西北荒漠区土壤氮素组分沿干旱梯度的空间变化

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00121

摘要/Abstract

摘要：

旱区面积占比大，对全球气候变化响应敏感。氮素通常被认为是荒漠生态系统的第二大限制资源，存在不同的形态，然而目前尚不清楚干旱程度如何影响土壤氮素的空间分布。本研究基于中国西北荒漠区54个样点的无机氮、有机氮和全氮数据，结合气候环境数据，探究不同干旱程度下，西北旱区氮素组分的空间变化及驱动要素。结果表明：土壤氮素沿干旱梯度的空间变化存在明显的干旱阈值（0.87），土壤氮素组分的空间变化对干旱程度的响应呈现突变特征；在阈值附近，土壤全氮、有机氮含量和有机无机氮比例急速上升，而硝态氮含量快速下降；干旱阈值前后的全氮和有机氮含量均随干旱增加而显著下降；0~10 cm土层内，土壤全氮和有机氮含量随土层的加深而逐渐增加。干旱程度会直接或通过土壤含水率、电导率和pH间接影响氮素组分的空间变化。

关键词: 干旱阈值, 西北荒漠区, 氮素含量, 驱动要素, 土层

Abstract:

Dryland area is substantial， and the drylands exhibit great sensitivity to global climate change. Nitrogen， which composed of various nitrogen forms， is generally considered the second most limiting resource in desert ecosystems. However， it remains unclear how different levels of aridity affect the spatial distribution of soil nitrogen. Based on data of inorganic nitrogen， organic nitrogen， and total nitrogen from 54 sampling points in the northwest desert region of China， and coupled with climate and environmental data， we explored the spatial variations in nitrogen components under different levels of aridity and the driving factors. Our results indicated a distinct aridity threshold （0.87） for the spatial variations in soil nitrogen along the aridity gradient， meaning an abrupt change in response to aridity. Near the threshold， soil total nitrogen， organic nitrogen content， and the ratio of organic to inorganic nitrogen exhibited rapid increases， while nitrate nitrogen content showed a rapid decrease. Before and after the aridity threshold， both total nitrogen and organic nitrogen content significantly decreased with increasing aridity. In the 0-10 cm soil layer， soil total nitrogen and organic nitrogen content gradually increased with soil depth. The increase in aridity directly or indirectly affected the spatial variation oin nitrogen components through soil water content （SWC）， electrical conductivity （EC）， and pH. The study revealed the impacts of aridity on soil nitrogen balance， which are beneficial for prediction on the response of soil nutrients to environmental changes in drylands， and provide crucial support for making scientifically effective environmental decisions.

Key words: drought threshold, northwest desert region, nitrogen content, driving factors, soil layer

中图分类号:

S153

杭伟, 陆永兴, 郭浩, 郭星, 张世航, 张元明, 周晓兵. 西北荒漠区土壤氮素组分沿干旱梯度的空间变化[J]. 中国沙漠, 2024, 44(3): 259-268.

Wei Hang, Yongxing Lu, Hao Guo, Xing Guo, Shihang Zhang, Yuanming Zhang, Xiaobing Zhou. Spatial variation in soil nitrogen content along aridity gradients in the northwest desert region in China[J]. Journal of Desert Research, 2024, 44(3): 259-268.

图/表 7

图1 中国西北荒漠区沿干旱梯度的取样点的地理分布注：基于自然资源部标准地图服务网站GS（2020）4619号标准地图制作，底图边界无修改；AI为降水量与潜在蒸散量的比值

Fig.1 Geographical distribution of sampling sites along the aridity gradient in the northwest desert region of China

表1 西北荒漠区氮素含量及土壤理化性质情况

Table 1 Nitrogen content and soil physicochemical properties in the Northwest Desert Region

深度 /cm	参数	平均值 /（mg·kg^-1）	标准差 /（mg·kg^-1）	变异系数 /（mg·kg^-1）	最小值 /（mg·kg^-1）	最大值 /（mg·kg^-1）	pH	电导率 /（μS·cm^-1）	土壤含水率 /%
0~2	TN	43.25	22.21	0.51	4.00	108.00	5.9~9.1	31~509	0.029~1.713
	NH $4 +$ -N	7.62	4.53	0.59	1.00	29.00
	NO $3 -$ -N	7.99	4.06	0.51	0.35	22.23
	IN	15.38	6.12	0.40	1.45	34.38
	ON	30.17	20.71	0.69	2.08	94.55
2~5	TN	50.91	40.80	0.80	5.00	222.00	5.7~9.5	23~44	0.029~11.889
	NH $4 +$ -N	9.74	14.63	1.50	1.00	107.00
	NO $3 -$ -N	5.83	2.86	0.49	0.10	13.23
	IN	15.09	13.63	0.90	2.35	116.03
	ON	38.17	35.48	0.93	0.50	203.15
5~10	TN	50.65	41.59	0.82	7.00	253.00	5.6~9.8	23~384	0.053~13.161
	NH $4 +$ -N	7.65	8.02	1.05	1.00	59.00
	NO $3 -$ -N	5.90	3.15	0.53	0.13	17.10
	IN	14.49	15.19	1.05	2.65	66.05
	ON	38.22	34.66	0.91	0.08	206.05

表1 西北荒漠区氮素含量及土壤理化性质情况

Table 1 Nitrogen content and soil physicochemical properties in the Northwest Desert Region

深度 /cm	参数	平均值 /（mg·kg^-1）	标准差 /（mg·kg^-1）	变异系数 /（mg·kg^-1）	最小值 /（mg·kg^-1）	最大值 /（mg·kg^-1）	pH	电导率 /（μS·cm^-1）	土壤含水率 /%
0~2	TN	43.25	22.21	0.51	4.00	108.00	5.9~9.1	31~509	0.029~1.713
	NH $4 +$ -N	7.62	4.53	0.59	1.00	29.00
	NO $3 -$ -N	7.99	4.06	0.51	0.35	22.23
	IN	15.38	6.12	0.40	1.45	34.38
	ON	30.17	20.71	0.69	2.08	94.55
2~5	TN	50.91	40.80	0.80	5.00	222.00	5.7~9.5	23~44	0.029~11.889
	NH $4 +$ -N	9.74	14.63	1.50	1.00	107.00
	NO $3 -$ -N	5.83	2.86	0.49	0.10	13.23
	IN	15.09	13.63	0.90	2.35	116.03
	ON	38.17	35.48	0.93	0.50	203.15
5~10	TN	50.65	41.59	0.82	7.00	253.00	5.6~9.8	23~384	0.053~13.161
	NH $4 +$ -N	7.65	8.02	1.05	1.00	59.00
	NO $3 -$ -N	5.90	3.15	0.53	0.13	17.10
	IN	14.49	15.19	1.05	2.65	66.05
	ON	38.22	34.66	0.91	0.08	206.05

图2 不同土层下氮素含量分布特征注：*表示具有显著差异（P<0.05），**表示较显著差异（P<0.01），***表示极显著差异（P<0.001），ns表示不显著

Fig.2 Characteristics of nitrogen content distribution under different soil depths

图3 环境因子与土壤氮素含量之间的关系TN：全氮；NH4+-N：铵态氮；NO3--N：硝态氮；IN：无机氮；ON：有机氮；NH4+-N∶NO3--N表示铵硝比；ON∶IN表示有机无机氮比例

Fig.3 Relationship between environmental factors and soil nitrogen content

图4 全氮、铵、硝态氮及其比例对干旱指数和土层的响应模型注：曲虚线为广义相加模型（GAM）拟合的平滑趋势线，分别为各阈值左右两侧的线性拟合。直线为拟合线性模型拟合的趋势线，垂直虚线表示阈值。干旱指数为1-AI， AI为降水量与潜在蒸散量的比值

Fig.4 Response model of total nitrogen，ammonium，nitrate nitrogen and their ratio to drought index and soil depths

图5 土壤无机氮和有机氮对干旱指数和土层的响应模型注：曲虚线为广义相加模型（GAM）拟合的平滑趋势线，分别为各阈值左右两侧的线性拟合。直线为拟合线性模型拟合的趋势线，垂直虚线表示阈值。干旱指数为1-AI， AI为降水量与潜在蒸散量的比值

Fig.5 Response model of inorganic， organic nitrogen and their ratio to drought index and soil depths

图6 环境因子对土壤氮素组分影响的SEMs分析结果注：不同粗细与箭头旁载重系数成正比。直线表示正效应，虚线表示负效应，n代表样本量。干旱指数值为1-AI，AI表示降水量与潜在蒸散量的比值；EC为电导率，SWC为土壤含水率；ON为有机氮；IN为无机氮；pH为土壤酸碱度

Fig.6 Results of SEMs analysis of the effect of environmental factors on soil nitrogen content

参考文献 34

1	Prăvălie R， Bandoc G， Patriche C，et al.Recent changes in global drylands：evidences from two major aridity databases［J］.Catena，2019，178：209-231.
2	Hu H W， Trivedi P， He J Z，et al.Microbial nitrous oxide emissions in dryland ecosystems：mechanisms，microbiome and mitigation［J］.Environmental Microbiology，2017，19（12）：4808-4828.
3	Zhang K， Su Y， Yang R.Variation of soil organic carbon，nitrogen，and phosphorus stoichiometry and biogeographic factors across the desert ecosystem of Hexi Corridor，northwestern China［J］.Journal of Soils and Sediments，2019，19：49-57.
4	Zhou X， Bowker M A， Tao Y，et al.Chronic nitrogen addition induces a cascade of plant community responses with both seasonal and progressive dynamics［J］.Science of the Total Environment，2018，626：99-108.
5	Li Z L， Tian D S， Wang B X，et al.Microbes drive global soil nitrogen mineralization and availability［J］.Global Change Biology，2019，25（3）：1078-1088.
6	Berdugo M， Delgado-Baquerizo M， Soliveres S，et al.Global ecosystem thresholds driven by aridity［J］.Science，2020，367（6479）：787-790.
7	Berdugo M， Kéfi S， Soliveres S，et al.Plant spatial patterns identify alternative ecosystem multifunctionality states in global drylands［J］.Nature Ecology and Evolution，2017，1（2）：3.
8	Delgado-Baquerizo M， Maestre F T， Gallardo A，et al.Human impacts and aridity differentially alter soil N availability in drylands worldwide［J］.Global Ecology and Biogeography，2016，25（1）：36-45.
9	Wang X G， Lü X T， Zhang H Y，et al.Changes in soil C∶N∶P stoichiometry along an aridity gradient in drylands of northern China［J］.Geoderma，2020，361：114087.
10	Yang H， Yuan Y， Zhang Q，et al.Changes in soil organic carbon，total nitrogen，and abundance of arbuscular mycorrhizal fungi along a large-scale aridity gradient［J］.Catena，2011，87（1）：70-77.
11	Wang C， Wang X， Liu D，et al.Aridity threshold in controlling ecosystem nitrogen cycling in arid and semi-arid grasslands［J］.Nature Communications，2014，5：4799.
12	郭瑞霞，管晓丹，张艳婷.我国荒漠化主要研究进展［J］.干旱气象，2015，33（3）：505-513.
13	祖力卡尔·海力力，赵廷宁，姜群鸥.西北干旱荒漠区边界范围及变化分析［J］.干旱区地理，2021（6），44：1635-1643.
14	李毅，屈建军，董治宝，等.中国荒漠区的生物多样性［J］.水土保持研究，2008，15（4）：79-81.
15	吴征镒.中国植被［M］.北京：科学出版社，1980：30-31.
16	刘朝红，周晓兵，陆永兴，等.古尔班通古特沙漠生物土壤结皮对土壤氮库垂直分布特征的影响［J］.生态学报，2023，43（12）：5005-5016.
17	Chen C R， Xu Z H， Zhang S L，et al.Soluble organic nitrogen pools in forest soils of subtropical australia［J］.Plant and Soil，2005，277：285-297.
18	Wang Y Y， Chen Y P， Li W H，et al.Water sources of typial desert riparian plants in the lower reaches of Tarim River［J］.Journal of Desert Research，2017，37（6）：1150-1157.
19	Dehaan R L， Taylor G R.Field-derived spectra of salinized soils and vegetation as indicators of irrigation-induced soil salinization［J］.Remote Sensing of Environment，2002，80（3）：406-417.
20	Hu W， Ran J， Dong L，et al.Aridity-driven shift in biodiversity-soil multifunctionality relationships［J］.Nature Communications，2021，12：5350.
21	McHugh T A， Compson Z， van Gestel N，et al.Climate controls prokaryotic community composition in desert soils of the southwestern United States［J］.FEMS Microbiology Ecology，2017：93（10）.
22	Haishui Y， Yongge Y， Qian Z，et al.Changes in soil organic carbon，total nitrogen，and abundance of arbuscular mycorrhizal fungi along a large-scale aridity gradient［J］.Catena，2011，87（1）：70-77.
23	Feng J， Turner B L， Lü X，et al.Phosphorus transformations along a large-scale climosequence in arid and semiarid grasslands of northern China［J］.Global Biogeochemical Cycles，2016，30（9）：1264-1275.
24	Alessandro O， Nyman P.Aridity indices predict organic matter decomposition and comminution processes at landscape scale［J］.Ecological Indicators，2017，78：531-540.
25	Jones D L， Olivera-Ardid S， Klumpp E，et al.Moisture activation and carbon use efficiency of soil microbial communities along an aridity gradient in the Atacama Desert［J］.Soil Biology & Biochemistry，2018，117：68-71.
26	Lim H， Jamtgard S， Oren R，et al.Organic nitrogen enhances nitrogen nutrition and early growth of Pinus sylvestris seedlings［J］.Tree Physiology，2022，42（3）：513-522.
27	贾维嘉，蒋伟，刘建，等.不同氮素形态对总状绿绒蒿幼苗生长与光合作用的影响［J］.西部林业科学，2019，48：72-79.
28	庄伟伟，侯宝林.古尔班通古特沙漠短命植物的氮素吸收策略［J］.干旱区研究，2021，38（5）：1393-1400.
29	Du K K， Han Y Y， Hao J H，et al.Effects of different NO 3 - ：NH 4 + ratios on the ultrastructure and ion flux rate of lettuce roots［J］.Journal of Plant Nutrition，2021，44：2528-2545.
30	Maestre F T， Quero J L， Gotelli N J，et al.Plant species richness and ecosystem multifunctionality in global drylands［J］.Science， 2012，335（6065）：214-218.
31	Scheibe A， Spohn M.N₂ fixation per unit microbial biomass increases with aridity［J］.Soil Biology & Biochemistry，2022，172：108733.
32	Li K H， Liu X J， Geng F Z，et al.Inorganic nitrogen deposition in arid land ecosystems of Central Asia［J］.Environmental Science and Pollution Research，2021，28：31861-31871.
33	王健铭，王文娟，李景文，等.中国西北荒漠区植物物种丰富度分布格局及其环境解释［J］.生物多样性，2017，25（11）：1192-1201.
34	Evans S E， Burke I C.Carbon and nitrogen decoupling under an 11-year drought in the shortgrass steppe［J］.Ecosystems，2013，16：20-33.

[1]	滕泽宇, 肖生春, 陈小红, 韩超. 阿拉善荒漠5种灌丛下土壤细菌特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(4): 34-44.
[2]	赵光辉, 苏芳莉, 李海福, 李一鸣. 辽河干流上游流域土地利用对土壤颗粒分形维数影响[J]. 中国沙漠, 2016, 36(6): 1622-1627.
[3]	殷玲, 张德平, 成永会, 赵家明, 靳立宁, 海军, 巴日斯, 祁晓燕, 屈建新. 车辆碾压对沙质草原表土物理力学性质的影响[J]. 中国沙漠, 2015, 35(5): 1177-1182.
[4]	殷玲, 张德平, 成永会, 靳立宁, 赵家明, 巴日斯, 海军, 祁晓燕, 屈建新. 呼伦贝尔沙质草原表土物理力学性质[J]. 中国沙漠, 2015, 35(4): 930-936.
[5]	赵瑾;张丽华*;钟芳;孙荣高. 兰州市郊干旱半干旱黄土丘陵区不同立地条件土壤微生物区系特征[J]. 中国沙漠, 2010, 30(5): 1160-1165.
[6]	张德平;王效科;孙宏伟;冯宗炜. 呼伦贝尔沙质草原风蚀坑研究（Ⅳ）:人类活动的影响[J]. 中国沙漠, 2007, 27(2): 214-220.
[7]	张德平;孙宏伟;王效科;冯宗炜. 呼伦贝尔沙质草原风蚀坑研究（Ⅲ）: 微地貌和土层的影响[J]. 中国沙漠, 2007, 27(1): 25-31.
[8]	张德平;孙宏伟;王效科;冯宗炜. 呼伦贝尔沙质草原风蚀坑研究（Ⅱ）:发育过程[J]. 中国沙漠, 2007, 27(1): 20-24.