吳 雪，馮 燕，宋培忠，李湘婉

(昆明理工大學(xué)，建筑工程學(xué)院，云南昆明 650093)

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黃土高原洞子溝流域植被自然恢復(fù)年限對(duì)土壤氮素的影響

吳 雪，馮 燕*，宋培忠，李湘婉

(昆明理工大學(xué)，建筑工程學(xué)院，云南昆明 650093)

[目的] 為了探究自然植被恢復(fù)對(duì)黃土高原土壤退化修復(fù)的影響，分析自然植被恢復(fù)年限、土壤土層等因素對(duì)土壤氮素的影響。 [方法] 以黃土高原洞子溝流域土壤氮素為研究對(duì)象，測(cè)定流域內(nèi)南北坡不同植被恢復(fù)年限土壤不同層次(0～10、10～20 cm)的3種氮素形態(tài)(有機(jī)氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)含量，并且探討各氮素間相互關(guān)系。[結(jié)果] 隨著恢復(fù)年限的增加，3種土壤氮素整體上持續(xù)增長(zhǎng)，其中南坡表現(xiàn)為自然恢復(fù)60年>自然恢復(fù)30年>自然恢復(fù)10年，且有機(jī)氮含量的增加最明顯，增長(zhǎng)了3.07倍，北坡土壤氮素含量表現(xiàn)為自然恢復(fù)100年>自然恢復(fù)60年>自然恢復(fù)10年>退耕2年，同時(shí)硝態(tài)氮的增加最明顯，增加了13.19倍；氮素的各形態(tài)之間均存在極顯著的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均介于0.50～0.94之間；隨著植被恢復(fù)年限的增加，不同形態(tài)氮素的含量在總氮中所占比例呈現(xiàn)小幅度的波動(dòng)，但總體上基本保持穩(wěn)定。[結(jié)論] 該研究可以為黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)與生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)理論依據(jù)。

自然恢復(fù)年限；有機(jī)氮；銨態(tài)氮；硝態(tài)氮

長(zhǎng)期的不合理土地利用和人為管理導(dǎo)致黃土高原嚴(yán)重的土壤退化[1]。改善土壤質(zhì)量、加快植被恢復(fù)成為黃土高原生態(tài)恢復(fù)建設(shè)的重要目標(biāo)之一[2]。

氮素是土壤肥力中最活躍的因素之一，是植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，也是土壤生產(chǎn)力和產(chǎn)量的重要限制因素[3]。土壤中氮素的主要形態(tài)為有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮。有機(jī)氮是土壤氮素的主要形態(tài)。對(duì)于表層土壤，有機(jī)氮含量約占土壤全氮的90%或更多。無(wú)機(jī)氮又包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮。在一般條件下，土壤中不會(huì)有亞硝態(tài)氮的積累，其量甚微。一般在提到土壤中的無(wú)機(jī)氮時(shí)，通常指硝態(tài)氮和銨態(tài)氮[4]。

為了探討不同自然恢復(fù)年限下土壤氮素的含量、形態(tài)變化以及不同氮素間的相關(guān)性，筆者以黃土高原洞子溝流域自然植被恢復(fù)土壤中的有機(jī)氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮為研究對(duì)象，探討其在不同植被恢復(fù)年限和土壤層次間的變化及相關(guān)性，研究自然植被恢復(fù)年限、土層等因素對(duì)土壤氮素的影響，為黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)與生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況試驗(yàn)區(qū)位于陜西省安塞縣樓坪鄉(xiāng)(36°31′13″～36°35′26″N，109°7′34″～109°10′34″E)，中溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，海拔1 166～1 490 m，流域總面積20.61 km2。土壤類型以黃綿土為主，間有復(fù)鈣紅黏土、典型黑壚土和沖積土，土地利用以林地為主。

1.2 采樣方法采取S形采樣法，具體步驟為：分別在南坡和北坡選擇不同植被恢復(fù)年限的樣地，每塊樣地選取8塊樣點(diǎn)，在每塊樣點(diǎn)內(nèi)選取2個(gè)具有代表性的樣方，然后在每個(gè)樣方內(nèi)以S形取5個(gè)點(diǎn)，用土鉆采集所需深度的土壤樣品，將采集的土樣混合密封后帶回室內(nèi)，仔細(xì)除去新鮮土樣中可見(jiàn)植物殘?bào)w、土壤動(dòng)物，一部分風(fēng)干，一部分-20 ℃冷凍保存。

1.3 分析測(cè)定方法

1.3.1有機(jī)氮測(cè)定。稱取過(guò)0.15 mm篩的風(fēng)干土樣約1 g于消煮管中，加少量水潤(rùn)濕，再加入混合催化劑(將100 g硫酸鉀、10 g硫酸銅和1 g硒粉分別研磨成粉，并混合均勻)2 g和濃硫酸(化學(xué)純)5 ml，搖勻后進(jìn)行消煮，消煮完畢后全部轉(zhuǎn)移，用全KDY-9830自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定。

1.3.2硝態(tài)氮、銨態(tài)氮測(cè)定。稱取5 g土樣，測(cè)定前室溫解凍3 d，以1 mol/L KCl浸提，浸提液與鮮土的體積比為10∶1，振蕩30 min，用流動(dòng)分析儀Auto Analyzer 3測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法用Microsoft Excel 2003和SAS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差和相關(guān)性分析，多重比較采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被恢復(fù)年限對(duì)土壤有機(jī)氮的影響由圖1可知，土壤有機(jī)氮隨植被恢復(fù)年限的增加而增加，隨土層深度的增加而減少。南坡0～10 cm土層植被恢復(fù)年限60、10年與20、30年差異顯著(P<0.05)，20與30年之間差異不顯著，60年土壤的有機(jī)氮含量是10年的4.04倍，隨著時(shí)間的推移，土壤中有機(jī)氮增長(zhǎng)速度加快；10～20 cm土層植被恢復(fù)年限10、20年間差異不顯著，其余年間差異顯著(P<0.05)，60年土壤的有機(jī)氮含量是10年的4.08倍。北坡0～10 cm土層植被恢復(fù)10～20年是氮素積累較快的階段，此后氮素含量持續(xù)增加，但增加強(qiáng)度有所減緩，有機(jī)氮在退耕后的3個(gè)時(shí)間跨度內(nèi)年增加量分別為0.06、0.04和0.005 g/kg，且差異達(dá)顯著性水平(P<0.05)；在10～20 cm土層，植被恢復(fù)60年土壤的有機(jī)氮含量是10年的4倍， 100年是恢復(fù)10年的4.84倍，年增加量波動(dòng)性較強(qiáng)。

2.2 不同植被恢復(fù)年限對(duì)土壤銨態(tài)氮的影響由圖2可知，南坡0～10 cm土層銨態(tài)氮含量在10～20年遞減，年均變化量為-0.03 mg/kg，20～60年緩慢增加，年均增加量分別為0.11、0.01 mg/kg，植被恢復(fù)60年土壤的銨態(tài)氮含量是10年的1.04倍，各年間銨態(tài)氮含量差異并不顯著；10～20 cm土層銨態(tài)氮含量隨著植被恢復(fù)年限的增加呈現(xiàn)先緩慢增加至一定值后保持穩(wěn)定再繼續(xù)緩慢增加的趨勢(shì)，銨態(tài)氮含量在植被恢復(fù)20、30、60與10年相比都有顯著增加。北坡0～10 cm土層銨態(tài)氮含量隨著植被恢復(fù)年限的增加而增加，但差異均不顯著，10～20 cm土層銨態(tài)氮含量在植被恢復(fù)2～10年內(nèi)減少但不顯著，10～100年內(nèi)則顯著增加。

2.3 不同植被恢復(fù)年限對(duì)土壤硝態(tài)氮的影響由圖3可知，南坡0～10 cm土層硝態(tài)氮含量年變化量隨著植被恢復(fù)年限的增加分別為0.547、-0.290和0.347 mg/kg，前30年硝態(tài)氮含量差異并不顯著，30年后則開(kāi)始顯著增加，植被恢復(fù)60年土壤的硝態(tài)氮含量是恢復(fù)10年土壤的2.612倍；10～20 cm土層硝態(tài)氮含量隨著植被恢復(fù)年限增加，在前20年基本保持恒定，20年后伴隨著植被群落的演替，硝態(tài)氮含量顯著增加。 北坡0～10 cm土層硝態(tài)氮含量前60年內(nèi)顯著增加，60年后達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)。10～20 cm土層10年內(nèi)增加不顯著，說(shuō)明在植被恢復(fù)的初期，土壤被草本植物所覆蓋，硝態(tài)氮含量增加緩慢，10年后則顯著增加。

2.4 不同形態(tài)氮素之間的相關(guān)關(guān)系

2.4.1不同形態(tài)氮素所占比例。由表1、表2可知，在表層土壤中各形態(tài)氮素含量表現(xiàn)為有機(jī)氮>硝態(tài)氮>銨態(tài)氮，且三者含量差異均達(dá)到0.01顯著水平。土壤有機(jī)氮含量占總氮的98%～99%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)機(jī)氮含量，因此土壤有機(jī)氮在一定程度上可以代表土壤可供應(yīng)的氮素總量。

表1 南坡不同植被恢復(fù)年限下的不同形態(tài)氮素比例 %

表2 北坡不同植被恢復(fù)年限下的不同形態(tài)氮素比例 %

表3 不同形態(tài)氮素的相關(guān)系數(shù)

注：**表示P<0.01。

2.4.2不同形態(tài)氮素間相關(guān)關(guān)系。由表3可知，土壤中有機(jī)氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之間均存在0.01水平顯著的相關(guān)關(guān)系，且決定系數(shù)均介于0.50～0.94，說(shuō)明各氮素之間可對(duì)彼此的變異做出50%～94%的解釋。

3 結(jié)論與討論

何騰兵等[5]研究表明，植被恢復(fù)年限的增加有利于土壤中各形態(tài)氮素的積累，長(zhǎng)期恢復(fù)處理年(南坡30年以上，北坡60年以上)的土壤氮素含量顯著高于10年(P<0.05)。這可能是由于恢復(fù)地?zé)o人為因素的干擾，每年有大量的植物殘?bào)w、根系殘?jiān)透捣置谖餁w還到恢復(fù)地土壤中，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)、植被的演替，不同植被不同演替階段優(yōu)勢(shì)種的光合生理特征以及對(duì)微生境的適應(yīng)性存在明顯差異[6]。隨著土壤環(huán)境的改善，微生物的數(shù)量與活性顯著增強(qiáng)，對(duì)于有機(jī)質(zhì)的礦化作用也顯著提升，從而提高土壤中總氮含量，說(shuō)明自然植被恢復(fù)在一定程度上可以顯著提高土壤肥力[7]。

土壤中有機(jī)氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮之間存在緊密的聯(lián)系。有機(jī)質(zhì)中的有機(jī)氮會(huì)在土壤微生物作用下轉(zhuǎn)變成銨態(tài)氮，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成硝態(tài)氮。土壤中還有一個(gè)硝態(tài)氮還原為銨態(tài)氮的異化過(guò)程，也能使銨態(tài)氮生成。土壤中幾種氮素之間的相互調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)化影響著土壤中氮素的形態(tài)與含量。何騰兵等[5]研究也證實(shí)氮素形態(tài)間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，即土壤氮素的某一組分的流失或累積必然引起其他組分隨之變化。隨著恢復(fù)年限的增加，大量的動(dòng)植物殘?bào)w及相關(guān)有機(jī)物進(jìn)入土壤中，土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加而升高，有機(jī)質(zhì)有著保持和供應(yīng)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的作用，從而導(dǎo)致銨態(tài)氮與硝態(tài)氮表現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)[8]。

研究表明，絕大多數(shù)樣點(diǎn)土壤表層有機(jī)氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量隨著植被恢復(fù)年限的增加而逐漸增加，個(gè)別樣點(diǎn)呈負(fù)相關(guān)。南坡從10～60年有機(jī)氮含量增加3.07倍，銨態(tài)氮含量增加0.16倍，硝態(tài)氮含量增加2.10倍，其中有機(jī)氮含量的增加較顯著。北坡從2～100年有機(jī)氮含量增加5.93倍，銨態(tài)氮含量增加0.60倍，硝態(tài)氮含量增加13.19倍，其中硝態(tài)氮含量的增加極顯著。絕大多數(shù)樣點(diǎn)土壤有機(jī)氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量隨著土層深度的增加而減少，個(gè)別樣點(diǎn)呈正相關(guān)。土壤表層有機(jī)氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量三者的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。

[1] 戴全厚，薛萐，劉國(guó)彬.侵蝕環(huán)境退耕自然恢復(fù)地植被恢復(fù)中土壤生物學(xué)特性演變[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(4):115-117.

[2] 安韶山，黃懿梅.黃土丘陵區(qū)檸條林改善土壤作用的研究[J].林業(yè)科學(xué)，2009，42(1):70-74.

[3] ETTERSHANK G J，ETTERSHANK M B，WHITFORD W G. Effects of nitrogen fertilization on primary productivity in a Chihuahuan desert ecosystemc[J].J Arid Environ，1978，1:135-139.

[4] FISHER R F，BINKLEY D. Ecology and Management of Forest Soils[M].New York:John Wiley & Sons，2000.

[5] 何騰兵，林昌虎.貴州西部喀斯特石漠化地區(qū)土壤氮素變異特征初步研究[D].貴州：貴州大學(xué)，2005.

[6] 安慧，上官周平.黃土高原植被不同演替階段優(yōu)勢(shì)種的光合生理特性[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18(6)：1175-1180.

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[8] 陳效民，吳華山，孫靜紅.太湖地區(qū)農(nóng)田土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的時(shí)空變異[J].環(huán)境科學(xué)，2006，27(6)：1217-1222.

Effects on Soil Nitrogen of Natural Recovery Period in Dongzigou Basin of Loess Plateau

WU Xue， FENG Yan*， SONG Pei-zhong et al

(Faculty of Civil Engineering and Architecture，Kunming University of Science and Technology，Kunming, Yunnan 650093)

[Objective] The research aimed to explore the effects of natural vegetation restoration on remediation of soil degradation in Loess Plateau, and analyze the effects of factors such as years of natural vegetation restoration and soil horizon on soil nitrogen. [Method] Taken the soil nitrogen in Loess Plateau of Dongzigou Basin as the research object，soil samples from 0-10 cm and 10-20 cm depths were collected in Dongzigou basin and analyzed to determine soil N content (soil organic-N，ammonium-N，nitrate-N). [Result] Along with natural recovery, three kinds of soil nitrogen increased gradually in general, which manifested in the south slope was that natural recovery of 60 years> natural recovery of 30 years> natural recovery of 10 years, and organic nitrogen increased the most significantly by 3.07 times. North slope showed that natural recovery to 100 years > natural recovery to 60 years> natural recovery to 10 years > abandoned 2 years, and nitrate nitrogen increased the most significantly by 13.19 times. A significant positive correlation was found among the three kinds of soil nitrogen, and the correlation coefficient ranged from 0.50 to 0.94. The proportion of content of different nitrogen forms in the total nitrogen showed a small amplitude fluctuations，but remained stable overall. [Conclusion] The research could provide the scientific basis for vegetation restoration in Loess Plateau Area and ecological protection.

Natural recovery period; Organic nitrogen; Ammonium nitrogen; Nitrate nitrogen

國(guó)家自然基金(41030532,41101254)。

吳雪(1988-)，女，黑龍江克山人，碩士研究生，研究方向：生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)研究、水處理理論與技術(shù)。*通訊作者，副教授，碩士，從事水處理理論與技術(shù)以及環(huán)境評(píng)價(jià)方面的研究。

2014-11-20

S 153.6+

A

0517-6611(2015)01-068-03