王芳，宋明華，黃玫，張甲珅

1. 生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；2. 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081

東北北部溫帶森林和干草地土壤養(yǎng)分分布及影響因素

王芳1，宋明華1，黃玫1*，張甲珅2

1. 生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；2. 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存的重要場所，其養(yǎng)分變化與全球陸地碳循環(huán)密切相關(guān)。土壤養(yǎng)分是植物生長的重要保證，而土壤各養(yǎng)分之間是緊密聯(lián)系的。理解土壤養(yǎng)分變化與環(huán)境因素的關(guān)系有助于更好地了解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、磷循環(huán)。本研究以東北北部自東向西沿降水量梯度變化緯度帶上的溫帶森林與干草地生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，利用氣象數(shù)據(jù)和野外土壤實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了緯度帶上不同植被類型土壤的有機(jī)碳、全氮、碳氮比、速效磷的空間分布格局及其與環(huán)境因子（年降水量、年均溫、土壤pH值）的關(guān)系。研究緯度帶上降水量自東向西逐漸減少，植被類型從溫帶森林過渡到干草原，與降水量和植被類型對應(yīng)，植被生物量也自東向西呈現(xiàn)從高到低的分布梯度。研究結(jié)果表明：從整個(gè)研究帶上來說，降水量與土壤pH值是土壤養(yǎng)分空間分布的決定因素，沿緯度帶從東到西，隨著降水量逐漸減少，土壤pH值逐漸增加，而土壤有機(jī)碳、全氮、碳氮比、速效磷含量逐漸減少。但如果將森林和草地分別討論則發(fā)現(xiàn)，森林和草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤養(yǎng)分環(huán)境控制因素有較大差別。對于草地生態(tài)系統(tǒng)而言,降水量和土壤pH值仍然是其土壤養(yǎng)分含量的控制因子，但森林生態(tài)系統(tǒng)由于所處區(qū)域降水量充足，降水量不再是其土壤養(yǎng)分的控制因子，降水量只與森林土壤碳氮比呈顯著正相關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)森林土壤的速效磷含量與溫度呈正相關(guān)，與土壤pH值呈負(fù)相關(guān)，說明溫度對東北北部溫帶森林的土壤養(yǎng)分含量具有一定的控制作用。

東北北部；土壤養(yǎng)分；干草地；溫帶森林；環(huán)境因子

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存的重要場所，在全球碳循環(huán)中起著十分重要的作用。土壤中的養(yǎng)分直接影響陸地植被生產(chǎn)力和土壤有機(jī)碳庫，是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源匯的重要調(diào)控因素(Robinson等, 2002)。氣候是驅(qū)動(dòng)土壤碳氮循環(huán)的最主要的自然因素，氣候要素與土壤養(yǎng)分特征的關(guān)系一直以來就是土壤學(xué)家關(guān)注的課題(Robinson等, 1978; Post等, 1982)。由于氣候變化對土壤碳庫的影響問題被廣泛關(guān)注，土壤養(yǎng)分特征與氣候要素的關(guān)系也成為研究熱點(diǎn)。

我國學(xué)者開展了大量土壤養(yǎng)分相關(guān)研究，特別是從土壤肥力的角度研究農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)和土壤氮(熊毅等, 1990)，有學(xué)者從氣候變化角度對土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化(吳建國等, 2004)、區(qū)域土壤有機(jī)碳和氮含量與氣候要素的關(guān)系（Conen等, 2003）、以及海拔梯度及氣候變化對有機(jī)質(zhì)分解的影響等方面進(jìn)行過研究，以上研究所選擇的研究區(qū)域都比較小。王叔平等沿著中國東北樣帶(NECT)進(jìn)行過大規(guī)模土壤取樣，并研究了土壤碳、氮、磷的梯度分布與氣候因子的關(guān)系（王淑平等, 2002）。

NECT位于中緯度溫帶，沿著43.5° N。在NECT以北的廣大地區(qū)，年平均氣溫較NECT低，卻是全球變化中我國升溫最為劇烈的區(qū)域。此區(qū)域有關(guān)土壤養(yǎng)分狀況與氣候因素之間關(guān)系的研究很少。為了進(jìn)一步研究東北土壤養(yǎng)分的空間分布特點(diǎn)及其與環(huán)境因素的關(guān)系，本研究沿著比NECT高5°的緯度帶48°～49° N，116°54′32.4″～128°56′38.4″ E之間取樣。與王叔平等每隔25 km取樣方法不同，本研究為了更有針對性的對不同植被類型土壤的養(yǎng)分狀況及其影響因素進(jìn)行研究，采取了根據(jù)實(shí)地調(diào)查，沿著緯度帶上森林、草地的優(yōu)勢樹種或生物群落的變化選取典型樣地采樣的方法，并以此來研究緯度帶上土壤養(yǎng)分、環(huán)境因素以及植被類型的相互關(guān)系。為進(jìn)一步研究全球氣候變化下的碳、氮、磷的生物地球化學(xué)循環(huán)及評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為我國東北地區(qū)，2011年 8月進(jìn)行了一次野外采樣，采樣點(diǎn)位于 48°28′15.6″～49°29′2.4″ N和116°54′32.4″～128°56′38.4″ E之間，橫跨12個(gè)經(jīng)度（見圖1）。由圖1可知，該緯度帶東部大部地區(qū)是森林，林地土壤均屬暗棕壤，其中 F1采樣點(diǎn)的主要樹種是紅松（Pinus koraiensis Sieb. et Zucc）、樟子松（mongolica Litv）和云杉（Picea asperata）、冷杉（Abies），年降水量在500～600 mm之間；F2和 F3樣點(diǎn)的主要樹種均是蒙古櫟（Quercus mongolica）和興安落葉松（Larix gmelinii），F(xiàn)4樣點(diǎn)的主要樹種是白樺（Betula platyphylla Suk）和興安落葉松，年降水量在 400～500 mm之間，年均溫在-2 ℃到 1 ℃；G1～G5采樣點(diǎn)主要都是羊草草地，土壤類型為栗鈣土，屬溫帶半干旱氣候，年降水量為 250～350 mm，年均溫-2 ℃左右。

2 材料和方法

2.1 樣點(diǎn)的選取和樣方設(shè)置

野外考察前根據(jù)東北地區(qū)植被和土壤空間分布圖結(jié)合降水量和年平均氣溫空間分布圖（劉明光, 2010）確定了典型溫帶森林和干草地生態(tài)系統(tǒng)樣點(diǎn)選取的大致經(jīng)緯度位置。在實(shí)際考察中根據(jù)確定的經(jīng)緯度位置，選擇地勢平坦且代表性強(qiáng)的溫帶森林和干草地生態(tài)系統(tǒng)作為取樣點(diǎn)。

圖1 研究區(qū)植被類型及樣點(diǎn)空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of vegetation types and samples of the study area

本研究設(shè)置22個(gè)樣方，獲得198個(gè)土壤樣品。在樣方設(shè)置時(shí)充分考慮樣方的代表性。干草原區(qū)域地勢平坦，樣方代表性較好，G1至G5采樣點(diǎn)（圖1）設(shè)置2個(gè)樣方，其余采樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)樣方。由于溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)所處的區(qū)域地勢略有起伏，分別在上坡、中坡和下坡位設(shè)置3個(gè)樣方進(jìn)行取樣，以使所取樣方能最大限度地消除立地因子影響，從而代表生態(tài)系統(tǒng)的平均狀況。

2.2 土壤樣品的采集及化學(xué)分析方法

對于每個(gè)樣方，使用土壤環(huán)刀分0～10、10～20、20～40 cm 3個(gè)層次分別進(jìn)行取樣，3次重復(fù)。土壤樣品放入布袋中帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干；風(fēng)干過程中將土塊壓碎，去除植物殘根等雜物，經(jīng)常翻動(dòng)，使其慢慢風(fēng)干；將風(fēng)干后的土樣過1 mm篩，去除植物殘?bào)w（主要是根），留下的樣品充分混勻，分別取50 g左右進(jìn)一步研磨，裝密封袋備用（魯如坤, 1999）。

土壤有機(jī)碳的測定采用外加熱、重鉻酸鉀容量法；土壤全N含量用元素分析儀測定；速效P采用碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法測定。

2.2 氣象數(shù)據(jù)的來源與統(tǒng)計(jì)分析方法

本研究所用的多年平均氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局。本研究首先應(yīng)用 Anuspline插值軟件將氣象站數(shù)據(jù)插值到0.1°×0.1°經(jīng)緯度網(wǎng)格上，然后根據(jù)樣點(diǎn)經(jīng)緯度從插值結(jié)果中提取樣點(diǎn)的 1950—2008年平均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)。

本研究采用EXCEL對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單統(tǒng)計(jì)分析，借助SPSS（Statistical Product and Service Solution）軟件，用單因素方差分析法比較不同生態(tài)系統(tǒng)類型間土壤有機(jī)碳、全N、碳氮比、速效P的差異，用相關(guān)分析法分析各養(yǎng)分指標(biāo)與環(huán)境因子之間的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)的環(huán)境梯度

圖2 采樣點(diǎn)的環(huán)境因素分布圖Fig.2 Distribution of environmental factors about the sampling point

圖2 為采樣點(diǎn)的年降水量、土壤pH值、年均溫和海拔高度分布。橫坐標(biāo)上標(biāo)注的采樣點(diǎn)名稱與圖1一致。由圖2a可知，樣點(diǎn)位于一條年降水量從東到西依次遞減的梯度帶上。東部4個(gè)林地采樣點(diǎn)的平均年降水量較高，為447 mm；西部5個(gè)草地采樣點(diǎn)位于呼倫貝爾草原，由于遠(yuǎn)離海洋，又受到大興安嶺的影響，濕潤氣流難以到達(dá)，因此平均年降水量只有295 mm。圖2b為采樣點(diǎn)土壤pH值的變化，從中可以看出，土壤pH值隨降水量的增加呈減小的趨勢，草地土壤的pH值呈中性，平均值為7.45，森林土壤的pH值呈酸性，平均為5.68。采樣點(diǎn)的年均溫分布如圖2c所示，森林采樣點(diǎn)的年均溫波動(dòng)較大，F(xiàn)1與F2點(diǎn)的平均溫為-0.2 ℃，而F3與F4的平均溫為-2.2 ℃，二者相差2 ℃，結(jié)合圖2d可知，林區(qū)年均溫差異較大主要和海拔高度有關(guān)，F(xiàn)1與F2點(diǎn)的平均海拔高度為273 m，而F3與F4的平均海拔高度明顯高于F1和F2點(diǎn)，為696 m。因此導(dǎo)致F3與F4點(diǎn)的年平均氣溫偏低?？偟膩砜矗植蓸狱c(diǎn)的年平均氣溫為-1.2 ℃，低于草地樣點(diǎn)的平均值（-0.6 ℃）。圖2d還顯示，森林采樣點(diǎn)的海拔高度變化較大，從219 m到881 m，平均為500 m。草地采樣點(diǎn)的海拔高度變化不大，在545～722 m之間變化，平均海拔高度為632 m。

3.2 東北地區(qū)森林和草地土壤養(yǎng)分含量比較

圖3比較了東北地區(qū)草地和森林的土壤有機(jī)碳、全N、C／N和速效P的差異。由圖3可知，研究區(qū)森林和草地平均土壤有機(jī)碳含量分別為40.96、12.74 g·kg-1，森林土壤有機(jī)碳含量是草地的3.2倍，二者差異顯著。森林土壤的速效P含量較高，為 22.65 mg·kg-1，草地較低，為 10.23 mg·kg-1，森林與草地土壤速效磷含量也有顯著性差異。森林全氮含量、碳氮比分別為3.02 g·kg-1和13.622 g·kg-1，草地全氮含量、碳氮比分別為1.55 g·kg-1和8.432 g·kg-1，森林和草地土壤的全氮含量、碳氮比均不存在顯著性差異。

3.3 研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量與環(huán)境因子的關(guān)系

圖4展示了所有采樣點(diǎn)的土壤有機(jī)碳、全氮、速效磷、碳氮比與年降水量、年均溫、土壤pH值的相關(guān)散點(diǎn)圖和線性擬合結(jié)果。由圖4可見，研究區(qū)土壤有機(jī)碳、全氮、速效磷、碳氮比與年降水量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.866、0.792、0.718、0.890。即降水量越大，土壤有機(jī)碳、全氮、速效磷、碳氮比越高。以上土壤養(yǎng)分含量與土壤pH值呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.758、-0.681、-0.867、-0.736，土壤酸性越大，則土壤中土壤養(yǎng)分含量越高。但土壤中的養(yǎng)分含量與年均溫均沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。

如果將草地生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，我們發(fā)現(xiàn)草地土壤的有機(jī)碳、全氮、速效磷含量與年降水量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.893、0.883、0.849；土壤有機(jī)碳、全氮還受土壤pH值的影響，與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即土壤pH值越高，草地土壤的有機(jī)碳、全氮含量越低，相關(guān)系數(shù)分別為-0.675、-0.687；草地土壤各養(yǎng)分含量與年均溫均沒有顯著性相關(guān)關(guān)系。

圖3 草地和森林土壤有機(jī)碳、全N、C/N、速效P的差異比較Fig.3 Comparison of Soil organic carbon, N, C/N, available P between grassland and forest

森林土壤各養(yǎng)分含量與環(huán)境因子之間的關(guān)系與草地土壤明顯不同，研究區(qū)森林土壤的有機(jī)碳、全氮含量與年降水量、年均溫、土壤pH值沒有顯著性相關(guān)關(guān)系；速效磷含量與年均溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.681，與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.697；土壤碳氮比主要受年降水量的影響，與年降水量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.802。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

4.1.1 研究區(qū)土壤有機(jī)碳空間分布的環(huán)境影響因素

土壤有機(jī)碳含量取決于進(jìn)入土壤的有機(jī)物質(zhì)數(shù)量和土壤有機(jī)質(zhì)分解速度之差。本研究區(qū)自東到西降水量逐漸減少，植被從溫帶森林過渡到干草原，植被生物量也呈現(xiàn)從高到低的分布格局。土壤有機(jī)碳與降水量的關(guān)系反映了植被生物量空間分布對土壤有機(jī)碳的影響。土壤pH值的形成與降水量和植物根的活性有較大關(guān)系，降水量大的地方，土壤的pH值較低。因此土壤有機(jī)碳與?pH值顯著負(fù)相關(guān)。

將森林和草地生態(tài)系統(tǒng)分別進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，草地土壤有機(jī)碳與降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系與土壤pH值呈顯

著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而森林土壤有機(jī)碳與降水量和土壤pH值均沒有顯著相關(guān)關(guān)系。林區(qū)由于降水量充足，使得降水量不是限制植物生長和土壤養(yǎng)分變化的關(guān)鍵因子，導(dǎo)致林區(qū)土壤有機(jī)碳與降水量和土壤pH值均沒有顯著相關(guān)關(guān)系。

4.1.2 影響土壤全氮含量和土壤碳氮比空間分布的環(huán)境因素

王長庭等(王長庭等, 2005)在青海對高寒草甸以及傅華等(傅華等, 2006)在賀蘭山西坡等的研究都發(fā)現(xiàn)濕度越大，土壤中的氮素越容易積累，這一結(jié)論與本研究結(jié)果相似。本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤pH值越低，就越有利于氮素的積累。本研究中草地全氮含量與降水量、土壤pH值都呈顯著相關(guān)，但森林全氮含量與降水量和土壤pH值的相關(guān)不顯著。

有研究表明，在年均溫大致相同情況下，干旱地帶土壤中碳氮比要比濕潤地帶低(李天杰等, 1983)，本研究也有類似的結(jié)果，本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤碳氮比與土壤pH值有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。森林土壤的碳氮比與降水量的正相關(guān)顯著，而草地碳氮比與降水量關(guān)系不顯著。

4.1.3 研究區(qū)土壤速效磷的空間分布特點(diǎn)

影響土壤速效磷空間分布的環(huán)境因素很多，一般認(rèn)為土壤速效磷與全磷并無確定的關(guān)系，而與土壤有機(jī)質(zhì)碳呈顯著正相關(guān)（袁可能，1983；于天仁等，1983），與土壤pH值的關(guān)系比較復(fù)雜（王朝輝等，1997）。本研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤速效磷的空間分布特點(diǎn)與土壤有機(jī)碳類似，與降水量呈顯著正相關(guān)，與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)。這一研究結(jié)果與劉世全等（劉世全等，2005）在研究西藏土壤時(shí)得出的結(jié)論一致。本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，森林土壤速效磷與氣溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

4.2 結(jié)論

本研究基于東北地區(qū)野外采集的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)分析了影響土壤有機(jī)碳、全氮、碳氮比、速效磷空間分布的環(huán)境因素。得出如下2點(diǎn)結(jié)論：

（1）對于整個(gè)研究區(qū)而言，降水量和土壤pH值是東北北部溫帶森林和干草地區(qū)域土壤有機(jī)碳和土壤養(yǎng)分空間分布的決定因素，但就研究區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)而言，降水量只與森林土壤碳氮比呈顯著正相關(guān)，并不是其土壤養(yǎng)分的控制因子。

圖4 采樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分含量與年降水量、年均溫、土壤pH值之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between the Soil Nutrients of sampling points and annual precipitation, an average annual temperature, soil pH value

（2）研究區(qū)土壤有機(jī)碳、全氮、碳氮比、速效磷的空間分布與降水量呈顯著正相關(guān)，與土壤pH值顯著負(fù)相關(guān)。即隨著降水量逐漸增加，研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的土壤pH值逐漸減少，而土壤有機(jī)碳、全氮、碳氮比、速效磷含量逐漸增加。

土壤養(yǎng)分空間分布的形成是長期受生物與非生物環(huán)境因素影響的結(jié)果，本研究通過實(shí)地調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析探討了土壤養(yǎng)分空間分布的規(guī)律和影響因素，如何從機(jī)理上揭示其空間分布的形成機(jī)制是未來需要進(jìn)一步研究的問題。

致謝：黑龍江省森林防火辦王志成博士、中國科學(xué)院地理資源所的研究生李雷、孫向陽、王昭生、商貴鐸、岳溪柳、夏芹參與本研究的野外采樣工作，為本研究的順利完成提供了大力支持，在此一并表示衷心的感謝！

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The Spatial Distribution of Soil Nutrients and the Controlling Factors of Temperate Forest and Steppe in Northeastern China

WANG Fang1,2, SONG Minghua1, HUANG Mei1*，ZHANG Jiashen3

1. Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Simulation, Institute of Geographical Sciences and Nature Resources Research, CAS, Beijing 100101, China;
2. Shandong Normal University, Jinan, Shandong 250014, China;
3. National Satellite Meteorological Center, Beijing 100081, China

Soil carbon (C) pools contribute to a large part of carbon sequestrated by terrestrial ecosystems. Little changes in soil carbon pools are directly relevant to dynamics of atmospheric CO2concentration. Additionally, soil nitrogen (N) and phosphorous (P) are important nutrient elements for plant growth. Nutrient cycles of these elements are inter-connected. Therefore, knowledge on soil nutrient condition and their correlations with environmental condition across ecosystems are crucial for better understanding their dynamics in the face of environmental changes. Soil C, N and available P contents were investigated in steppe and temperate forest ecosystems along precipitation gradient from east to west in the northeastern region. Moreover, we analyzed the relationships between nutrient element contents and environmental factors, such as annual precipitation, mean annual temperature and soil pH. Which may provides fundamental data for studying global carbon, nitrogen and phosphorus biogeochemical cycles and assessing of ecosystem carbon budget. Our results showed soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), C/N ratio and available phosphorus contents decreased across forest and grass ecosystems from east to west. Precipitation decreased gradually, but soil pH increased along this direction. By internal analysis of grassland ecosystem, we also found precipitation and soil pH are the main factors controlling spatial distribution of soil nutrients along the latitude. In addition, precipitation and soil pH are also important factors influencing SOC, TN, and available phosphorus contents within grass ecosystems. However, the relationship between nutrient and the environmental factors of the forest soil are complex, in forest ecosystems there is no significant correlation of soil nutrient element contents with precipitation or soil pH with the exception of significant positive correlation between C/N ratio and precipitation. Besides, available phosphorus content was positively correlated with temperature and negatively correlated with soil pH in forest ecosystems.

Northeast China; soil nutrient; grass; forest; environmental factors

S151.9

：A

：1674-5906（2014）08-1280-06

王芳，宋明華，黃玫，張甲珅. 東北北部溫帶森林和干草地土壤養(yǎng)分分布及影響因素[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(8): 1280-1285.

WANG Fang, SONG Minghua, HUANG Mei, ZHANG Jiashen. The Spatial Distribution of Soil Nutrients and the Controlling Factors of Temperate Forest and Steppe in Northeastern China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(8): 1280-1285.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41171371）；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA05050209）

王芳（1986年生），女，碩士，從事森林土壤研究。

*通信作者：黃玫，女，副研究員，主要從事生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究。E-mail：huangm@igsnrr.ac.cn

2013-09-25