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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 4 期摇 摇 2012 年 2 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
围垦对南汇东滩湿地大型底栖动物的影响 马长安,徐霖林,田摇 伟,等 (1007)…………………………………
基于 ArcView鄄WOE的下辽河平原地下水生态系统健康评价 孙才志,杨摇 磊 (1016)…………………………
京郊典型集约化“农田鄄畜牧冶生产系统氮素流动特征 侯摇 勇,高志岭,马文奇,等 (1028)……………………
不同辐射条件下苹果叶片净光合速率模拟 高照全,冯社章,张显川,等 (1037)…………………………………
藏北高原典型植被样区物候变化及其对气候变化的响应 宋春桥,游松财,柯灵红,等 (1045)…………………
祁连山中段林草交错带土壤水热特征及其对气象要素的响应 唐振兴,何志斌,刘摇 鹄 (1056)………………
祁连山青海云杉林冠生态水文效应及其影响因素 田风霞,赵传燕,冯兆东,等 (1066)…………………………
呼伦贝尔沙地樟子松年轮生长对气候变化的响应 尚建勋,时忠杰,高吉喜,等 (1077)…………………………
结合激光雷达分析上海地区一次连续浮尘天气过程 马井会,顾松强,陈摇 敏,等 (1085)………………………
福建中部近海浮游动物数量分布与水团变化的关系 田丰歌 ,徐兆礼 (1097)…………………………………
香港巨牡蛎和长牡蛎幼虫及稚贝的表型性状 张跃环,王昭萍,闫喜武,等 (1105)………………………………
东海原甲藻与中肋骨条藻的种间竞争特征 李摇 慧,王江涛 (1115)………………………………………………
起始生物量比对 3 种海洋微藻种间竞争的影响 魏摇 杰,赵摇 文,杨为东,等 (1124)……………………………
不同磷条件下塔玛亚历山大藻氮的生态幅 文世勇,宋琍琍,龙摇 华,等 (1133)…………………………………
秦岭天然次生油松林冠层降雨再分配特征及延滞效应 陈书军,陈存根,邹伯才,等 (1142)……………………
伊犁河谷北坡垂直分布格局及其与环境的关系———一种特殊的双峰分布格局
田中平,庄摇 丽,李建贵 (1151)
…………………………………
…………………………………………………………………………………
濒危种四合木与其近缘种霸王水分关系参数和光合特性的比较 石松利,王迎春,周红兵,等 (1163)…………
干旱胁迫下黄土高原 4 种乡土禾草抗氧化特性 单长卷,韩蕊莲,梁宗锁 (1174)………………………………
施加角担子菌 B6 对连作西瓜土壤微环境和西瓜生长的影响 肖摇 逸,王兴祥,王宏伟,等 (1185)……………
内蒙古典型草原区芨芨草群落适生生境 张翼飞,王摇 炜,梁存柱,等 (1193)……………………………………
盐渍化灌区土壤盐分的时空变异特征及其与地下水埋深的关系 管孝艳,王少丽,高占义,等 (1202)…………
黄土高原水蚀风蚀交错区坡地土壤剖面饱和导水率空间异质性 刘春利,胡摇 伟,贾宏福,等 (1211)…………
松嫩平原玉米带农田土壤氮密度时空格局 张春华,王宗明,居为民,等 (1220)…………………………………
小麦冬性强弱评价体系的建立 王摇 鹏,张春庆,陈化榜,等 (1230)………………………………………………
唐家河自然保护区高山姬鼠和中华姬鼠夏季生境选择的比较 黎运喜,张泽钧,孙宜然,等 (1241)……………
西花蓟马在 6 种蔬菜寄主上的实验种群生命表 曹摇 宇,郅军锐,孔译贤 (1249)………………………………
同位素富集鄄稀释法研究食性转变对鱼类不同组织 N同位素转化率的影响
曾庆飞,谷孝鸿,毛志刚,等 (1257)
……………………………………
……………………………………………………………………………
基于生态网络分析的南京主城区重要生态斑块识别 许文雯,孙摇 翔,朱晓东,等 (1264)………………………
珠三角城市绿地 CO2通量的季节特征 孙春健,王春林,申双和,等 (1273)………………………………………
污染场地地下水渗流场模拟与评价———以柘城县为例 吴以中,朱沁园,刘摇 宁,等 (1283)……………………
专论与综述
湿地退化研究进展 韩大勇,杨永兴,杨摇 杨,等 (1293)……………………………………………………………
绿洲农田氮素积累与淋溶研究述评 杨摇 荣,苏永中,王雪峰 (1308)……………………………………………
问题讨论
抗辐射菌 Deinococcus radiodurans的多样性 屠振力,方俐晶,王家刚 (1318)……………………………………
平茬措施对柠条生理特征及土壤水分的影响 杨永胜,卜崇峰,高国雄 (1327)…………………………………
研究简报
祁连山典型灌丛降雨截留特征 刘章文,陈仁升,宋耀选,等 (1337)………………………………………………
野生鸭儿芹种子休眠特性及破除方法 喻摇 梅,周守标,吴晓艳,等 (1347)………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*348*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*36*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄02
封面图说: 遗鸥群飞来———遗鸥意即“遗落之鸥冶(几乎是最后才被发现的新鸥种,因此得名)。 1931 年,瑞典动物学家隆伯格
撰文记述在中国额济纳采到了标本。 1987 年,中国的鸟类学家在鄂尔多斯的 桃力庙获得了一对遗鸥的标本 。 1990
年春夏之交,发现了湖心各岛上大量的遗鸥种群。 近年来的每年夏季,大约全球 90%以上的遗鸥都会 到陕西省神
木县境内的沙漠 淡水湖鄄红碱淖上聚集。 遗鸥———国家一级重点保护、CITES附录一物种。
彩图提供: 陈建伟教授摇 国家林业局摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 4 期
2012 年 2 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 4
Feb. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:全球变化研究重大科学研究计划(2010CB950702);江苏省研究生创新项目(CXZZ11_0033);国家自然科学基金项目(40930527,
40901096)
收稿日期:2010鄄12鄄23; 摇 摇 修订日期:2011鄄06鄄27
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: juweimin@ nju. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201012231834
张春华,王宗明,居为民,任春颖.松嫩平原玉米带农田土壤氮密度时空格局.生态学报,2012,32(4):1220鄄1229.
Zhang C H, Wang Z M, Ju W M, Ren C Y. Spatial and temporal variations of total nitrogen density in agricultural soils of the Songnen Plain Maize Belt.
Acta Ecologica Sinica,2012,32(4):1220鄄1229.
松嫩平原玉米带农田土壤氮密度时空格局
张春华1,王宗明2,居为民1,*,任春颖2
(1. 南京大学国际地球系统科学研究所,南京摇 210093;2. 中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春摇 130012)
摘要:基于 1980 年吉林省第二次全国土壤普查剖面资料和 2003—2006 年的实测数据,估算了松嫩平原玉米带不同土壤类型农
田表层(0—20 cm)土壤氮密度和储量,分析了该地区土壤氮密度的 25a时空变化特征及其原因。 结果表明,两个时期松嫩平原
玉米带农田土壤氮密度的空间分布格局基本一致,中部高、边缘低,平均土壤氮密度变化不大,均为 0. 31 kg / m2,但 25 a间不同
土壤类型和土地利用方式的土壤氮密度变化趋势存在差异,暗棕壤、水稻土和沼泽土的氮密度上升,其它类型土壤的氮密度不
变或下降,旱田的氮密度不变,水田的氮密度明显下降,25 a间研究区内的农田土壤总氮储量每年减少 7. 6伊105 kg。 25 a 间土
壤氮密度的变化与 1980 年的初始值负相关,土壤氮密度的新稳定状态值为 0. 32 kg / m2。 如保持 1980 年的土地利用方式和栽
培耕作措施不变,该地区农田土壤总固氮潜力为 5. 18伊106 kg / a。 但实际上,与固氮潜力相比,2005 年该区农田土壤总氮储量偏
低了 1. 20伊108 kg。 因此,今后该区应多注重肥料的合理施用,加强农田管理,尤其是旱田改水田的管理。
关键词:氮密度; 时空变化; 农田土壤; 松嫩平原玉米带
Spatial and temporal variations of total nitrogen density in agricultural soils of the
Songnen Plain Maize Belt
ZHANG Chunhua1, WANG Zongming2, JU Weimin1,*, REN Chunying2
1 International Institute for Earth System Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China
2 Northeast Institute of Geography and Agricultural Ecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130012, China
Abstract: Nitrogen is a major nutrient for all living organism on Earth and plays a central role in regulating the
composition, structure, and function of ecosystems. Most nitrogen within terrestrial ecosystems is stored in soil organic
matter. Total nitrogen in soils is mostly correlated with soil organic carbon content. The enrichment experiments of carbon
dioxide further indicate that nitrogen limitation directly influences carbon sequestration by terrestrial ecosystems. Increased
nitrogen availability normally increases productivity and biomass accumulation in ecosystems. However, few studies have
been conducted to calculate soil nitrogen density and storage and to analyze its tempo鄄spatial variations in the Songnen Plain
Maize Belt.
Based on the second national soil survey of Jilin Province conducted around 1980 and field measurements of nitrogen
density taken in years from 2003 to 2006, this study was devoted to calculate the density and total storage of nitrogen in top
soils (0—20 cm) of the Songnen Plain Maize Belt and investigate the spatial and temporal variations of nitrogen density and
possible underlying factors during the period from 1980 to 2005, including land鄄use types, original nitrogen content, and
soil organic carbon changes. The totals of soil nitrogen storage were (40. 47 依 1. 67)伊108kg and (40. 28 依 1. 35)伊108kg
in 1980 and 2005, respectively. The spatial patterns of soil total nitrogen density were similar in 1980 and 2005, higher in
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the centre and lower in the edge parts. The average of soil total nitrogen density over the entire study area changed only
marginally in 25 years, about 0. 31 kg / m2 in 1980 and 2005. However, the changes of soil total nitrogen density in 25 years
varied with soils and land use types. Soil total nitrogen density increased in dark brown, paddy, and boggy soils. It did not
change or even decreased in other soil types. Soil total nitrogen density changed a little in dry lands while it decreased
obviously in paddy lands. The annual decrease rate of total nitrogen storage in top soils was 7. 6伊105 kg / a. The change of
soil total nitrogen density in 25 years was negatively correlated with its initial value in 1980, but positively correlated with
the change of soil organic carbon density. Soil nitrogen sequestration potential was generally defined as the difference
between the equilibrium value of soil nitrogen storage and its initial value. The new equilibrium value of soil total nitrogen
density was 0. 32 kg / m2 in the study area. Without changes in land use and management after 1980, the soils of croplands
in the study area has a potential of annually sequestrating nitrogen at the rate of 5. 18伊106kg / a. However, the total nitrogen
storage in 2005 was 1. 2伊108 kg lower than the potential of nitrogen sequestration. Actually, the application of nitrogenous
fertilizer increased in the past 25 years according to the census data of Jilin Province. Therefore, reasonable fertilization
should be practiced in this area. The management of croplands should be enhanced, especially for paddy lands converted
from uplands.
Key Words: soil total nitrogen density; spatial and temporal variations; agricultural soils; Songnen Plain Maize Belt
土壤全氮是土壤质量中重要的指标之一,也是陆地土壤氮库的重要组成部分,它不仅反映土壤肥力水平,
也印证区域生态演变规律和生态建设的基本成果[1]。 有研究证明氮素的缺乏直接影响陆地生态系统碳的固
定[2鄄5]。 陆地生态系统中的氮多数以有机质形式存储,它对人类活动、肥料、土地利用变化和气候变化尤其敏
感[6鄄9]。 土壤氮储量的微小变化就能使生态系统发生氮“汇鄄源冶或“源鄄汇冶的转变,对全球生物地球化学循环
产生重要影响[10鄄12]。
松嫩平原玉米带位于吉林省中部,是东北地区乃至国家重要的玉米生产基地。 多年来,大面积连种玉米,
种植结构单一,土地退化严重,生态系统的能量转化和物质循环受到干扰。 刘纪远等[13]基于全国 2473 个土
壤剖面资料,利用 IPCC 方法对东北地区农田土壤氮蓄积量研究发现,该区表层土壤(0—30 cm)氮蓄积量呈
增加趋势。 而杨学明等[14]对吉林省长春、榆树、德惠、九台、双阳和公主岭等地 27 个样点的分析指出,1980—
2002 年间土壤全氮含量有增有减,但平均水平无明显变化。 然而,上述两者的研究中均存在一定的局限性,
刘纪远等的研究尺度较大、精度偏低;而杨学明等的研究土壤采样点较少,同样致使精度不高。 松嫩平原玉米
带农田土壤氮储量过去 20 余年来到底发生了多大变化? 其空间分布特征如何? 在本地区的大气氮循环中是
“源冶还是“汇冶? 弄清这些问题,不仅能为松嫩平原玉米带土壤氮储量的精确估算提供详实的数据资料,而且
为区域土壤氮源 /汇分布图的绘制工作和土壤固氮能力的评估提供数据参考。
本文利用吉林省第二次土壤普查的省、县级农田土壤全氮含量数据和 2003—2006 年定位采样数据,分析
松嫩平原玉米带农田土壤氮密度及其时空变化特征,并对其变化原因展开讨论。
1摇 材料与方法
1. 1摇 研究区概况
松嫩平原是北方春玉米的主要分布区,在这一带区域玉米种植主要分布在南起公主岭、长春、北起齐齐哈
尔绥化一线,跨度约为北纬 43. 0毅—47. 0毅,是我国的重点粮食生产基地和商品粮基地,玉米种植面积占耕地
面积的 80%左右,成为我国主导玉米种植区,玉米种植也是该区域农民收入的主要来源。 本文所选的松嫩平
原玉米带位于北纬 43毅11忆27义—44毅55忆,东经 124毅10忆31义—126毅30忆之间,包括德惠、公主岭、九台、农安 4 个市
县,土地总面积 16423 km2(图 1)。 地带性土壤为黑土和黑钙土;年平均降水量为 480—600 mm,>10 益积温
2850—3150 益,无霜期 130—150 d。 这里雨、热同季,夏季高温湿润,昼夜温差大,光、热资源丰富,土地平坦,
土壤肥沃,非常适合玉米的生长发育,有利于玉米的高产稳产。 如今,该地区已逐渐形成了以玉米为主的商品
1221摇 4 期 摇 摇 摇 张春华摇 等:松嫩平原玉米带农田土壤氮密度时空格局 摇
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粮基地,得天独厚的自然条件和先进的玉米科学技术造就了闻名于世的玉米带[15鄄16]。
松嫩平原玉米带
松嫩平原县级区划
东北地区行政区划
图例
图 1摇 松嫩平原玉米带在东北地区的位置图
Fig. 1摇 Location of Songnen Plain Maize Belt in Northeast China
1. 2摇 数据源
1. 2. 1摇 土壤普查数据
松嫩平原玉米带第二次全国土壤普查数据资料主
要为 20 世纪 80 年代土壤普查办公室和 90 年代末吉林
省土壤肥料总站出版或编制的书籍与手册,包括:《吉
林土种志》 [17]、《吉林土壤》 [18]、《农安县土壤志》 [19]、
《德惠县土壤志》 [20]、《九台县土壤志》 [21]、《公主岭市
土壤志》 [22],共收集 382 个土壤剖面,其中农田土壤剖
面点有 334 个(图 2)。 数据类型分为描述性指标和数
值型指标,描述性指标有土壤类型名称、土地利用类型、
土壤剖面代码、采样地点;数值型指标包括发生层深度
(cm)、容重(g / cm3)和全氮含量(% )。 吉林省全国第
二次土壤普查时间为 1979—1982 年,界定为 1980 年。
图 2摇 松嫩平原玉米带 1980 年和 2005 年农田土壤剖面点分布图
Fig. 2摇 Distribution maps of agricultural soil sampling sites in 1980 and 2005
1. 2. 2摇 土壤样品采集与分析
本研究采用的近期土壤性质实测数据来源于吉林
省土壤肥料总站于 2003—2006 年(界定为 2005 年)开
展的县级耕地地力调查与质量评价项目工作成果。 本
研究选取了农安县、德惠市、九台市和公主岭市的土壤
样本数据。 研究中布点及采样方法遵循全国耕地地力
调查与质量技术规程,为尽量避免施肥对样品的影响,统一在作物收获后取样。 2003—2006 年,在研究区的
主要农业用地上,兼顾代表性和均匀性,原则上每 10 km2取一个点,并参照全国第二次土壤普查农安县、德惠
市、公主岭市和九台市土壤主剖面点位,选取了 1460 个采样点(图 2)。 旱田的采样深度为 0—20 cm,水田的
采样深度为 0—15 cm。 所有土壤样品在充分混合后,四分法留取 1. 5 kg 装入袋中,采用环刀法测定土壤容
重。 土袋附带标签,在标签上填写样品类型、野外编号、采样地点、深度、时间、采样人等。 回到室内,将土壤样
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品进行风干、研磨、过 100 目筛。 采用凯氏法测定土壤全氮含量。
图 3摇 松嫩平原玉米带土壤类型图
Fig. 3摇 Soil types map of the Songnen Plain Maize Belt
1. 2. 3摇 土壤空间数据
土壤专题图形数据为 1 颐50 万吉林省土壤图(源自
《吉林省国土资源地图集》),此图生成于 80 年代末吉
林省土壤普查,其分类系统是对照《全国第二次土壤普
查分类系统》经多次修改,制定了《吉林省土壤分类系
统》。 首先将图集中的吉林省土壤类型图扫描输入计
算机,然后用松嫩平原玉米带边界切出研究区土壤类型
图,最后以 1颐50 万的松嫩平原玉米带行政区图为底图,
对该区土壤类型图进行投影转换和几何校正,再利用
ERDAS IMAGINE 软件对其进行矢量化。 经拓扑重建
和人工修改,形成 coverage 格式文件,为该文件建立新
的属性,对照原图进行属性赋值,从而形成玉米带土壤
类型矢量图,如图 3 所示。 根据土壤普查成果和松嫩平
原玉米带土壤类型图,该区土壤共包括 13 个土类、27
个亚类和 202 个土种。
1. 2. 4摇 土地利用类型图
考虑到土壤理化性质的获取时间分别为 1980 年和
2005 年,拟选择这两个年代作为土地利用变化分析的
起止时间,但由于缺少 1980 年的遥感影像数据,本研究改用东北地区 1986 年的土地利用矢量数据,该数据来
自中国科学院资源环境科学数据中心沼泽湿地与东北数据分中心,源数据采自 TM 卫星遥感影像,空间分辨
率为 30 m。 2005 年源数据为中巴卫星遥感数据,从中国资源卫星应用中心网站下载(http: / / www. cresda.
com / ),分辨率为 20 m。 需要 6 景影像拼接覆盖整个松嫩平原玉米带,轨道号分别为 365 / 50、365 / 51、366 / 50、
366 / 51、367 / 50、367 / 51。 影像的获取时间为 2005 年 9 月,影像上基本无云覆盖,清晰度较高。
通过对遥感影像进行预处理、几何纠正、图像镶嵌拼接和裁剪等工作,根据研究区特点和分析精度的要
求,参照《土地利用现状调查技术规程》 [23]和《中国资源环境遥感宏观调查与动态研究》 [24],将研究区土地利
用类型分为农田、林地、草地、水域、居民工矿用地和未利用地等六大类,其中农田分为旱田和水田,并建立土
地利用数据库,数据以 Coverage格式存储。
1. 3摇 土壤氮密度及储量估算
目前关于土壤氮储量的估算方法有两种:一是 C / N比转化方法,即通过给定 C / N比的有机碳储量计算氮
储量[25];二是用测定的土壤剖面全氮含量估算土壤氮储量[26鄄30]。 鉴于数据限制,本研究选用后一种方法,对
20 cm土层深度的全氮分析。 由于松嫩平原玉米带为平原区,表层土壤>2 mm粒径的颗粒可以忽略不计。 土
壤表层氮密度及储量的估算模型如下:
Nd = H 伊 B 伊 TN / 10 (1)
Ns =移
n
i = 1
Si 伊 Ndi (2)
式中,Nd为土壤氮密度(kg / m2);H为土层厚度(20 cm);B为容重(g / cm3);TN为全氮含量(% );Ns 为土壤氮
储量(kg);Si为第 i个土壤亚类的面积;n为土壤亚类数;Ndi为第 i个土壤亚类的氮密度。
由于第二次土壤普查数据按照土壤发生层深度取样,2005 年实测数据基于不同土地利用方式采样,为使
两期土壤有机碳估算结果之间进行对比和分析,研究时将土层深度归一化为 20 cm。 对于>20 cm的部分,可
以直接不予计算;对于<20 cm的部分,取 20 cm的所有土层的加权属性数值,2005 年水田土壤氮密度直接用
3221摇 4 期 摇 摇 摇 张春华摇 等:松嫩平原玉米带农田土壤氮密度时空格局 摇
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15cm深度进行计算。 至于土壤容重数据的处理,采用解宪丽等[31]的方法。
25 a间土壤氮密度的变化可用相对变化量表示,其计算公式为:
驻SND相对 =
SND(B) - SND(A)
SND(A)
伊 100% (3)
式中,SND(A)和 SND(B)分别为 1980 年和 2005 年土壤氮密度。
1. 4摇 数据统计与空间分析
空间数据处理与分析用 ArcGIS9. 2 进行空间叠加、代数运算、面积统计和制图。 对 1980 年和 2005 年土
壤采样点的氮密度用 SPSS13. 0 软件进行基本统计分析和单因素方差分析(One鄄Way ANOVA)。 用 ArcGIS9郾 2
软件分析土壤氮密度的时空分布,首先从两期土地利用类型图上将农田土地利用类型提取出来,然后分别与
土壤类型图进行叠加,获得两期农田土壤图,然后用估算出的氮密度,代表农田土壤图上相应图斑单元(即土
种)的氮密度,在 GIS软件支持下,绘制 1980 年和 2005 年土壤氮密度分布图,然后将两期土壤氮密度分布图
进行叠加,再通过土壤氮密度相对变化量公式(3)进行计算,获得近 25 a农田表层土壤氮密度相对变化图。
2摇 结果与分析
2. 1摇 土壤氮密度及储量估算
在估算土壤氮密度及储量时,由于某些土类采样点太少,因此进行土类的归并,将白浆土归入草甸土、碱
土归入盐土、泥炭土归入沼泽土,棕壤归入暗棕壤。 土类包括 9 种:暗棕壤、草甸土、风沙土、黑钙土、黑土、水
稻土、新积土、盐土、沼泽土。 利用 1颐50 万土壤图统计的松嫩平原玉米带农田土壤分布面积为 12961郾 32 km2,
根据土壤类型法估算 1980 年和 2005 年土壤氮储量分别(40. 47依1. 67)伊108kg 和(40. 28依1. 35) 伊108kg,面积
加权平均氮密度均为(0. 31依0. 01)kg / m2(表 1)。 各土壤类型中,草甸土、风砂土和盐土的氮密度有所降低,
黑钙土、黑土和新积土基本未变,暗棕壤、水稻土和沼泽土有所增加,其中以沼泽土增加幅度较大,达 28% 。
总体而言,松嫩平原玉米带耕层土壤氮储量是减少的,每年减少 7. 6伊105kg,说明近 25 a 来,该区耕层土壤起
到了弱氮源功能。
表 1摇 不同时期各土壤类型氮密度和储量
Table 1摇 Soil total nitrogen density and storage of different soil types in 1980 and 2005
土壤类型
Soil group
面积
Area
/ km2
1980
样点
Number
密度
Density
/ (kg / m2)
储量
Storage
/ (伊108kg)
2005
样点
Number
密度
Density
/ (kg / m2)
储量
Storage
/ (伊108kg)
暗棕壤 Dark鄄brown earths 205. 36a 8 0. 26依0. 01b 0. 53依0. 02 29 0. 32依0. 01 0. 66依0. 02
草甸土 Meadow soils 2999. 24 99 0. 33依0. 01 9. 90依0. 31 348 0. 32依0. 01 9. 60依0. 30
风砂土 Aeolian soils 903. 59 19 0. 28依0. 02 2. 53依0. 18 101 0. 27依0. 01 2. 44依0. 09
黑钙土 Chernozems 3600. 06 82 0. 31依0. 01 11. 16依0. 36 389 0. 31依0. 01 11. 16依0. 36
黑土 Black soils 3749. 11 89 0. 31依0. 01 11. 62依0. 37 412 0. 31依0. 01 11. 62依0. 37
水稻土 Paddy soils 192. 55 13 0. 33依0. 04 0. 64依0. 08 29 0. 35依0. 02 0. 67依0. 04
新积土 Alluvial soils 1037. 37 18 0. 31依0. 02 3. 22依0. 21 125 0. 31依0. 01 3. 22依0. 10
盐土 Solonchaks 175. 40 3 0. 34依0. 06 0. 60依0. 11 21 0. 32依0. 03 0. 56依0. 05
沼泽土 Bog soils 98. 63 3 0. 28依0. 04 0. 28依0. 04 6 0. 36依0. 01 0. 36依0. 01
合计 Total 12961. 32 334 0. 31依0. 01 40. 47依1. 67 1460 0. 31依0. 01 40. 28依1. 35
摇 摇 a: 通过 1颐50 万土壤图获得;b:土壤氮密度依SE
松嫩平原玉米带 9 个土类中,黑土、黑钙土和草甸土占整个研究区土壤总面积的 79. 84% ,1980 年和 2005
年土壤氮储量分别占研究区农田土壤氮储量的 81. 13%和 80% ,但其密度均不是最大的,这主要与土壤类型
分布面积有关。 除此外,新积土因具有较大的氮密度和分布面积,其氮储量也较大,分别为(3. 22依0. 21)伊108
kg和(3. 22依0. 10)伊108kg,占整个研究区氮储量的 7. 99%和 7. 96% ,与其面积所占百分比基本一致。 暗棕
壤、水稻土、沼泽土和盐土因其分布面积较小,其土壤氮储量较小。 通过以上分析可知,松嫩平原玉米带不同
土壤类型氮储量的变化趋势基本一致,在土壤氮密度变化不大的情况下,土壤氮储量大小主要受其分布面积
4221 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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影响。
2. 2摇 土壤氮密度时空分布
图 4 是 1980、2005 年农田土壤氮密度分级图和近 25 a 来土壤氮密度相对变化量图。 可以看出,1980 年
土壤氮密度分布在 0. 20—0. 30 kg / m2和 0. 30—0. 40 kg / m2范围内的比例最大,分别占松嫩平原玉米带农田土
壤总面积的 30. 21%和 51. 39% ;分布在 0. 50—0. 75 kg / m2范围内的比例最小,仅占 3. 15% ,沿伊通河分布。
与 1980 年相似,2005 年分布在 0. 20—0. 30 kg / m2和 0. 30—0. 40 kg / m2范围内的比例最大,分别占研究区农
田土壤总面积的 37. 39%和 42. 15% ;分布在 0. 50—0. 85 kg / m2范围内的比例最小,仅为 2郾 00% ,沿伊通河零
星分布,在公主岭市南部也有分布。 2005 年土壤氮密度的空间分布状况与 1980 年的格局基本相似,总体上
保持中部地区较高、边缘地区较低的分布特征。 从 25 a的相对变化可以直观地看出有大多数(56. 20% )的农
田土壤氮密度呈减少趋势。
0 50 km 0 50 km 0 50 km
0.08—0.200.20—0.300.30—0.400.40—0.500.50—0.75
非农田
0.07—0.200.20—0.300.30—0.400.40—0.500.50—0.85
非农田
-76—00—2020—8080—200
>200
非农田
土壤氮密度分级/(kg/m2)1980年 土壤氮密度分级/(kg/m2)2005年 25a相对变化量/%
图 4摇 1980 年和 2005 年农田土壤氮密度分级图和 25 a来相对变化量图
Fig. 4摇 Spatial distribution maps of soil total nitrogen density in 1980 and 2005 and relative changes
3摇 讨论
3. 1摇 氮密度变化与农田用地类型的关系
土壤中全氮包括可供作物直接吸收利用的矿物质氮、易矿化有机氮和不易矿化的有机氮及晶格固定的
铵[32]。 由于 1980 年和 2005 年土壤采集时,绝大多数都记录了样点的土地利用方式,对没有记录土地利用方
式的,将两期采样点分布图与相应时期的土地利用类型图叠加获得。 为避免不同土地利用类型斑块面积对土
壤氮密度的影响,本研究采用算术平均值作为旱田和水田土壤的氮密度。 1980 年和 2005 年旱田和水田土壤
的氮密度方差分析表明(表 2),2005 年农田土壤氮密度较 1980 年变化不显著(P<0. 05),旱田土壤氮密度未
发生显著变化,而水田土壤氮密度显著减少。 自 20 世纪 80 年代以来,该区化肥使用量增加,作物秸秆还田,
使旱田土壤氮密度维持在一个相对高的水平。 水田土壤氮密度的降低,一方面是由于 2005 年水田土壤取样
深度为 15 cm,致使估算出的土壤氮密度偏低;另一方面可能与过去低洼地以旱田为主,改水田后,土壤氮积
累需要一段时间[33鄄34]。
表 2摇 旱田和水田土壤氮密度方差分析
Table 2摇 Variance analysis of soil total nitrogen density of various farmlands / (kg / m2)
年份 Year 旱田 Uplands 水田 Paddy lands 平均 Mean
1980 0. 31 0. 41 0. 31
2005 0. 31 0. 34 0. 31
F 0. 206 4. 405 0. 020
Sig. 0. 650 0. 040 0. 889
摇 摇 P<0. 05
5221摇 4 期 摇 摇 摇 张春华摇 等:松嫩平原玉米带农田土壤氮密度时空格局 摇
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3. 2摇 氮密度变化和初始值的关系
图 5摇 近 25 a间土壤氮密度相对于 1980 年的变化
摇 Fig. 5 摇 Empirical relationships between the relative changes in
soil total nitrogen density and its original value in 1980
土壤氮的变化除了受外界环境的影响外,还与其自
身性质密切相关。 土壤氮密度初始值是影响其变化趋
势的重要因素之一。 从图 5 可以看出,近 25 a 来松嫩
平原玉米带土壤氮密度的变化与 1980 年氮密度的初始
值呈相反变化,即初始值越高时,氮损失越大;初始值越
低时,其增加潜力越大。 这种特征与松嫩平原玉米带农
田土壤氮密度变化的空间分布相一致,即在公主岭市西
部和东部、德惠市中部氮密度高的区域下降,而在土壤
氮密度较低的农安县西部、德惠市中部则上升。 这可能
与土壤贫瘠地区往往需要投入更多的肥料和更加精细
的管理以提高产量有关;而本底值高的地区人们更依赖
于土地原始较高的地力而轻视了投资与投入,致使土壤
养分流失[35]。
当初始值达到某一值时,年变化量为零,此时土壤
氮密度达到一个动态平衡,该值为平衡值,即在一定条
件下土壤氮素达到了饱和状态。 当初始值高出平衡值时,土壤氮密度出现负增长。 同定义土壤固碳潜力相
似[1, 36鄄38],将土壤氮库的平衡值和其初始值之差定为固氮潜力。 从图 5 中可以获得土壤氮损失量为零时的氮
密度为 0. 32 kg / m2,也就是松嫩平原玉米带农田土壤氮密度可以达到的新稳定状态时的值。 由表 1 知,松嫩
平原玉米带 1980 年农田土壤氮密度为 0. 31 kg / m2,农田土壤面积为 12961. 32 km2。 因此,该区农田土壤的氮
汇潜力为 5. 18伊106kg / a。 但实际估算的 1980 年和 2005 年的总土壤氮储量分别为(40. 47依1. 67) 伊108 kg 和
(40. 28依1. 35)伊108kg,这意味着在 1980 年的气候条件和栽培耕作措施下,到 2005 年松嫩平原玉米带农田土
壤要增加氮素 1. 20伊108kg才能达到一种相对稳定的平衡状态。
3. 3摇 碳密度变化和氮密度变化的关系
土壤有机碳与全氮有密切关系[39鄄40]。 松嫩平原玉米带农田土壤有机碳密度的时空变化见文献[41],从
1980 年(334 个)和 2005 年(1460 个)土壤采样点数据中选择 234 个样点进行配对,分析近 25 a的土壤有机碳
密度变化和氮密度变化之间的关系,得出如图 6 所示的回归直线。 从图中可以看出,过去 25 a 来松嫩平原玉
米带土壤氮密度变化量与其有机碳密度变化量呈显著正相关( r=0. 751**,P<0. 01),即随着土壤有机碳密度
的增加,土壤氮密度也呈现明显的上升趋势。 这是因为土壤氮素大多保存于土壤有机质中,肥料施用、耕作、
轮作方式和农田管理措施等的变化在影响土壤有机碳的同时,也必然引起土壤氮的变化。 在上述土壤氮密度
及储量估算过程中,该区农田土壤氮密度变化不大,而氮储量有减少趋势。 另一方面,通过搜集松嫩平原玉米
带氮肥施用量数据可以发现(图 7),过去 25 a来,该区氮肥施用量呈增加趋势。 这说明施用的氮肥并没有被
作物完全吸收,而成为可淋失氮素[14, 42],淋失氮素会污染地下水。 因此,应当在适宜的生长期和气候条件下
进行施肥,既要满足作物生长的基本需求,又要维护生态系统的可持续发展。
4摇 结论
根据建立的松嫩平原玉米带 1 颐50 万土壤剖面数据库,该区 1980 年和 2005 年农田土壤氮储量分别为
(40. 47依1. 67)伊108kg和(40. 28依1. 35)伊108kg,面积加权平均氮密度均为(0. 31依0. 01)kg / m2。 有 56. 20%的
农田土壤氮密度呈减少趋势。 在空间上,两个时期土壤氮密度的空间分布格局基本相似,总体上保持着中部
地区较高、边缘地区较低的分布特征。 土壤氮密度变化与农田用地类型的关系表明,旱田土壤氮密度变化不
明显,水田有所减少。 对土壤氮密度变化量与其初始值进行拟合分析,得出松嫩平原玉米带农田土壤氮密度
达到新的稳定状态时的值为 0. 32 kg / m2,农田土壤的氮汇潜力为 5. 18伊106kg / a。 而实际上该区农田土壤氮
6221 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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储量是减少的,这意味着在 1980 年的气候条件和栽培耕作措施下,在过去 25 a 松嫩平原玉米带农田土壤增
加氮素 1. 20伊108kg。
图 6摇 土壤氮密度变化与其碳密度变化之间的关系
摇 Fig. 6摇 Relationship between changes of soil total nitrogen density
and its carbon density
图 7摇 1980—2005 年松嫩平原玉米带氮肥施用量
摇 Fig. 7 摇 The application amount of nitrogenous fertilizer from
1980 to 2005 in Songnen Plain Maize Belt
由于土壤氮循环的复杂性,缺乏土壤容重数据和足够的土壤剖面数据(1980 年)、土壤氮储量估算方法不
同,以及成土母质、植被、土地利用和农田管理等的因素影响,土壤氮储量估算还存在极大的不确定性。 本文
仅从全氮含量角度分析了土壤氮密度及其储量情况,至于土壤氮素包括有效氮、碱解氮等多种形式,而且农田
管理、土壤微生物活动等会对土壤氮素产生影响,因此对松嫩平原玉米带农田土壤氮的估算还有待进一步深
入研究。 通过研究发现,土壤氮密度变化不大,而土壤氮密度的稳定值为 0. 32 kg / m2,说明土壤氮密度还有增
长的空间。 1980—2005 年间氮肥施用量是增加的,而估算出的氮储量呈减少趋势,说明施用的氮素并没有被
作物完全吸收,部分氮素出现淋失,污染地下水。 因此,今后该区应多注重肥料的合理施用,尽量实施秸秆还
田和土壤测土配方技术,既能满足作物生长的需要,又能保持生态系统稳定发展。
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9221摇 4 期 摇 摇 摇 张春华摇 等:松嫩平原玉米带农田土壤氮密度时空格局 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 4 February,2012(Semimonthly)
CONTENTS
The influence of a reclamation project on the macrobenthos of an East Nanhui tidal flat
MA Changan, XU Linlin, TIAN Wei, et al (1007)
………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Ecological health assessment of groundwater in the lower Liaohe River Plain using an ArcView鄄WOE technique
SUN Caizhi, YANG Lei (1016)
………………………
……………………………………………………………………………………………………
Nitrogen flows in intensive “crop鄄livestock冶 production systems typically for the peri鄄urban area of Beijing
HOU Yong, GAO Zhiling, MA Wenqi, et al (1028)
……………………………
………………………………………………………………………………
The simulation of leaf net photosynthtic rates in different radiation in apple canopy
GAO Zhaoquan,FENG Shezhang, ZHANG Xianchuan, et al (1037)
……………………………………………………
………………………………………………………………
Phenological variation of typical vegetation types in northern Tibet and its response to climate changes
SONG Chunqiao, YOU Songcai, KE Linghong, et al (1045)
………………………………
………………………………………………………………………
Soil moisture and temperature characteristics of forest鄄grassland ecotone in middle Qilian Mountains and the responses to
meteorological factors TANG Zhenxing, HE Zhibin, LIU Hu (1056)………………………………………………………………
Eco鄄hydrological effects of Qinghai spruce (Picea crassifolia) canopy and its influence factors in the Qilian Mountains
TIAN Fengxia, ZHAO Chuanyan, FENG Zhaodong, et al (1066)
………………
…………………………………………………………………
Response of tree鄄ring width of Pinus sylvestris var. mongolica to climate change in Hulunbuir sand land,China
SHANG Jianxun, SHI Zhongjie, GAO Jixi, et al (1077)
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Analysis of a dust case using lidar in Shanghai MA Jinghui, GU Songqiang, CHEN Min, et al (1085)………………………………
Relating the distribution of zooplankton abundance in the coastal waters of central Fujian Province to the seasonal variation of
water masses TIAN Fengge, XU Zhaoli (1097)……………………………………………………………………………………
Phenotypic traits of both larvae and juvenile Crasstrea hongkongensis and C. gigas
ZHANG Yuehuan, WANG Zhaoping, YAN Xiwu, et al (1105)
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Inter鄄specific competition between Prorocentrum donghaienseand Skeletonema costatum LI Hui, WANG Jiangtao (1115)……………
Effects of initial biomass ratio on the interspecific competition outcome between three marine microalgae species
WEI Jie,ZHAO Wen,YANG Weidong,et al (1124)
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On the ecological amplitude of nitrate of Alexandrium tamarense at different initial phosphate concentrations in laboratory cultures
WEN Shiyong,SONG Lili,LONG Hua,et al (1133)
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Time lag effects and rainfall redistribution traits of the canopy of natural secondary Pinus tabulaeformis on precipitation in the
Qinling Mountains, China CHEN Shujun, CHEN Cungen, ZOU Bocai, et al (1142)……………………………………………
The vertical distribution of vegetation patterns and its relationship with environment factors at the northern slope of Ili River Valley:
a bimodal distribution pattern TIAN Zhongping, ZHUANG Li, LI Jiangui (1151)………………………………………………
Comparative analysis of water related parameters and photosynthetic characteristics in the endangered plant Tetraena mongolica
Maxim. and the closely related Zygophyllum xanthoxylon (Bunge) Maxim.
SHI Songli, WANG Yingchun, ZHOU Hongbing, et al (1163)
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Antioxidant properties of four native grasses in Loess Plateau under drought stress
SHAN Changjuan, HAN Ruilian, LIANG Zongsuo (1174)
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The effects of the addition of Ceratobasidum stevensii B6 and its growth on the soil microflora at a continuously cropped water鄄
melon (Citrullus lanatus) site in China XIAO Yi, WANG Xingxiang, WANG Hongwei, et al (1185)…………………………
Suitable habitat for the Achnatherum splendens community in typical steppe region of Inner Mongolia
ZHANG Yifei, WANG Wei, LIANG Cunzhu, et al (1193)
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Spatio鄄temporal variability of soil salinity and its relationship with the depth to groundwater in salinization irrigation district
GUAN Xiaoyan,WANG Shaoli,GAO Zhanyi,et al (1202)
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Spatial heterogeneity of soil saturated hydraulic conductivity on a slope of the wind鄄water erosion crisscross region on the Loess
Plateau LIU Chunli, HU Wei, JIA Hongfu, et al (1211)…………………………………………………………………………
Spatial and temporal variations of total nitrogen density in agricultural soils of the Songnen Plain Maize Belt
ZHANG Chunhua, WANG Zongming, JU Weimin, et al (1220)
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The evaluation system of strength of winterness in wheat WANG Peng, ZHANG Chunqing, CHEN Huabang, et al (1230)…………
A comparison of summer habitats selected by sympatric Apodemus chevrieri and Apodemus draco in Tiangjiahe Nature Reserve,
China LI Yunxi, ZHANG Zejun, SUN Yiran,et al (1241)…………………………………………………………………………
Life tables for experimental populations of Frankliniella occidentalis on 6 vegetable host plants
CAO Yu, ZHI Junrui, KONG Yixian (1249)
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Effect of diet switch on turnover rates of tissue nitrogen stable isotopes in fish based on the enrichment鄄dilution approach
ZENG Qingfei, GU Xiaohong,MAO Zhigang,et al (1257)
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Recognition of important ecological nodes based on ecological networks analysis: A case study of urban district of Nanjing
XU Wenwen, SUN Xiang, ZHU Xiaodong, et al (1264)
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Seasonal characteristics of CO2 fluxes above urban green space in the Pearl River Delta, China
SUN Chunjian, WANG Chunlin, SHEN Shuanghe, et al (1273)
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Simulation and evaluation of groundwater seepage in contaminated sites:case study of TuoCheng County
WU Yizhong, ZHU Qinyuan, LIU Ning, LU Genfa, DAI Mingzhoet al (1283)
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Review and Monograph
Recent advances in wetland degradation research HAN Dayong, YANG Yongxing, YANG Yang, LI Ke (1293)……………………
A review concerning nitrogen accumulation and leaching in agro鄄ecosystems of oasis
YANG Rong, SU Yongzhong, WANG Xuefeng (1308)
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Discussion
The diversity of the radio鄄resistant bacteria Deinococcus radiodurans TU Zhenli, FANG Lijing, WANG Jiagang (1318)………………
Effect of pruning measure on physiology character and soil waters of Caragana korshinskii
YANG Yongsheng, BU Chongfeng, GAO Guoxiong (1327)
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Scientific Note
Characteristics of rainfall interception for four typical shrubs in Qilian Mountain
LIU Zhangwen, CHEN Rensheng, SONG Yaoxuan, et al (1337)
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Dormancy break approaches and property of dormant seeds of wild Cryptotaenia japonica
YU Mei, ZHOU Shoubiao, WU Xiaoyan, et al (1347)
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《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方
法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
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第 32 卷摇 第 4 期摇 (2012 年 2 月)
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