黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)對(duì)土壤可溶性氮組分的影響

趙路紅,李昌珍,康 迪,任成杰,韓新輝,佟小剛,馮永忠,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué),林學(xué)院,楊凌 712100 2 陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,楊凌 712100 3 西北農(nóng)林科技大學(xué),農(nóng)學(xué)院,楊凌 712100 4 西北農(nóng)林科技大學(xué),資源環(huán)境學(xué)院,楊凌 712100

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黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)對(duì)土壤可溶性氮組分的影響

趙路紅1,2,李昌珍2,3,康 迪1,2,任成杰2,3,韓新輝2,3,佟小剛4,馮永忠2,3,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué),林學(xué)院,楊凌 712100 2 陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,楊凌 712100 3 西北農(nóng)林科技大學(xué),農(nóng)學(xué)院,楊凌 712100 4 西北農(nóng)林科技大學(xué),資源環(huán)境學(xué)院,楊凌 712100

為探究黃土丘陵地區(qū)人工植被恢復(fù)對(duì)土壤氮素養(yǎng)分累積與有效性的影響,研究分析了植被恢復(fù)15年刺槐、檸條、刺槐側(cè)柏混交、刺槐山桃混交以及荒草地土壤可溶性氮組分含量及其垂直分布特征。結(jié)果表明,與耕地相比,植被恢復(fù)顯著提高了0—30 cm土壤可溶性氮組分含量,這也使0—30 cm土壤可溶性氮組分密度顯著增加,可溶性有機(jī)氮密度增幅表現(xiàn)為檸條(262.2%)>刺槐(232.8%)>刺槐山桃混交、刺槐側(cè)柏混交(34.5%)>荒草地(-21.5%),硝態(tài)氮密度整體表現(xiàn)為檸條>刺槐>刺槐山桃混交>荒草地>刺槐側(cè)柏混交,增幅為7.9%—182.8%,銨態(tài)氮密度以刺槐山桃混交增幅最大(110.3%),荒草地最小為2.6%?？扇苄杂袡C(jī)氮、硝態(tài)氮占全氮的比例以刺槐最高,分別提升了2.4倍和0.6倍,銨態(tài)氮占全氮的比例以刺槐山桃混交最高,提升了1.0倍。可溶性氮組分受微生物量碳氮的影響大于有機(jī)質(zhì)和全氮,微生物量氮與可溶性氮組分的相關(guān)性優(yōu)于微生物量碳,硝態(tài)氮對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和微生物量碳氮的變化最為敏感。綜上,植被恢復(fù)能夠提高土壤可溶性氮組分含量、密度及其占全氮比例,增加土壤氮的有效性,以刺槐、檸條提升效果最好。

植被恢復(fù)；可溶性有機(jī)氮；硝態(tài)氮；銨態(tài)氮

氮是陸地生態(tài)系統(tǒng)中核心養(yǎng)分元素之一,與植物生命活動(dòng)、作物產(chǎn)量及品質(zhì)密切相關(guān)[1],在森林生態(tài)系統(tǒng)中也被視為主要的限制生長(zhǎng)因子[2],且與森林群落演替、生產(chǎn)力、植物多樣性等存在反饋關(guān)系[2- 3]。土壤中氮素主要以有機(jī)態(tài)的形式存在,其中能被鹽溶液或者水浸提出來(lái)的部分稱為可溶性氮,該組分與土壤氮素養(yǎng)分的供應(yīng)有密切的聯(lián)系[4]。土壤中的無(wú)機(jī)氮又稱為有效氮,包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮等,也屬于可溶性氮組分。它們數(shù)量雖少,但卻是植被恢復(fù)與生長(zhǎng)的主要氮素來(lái)源[5]。已有研究表明,土壤各氮組分含量和分布狀況受土壤溫度、水分、有機(jī)質(zhì)等一系列理化性質(zhì)的調(diào)控[6]。而土地利用方式的變化會(huì)影響土壤顆粒組成、水熱狀況以及微生物的活動(dòng)[7- 8],進(jìn)而引起氮素在土壤系統(tǒng)的再分配。

黃土丘陵區(qū)植被的破壞導(dǎo)致了嚴(yán)重的土壤侵蝕與其他生態(tài)問(wèn)題,退耕還林是解決該區(qū)水土流失問(wèn)題的重要措施。實(shí)施退耕還林后,由于下墊面條件的改變,必然導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化,彭文英等人研究結(jié)果表明,坡耕地退耕后,土壤容重、pH值減小,毛管孔隙度、飽和含水量增大,土壤有機(jī)質(zhì)增加2.75倍,全氮含量增加46.8%[9]。所以土壤氮素含量也會(huì)隨植被恢復(fù)發(fā)生改變,如韓新輝等人在黃土丘陵地區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果表明,退耕還林措施能顯著提高土壤全氮含量和氮密度[10- 11]。然而植被恢復(fù)對(duì)土壤可溶性氮組分的影響尚不清楚。土壤可溶性氮組分不僅關(guān)乎土壤養(yǎng)分的有效性,同時(shí)又因其高度的流動(dòng)性關(guān)系到土壤深層氮素的固存,影響著整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力與可持續(xù)性[12- 13]。因此探明不同植被恢復(fù)條件下,土壤各可溶性氮組分的分布規(guī)律及其與土壤中其它理化性質(zhì)的相關(guān)性變得尤為重要,同時(shí)也能為指導(dǎo)黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)重建措施實(shí)施,認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)植被恢復(fù)優(yōu)劣程度提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省國(guó)家退耕還林示范縣安塞縣境內(nèi)(108°5′44″—109°26′18″E, 36°30′45″—37°19′31″N),屬暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候,年平均氣溫8.8℃,年平均降水量505.3 mm,干燥度1.48,年日照時(shí)數(shù)2395.6 h,無(wú)霜期158 d,年總輻射量552.6 kJ/cm2。地貌類(lèi)型屬典型黃土丘陵溝壑區(qū),海拔1010—1400 m。土壤以黃土母質(zhì)發(fā)育的黃綿土為主,約占總面積的95%。植被類(lèi)型屬于暖溫帶落葉闊葉林向干旱草原過(guò)渡的森林草原帶,是我國(guó)西北典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。該地區(qū)實(shí)施退耕還林工程以來(lái),種植有不同的喬木林、灌木林、喬木混交林、喬灌混交林及以蘋(píng)果為主的經(jīng)濟(jì)林,經(jīng)過(guò)多年人工植被恢復(fù)建設(shè)和水土保持綜合治理等措施,起到了顯著的生態(tài)恢復(fù)的效應(yīng)。

1.2 樣地選取與采樣

2015年6月,于研究區(qū)選擇退耕年限均為15a的刺槐(Robiniapseudoacacia；RP)、檸條(CaraganaKorshinskii；CK)、刺槐側(cè)柏混交林(Robiniapseudoacacia,Platycladusorientalis；RP+PO)、刺槐山桃混交林(Robiniapseudoacacia,Prunusdavidiana；RP+PD)及撂荒地(Abandoned Farmland；AF),共5種植被恢復(fù)模式,同時(shí)以鄰近坡耕地(Slop Farmland；SF)作為對(duì)照。采樣時(shí)選擇營(yíng)造和管理方式一致,土壤與成土母質(zhì)類(lèi)型相同,坡向、坡度、坡位和海拔均相近的樣地,各樣地間直線距離不超過(guò)2 km,且均為坡耕地退耕而來(lái)(種植作物以蕎麥、小麥、大豆等陜北黃土高原地區(qū)常見(jiàn)的糧食作物為主),其基本特征及林下植被見(jiàn)表1。每種模式選擇3個(gè)樣地,在每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)采樣區(qū),按照“S”型選取12個(gè)采樣點(diǎn),用土鉆法取0—10,10—20,20—30 cm共3個(gè)層次的土樣,同層土各采樣點(diǎn)土樣充分混合后作為該土層待測(cè)土樣。土樣仔細(xì)除去其中植物殘?bào)w,置于布袋迅速帶回實(shí)驗(yàn)室待用。同時(shí),每個(gè)樣地挖取剖面采用環(huán)刀法測(cè)定各土層容重,用于氮組分密度計(jì)算。所采土樣一部分自然風(fēng)干用于pH、有機(jī)質(zhì)、全氮等理化性質(zhì)的測(cè)定,一部分置于-20℃冷凍保存用于土壤微生物量氮、微生物量碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測(cè)定。另外,在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置12個(gè)1 m×1 m的小樣方,收集各樣方內(nèi)地表凋落物帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定各樣地的凋落物生物量(表2)。

表1 樣地基本特征與土壤物理化學(xué)特性(0—30 cm)

CK: 檸條Caraganakorshinskii；RP: 刺槐Robiniapseudoacacia；RP+PO: 刺槐側(cè)柏混交R.pseudoacaciaandPlatycladusorientalismixed forest；RP+PD: 刺槐山桃混交R.pseudoacaciaandPrunusdavidianamixed forest；AF: 荒草地abandoned farmland；SF: 耕地slope farmland;硬質(zhì)早熟禾Poasphondylodes；白羊草Bothriochloaischaemum；狗尾草Setariaviridis；鐵桿蒿Artemisiasacrorum；香青蘭Dracocephalummoldavica；野菊花Dendranthemaindicum；蛇葡萄Ampelopsissinica；蕎麥Fagopyrumesculentum；±為樣本的標(biāo)準(zhǔn)誤

表2 不同植被恢復(fù)模式凋落物生物量及凋落物C/N

土壤pH用無(wú)CO2水浸提后(水土1∶1)pH計(jì)法測(cè)定；凋落物生物量采用烘干稱重法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)、全氮分別采用重鉻酸鉀外加熱法和凱氏定氮法測(cè)定；微生物量碳氮均采用氯仿熏蒸0.5 mol/L K2SO4浸提法；可溶性全氮用K2SO4浸提后用凱氏定氮儀測(cè)定；硝態(tài)氮、銨態(tài)氮用KCl浸提,流動(dòng)分析儀測(cè)定；可溶性有機(jī)氮為可溶性全氮與無(wú)機(jī)氮的差值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

土壤可溶性氮組分密度是指單位面積一定厚度的土層中可溶性氮組分的質(zhì)量,可以指示土壤氮的儲(chǔ)量。對(duì)不同土層土壤氮組分密度以公式計(jì)算：

Si=Ci×ρi×Di×100

(1)

式中,Si為第i層土壤可溶性氮組分密度(kg/hm2)；Ci、ρi、Di分別為第i層土中對(duì)應(yīng)可溶性氮組分氮含量(mg/kg)、土壤容重(g/cm3)、土層厚度(cm)。0—30 cm土層可溶性氮組分密度則為各層土壤氮組分密度之和。

數(shù)據(jù)處理采用Origin 7.5和SPSS 17.0軟件,不同植被恢復(fù)樣地及土層中有機(jī)質(zhì)、全氮、微生物量氮、微生物量碳、可溶性有機(jī)氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量和密度采用One-way ANOVA進(jìn)行方差分析,差異顯著(P<0.05)采用Duncan法進(jìn)行檢驗(yàn)。另外土壤可溶性氮組分與土壤理化性質(zhì)及微生物量碳氮的關(guān)系采用相關(guān)分析和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全氮、有機(jī)質(zhì)及微生物量碳氮的變化

表3顯示植被恢復(fù)對(duì)0—30 cm土壤全氮含量有較大影響,不同樣地間土壤全氮含量差異顯著,其中以檸條最高,達(dá)到0.50 g/kg,刺槐山桃混交與耕地最低,平均為0.27 g/kg；刺槐側(cè)柏混交、荒草地、刺槐3種植被恢復(fù)模式間無(wú)顯著差異,平均為0.35 g/kg；與耕地相比土壤全氮含量均有不同程度的提高,增幅為16.0%—103.4%。另外土壤全氮含量隨著土層加深而顯著降低,其中0—10 cm土層全氮增加量最大,變化幅度為53.7%—135.5%,10—20 cm和20—30 cm土壤全氮增量無(wú)顯著差異。土壤有機(jī)質(zhì)含量整體表現(xiàn)為檸條(6.51 g/kg)>荒草地、刺槐側(cè)柏混交(平均為5.65 g/kg)>刺槐山桃混交、刺槐(平均為4.31 g/kg)>耕地(3.59 g/kg),相比耕地,5種植被恢復(fù)模式均顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量,增幅為20.0%—81.5%,其中以檸條增幅最高,刺槐山桃混交、刺槐最低。另外,除耕地外,隨著土層加深土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著降低。

表3 不同植被恢復(fù)模式土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和微生物量碳氮變化特征

不同的大寫(xiě)字母表示同一土層不同樣地在P<0.05水平差異顯著；±為樣本的標(biāo)準(zhǔn)誤

由表3可知,植被恢復(fù)顯著提高了0—30 cm土壤微生物量碳氮,但因植被類(lèi)型的不同,提高程度也有所差異。其中微生物量氮含量整體表現(xiàn)為刺槐(43.92 mg/kg)>刺槐側(cè)柏混交、刺槐山桃混交(平均為39.46 mg/kg) >檸條(35.89 mg/kg)>荒地(27.15 mg/kg)>耕地(8.56 mg/kg),相比耕地均顯著增加,增幅為217.04%—412.89%；另外,各樣地土壤微生物量氮含量均表現(xiàn)為隨土層加深而顯著降低。土壤微生物量碳含量整體介于54.32 mg/kg—158.08 mg/kg,相比耕地,增加幅度較微生物量氮小,整體約為微生物量氮增幅的0.5倍(82.25%—191.00%),其中以人工混交林(刺槐山桃混交與刺槐側(cè)柏混交)增幅最高,平均為156.82%,而檸條林地土壤微生物量碳增加幅度最低僅為82.25%；除檸條外,均表現(xiàn)為隨土層加深而顯著降低。

2.2 土壤可溶性氮組分含量變化

不同植被恢復(fù)條件下,0—30 cm土壤可溶性有機(jī)氮含量有顯著差異,但不同土層間可溶性有機(jī)氮含量差異不顯著。與耕地相比,檸條、刺槐、刺槐山桃混交和刺槐側(cè)柏混交林地土壤可溶性有機(jī)氮含量均顯著增加,其增幅表現(xiàn)為檸條(256.7%)>刺槐(218.2%)>刺槐側(cè)柏混交、刺槐山桃混交(平均為31.8%),而荒草地卻減少了19.5%。可見(jiàn),植被恢復(fù)能增加土壤氮素的可利用性,且固氮樹(shù)種純林優(yōu)于固氮樹(shù)種與非固氮樹(shù)種混交林。

如圖1所示,不同植被恢復(fù)模式間土壤硝態(tài)氮含量存在顯著差異,與耕地相比均有不同程度的提高,0—10 cm土層硝態(tài)氮含量增量表現(xiàn)為檸條>刺槐>刺槐山桃混交>荒草地>刺槐側(cè)柏混交,增幅在7.1%—251.5%；10—20 cm土層變化幅度相對(duì)小于0—10 cm土層,相比耕地以檸條最高,達(dá)到163.2%,其次為刺槐(52.6%),其余植被恢復(fù)模式與耕地硝態(tài)氮含量無(wú)顯著差異。20—30 cm土層增幅最小,以檸條、刺槐平均增幅74.2%為最高,其余植被恢復(fù)模式與耕地硝態(tài)氮含量無(wú)顯著差異。

另外,與耕地相比,植被恢復(fù)能顯著提高土壤銨態(tài)氮的含量,0—10 cm增幅表現(xiàn)為刺槐(237.5%)>刺槐山桃混交(108.0%)>檸條(83.1%)>刺槐側(cè)柏混交、荒草地(平均為52.1%)；10—20 cm以刺槐山桃混交增加幅度最大,達(dá)到74.5%,其次為刺槐、檸條平均增幅為47.4%,其它植被恢復(fù)模式與耕地?zé)o顯著差異。而相比0—10、10—20、20—30 cm銨態(tài)氮含量變化幅度最小,以刺槐山桃混交增幅最大,為135.0%,其余各樣地均與耕地?zé)o顯著差異。

圖1 不同植被恢復(fù)模式土壤可溶性氮組分含量Fig.1 Content of soil soluble nitrogen in forest lands with different vegetation restorations檸條Caragana korshinskii(CK)；刺槐Robinia pseudoacacia(RP)；刺槐側(cè)柏混交 R. pseudoacacia and Platycladus orientalis mixed forest(RP+PO)；刺槐山桃混交R. pseudoacacia and Prunus davidiana mixed forest(RP+PD)；荒草地abandoned farmland(AF)；耕地slope farmland(SF)。不同的大寫(xiě)字母表示同一土層不同樣地在P<0.05水平差異顯著；誤差線均為樣本的標(biāo)準(zhǔn)誤

2.3 土壤可溶性氮組分密度變化

如圖2所示,黃土丘陵區(qū)6種類(lèi)型的樣地0—30 cm土壤可溶性有機(jī)氮密度整體介于58.3—269.5 kg/hm2。不同植被恢復(fù)模式增加了土壤可溶性有機(jī)氮密度,其中以檸條增幅最高,達(dá)到262.2%,其次是刺槐(232.8%),刺槐山桃混交、刺槐側(cè)柏混交最低,平均增幅為34.5%,而荒草地可溶性有機(jī)氮密度卻低于耕地。土壤硝態(tài)氮密度整體介于5.8—16.3 kg/hm2,且5種植被恢復(fù)模式均顯著增加了土壤硝態(tài)氮密度,整體表現(xiàn)為檸條>刺槐>刺槐山桃混交>荒草地>刺槐側(cè)柏混交,增幅為7.9%—182.8%。6種類(lèi)型的樣地0—30 cm土壤銨態(tài)氮密度小于硝態(tài)氮密度,整體介于46.0—97.0 kg/hm2,相比耕地不同植被恢復(fù)模式土壤銨態(tài)氮密度增加的幅度也較小,其中以刺槐山桃混交增幅110.3%為最大,荒草地最小為2.6%,其次是刺槐、檸條和刺槐側(cè)柏混交,其增幅分別為75.4%、28.2%和16.3%?？梢?jiàn),黃土丘陵區(qū)0—30 cm土壤中可溶性氮組分主要以可溶性有機(jī)氮含量為主,其次是硝態(tài)氮,銨態(tài)氮密度最低。

圖2 不同植被恢復(fù)模式0—30 cm土層土壤可溶性氮組分密度Fig.2 Density of soil soluble nitrogen in forest lands with different vegetation restorations

2.4 可溶性氮組分占總氮比例的變化

由圖3可知,0—30 cm土壤可溶性有機(jī)氮占全氮的6.98%—23.43%,且不同植被恢復(fù)模式間土壤可溶性有機(jī)氮占全氮的比例存在差異。與耕地相比,植被恢復(fù)提高了土壤可溶性有機(jī)氮占全氮的比例,總體表現(xiàn)為刺槐最高,增幅為235.5%,其次是檸條為118.7%,刺槐山桃混交為47.7%,雖然刺槐側(cè)柏混交、荒草地也提高了土壤可溶性有機(jī)氮的百分比,但均未達(dá)到顯著水平。6種類(lèi)型的樣地0—30 cm土壤中硝態(tài)氮占全氮的比例處于0.62%—1.10%,相比耕地,僅刺槐、檸條和刺槐山桃混交3種植被恢復(fù)模式顯著提高了土壤硝態(tài)氮占全氮的比例,增幅分別為63.7%、33.8%和10.8%,而刺槐側(cè)柏混交植被恢復(fù)模式卻減少了33.2%。另外,各樣地中0—30 cm土壤銨態(tài)氮占全氮的比例介于0.33%—1.04%,但與耕地相比,僅刺槐和刺槐山桃混交土壤銨態(tài)氮占全氮的比例有所提高,具體增幅分別為36.4%和98.7%,其它植被恢復(fù)模式與耕地?zé)o顯著差異。

圖3 不同植被恢復(fù)模式土壤可溶性氮組分占總氮比例Fig.3 Ratio of soil soluble nitrogen to total nitrogen in forest lands with different vegetation restorations

2.5 土壤可溶性氮組分對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和微生物量碳氮變化的敏感性

6種類(lèi)型的樣地,3個(gè)土層的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、微生物量碳氮與可溶性氮組分?jǐn)?shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果如表4所示,硝態(tài)氮與全氮、有機(jī)質(zhì)、微生物量氮、微生物量碳均極顯著相關(guān)(P<0.01)；可溶性有機(jī)氮與全氮極顯著相關(guān)(P<0.01),與土壤微生物量氮顯著相關(guān)(P<0.05)；銨態(tài)氮僅與微生物量氮顯著相關(guān)。

對(duì)0—30 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、微生物量碳氮與可溶性氮組分?jǐn)?shù)據(jù)作進(jìn)一步回歸分析(圖4),結(jié)果表明,硝態(tài)氮與全氮、有機(jī)質(zhì)、微生物量氮、微生物量碳擬合效果最明顯,均表現(xiàn)出極顯著正線性相關(guān)關(guān)系(P<0.01),擬合線性曲線R2分別為0.436、0.563、0.174和0.467；可溶性有機(jī)氮與微生物量氮呈顯著正線性相關(guān)關(guān)系(R2=0.082；P<0.05)；銨態(tài)氮表現(xiàn)出與微生物量氮、微生物量碳呈顯著正線性相關(guān)關(guān)系(R2=0.094,0.112；P<0.05)。

表4 土壤可溶性氮組分含量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、微生物量氮、微生物量碳之間的相關(guān)性分析

Table 4 Correlation coefficients of Soil organic matter, total nitrogen, microbial biomass carbon and nitrogen in forest lands with different vegetation restorations

相關(guān)系數(shù)Correlationcoefficients可溶性有機(jī)氮Solubleorganicnitrogen硝態(tài)氮Nitratenitrogen銨態(tài)氮Ammoniumnitrogen全氮Totalnitrogen0.450**0.750**0.026有機(jī)質(zhì)Organicmatter0.2420.660**-0.025微生物量氮Microbialbiomassnitrogen0.287*0.684**0.334*微生物量碳Microbialbiomasscarbon0.0310.417**0.307*

n=54；*在P<0.05水平相關(guān)性顯著(雙尾)；**在P<0.01水平相關(guān)性極顯著(雙尾)

圖4 土壤可溶性氮組分與有機(jī)質(zhì)、全氮、微生物量氮、微生物量碳之間的關(guān)系Fig.4 Relationships between soil soluble nitrogen, soil organic matter, total nitrogen, microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen in 0—30 cm soil layer with different vegetation restorationsn=54；*在P<0.05水平相關(guān)性顯著；**在P<0.01水平相關(guān)性極顯著

3 討論

3.1 植被恢復(fù)對(duì)土壤可溶性氮組分的影響

陜北黃土丘陵區(qū)實(shí)施退耕還林以來(lái),植被覆蓋度逐漸增加,改善了土壤微環(huán)境[14- 15],凋落物在土壤中積累、礦化[16- 17],增加了土壤氮素的輸入[18],同時(shí)植物根系分泌物中的有機(jī)酸類(lèi)物質(zhì)又能加速土壤難溶性物質(zhì)向可利用性(可溶性)轉(zhuǎn)化,提高土壤氮轉(zhuǎn)化能力[19],進(jìn)而產(chǎn)生了各林分間土壤可溶性氮組分的分布差異。本次研究的5種植被恢復(fù)模式的土壤可溶性氮組分含量相比耕地均有不同程度提升,這可能是因?yàn)闃拥氐蚵湮锷锪?、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、微生物量氮提高,增加了土壤可溶性氮的來(lái)源。王春陽(yáng)等人[20]的研究表明凋落物添加能增加土壤礦質(zhì)氮含量,且凋落物C/N越低礦質(zhì)氮提升效果越好。本次研究凋落物C/N(表2)以檸條最低(15.02),其次是刺槐和刺槐山桃混交(20.64,19.20),刺槐側(cè)柏混交(32.55),荒草地最高(54.83),也表現(xiàn)出凋落物C/N越低,礦質(zhì)氮提升效果越好的趨勢(shì),與不同植被恢復(fù)模式土壤可溶性氮組分差異一致。另外,所有樣地pH趨近于中性,利于微生物活動(dòng),從而提高土壤可溶性氮的含量[21- 22]。

植被恢復(fù)在增加土壤可溶性氮組分含量同時(shí),也增加了其在土壤中的密度和所占全氮的比例,增加土壤氮的可利用性[23]。5種植被恢復(fù)模式土壤可溶性有機(jī)氮、硝態(tài)氮等可溶性氮組分密度和所占全氮的比例均有提高,且刺槐、檸條的提升效果最好,而刺槐側(cè)柏混交、刺槐山桃混交林地對(duì)土壤可溶性氮組分的提升能力卻低于刺槐、檸條純林地,這可能是因?yàn)橹脖换謴?fù)初期混交林分的郁閉度較低,林分凋落物少,土壤容重大、粘粒含量低(表1,表2),導(dǎo)致碳氮源輸入少,孔隙度小,粘粒結(jié)合的有機(jī)質(zhì)含量低,不利于土壤氮的轉(zhuǎn)化[24]。因此在黃土丘陵地區(qū)同一恢復(fù)年限不同人工植被恢復(fù)模式中,土壤可溶性有機(jī)氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮等可溶性氮組分含量和供應(yīng)能力總體表現(xiàn)為固氮樹(shù)種純林優(yōu)于固氮與非固氮樹(shù)種混交林,人工林優(yōu)于荒草地。也證明了在黃土丘陵地區(qū)人工促進(jìn)植被恢復(fù)能加快土壤可利用氮的修復(fù)和貧瘠退化土壤的改良。

3.2 土壤可溶性氮組分與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮及微生物量碳氮的關(guān)系

土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤微生物的碳源和能源物質(zhì),其在土壤中的含量和分布情況也會(huì)對(duì)氮素的轉(zhuǎn)化過(guò)程產(chǎn)生重要的影響[25]。本研究結(jié)果表明土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤硝態(tài)氮呈極顯著正相關(guān),這可能是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)的提高,有利于促進(jìn)土壤氮的礦化,增加土壤礦質(zhì)氮含量[26]。同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中,會(huì)釋放出大量的有機(jī)氮組分如氨基酸、氨基酸氮等,也會(huì)影響土壤可溶性氮組分的含量[27]。另外,王清奎[28]等人發(fā)現(xiàn),杉木人工林中土壤可溶性有機(jī)氮與土壤全氮存在正相關(guān)關(guān)系,土壤全氮增加的同時(shí),增加土壤氮的源,促進(jìn)土壤氮轉(zhuǎn)化,提升土壤氮的可溶性。而銨態(tài)氮本身受植物吸收和土壤酸堿性等多個(gè)方面的限制,因而受土壤全氮或有機(jī)質(zhì)變化的影響較小。

土壤微生物量碳氮能很好的表征土壤微生物[29],土壤氮轉(zhuǎn)化及可利用性與土壤微生物生物量密切相關(guān)。本研究中,土壤可溶性氮組分受土壤微生物量碳氮影響大于土壤有機(jī)質(zhì)和全氮,微生物量氮與可溶性氮組分含量的相關(guān)性優(yōu)于微生物量碳。曾全超[30]、邢肖毅[19]等人的研究也得出了類(lèi)似結(jié)果。因?yàn)橥寥牢⑸锪康饕堑鞍踪|(zhì)、氨基酸、核酸等,非常容易分解,是土壤中的活性氮庫(kù)[30-31],能直接通過(guò)礦化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮、銨態(tài)氮。微生物量氮越高,說(shuō)明土壤氮的有效性越高。土壤微生物量碳則主要通過(guò)改變土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤微生物數(shù)量[24],間接影響土壤氮的轉(zhuǎn)化與可利用性,故與土壤可溶性氮組分含量的相關(guān)性低于微生物量氮。

4 結(jié)論

黃土丘陵地區(qū)植被恢復(fù)顯著增加了0—30 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮及微生物量碳氮,顯著提升了土壤氮的有效性,不同植被恢復(fù)模式的提升效果差異顯著。與耕地相比,可溶性有機(jī)氮、硝態(tài)氮含量提升效果以固氮樹(shù)種刺槐、檸條最好,整體表現(xiàn)為單一固氮樹(shù)種優(yōu)于混交林樹(shù)種,人工林優(yōu)于荒草地。另外土壤可溶性氮組分密度及其占全氮的比例也有相應(yīng)的提升,且隨著土層的加深,提升效果降低。土壤中可溶性有機(jī)氮密度最大,其次是硝態(tài)氮,銨態(tài)氮密度最低；土壤可溶性有機(jī)氮、硝態(tài)氮密度及其占全氮的比例以刺槐林地最高,銨態(tài)氮密度及其占全氮的比例為刺槐山桃混交模式最高。表明,在黃土丘陵地區(qū)種植固氮樹(shù)種有利于土壤可利用氮的修復(fù)和貧瘠退化土壤的改良。相關(guān)分析與回歸分析表明,土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和微生物量碳氮顯著影響可溶性氮組分含量和分布,其中土壤可溶性氮組分受土壤微生物量碳氮的影響大于土壤有機(jī)質(zhì)和全氮,且與微生物量氮的相關(guān)性優(yōu)于微生物量碳。可溶性氮組分中硝態(tài)氮受有機(jī)質(zhì)、全氮和微生物量碳氮的影響最大,可見(jiàn)硝態(tài)氮對(duì)植被恢復(fù)產(chǎn)生的差異最為敏感。

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Effects of vegetation restoration on soil soluble nitrogen in the Loess Hilly Region

ZHAO Luhong1,2, LI Changzhen2,3, KANG Di1,2, REN Chengjie2,3, HAN Xinhui2,3, TONG Xiaogang4, FENG Yongzhong2,3,*

1CollegeofForestry,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China2TheResearchCenterofRecycleAgriculturalEngineeringandTechnologyofShaanxiProvince,Yangling712100,China3CollegeofAgronomy,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China4CollegeofSourceandEnvironment,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China

vegetation restoration; soluble organic nitrogen; ammonium nitrogen; nitrate nitrogen

國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(41301601)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2015KTCL02-07)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571501)

2016- 03- 09; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 17

10.5846/stxb201603090416

*通訊作者Corresponding author.E-mail: Fengyz@nwsuaf.edu.cn

趙路紅,李昌珍,康迪,任成杰,韓新輝,佟小剛,馮永忠.黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)對(duì)土壤可溶性氮組分的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(10):3533- 3542.

Zhao L H, Li C Z, Kang D, Ren C J, Han X H, Tong X G, Feng Y Z.Effects of vegetation restoration on soil soluble nitrogen in the Loess Hilly Region.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3533- 3542.