黃土丘陵區(qū)不同種植年限沙棘人工林土壤可溶性氮組分時(shí)空變化特征

趙滿興，王 俊，楊 帆，馬文全，白二磊

(1.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000；2.陜西省區(qū)域生物資源保育與利用工程技術(shù)研究中心，陜西 延安 716000)

黃土高原因其特殊的黃土母質(zhì)，土壤保水性能差，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)脆弱[1-2]。為了改善黃土高原的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，20世紀(jì)90年代，國家在這一地區(qū)實(shí)施了退耕還林還草生態(tài)工程建設(shè)。大量人工林改善了當(dāng)?shù)赝寥罈l件，促進(jìn)了土壤肥力提升。

氮素對(duì)植物生長不可或缺，土壤氮素可分為無機(jī)氮和有機(jī)氮，有機(jī)氮占土壤氮素的95%以上[3-5]，可溶性有機(jī)氮(soluble organic nitrogen，SON)是可溶性總氮(total soluble nitrogen，TSN)的重要組分[6-7]。SON是土壤養(yǎng)分的有效成分之一，可以直接或間接轉(zhuǎn)化為植物可吸收利用的養(yǎng)分[8-9]。有研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原人工林地土壤SON占可溶性總氮的比例超過50%，SON在土壤氮素循環(huán)過程中扮演重要的角色[10-11]，人工林地的SON是土壤中不容忽視的氮素組成部分[12-13]。

黃土高原地區(qū)坡地較多，可能會(huì)造成土壤可溶性氮素沿土壤剖面垂直分布及不同坡位分布存在差異[14-15]。沙棘是延安北部主要的退耕還林樹種之一，有很強(qiáng)的固氮能力[16]。目前，沙棘種植年限對(duì)土壤可溶性氮庫的影響及其時(shí)空變化規(guī)律尚不清楚。因此，以志丹縣金丁鎮(zhèn)不同退耕年限的沙棘林為研究對(duì)象，研究不同退耕年限沙棘林可溶性氮組分季節(jié)及不同坡位分布規(guī)律，以期為深入研究該區(qū)域不同年限沙棘林的退耕效果提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

延安市志丹縣屬半干旱氣候區(qū)，年平均氣溫7.8 ℃，年平均降水量450～490 mm，年平均無霜期140 d，平均海拔1 300 m，土壤類型為黃綿土，土壤質(zhì)地為壤質(zhì)土。自1999年西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施以來，該縣通過人工造林和封山育林等方式加速恢復(fù)當(dāng)?shù)刂脖?，取得明顯的效果。

1.2 土樣采集與分析

供試土樣分別與2018年3、6、9、11月采集于志丹縣金丁鎮(zhèn)退耕還林區(qū)，選擇不同恢復(fù)年限(5年生、15年生、20年生)的沙棘林地，以荒草地作為對(duì)照樣地，蓋度超過80%。樣地基本情況見表1。每個(gè)樣地按照不同梁卯坡位(坡上和坡下)分別設(shè)置3個(gè)10 m×10 m的樣方，共計(jì)24個(gè)樣方[17]。在樣方內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)取樣點(diǎn)，采用分層多點(diǎn)混合法取土樣。在每個(gè)取樣點(diǎn)分0～20 cm土層取樣。采集的土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干，用2 mm直徑的篩子過篩，揀去雜質(zhì)，將來自同一樣方同一土層的土樣混勻，用四分法取樣，用于土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定。

表1 樣地基本信息

測(cè)定項(xiàng)目包括土壤可溶性總氮(TSN)、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和可溶性有機(jī)氮(SON)，按照《土壤農(nóng)化分析》[18]測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS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。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤硝態(tài)氮變化特征

如表2所示，不同年限、季節(jié)和坡位間的土壤硝態(tài)氮含量均有顯著差異。土壤硝態(tài)氮含量的變化范圍為1.43～18.95 mg·kg-1，20年生沙棘硝態(tài)氮含量(13.25 mg·kg-1)和15年生沙棘硝態(tài)氮含量(7.74 mg·kg-1)分別比5年生沙棘顯著增加了293.94%和130.27%；5年生沙棘硝態(tài)氮含量(3.36 mg·kg-1)略低于荒草地(3.87 mg·kg-1)，兩者之間沒有顯著差異水平。

表2 不同人工沙棘林土壤硝態(tài)氮

在整個(gè)采樣期間，土壤硝態(tài)氮含量隨季節(jié)變化波動(dòng)顯著(P<0.05)。對(duì)于坡上而言，所有樣品均表現(xiàn)為夏季最高，冬春季較低。對(duì)于坡下而言，不同年限沙棘土壤硝態(tài)氮含量季節(jié)變化規(guī)律不一致，5年生沙棘和15年生沙棘春季最高，20年生沙棘和草地夏季最高，各季節(jié)平均大小關(guān)系為：夏秋季(7.37 mg·kg-1)>春冬季(6.75 mg·kg-1)。

除了20年生沙棘外，其余樣地硝態(tài)氮含量均為坡下>坡上，坡下平均增幅16.04%～22.24%；20年生沙棘硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)坡上>坡下的規(guī)律，坡下平均降幅1.92%。

2.2 土壤銨態(tài)氮變化特征

由表3可知，土壤銨態(tài)氮含量的變化范圍為0.68～13.20 mg·kg-1，20年生沙棘銨態(tài)氮含量(7.89 mg·kg-1)和15年生沙棘銨態(tài)氮含量(6.51 mg·kg-1)分別比5年生沙棘顯著增加了69.27%和39.67%； 15年生沙棘銨態(tài)氮含量(6.51 mg·kg-1)增加了39.67%；沙棘林銨態(tài)氮含量均顯著高于荒草地(2.99 mg·kg-1)，平均增幅在55.72%～163.59%。

表3 土層不同人工沙棘林土壤銨態(tài)氮

在整個(gè)采樣期間，土壤銨態(tài)氮含量隨季節(jié)變化波動(dòng)顯著(P<0.05)。對(duì)于坡上而言，所有樣品均表現(xiàn)為夏秋季最高，冬春季較低。對(duì)于坡下而言，不同年限沙棘土壤銨態(tài)氮含量季節(jié)變化規(guī)律不一致，5年生沙棘夏季最高，15年生沙棘、20年生沙棘和草地均為秋季最高，各季節(jié)平均大小關(guān)系為夏秋季(6.58 mg·kg-1)>春冬季(4.45 mg·kg-1)。

5年生沙棘草地銨態(tài)氮含量隨坡位變化呈現(xiàn)坡下>坡上的規(guī)律，坡下平均增幅分別為17.65%和19.93%；15年生和20年生沙棘銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)坡上>坡下的規(guī)律，坡下平均降幅2.43%和19.63%。

2.3 土壤SON變化特征

由表4可知，土壤SON含量的變化范圍為21.47～180.70 mg·kg-1。20年生沙棘SON含量(87.36 mg·kg-1)和15年生沙棘SON含量(57.63 mg·kg-1)分別比5年生沙棘顯著增加了88.31%和24.22%；5年生沙棘SON含量(46.39 mg·kg-1)略低于荒草地(53.33 mg·kg-1)，兩者之間沒有顯著差異水平。

表4 不同人工沙棘林土壤SON

在整個(gè)采樣期間，土壤SON含量隨季節(jié)變化波動(dòng)顯著(P<0.05)。對(duì)于坡上而言，所有樣品均表現(xiàn)為春季(95.77 mg·kg-1)最高，夏季(30.73 mg·kg-1)最低。對(duì)于坡下而言，同樣表現(xiàn)為春季(114.87 mg·kg-1)最高，秋季(34.18 mg·kg-1)最低。各季節(jié)平均大小關(guān)系為：春冬季(84.46 mg·kg-1)>夏秋季(37.89 mg·kg-1)。

5年生沙棘、15年生沙棘和20年生沙棘SON含量隨坡位變化呈現(xiàn)坡下>坡上的規(guī)律，坡下平均增幅分別為37.42%、29.88%和17.09%；草地SON含量呈現(xiàn)坡上>坡下的規(guī)律，坡下平均降幅3.15%。

2.4 土壤可溶性氮組分占可溶性總氮比例

由表5可知，土壤SON占TSN比例在57.2%～95.9%，荒草地(86.0%)最高，恢復(fù)年限越長，SON/TSN越低。沙棘林SON占TSN比例在77.0%～83.3%。硝態(tài)氮占TSN的比例在2.1%～25.4%，平均含量大小關(guān)系為：20年生沙棘林(14.1%)>15年生沙棘林(11.5%)>荒草地(7.7%)>5年生沙棘林(6.7%)。銨態(tài)氮占TSN的比例在0.9%～19.3%，15年生沙棘林(10.5%)最高，其次為5年生沙棘林(10.0%)，20年生沙棘林(8.9%)和荒草地(6.4%)較低?？梢姡S著沙棘林恢復(fù)年限的增加，SON和銨態(tài)氮占TSN的比例在降低，而硝態(tài)氮占TSN的比例在增加。

表5 不同人工沙棘林土壤可溶性氮組分占可溶性總氮比例

SON占TSN的比例隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出“V”形的趨勢(shì)。最小比例為夏季(72.1%)，最大比例為春季(89.1%)，春冬季高于夏秋季。硝態(tài)氮占TSN的比例夏季(16.5%)最高，春季最低(6.5%)，銨態(tài)氮占TSN的比例秋季(14.4%)最高，春季(4.4%)最低。除了夏季外，SON占TSN的比例在其他季節(jié)均表現(xiàn)為坡上>坡下，硝態(tài)氮占TSN的比例在春秋季表現(xiàn)為坡下>坡上，銨態(tài)氮占TSN的比例在秋冬季表現(xiàn)為坡下>坡上。

3 討論

3.1 土壤可溶性無機(jī)氮組分動(dòng)態(tài)變化

不同土壤可溶性氮組分含量差異顯著，其中20年生沙棘、15年生沙棘和5年生沙棘0～30 cm土壤硝態(tài)氮含量分別為荒草地的3.42、2.00、0.87倍，土壤銨態(tài)氮含量分別為荒草地的2.64、2.17、1.56倍。這是因?yàn)樯臣瑢儆诠痰獦浞N[19]，增加土壤氮素優(yōu)于荒草地，隨著退耕還林時(shí)間的推進(jìn)，沙棘林凋落物數(shù)量增加，凋落物分解后，增加了土壤可溶性無機(jī)氮的來源[20]。

本研究表明，土壤礦質(zhì)氮以硝態(tài)氮為主，其最大值出現(xiàn)在春夏季，冬季最低。隨著春季氣溫上升，微生物活動(dòng)增強(qiáng)，提高了土壤礦化能力，而此時(shí)植物的生長需求還不太大，從而導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮的含量得到了積累[17]；夏季植物生長旺盛，土壤礦化作用較強(qiáng)，土壤硝態(tài)氮含量較高。土壤銨態(tài)氮最大值出現(xiàn)在夏秋季，冬季最低。造成土壤可溶性氮組分時(shí)空差異的原因，主要在于植被對(duì)土壤可溶性氮組分吸收存在季節(jié)性差異[21-22]。土壤不同坡位對(duì)土壤硝態(tài)氮的含量有顯著影響(P<0.05)，坡下硝態(tài)氮含量高于坡上硝態(tài)氮含量，這與林雪青等[15]研究結(jié)果一致。坡位對(duì)土壤銨態(tài)氮的影響基本呈現(xiàn)坡上>坡下的規(guī)律。這與硝態(tài)氮和銨態(tài)氮在土壤中的遷移和吸附特性差異性有關(guān)[23]。

3.2 土壤可溶性有機(jī)氮?jiǎng)討B(tài)變化

土壤可溶性有機(jī)氮是土壤活性氮庫的主要成分，本研究表明，種植年限對(duì)土壤SON有顯著影響，隨著種植年限越長，土壤SON含量越高，且沙棘林土壤SON含量顯著高于荒草地?？赡苁且?yàn)樯臣之a(chǎn)生大量的枯枝落葉以及具有很強(qiáng)的固氮作用，促進(jìn)了土壤氮素增加。供試土壤SON占TSN比例達(dá)到78%，這與Lu等[24]的研究結(jié)果相似?？梢?，當(dāng)?shù)赝寥繱ON含量不容忽視。本研究表明，坡下土壤SON含量大于坡上，這與宋依璇等[25]研究結(jié)果一致，這反映了土壤SON在當(dāng)?shù)赝寥罈l件下易于遷移，其在土壤中的吸附特性值得后續(xù)研究。

本研究發(fā)現(xiàn)，春季土壤SON含量較高，可能原因是春季氣溫回升，土壤微生物活動(dòng)增強(qiáng)，促使土壤動(dòng)植物殘?bào)w分解，加之春季植物吸收利用氮素較少，增加土壤氮的可溶性[26]。土壤SON含量在秋季呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，與秋季大量的新近枯落物歸還土壤有關(guān)[27]。夏季土壤可溶性有機(jī)氮呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這與趙路紅等[21]的研究結(jié)果相反，具體原因有待進(jìn)一步研究。土壤可溶性有機(jī)氮與硝態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)相反，此消彼長，豐富了土壤活性氮庫，是對(duì)外界環(huán)境變化的一種響應(yīng)[28]。

4 結(jié)論

黃土丘陵區(qū)沙棘林土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、SON及TSN含量相比荒草地均顯著提升，沙棘種植年限越長，土壤可溶性氮養(yǎng)分增加越明顯。沙棘林土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和SON分別比荒草地增加109.72%、112.27%和19.62%。土壤可溶性氮組分存在顯著的季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化，土壤SON春冬季(84.46 mg·kg-1)較高，夏秋季(37.89 mg·kg-1)較低，硝態(tài)氮春夏季(7.37 mg·kg-1)較高，冬季(6.75 mg·kg-1)較低，銨態(tài)氮秋季(6.58 mg·kg-1)較高，其他季節(jié)變化不明顯。土壤SON季節(jié)變化規(guī)律與硝態(tài)氮變化規(guī)律相反。

土壤可溶性氮組分在坡位間的變化規(guī)律為坡下高于坡上，坡下的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和SON分別比坡上高28.7%、3.89%和20.3%。土壤可溶性氮組分以土壤SON為主，占土壤TSN的57.2%～95.9%，平均為81.1%，其次是土壤硝態(tài)氮，平均為10.0%，土壤銨態(tài)氮所占比例最低，平均為8.9%。在陜北黃土丘陵區(qū)，營造沙棘林可以有效提高土壤氮素，隨著林齡增加，效果越明顯。