亞熱帶地區(qū)7種典型林分土壤有機(jī)氮組分特征1)

耿必苗 孫慶業(yè) 武林輝 王艷杰 陳月 趙瓊

(安徽大學(xué)，合肥，230601)

This study was conducted to understand characteristics of total nitrogen (N) and organic N components in different types of forest soils in subtropical China. Soil total N and organic N components determined by Bremner acid hydrolysis method were compared in seven types of forests, i.e. mixed broad-leaved forest, Phyllostachys edulis forest, Liquidambar formosana forest, mixed coniferous and broad-leaved forest, Pinus massoniana forest, Cunninghamia lanceolata forest and mixed coniferous forest. In addition, the correlations between soil N components and physicochemical properties were analyzed. The forest type has a significant effect on the contents of total N and organic N components. The contents of non-acid hydrolysis N and acid hydrolysis ammonia N are highest in Phyllostachys edulis forest, while the other organic N components and total N contents are highest in mixed broad-leaved forest. With the increase of the soil depth, the contents of total N, non-acid hydrolysis N, acid hydrolysis N and its components show a downward trend. Soil acid hydrolysis N accounting for 68.06% of total N is the predominant part of soil N. The content of each component of organic nitrogen and its proportion to total nitrogen in descending order are on-acid hydrolysis N and unknown N, amino acid N and acid hydrolysis ammonia N, and amino sugar N.

土壤氮素可分為無機(jī)態(tài)氮和有機(jī)態(tài)氮兩類，其中有機(jī)態(tài)氮約占土壤總氮的90%以上[1]。土壤中有機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其生物學(xué)穩(wěn)定性的大小決定土壤供氮潛能的大小[2]。一直以來，人們認(rèn)為有機(jī)態(tài)氮必須經(jīng)過微生物礦化作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)態(tài)氮才能為植物所用，然而，目前已有證據(jù)表明，如氨基酸這樣的小分子氮可直接被植物吸收利用[3-4]。土壤中已知的有機(jī)氮化合物種類繁多，包括各種蛋白質(zhì)、氨基糖等，但由于其組成相似，很難被分離鑒定[5]。Bremner[6]于1965年提出利用酸解法分組測定土壤有機(jī)氮，并將有機(jī)氮分為酸解氮(酸解氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮、未知態(tài)氮)和非酸解氮。此后，國內(nèi)外學(xué)者對土壤有機(jī)氮組分展開了大量研究，主要集中于其在施肥[7-9]、灌溉[10-11]、土壤類型[12-14]、土地利用方式[15]等方面的變化特征。施肥可以提高土壤有機(jī)氮組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及供氮潛力[8-9]；滴灌及滲灌處理的氨基酸態(tài)氮、酸解氨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮占全氮的比例均高于溝灌[11]；旱地土壤的總氮及各組分氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于相應(yīng)的水稻土壤[15]。已有研究發(fā)現(xiàn)，亞熱帶典型森林土壤中有機(jī)氮組分隨土壤深度的增加呈下降趨勢[16]，土壤總氮及有機(jī)氮組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著馬尾松恢復(fù)年限的增加而增加[17]，但對不同類型森林土壤有機(jī)氮組分特征的研究及報道較為少見。

近年來受人類活動的影響，我國亞熱帶地區(qū)森林資源遭到破壞，其地帶性自然優(yōu)勢群落被大量破壞，取而代之的是大面積的次生林和人工林，因此，或多或少存在生產(chǎn)力低、土壤肥力退化和樹種組成單一化等問題[18]。本研究以位于亞熱帶氣候區(qū)的寧國市7種林分類型土壤為研究對象，分析其有機(jī)氮組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分布特征，為亞熱帶地區(qū)合理營林造林及森林土壤氮素的合理利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

寧國市為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，是安徽省重點山區(qū)縣，全國生態(tài)保護(hù)與建設(shè)示范區(qū)。全市森林資源豐富，森林覆蓋率達(dá)到近80%[19]，地帶性植被為常綠闊葉林。近年來受人類活動的影響，現(xiàn)有植被以常綠闊葉林、落葉闊葉混交林、針闊混交林、針葉林、竹林為主[20]。

采樣點位于安徽省寧國市胡樂林場，地處皖南東部，為天目山北麓與黃山山脈交接處。該地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明，年平均降水量1 589.7 mm，年平均氣溫15.4 ℃。土壤以紅壤、黃壤為主。該地區(qū)林地面積占該林場總面積74.3%，主要的木本植物為馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、毛竹(Phallstachysedulis)、楓香(Liquidambarformosana)等[21]。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇與樣品采集

本研究于2020年10月在胡樂林場選取闊葉混交林、毛竹林、楓香林、馬尾松林、杉木林、針葉混交林、針闊混交林7種類型林分。每種林分設(shè)置3個20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地基本信息見表1。各樣地按土壤深度(h)，分別在0

表1 樣地基本概況

2.2 測定方法

土壤基本理化性質(zhì)參照土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法測定[1]，具體內(nèi)容見表2。土壤總氮、總磷采用高氯酸-硫酸消化-流動分析儀測定；總鉀采用氫氟酸-高氯酸消化-火焰光度計測定；有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定；pH采用水土比V(水)∶m(土)=2.5 mL∶1 g電位法測定。

表2 土壤理化性質(zhì)

續(xù)(表2)

土壤有機(jī)氮組分采用Bremner酸解法測定[5-6]。在待測土樣中加入濃度為6 mol·L-1的氯化氫搖勻后，置烘箱于120 ℃下封管水解12 h后制備酸解液。取酸解液后采用混合催化法測得酸解氮；用氧化鎂蒸餾法測得酸解氨態(tài)氮；用pH為11.2的磷酸-硼酸緩沖液法測得酸解氨態(tài)氮及氨基糖態(tài)氮；用茚三酮氧化，磷酸-硼酸鹽緩沖液蒸餾法測得氨基酸態(tài)氮。氨基糖態(tài)氮=酸解氨態(tài)氮+氨基糖態(tài)氮-酸解氨態(tài)氮；酸解未知態(tài)氮=酸解氮-酸解氨態(tài)氮-氨基糖態(tài)氮-氨基酸態(tài)氮；非酸解性氮=總氮-酸解總氮。

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 25軟件進(jìn)行相關(guān)性及方差分析，通過單因素方差分析和Duncan多重比較對相同深度不同林分類型的土壤總氮及有機(jī)氮組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(a=0.05)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分土壤總氮、酸解氮和非酸解氮的分布特征

由表3可知，7種林分土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為0.46～3.49 g·kg-1，其均值由大到小依次為：闊葉混交林、毛竹林、楓香林、針闊混交林、馬尾松林、杉木林、針葉混交林。差異性分析表明，闊葉混交林的土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值顯著高于其余林地(P<0.05)；毛竹林、楓香林、針闊混交林的土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值無顯著差異；馬尾松林、杉木林、針葉混交林的土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值無顯著差異。不同林分同一深度的土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著性有一定區(qū)別，其中以20 cm

表3 不同林分土壤總氮、酸解氮和非酸解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

林分類型酸解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-10

林分類型非酸解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-10

如表3所示，土壤酸解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同林分及深度之間存在顯著差異。7種林分的酸解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值由大到小依次為：闊葉混交林、針闊混交林、毛竹林、楓香林、馬尾松林、杉木林、針葉混交林。其中，闊葉混交林與針闊混交林、毛竹林的土壤酸解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不明顯，但顯著高于其余4種林分(P<0.05)。土壤酸解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在土壤深度上的分布規(guī)律與總氮相似，均隨土壤深度的增加而降低。

7種林分土壤非酸解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于0.16～1.05 g·kg-1(表3)，其均值由大到小依次為：毛竹林、楓香林、闊葉混交林、針闊混交林、針葉混交林、杉木林、馬尾松林。其中，毛竹林、楓香林、闊葉混交林3種林分之間的土壤非酸解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值無顯著差異，但毛竹林的土壤非酸解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其余4種林分(P<0.05)。

3.2 不同林分土壤酸解氮組分分布特征

不同林分類型的土壤氨基酸態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(表4)。7種林分氨基酸態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值由大到小依次為：闊葉混交林、毛竹林、馬尾松林、針闊混交林、楓香林、杉木林、針葉混交林。其中，闊葉混交林與毛竹林的土壤氨基酸態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值無顯著差異，但顯著高于其余5種林分(P<0.05)。土壤中氨基酸態(tài)氮的垂直分布規(guī)律與總氮和酸解氮相似，均隨著土壤深度的增加而降低。

不同林分的土壤酸解氨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)有較大區(qū)別(表4)。7種林分的土壤酸解氨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小依次為：毛竹林、闊葉混交林、針闊混交林、楓香林、杉木林、馬尾松林、針葉混交林。其中，毛竹林和闊葉混交林的土壤酸解氨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值顯著高于馬尾松林和針葉混交林(P<0.05)。同時，7種林分土壤中0

表4 不同林分土壤酸解氮各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

林分類型酸解氨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-10

林分類型氨基糖態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-10

林分類型未知態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-10

由表4可知，7種林分的未知態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化范圍為95.23～1 042.36 mg·kg-1，其均值由大到小依次為：闊葉混交林、針闊混交林、楓香林、杉木林、馬尾松林、針葉混交林、毛竹林。其中，闊葉混交林、針闊混交林的土壤未知態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值與楓香林無顯著差異，但顯著高于其余4種林分(P<0.05)。不同林分同一深度的土壤未知態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異顯著性有所不同，其中以20 cm

7種林分氨基糖態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于9.23～195.99 mg·kg-1(表4)，其均值由大到小依次為：闊葉混交林、馬尾松林、毛竹林、針闊混交林、楓香林、杉木林、針葉混交林，但不同林分之間無顯著差異。除針闊混交林的氨基糖態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤深度的增加而增加，其余林分的土壤氨基糖態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨著土壤深度的增加而降低。

3.3 不同林分有機(jī)氮組分分配比例

如表5所示，7種林分土壤酸解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總氮的百分比為48.53%～84.47%，平均值為68.06%，是土壤總氮的主體。在0

表5 不同林分土壤有機(jī)氮各組分占總氮的比例

7種林分土壤有機(jī)氮各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值及其占總氮比例的規(guī)律不同。毛竹林土壤有機(jī)氮各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值及其占總氮比例由大到小依次為：非酸解性氮、氨基酸態(tài)氮及酸解氨態(tài)氮、未知態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮，其余6種林分土壤有機(jī)氮各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值及其占總氮比例由大到小依次為：未知態(tài)氮及非酸解性氮、氨基酸態(tài)氮及酸解氨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮。

3.4 土壤有機(jī)氮組分與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性分析

相關(guān)分析表明(表6)，土壤有機(jī)氮各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均與總氮、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，與pH、總鉀呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤非酸解性氮與總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤總氮、酸解氮、氨基酸態(tài)氮、酸解氨態(tài)氮、未知態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與含水率呈顯著正相關(guān)。

表6 土壤有機(jī)氮組分與土壤理化指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論與討論

氮素是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，是評價土壤肥力的重要指標(biāo)[22]。本研究表明，在氣候條件和土壤類型相似的背景下，闊葉林土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于針葉林，尤其在0

土壤氮素主要以酸解氮和非酸解氮形態(tài)存在，二者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著影響土壤氮素的有效性，其中酸解氮對可礦化氮的影響較大[13]。研究發(fā)現(xiàn)，非酸解氮結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，其分配比例增加有利于提高土壤氮素的固持能力[27]。在一定條件下，酸解氮和非酸解氮可以互相轉(zhuǎn)化。本研究中，酸解氮的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.04 g·kg-1，占土壤總氮的68.06%，是土壤總氮的主體，與多數(shù)研究結(jié)果[13，16-17]一致。吳漢卿等[28]、王瑞軍等[14]研究表明，土壤酸解氮與總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)，本研究與其研究結(jié)果一致。土壤中非酸解氮的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.46 g·kg-1，占總氮的31.94%。與馬尾松林、杉木林等針葉林相比，闊葉混交林、楓香林、毛竹林等闊葉林的非酸解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其占總氮的比例較高，說明闊葉林土壤氮素向著結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的非酸解氮轉(zhuǎn)化，提高了土壤氮素固持能力。

土壤酸解氮礦化的難易程度與其形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)[29]。相關(guān)研究表明，酸解氮中的氨基酸態(tài)氮和酸解氨態(tài)氮對土壤可礦化氮影響最大，其次為未知態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮[30-31]。氨基酸態(tài)氮和酸解氨態(tài)氮作為土壤中重要的有機(jī)氮，決定了土壤氮素的礦化潛力，常被用來表征土壤供氮潛能[29，32]。本研究中，闊葉混交林和毛竹林2個樣地的土壤氨基酸態(tài)氮及酸解氨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其余林分，是因為這2種林分具有落葉量大，枯落物層較厚且易分解等特征[22]，加快了氮素的歸還，顯著提高土壤的供氮潛力。酸解未知態(tài)氮是酸解氮中還未被鑒定的含氮化合物，主要包括非α-氨基酸氮、嘧啶、嘌呤、N-苯氧基氨基酸氮等雜環(huán)態(tài)氮[33]。董姝含等[34]研究發(fā)現(xiàn)，酸解未知態(tài)氮具有較高的活性，對植物生長起著至關(guān)重要的作用。本研究中，闊葉混交林的未知態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，而毛竹林的未知態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，說明闊葉混交林的氮素可礦化能力較強(qiáng)。有研究表明，氨基糖態(tài)氮主要來源于微生物細(xì)胞壁殘留物[35-36]。本研究中，7種林分土壤的氨基糖態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異，僅占土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的6.14%，與前人的研究結(jié)果較為接近[13，15]，說明氨基糖態(tài)氮受植被類型影響不明顯，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在土壤中較為穩(wěn)定[12]。

總體來看，本研究中土壤有機(jī)氮各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值及其占總氮的百分比由大到小依次為：非酸解態(tài)氮及未知態(tài)氮、氨態(tài)氮及氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮，與前人的研究結(jié)果一致[37]，表明在不同生態(tài)系統(tǒng)背景下，土壤有機(jī)氮組分的分布特征仍然具有一定的共性[13]。而丁咸慶等[16]對大圍山典型森林土壤有機(jī)氮組分的研究表明，不同氮組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分配比例由大到小依次為：酸解氨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮及未知態(tài)氮，與本研究結(jié)果不一致，這可能與樣地海拔、溫度的差異有關(guān)。總之，土壤有機(jī)氮組分受多種因素影響且長期處于固持-礦化動態(tài)平衡中，不同組分氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其在總氮中的比例常因環(huán)境條件的變化而有所改變[38]。

酸解氮是亞熱帶森林土壤氮素的主要存在形態(tài)，不同林分土壤有機(jī)氮組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其分配比例的規(guī)律不同。毛竹林土壤有機(jī)氮組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其分配比例由大到小依次為：非酸解性氮、氨基酸態(tài)氮及酸解氨態(tài)氮、未知態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮，其余6種林分土壤有機(jī)氮組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其分配比例由大到小依次為：未知態(tài)氮及非酸解性氮、氨基酸態(tài)氮及酸解氨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮。有機(jī)氮各組分均與總氮、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，與pH呈顯著負(fù)相關(guān)。非酸解氮和酸解氨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為毛竹林最高，其余有機(jī)氮組分及總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為闊葉混交林最高?？梢姡熑~混交林較其它林分相比，更利于土壤氮素的積累，提高氮素的供應(yīng)潛力。