梁美霞, 陳志彪,3*, 姜超, 區(qū)曉琳

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崩崗區(qū)不同植被覆蓋度對土壤氮素含量的影響

梁美霞1,2, 陳志彪1,3*, 姜超1, 區(qū)曉琳1

1. 福建師范大學地理科學學院, 福建, 福州 350007 2. 泉州師范學院資源與環(huán)境科學學院, 福建, 泉州 362000 3. 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地, 福建, 福州 350007

不同植被覆蓋度土壤氮素含量變化規(guī)律的研究可作為評價生態(tài)退化區(qū)植被恢復的指標之一。以福建省長汀縣濯田鎮(zhèn)黃泥坑崩崗群中三種不同植被覆蓋度的毗鄰崩崗為研究對象, 比較其氮素含量的變化及不同部位氮素含量的變化規(guī)律。結果表明: 植被覆蓋度的提高能有效地減少土壤侵蝕, 且與土壤的全氮含量及各部位的全氮含量均達到顯著正相關, 但同時也會增加硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的流失, 從而導致土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的含量反而減少。而這三種不同植被覆蓋度崩崗的全氮含量最高值均出現(xiàn)在集水坡面部位。與裸露崩崗和低覆蓋崩崗不同的是, 高覆蓋崩崗的硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的最大值也均出現(xiàn)在集水坡面部位。

土壤氮素; 植被覆蓋度; 崩崗區(qū)

1 前言

崩崗侵蝕是我國南方紅壤區(qū)一種特殊的土壤侵蝕形式[1], 是紅壤區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化的最高表現(xiàn)形式[2], 被形象地稱為我國紅壤侵蝕區(qū)的“生態(tài)潰瘍”[3-4]。崩崗侵蝕導致了土壤肥力急劇下降, 生態(tài)環(huán)境惡化,崩崗的治理已成為我國南方紅壤區(qū)水土保持的重中之重。

氮不僅與土壤肥力和植物營養(yǎng)的生物有效性密切相關, 影響植物的生產(chǎn)力, 而且與土壤結構關系緊密, 反映土壤質量[5]。已有研究表明, 植被恢復能明顯改善土壤質量, 特別是對土壤氮素含量的改良效果極大[5]。研究不同植被覆蓋度下的土壤養(yǎng)分特征, 可用于揭示植被恢復對土壤養(yǎng)分的影響狀況, 體現(xiàn)植被恢復措施對于改良土壤肥力的重要性。目前, 已有諸多文獻研究不同植物措施對土壤氮素含量的影響, 如張興昌等[6-7]以黃土丘陵區(qū)紙坊溝流域為研究對象, 研究不同植被蓋度對流域土壤氮素流失的影響。董貴青等[8]以黃土丘陵溝壑區(qū)紙坊溝為例, 研究三種不同植被蓋度下土壤氮素沿坡面的變化規(guī)律。邢肖毅[9]以黃土丘陵區(qū)洞子溝流域為研究區(qū)域, 研究不同植被恢復階段土壤氮素的轉化。楊長青等[5]以川西低山丘陵區(qū)為研究對象, 研究不同植被恢復模式對土壤氮素含量的影響。胡寧等[10]以巖溶石漠化山地為研究對象, 研究植被恢復對土壤氮素激烈與供應的影響。張鳳華等[11]以新疆瑪納斯河流域鹽漬化棄耕地為研究對象, 研究植被恢復對土壤理化性質的影響。梁麗等[12]以黃土高原區(qū)為研究對象, 研究施肥與植被覆蓋對坡地銨態(tài)氮流失的影響。由此可見, 目前該研究多見于黃土丘陵區(qū)、山地和流域, 側重研究植被蓋度變化對土壤氮素轉化及流失的影響, 已取得相當?shù)难芯砍晒５怯嘘P不同植被覆蓋度的崩崗與氮素的關系以及不同形態(tài)氮素在崩崗不同部位的分異的研究鮮見報道。

福建省是我國南方紅壤區(qū)崩崗較為密集的區(qū)域, 尤以長汀縣、安溪縣等最為集中。本研究通過研究南方紅壤區(qū)不同植被覆蓋度下的崩崗土壤氮素含量變化, 旨在揭示該區(qū)不同植被恢復程度下對各形態(tài)土壤氮素的影響, 為南方紅壤區(qū)崩崗植被恢復效果評價提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

黃泥坑崩崗群位于福建省長汀縣濯田鎮(zhèn)西南部(116°16′52″E, 25°31′49″N), 屬中亞熱帶季風氣候, 年均溫18.5 ℃, 年均降水量1710 mm, 年均相對濕度80%。土壤為花崗巖發(fā)育的侵蝕性紅壤, 植被僅存馬尾松(、崗松(L.)、毛冬青(Hook.etArn)、石斑木()、黃瑞木()、輪葉蒲桃((Hance) Merr. et Perry)及木荷(Gardn. et Champ.)、五節(jié)芒((Lab.) Warb. ex Schum et Laut.)、黑莎草()草本及芒萁((Burm.) Underw)、烏毛蕨(Linn.)等蕨類植物。

2.2 研究方法

2014年7月在黃泥坑崩崗群中選取母巖和成土條件相同, 海拔和坡度等地表生境相似的具有典型性和代表性的不同植被覆蓋度的毗鄰的三種崩崗(見表1), 以集水坡面(UC)、崩壁頂部(WT)、崩壁中部(WM)、崩壁底部(WB)、崩積體上部(DU)、崩積體下部(DL)和溝道出口(CO)中軸線位置處依次布設7個采樣點, 并分不同土層(0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm)采集混合土樣, 重復取樣三次, 將土壤自然風干后研磨, 過0.149 mm和2 mm篩的土樣用于全氮和銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的測定。其中, 過0.149 mm篩的土樣, 采用德國Elemantar vario MAX碳氮元素分析儀測定全氮含量; 過2 mm篩的土樣, 采用氯化鉀浸提后, 利用荷蘭Skalar san++連續(xù)流動分析儀測定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的含量。

利用Microsoft Excel軟件對實驗所得的原始數(shù)據(jù)進行分析, 在此基礎上應用SPSS 16.0軟件進行方差齊次檢驗, 不同植被蓋度和不同部位的土壤氮素指標用(One-Way ANOVA)進行單因素方差及LSD多重比較顯著性檢驗。

3 結果與分析

3.1 不同植被覆蓋度的崩崗其氮素含量變化

已有研究表明, 不同植被覆蓋對不同形態(tài)氮素含量的影響差別很大。土壤生態(tài)系統(tǒng)的氮素主要取決于生物量的積累和土壤有機質的分解。植被類型、水熱組合狀況及土壤侵蝕的強度都影響其含量[8]。

表1 崩崗區(qū)采樣點環(huán)境特征

3.1.1 不同植被覆蓋度的崩崗區(qū)全氮含量變化

由表2可看出, 不同植被蓋度的崩崗土壤全氮含量變化是有一定規(guī)律的, 其變化趨勢為高覆蓋崩崗(Ⅲ)>低覆蓋崩崗(Ⅱ)>裸露崩崗(Ⅰ)。說明隨著植被蓋度的提高, 土壤全氮含量呈上升趨勢。經(jīng)單因素方差分析, 崩崗Ⅰ和Ⅱ全氮含量未呈現(xiàn)顯著差異, 崩崗Ⅲ全氮含量與崩崗Ⅰ、Ⅱ達到顯著水平(<0.05)。土壤全氮主要來源于土壤植物殘體分解與合成所形成的有機質[13], 大多是有機氮, 主要靠和土壤顆粒相結合[7]。通過提高植被覆蓋度, 一方面能大大減少雨水對土壤的侵蝕, 防止土壤顆粒的流失, 從而減少土壤全氮的流失, 另一方面, 植被覆蓋度高的崩崗其上植物種類更加豐富, 土壤微生物環(huán)境更加復雜多樣性, 也更有利于土壤有機質含量的累積, 從而提高土壤全氮含量。但是崩崗由裸露到植被低覆蓋度, 對于增加土壤全氮含量效果并不明顯, 只有當植被覆蓋度提高到高覆蓋度, 因喬、灌、地被結構完整時, 才能有效地減少全氮流失并提高土壤全氮含量, 達到改良土壤, 提高土壤肥力水平的效果。

3.1.2 不同植被覆蓋度的崩崗區(qū)礦質氮含量變化

首先, 從表2中可明顯看出, 土壤中不同形態(tài)的礦質氮含量差別較大, 不管處于何種植被蓋度,銨態(tài)氮含量普遍高于硝態(tài)氮6倍以上, 這可能與土壤的類型以及土壤的pH值密不可分, 該研究區(qū)為亞熱帶地區(qū)溫暖濕潤氣候下嚴重的南方紅壤侵蝕區(qū), 土壤pH值呈酸性, 已有研究表明, 在酸性較強的紅壤中硝化作用較弱[14], 氨化作用普遍強于硝化作用, 因此在三種不同植被蓋度下的土壤銨態(tài)氮含量明顯高于硝態(tài)氮。其次, 由表2還可看出, 不同植被覆蓋度的崩崗土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在裸露崩崗(Ⅰ)中都呈最高水平, 經(jīng)單因素方差分析, 崩崗Ⅰ和崩崗Ⅱ、Ⅲ呈顯著差異, 說明不同植被覆蓋度對土壤不同形態(tài)的氮素含量影響差別也很大。這是由于一方面, 土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是礦質氮, 其不同于全氮, 這兩種形態(tài)的氮主要是通過土壤氮素礦化即土壤中微生物將有機態(tài)氮轉化為無機態(tài)氮的過程中形成的[13], 是土壤氨化與硝化作用的結果[15], 能夠直接被植物吸收利用, 因此, 隨著植被蓋度的提高, 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均不同程度地被植物所吸收利用, 滿足其生長需要, 故出現(xiàn)裸露崩崗(Ⅰ)中都呈最高水平。另一方面, 不同植被蓋度對礦質氮和全氮流失以及其含量影響截然不同, 銨態(tài)氮主要是以氣體形式進入到大氣中, 其次是隨徑流流失, 硝態(tài)氮則坡度較大時徑流損失占主導地位, 坡度較小時主要是隨降水淋溶下滲[8,16]。隨徑流損失主要取決于徑流量的大小和徑流與表層土壤顆粒相互作用的強度和時間。從表2可看出礦質氮含量在裸露崩崗(Ⅰ)中其含量最高。說明隨著崩崗植被蓋度的增加, 雖然能有效地減少土壤侵蝕和全氮的流失, 但如果考慮徑流因素, 卻會增加土壤礦質氮的流失。這與張興昌等[6-7]的研究結論相一致。同時, 從表2還可看出不同植被覆蓋度下土壤銨態(tài)氮含量差別較大,而硝態(tài)氮含量則相差較少, 處于相對平穩(wěn)狀態(tài)。

表2 不同植被蓋度崩崗的土壤氮素含量

注: 表中不同小寫字母表示氮素指標不同植被蓋度間差異顯著(<0.05)

3.2 不同植被蓋度的崩崗的不同部位土壤氮素含量變化

不同植被蓋度的崩崗的不同部位土壤氮素含量影響差異很大。不同部位由于其坡度、植被類型以及水分的差異將導致其土壤氮素存在一定的變化規(guī)律。下文中將選取7個部位中能代表崩崗表層的4個部位即集水坡面(UC)、崩壁頂部(WT)、崩積體上部(DU)和溝道出口(CO)來分析其土壤氮素含量的變化情況。

3.2.1 不同植被蓋度的崩崗的不同部位土壤全氮含量變化

依據(jù)表3, 可以看出同一部位在不同植被蓋度下, 其全氮含量崩崗Ⅲ與崩崗Ⅰ、崩崗Ⅱ均存在顯著差異(<0.05), 說明植被覆蓋度明顯提高后, 對崩崗各部位的全氮含量均得到顯著提高。而裸露崩崗(Ⅰ)和低覆蓋崩崗(Ⅱ)的全氮含量在同一部位則差別不明顯。土壤全氮綜合反映了土壤的氮素狀況[17], 通過提高崩崗的植被覆蓋度, 植物根毛組織表皮的脫落物、根系分泌物、根的死亡以及微生物能夠有效地富集氮素, 使得土壤全氮含量提高。

同一植被覆蓋度, 在崩崗表層的4個不同部位, 全氮含量存在顯著差異, 三個崩崗的全氮含量最高值均出現(xiàn)在UC部位, 這主要是由于土壤氮素含量的多少在同一崩崗區(qū)可能由于自然因素如地形地勢[18]的差異而導致其含量的差異, 相對于其他三個部位, UC部位坡度和緩, 水熱組合條件較適于植物根系的生長, 因此該部位土壤中的全氮含量高于其他部位。而崩崗Ⅰ與崩崗Ⅲ的全氮含量最小值均出現(xiàn)在CO部位, 崩崗Ⅱ全氮含量最小值則出現(xiàn)在DU部位。

3.2.2 不同植被蓋度的崩崗的不同部位土壤銨態(tài)氮含量變化

依據(jù)表4, 可以看出UC部位, 由于該部位是未發(fā)生崩塌的原坡面匯水區(qū), 銨態(tài)氮主要存在于土壤的溶液相中和吸附于土壤顆粒表面[19], 加之崩崗Ⅲ植被蓋度最高, 其銨態(tài)氮含量與崩崗Ⅰ、崩崗Ⅱ存在顯著差異, 并達最大值; 在CO部位, 三個崩崗銨態(tài)氮含量普遍存在差異, 均達到顯著水平, 并與其他部位相比, 三個崩崗在該部位銨態(tài)氮含量均為最低值, 這主要是由于受溝道出口徑流影響, 土壤溶液中的礦物質氮受徑流沖刷, 導致土壤礦質氮流失加劇; WT和DU兩個部位, 銨態(tài)氮含量均為Ⅰ> Ⅱ>Ⅲ。

高植被蓋度的崩崗Ⅲ在不同部位銨態(tài)氮含量與水土的輸送徑流方向保持一致, 沿著集水坡面→崩壁頂部→崩積體上部→溝道出口方向逐漸減少, 而在裸露的崩崗Ⅰ、低覆蓋的崩崗Ⅱ中, 其銨態(tài)氮在不同部位則是沿徑流方向先增加后減少, 在崩壁頂部(WT)達到最高值。這主要是由于在崩崗Ⅰ、崩崗Ⅱ中, WT部位基本無植被覆蓋, 表層鮮土裸露, 徑流與土壤相互作用時間較短, 銨態(tài)氮流失量較少, 因此這兩處崩崗銨態(tài)氮含量在該部位達最高值。

3.2.3 不同植被蓋度崩崗的不同部位土壤硝態(tài)氮含量變化

依據(jù)表5, 成因與銨態(tài)氮類似, 可以看出UC部位, 土壤硝態(tài)氮含量也是高覆蓋的崩崗Ⅲ達最高, 增加幅度非常大, 說明隨著植被蓋度提高, 在集水坡面硝態(tài)氮含量呈明顯增加趨勢, 并與裸露的崩崗Ⅰ、低覆蓋的崩崗Ⅱ存在顯著差異。在DU部位, 三個崩崗中硝態(tài)氮含量存在顯著差異, 而在WT與CO兩部位硝態(tài)氮含量最高值也均出現(xiàn)在裸露的崩崗Ⅰ。

表3 不同植被蓋度不同部位土壤全氮含量值

注: 表中不同大寫字母表示同一部位不同植被蓋度間差異顯著, 不同小寫字母表示同一植被蓋度不同部位間差異顯著(<0.05)。下同

表4 不同植被蓋度不同部位土壤銨態(tài)氮含量值

表5 不同植被蓋度不同部位土壤硝態(tài)氮含量值

高覆蓋的崩崗Ⅲ的不同部位硝態(tài)氮含量與水土的輸送徑流方向保持一致, 沿著集水坡面→崩壁頂部→崩積體上部→溝道出口方向逐漸減少, 而在崩崗Ⅰ、崩崗Ⅱ中, 其硝態(tài)氮在不同部位則是先增加后減少, 在DU部位達到最高值, 這主要是由于該部位坡度較大, 植被蓋度低, 徑流與土壤相互作用時間較短, 硝態(tài)氮流失量較少。

4 結論

(1)崩崗隨著植被覆蓋度的不斷提高, 土壤中的全氮含量呈現(xiàn)明顯增加趨勢, 說明了提高植被覆蓋度有利于改良崩崗區(qū)土壤肥力。

(2)增加植被覆蓋度一方面可促進植被對礦質氮的吸收利用, 促進其生長, 另一方面, 也可能會由于徑流作用增加土壤礦質氮的流失, 從而導致土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量反而在植被覆蓋度最低的崩崗達最大值。

(3)崩崗表層4個不同部位的土壤全氮含量最大值均出現(xiàn)在集水坡面部位, 說明較之集水坡面, 其他部位水土流失更為嚴重。

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Effects of different vegetations on soil nitrogen in Benggang zone

LIANG Meixia1,2, CHEN Zhibiao1,3*, JIANG Chao1, OU Xiaolin1

1. Geography Science College, Fujian Normal University, Fuzhou Fujian 350007, China 2.School of Resources & Environmental Science, Quanzhou Normal University, Quanzhou Fujian 362000, China 3. Key Laboratory for Subtropical Mountain Ecology (Ministry of Science and Technology and Fujian Province funded), Fuzhou 350007, China

The rule of soil nitrogen content change affected by different vegetations coverage can be used as one of the indicators for evaluating the effects of vegetation restoration in ecological degradation area. The nitrogen contents in three Benggangs in Huangnikeng, Zhuotian town, Changtingcounty of Fujian provincecovered by different vegetations, were measured for revealing the nitrogen changes in different parts of the Benggang system under different vegetations. The results show that each part of the total soil nitrogen content and total nitrogen content had a significant positive correlation with the increase of vegetation coverage. Increasing vegetable cover on soil was an available method of controlling soil erosion and increasing the soil total nitrogen content. Nevertheless, it might increase the loss of soil nitrate nitrogen and ammonium nitrogen which led to the decrease of the content. The total soil nitrogen of three Benggangs showed the highest in the water collecting hill slope under the same vegetation. The nitrate nitrogen and ammonium nitrogen also showed the highest content in the water collecting hill slope in BenggangⅢ.

soil nitrogen; vegetation coverage; Benggang zone

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.010

S153.61; X171.1

A

1008-8873(2018)04-081-05

2017-06-11;

2017-09-09

福建省社會發(fā)展指導性(重點)項目(2016Y0024); 國家科技支撐計劃項目“南方紅壤水土流失治理技術及示范”(2013BAC08B03); 泉州市科 技局科技計劃項目(2018Z025); 福建省泉州師范學院院士專家工作站(YA0202)

梁美霞(1981—), 女, 福建南安人, 博士研究生, 副教授, 主要從事水土保持研究, E-mail: lmx2003440@163.com

陳志彪(1962—), 男, 福建平潭人, 博士, 教授, 主要從事水土保持、自然資源與環(huán)境研究, E-mail: chenzhib408@ vip.163.com

梁美霞, 陳志彪, 姜超, 等. 崩崗區(qū)不同植被覆蓋度對土壤氮素含量的影響[J]. 生態(tài)科學, 2018, 37(4): 81-85.

LIANG Meixia, CHEN Zhibiao, JIANG Chao, et al. Effects of different vegetations on soil nitrogen in Benggang zone[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 81-85.