紫色土區(qū)土壤氮元素特征研究

肖 飛

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶400074)

氮是大氣圈中含量最豐富的元素，但也是陸地生態(tài)系統(tǒng)植物生產(chǎn)力的限制元素之一［1］。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，土壤氮主要來(lái)自于生物固氮和隨降水進(jìn)入土壤中的氮。在漫長(zhǎng)的成土過(guò)程作用下，土壤氮形成了特定生態(tài)條件下的平衡。自然土壤被開(kāi)墾后，土壤氮的含量下降，并建立新的平衡［2］。近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研工作者在土壤氮素方面開(kāi)展了大量的研究工作，其中包括不同尺度的氮庫(kù)估算［3－5］，氮素轉(zhuǎn)化規(guī)律［6－8］，氮素動(dòng)態(tài)變化［9－10］，粒徑及團(tuán)聚體分布對(duì)氮含量的影響［11－12］等等。已有的研究均具各自研究區(qū)域特點(diǎn)，但已有的研究對(duì)紫色土區(qū)氮特征研究相對(duì)較少。為此，筆者在調(diào)查紫色土不同土地利用方式、不同坡位條件下，研究土壤氮特征，同時(shí)分析影響氮素特征的原因。研究結(jié)果可為紫色土區(qū)乃至三峽庫(kù)區(qū)土地合理利用，減少養(yǎng)分流失提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市萬(wàn)州區(qū)境內(nèi)的五橋河流域，地處三峽工程影響最為集中的區(qū)域—三峽庫(kù)區(qū)中部，界于東經(jīng) 107°52′46″～ 107°53′09″，北緯 30°50′23″～30°51′50″之間，流域面積 114.57 km2。流域地貌類型以丘陵、低山為主，氣候?yàn)橹衼啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，研究區(qū)多年平均氣溫17.4℃，相對(duì)濕度為78.2%，多年平均年降雨量1 211 mm，其中雨季集中于7—9月。土壤以紫色砂頁(yè)巖為成土母質(zhì)所發(fā)育的紫色土為主體。

目前研究區(qū)內(nèi)主要的土地利用方式為耕地、林地、園地和撂荒草地。其中，耕地以玉米－小麥輪作為主;林地為人地林，樹(shù)種為柏樹(shù)，生長(zhǎng)年限已達(dá)7 a;園地種值柑桔，生長(zhǎng)年限為5 a，撂荒草地為荒地在無(wú)人為干擾情況下，長(zhǎng)滿野草，撂荒時(shí)限已超過(guò)3 a。

1.2 采樣方法

基于研究區(qū)現(xiàn)有的土地利用類型，選擇耕地、林地、園地和(撂荒)草地4種土地利用類型，在流域中按坡面不同位置將坡形分為坡頂、坡中、坡底，對(duì)不同坡位下4種土地利用類型土壤進(jìn)行逐一采集。為了土樣之間具有可比性，要求土樣采集點(diǎn)坡向一致(本試驗(yàn)采集點(diǎn)均位于陽(yáng)坡)，且不同坡位4種土地利用類型下采樣點(diǎn)平均坡度相近。采樣深度為0～20 cm，用4分法采集后，帶回室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，進(jìn)行測(cè)試。

1.3 樣品測(cè)定

1)土壤容重:環(huán)刀鋁盒法;

2)土壤粒徑組成:沉降法;

3)氮含量:全氮采用半微量開(kāi)式蒸餾法，速效氮采用堿解擴(kuò)散法;

4)磷含量:全磷含量采用鉬銻比色法，速效磷采用浸提劑法;

5)鉀含量:全鉀及速效鉀含量均采用火焰光度法;

6)有機(jī)碳含量:有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析基于Excel 2003進(jìn)行，圖制作采用Origi 8.0完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同坡位上土壤氮含量對(duì)比

土壤中全氮及速效氮含量的分布，明顯受到坡位影響(圖1)。

圖1 不同坡位上土壤氮含量對(duì)比Fig.1 Comparison of nitrogen content in the different slop position

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于全氮含量的分布特征，除林地外，耕地、園地和草地均是坡底全氮含量最高，而坡中全氮含量最小;林地坡頂、坡中、坡底的全氮含量相差不大。相對(duì)于全氮含量，速效氮含量的分布特征顯示出一致性，4種土地利用類型，均是坡底最高，而坡中值最低。不同坡位上土壤全氮及速效氮含量的分布特征的差異，這主要是因?yàn)槠挛徊煌瑢?dǎo)致的產(chǎn)匯流的不同特征。坡面上，坡中區(qū)域坡中立地條件相對(duì)較差，坡度陡，土壤潛在抗侵蝕能力最差;而坡底由于坡度變緩，在侵蝕過(guò)程中徑洲及徑流所攜帶的泥沙在坡底極易形成堆積，徑流和泥沙中的氮元素也就隨之堆積。

2.2 不同土地利用方式下土壤氮含量對(duì)比

研究區(qū)相同坡位土壤氮含量明顯土地利用及經(jīng)營(yíng)管理方式的影響(圖2)。

圖2 不同土地利用方式下土壤氮含量對(duì)比Fig.2 Comparison of nitrogen content in the different land use

對(duì)于坡頂和坡底區(qū)域，不同土地利用方式下全氮和速效氮含量的次序均是:林地>園地>草地>耕地;林地全氮與速效氮含量最大，這主要是因?yàn)榱值匾呀?jīng)過(guò)7 a時(shí)間的生長(zhǎng)，土壤表層積累了較多的有機(jī)質(zhì)，其氮素含量達(dá)到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的較高水平;而由于果農(nóng)在追求經(jīng)濟(jì)效益最大化時(shí)，對(duì)園地進(jìn)行了較高強(qiáng)度的化肥投入，土壤氮含量必然升高，但相對(duì)于林地，由于受到人為干擾影響，因此其全氮及速效氮含量相對(duì)于林地較低;而耕地雖說(shuō)也有外界肥力收入，但每年收獲季，大量成熟作物收割后很少有殘茬還田，直接減少了氮含量;而草地雖說(shuō)受人為干擾影響較小，但由于每年自身枯草積累量較小，而且枯草極易隨風(fēng)漂移，最終影響了氮素的積累。坡中的4種土地利用方式下氮含量明顯不同于坡頂與坡底，坡中林地全氮與速效氮含量最高，而其它3種土地利用方式下的全氮和速效氮含量相差不大。這可能是由于坡中地區(qū)，土壤侵蝕頻繁，相對(duì)于3種土地利用方式，林地土壤的抗侵蝕性最強(qiáng)，而土壤侵蝕過(guò)程加劇了坡中氮元素的遷移和沉程的復(fù)雜性。

2.3 土壤中的碳氮比

碳氮比(C/N)是指土壤有機(jī)物中碳素總量和氮素總量的比例。研究發(fā)現(xiàn)，土壤樣品的全氮含量與有機(jī)碳含量相關(guān)性通過(guò)了極顯著性檢驗(yàn)(p<0.01)(圖1)，土壤中C與N這兩者之間有近平行的關(guān)系。土壤C/N是否適應(yīng)微生物的生活需要會(huì)大大影響有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化。土壤學(xué)中，一般微生物每分解25～30份碳大約需要一份氮，因此，如果土壤中C/N>25∶1，則微生物要么從土壤中吸取有效態(tài)的無(wú)機(jī)氮作為補(bǔ)償，以維持其應(yīng)有的C/N，或者抑制自身的生長(zhǎng)，以減少對(duì)氮的要求，前一種情況會(huì)造成微生物和作物爭(zhēng)奪土壤中的有效氮素;而后一種情況下土壤中有機(jī)物質(zhì)的分解就會(huì)受到抑制。而本研究中的4種土地利用方式下，土壤C/N范圍為6.4～11.5之間，其中園地C/N范圍最低，而草地C/N范圍最高(表1)。4種土地利用方式下，土壤的C/N均低于25∶1，說(shuō)明土壤就有充分的氮素供應(yīng)，其有機(jī)體分解也較快，而且除滿足微生物對(duì)氮素的需求外，還會(huì)釋放出多余的氮素，供給植物生長(zhǎng)。

圖3 土壤中碳氮Fig.3 The ratio between C and N in the soil

表1 不同土地利用方式下土壤C/NTab.1 The ratio between C and N in the soil in different land use

2.4 全氮含量與土壤其他理化指標(biāo)的相關(guān)分析

研究區(qū)土壤樣品的相關(guān)分析見(jiàn)圖4(a)～圖(h)。

圖4 土壤全氮含量與土壤其他理化指標(biāo)的相關(guān)分析Fig.4 The correlation between the full nitrogen content and the other physical-chemical properties

將研究區(qū)土壤樣品的全氮含量與土壤容重、黏粒(小于0.002 mm)含量、陽(yáng)離子交換量(CEC)、速效氮含量、全磷含量、速效磷含量、全鉀含量、速效鉀含量進(jìn)行相關(guān)分析。發(fā)現(xiàn)土壤全氮含量與土壤容重、全氮、速效氮、全鉀以及速效鉀含量相關(guān)性顯著(p<0.05)，而且與容重、全鉀含量呈負(fù)相關(guān)，與黏粒含量、速效氮、速效鉀呈正相關(guān)。該研究與王瑩等［13］研究有一定相似。在一般土壤中C、N含量越高，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越多，土壤單粒排列疏松，孔隙度越大，通氣性越好，這些物理性質(zhì)，會(huì)促進(jìn)土壤養(yǎng)分利用效率。

3 結(jié)論

1)土壤氮含量分布受坡位影響嚴(yán)重，通常坡底全氮及速效氮含量最高，坡中最低，反映了侵蝕特征過(guò)程。

2)土壤氮含量分布受土地利用影響嚴(yán)重，通常是林地全氮及速效氮含量最高而耕地最低，反映了人為干擾的影響。

3)研究區(qū)4種土地利用方式下，C/N范圍在7.3～13.9之間，體現(xiàn)了充分的氮素供應(yīng)。

4)土壤全氮含量與土壤容重、黏粒含量、全氮、速效氮、全鉀以及速效鉀含量相關(guān)性顯著

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