils10個土壤剖面中，剖面1、2、3和8的表層土壤鉉態(tài)氮含量最高,均超過24.07mg-kg-*.而B、C兩層的土壤鉉態(tài)氮含量:差異性顯著的有8個剖面,另2個剖面的差異不顯著。可見，隨者土壤深度的增加，鉉態(tài)氮

23、的含量呈現(xiàn)驟減的趨勢，對于有些剖面，下降的趨勢更加明顯，母質層的鉉態(tài)氮含量低于0.30mg-kg-*e原因可能在于，隨著土壤深度的增加，鉉態(tài)氮流失和被植物根系吸收利用，導致土壤粘化層和母質層的含量下降。2.4供試土壤各層硝態(tài)氮含量硝態(tài)氮與鉉態(tài)氮都是土壤中無機態(tài)氮的主要形式。研究結果表明，對于同一土壤發(fā)生層次，鉉態(tài)氮的含量要比硝態(tài)氮的含量高。主要原因是硝態(tài)氮在土壤中很少被土壤顆粒所吸持，主要以溶質的形式存在于土壤溶液中】；與硝態(tài)氮相比，鉉態(tài)貧更易被土壤吸附，它只有在特定條件如土壤水分接近飽和的情況下借助下滲流的驅動才可能在土壤剖面中隨水遷移S3°圖4表明，供試10個土壤剖面的表層硝態(tài)氮

24、含量明顯高于下層土壤。其中，剖面1、4、5、6、7、8、9、10的A層和B、C層表現(xiàn)出了明顯的差異，其余2個剖面雖然也表現(xiàn)出了隨深度的增加硝態(tài)氮含量減少的趨勢，但是差異不顯著。7.006.005.004.003.002.001.000.007.006.005.004.003.002.001.000.00圖，供試土填的硝態(tài)氮含及差異顯著性Fig.4NO3"-Ncontentandsignificantdifferenceoftheexperimentalsoils朱紅霞等*的研究也表明，表層土壤的硝態(tài)氮含址明顯要高，而底層的成態(tài)氮含量變化不大，土壤垂直剖面中硝態(tài)氮含量基本由土壤上層到下

25、層呈逐漸遞減的趨勢.這種趨勢主要是由硝態(tài)兢的性質決定的。15供試土填各層C/N比C/N比是指土壤有機質中的有機碳總址和氮素總量:之比,其大小影響微生物對上壤有機質的分解轉化。一般來說.微生物通過同化作用形成自身的細胞需要吸收1份氮和5份碳，同時需要20份碳作為生命活動的能源，所以微生物在生命活動過程中，需要土壤的最佳C/、比約為25:1,即C/N比越接近于25：1,越有利于有機質的轉化,C/N比小于25：1時，有機質不僅易轉化，還可以為土壤提供充足的敏素，但當C/N比大于25:1時，有機質較難轉化，而旦易出現(xiàn)微生物與植物的爭氮現(xiàn)象，但卻有利于土壤有機質的積累。從表2中可看出,供試10個土壤剖面

26、的C/N比基本都在9.0823.64之間，均小于25：1。一般來說，土壤C/N比范圍大致處于270之間，在此分布范圍以外的0/N比在其他分析中應作為特異值處理本次試驗中的C/N比均處于這個范圍之內.其土壤有機質是容易轉化的.轉化后一方面可以被植物吸收用于生長，但另一方面，當其分解轉化成易溶于水的無機物時，如果沒有及時被植物吸收則會隨徑流產生流失。3結論秦嶺火地塘林區(qū)土壤有機碳含最隨深度的增加而減少，其中表層的有機碳氮量高于深層，并H差異顯著，隨著深度的增加.差異顯著性減小。隨著上層深度的增加，土壤全威含量隨之減少，表層土壤的全佩含量較深層土壤高且差異顯著，隨著土層深度的增加.土壤全氮含量:降低

27、且差異顯著性減小。耿玉清等人的研究結果也表明，在森林土壤剖面中全敏呈顯著垂直遞減規(guī)律"J。隨著土層深度的增加.土壤鉉態(tài)敏和鉉態(tài)氮的含量隨之減少，占層土壤的鉉態(tài)觥含敵與深層的相比，含質高且差異顯著，B、c兩層的鉉態(tài)氮含岐低且差異不顯著。這主要與鉉態(tài)氮和硝態(tài)氮的自身性質有關。秦嶺火地塘林區(qū)土壤C/N比基本上都小于25：1,有機質易轉化且能夠為土壤提供充足的氮素。參考文獻：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.周啟鳴，王紹強.等.中國土填有機碳犀空間分布的分析與估算:J.人類環(huán)境雜志，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 鄧小文.韓士杰.氤沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫的影響J.生態(tài)學雜志,2007,26(10),1622-1627.DENGXW,HANSJ.ImpactofnitrogendepositiononforestsoilcarbonpoolJ2.ChineseJournalofEcology.2007,26(10),1622-1627.11 黃昌勇.土壤學M.北

32、京：中國農業(yè)出版社，2000:209-213.12 胡克林.余艷.張風榮，等.北京郊區(qū)土壤有機質含植的時空變異及其影響因素J.中國農業(yè)科學.2006.39(4):764-771.HUKM,YUY»ZHANGFR.etal.ThespatialtemporalvariabilityofsoilorganicmatteranditsinfluencingfactorsinsuburbanareaofBeijingfJ.ScientiaAgriculturaSinica.2006.39(4),764-771.13j榮興民.陳玉成、王開運，等.獲林土壤碳氛過程研究現(xiàn)狀和展堡J.內蒙古林業(yè)科技

33、.2004(1),30-35.RONGXM.CHENYC.WANGKY,ftal.AdvancesandprospectforcarbonandnitrogenprocessinforestsoifJ.InnerMongoliaForestryScience&Technology.2004(1)：30-35.14鮑士旦.it填農化分析M.3版.北京：中伺農業(yè)出版社.2000,30-33,44-49.C15件如坤.土壤農業(yè)化學分析方法M.北京：中國農通科技出版社.20001147-149.16 中華人民共和版林業(yè)行業(yè)標準.森林土壤分析方法M.北京:中國準出版社.2000>10610

34、8.17 度夙.李廷軒.王永東.等.其域農印土埃氤泰空間分布特征及其影響因素J.應用生態(tài)學報.2010,21(6):1497-1503.PANGS,LITX,WANGYD,aal.Spatialdistributionpatternofsoilnitrogenincroplandsatcountyscaleandrelatedaffectingfactors。.ChineseJournalofAppliedEcology,2010,21(6)11497-1503.18 薛曉娟，李英年.杜明遠，等.祁連山東段南麓不同海拔土壤有機質及全氮的分布狀況J.冰川凍土，2009,31(4)：642-649

35、.XUEXJ.LIYN,DUMY,val.SoilorganicmatterandtotalnitrogenchangingwithaltitudesonthesouthernfootofEasternQilianMountains".JournalofGlaciologyandGeocryology,2009,31(4)1642-649.19 黨坤良.黃瑞德.耿增超.等.泰嶺火地地林區(qū)不同土壤類型化學性質的研究J.西北林學院學報，1996,11():26-30.DANGKL,LEIRD,GENGZC,etal.ChemicalpropertiesofdifferenttypesofsoilsatHuoditangforestregionintheQinlingMountainsJ.JournalofNorthwestForestryCollege.1996,ll(sup):