梁美霞, 陈志彪,3*, 姜超, 区晓琳



崩岗区不同植被覆盖度对土壤氮素含量的影响

梁美霞1,2, 陈志彪1,3*, 姜超1, 区晓琳1

1. 福建师范大学地理科学学院, 福建, 福州 350007 2. 泉州师范学院资源与环境科学学院, 福建, 泉州 362000 3. 湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地, 福建, 福州 350007

不同植被覆盖度土壤氮素含量变化规律的研究可作为评价生态退化区植被恢复的指标之一。以福建省长汀县濯田镇黄泥坑崩岗群中三种不同植被覆盖度的毗邻崩岗为研究对象, 比较其氮素含量的变化及不同部位氮素含量的变化规律。结果表明: 植被覆盖度的提高能有效地减少土壤侵蚀, 且与土壤的全氮含量及各部位的全氮含量均达到显著正相关, 但同时也会增加硝态氮和铵态氮的流失, 从而导致土壤中硝态氮、铵态氮的含量反而减少。而这三种不同植被覆盖度崩岗的全氮含量最高值均出现在集水坡面部位。与裸露崩岗和低覆盖崩岗不同的是, 高覆盖崩岗的硝态氮与铵态氮的最大值也均出现在集水坡面部位。

土壤氮素; 植被覆盖度; 崩岗区

1 前言

崩岗侵蚀是我国南方红壤区一种特殊的土壤侵蚀形式[1], 是红壤区生态系统退化的最高表现形式[2], 被形象地称为我国红壤侵蚀区的“生态溃疡”[3-4]。崩岗侵蚀导致了土壤肥力急剧下降, 生态环境恶化,崩岗的治理已成为我国南方红壤区水土保持的重中之重。

氮不仅与土壤肥力和植物营养的生物有效性密切相关, 影响植物的生产力, 而且与土壤结构关系紧密, 反映土壤质量[5]。已有研究表明, 植被恢复能明显改善土壤质量, 特别是对土壤氮素含量的改良效果极大[5]。研究不同植被覆盖度下的土壤养分特征, 可用于揭示植被恢复对土壤养分的影响状况, 体现植被恢复措施对于改良土壤肥力的重要性。目前, 已有诸多文献研究不同植物措施对土壤氮素含量的影响, 如张兴昌等[6-7]以黄土丘陵区纸坊沟流域为研究对象, 研究不同植被盖度对流域土壤氮素流失的影响。董贵青等[8]以黄土丘陵沟壑区纸坊沟为例, 研究三种不同植被盖度下土壤氮素沿坡面的变化规律。邢肖毅[9]以黄土丘陵区洞子沟流域为研究区域, 研究不同植被恢复阶段土壤氮素的转化。杨长青等[5]以川西低山丘陵区为研究对象, 研究不同植被恢复模式对土壤氮素含量的影响。胡宁等[10]以岩溶石漠化山地为研究对象, 研究植被恢复对土壤氮素激烈与供应的影响。张凤华等[11]以新疆玛纳斯河流域盐渍化弃耕地为研究对象, 研究植被恢复对土壤理化性质的影响。梁丽等[12]以黄土高原区为研究对象, 研究施肥与植被覆盖对坡地铵态氮流失的影响。由此可见, 目前该研究多见于黄土丘陵区、山地和流域, 侧重研究植被盖度变化对土壤氮素转化及流失的影响, 已取得相当的研究成果。但是有关不同植被覆盖度的崩岗与氮素的关系以及不同形态氮素在崩岗不同部位的分异的研究鲜见报道。

福建省是我国南方红壤区崩岗较为密集的区域, 尤以长汀县、安溪县等最为集中。本研究通过研究南方红壤区不同植被覆盖度下的崩岗土壤氮素含量变化, 旨在揭示该区不同植被恢复程度下对各形态土壤氮素的影响, 为南方红壤区崩岗植被恢复效果评价提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

黄泥坑崩岗群位于福建省长汀县濯田镇西南部(116°16′52″E, 25°31′49″N), 属中亚热带季风气候, 年均温18.5 ℃, 年均降水量1710 mm, 年均相对湿度80%。土壤为花岗岩发育的侵蚀性红壤, 植被仅存马尾松(、岗松(L.)、毛冬青(Hook.etArn)、石斑木()、黄瑞木()、轮叶蒲桃((Hance) Merr. et Perry)及木荷(Gardn. et Champ.)、五节芒((Lab.) Warb. ex Schum et Laut.)、黑莎草()草本及芒萁((Burm.) Underw)、乌毛蕨(Linn.)等蕨类植物。

2.2 研究方法

2014年7月在黄泥坑崩岗群中选取母岩和成土条件相同, 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盖度的毗邻的三种崩岗(见表1), 以集水坡面(UC)、崩壁顶部(WT)、崩壁中部(WM)、崩壁底部(WB)、崩积体上部(DU)、崩积体下部(DL)和沟道出口(CO)中轴线位置处依次布设7个采样点, 并分不同土层(0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm)采集混合土样, 重复取样三次, 将土壤自然风干后研磨, 过0.149 mm和2 mm筛的土样用于全氮和铵态氮、硝态氮含量的测定。其中, 过0.149 mm筛的土样, 采用德国Elemantar vario MAX碳氮元素分析仪测定全氮含量; 过2 mm筛的土样, 采用氯化钾浸提后, 利用荷兰Skalar san++连续流动分析仪测定铵态氮、硝态氮的含量。

利用Microsoft Excel软件对实验所得的原始数据进行分析, 在此基础上应用SPSS 16.0软件进行方差齐次检验, 不同植被盖度和不同部位的土壤氮素指标用(One-Way ANOVA)进行单因素方差及LSD多重比较显著性检验。

3 结果与分析

3.1 不同植被覆盖度的崩岗其氮素含量变化

已有研究表明, 不同植被覆盖对不同形态氮素含量的影响差别很大。土壤生态系统的氮素主要取决于生物量的积累和土壤有机质的分解。植被类型、水热组合状况及土壤侵蚀的强度都影响其含量[8]。

表1 崩岗区采样点环境特征

3.1.1 不同植被覆盖度的崩岗区全氮含量变化

由表2可看出, 不同植被盖度的崩岗土壤全氮含量变化是有一定规律的, 其变化趋势为高覆盖崩岗(Ⅲ)>低覆盖崩岗(Ⅱ)>裸露崩岗(Ⅰ)。说明随着植被盖度的提高, 土壤全氮含量呈上升趋势。经单因素方差分析, 崩岗Ⅰ和Ⅱ全氮含量未呈现显著差异, 崩岗Ⅲ全氮含量与崩岗Ⅰ、Ⅱ达到显著水平(<0.05)。土壤全氮主要来源于土壤植物残体分解与合成所形成的有机质[13], 大多是有机氮, 主要靠和土壤颗粒相结合[7]。通过提高植被覆盖度, 一方面能大大减少雨水对土壤的侵蚀, 防止土壤颗粒的流失, 从而减少土壤全氮的流失, 另一方面, 植被覆盖度高的崩岗其上植物种类更加丰富, 土壤微生物环境更加复杂多样性, 也更有利于土壤有机质含量的累积, 从而提高土壤全氮含量。但是崩岗由裸露到植被低覆盖度, 对于增加土壤全氮含量效果并不明显, 只有当植被覆盖度提高到高覆盖度, 因乔、灌、地被结构完整时, 才能有效地减少全氮流失并提高土壤全氮含量, 达到改良土壤, 提高土壤肥力水平的效果。

3.1.2 不同植被覆盖度的崩岗区矿质氮含量变化

首先, 从表2中可明显看出, 土壤中不同形态的矿质氮含量差别较大, 不管处于何种植被盖度,铵态氮含量普遍高于硝态氮6倍以上, 这可能与土壤的类型以及土壤的pH值密不可分, 该研究区为亚热带地区温暖湿润气候下严重的南方红壤侵蚀区, 土壤pH值呈酸性, 已有研究表明, 在酸性较强的红壤中硝化作用较弱[14], 氨化作用普遍强于硝化作用, 因此在三种不同植被盖度下的土壤铵态氮含量明显高于硝态氮。其次, 由表2还可看出, 不同植被覆盖度的崩岗土壤中铵态氮和硝态氮在裸露崩岗(Ⅰ)中都呈最高水平, 经单因素方差分析, 崩岗Ⅰ和崩岗Ⅱ、Ⅲ呈显著差异, 说明不同植被覆盖度对土壤不同形态的氮素含量影响差别也很大。这是由于一方面, 土壤中铵态氮和硝态氮是矿质氮, 其不同于全氮, 这两种形态的氮主要是通过土壤氮素矿化即土壤中微生物将有机态氮转化为无机态氮的过程中形成的[13], 是土壤氨化与硝化作用的结果[15], 能够直接被植物吸收利用, 因此, 随着植被盖度的提高, 铵态氮和硝态氮均不同程度地被植物所吸收利用, 满足其生长需要, 故出现裸露崩岗(Ⅰ)中都呈最高水平。另一方面, 不同植被盖度对矿质氮和全氮流失以及其含量影响截然不同, 铵态氮主要是以气体形式进入到大气中, 其次是随径流流失, 硝态氮则坡度较大时径流损失占主导地位, 坡度较小时主要是随降水淋溶下渗[8,16]。随径流损失主要取决于径流量的大小和径流与表层土壤颗粒相互作用的强度和时间。从表2可看出矿质氮含量在裸露崩岗(Ⅰ)中其含量最高。说明随着崩岗植被盖度的增加, 虽然能有效地减少土壤侵蚀和全氮的流失, 但如果考虑径流因素, 却会增加土壤矿质氮的流失。这与张兴昌等[6-7]的研究结论相一致。同时, 从表2还可看出不同植被覆盖度下土壤铵态氮含量差别较大,而硝态氮含量则相差较少, 处于相对平稳状态。

表2 不同植被盖度崩岗的土壤氮素含量

注: 表中不同小写字母表示氮素指标不同植被盖度间差异显著(<0.05)

3.2 不同植被盖度的崩岗的不同部位土壤氮素含量变化

不同植被盖度的崩岗的不同部位土壤氮素含量影响差异很大。不同部位由于其坡度、植被类型以及水分的差异将导致其土壤氮素存在一定的变化规律。下文中将选取7个部位中能代表崩岗表层的4个部位即集水坡面(UC)、崩壁顶部(WT)、崩积体上部(DU)和沟道出口(CO)来分析其土壤氮素含量的变化情况。

3.2.1 不同植被盖度的崩岗的不同部位土壤全氮含量变化

依据表3, 可以看出同一部位在不同植被盖度下, 其全氮含量崩岗Ⅲ与崩岗Ⅰ、崩岗Ⅱ均存在显著差异(<0.05), 说明植被覆盖度明显提高后, 对崩岗各部位的全氮含量均得到显著提高。而裸露崩岗(Ⅰ)和低覆盖崩岗(Ⅱ)的全氮含量在同一部位则差别不明显。土壤全氮综合反映了土壤的氮素状况[17], 通过提高崩岗的植被覆盖度, 植物根毛组织表皮的脱落物、根系分泌物、根的死亡以及微生物能够有效地富集氮素, 使得土壤全氮含量提高。

同一植被覆盖度, 在崩岗表层的4个不同部位, 全氮含量存在显著差异, 三个崩岗的全氮含量最高值均出现在UC部位, 这主要是由于土壤氮素含量的多少在同一崩岗区可能由于自然因素如地形地势[18]的差异而导致其含量的差异, 相对于其他三个部位, UC部位坡度和缓, 水热组合条件较适于植物根系的生长, 因此该部位土壤中的全氮含量高于其他部位。而崩岗Ⅰ与崩岗Ⅲ的全氮含量最小值均出现在CO部位, 崩岗Ⅱ全氮含量最小值则出现在DU部位。

3.2.2 不同植被盖度的崩岗的不同部位土壤铵态氮含量变化

依据表4, 可以看出UC部位, 由于该部位是未发生崩塌的原坡面汇水区, 铵态氮主要存在于土壤的溶液相中和吸附于土壤颗粒表面[19], 加之崩岗Ⅲ植被盖度最高, 其铵态氮含量与崩岗Ⅰ、崩岗Ⅱ存在显著差异, 并达最大值; 在CO部位, 三个崩岗铵态氮含量普遍存在差异, 均达到显著水平, 并与其他部位相比, 三个崩岗在该部位铵态氮含量均为最低值, 这主要是由于受沟道出口径流影响, 土壤溶液中的矿物质氮受径流冲刷, 导致土壤矿质氮流失加剧; WT和DU两个部位, 铵态氮含量均为Ⅰ> Ⅱ>Ⅲ。

高植被盖度的崩岗Ⅲ在不同部位铵态氮含量与水土的输送径流方向保持一致, 沿着集水坡面→崩壁顶部→崩积体上部→沟道出口方向逐渐减少, 而在裸露的崩岗Ⅰ、低覆盖的崩岗Ⅱ中, 其铵态氮在不同部位则是沿径流方向先增加后减少, 在崩壁顶部(WT)达到最高值。这主要是由于在崩岗Ⅰ、崩岗Ⅱ中, WT部位基本无植被覆盖, 表层鲜土裸露, 径流与土壤相互作用时间较短, 铵态氮流失量较少, 因此这两处崩岗铵态氮含量在该部位达最高值。

3.2.3 不同植被盖度崩岗的不同部位土壤硝态氮含量变化

依据表5, 成因与铵态氮类似, 可以看出UC部位, 土壤硝态氮含量也是高覆盖的崩岗Ⅲ达最高, 增加幅度非常大, 说明随着植被盖度提高, 在集水坡面硝态氮含量呈明显增加趋势, 并与裸露的崩岗Ⅰ、低覆盖的崩岗Ⅱ存在显著差异。在DU部位, 三个崩岗中硝态氮含量存在显著差异, 而在WT与CO两部位硝态氮含量最高值也均出现在裸露的崩岗Ⅰ。

表3 不同植被盖度不同部位土壤全氮含量值

注: 表中不同大写字母表示同一部位不同植被盖度间差异显著, 不同小写字母表示同一植被盖度不同部位间差异显著(<0.05)。下同

表4 不同植被盖度不同部位土壤铵态氮含量值

表5 不同植被盖度不同部位土壤硝态氮含量值

高覆盖的崩岗Ⅲ的不同部位硝态氮含量与水土的输送径流方向保持一致, 沿着集水坡面→崩壁顶部→崩积体上部→沟道出口方向逐渐减少, 而在崩岗Ⅰ、崩岗Ⅱ中, 其硝态氮在不同部位则是先增加后减少, 在DU部位达到最高值, 这主要是由于该部位坡度较大, 植被盖度低, 径流与土壤相互作用时间较短, 硝态氮流失量较少。

4 结论

(1)崩岗随着植被覆盖度的不断提高, 土壤中的全氮含量呈现明显增加趋势, 说明了提高植被覆盖度有利于改良崩岗区土壤肥力。

(2)增加植被覆盖度一方面可促进植被对矿质氮的吸收利用, 促进其生长, 另一方面, 也可能会由于径流作用增加土壤矿质氮的流失, 从而导致土壤中硝态氮和铵态氮含量反而在植被覆盖度最低的崩岗达最大值。

(3)崩岗表层4个不同部位的土壤全氮含量最大值均出现在集水坡面部位, 说明较之集水坡面, 其他部位水土流失更为严重。

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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

福建省社会发展指导性(重点)项目(2016Y0024); 国家科技支撑计划项目“南方红壤水土流失治理技术及示范”(2013BAC08B03); 泉州市科 技局科技计划项目(2018Z025); 福建省泉州师范学院院士专家工作站(YA0202)

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

陈志彪(1962—), 男, 福建平潭人, 博士, 教授, 主要从事水土保持、自然资源与环境研究, E-mail: chenzhib408@ vip.163.com

梁美霞, 陈志彪, 姜超, 等. 崩岗区不同植被覆盖度对土壤氮素含量的影响[J]. 生态科学, 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.