1、不同植被条件下土壤团聚体中氮素分布特征研究1 立题依据土壤团聚体是土壤结构最基本的单元,是土壤的重要组成部分和土壤肥力的物质基础,对土壤的许多理化性质和生物学性质都有着重要影响。土壤氮是最易耗竭和限制植物生长的营养元素之一。林地长期持续的生产力来自于土壤营养的持续供应（Burton J, Chen C, Xu Z H, GhadiriH，2007） 。土壤中氮的形态包括有机氮和无机氮。有机氮是土壤中氮的主要部分，一般占土壤全氮量的 9298% ，土壤中的无机态氮主要包括铵态氮、硝态氮、亚硝态氮和氮气（袁可能，1983） 。土壤中的含氮有机物主要来自动植物残体、根分泌物以及微生物。土壤科学工作者
2、在研究土壤氮素方面做了大量工作，基本明确了土壤氮素转化及损失机理（李贵桐等 2002；催远来，2004） 。国内外在土壤氮库及其在土壤不同团聚体中分布研究也取得了显著进展，Christensen 等（Christensen B T，1998） ，发现，3 种土壤施用秸秆后其不同粒级团聚体中的含氮量发生了变化。研究表明土壤有机质和氮素的分解与积累有一定的相关性，不同肥料配合施用对土壤氮素盈亏分布有影响（马成泽等，1993） 。因此植被与土壤氮素的关系也愈来愈受到研究者的重视（Berendse F，1999） 。不同植被条件下的土壤环境不同，土壤结构和土壤养分含量也不同，因此系统研究岷江上游山地森
3、林-干旱河谷区不同植被条件下土壤团聚体中氮素分布将为探索和研究该区域土壤特征提供理论依据。同时结合土壤环境，揭示不同植被条件下土壤团聚体氮素的特征，将有助于我们了解土壤环境状况,对当地实现土壤的可持续利用具有重要的现实意义。2 国内外研究现状氮素是地球上生物的重要生源要素，长期以来人类一直从生物圈生态发展和满足人类食物需求的角度加以研究和利用，但是为了提供足够的氮素，人工是施加的氮素也对农田生态系统等造成了一定的污染合理的利用氮素是现代农业的必要手段（刘雪琴等，2006；刘宏斌，2006；杨玉慧，2006） ，因此自 20 世纪 70 年代以来，国内外对农业面源污染与氮素流失的研究一直是热点问
4、题（黄满湘， 2003） 。现在人们开始着眼于林地草地土壤氮素的各种研究，土壤氮素在林地草地植被恢复起着中重要作用（李裕元等， 2009） 。2.1 土壤团聚体土壤团聚体的形成是一个复杂的物理、化学及生物化学过程，详细的机理目前尚不完全清楚（文倩，2004）。纵观过去70a的研究结果，团聚体的形成主要有两种不同的观点。Elliott(1998)认为大团聚体首先形成，小团聚体再形成于大团聚体内部的有机质颗粒周围；或当有机质分解，大团聚体破碎后直接形成小团聚体。Tisdall(1994)和Lades(1991)认为大团聚体是微团聚体形成后在根系和菌丝的缠绕作用下形成的。可见，土壤颗粒的团聚是生命和
5、非生命物质共同作用的结果，即有机无机复合体是团聚体形成的基础）。土壤团聚体是土壤功能的重要指标，其稳定性是土壤生态系统的综合参数，是土壤对径流和侵蚀敏感性的有效指示因子。目前对于土壤团聚体的研究主要集中在黄土高原、西南土石山区及川中丘陵区等区域，对于岷江上游干旱河谷地区不同植被条件下土壤团聚体分布特征及其稳定性研究较少。郑子成等(2010)研究了不同土地利用方式下土壤团聚体中养分的分布特征，结果表明，不同土地利用方式下土壤团聚体均以 2 mm 粒径为主,0.5-0.25mm 粒径团聚体含量最少，不同土地利用方式下土壤有机碳,全氮、全磷、全钾,速效氮、速效钾在团聚体中的分布存在一定差异。何淑勤等
6、（2010）研究了在不同土地利用方式下土壤团聚体的分布及中其有机碳含量的变化，结果表明，不同土地利用方式下土壤团聚体的分布均以 2.00 mm 团聚体为主, 其它依次为0.51,1 2, 10mm 粒级的团聚体含量在020 和2040 cm 层次均较高,含量为331.4 525.6 g/ kg。随植被恢复年限增加,107、75、53、32、21 mm 粒级的团聚体绝对含量下降差异不明显（安韶山等，2008）。植被恢复后土壤有机质提高，促进了团聚体的形成，并提高了团聚体的稳定性（彭新华等，2003；王清奎等，2005）,同时团聚体稳定性是土壤的基本性质，反映了土壤肥力的高低（石辉，2006）。2
7、.2 土壤团聚体中的氮素土壤中的氮包括有机态和无机态两大类，其中 90%以上是有机态氮，无机态氮含量不到10%（郭群召，2004 ） 。根据对作物的有效性，土壤中的有机氮可分为两类，一类是植物难以利用甚至无效的氮，含量高达 80%，他们很稳定，难以被微生物分解。另一类是对植物有效的有机氮，这类氮存在于土壤中死的或活的生物体中，或刚从生物体中游离出来尚未被矿化，主要有蛋白质、核酸、氨基酸、酰胺和氨基糖，它们极容易被矿化，是土壤有效氮的主要来源。土壤中的无机氮包括 NO3-、NO2-和 NH4+， NH4+又包括交换态和固定态，其中不能被植物直接利用的固定态的 NH4+约占无机氮的 50%以上。所
8、以，植物可以直接利用的 NO3-、交换态 NH4+和极少量的小分子有机态氮，仅占全氮的 1%左右(张金波等,2004)。 氮是作物生长发育所需的生命元素，是构成生命物质蛋白质的主要成分，缺氮往往使植株生长速率变慢，植株变弱，茎杆细小，叶片小而黄，产量和品质降。植株吸收的氮素主要来自土壤和肥料，其中约有 50%来自土壤的氮素，某条件下甚至达 70%以上。氮素是作物需求量最大、必不可缺少的矿质元素，也是作物生产重的限制因子（王西娜，2008） 。旱地分期施用氮肥可以一定量的提高小麦产量和品质, 施氮水平对小麦植株氮素吸收、利用和籽粒产量、品质形成有很大的影响（王渭玲，1996;周筑南，2004）
9、。玉米秸秆肥配施化肥对土壤氮素的调节也有重要作用，同时在培养条件下，土壤中亚硝态氮主要来源于土壤硝化过程，且高浓度的亚硝态氮能在土壤中长时间累积（颜丽等，1992） 。我国 13 种主要土壤中硝态氮的“S”形曲线方程模拟得出，土壤最大硝化作用速率(Kmax)以黄绵土最高，其次是红油土，以砖红壤为最小。硝态氮累积达到最大需要的时间(t )以水稻土为最长，其0次是砖红壤和棕壤，以燥红土和淤灌土最小。亚硝态氮的峰值浓度以褐土最高，其次是淤灌土；黑土、黄壤和棕壤在培养过程中几乎未检测到亚硝态氮（鲍俊丹，2009） 。为了提供足够的氮素，人工是施加的氮素也对农田生态系统等造成了一定的污染，合理的利用氮素
10、是现代农业的必要手段（刘雪琴等，2006；刘宏斌，2006；杨玉慧，2006）同时，氮素存在循环。这一循环是开放的，它与大气和水体等外界环境进行着复杂的交换（朱兆良，1992） 。3 研究目标及内容3.1 研究目标本研究以岷江上游山地森林干旱河谷区不同植被条件下土壤为对象，开展不同植被条件下土壤团聚体中全氮及碱解氮的分布特征研究，弄清不同植被条件及不同土层土壤土各粒级团聚体中全氮及碱解氮含量的影响，以期为了解该区域的生态系统土壤特征及对生态环境的恢复与重建等方面提供一定依据。3.2 研究内容（1）不同植被条件下土壤各粒级团聚体中全氮的分布特征（2）不同植被条件下土壤各粒级团聚体中碱解氮的分布特
11、征（2）不同植被条件及不同土层对各粒级团聚体中全氮及碱解氮分布的影响4 研究方案4.1 研究区概况研究区域位于四川省西部理县干旱河谷的典型地带杂谷脑河支流，是典型的岷江上游山地森林/干旱河谷区域。该地区属于典型的高山峡谷区，地质结构属龙门山断裂带中段，平均海拔 2700m,是川西平原与青藏高原的过渡地带，气候具有明显干湿季、日温差大，属于山地季风气候，由于受西风急流南支、东南季风和西南季风的共同影响，加上复杂的地形、地貌和海拔高差，导致水热重组，垂直气候带明显具有典型的干旱河谷气候。土壤以旱生灌木草丛植被下发育的山地燥褐土为主，pH 值 7.48.4。由于当地的山地燥褐土土体中常夹着大量岩石硝
12、屑和游离碳酸钙，粗粉粒比重达 51.22%57.90%，土壤结构不良，结构紧实致密，故通气透水和蓄水肥性较差，使植物很难定居，进而加速生态环境的更加恶化。植被以旱生灌丛为主，为适应干燥环境。植物呈现丛生、根深、叶小、具刺、被毛、低矮或匍匐的性状，植物体部分或全部卷曲、肉质化、分泌挥发油等荒漠化半荒漠化特征,主要建群种有白刺花( Sophoradavidiana)、虎榛子( Ostryopsis davidiana)、铁杆蒿(Artemisiagmelinii)、川甘亚菊( Ajania potaninii)、光果莸( Caryopteristangutica)等。沿河谷逆流而上，植被类型分布出
13、现：乔木林-高灌木-矮灌木-半灌木-丘状矮小半灌木-半灌木-矮灌木-高灌木-乔木林。从两侧谷坡垂直往上，植被带谱也很清晰。由于受海拔高度的影响，理县干旱河谷区由低到高形成明显而完整的垂直植被带谱。4.2 样品的采集基于对研究区海拔、坡度、坡位、坡向、植被类型及土地利用方式等因素的调查，分别选择最具代表性区域，在每一个样地内按“S 形”布 5 点，分别采集 010cm，1020cm土层约 2kg 混合土样，装入硬质饭盒中带回实验室，自然风干后用来测定团聚体组成、数量及稳定性。另外，利用环刀和铝盒采集土壤，带回实验室以便测定土壤容重、总孔隙度、饱和含水量、毛管持水量等。4.3 测定的项目及方法4.
14、3.1 土壤团聚体土 壤 团 聚 体 采 用 沙 维 诺 夫 法 分 级 （ 干 筛 法 ） （ 中 国 科 学 院 南 京 土 壤 研 究 所 主 编 ，1978） ， 即 将 自 然 风 干 的 土 壤 除 去 植 物 残 体 及 小 石 块 后 ， 称 取 500 g 放 置 在 最 大 孔 径土 壤 筛 （ 5 mm） 上 面 ， 套 筛 下 面 土 壤 筛 孔 径 依 次 为 2、 1 、 0.5 和 0.25 mm， 底 层 放置 底 盒 ， 以 备 收 取 0.25 mm 团 聚 体 。 将 盛 土 套 筛 放 在 干 筛 振 荡 机 上 振 荡 5 min 后 ，从 上 至 下
15、 依 次 取 样 ， 称 重 ， 求 得 团 聚 体 组 成 。4.3.2 全氮称 取 风 干 土 样 （ 0.25mm） 约 1.0g（ 含 氮 约 1mg 左 右 ） ， 放 入 干 燥 的 50ml 开 氏 瓶中 ， 加 入 1.1g 混 合 催 化 剂 （ 硫 酸 钾 100g， 硫 酸 铜 10g 及 硒 1g， 分 别 研 磨 成 粉 ， 再 混合 均 匀 。 ） 注 入 3ml 浓 硫 酸 ， 摇 匀 ， 盖 上 小 漏 斗 ， 放 在 电 炉 上 ， 开 始 用 小 火 徐 徐 加 热 ，待 泡 沫 消 失 ， 再 提 高 温 度 （ 注 意 防 止 作 用 过 猛 ） ， 然
16、 后 微 沸 消 煮 ， 当 消 煮 液 呈 灰 白 色时 ， 可 加 高 温 度 ， 待 完 全 变 成 灰 白 稍 带 绿 色 时 ， 再 继 续 消 煮 1h。 消 煮 时 温 度 以 硫 酸在 瓶 内 回 流 的 高 度 约 在 瓶 颈 的 1/3 处 为 好 。 消 煮 完 毕 前 ， 需 仔 细 观 察 消 煮 液 中 及 瓶 壁是 否 还 存 在 黑 色 小 颗 粒 ， 如 有 ， 应 适 当 延 长 消 煮 时 间 ， 待 炭 粒 全 部 消 失 为 止 ； 取 下 开 氏瓶 ， 冷 却 。 然 后 用 凯 氏 定 氮 仪 测 定 消 解 液 中 的 氮 素 。 公 式 ：w（
17、 N） = 100mMcV30)（式 中 ： w（ N） 为 土 壤 全 氮 的 质 量 分 数 （ %） ； C为 硫 酸 标 准 溶 液 的 浓 度 （ mol/ L） ； V 为 土 壤 测 定 时 消 耗 时 硫 酸 标 准 溶 液 体 积 （ ml） ； m 为 土 样 质 量 （ g） ； 10 为 将 毫 升3（ ml） 换 算 成 升 （ L） 的 系 数 ； 100 为 换 算 成 百 分 含 量 。4.3.3 碱解氮碱解氮测定用碱解一扩散法(鲁如坤，1999)；称取风干土(过 1mm 筛)2.00 克，均匀铺在扩散皿外室，水平的轻轻旋转扩散皿，使样品铺平。在扩散皿的内室中加
18、入 2%的 H3B03指示剂 2m1，然后在皿的外室边缘上涂上碱性胶液，盖上毛玻璃，旋转至完全粘合。再慢慢转开毛玻璃的一边，使扩散皿露出一条小缝，从毛玻璃狭缝处迅速加入 10m1 1 molL-1 的 Na0H 溶液，立即盖严，用橡皮筋圈紧。随后放入 40 士 1恒温箱中，碱解扩散 24 士0.5 小时后取出（可以观察到内室应为蓝色） ，内室吸收液中的 NH3用 0.005M 或 0.0025M H2S04滴定，终点由蓝绿色转变至红紫色，记下所用去的标准酸量（毫升） 。同时进行空白试验。并做土壤含水量。公式：碱解氮（mgkg -1）= mNV3010.4)(式中：N 为 H2SO4标准溶液的浓
19、度；V 为样品测定时用去 H2SO4标准溶液的体积（ml） ；V 0为空白试验时用去 H2SO4标准溶液的体积（ml） ；14.0 为 N 的当量（mg） ；10 3为改换为mgkg-1的因数；M 为烘干样品质量（g） ；两次平行测定结果允许误差为 5 mgkg-1。4.4 技术路线采用野外调查与室内分析相结合的方法。查阅文献，搜集资料确定研究区域野外调查 土样采集气象资料调查 土壤资料调查 植被资料调查 不同植被条件土样采集（0-10cm,10-20cm）室内分析测定土壤团聚体土壤各粒级团聚体中全氮的含量不同植被条件下土壤团聚体中氮素分布特征土壤各粒级团聚体中碱解氮的含量技术路线图5、预期研
20、究结果（1）探明不同植被条件下土壤各粒级团聚体中全氮、碱解氮的分布特征（2）阐明不同植被条件下、不同土层对土壤各粒级团聚体中全氮、碱解氮分布的影响6、时间安排2011.042011.05 查阅相关文献2011.052011.07 采样及室内分析2011.072011.12 整理数据撰写论文7 参考文献1Berendse F，Implications of increased litter production for plantbiodiversityJ. Trend in Ecology and Evolution, 1999, 14(1): 4-5.2Burton J, Chen C, X
21、u Z H, GhadiriH. Soluble organic nitrogen pools in adjacent nativeand plantation forests of subtropicalAustraliaJ.SoBiology and Biochemistry, 2007, 39(11): 2723-2734.3Christensen B T,Olesen J E.Nitrogen mineralization potential of organomineral size separates from soils with annual strawincorporatio
22、nJ.European Journal of Soil Science,1998,49:25-36.4Elliott E T，Coleman D C Let the soil work for USJEcological Bulletins，1988，39：23-325Fisdall J M Possible role of soil microorganisrrks in aggregation insodJ.Plant soil,1994,117:145-153.6Oades J M，Waters AG Aggregate hierarchy in soilsJAuscrahia Jour
23、nal of soil Science,1991,29:815-828.7安韶山，张扬，郑粉莉.黄土丘陵区土壤团聚体分形特征及其对植被恢复的响应J.中国水土保持科学,2008,6(2):66-70.8鲍俊丹.土壤氮素硝化过程中亚硝态氮的累积及其影响因素研究D.杨凌：西北农林科技大学,2009.9陈晓飞,宁书菊,魏道智,等.氮素营养水平对水稻幼苗氮代谢的影响J.中国生态农业学报,2008,16(3): 571-575.10崔远来,李远华,吕国安,等.不同水肥条件下水稻氮素运移与转化规律研究J.水科学进展,2004,15:280-285.11戴全厚,刘国彬,薛萐,等.侵蚀环境退耕撂荒地水稳性团聚体
24、演变特征及土壤养分效应J.水土保持学报,2007,21(2):61-64.12郭群召.氮及土壤氮素矿化对烘抄因生长及品质的影响D.郑州:河南农业大学，2004.13何淑勤,郑子成.不同土地利用方式下土壤团聚体的分布及其有机碳含量的变化J.水土保持通报,2010,3（1）：8-10.14黄满湘,章申,张国梁.模拟人工降雨条件下对北京农田氮素流失的研究J.地理学报,2003,58(1):14715.15巨晓棠,刘学军,张福锁.尿素与 DCD 和有机物料配施条件下氮素的转化和去向J.中国农业科学,2002,35:181-186.16李贵桐,赵紫娟,黄元仿,李保国.秸秆还田对土壤氮素转化的影响J.植物
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26、中国农业科技出版社M.1999:106-185.1马成泽,何方.不同肥料配合施用对土壤氮素盈亏分布的影响J.安徽农业大学学报，1993.20(2):133-139.22彭新华，张斌，赵其国.红壤侵蚀裸地植被恢复及土壤有机碳对团聚体稳定性的影响J.生态学报，2003,23（10）:2177-2183.23石辉.转移矩阵法评价土壤团聚体的稳定性J.水土保持通报,2006,26（3）:92-95.24王清奎，汪思龙.土壤团聚体形成与稳定机制及影响因素J.土壤通报,2005,36（3）:416-421.25王渭玲.旱地分期施用氮肥对小麦产量和品质的影响J.干旱地区农业研究,1996,14（2）:414
27、4.26王西娜.西北旱地残留氮的作物利用及覆盖土壤有机氮研究D.西安:西北农林科技大学,2008.27文倩，关欣.土壤团聚体形成的研究进展J.干旱区研究，2004,21（4）：435-438.28颜丽,张伯泉.玉米秸秆肥配施化肥对土壤氮素的调节作用J.沈阳农业大学学报,1992,23(Z09):17-22.29杨玉惠,张仁陟.黄土高原半干旱地区施氮对土壤硝态氮分布与累积的影响J.甘肃农业大学学报,2006,12(6):102-107.30宇万太,沈善敏,张璐,等.黑土开垦后水稳性团聚体与土壤养分的关系J.应用生态学报, 2004,15(12):2287-2291.31袁可能.植物营养元素的土壤化学M.北京科学出版社,1983:21-76. 32詹风,刘雪琴,孟涛,等.氮素对农田生态系统的污染现状及对策J.陕西农业科学,2006,(1):45-65.33张金波,宋长春.土壤氮素转化研究进展J.吉林农业科学,2004,29(1):38-43,46.34郑子成,何淑勤,王永东,等.不同土地利用方式下土壤团聚体中养分的分布特征J.水土保持学报.2010,24（3）：171-174.35中国科学院南京土壤研究所主编.土壤理化分析M.上海科学技术出版社,1978:514-518.36朱兆良.我国农业生态系统中氮素的循环和平衡M,南京:江苏科学技术出版社.1992:288-303.
