黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)及坡向?qū)ν寥繱ON含量的影響

趙滿興，曹陽陽，白二磊，王文強(qiáng)，邢英英，張曉曦

（延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西延安 716000）

土壤可溶性有機(jī)氮（soluble organic nitrogen，SON）是土壤系統(tǒng)中最活躍的部分，能直接或經(jīng)過轉(zhuǎn)化后被植物和微生物吸收利用，在土壤生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)中有著重要作用[1-2]。

自從國家實(shí)施退耕還林政策以來，陜北黃土丘陵區(qū)植被覆蓋率得到明顯提高[3-4]，土壤中的有機(jī)質(zhì)的含量、種類及質(zhì)量也有了極大的改變和豐富，這對(duì)該區(qū)域的氮素循環(huán)有著深遠(yuǎn)的影響[5]。有研究表明，不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤氮素的影響存在顯著差異[6]。人工林地中SON 及有機(jī)質(zhì)含量隨林齡的增大而增大，人工林地中的SON 含量是不容忽視的氮素組成部分[7]。研究表明，黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)顯著增加了0～30 cm 土層中土壤SON 及其占可溶性全氮的比例和有機(jī)質(zhì)的含量，且隨著土層深度的加深，效果下降[8]。SON 與土壤其他理化性質(zhì)存在不同程度的相關(guān)性[9]。有研究表明，地形條件（如坡向）也對(duì)土壤SON 含量有顯著影響[10-11]。黃土丘陵區(qū)溝壑縱橫，其破碎的地形形成的坡向差異必然導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化從而進(jìn)一步影響土壤SON 含量。目前，關(guān)于黃土高原SON 的研究多集中于單一林分或農(nóng)田土壤對(duì)SON 含量的影響[12]，關(guān)于不同植被類型（喬木、灌木和草地）及坡向?qū)ν寥繱ON 含量及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系等方面研究有待加強(qiáng)。

沙棘（Hipophae rhamnoides）是陜北退耕還林樹種之一，其有很強(qiáng)的固氮能力，杏樹（Prunus armeniaca）也是陜北常見的樹種，草地為退耕后自然形成。黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)為土壤提供了大量的有機(jī)質(zhì)來源，由此可以做出不同植被恢復(fù)模式增加了土壤SON 含量且差異顯著以及不同土層、坡向?qū)ν寥繱ON 積累具有顯著影響的推斷。為了驗(yàn)證此推斷，本文以志丹縣永寧鎮(zhèn)不同植被恢復(fù)類型土壤作為研究對(duì)象，以耕作區(qū)玉米農(nóng)田為對(duì)照，研究不同植被恢復(fù)類型（喬木、灌木和草地）、不同土層及坡向SON 含量及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系，以期為深入研究該區(qū)域不同植被恢復(fù)類型對(duì)土壤SON 含量及行為的影響提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣地選擇在陜西省延安市志丹縣永寧鎮(zhèn)洛河流域（36°32'N，108°45'E），當(dāng)?shù)貙俚湫完儽秉S土高原丘陵溝壑區(qū)，海拔1 124～1 304 m，氣候分類屬高原大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫7.8 ℃；年平均降雨量450～490 mm，蒸發(fā)量1 000 mm，年平均無霜期140 d。土壤分類為黃土母質(zhì)上形成的黃綿土。該地區(qū)從1999年開始退耕還林工作，林草面積顯著增加，主要種植的木本植被類型有沙棘、杏樹、刺槐（Robinia pseudoacacia）和油松（Pinus tabuliformis）等，野生荒草地草本植物類型主要有黑麥草（Lolium perenne）、西北針茅（Stipa sareptana）和狗尾草（Setaria viridis）等，耕地主要為玉米（Zea mays）等人工種植的經(jīng)濟(jì)作物。

1.2 土壤樣品采集和分析

供試土樣于2017年3月8日采集于延安市志丹縣永寧鎮(zhèn)的人工造林區(qū)域，分別選擇不同人工林草地作為研究對(duì)象，并以常年種植玉米地農(nóng)田作為對(duì)照，樣地基本情況見表1。在每個(gè)人工林草地，劃定3 個(gè)10 m×10 m 的樣方，在樣方內(nèi)采用隨機(jī)抽樣的方法按蛇形路線選取3 個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，每個(gè)樣點(diǎn)按照縱深采集 0～10 cm 的表土、10～20 cm 的中層土以及20～40 cm 的深層土，每層土樣分別混合均勻，裝袋、編號(hào)、記錄，帶回實(shí)驗(yàn)室分析，采集的土樣自然風(fēng)干，用2 mm 直徑的篩子過篩，揀去雜質(zhì)，用四分法取樣，樣品用于土壤基礎(chǔ)指標(biāo)的測(cè)定。

測(cè)定項(xiàng)目包括土壤可溶性總氮（TSN）、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、可溶性有機(jī)氮（SON）、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀，土壤基礎(chǔ)指標(biāo)按照《土壤農(nóng)化分析》[13]一書進(jìn)行測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS20.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，多重比較采用最小顯著差法，顯著性檢驗(yàn)水平α=0.05。

表1 供試樣地基本概況Table 1 Basic characteristics of soil sampling

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤可溶性有機(jī)氮含量

研究表明，沙棘林在增加土壤SON 含量方面優(yōu)于杏樹林及草地。同種植被類型不同土層土壤SON含量無顯著差異，土壤SON 占可溶性總氮比例隨土層深度變化規(guī)律不一致，不同土層間有顯著差異。陽坡土壤SON 含量顯著高于陰坡。陰坡沙棘林和杏樹林土壤SON 含量反而低于玉米農(nóng)田，表明植被恢復(fù)對(duì)土壤SON 含量的增加與樹種和坡向有關(guān)（表2）。

相同坡向，不同樹種，沙棘林SON 含量顯著高于杏樹林。其中0～10 cm 土層，陽坡沙棘、陽坡杏樹林及草地在增加SON 含量方面顯著高于陰坡沙棘和陰坡杏樹林。草地、玉米農(nóng)田及陰坡沙棘SON 占可溶性總氮的比例顯著高于陽坡沙棘林以及陰、陽坡杏樹林；10～20 cm 土層，陽坡沙棘林在增加SON含量方面顯著最高，陽坡杏樹林、草地與玉米農(nóng)田無顯著差異，陰坡杏樹林含量顯著最低。草地及玉米農(nóng)田SON 占可溶性總氮的比例顯著高于其余植被類型土壤，且其余植被類型土壤SON 含量無顯著差異；20～40 cm 土層，陽坡沙棘林在增加SON 含量方面顯著最高，玉米農(nóng)田，陽坡杏樹林以及陰坡沙棘林含量次之，陰坡杏樹林土壤SON 含量顯著最低。各植被類型土壤SON 占可溶性總氮的比例差異顯著。總體上陽坡沙棘林，陰、陽坡杏樹林土壤SON占可溶性總氮比例隨著土層加深而增加，其他植被恢復(fù)類型土壤SON 占比隨著土層加深而降低，且達(dá)到顯著水平。同一植被，不同土層間土壤SON 含量無顯著差異，但同一土層，不同樹種間達(dá)到顯著差異水平。陽坡沙棘林和杏樹林SON 含量均顯著高于陰坡沙棘林和杏樹林。

表2 土壤可溶性有機(jī)氮含量Table 2 Content of soil soluble organic nitrogen

2.2 供試土樣基本性狀

6 種供試土樣有機(jī)質(zhì)含量差異顯著（表3），其中在0～10 cm 土層，陰坡沙棘林及草地有機(jī)質(zhì)含量顯著最高。陰坡及陽坡杏樹林次之、陽坡沙棘林再次之，農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著最低（11.7 g/kg）；10～20 cm 土層，陰坡沙棘林有機(jī)質(zhì)含量顯著最高（23.0 g/kg）。陽坡沙棘、草地以及玉米農(nóng)田土壤次之，陰坡杏樹林再次之，陽坡杏樹林顯著最低。同種植被陰坡有機(jī)質(zhì)積累量顯著高于陽坡；20～40 cm 土層，玉米農(nóng)田有機(jī)質(zhì)含量顯著最高，陽坡沙棘林次之，陰坡杏樹林再次之，陰坡沙棘林、陽坡杏樹林以及草地有機(jī)質(zhì)顯著最低。除玉米農(nóng)田外各植被類型土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)出隨土層深度增加而顯著減少的趨勢(shì)。0～10 cm 土層，玉米地有機(jī)質(zhì)顯著地低于草地和林地，相差50%左右，這與玉米農(nóng)田因?yàn)槭斋@物帶走土壤部分養(yǎng)分，歸還較少有關(guān)?？梢?，在0～10 cm 土層，草地和林地在增加土壤有機(jī)質(zhì)方面有顯著效果。

6 種供試土樣堿解氮含量差異顯著（表3），其中在0～10 cm 土層，陰坡沙棘林堿解氮含量顯著最高（169.9 mg/kg），草地次之，陽坡沙棘和陽坡杏樹林以及陰坡杏樹林再次之，玉米農(nóng)田堿解氮顯著最低（71.9 mg/kg）；10～20 cm 土層，陰坡沙棘林堿解氮含量顯著最高（165.2 mg/kg），陽坡沙棘林次之，陰坡杏樹林和農(nóng)田再次之，陽坡杏樹林及草地土壤堿解氮含量顯著最低，同種植被陰坡堿解氮積累量顯著高于陽坡；20～40 cm 土層，陽坡沙棘林堿解氮含量顯著最高，草地次之，玉米農(nóng)田再次之且顯著高于陰坡杏樹林，陰坡杏樹林堿解氮含量顯著高于陰坡沙棘林及陽坡杏樹林。除草地外各植被類型土壤堿解氮含量表現(xiàn)出隨土層深度增加而顯著減少的趨勢(shì)。0～10 cm 土層，玉米農(nóng)田堿解氮顯著地低于草地和林地?？梢?，在0～10 cm 土層，草地和林地在增加土壤堿解氮方面有顯著效果。

6 種供試土樣速效鉀含量差異顯著（表3），其中在0～10 cm 土層，陰坡沙棘林速效鉀含量顯著最高，陰坡杏樹林次之，草地再次之，陽坡沙棘林和杏樹林以及農(nóng)田土壤速效鉀含量顯著最低，同種植被陰坡速效鉀積累量顯著高于陽坡；10～20 cm 土層，陽坡沙棘林速效鉀含量顯著最高，陽坡杏樹林次之，草地再次之，陰坡沙棘林和杏樹林及玉米農(nóng)田土壤速效鉀含量顯著最低，同種植被陽坡速效鉀積累量顯著高于陰坡；20～40 cm 土層，各植被間土壤速效鉀含量差異顯著，含量從高到低依次為：陽坡沙棘林＞陰坡杏樹林＞陰坡沙棘林＞陽坡杏樹林＞草地＞玉米農(nóng)田。各植被類型土壤速效鉀含量表現(xiàn)出隨土層深度增加而顯著減少的趨勢(shì)。

6 種供試土樣有效磷含量差異顯著（表3），其中在0～10 cm 土層，陰坡沙棘林土壤有效磷含量顯著最高（29.0 mg/kg），陽坡沙棘林及玉米農(nóng)田次之，草地及陽坡杏樹林再次之，陰坡杏樹林土壤有效磷含量顯著最低（2.2 mg/kg）；10～20 cm 土層，陰坡沙棘林土壤有效磷含量顯著最高，草地及陰坡杏樹次之，玉米農(nóng)田及陽坡杏樹林再次之，陽坡沙棘林土壤有效磷含量顯著最低，同種植被陰坡有效磷積累量顯著高于陽坡；20～40 cm 土層，陰坡沙棘林土壤有效磷含量顯著最高，陽坡沙棘林及草地次之，玉米農(nóng)田陰坡杏樹林再次之，陽坡杏樹林土壤有效磷含量顯著最低。

2.3 SON與土壤理化性質(zhì)相關(guān)分析

土壤SON 與可溶性總氮在各個(gè)土層都達(dá)到了顯著正相關(guān)水平，土壤SON 與土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀均未達(dá)到顯著相關(guān)水平（表4）。

3 討論與結(jié)論

本研究表明，不同植被恢復(fù)類型土壤SON 含量均值為155.75 mg/kg、土壤SON 占可溶性總氮84%左右與相關(guān)研究結(jié)果[8，14-21]顯示土壤SON 含量范圍在24.75～352 mg/kg、占可溶性總氮5.1%～96%相一致。退耕17年的沙棘林、杏樹林和草地的土壤SON含量得到顯著提高，尤其是0～10 cm 土層表現(xiàn)明顯，這與楊絨等[22-25]研究相似。這主要是由于隨著植被覆蓋率逐漸恢復(fù)和提高[26]，枯落物和根系腐解物在土壤中積累，土壤有機(jī)質(zhì)明顯增加，從而導(dǎo)致土壤氮素顯著增高[27-28]。其次表層土壤受枯落物的直接影響，微生物量顯著高于深層土壤，對(duì)于枯落物的分解有利于表層土壤SON 的積累[29-31]。

表3 供試土壤基本性狀Table 3 Basic chemical properties of the soils

（續(xù)表3）

本研究中黃土丘陵區(qū)不同植被恢復(fù)類型之間土壤SON 含量差異顯著，這與當(dāng)前的很多報(bào)道結(jié)論相似。例如：夏江寶等[32]研究結(jié)果表明，黃河三角洲不同造林模式下土壤SON 含量差異顯著，同時(shí)發(fā)現(xiàn)表層土壤SON 與深層土壤之間也有顯著差異。Chen C.R.等[15]報(bào)道澳大利亞亞熱帶森林土壤SON存在顯著差異時(shí)，也歸結(jié)于植被類型不同等。不同樹種間土壤SON 含量差異顯著，除受凋落物種類[33]、微生物類型、微生物量及其代謝水平[19]原因影響外，還受到植物生長季以及喬灌草減流效益的影響[34]，影響土壤SON 含量的因素較為繁雜，導(dǎo)致所研究的土壤SON 含量存在顯著差異。本研究表明，與玉米農(nóng)田相比，沙棘林土壤SON 含量提升效果最為明顯，其次為杏樹林，草地在10～40 cm 土層未達(dá)到提升水平，表現(xiàn)為灌木＞喬木＞草地。這與肖好燕等[11]的研究結(jié)果相似。這與沙棘林有較強(qiáng)的固氮能力，而杏樹林固氮能力弱有關(guān)。

陽坡土壤SON 高于陰坡，但土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量表現(xiàn)為陰坡高于陽坡，表明陰坡能積累更多的土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀等養(yǎng)分，這與聶瑩瑩等[35]研究結(jié)果相似，這是由于陽坡與陰坡光照的不同引起土溫的差異[12，36]，從而進(jìn)一步導(dǎo)致土壤含水量的不同，使得陰坡與陽坡物種多樣性存在顯著差異，表現(xiàn)為陰坡植物枝葉繁茂，枯枝落葉較多，歸還給土壤的養(yǎng)分較多[10]。

本研究發(fā)現(xiàn)，土壤SON 與可溶性總氮在各個(gè)土層都達(dá)到了顯著正相關(guān)水平，土壤SON 與土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀均未達(dá)到顯著相關(guān)水平，這與其他學(xué)者的研究結(jié)論不一致，一些學(xué)者認(rèn)為土壤SON 與土壤有機(jī)質(zhì)具有顯著正相關(guān)關(guān)系[37-38]，具體原因有待進(jìn)一步分析。

綜上所述，黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)顯著地增加了土壤SON 含量，土壤氮素狀況得到一定的改善，土壤質(zhì)量有了明顯的提高。今后應(yīng)進(jìn)一步研究SON 組分及時(shí)空變化特征，為全面了解SON 在土壤中的作用提供依據(jù)。

植被恢復(fù)顯著地增加黃土丘陵區(qū)SON 含量，尤其是0～10 cm。與玉米農(nóng)田相比，沙棘林土壤SON含量提升效果最為明顯，其次為杏樹林，草地在10～40 cm 土層未達(dá)到提升水平。土壤SON 占可溶性總氮的比例平均為84%，草地的比例最高。不同植被恢復(fù)類型間土壤SON 差異顯著。同一植被、不同土層間土壤SON 含量無顯著差異，此外受坡向的影響，陽坡比陰坡土壤SON 含量高。表明退耕還林對(duì)土壤SON含量的增加與樹種和坡向有關(guān)。相關(guān)分析表明，土壤SON 與可溶性總氮呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀沒有達(dá)到顯著相關(guān)水平。綜上，植被恢復(fù)能夠增加土壤SON 含量，但恢復(fù)植被以沙棘林的效果最好，坡向以陽坡的效果最好。