黃土高原洞子溝流域植被自然恢復年限對土壤氮素的影響

吳 雪，馮 燕，宋培忠，李湘婉

(昆明理工大學，建筑工程學院，云南昆明 650093)

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黃土高原洞子溝流域植被自然恢復年限對土壤氮素的影響

吳 雪，馮 燕*，宋培忠，李湘婉

(昆明理工大學，建筑工程學院，云南昆明 650093)

[目的] 為了探究自然植被恢復對黃土高原土壤退化修復的影響，分析自然植被恢復年限、土壤土層等因素對土壤氮素的影響。 [方法] 以黃土高原洞子溝流域土壤氮素為研究對象，測定流域內(nèi)南北坡不同植被恢復年限土壤不同層次(0～10、10～20 cm)的3種氮素形態(tài)(有機氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)含量，并且探討各氮素間相互關系。[結果] 隨著恢復年限的增加，3種土壤氮素整體上持續(xù)增長，其中南坡表現(xiàn)為自然恢復60年>自然恢復30年>自然恢復10年，且有機氮含量的增加最明顯，增長了3.07倍，北坡土壤氮素含量表現(xiàn)為自然恢復100年>自然恢復60年>自然恢復10年>退耕2年，同時硝態(tài)氮的增加最明顯，增加了13.19倍；氮素的各形態(tài)之間均存在極顯著的相關關系，相關系數(shù)均介于0.50～0.94之間；隨著植被恢復年限的增加，不同形態(tài)氮素的含量在總氮中所占比例呈現(xiàn)小幅度的波動，但總體上基本保持穩(wěn)定。[結論] 該研究可以為黃土高原地區(qū)植被恢復與生態(tài)保護提供科學理論依據(jù)。

自然恢復年限；有機氮；銨態(tài)氮；硝態(tài)氮

長期的不合理土地利用和人為管理導致黃土高原嚴重的土壤退化[1]。改善土壤質量、加快植被恢復成為黃土高原生態(tài)恢復建設的重要目標之一[2]。

氮素是土壤肥力中最活躍的因素之一，是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，也是土壤生產(chǎn)力和產(chǎn)量的重要限制因素[3]。土壤中氮素的主要形態(tài)為有機氮和無機氮。有機氮是土壤氮素的主要形態(tài)。對于表層土壤，有機氮含量約占土壤全氮的90%或更多。無機氮又包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮。在一般條件下，土壤中不會有亞硝態(tài)氮的積累，其量甚微。一般在提到土壤中的無機氮時，通常指硝態(tài)氮和銨態(tài)氮[4]。

為了探討不同自然恢復年限下土壤氮素的含量、形態(tài)變化以及不同氮素間的相關性，筆者以黃土高原洞子溝流域自然植被恢復土壤中的有機氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮為研究對象，探討其在不同植被恢復年限和土壤層次間的變化及相關性，研究自然植被恢復年限、土層等因素對土壤氮素的影響，為黃土高原地區(qū)植被恢復與生態(tài)保護提供科學理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況試驗區(qū)位于陜西省安塞縣樓坪鄉(xiāng)(36°31′13″～36°35′26″N，109°7′34″～109°10′34″E)，中溫帶大陸性半干旱季風氣候，海拔1 166～1 490 m，流域總面積20.61 km2。土壤類型以黃綿土為主，間有復鈣紅黏土、典型黑壚土和沖積土，土地利用以林地為主。

1.2 采樣方法采取S形采樣法，具體步驟為：分別在南坡和北坡選擇不同植被恢復年限的樣地，每塊樣地選取8塊樣點，在每塊樣點內(nèi)選取2個具有代表性的樣方，然后在每個樣方內(nèi)以S形取5個點，用土鉆采集所需深度的土壤樣品，將采集的土樣混合密封后帶回室內(nèi)，仔細除去新鮮土樣中可見植物殘體、土壤動物，一部分風干，一部分-20 ℃冷凍保存。

1.3 分析測定方法

1.3.1有機氮測定。稱取過0.15 mm篩的風干土樣約1 g于消煮管中，加少量水潤濕，再加入混合催化劑(將100 g硫酸鉀、10 g硫酸銅和1 g硒粉分別研磨成粉，并混合均勻)2 g和濃硫酸(化學純)5 ml，搖勻后進行消煮，消煮完畢后全部轉移，用全KDY-9830自動凱氏定氮儀測定。

1.3.2硝態(tài)氮、銨態(tài)氮測定。稱取5 g土樣，測定前室溫解凍3 d，以1 mol/L KCl浸提，浸提液與鮮土的體積比為10∶1，振蕩30 min，用流動分析儀Auto Analyzer 3測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法用Microsoft Excel 2003和SAS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差和相關性分析，多重比較采用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 不同植被恢復年限對土壤有機氮的影響由圖1可知，土壤有機氮隨植被恢復年限的增加而增加，隨土層深度的增加而減少。南坡0～10 cm土層植被恢復年限60、10年與20、30年差異顯著(P<0.05)，20與30年之間差異不顯著，60年土壤的有機氮含量是10年的4.04倍，隨著時間的推移，土壤中有機氮增長速度加快；10～20 cm土層植被恢復年限10、20年間差異不顯著，其余年間差異顯著(P<0.05)，60年土壤的有機氮含量是10年的4.08倍。北坡0～10 cm土層植被恢復10～20年是氮素積累較快的階段，此后氮素含量持續(xù)增加，但增加強度有所減緩，有機氮在退耕后的3個時間跨度內(nèi)年增加量分別為0.06、0.04和0.005 g/kg，且差異達顯著性水平(P<0.05)；在10～20 cm土層，植被恢復60年土壤的有機氮含量是10年的4倍， 100年是恢復10年的4.84倍，年增加量波動性較強。

2.2 不同植被恢復年限對土壤銨態(tài)氮的影響由圖2可知，南坡0～10 cm土層銨態(tài)氮含量在10～20年遞減，年均變化量為-0.03 mg/kg，20～60年緩慢增加，年均增加量分別為0.11、0.01 mg/kg，植被恢復60年土壤的銨態(tài)氮含量是10年的1.04倍，各年間銨態(tài)氮含量差異并不顯著；10～20 cm土層銨態(tài)氮含量隨著植被恢復年限的增加呈現(xiàn)先緩慢增加至一定值后保持穩(wěn)定再繼續(xù)緩慢增加的趨勢，銨態(tài)氮含量在植被恢復20、30、60與10年相比都有顯著增加。北坡0～10 cm土層銨態(tài)氮含量隨著植被恢復年限的增加而增加，但差異均不顯著，10～20 cm土層銨態(tài)氮含量在植被恢復2～10年內(nèi)減少但不顯著，10～100年內(nèi)則顯著增加。

2.3 不同植被恢復年限對土壤硝態(tài)氮的影響由圖3可知，南坡0～10 cm土層硝態(tài)氮含量年變化量隨著植被恢復年限的增加分別為0.547、-0.290和0.347 mg/kg，前30年硝態(tài)氮含量差異并不顯著，30年后則開始顯著增加，植被恢復60年土壤的硝態(tài)氮含量是恢復10年土壤的2.612倍；10～20 cm土層硝態(tài)氮含量隨著植被恢復年限增加，在前20年基本保持恒定，20年后伴隨著植被群落的演替，硝態(tài)氮含量顯著增加。 北坡0～10 cm土層硝態(tài)氮含量前60年內(nèi)顯著增加，60年后達到基本穩(wěn)定狀態(tài)。10～20 cm土層10年內(nèi)增加不顯著，說明在植被恢復的初期，土壤被草本植物所覆蓋，硝態(tài)氮含量增加緩慢，10年后則顯著增加。

2.4 不同形態(tài)氮素之間的相關關系

2.4.1不同形態(tài)氮素所占比例。由表1、表2可知，在表層土壤中各形態(tài)氮素含量表現(xiàn)為有機氮>硝態(tài)氮>銨態(tài)氮，且三者含量差異均達到0.01顯著水平。土壤有機氮含量占總氮的98%～99%，遠遠大于無機氮含量，因此土壤有機氮在一定程度上可以代表土壤可供應的氮素總量。

表1 南坡不同植被恢復年限下的不同形態(tài)氮素比例 %

表2 北坡不同植被恢復年限下的不同形態(tài)氮素比例 %

表3 不同形態(tài)氮素的相關系數(shù)

注：**表示P<0.01。

2.4.2不同形態(tài)氮素間相關關系。由表3可知，土壤中有機氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之間均存在0.01水平顯著的相關關系，且決定系數(shù)均介于0.50～0.94，說明各氮素之間可對彼此的變異做出50%～94%的解釋。

3 結論與討論

何騰兵等[5]研究表明，植被恢復年限的增加有利于土壤中各形態(tài)氮素的積累，長期恢復處理年(南坡30年以上，北坡60年以上)的土壤氮素含量顯著高于10年(P<0.05)。這可能是由于恢復地無人為因素的干擾，每年有大量的植物殘體、根系殘渣和根系分泌物歸還到恢復地土壤中，隨著時間的增長、植被的演替，不同植被不同演替階段優(yōu)勢種的光合生理特征以及對微生境的適應性存在明顯差異[6]。隨著土壤環(huán)境的改善，微生物的數(shù)量與活性顯著增強，對于有機質的礦化作用也顯著提升，從而提高土壤中總氮含量，說明自然植被恢復在一定程度上可以顯著提高土壤肥力[7]。

土壤中有機氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮之間存在緊密的聯(lián)系。有機質中的有機氮會在土壤微生物作用下轉變成銨態(tài)氮，再進一步轉變成硝態(tài)氮。土壤中還有一個硝態(tài)氮還原為銨態(tài)氮的異化過程，也能使銨態(tài)氮生成。土壤中幾種氮素之間的相互調(diào)節(jié)與轉化影響著土壤中氮素的形態(tài)與含量。何騰兵等[5]研究也證實氮素形態(tài)間均存在極顯著正相關關系，即土壤氮素的某一組分的流失或累積必然引起其他組分隨之變化。隨著恢復年限的增加，大量的動植物殘體及相關有機物進入土壤中，土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量隨著有機質含量的增加而升高，有機質有著保持和供應銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的作用，從而導致銨態(tài)氮與硝態(tài)氮表現(xiàn)出遞增的趨勢[8]。

研究表明，絕大多數(shù)樣點土壤表層有機氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量隨著植被恢復年限的增加而逐漸增加，個別樣點呈負相關。南坡從10～60年有機氮含量增加3.07倍，銨態(tài)氮含量增加0.16倍，硝態(tài)氮含量增加2.10倍，其中有機氮含量的增加較顯著。北坡從2～100年有機氮含量增加5.93倍，銨態(tài)氮含量增加0.60倍，硝態(tài)氮含量增加13.19倍，其中硝態(tài)氮含量的增加極顯著。絕大多數(shù)樣點土壤有機氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量隨著土層深度的增加而減少，個別樣點呈正相關。土壤表層有機氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量三者的相關性達到極顯著水平。

[1] 戴全厚，薛萐，劉國彬.侵蝕環(huán)境退耕自然恢復地植被恢復中土壤生物學特性演變[J].貴州農(nóng)業(yè)科學，2008，36(4):115-117.

[2] 安韶山，黃懿梅.黃土丘陵區(qū)檸條林改善土壤作用的研究[J].林業(yè)科學，2009，42(1):70-74.

[3] ETTERSHANK G J，ETTERSHANK M B，WHITFORD W G. Effects of nitrogen fertilization on primary productivity in a Chihuahuan desert ecosystemc[J].J Arid Environ，1978，1:135-139.

[4] FISHER R F，BINKLEY D. Ecology and Management of Forest Soils[M].New York:John Wiley & Sons，2000.

[5] 何騰兵，林昌虎.貴州西部喀斯特石漠化地區(qū)土壤氮素變異特征初步研究[D].貴州：貴州大學，2005.

[6] 安慧，上官周平.黃土高原植被不同演替階段優(yōu)勢種的光合生理特性[J].應用生態(tài)學報，2007，18(6)：1175-1180.

[7] 李明峰，曹云社，齊玉春，等.溫帶草原土地變化對土壤碳氮含量的影響[J].中國草地，2005，27(1)：1-6.

[8] 陳效民，吳華山，孫靜紅.太湖地區(qū)農(nóng)田土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的時空變異[J].環(huán)境科學，2006，27(6)：1217-1222.

Effects on Soil Nitrogen of Natural Recovery Period in Dongzigou Basin of Loess Plateau

WU Xue， FENG Yan*， SONG Pei-zhong et al

(Faculty of Civil Engineering and Architecture，Kunming University of Science and Technology，Kunming, Yunnan 650093)

[Objective] The research aimed to explore the effects of natural vegetation restoration on remediation of soil degradation in Loess Plateau, and analyze the effects of factors such as years of natural vegetation restoration and soil horizon on soil nitrogen. [Method] Taken the soil nitrogen in Loess Plateau of Dongzigou Basin as the research object，soil samples from 0-10 cm and 10-20 cm depths were collected in Dongzigou basin and analyzed to determine soil N content (soil organic-N，ammonium-N，nitrate-N). [Result] Along with natural recovery, three kinds of soil nitrogen increased gradually in general, which manifested in the south slope was that natural recovery of 60 years> natural recovery of 30 years> natural recovery of 10 years, and organic nitrogen increased the most significantly by 3.07 times. North slope showed that natural recovery to 100 years > natural recovery to 60 years> natural recovery to 10 years > abandoned 2 years, and nitrate nitrogen increased the most significantly by 13.19 times. A significant positive correlation was found among the three kinds of soil nitrogen, and the correlation coefficient ranged from 0.50 to 0.94. The proportion of content of different nitrogen forms in the total nitrogen showed a small amplitude fluctuations，but remained stable overall. [Conclusion] The research could provide the scientific basis for vegetation restoration in Loess Plateau Area and ecological protection.

Natural recovery period; Organic nitrogen; Ammonium nitrogen; Nitrate nitrogen

國家自然基金(41030532,41101254)。

吳雪(1988-)，女，黑龍江克山人，碩士研究生，研究方向：生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價研究、水處理理論與技術。*通訊作者，副教授，碩士，從事水處理理論與技術以及環(huán)境評價方面的研究。

2014-11-20

S 153.6+

A

0517-6611(2015)01-068-03