土壤C、N含量分别取决于C、N输入量和输出量之差[1]。自然生态系统中土壤C输入主要受有机体残渣归还量的影响[2],N输入主要受凋落物归还、生物固氮和大气沉降等过程控制[3]。两者的输出都依赖于生物过程(同化作用和呼吸作用等)、地球化学过程和物理过程(径流侵蚀等)的共同作用[4-5]。因此,在自然生态系统中土壤C、N海拔分布特征受气候、植被、微生物活动和径流等诸多因素影响[6-7]。王琳等[1]和王良健[8]都发现了土壤C、N含量随海拔升高而增大的趋势,认为气候和植被类型是影响贡嘎山东坡土壤C、N空间分布的主要因素。对贡嘎山东坡土壤C、N的其他相关研究[9]发现,当地气候、植被类型和土壤发育是该区与其他陆地生态系统C、N分布差异的主要原因。以上研究多着眼于生物化学过程对土壤C、N空间分布的影响,忽视了物理过程的重要作用。已有研究发现,山地棕壤和暗棕壤中发生了较明显的淋溶过程[10],导致土壤溶质快速、大量迁移[11]。可见,目前有关土壤C、N随海拔梯度的变化模式和主要影响因素还存在较多争论。
贡嘎山东坡亚高山海拔2 600~3 200 m的针叶林是开展土壤C、N垂直分异规律研究的“天然实验室”。研究区土壤母质和植被类型差异较小,温度和降水存在明显的梯度差异[12]。随海拔升高,温度降低,植物生物量和凋落物产量应逐渐降低[2],则土壤C、N来源减少,C、N含量应随之减少。然而,土壤微生物活性随海拔升高而减弱[6-7],则土壤C、N含量应逐渐增加。此外,本研究区是贡嘎山东坡降水量最大的区域[12],较大的降水量和相对“年轻”的土壤,有利于淋溶过程的发生,会对土壤C、N的海拔分布规律产生影响。本研究通过对不同海拔4个样点的针叶林土壤C、N含量及C/N分析,阐明土壤C、N海拔分布特征,并结合其他土壤物理、化学和生物指标探讨淋溶过程对土壤C、N海拔分布特征的影响,旨在揭示淋溶过程在山地养分循环中的重要作用,并为阐明C、N生物地球化学循环的机制提供依据。
贡嘎山位于青藏高原东南缘,最高峰海拔7 556 m。由于相对高度差达6 km,各种环境要素随海拔发生急剧变化,形成完整的土壤和植被带谱。针叶林在贡嘎山地区分布范围最广,是最重要的森林分布区之一[13]。该区主要受东亚季风影响,年平均气温4.2 ℃(海拔3 000 m),1月平均气温-4.6 ℃,7月平均气温12.5 ℃,年均降雨量约为1 947 mm,年平均相对湿度为90%左右,年平均蒸发量约为327 mm[12]。土壤成土母质主要为花岗岩,由低海拔至高海拔发育了山地棕壤(2 600~2 800 m)和山地暗棕壤(2 800~3 200 m)[10]。
在贡嘎山东坡海拔2 628 m(S1)、2 781 m(S2)、3 044 m(S3)和3 210 m(S4)的峨眉冷杉林冠下设置4个采样点。每个样点随机选取坡度小于30°的坡中位置挖掘6个土壤剖面,每个剖面间距大于10 m。在每个剖面表层按照10 cm × 10 cm样方采集分解较少的枯枝落叶层(OL层)样品。土壤剖面由上至下依次为分解强烈的凋落物层(OH层)、淋溶层(A层)、淀积层(B层)和母质层(C层)。按照土壤发生层由下至上依次采集4个土层样品。样品采集结束后,分别在OH、A和B层埋入温度记录仪(MAXIM DS 1923,USA),设定采样间隔为1 h,连续监测各层温度状况。所有样品用聚乙烯袋封装,低温带回实验室。
凋落物样品风干后研磨过孔径0.075 mm筛待测。土壤样品过孔径2 mm筛后分为两部分:一部分室内风干,另一部分保存于4 ℃。土壤含水率用烘干法测定。土壤pH用电极法测定,水土比(mL/g)分别为10∶1(OH层)和2.5∶1(A、B和C层)。无定形铁(Feox)和无定形铝(Alox)含量采用草酸-草酸铵法提取[14],用ICP-OES(PerkinElmer Optima 8300,USA)测定,检测限均为0.001 mg/L。C、N含量用元素分析仪(Vario Isotope Cube,Germany)测定,其中OL层C、N含量表征凋落物碳(Clit)和凋落物氮(Nlit)含量,检测限分别为0.050%和0.015%。微生物生物量碳(MBC)和生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸法测定[15]。
利用单因素方差分析(One-way ANOVA)在a=0.05水平判识不同土层和不同海拔梯度土壤属性差异。若样本总体方差齐次,选择Duncan’s检验;否则,选择Tamhane检验。利用冗余分析(redundancy analysis,RDA)探讨土壤属性间的相关关系。上述分析和图通过R 3.2.2软件完成。
除土壤温度随海拔升高呈完整的降低趋势外,土壤含水率、pH、Feox含量和Alox含量的梯度变化趋势均不明显,且在S2样点较特殊(图1)。除A层外,其他各层土壤含水率均在S2样点最高,最高值为(338.1±29.5)%。除C层外,其他各层S2样点pH值显著低于其他样点(P< 0.05)。OH和A层Feox含量均在S2样点最低,而B和C层Feox、Alox含量在S2样点最高。
分解强烈的凋落物层(OH层)与矿质土层(A、B和C层)的土壤理化性质存在较大差异。OH层温度和含水率均高于矿质土层,且同一采样点矿质土层温度和含水率均不存在显著性差异(P>0.05)。4个土层中A层pH均值最小,为4.6±0.1。OH层Feox和Alox含量最低;B层Feox和Alox含量最高。
除OL层Nlit在海拔梯度上不存在显著性差异外(P>0.05),凋落物层(OL和OH层)的C、N含量及C/N随海拔升高呈降低趋势(图2)。
与凋落物层C、N含量相比,矿质土层中C、N含量并未发现明显的梯度变化趋势,且矿质土层中C、N含量显著降低(P<0.05)。与OH层相比,A层C、N含量均在S2样点降低程度最大,分别降低了87.2%和86.4%。B层中C、N含量均在S2样点最高,分别为(44.7±6.2) g/kg和(2.0±0.3) g/kg。C层的C、N含量在S2、S3和S4样点均不存在显著性差异(P> 0.05)。
与凋落物层C/N相比,矿质土层C/N也未发现明显的梯度变化趋势。S2样点的C/N显著高于其他样点(P<0.05),S1、S3和S4样点的C/N不存在显著性差异(P>0.05)。凋落物层C/N大于矿质土层,由OL层至C层的C/N均值依次为29.1、19.4、16.4、18.3和16.4。
图1 贡嘎山东坡针叶林土壤的土壤温度(A),含水率(B),pH(C),Feox含量(D)和Alox含量(E)
Fig.1 Soil temperature(A),moisture(B),pH(C),contents of amorphous iron(D) and contents of amorphous
aluminium(E)of sampling sites in the coniferous forest on the Mt. Gongga
图2 贡嘎山东坡针叶林各层C含量(A)、N含量(B)及C/N(C)的梯度分布特征
Fig.2 The altitudinal distributions of contents of C(A),N(B),and content ratios of
C/N (C) in the coniferous forest on the Mt. Gongga
随海拔升高,OH层MBC、MBN含量均呈降低趋势,但矿质土层的MBC、MBN含量梯度变化趋势不明显(图3)。A层MBC、MBN含量均在S3样点最高,在S2样点较低。B和C层MBC、MBN含量在海拔梯度上均不存在显著性差异(P>0.05)。与MBC、MBN含量相比,MBC/MBN梯度趋势更弱,各层MBC/MBN在海拔梯度上均不存在显著性差异(P>0.05)。
图3 贡嘎山东坡针叶林各土层MBC含量(A),MBN含量(B)和MBC/MBN (C)的梯度分布特征
Fig.3 The altitudinal distributions of contents of MBC(A),MBN(B),and content ratios
of MBC/MBN (C) in the coniferous forest on the Mt. Gongga
RDA分析(图4)结果表明,OH层C、N含量与Clit、土壤含水率呈显著正相关,与pH呈显著负相关。A层C、N含量与Alox含量呈显著负相关。B和C层C、N含量与Feox含量呈显著正相关。
对不同地区土壤和微生物量碳、氮含量与本研究结果进行对比分析,发现本研究中0~10 cm矿质土层C、N、MBC、MBN含量明显偏低;10~100 cm矿质土层C、N含量明显偏高(表1)。
贡嘎山3 000 m气象观测站长期监测发现天然降雨中N质量浓度极低(0.1 mg/L)[4],本研究主要考虑气候、凋落物输入和生物及地球化学输出对土壤C、N海拔分布特征的影响。
随海拔升高,OH层的C、N含量与OL层的Clit含量均呈降低趋势(图2),且OH层的C、N含量分别与Clit含量显著正相关(图4A)。此外,OH层的C、N含量梯度变化趋势与OL层的厚度、凋落物量和生物量的变化趋势基本一致[13,16]。研究区土壤母质和植被类型差异较小,温度和降水存在明显的梯度差异[12]。随海拔升高,土壤温度降低,植物生物量和凋落物产量降低[13,16],土壤C、N来源减少,C、N含量随之减少。因此,Clit归还量是决定贡嘎山东坡亚高山针叶林OH层C、N海拔分布特征的主要因素之一。
与小兴安岭谷地云冷杉林和黑龙江帽儿山5种温带森林0~10 cm矿质土层MBC、MBN含量的研究结果对比发现,本研究中MBC、MBN含量明显偏低(表1);与全球A层MBC/C、MBN/N均值(分别为1.2%、2.6%)相比,本研究中的比值仍然偏小(分别为0.27%和0.76%)。此外,各层MBC/MBN在海拔梯度上均不存在显著性差异(P>0.05)(图3C)。由此可见,4个海拔梯度上的微生物活性均较弱。较低的土壤温度和pH值,以及较高的土壤含水率(图1),可能是抑制微生物活性的主要原因[6-7]。随海拔升高,土壤微生物活性虽然呈减弱趋势(图3),但在研究区冷、湿、酸性条件下微生物的分解活动整体较弱,则OH层C、N含量并没有呈增加趋势。
OH层环境因子包括凋落物碳、氮及碳氮比,微生物量碳、氮及碳氮比,土壤温度,土壤含水率,pH,Feox和Alox。A和B层环境因子包括除凋落物碳、氮及碳氮比的OH层其他环境因子。C层环境因子包括除凋落物碳、氮及碳氮比、土壤温度的OH层其他环境因子。图中虚线箭头表示各层土壤碳、氮和碳氮比,实线箭头表示环境因子。Environmental variables of the OH horizon include Clit,Nlit,Clit/Nlit,MBC,MBN,MBC/MBN,soil temperature (Temp.),soil moisture (Mosi.),pH,Feox and Alox.Environmental variables of the A and B horizon are same with those of the OH horizon except Clit,Nlit and Clit/Nlit. Environmental variables of the C horizon are same with those of the OH horizon except Clit,Nlit,Clit/Nlit and soil temperature (Temp.). Dotted arrows represent soil C,N,and C/N; solid arrows represent environmental factors.
图4 贡嘎山东坡针叶林OH层(A)、A层(B)、B层(C)和C层(D)土壤碳、氮和碳氮比与环境因子的冗余分析
Fig.4 RDA of soil C,N and C/N with environment factors in the OH horizon(A),A horizon(B),
B horizon(C) and C horizon(D) in the coniferous forest on the Mt. Gongga
表1 不同地区土壤和微生物量碳、氮含量及碳氮比
Table 1 C,N contens and C/N in soils and microbial biomass of different areas
序号No.研究区Study area土壤 SoilC/(g/kg)N/(g/kg)C/N微生物量 Microbial biomassMBC/(mg/kg)MBN/(mg/kg)MBC/MBN参考文献References1贡嘎山 Mt. GonggaOH层OH layer282.0 (15.6)14.4 (0.7)19.4 (0.5)637.2 (51.6)144.2 (9.8)4.6 (0.3)本研究This studyA层 A layer43.2 (2.4)2.8 (0.3)16.4 (0.7)118.8 (12.0)21.0 (2.8)7.5 (1.0)B层 B layer26.4 (2.4)1.4 (0.1)18.3 (0.7)21.6 (4.8)5.6 (1.4)2.7 (0.7)C层 C layer12.0 (1.2)0.7 (0.0)16.4 (0.9)15.6 (2.4)5.6 (1.4)3.8 (0.9)2贡嘎山 Mt. GonggaO层 O layer252.0 (14.4)11.6 (0.7)22.3 (1.3)[9]A层 A layer145.2 (14.4)8.1 (0.6)17.5 (1.0)1 149.6 (116.4)161.0 (21.0)8.7 (1.2)B层 B layer4.5 (0.8)0.21 (0.03)19.6 (0.9)C层 C layer1.3 (0.2)0.07 (0.01)18.7 (0.9)
续表1 Continued Table 1
序号No.研究区Study area土壤 SoilC/(g/kg)N/(g/kg)C/N微生物量 Microbial biomassMBC/(mg/kg)MBN/(mg/kg)MBC/MBN参考文献References3小兴安岭谷地云冷杉林Valley spruce-fir forest,Xiao Hinggan Mountains0~10 cm矿质土层0~10 cm minerallayer60.06.09.9606.095.26.3[6]4黑龙江帽儿山Maoershan,Heilongjiang Province0~10 cm矿质土层0~10 cm minerallayer85.25.216.9876.099.49.1[7]5中国 China0~10 cm24.01.812.3---[17]10~50 cm14.41.410.5---50~100 cm7.20.79.6---均值 Average10.81.110.2---6全球The global average0~30 cm57.64.114.1680.4105.06.5[18]
注:数值表示均值(标准误);“-”表示数据缺失。Note:Data are represented by the means (standard error); “-” indicates data deficiency.
海拔梯度上OH层的C、N含量均在S2样点较高,这主要是由于该样点生物量最高(568 t/hm2),且凋落物能够为土壤提供大量C、N(图2)。此外,S2样点显著高于其他样点的含水率和过低的pH值(P<0.05)(图1),导致微生物活性偏低,更不利于微生物对凋落物的分解。
王琳等[1](海拔1 700~3 900 m)和王良健[8](海拔1 400~3 100 m)都发现了矿质土层C、N含量随海拔升高而增大的趋势,认为气候和植被类型是影响贡嘎山东坡土壤C、N空间分布的主要因素。以上研究跨越了多个植被类型、海拔跨度比本研究大得多。本研究中矿质土层C、N含量并未如OH层一样呈现梯度变化趋势(图2),且矿质土层与OH层的土壤理化性质存在较大差异(图1)。因此,存在除Clit归还量和微生物活性外的其他因素影响了矿质土层C、N的海拔分布。
He等[10]对贡嘎山东坡的研究发现,山地棕壤和暗棕壤中具有较明显的淋溶过程,导致土壤溶质快速、大量迁移[11]。本研究在采样过程中也发现了灰白色淋溶层和较厚的鲜棕色淀积层。此外,A层pH值较低,B层Feox、Alox含量显著升高(图1),均是本研究区发生了淋溶过程的有力证据。与Bing等[9]对贡嘎山针叶林土壤的研究结果对比,本研究中A层C、N含量偏低(表1)。根据贡嘎山3 000 m气象观测站长期监测的地表水和地下水数据发现,天然降雨中C、N含量含量低于检出限,含量为6.7 mg/L,N含量为0.1 mg/L)明显低于壤中流中C、N含量含量为含量为367.5 mg/L,N含量为3.9 mg/L)。本研究区是贡嘎山东坡降水量最大的区域,较大的降水量和相对“年轻”的土壤[12],有利于淋溶过程的发生,对矿质土层C、N的海拔分布规律产生了影响。
由A至B层土壤C/N均值依次为16.4和18.3,贡嘎山3 000 m气象观测站监测的数据也发现壤中流的C含量明显高于N含量,因此,由淋溶过程造成C的垂直迁移量大于N的迁移量。将C层(> 50 cm)土壤C、N含量与全国50~100 cm的土壤进行对比(表1),发现本研究中C层的C含量和C/N偏高。本研究区土壤较“年轻”,薄铁盘层并未完全形成,不能将C、N全部蓄积于B层土壤中[10],因此,仍有部分C、N随淋溶过程迁移至土壤C层,且C的迁移量大于N的迁移量。A层Feox、Alox含量与C、N含量均呈负相关,而在B和C层中均呈正相关(图4),表明土壤C、N随Feox、Alox淋溶下渗,并在B层和C层累积。
与凋落物层相比,A层中C、N含量并未出现随海拔升高而降低的趋势,干扰A层C、N梯度变化趋势的原因是该层S2样点C、N含量较低(图2)。由上述分析可知,S2样点的生物量、凋落物输入量均较高,微生物分解速率较低,该点A层C、N含量应较高。然而,研究结果发现该点A层的C、N含量较低,说明S2样点的C、N通过淋溶迁移的流失量较高。S2样点的淋溶作用更强,导致B层C含量高于A层(分别为44.7和44.0 g/kg),主要由以下证据支持:首先,S2样点B层与A层Feox含量比值比其他样点高(S2为3.89,S1、S3和S4依次为0.83、1.04和0.94);其次,该样点B层与A层Alox含量比值较高(S2为4.50,其他样点依次为1.40、1.54和1.44);再次,同一土层中S2样点土壤pH值显著小于其他样点(P<0.05),这是由于淋溶作用较强,导致碱基离子流失量较大的结果[10]。S2样点较强的淋溶作用,导致该样点B层中C、N大量累积且显著高于其他样点(P<0.05)(图2)。经过B层的淀积作用,虽然仍有部分C、N迁移至C层,但C层的C、N含量在S2、S3和S4样点均不存在显著性差异(P<0.05)。综上可知,淋溶作用的强弱导致矿质土壤中C、N由A层迁移至B层累积的通量不同,干扰了贡嘎山东坡针叶林矿质土壤C、N在海拔梯度上的分布。
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