地表覆被等環(huán)境條件對黔西北土壤有機氮組分的影響

李仰征, 李蘭, 王小二, 曹熙, 彭建宇, 薛曉輝, 游萍

(貴州工程應用技術學院生態(tài)工程學院， 貴州 畢節(jié) 551700)

氮素是環(huán)境中廣泛存在的元素，其參與地球各圈層的物質循環(huán)和能量流動。其中有機氮是土壤礦質氮的庫源，在全氮中占有絕大部分比例且對氮的有效性亦有重要影響，因此該領域受到國內外的廣泛關注[1-4]。我國云貴高原地區(qū)巖溶地貌發(fā)育良好且人為干擾強烈，致使石漠化面積廣布、生態(tài)環(huán)境異常脆弱[5]。近些年生態(tài)恢復措施取得了顯著成效，如貴州省在“十二五”期間森林覆蓋率已達50%，已初步構建了長江和珠江上游的局域生態(tài)屏障。但是，與森林生態(tài)系統(tǒng)密切相關的土壤環(huán)境領域的基礎研究還十分薄弱。關于西南地域土壤有機氮的研究報道較少，如韋至激等[6]研究發(fā)現，不同灌溉模式和施氮量對廣西自治區(qū)南寧市的有機氮組分影響存在明顯差異。羅益等[7]在貴州省天柱縣煙葉產區(qū)發(fā)現，雖然不同類型植煙土壤中的有機氮含量差異較大，但其大小關系十分穩(wěn)定，均是酸解氨基酸態(tài)氮含量最大，酸解氨基糖態(tài)氮最少，而酸解氨態(tài)氮居中。此外，張名豪等[8]對比了重慶市北碚區(qū)某農場紫色土在不同有機物料施加條件下氮的礦化效果，發(fā)現氮的礦化量與有機物料中的酸解銨態(tài)氮和酸解氨基酸態(tài)氮呈顯著相關關系。由此可見，前人涉及有機氮的研究多集中在耕作土壤領域，尤以有機氮組分評價[9]和肥料施加累積效應研究居多[3,10-14]。而關于地表覆被等環(huán)境要素對土壤各有機氮組分影響的研究還相對匱乏[15-18]，以云貴高原等較高海拔區(qū)域為研究樣地，兼論水熱環(huán)境條件對有機氮組分影響的研究還未見報道。因此，本研究嘗試與其他地貌差異明顯地域的研究結果進行對比，揭示地表覆被、農業(yè)活動、積溫等環(huán)境條件對土壤有機氮組分的影響。本研究結果即可豐富土壤有機氮基礎研究理論，又可為云貴高原生態(tài)環(huán)境保護提供一定的借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

畢節(jié)市位于貴州省西部偏北，為滇東高原向黔中山原過渡地帶，出露地層以二疊紀和三疊紀的灰?guī)r、砂頁巖為主。采樣點位于畢節(jié)市七星關區(qū)，屬亞熱帶高原季風氣候，巖溶地貌發(fā)育良好，土壤以黃壤、黃棕壤為主。平均海拔約1 500 m、年均溫12.8 ℃、日照時長1 377 h、降雨量950 mm[19]。選擇地表覆被差異明顯的林灌地(LT)、旱耕地(YJ)、灌草地(YH)和撂荒地(CJ)共4類樣地。樣地空間毗鄰，彼此間距低于1 km，樣地詳細信息見表1。

表1 樣地地理坐標、覆被條件及土壤理化性質 Table 1 Geographical coordinate, vegetation cover conditions and soil properties of sampling sites

1.2 樣品采集與指標檢測

于2015年12月進行梅花布點，使用土鉆由表至下分層依次采樣，同樣地同深度土樣混勻后去除礫石、根莖等，四分法保留土樣并自然風干。由于當地石漠化發(fā)育程度不同，導致基巖上的覆土厚度不一，深層多點平行采樣困難，為便于互相比較各樣地只取4個深度的土壤，分別為0～5 cm、5～15 cm、15～25 cm和25～35 cm。土壤全氮含量、有機氮含量、速效磷含量、有機質含量、容重和酸堿度分別采用半微量凱氏法、酸解蒸餾法、鉬銻抗比色法、重鉻酸鉀外加熱法、環(huán)刀法和玻璃電極法測得，均參照土壤農業(yè)化學分析方法[20]，每個處理3次重復。其中，有機氮含量使用6 mol·L-1的HCL水解法，釋放被土壤黏土礦物和有機膠體吸附的氮素，取水解物采用混合催化法測得酸解總氮(acidolysable total N, ATN)、氧化鎂蒸餾法測得酸解氨態(tài)氮(ammoia N, AN)、磷酸鈉-硼砂緩沖液法測得酸解氨態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮(amino sugar N, ASN)、茚三酮蒸餾法測得酸解氨基酸態(tài)氮(amino acid N, AAN)，再使用差減法計算非酸解態(tài)氮(non-acidolysable N, NAN)、酸解氨基糖態(tài)氮和未知態(tài)氮(unknown N, UN)，均參照魯如坤[20]方法。計算公式如下。

NAN=TN-ATN

ASN=AASN-AN

UN=ATN-AASN-AAN

式中，TN表示土壤全氮(total N)含量、AASN表示酸解氨態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮之和(amino acid N and amino sugar N)。

1.3 數據處理與分析

使用Microsoft Excel 2003進行數據處理與分析，采用SPSS 17.0進行相關分析與方差分析，使用CorelDRAW12進行作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤剖面全氮、酸解總氮和非酸解氮的分布特征

不同覆被類型土壤剖面的全氮含量結果見圖1，YJ樣地0～5 cm土層的全氮含量最高，為1.950 g·kg-1，顯著高于所有樣地各土層的全氮含量；LT樣地0～5 cm土層的全氮含量也達到1.733 g·kg-1；CJ和YH樣地的全氮含量均較低，二者間沒有顯著差異，CJ樣地的全氮含量低，可能是因為被撂荒導致氮素返還少，其剖面對應的有機質含量是4類樣地的最低值(表1)，也是營養(yǎng)物質返還少在碳素上的反映。不同覆被類型樣地5～15、15～25和25～35 cm土層的全氮含量差異與0～5 cm土層基本類似，除了YH的15～25和25～35 cm土層的全氮含量顯著高于CJ樣地的相應土層。同一樣地不同土層中，LT、YJ、CJ樣地均表現為隨著土層的加深全氮含量逐漸減少，而YH樣地的全氮含量隨著土層加深表現為逐漸增加趨勢。

4種覆被類型的土壤剖面酸解總氮含量結果(圖1)顯示，隨土層的加深土壤酸解總氮含量均表現出下降趨勢，CJ樣地的底層和表層土壤的酸解總氮含量下降幅度最大，25～35 cm土層較0～5 cm土層顯著下降42.21%(P<0.05)。底層和表層土壤的酸解總氮含量下降幅度最小的為YH樣地，25～35 cm土層較0～5 cm土層顯著下降18.97%(P<0.05)。此外，LT樣地的15～25和 25～35 cm土層的土壤酸解總氮含量較0～5 和5～15 cm土層顯著下降，而0～5 和5～15 cm土層、15～25和 25～35 cm土層間無顯著差異(P>0.05)。YJ和YH樣地中，5～15、15～25和 25～35 cm土層的土壤酸解總氮含量均較0～5 cm土層顯著下降(P<0.05)，而5～15、15～25和 25～35 cm土層之間無顯著差異(P>0.05)。不同樣地同一土層的酸解總氮含量整體表現為LT和YJ樣地高于CJ和YH樣地。此外，CJ的15～25和 25～35 cm土層的土壤酸解總氮含量顯著低于YH的相應土層。其中，LT和CJ樣地0～5 cm土層的酸解總氮含量差值最大，LT樣地較CJ樣地顯著高出0.466 g·kg-1。相關性分析顯示，除YH樣地以外，其他樣地剖面酸解總氮與對應的全氮含量表現出顯著正相關關系(r=0.707，P<0.01)。

不同覆被類型的非酸解氮含量結果(圖1)顯示，除CJ樣地以外，所有土壤剖面不同土層的非酸解氮含量和全氮含量變化趨勢整體上較為接近，兩者相關系數為0.678(P<0.01)，達極顯著水平。且不同覆被類型差異明顯，YJ樣地不同土層的非酸解氮含量均值最高，為0.543 g·kg-1，CJ樣地的均值最小，為0.185 g·kg-1，僅為YJ樣地均值的34.08%。同一樣地不同土層的非酸解氮含量，表現為LT和YJ樣地隨土層深度的加深含量逐漸下降；而CJ與YH樣地隨土層深度加深反而逐漸上升，尤以YH樣地最為顯著，25～35 cm土層的非酸解氮含量較0～5 cm土層含量顯著增加5.46倍，且YH樣地的25～35 cm土層與YJ樣地同深度的非酸解氮含量無顯著差異(P>0.05)，這與其在全氮含量的差異模式上類似(圖1)。這可能是由于該樣地在2010年之前為農業(yè)用地，后覆土平地和植樹種草改建為休憩綠地，從而導致原有高氮含量的農業(yè)土壤被直接壓蓋所致。同一土層不同樣地的非酸解總氮的差異較大，其中YJ和YH樣地的0～5 cm土層之間差異最大，YJ樣地較YH樣地顯著高0.772 g·kg-1。

注：不同英文字母表示同一土層不同地表覆被間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計學意義，不同希臘字母表示同一地表覆被不同土層間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Different English letters of the same soil depth indicate significant difference between different surface cover at P<0.05 level, different Greek letters of the same surface cover indicate significant difference between different soil depths at P<0.05 level.圖1 不同地表覆被的土壤剖面全氮、酸解總氮和非酸解氮含量Fig.1 Contents of total N, acidolysable total N and non-acidolysable N in soils with different vegetation covers

不同景觀(土地利用類型)的樣地差異在地表直接體現為覆被的迥異。覆被和土層深度都會對各形態(tài)氮含量產生影響。因此，若要綜合評判地表覆被對土壤各形態(tài)氮的影響就需要采用雙因素方差分析法，分析結果顯示，地表覆被對土壤剖面全氮(F=5.315*，P=0.022)和非酸解氮(F=4.359*，P=0.037)含量的影響均達到顯著水平，而對酸解總氮的影響并不顯著(F=1.846，P=0.209)。土層深度對全氮(F=0.645，P=0.547)、酸解總氮(F=2.164，P=0.171)和非酸解總氮(F=0.194，P=0.827)的影響，均未達到顯著水平。

2.2 土壤剖面酸解各形態(tài)氮組分及分布特征

不同樣地的土壤剖面酸解各形態(tài)氮組分含量結果見圖2?？梢?，酸解氨態(tài)氮在LT、YJ和YH剖面呈現出一定的表聚性。最大值出現在YJ樣地0～5 cm土層，為0.294 g·kg-1，顯著高于其他樣地。而其15～25和25～35 cm土層的酸解氨態(tài)氮含量卻顯著低于其他3個樣地。同一樣地隨著土層深度的加深土壤酸解氨態(tài)氮含量整體呈下降趨勢，除CJ樣地的不同土層間沒有顯著變化。YJ樣地的表層和底層的酸解氨態(tài)氮含量差異最大，25～35 cm土層較0～5 cm土層顯著下降了27.70%。不同樣地同一土層的酸解氨態(tài)氮含量整體差異不大，尤其是表層以下的3個土層。

LT、YJ、CJ和YH 4個樣地各土層的酸解氨基酸態(tài)氮均值分別為0.401、0.385、0.253和0.250 g·kg-1。LT、YJ和CJ 3個樣地的土壤酸解氨基酸態(tài)氮含量隨著土層深度的增加，整體上均呈逐漸下降趨勢，而YH樣地的土壤酸解氨基酸態(tài)氮含量在不同土層間沒有顯著差異。同一土層不同樣地間，整體呈現LT、YJ樣地的土壤酸解氨基酸態(tài)氮含量顯著高于CJ和YH樣地；0～5和5～15 cm土層的CJ樣地土壤酸解氨基酸態(tài)氮含量顯著高于YH樣地(P<0.05)，而15～25和25～35 cm土層的YH樣地的土壤酸解氨基酸態(tài)氮含量顯著高于CJ樣地(P<0.05)。相關分析發(fā)現，各土層酸解氨基酸態(tài)氮與有機質呈顯著相關關系(r=0.532，P<0.05)。

不同樣地的酸解氨基糖態(tài)氮含量結果顯示，LT、CJ和YH 3個樣地的同一樣地不同土層間整體呈現下降趨勢，而YJ樣地的酸解氨基糖態(tài)氮含量在4個土層間沒有顯著差異。YJ樣地的土壤酸解氨基糖態(tài)氮含量與其他3個樣地差異較大，顯著低于其他3個樣地，其含量僅為其他樣地均值的18.57%。而其表層的酸解氨基糖態(tài)氮含量還低于5～10和15～25 cm土層，但未達到顯著差異水平。而此現象在其他樣地中沒有出現。這表明農業(yè)生產活動可能會對土壤酸解氨基糖態(tài)氮造成較大影響。

酸解未知態(tài)氮是指酸解過程中未被鑒定出的含氮化合物，主要包括未知態(tài)的雜環(huán)態(tài)氮和部分腐殖質釋放的產物。隨著土層深度的增加，同一樣地的酸解未知態(tài)氮含量整體呈現下降趨勢，而YH的25～35 cm土層的酸解未知態(tài)氮含量較15～25 cm土層顯著上升。LT和YJ樣地的土壤酸解未知態(tài)氮含量均值較高，分別為0.264和0.253 g·kg-1，均顯著高于YH和CJ樣地。這一變化特點和土壤酸解氨基酸態(tài)氮含量的大小關系一致，表明生物返還對酸解氨基酸態(tài)氮和未知態(tài)氮含量均會產生重要影響。

雙因素方差分析顯示，地表覆被對土壤酸解氨態(tài)氮的影響達到顯著水平(F=7.667*，P=0.008)，而對酸解氨基糖態(tài)氮(F=2.033，P=0.180)、酸解氨基酸態(tài)氮(F=1.996，P=0.185)和酸解未知態(tài)氮的影響(F=1.568，P=0.264)均不顯著。而土層深度對酸解氨態(tài)氮(F=2.253，P=0.161)、氨基酸態(tài)氮(F=1.518，P=0.270)、氨基糖態(tài)氮(F=0.844，P=0.461)和未知態(tài)氮(F=0.488，P=0.629)的影響，也均未達到顯著水平。

3 討論

研究發(fā)現，不同地表覆被對土壤全氮含量影響顯著[15-16]。本研究不同樣地的表土全氮含量與云貴高原鄰近地域[21-23]較為接近，但均高于四川盆地[24]、長江中下游[25]和珠江流域[26]等低海拔區(qū)域。這可能與畢節(jié)地區(qū)海拔較高、熱量狀況差，微生物活性弱導致礦質化作用慢，從而減緩氮的累積作用有關。其他如姚蘭等[27]、孟苗婧等[28]和舒錕等[29]也發(fā)現山地從基帶向上土壤全氮含量有增加的現象，上升到一定海拔后又表現為遞減的特點，海拔1 500～2 000 m范圍為全氮峰值區(qū)域。全氮出現遞減的現象，可能與海拔繼續(xù)上升導致氮的生物返還量少有關。因此，土壤全氮含量一方面受制于氮素礦化而消耗，另一方面地表覆被差異導致動植物和微生物殘體返還補給不同，也會影響到它的累積。

本研究所有樣地酸解總氮含量均隨土層深度加深而呈下降態(tài)勢，這與很多研究結果[15-16,30]一致。酸解總氮主要來自于有機膠體和黏土礦物釋出的各類形態(tài)氮，且有機氮占據絕對優(yōu)勢[20]。它們被土壤微粒吸附后，自然條件下參與氮循環(huán)過程效率較為低緩。又由于有機氮主要源于近地表層生物殘體的返還分解，受淋溶作用由上而下有逐級吸附的特點，所以導致越接近地表含量也越大。CJ撂荒地地表返還物少，上層土壤優(yōu)先吸附各類形態(tài)氮導致其酸解總氮在整個剖面下降幅度明顯大于其他樣地。此外，YH剖面酸解總氮(圖2)與對應的全氮(圖1)沒有像其他3類樣地表現出顯著的正相關關系，這證實全氮可能并不是影響酸解總氮的決定性因素。從4個樣地的平均值來看，僅酸解氨基酸態(tài)氮占酸解總氮的比率就已高達38.31%，這表明微生物作用對酸解總氮的累積和組分構成產生重要影響。酸解總氮在所有樣地均隨深度加大而下降，與沈其榮等[9]關于“土壤酸解氮具有共性”的論斷一致。這也解釋了雙因素方差分析中地表覆被對土壤全氮與非酸解氮影響達到顯著水平，而對酸解總氮沒有顯著影響的結果。酸解總氮的這種“共性”則表現在另一影響因素土層深度方面，雖然統(tǒng)計結果顯示兩者間并沒有達到顯著水平，但兩者統(tǒng)計概率P值僅為0.171，遠低于土層深度和全氮(P值為0.547)與非酸解氮(P值為0.827)的對應值。造成該現象的根本原因很可能是地表覆被僅直接影響到土壤全氮的補給總量，而氮素遷移的方向與轉化的速率取決于土壤微生物的種類和活性，它們最終主導了有機氮的組分特征。

非酸解氮主要由黏粒吸附的難分解含氮物質構成[31]，可形成結構穩(wěn)定的腐殖質[32]，并構成氮的穩(wěn)定庫且難以直接參與氮循環(huán)[33]。YJ為農業(yè)用地，非酸解氮含量為所有樣地的最大值，剖面均值達到0.518 g·kg-1。與遼河平原[15,34]較為接近，又明顯低于若爾蓋濕地[30]，高于成都平原[24]及湘西丘陵[35]等農業(yè)用地。這可能與本區(qū)域地處烏蒙腹地，受大氣垂直減溫率的影響導致地氣系統(tǒng)熱量不足有關。七星關區(qū)大于等于10 ℃積溫只有3 800 ℃，而同緯度湘西北(海拔100～500 m)則超過5 000 ℃，即使緯度更高的成都平原(海拔500～700 m)都可達4 700 ℃以上，若爾蓋濕地海拔約3 000～3 500 m，導致其積溫僅有310 ℃。熱量條件影響到諸如枯草桿菌、根霉等廣布腐生菌的活性，樊佳等[36]也發(fā)現枯草桿菌在40 ℃以下環(huán)境中，芽孢數量與溫度呈顯著正相關關系。而根霉最適宜的溫度也較高，約為25～30 ℃[37]。七星關區(qū)最高月均溫才剛好超過20 ℃，年均溫則更低，這勢必會引起腐殖質化過程緩慢，致使碳水化合物、蛋白質和木質素等返還物中原始形態(tài)的氮占很高的全氮比例，這部分氮則很可能構成非酸解氮的主要組成部分。非酸解氮和全氮的相關系數為0.678(P<0.01)，為極顯著相關，也說明了這一問題。

土壤酸解氨態(tài)氮是水解產物中的氨，主要源于土壤固定態(tài)或吸附態(tài)的無機銨根，以及氨基酸(糖)和酰胺類化合物的脫氨基作用[38]。酸解氨態(tài)氮在YJ樣地表土含量最大，很可能與該樣地為農業(yè)用地，表土受到肥料施加有關。有研究[34,39]表明，與不施肥相比，即使單施無機氮肥都能顯著提高酸解氨態(tài)氮含量。表層以下的土壤無論是不同樣地之間還是同一樣地，不同深度之間的酸解氨態(tài)氮變異程度明顯小于其他3種酸解氮，原因一方面可能與土樣風干處理過程有關，朱強等[40]和趙瑞芬等[41]研究表明，風干過程會導致有機質礦質化進程加速，致使銨態(tài)氮含量大幅度提升；二是有近三分之一的酸解氨態(tài)氮來自于固定態(tài)銨[9]。兩者共同影響，致使不同樣地和不同深度酸解氨態(tài)氮差異較小。

土壤酸解氨基酸態(tài)氮主要賦存于有機質的多肽和蛋白質中，目前已有30余種氨基酸被鑒定[42]。酸解氨基酸態(tài)氮與有機質呈顯著相關關系，是因為有機質是酸解氨基酸態(tài)氮等各類氮的物源。LT的酸解氨基酸態(tài)氮含量在表層最大，但與YJ樣地差異不顯著，這可能與其為校園微域山地景觀，喬灌草覆被結合導致植被初級生產力高，生物殘體返還多有關。這表明酸解氨基酸氮含量受地表覆被或土地利用等因素影響顯著。這也導致了該樣地酸解糖態(tài)氮與酸解未知態(tài)氮的不同土層均值均高于其他樣地。YH不同土層的酸解氨基酸態(tài)氮大致與其全氮變化規(guī)律相似，這與其土地利用方式的改變有密切關聯。

土壤酸解氨基糖態(tài)氮主要由氨基葡萄糖、氨基半乳糖和胞壁酸組成，與微生物活性及群落結構緊密相關。所有樣地均值為0.117 g·kg-1，與多數研究結果[15,30,43]較為接近。但相對其他形態(tài)氮，YJ樣地的氨基糖態(tài)氮為所有樣地不同土層均值的最低，且與其他樣地差異顯著。但與成都平原[24]和黃土高原[17]較為接近。查春梅等[16]也發(fā)現耕地糖態(tài)氮要顯著低于林地(不足林地的30%)。由于很少在作物等高等植物組織中發(fā)現氨基糖，所以低等植物、昆蟲的甲質殼(含幾丁聚糖等)和微生物細胞物質則是氨基糖的最主要來源。陳坤[44]也發(fā)現，有機氮組分中僅有糖態(tài)氮與微生物量有顯著相關性。因此，農藥的長期施用導致耕地土壤低等植物受到明顯的毒害作用[45]和地表微生物群落功能多樣性下降[46]，勢必會影響到氨基糖態(tài)氮的生物補給。張玉玲等[43]在東北鹽漬土也發(fā)現，與未開墾和開墾時間短的耕地相比，耕作歷史最久的土壤糖態(tài)氮則處于最低水平。YJ樣地出現表土氨基糖態(tài)氮明顯低于其深層土樣現象，而其他3個樣地均未出現，這充分表明農業(yè)生產活動是造成土壤酸解氨基糖態(tài)氮含量下降的最重要影響因子。

總體而言，4個樣地酸解各形態(tài)氮均值關系依次表現為酸解氨基酸態(tài)氮>酸解氨態(tài)氮>酸解未知態(tài)氮>酸解糖態(tài)氮。該順序與羅如熠等[30]和高曉寧等[33]研究結果類似，均表現為糖態(tài)氮含量最低，不同之處體現在酸解氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮的大小關系上。酸解有機氮各組分與土壤酸堿度、黏粒含量、有機質組成、微生物及酶活性等生化性質有密切關聯。此外，樣地海拔與氣候特點、施肥與灌溉方式、種植年限與覆被類型等諸多環(huán)境條件也是重要的外部影響因子。因此，土壤有機氮應是一個多要素影響的耦合體，各組分長期處于固持與礦化的動態(tài)變化過程中，導致不同地域有機氮組分大小關系不盡一致。