不同植被類型土壤氮素對(duì)侵蝕環(huán)境的響應(yīng)

居 萍, 李良俊, 李 麗

(1.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225002; 2.揚(yáng)州大學(xué) 園藝與植物保護(hù)學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225009)

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤侵蝕是影響生物地球化學(xué)中氮素循環(huán)的重要方面[1]。土壤侵蝕的加速導(dǎo)致地表大量的沉積物和相關(guān)土壤氮素的重新分布。因此，土壤侵蝕不僅造成陸地表面氮元素的重分布和損失，也會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化、水體富營養(yǎng)化和影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。根據(jù)全球估計(jì)，土壤侵蝕造成土壤生態(tài)系統(tǒng)中土壤全氮23～42 Tg(1 Tg=1 012 g)重新分布[2]。然而，由土壤侵蝕引起的不同植被類型土壤氮素的重新分布仍然存在激烈的爭論。

張興昌等[3]研究了侵蝕環(huán)境下土壤氮素的流失對(duì)土壤和環(huán)境產(chǎn)生的影響進(jìn)行了剖析，得出侵蝕環(huán)境下氮素的流失對(duì)作物生產(chǎn)存在長期和短期效應(yīng)。Kolberg等[4]研究得出，土壤中不同形態(tài)的氮素與作物生長密切相關(guān)，礦化氮在土壤中的含量決定了植物對(duì)土壤中氮素的可利用性，進(jìn)而影響植物對(duì)土壤氮素的利用率。黃土高原區(qū)土壤氮素隨侵蝕環(huán)境的不同差異較大，而植被恢復(fù)可以改善侵蝕環(huán)境中對(duì)氮素的留存[5-7]。黨亞愛等[8]研究表明土壤有機(jī)氮在土壤—植物氮素營養(yǎng)及環(huán)境效應(yīng)中占非常重要的地位。土壤有效氮的主要形態(tài)是硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，硝態(tài)氮在土壤剖面的積累隨植被的恢復(fù)呈下降趨勢(shì)，而銨態(tài)氮的積累則不受植被恢復(fù)的影響，其被植物吸收利用量約占陽、陰離子吸收利用總量的70%左右[9-10]。坡面不同的位置導(dǎo)致侵蝕類型的較大差異，在梁峁頂?shù)奈恢茫治g環(huán)境為面蝕；在梁峁坡的位置，侵蝕環(huán)境為面蝕和細(xì)溝侵蝕；在溝坡的位置，侵蝕環(huán)境則為細(xì)溝和淺溝侵蝕。在綜合考慮整個(gè)坡面上，侵蝕環(huán)境更能有效地突出侵蝕對(duì)氮素的影響。

黃土高原由于土壤侵蝕、植被退化和水土流失嚴(yán)重，使該區(qū)成為我國土壤氮素儲(chǔ)量最低的地區(qū)之一[11-12]。但關(guān)于黃土高原典型侵蝕環(huán)境下不同植被類型土壤氮素對(duì)土壤和環(huán)境的響應(yīng)研究相對(duì)罕見。因此，本文以黃土高原神木縣六道溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象，探究侵蝕環(huán)境下不同植被類型土壤氮素間的相互關(guān)系，皆在為指導(dǎo)黃土高原地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、植被恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省神木縣六道溝流域，是黃土高原典型的水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶(38°46′—48°51′N,110°21′—110°23′E)。該流域在地理上既屬于黃土高原向毛烏素沙漠過渡、森林草原向典型干旱草原過渡地帶，又屬于流水作用的黃土丘陵區(qū)向干燥剝蝕作用的鄂爾多斯高原過渡的水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶，是典型的水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。其地形特點(diǎn)為典型的蓋沙黃土丘陵區(qū)，屬中溫帶半干旱氣候，冬春季干旱少雨，多風(fēng)沙，夏秋多雨，且多暴雨及冰雹，流域面積為6.89 km2，流域海拔為1 094.0～1 273.9 m，年均降水量437.4 mm，且6—9月的降水量占全年的80.93%，主要的土壤類型為綿沙土。該流域內(nèi)主要植被類型以油松(Pinustabulaeformis)為主的林地、苜蓿(Medicagosativa)為主的草地、檸條(CaraganaKorshinskii)為主的灌木地。

1.2 典型樣地選取

樣品采集于2017年6月，在流域內(nèi)分別選擇以林地、草地和灌木地為主的3個(gè)坡面。在每個(gè)坡面中，按照不同的侵蝕區(qū)間進(jìn)行樣品的采集。在梁峁頂?shù)奈恢?，主要侵蝕類型為面蝕；梁峁坡的位置，主要侵蝕類型為面蝕、細(xì)溝侵蝕；溝坡位置，主要侵蝕類型為細(xì)溝、淺溝侵蝕。在每個(gè)侵蝕區(qū)間用土鉆按照9點(diǎn)“S”形取樣，并在每個(gè)侵蝕區(qū)間設(shè)置3個(gè)重復(fù)，重復(fù)樣品之間的間距均控制在20 m以上，每個(gè)點(diǎn)取6～8鉆土壤進(jìn)行混合，每個(gè)采樣點(diǎn)的距離均大于10 m，作為該侵蝕區(qū)的代表性樣品，采樣深度包括0—10 cm，10—20 cm和20—30 cm共3個(gè)土層，共采集樣品243個(gè)，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)分析。

1.3 分析測(cè)試方法

土壤有機(jī)碳測(cè)定采用德國耶拿公司生產(chǎn)的multi N/C-3100有機(jī)碳分析儀測(cè)定[13]，取研磨過100目篩的土樣1.000 g，用1 mol/L的鹽酸溶液浸泡24 h，以去除土壤中的無機(jī)碳，用TOC分析儀測(cè)定土壤中的有機(jī)碳含量；有機(jī)氮借鑒Stewart等[14]提出的有機(jī)碳物理—化學(xué)聯(lián)合分組方法進(jìn)行測(cè)定。

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤pH測(cè)定采用電位法進(jìn)行測(cè)定；土壤全氮采用凱式蒸餾法進(jìn)行測(cè)定；礦化氮采用好氣培養(yǎng)法進(jìn)行測(cè)定；銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法進(jìn)行測(cè)定；硝態(tài)氮采用紫外分光光度法進(jìn)行測(cè)定，以上幾種測(cè)定方法均參照《土壤分析技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行測(cè)定[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 18.0進(jìn)行，Origin 8.0繪制文中圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 侵蝕環(huán)境下不同植被類型土壤全氮含量

由圖1A可以看出，不同植被類型0—10 cm土層在梁峁頂?shù)奈恢猛寥廊坎町惒伙@著(p>0.05)，林地梁峁坡(0.92 g/kg)和溝坡(2.64 g/kg)土壤全氮含量最高(p<0.05)，是草地的1.98，1.49倍，灌木地的4.34，6.04倍；草地和灌木地在梁峁坡和溝坡的位置土壤全氮含量較為一致，均表現(xiàn)出明顯的差異性(p<0.05)；林地在溝坡的位置土壤全氮含量達(dá)到最大值(p<0.05)，灌木地則在溝坡位置土壤全氮含量最低(p<0.05)，草地在3個(gè)位置土壤全氮含量均差異不顯著(p>0.05)。在10—20 cm土層土壤(圖1B)，在梁峁頂位置，草地全氮含量最低(p<0.05)；林地全氮含量在梁峁坡和坡溝位置，全氮含量均顯著高于草地和灌木地(p<0.05)。林地坡溝位置，土壤全氮含量顯著高于梁峁坡和梁峁頂，草地梁峁坡和溝坡之間土壤全氮差異較大，灌木地全氮含量在梁峁坡位置達(dá)到最大值，在坡溝位置含量最低。在20—30 cm土層土壤(圖1C)，在梁峁坡和梁峁頂位置，草地全氮含量均最低(p<0.05)，在坡溝位置，林地全氮含量最高(p<0.05)；林地和灌木地分別在溝坡和梁峁坡位置全氮含量均顯著高于其他位置(p<0.05)。草地3個(gè)位置全氮含量差異不顯著(p>0.05)。

整體來看，3種植被類型土壤全氮含量對(duì)不同的侵蝕環(huán)境響應(yīng)不同且隨著深度的增加，全氮含量均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。0—10 cm土層全氮含量最大值是最小值的6.04倍，10—20 cm最大值是最小值的4.40倍，20—30 cm最大值是最小值的3.17倍，即上層土壤對(duì)侵蝕環(huán)境的響應(yīng)更強(qiáng)。就植被類型來看，林地土壤的全氮含量最大，顯著高于草地和灌木地，草地和灌木地之間的全氮含量差異不大。

注：大寫字母表示同一侵蝕環(huán)境不同植被類型之間的差異；小寫字母表示同一植被類型不同侵蝕環(huán)境之間的差異，下同。

圖1侵蝕環(huán)境下不同植被類型土壤全氮含量

2.2 侵蝕環(huán)境下不同植被類型土壤有機(jī)氮含量

土壤有機(jī)氮和土壤全氮變化趨勢(shì)幾乎完全一致(圖2)。林地溝坡土壤有機(jī)氮含量最高(p<0.05)，梁峁頂和梁峁坡差異不大(p>0.05)。草地0—10 cm土層(圖2A)，梁峁頂有機(jī)氮含量最高，灌木地溝坡有機(jī)氮含量最低。在10—20 cm和20—30 cm土層(圖2B、圖2C)，3種植被類型有機(jī)氮含量變化趨勢(shì)一致。3種植被類型有機(jī)氮含量分別介于0.48～2.61 g/kg，0.20～0.56 g/kg，0.21～0.61 g/kg之間，林地顯著高于草地和灌木地有機(jī)氮含量。有機(jī)氮占全氮的比例92%～99%。

圖2 侵蝕環(huán)境下不同植被類型土壤有機(jī)氮含量

2.3 侵蝕環(huán)境下不同植被類型土壤礦化氮含量

如圖3所示，林地礦化氮在11.12～65.34 mg/kg之間變化，溝坡礦化氮含量最高，梁峁坡居中，梁峁頂最低。0—10 cm土層礦化氮最大值比最小值高出了3.05倍，10—20 cm土層高出了3.03倍，20—30 cm土層高出了3.16倍。草地和灌木地0—10 cm土層礦化氮在3種侵蝕環(huán)境下差異均不顯著，礦化氮最大值分別比最小值高出了1.25倍和1.16倍，10—20 cm和20—30 cm土層均有所變化。10—20 cm土層中，草地和灌木地礦化氮最大值比最小值高出了1.21倍和2.68倍；20—30 cm土層中，草地和灌木地礦化氮最大值比最小值高出了1.54倍和3.07倍。整體來看，可以得出土壤礦化氮在不同植被區(qū)隨侵蝕環(huán)境的變化不一致。

圖3 侵蝕環(huán)境下不同植被類型土壤礦化氮含量

2.4 侵蝕環(huán)境下不同植被類型土壤硝態(tài)氮含量

林地、草地和灌木地硝態(tài)氮含量在0—30 cm土層變化規(guī)律一致(圖4)。林地溝坡硝態(tài)氮含量最高，梁峁頂和梁峁坡硝態(tài)氮含量差異不顯著(p>0.05)。草地在0—10 cm土層中，3個(gè)位置的硝態(tài)氮含量差異不大，在10—30 cm土層下，梁峁坡硝態(tài)氮含量最低(p<0.05)。灌木地0—30 cm土層深度下，梁峁坡硝態(tài)氮含量顯著高于溝坡，梁峁頂與梁峁坡和溝坡硝態(tài)氮含量差異不顯著(p>0.05)。不同植被類型間進(jìn)行比較，林地的溝坡硝態(tài)氮含量均高于草地和灌木地。

圖4 侵蝕環(huán)境下不同植被類型土壤硝態(tài)氮含量

2.5 侵蝕環(huán)境下不同植被類型土壤銨態(tài)氮含量

土壤銨態(tài)氮同其他形態(tài)氮素相比，含量最低且隨著侵蝕的變化較小(圖5)。0—10 cm土層中，林地梁峁頂銨態(tài)氮含量最低，僅為1.85 mg/kg，顯著低于梁峁坡和坡溝銨態(tài)氮含量，草地和灌木地隨著侵蝕區(qū)的變化銨態(tài)氮含量較為一致。在10—20 cm土層中，林地的梁峁坡銨態(tài)氮含量最低，為1.05 mg/kg且顯著低于梁峁頂和溝坡，灌木地在梁峁坡銨態(tài)氮含量達(dá)到最大值，為2.45 mg/kg且顯著高于梁峁頂和溝坡。在20—30 cm土層中，林地梁峁頂銨態(tài)氮含量最高，灌木地則以梁峁坡銨態(tài)氮含量最高，草地3個(gè)侵蝕區(qū)間銨態(tài)氮含量差異不顯著(p>0.05)。3種植被類型間進(jìn)行比較，整體的差異不大，林地在0—10 cm土層梁峁坡含量最高，灌木地在10—30 cm土層梁峁坡銨態(tài)氮含量最高。

圖5 侵蝕環(huán)境下不同植被類型土壤銨態(tài)氮含量

2.6 侵蝕環(huán)境下土壤氮素的相關(guān)性分析

土壤理化性質(zhì)與各形態(tài)氮素以及氮素之間的相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，土壤容重以及pH與全氮、有機(jī)氮、礦化氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，有機(jī)碳和C/N與全氮、有機(jī)氮、礦化氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)或者顯著正相關(guān)關(guān)系，其中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮與其相關(guān)系數(shù)較小。土壤全氮、有機(jī)氮、礦化氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之間均極顯著正相關(guān)，其中，全氮、有機(jī)氮、礦化氮、硝態(tài)氮之間相關(guān)性更大，決定系數(shù)R2均介于0.80～1.00之間。

表1 土壤氮素及理化性質(zhì)相關(guān)性分析

由于土壤全氮包含礦化氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和微生物量氮，在此基礎(chǔ)上研究各形態(tài)的氮素與全氮之間的相關(guān)關(guān)系，各形態(tài)氮素存在自相關(guān)關(guān)系從而導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)增大。因此研究用各種氮素占全氮的百分比之間的相關(guān)關(guān)系將更準(zhǔn)確地反映各項(xiàng)氮素指標(biāo)與全氮的關(guān)系(表2)。土壤中有機(jī)氮和硝態(tài)氮占全氮的比例不隨全氮含量的變化而變化，礦化氮占全氮的比例隨全氮含量的升高而升高，銨態(tài)氮占氮的比例隨全氮的升高而降低。

表2 氮素占全氮比例與全氮相關(guān)關(guān)系

3 討 論

林地、草地和灌木地土壤氮素對(duì)不同侵蝕環(huán)境的響應(yīng)不同。林地土壤全氮以及各形態(tài)的氮素變化規(guī)律較為一致，溝坡氮素含量均高于梁峁頂和梁峁坡，且隨深度的增加，各形態(tài)氮素含量均逐漸降低。草地各形態(tài)氮素隨侵蝕環(huán)境的變化含量變化不大。灌木地各形態(tài)氮素整體來看，0—10 cm土層的變化小于10—30 cm土層的變化，各形態(tài)氮素隨侵蝕環(huán)境的變化其含量差異較小。黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境的逐步恢復(fù)，植被演替的過程加快，植被的枯枝落葉以及根系在土壤中逐漸積累、礦化和分解，將自身的大部分營養(yǎng)元素逐漸歸還到土壤中，導(dǎo)致土壤中的氮素也隨之增加[16-20]。本研究中林地溝坡土壤氮素均高于梁峁頂和梁峁坡氮素含量，不同侵蝕區(qū)的差異導(dǎo)致水熱條件等環(huán)境因素的不同，進(jìn)而影響植被覆蓋度的差異。不同植被類型不僅可以通過微生物對(duì)枯落物和根系的分解來增加氮素對(duì)土壤的返還能力，從而增加土壤中氮素的積累，還能通過降低徑流形成的時(shí)間，截?cái)鄰搅鞯牧骶€降低土壤侵蝕從而降低氮素流失[21-23]。

對(duì)比3種植被類型氮素發(fā)現(xiàn)，林地全氮、有機(jī)氮、硝態(tài)氮顯著高于草地和灌木地，而草地和灌木地差異不顯著(p>0.05)。林地土壤礦化氮含量最高，草地居中，灌木地含量最小。林地、草地和灌木地銨態(tài)氮含量差異不顯著(p>0.05)。根據(jù)全國第二次土壤普查的結(jié)果可以得出，非耕地土壤的全氮含量平均為1.31 g/kg，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，草地和灌木地全氮含量較為缺乏。3種植被類型在不同的侵蝕環(huán)境中銨態(tài)氮含量較為一致，可能是因?yàn)殇@態(tài)氮性質(zhì)較為穩(wěn)定，不易受侵蝕環(huán)境的影響而發(fā)生改變[24]。不同氮素對(duì)不同植被的敏感性不同，其中硝態(tài)氮最為敏感，這與邢肖毅等[25]研究成果相一致。土壤容重和pH與氮素呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，有機(jī)碳和C/N與氮素呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，這與李占斌等[26]研究結(jié)果相一致。

土壤有機(jī)碳作為土壤氮素的基質(zhì)，與各形態(tài)氮素呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，其含量的高低會(huì)導(dǎo)致土壤氮素的高低[27]。土壤容重對(duì)氮素的轉(zhuǎn)化也存在一定影響，其大小顯著影響著土壤微生物的活動(dòng)，從而影響土壤中氮素的轉(zhuǎn)化[28]。研究區(qū)采集土壤樣品均為堿性土壤，土壤pH導(dǎo)致微生物活動(dòng)劇烈，從而影響氮素的積累。土壤中有機(jī)氮和硝態(tài)氮占全氮的比例不隨全氮含量的變化而變化，礦化氮占全氮的比例隨全氮含量的升高而升高，銨態(tài)氮占全氮的比例隨全氮的升高而降低。礦化氮是全氮中易于轉(zhuǎn)化為礦質(zhì)氮的有機(jī)氮，在氨化作用和硝化作用下，土壤氮素的形態(tài)和比例、氮的淋失和反硝化作用等相應(yīng)變化[29]。隨著土壤全氮含量的增加，土壤中易礦化的氮素增加，從而導(dǎo)致礦化氮含量迅速增加。銨態(tài)氮占全氮的比例隨全氮的升高而降低，可能是因?yàn)橄鯌B(tài)氮被大量消耗，一定程度上削弱了由礦化氮的增加而引起的礦質(zhì)氮的增加。

4 結(jié) 論

(1) 不同的植被類型均促進(jìn)了土壤氮素的累積，而不同植被類型土壤氮素隨侵蝕環(huán)境的變化規(guī)律不盡相同。

(2) 土壤容重以及pH與全氮、有機(jī)氮、礦化氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，有機(jī)碳和C/N與全氮、有機(jī)氮、礦化氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)或者顯著正相關(guān)關(guān)系。

(3) 土壤中有機(jī)氮和硝態(tài)氮占全氮的比例不隨全氮含量的變化而變化，礦化氮占全氮的比例隨全氮含量的升高而升高，銨態(tài)氮占氮的比例隨全氮的升高而降低。