三峽庫(kù)區(qū)不同植被覆蓋對(duì)土壤氮的影響

摘要：不同植被類型影響著土壤養(yǎng)分的積累、分布與循環(huán)，而土壤氮素是植被生長(zhǎng)的重要限制性元素。通過(guò)分析宜昌點(diǎn)軍區(qū)3種植被類型（柏樹地、橘樹地、菜地）覆蓋下土壤氮素的變化情況，研究了不同植被對(duì)土壤氮素各形態(tài)的影響。結(jié)果表明，土壤全氮、硝態(tài)氮和微生物氮都是柏樹地顯著大于菜地和橘樹地，而菜地和橘樹地之間無(wú)顯著性的差異；土壤礦化氮和微生物氮/全氮的變化順序是柏樹地>橘樹地>菜地。說(shuō)明不同植被覆蓋對(duì)土壤氮有顯著的影響，柏樹地更有利于土壤氮的積累，氮的有效性也最高，由此認(rèn)為柏樹長(zhǎng)期生長(zhǎng)有益于土壤氮的改善。

關(guān)鍵詞：土壤氮；全氮；微生物氮；礦化氮；銨態(tài)氮；硝態(tài)氮

中圖分類號(hào)：S153.6+1；Q948 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）16-4113-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.010

土壤氮素是影響植物生長(zhǎng)的重要元素之一。植物生長(zhǎng)吸收的氮約50%來(lái)自土壤的供應(yīng)[1]，氮素與植物的光合作用[2]和呼吸作用[3-6]密切相關(guān)，在植物生命活動(dòng)中占有重要地位。氮素在土壤中能以多種含氮化合物形式存在，土壤氮素的化學(xué)形態(tài)及其轉(zhuǎn)化制約著植物對(duì)氮素的吸收，直接影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育，因此，有關(guān)各種形態(tài)的含氮化合物在土壤中變化規(guī)律的研究倍受關(guān)注。

三峽庫(kù)區(qū)由于水土流失等生態(tài)問(wèn)題的影響導(dǎo)致土壤氮含量明顯不足，致使庫(kù)區(qū)植物生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，而退耕還林對(duì)于緩解水土流失有著明顯效果。植被對(duì)土壤的影響表現(xiàn)在植物根系對(duì)土壤的擠壓、穿插和分割作用、死亡根系和枯枝落葉產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)及根際分泌物對(duì)土壤性質(zhì)的影響等[7]。不同的植被類型可能影響土壤氮素的分配及循環(huán)，從而影響到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。因此，研究農(nóng)田退耕后不同植被土壤中氮素的變化特征，對(duì)于三峽庫(kù)區(qū)調(diào)整植被種類、改良土壤質(zhì)量以及對(duì)生態(tài)區(qū)植被恢復(fù)等具有一定的參考價(jià)值。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)分析

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于三峽庫(kù)區(qū)宜昌市點(diǎn)軍區(qū)退耕還林區(qū)，位于東經(jīng)110°15′-112°04′、北緯29°56′- 31°34′，年平均水量992.1～1 404.1 mm。雨水充沛， 集中在夏季，雨熱同季，全年積溫較高，無(wú)霜期較長(zhǎng)，年平均氣溫13.1～18.0 ℃。

1.2 樣地選取與樣品采集

供試土樣于2014年8月12～13日取自宜昌市點(diǎn)軍區(qū)退耕還林區(qū)。根據(jù)不同植被覆蓋情況選取3塊典型樣地，分別為柏樹地、橘樹地、菜地。為了降低環(huán)境因子的影響，選取的樣地空間鄰近、坡度坡向相似，各樣地間的溫度、降水基本一致。在每個(gè)樣地的樣方內(nèi)用土鉆隨機(jī)取0～20 cm土層的土樣，按“S”形布設(shè)取樣點(diǎn)5個(gè)，混合為一個(gè)樣，撿去枯枝落葉后分為兩份，一份自然風(fēng)干用于土壤全氮和礦化氮的分析，另一份在低溫條件下運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室過(guò)2 mm篩，裝入密封的塑料袋，置于0～4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與分析方法

土壤全氮采用半微量凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定；微生物氮采用氯仿熏蒸浸提——半微量凱氏定氮法測(cè)定；銨態(tài)氮用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定；硝態(tài)氮用紫外分光光度計(jì)測(cè)定；礦質(zhì)態(tài)氮采用Bremner浸提法測(cè)定。各個(gè)樣地土壤養(yǎng)分參數(shù)值取3次重復(fù)的平均值。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Excel 2003整理后采用SPSS16.0進(jìn)行分析，用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全氮的變化

土壤全氮主要來(lái)源于土壤植物殘?bào)w分解與合成所形成的有機(jī)質(zhì)，在一定含量范圍內(nèi)反映了土壤肥力的高低。由圖1可知，柏樹地土壤中的全氮含量最高（1.82 mg/kg），其次是菜地（1.38 mg/kg），橘樹地的全氮含量最低（1.14 mg/kg）。柏樹地土壤全氮顯著高于菜地和橘樹地，菜地與橘樹地土壤全氮無(wú)顯著差異。這與姜紅梅等[8]對(duì)祁連山土壤全氮研究結(jié)論趨勢(shì)相同，土壤全氮與土壤有機(jī)質(zhì)和微生物有著密切聯(lián)系，豐富的微生物群落和有機(jī)質(zhì)更有利于土壤全氮的積累。柏樹地樹形高大，樹周圍有各種不同類型的灌木和草本植物雜居生長(zhǎng)，相對(duì)于其他兩塊樣地其土壤物種種類豐富，微生物環(huán)境復(fù)雜，微生物群落更加多樣化，因此土壤中的有機(jī)質(zhì)含量的積累遠(yuǎn)大于其他兩種樣地。橘樹地的微生物群落較菜地豐富，但是其落葉腐爛轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)質(zhì)的速度較菜地緩慢，即橘樹地?zé)o機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)質(zhì)的速率小于菜地，因此菜地土壤全氮含量略大于橘樹地。

2.2 土壤銨態(tài)氮的變化

土壤中銨態(tài)氮主要來(lái)源于土壤有機(jī)氮的氨化作用，呈交換性銨態(tài)氮肥，可被土壤膠體吸附，也可溶解在土壤溶液中，能直接被植物吸收利用，屬于速效性氮素。土壤中銨態(tài)氮含量的多少與土壤本身的通透性、土壤質(zhì)地等因素有關(guān)。在通氣良好的條件下，土壤中的銨態(tài)氮在硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌的作用下，很容易轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮[9]。由圖2可知，土壤銨態(tài)氮含量大小順序是柏樹地>菜地>橘樹地，與土壤全氮的變化趨勢(shì)相同。但是單因素方差分析結(jié)果表明，柏樹地、菜地和橘樹地三者土壤銨態(tài)氮之間沒(méi)有顯著差異。這與董貴青等[7]對(duì)黃土丘陵不同植被覆蓋的土壤銨態(tài)氮的變化趨勢(shì)一致。土壤銨態(tài)氮的變化與氨化作用以及硝化作用有關(guān)，氨化效率和硝化效率與土壤通透性、溫度、水分等相關(guān)[10]，當(dāng)土壤外界條件差異不大時(shí)，在氨化作用和硝化作用過(guò)程中土壤保留的有效銨態(tài)氮的含量差別并不明顯。

2.3 土壤硝態(tài)氮的變化

硝態(tài)氮主要是由銨態(tài)氮氧化而來(lái)，硝態(tài)氮既可以隨水流失，又可以在反硝化細(xì)菌的作用下形成N2或N2O釋放到大氣中。由圖3可知，柏樹地土壤的硝態(tài)氮含量顯著大于菜地和橘樹地，菜地與橘樹地?zé)o顯著差異。土壤硝態(tài)氮含量大小順序?yàn)榘貥涞?gt;橘樹地>菜地。土壤氮之間的相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤硝態(tài)氮與全氮有顯著的正相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為0.830（表1）。硝化作用產(chǎn)生的NO3-可部分地被植物和微生物吸收利用，或者在一些透氣性良好的土壤中被還原為氣態(tài)氮（N2、N2O）。由于NO3-很難直接吸附在大多數(shù)土壤中，所以在透氣性良好的土壤中硝化作用總是導(dǎo)致NO3-淋失的增加。從而導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮含量減少。菜地根系相對(duì)于橘樹和柏樹較淺，營(yíng)養(yǎng)需求低，喜好銨態(tài)氮，為了滿足對(duì)銨態(tài)氮的需要，可能會(huì)產(chǎn)生某種物質(zhì)抑制硝態(tài)氮的產(chǎn)生，菜地銨態(tài)氮的含量大于橘樹地證明了這個(gè)觀點(diǎn)。這與Clark等[11]在對(duì)氮循環(huán)的研究中得出的規(guī)律一致。柏樹地植被物種種類較多，不但有高大的柏樹，而且還有灌木和草本植物，土壤有機(jī)質(zhì)豐富[12]，柏樹根系發(fā)達(dá)根際周圍的微生物群落十分豐富，硝化作用旺盛，因此土壤硝態(tài)氮含量遠(yuǎn)大于橘樹地和菜地。

2.4 土壤礦化氮的變化

土壤氮素礦化是指土壤中微生物將有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)態(tài)氮的過(guò)程，土壤礦化氮主要包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，通過(guò)礦化作用產(chǎn)生的氮可直接供植物吸收利用，因此土壤礦化氮的含量可以用來(lái)評(píng)價(jià)植被生長(zhǎng)土壤環(huán)境的好壞。由圖4可知，土壤礦化氮含量大小順序?yàn)榘貥涞?gt;橘樹地>菜地，且柏樹地土壤礦化氮顯著大于菜地和橘樹地，橘樹地的土壤礦化氮亦顯著大于菜地。土壤礦化氮的變化趨勢(shì)和硝態(tài)氮的變化趨勢(shì)相同。土壤含氮化合物相關(guān)性分析結(jié)果顯示，土壤礦化氮含量與硝態(tài)氮含量有顯著的正相關(guān)（P<0.01）（表1），隨著土壤硝態(tài)氮的增長(zhǎng)，銨態(tài)氮的變化并不明顯，而土壤礦化氮顯著增加。由此可見，土壤硝態(tài)氮的含量決定土壤礦化氮的多少。柏樹地根際微生物群落較橘樹地和菜地豐富，土壤表層的殘枝落葉易分解，土壤環(huán)境有利于硝化細(xì)菌等微生物群落的生長(zhǎng)繁殖，故其土壤礦化氮含量最高。由此可見，柏樹地在固定土壤氮素、加快土壤氮的礦化速率方面效果更顯著。

2.5 土壤微生物氮的變化

土壤微生物對(duì)土壤條件變化非常敏感，能指示土壤肥力。因此，微生物氮含量及其變化通常被作為土壤質(zhì)量演變的重要依據(jù)[13，14]。由圖5可知，土壤微生物氮含量大小順序?yàn)榘貥涞?gt;橘樹地>菜地；單因素方差分析結(jié)果表明，柏樹地土壤微生物氮顯著高于其他兩個(gè)樣地，橘樹地土壤微生物氮也高于菜地。相關(guān)性分析表明，微生物氮含量與全氮、礦化氮、硝態(tài)氮含量有顯著正相關(guān)（P<0.01）（表1），微生物群落越豐富，硝態(tài)氮含量越高，礦化氮越高，微生物氮就越高。說(shuō)明土壤微生物直接影響土壤有效氮的含量，這對(duì)評(píng)價(jià)土壤肥力有重要作用。柏樹地由于土壤微生物豐富、環(huán)境復(fù)雜，微生物活動(dòng)旺盛且所受脅迫小，因此其土壤微生物氮含量最高。菜地由于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)較柏樹地和橘樹地單一，且人為擾動(dòng)較其他兩個(gè)樣地大，使土壤微生物活動(dòng)受到一定的脅迫，因此土壤微生物氮含量最少。

2.6 土壤微生物氮/全氮的變化

通過(guò)比較不同植物覆蓋下樣地的微生物氮與全氮的比值（圖5）可以看出，柏樹地土壤微生物氮與全氮比值最大（3.65），其次是橘樹地（2.79），菜地土壤微生物氮與全氮比值最?。?.99）。柏樹地的土壤微生物氮與全氮的比值顯著高于橘樹地和菜地。單因素方差分析結(jié)果顯示，柏樹地、橘樹地和菜地之間的土壤微生物氮/全氮比值均存在顯著差異。土壤含氮化合物相關(guān)性分析結(jié)果顯示，微生物氮/全氮比值與微生物氮、硝態(tài)氮以及礦化氮含量之間有顯著的正相關(guān)性（P<0.01）（表1）。微生物氮/全氮比值的變化趨勢(shì)與土壤微生物氮含量的變化趨勢(shì)相同。柏樹地土壤有較多同化產(chǎn)物的累積和較少的擾動(dòng)，可使微生物量、土壤氮在表層累積[15]。所以柏樹地的微生物氮/全氮比值明顯高于其他兩塊樣地。

3 小結(jié)與討論

土壤中全氮、硝態(tài)氮、微生物氮、銨態(tài)氮、礦化氮的含量和微生物氮/全氮的比值均是柏樹地顯著高于橘樹地和菜地。這是由于柏樹地凋落物豐富且易分解、蓋度大，生長(zhǎng)于柏樹底下的植物種類多，微生物群落復(fù)雜，根系發(fā)達(dá)且土壤蓄水，透氣性良好，所受環(huán)境脅迫較小。土壤微生物可以利用的氮源比較多，分解作用和固化作用優(yōu)勢(shì)明顯，對(duì)于土壤中的有機(jī)質(zhì)礦化和土壤氮素的礦化作用顯著，因此柏樹地各種有效氮素含量明顯高于橘樹地和菜地。說(shuō)明柏樹適合退耕還林土壤的改良，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展能起到積極的作用。

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