黃土丘陵區(qū)生物結(jié)皮條件下土壤有機質(zhì)及氮素的累積特征

姚春竹，趙允格，王 媛，張培培,2

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) a 資源環(huán)境學(xué)院，b 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌712100；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

氮素既是植物生長必需的三大營養(yǎng)元素之一，同時又是重要的污染元素之一。土壤中氮素常常會引發(fā)一系列環(huán)境問題，如水體污染、淡水酸化[1]、海洋富營養(yǎng)化[2]以及反硝化作用產(chǎn)生的溫室氣體[3]等。因此，國內(nèi)外學(xué)者對土壤氮素及其轉(zhuǎn)化開展了許多研究，認為土壤pH、水分、有機質(zhì)和C/N等諸多因素都會影響氮素的轉(zhuǎn)化，從而改變其有效性及對環(huán)境污染的風(fēng)險性。生物土壤結(jié)皮(簡稱生物結(jié)皮)是由隱花植物如藍藻、地衣、苔蘚類和土壤中微生物以及其他生物體通過菌絲體、假根系和分泌物等與土壤表層顆粒膠結(jié)形成的復(fù)雜復(fù)合體[4-5]，是干旱半干旱地區(qū)普遍存在的地被物[6]。生物結(jié)皮中包含多種固氮菌，能將大氣中的N2還原、固定為可被生物所利用的銨態(tài)氮[7]。Elbert等[8]研究得出，全球生物結(jié)皮的固氮量可達到45 Tg/年，約占全球生物固氮總量的40%。同時，作為具有生命活性的有機復(fù)合層，生物結(jié)皮可以從多個方面改變土壤的理化屬性，如增加土壤穩(wěn)定性[9]、改善土壤水分狀況[10]、增加土壤有機質(zhì)[11]、降低土壤pH[12]等，從而影響土壤氮素的轉(zhuǎn)化。目前，相關(guān)研究主要集中于生物結(jié)皮的固氮作用及其影響因子、生物結(jié)皮對土壤氮素的累積作用等方面[13-14]，鮮有研究關(guān)注生物結(jié)皮對土壤中氮素分量的影響，生物結(jié)皮固定氮素的去向也不明確。

我國土壤侵蝕最嚴重的區(qū)域之一——黃土丘陵區(qū)有大面積的生物結(jié)皮分布，退耕還林還草等生態(tài)恢復(fù)措施實施之后，更為生物結(jié)皮發(fā)育提供了有利條件，蓋度可以達到70%左右[15]。肖波等[13]在該地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，生物結(jié)皮的形成，使土壤全氮分布呈表聚現(xiàn)象，且隨退耕年限的延長，表聚現(xiàn)象越明顯。但該研究未涉及其他氮素形態(tài)的變化，因此，尚不能很好地反映該地區(qū)退耕地土壤氮素組分的累積特征及氮素流失風(fēng)險。為此，本試驗以黃土丘陵區(qū)為研究區(qū)域，以人為擾動少、有生物結(jié)皮形成的退耕撂荒地為研究對象，對不同退耕年限(0～30年)的生物結(jié)皮進行調(diào)查取樣，對其不同土層的氮素含量、形態(tài)及有機質(zhì)含量進行分析，以期揭示生物結(jié)皮條件下土壤有機質(zhì)及氮素的累積特征，為評價生物結(jié)皮條件下土壤氮素潛在的環(huán)境效應(yīng)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在中國科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗站山地試驗場及周邊山地進行。該站地處黃土高原中部的陜西省延安市安塞縣境內(nèi)，屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。氣候區(qū)劃上屬暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候。研究區(qū)平均海拔1 200 m，相對高差100～300 m，年均氣溫8.8 ℃，多年平均降水量505 mm。年日照2 300～2 400 h，≥10 ℃的積溫為3 282 ℃，干燥度指數(shù)1.48，無霜期157 d，降水年度分配不均，7-9月降水量占年降水量的60%，且多暴雨。

地帶性土壤為黑壚土(干潤均腐土)。由于嚴重的水土流失，原有的黑壚土損失殆盡，土壤以黃土母質(zhì)上發(fā)育來的黃綿土(鈣質(zhì)干潤雛形土)為主。地帶性植被為暖溫性灌草叢和草甸草原群落，代表性的植物群落有長芒草(Stipabungeana)、白羊草(Bothriochloaischaemun)和茭蒿(Artemisiagiraldii)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)。

退耕還林實施后，研究區(qū)封禁的荒坡草地上生物結(jié)皮覆蓋度可以達到60%～70%，主要分布于高等維管束植物之間的空地上，溝坡較梁峁坡分布面積更廣。組成上，陰坡以蘚類植物結(jié)皮為主，陽坡則以藻結(jié)皮為主，地衣成分較少(蓋度小于10%)[13]。

1.2 樣品采集

選擇海拔高度、坡度等地理條件基本一致，生物結(jié)皮相對完整、人為擾動較少、生物結(jié)皮發(fā)育年限不同的撂荒地為研究樣地，每種樣地3～4個重復(fù)。選取同一區(qū)域退耕1年內(nèi)的撂荒地作為對照(CK)。樣地基本情況見表1。在每個樣地內(nèi)隨機設(shè)立4個5 m×5 m的樣方，每個大樣方中隨機選擇10個25 cm×25 cm的小樣方，調(diào)查其生物結(jié)皮的物種組成、蓋度及樣地植被組成。并在每個樣地選取4個點分層采集結(jié)皮層以及0～2，2～5，5～10 cm土層的土壤樣品，同一土層土樣混合作為一個分析樣。土樣采集點選在高等植被間的空地，避免植被根系影響。樣品室內(nèi)風(fēng)干后磨細過孔徑2，1和0.25 mm的篩備用。

表1 調(diào)查樣地的概況

1.3 測定項目及方法[15]

土壤全氮含量用凱氏定氮法測定，堿解氮含量用堿解擴散法測定，有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定。硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的測定方法：取過孔徑2 mm篩的土壤樣品5 g，在25 ℃下，用50 mL的1 mol/L KCl溶液振蕩提取30 min，過濾后用AA3全自動流動分析儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007與SPSS 17. 0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析。對同一年限不同土層以及同一土層不同年限的土壤各氮素形態(tài)和有機質(zhì)含量進行單因素方差分析和LSD 多重比較，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同發(fā)育年限生物結(jié)皮對土壤全氮和有機質(zhì)含量的影響

不同發(fā)育年限的生物結(jié)皮土壤中氮素和有機質(zhì)含量見表2和表3。由表2和表3可知，同一發(fā)育年限下，土壤全氮和有機質(zhì)含量隨著土層的加深而減少。不同發(fā)育年限生物結(jié)皮對土壤全氮和有機質(zhì)含量的影響在結(jié)皮層表現(xiàn)最為突出，對下層土壤(0～10 cm土壤)影響不明顯。因此，本試驗在對比不同發(fā)育年限生物結(jié)皮對土壤氮素和有機質(zhì)的影響時，僅對結(jié)皮層土壤和5～10 cm土壤進行分析。

經(jīng)過分析可知，以退耕13年為界限，土壤全氮和有機質(zhì)的積累過程大致可分為快速增長階段和穩(wěn)定階段。在快速增長階段，結(jié)皮層的全氮和有機質(zhì)含量與退耕年限呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2分別為 0.752 和0.694)。退耕5年時結(jié)皮層土壤全氮和有機質(zhì)含量分別達到0.64和10.50 g/kg，是CK的 1.78 和2.09倍，差異顯著；在退耕13年時，結(jié)皮層土壤全氮和有機質(zhì)含量達到了1.34和25.42 g/kg，是CK的3.72和5.05倍，之后雖有波動，但總體趨于穩(wěn)定。隨著退耕年限的延長，5～10 cm土層土壤全氮和有機質(zhì)含量分別為0.24～0.52和3.69～7.79 g/kg，不同退耕年限之間無明顯差異。

表2 黃土丘陵區(qū)不同發(fā)育年限生物結(jié)皮對各土層土壤全氮含量的影響

表3 黃土丘陵區(qū)不同發(fā)育年限生物結(jié)皮對各土層土壤有機質(zhì)含量的影響

2.2 不同發(fā)育年限生物結(jié)皮對土壤碳氮比(C/N)的影響

碳氮比是表征土壤質(zhì)量變化的重要指標，影響著土壤中有機碳和氮的循環(huán)。碳氮比的高低可以反映土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)特征[16]，土壤中氮素的固定、礦化和硝化也與其密切相關(guān)[17]。

生物結(jié)皮對土壤碳氮比的影響見圖1。由圖1可知，生物結(jié)皮發(fā)育初期結(jié)皮層和各土層土壤碳氮比約為8.0；之后隨著生物結(jié)皮發(fā)育年限的延長，結(jié)皮層土壤的碳氮比總體呈增大趨勢，在生物結(jié)皮發(fā)育15年時達到最大值，為11.8；0～2，2～5和5～10 cm土層的土壤碳氮比隨生物結(jié)皮發(fā)育年限的增大變化不大，差異不顯著。表明生物結(jié)皮可顯著提高結(jié)皮層土壤碳氮比，對下層土壤碳氮比影響不大，且與其發(fā)育年限無關(guān)。

2.3 不同發(fā)育年限生物結(jié)皮對土壤堿解氮含量的影響

堿解氮反映了土壤的氮素動態(tài)、供氮水平和土壤的肥力狀況[18]。生物結(jié)皮改善了土壤理化性質(zhì)以及土壤微生物種群結(jié)構(gòu)，進而影響土壤中氮素的礦化速率。由圖2可知，在同一生物結(jié)皮發(fā)育年限下，隨著土層的加深，堿解氮含量逐漸降低。經(jīng)分析可知，除結(jié)皮發(fā)育13年和15年外，其他發(fā)育年限樣地0～2，2～5和5～10 cm土層堿解氮含量之間差異不顯著，故本試驗在對比不同發(fā)育年限生物結(jié)皮對土壤堿解氮含量的影響時，只對結(jié)皮層土壤和5～10 cm土層土壤進行分析。在生物結(jié)皮發(fā)育的前15年，結(jié)皮層土壤堿解氮含量隨發(fā)育年限的延長而增加；生物結(jié)皮發(fā)育15年時，結(jié)皮層土壤堿解氮含量達到最大值94.89 mg/kg，是CK的6.51倍；隨著結(jié)皮發(fā)育年限的延長，5～10 cm土層土壤堿解氮含量在11.47～29.80 mg/kg，變化范圍較窄。

圖1 黃土丘陵區(qū)不同發(fā)育年限生物結(jié)皮對各土層土壤碳氮比的影響

圖2 黃土丘陵區(qū)不同發(fā)育年限生物結(jié)皮對結(jié)皮層和不同土層土壤堿解氮含量的影響

圖3顯示，生物結(jié)皮發(fā)育不同年限下，0～2，2～5和5～10 cm土層土壤的堿解氮占全氮的比例差異不顯著。生物結(jié)皮發(fā)育前13年，結(jié)皮層土壤堿解氮占全氮的比例明顯高于0～2，2～5和5～10 cm土層；13年之后，結(jié)皮層土壤堿解氮占全氮的比例雖然仍比0～2，2～5和5～10 cm土層土壤高，但差異減小。對比表2和圖2可知，生物結(jié)皮發(fā)育的前13年，結(jié)皮層土壤全氮和堿解氮含量隨發(fā)育年限的增加而逐漸積累，13年之后趨于穩(wěn)定。以上結(jié)果表明，生物結(jié)皮不僅可以固定氮素并積累到土壤中，還可以明顯改善結(jié)皮層土壤有效氮的比例，增加土壤中氮素的有效性。生物結(jié)皮發(fā)育13年之后，結(jié)皮層土壤中氮素含量趨于穩(wěn)定，其有效氮的比例與下層土壤差異不大。

2.4 生物結(jié)皮對土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮及其比值的影響

為了便于分析，按照樣地的生物結(jié)皮發(fā)育年限，將樣地劃分為<5年、≥5～<10年、≥10～<15年、≥15～<20年、≥20～<25年和≥25～<30年6個時段，由之前的結(jié)果可知，生物結(jié)皮只對結(jié)皮層土壤全氮和堿解氮水平有明顯影響，因此本試驗僅分析結(jié)皮層和0～2 cm土層土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的變化，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著結(jié)皮發(fā)育年限的增加，結(jié)皮層和0～2 cm土層土壤硝態(tài)氮含量總體呈上升趨勢。在生物結(jié)皮發(fā)育的前10年，結(jié)皮層和0～2 cm土層硝態(tài)氮含量差異不明顯；10年后，結(jié)皮層土壤硝態(tài)氮含量明顯高于0～2 cm土層，其中結(jié)皮層土壤硝態(tài)氮含量為1.75～2.01 mg/kg，其最大值是CK的10.5倍，0～2 cm土層土壤硝態(tài)氮含量為0.78～1.39 mg/kg，其最大值是CK的 7.3 倍。0～2 cm土層土壤銨態(tài)氮含量明顯低于結(jié)皮層土壤銨態(tài)氮含量，且隨結(jié)皮發(fā)育年限的增加而波動，在發(fā)育年限≥15～<20年時，達到最大值(5.91 mg/kg)。結(jié)皮層土壤銨態(tài)氮含量變化與硝態(tài)氮含量變化趨勢基本一致，總體呈上升趨勢，在生物結(jié)皮發(fā)育的前10年，結(jié)皮層土壤銨態(tài)氮與CK無明顯差異； 10年之后，結(jié)皮層土壤銨態(tài)氮顯著升高，達 7.70～8.81 mg/kg，最大值出現(xiàn)在結(jié)皮發(fā)育年限≥20～<25年時，是CK的2.4倍。

圖3 黃土丘陵區(qū)不同發(fā)育年限生物結(jié)皮對各土層堿解氮占全氮比例的影響

圖4 黃土丘陵區(qū)不同發(fā)育年限生物結(jié)皮對結(jié)皮層和0～2 cm土層土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的影響

由圖5可知，在生物結(jié)皮發(fā)育的前10年，結(jié)皮層土壤的硝銨比隨著發(fā)育年限的延長而增大；發(fā)育10年后，結(jié)皮層土壤硝銨比穩(wěn)定在0.2左右。 0～2 cm土層的硝銨比隨著結(jié)皮發(fā)育年限的延長先增大后減小，至發(fā)育年限≥5～<10年時達到最大值(0.35)；之后隨著發(fā)育年限的進一步延長而下降，到結(jié)皮發(fā)育≥15～<20年時降到0.24，之后趨于穩(wěn)定。在結(jié)皮發(fā)育的前5年，結(jié)皮層土壤硝銨比與 0～2 cm土層差異不顯著，但從結(jié)皮發(fā)育年限≥5～<10年開始，兩者有較大差距，至發(fā)育年限≥15～<20年之后，結(jié)皮層和0～2 cm土層的硝銨比差異減小，趨于一致。

圖5 黃土丘陵區(qū)不同發(fā)育年限生物結(jié)皮對結(jié)皮層和0～2 cm土層土壤硝銨比的影響

3 討 論

生物結(jié)皮在干旱、半干旱生態(tài)系統(tǒng)中有重要的生態(tài)功能。目前國內(nèi)外學(xué)者在生物結(jié)皮氮素積累方面開展了不少研究。Belnap[7]指出，生物結(jié)皮中含有多種固氮菌，可以增加土壤氮素含量。肖波等[13]研究發(fā)現(xiàn)，退耕地在退耕10年后結(jié)皮層土壤全氮可以達到初始退耕地的2倍左右。本研究結(jié)果表明，生物結(jié)皮可以增加結(jié)皮層土壤的全氮和堿解氮含量，且在一定時間內(nèi)隨著結(jié)皮發(fā)育時間的延長而增加，與前人的研究結(jié)果相似。生物結(jié)皮的固氮作用[19]及其死亡殘體等都為土壤提供了豐富的氮源。由于植物的富集作用，苔蘚結(jié)皮會吸收土壤中的速效養(yǎng)分，并將其聚集在根系(假根系)周圍，供其吸收利用，導(dǎo)致結(jié)皮層土壤的速效氮高于下層土壤。結(jié)皮層豐富的微生物及其分泌物可能也是結(jié)皮層堿解氮含量相對較高的重要原因之一。

本研究中，生物結(jié)皮的形成除了增加了結(jié)皮層土壤全氮和速效氮含量之外，還可以增加結(jié)皮層土壤的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，提高土壤碳氮比和土壤硝銨比，有活化土壤表層氮素的作用。Klubek等[19]發(fā)現(xiàn)，生物結(jié)皮中20%的氮素以銨態(tài)氮的形式釋放到細胞外，這可能導(dǎo)致結(jié)皮層土壤銨態(tài)氮含量增加，進而影響土壤硝銨比。結(jié)皮層豐富的微生物及其分泌物可以提高氮素活性，提高土壤礦化作用和硝化作用，這也可以增加結(jié)皮層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。Zaady等[20]的研究表明，生物結(jié)皮固定的碳可以增加土壤中的有機質(zhì)含量，提高土壤肥力。肖波等[21]研究發(fā)現(xiàn)，生物結(jié)皮的形成除了增加土壤氮素外，對土壤有機質(zhì)也有積累作用，且該作用在結(jié)皮層表現(xiàn)的最明顯。此外，碳氮比深刻影響著土壤微生物的活性，較低的C/N可以提供足夠的氮源供微生物消耗，提高其活性[22]。而生物結(jié)皮的形成提高了土壤碳氮比，抑制了微生物的分解作用，這也從另一個方面增加了結(jié)皮層土壤的有機碳含量。

本研究中，不同發(fā)育年限生物結(jié)皮對結(jié)皮層土壤全氮和速效氮含量都有明顯的促進作用，與0～2 cm土層土壤相比，生物結(jié)皮顯著增加了土壤硝態(tài)氮含量。研究區(qū)域內(nèi)，降雨(年均降雨量為500 mm)集中，常形成地表徑流。氮素隨地表徑流遷移是農(nóng)業(yè)面源污染、水體富營養(yǎng)化的重要原因之一[23]。表土有機質(zhì)、有效氮養(yǎng)分的含量等都是影響徑流氮濃度的主要因子[24]。本研究結(jié)果表明，生物結(jié)皮增加了結(jié)皮層土壤有機質(zhì)和堿解氮的含量，土壤有機質(zhì)和堿解氮分別是對照的5.05和6.51倍，硝態(tài)氮含量也顯著提高，這些都增加了氮素隨徑流流失的可能。同時生物結(jié)皮的形成改變了土壤表面孔隙狀況、抗雨滴打擊能力和土壤團聚體含量[25]等特性，因此生物結(jié)皮影響著土壤入滲-產(chǎn)流過程。肖波等[21]在自然降雨的條件下，通過對有、無結(jié)皮的小區(qū)土樣分析后發(fā)現(xiàn)，結(jié)皮小區(qū)的硝態(tài)氮流失總量比無結(jié)皮小區(qū)多3.73% ,證實了生物結(jié)皮的存在增加了土壤氮素隨徑流流失的風(fēng)險。

綜上所述，生物結(jié)皮對土壤表層氮素積累有重要作用，可顯著提高土壤氮素含量，增加土壤肥力，為黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)創(chuàng)造條件。但是，隨著氮素的積累，其流失風(fēng)險和對環(huán)境的威脅也會增加。因此,在關(guān)注生物結(jié)皮積累養(yǎng)分、培肥土壤的同時,還應(yīng)注意生物結(jié)皮導(dǎo)致的養(yǎng)分流失以及隨之而來的環(huán)境問題。

4 結(jié) 論

1)不同發(fā)育年限生物結(jié)皮明顯增加了結(jié)皮層土壤全氮和有機質(zhì)含量。隨著結(jié)皮發(fā)育年限的延長，結(jié)皮層和0～10 cm土層土壤全氮和有機質(zhì)含量的積累過程可分為快速增長和趨于穩(wěn)定2個階段。結(jié)皮層土壤全氮和有機質(zhì)含量均在結(jié)皮發(fā)育13年時達最高值，分別是CK的3.72和5.05倍。結(jié)皮層土壤堿解氮含量在結(jié)皮發(fā)育15年時達到最大值，是CK的6.51倍。

2)不同發(fā)育年限生物結(jié)皮顯著影響結(jié)皮層土壤的碳氮比，結(jié)皮層土壤的碳氮比明顯高于0～10 cm土層土壤，但這種影響與結(jié)皮發(fā)育年限無關(guān)。

3)不同發(fā)育年限生物結(jié)皮土壤在氮素累積的過程中提高了土壤中氮素的活性。在結(jié)皮發(fā)育3～13年時，結(jié)皮層土壤堿解氮占全氮的比例明顯高于 0～10 cm土層土壤。結(jié)皮發(fā)育≥20～<25年時，結(jié)皮層土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量最高，分別為CK的10.5和2.4倍。生物結(jié)皮在氮素累積的同時也增加了氮素流失的風(fēng)險。

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