張寧寧，侯 婷，嚴(yán)加坤，劉普靈，亢福仁

（1.榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院 陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)實(shí)驗(yàn)室，陜西榆林 719000；2.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021；3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

土壤肥力是土地生產(chǎn)力的基礎(chǔ)[1]，土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要因子[2]。土壤中的氮（N）和磷（P）作為結(jié)構(gòu)性元素和養(yǎng)分元素，不僅為植物的生長發(fā)育提供營養(yǎng)，也可以協(xié)調(diào)養(yǎng)分和環(huán)境條件，保證土壤和植物之間養(yǎng)分循環(huán)和能量流動(dòng)的順利進(jìn)行[3]。土壤氮、磷的變化特征可能受土壤類型、群落特征和氣候環(huán)境等多種因素影響，研究其變化特征對減少水土流失、改善土壤肥力和響應(yīng)全球氣候變化等方面具有重要作用。

毛烏素沙地由于長期氣候條件的影響，導(dǎo)致該區(qū)易發(fā)生風(fēng)力侵蝕，在風(fēng)蝕的作用下，土壤結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，土壤中的養(yǎng)分流失，逐步貧瘠化和沙化[4]。樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）是一種常綠喬木，耐旱耐瘩薄，防風(fēng)固沙的效果比較顯著[5]。榆林的沙地區(qū)域是樟子松樹種適合種植的區(qū)域之一，栽植區(qū)主要分布在紅石峽沙生植物園及鎮(zhèn)北臺等地，多年引水拉沙、發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉和植樹造林，已經(jīng)形成了結(jié)構(gòu)和功能都較為完備的人工林[6]。這些植被的生長在改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤養(yǎng)分、提升植物覆蓋度、減輕風(fēng)蝕破壞等方面有十分重要的作用[7-10]。目前，對沙區(qū)林地土壤氮、磷特征的研究多集中于不同植被區(qū)、植被類型和立地條件等方面的差異性，多數(shù)關(guān)注表層土壤的養(yǎng)分特征[11-13]，研究結(jié)果也存在較大差異。因此有必要對不同林齡和深層土壤氮、磷變化特征展開研究。

本研究以立地條件一致的不同恢復(fù)年限樟子松林地土壤為研究對象，采用野外采樣調(diào)查和室內(nèi)分析測定相結(jié)合的方法，對林地0～100 cm土壤深度的全氮、全磷含量垂直變化特征和平衡關(guān)系，以及其與植被恢復(fù)時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行研究，旨在為該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)過程中，不同恢復(fù)年限對土壤氮磷全量的作用機(jī)制提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于榆林市榆陽區(qū)紅石峽森林公園（109°12′E，38°16′N），該地區(qū)位于毛烏素沙地東南緣，海拔高度約為1 100 m，年降水量約為423 mm，年均氣溫為8.3 ℃。土壤類型以風(fēng)沙土為主，土壤肥力較低。樟子松是該區(qū)最主要的土地修復(fù)喬木樹種。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集

2017年10月上旬進(jìn)行野外調(diào)查及土樣的采集。以立地條件一致的自然恢復(fù)荒草地為對照樣地（CK），分別選擇具有代表性的1960s、1970s和1980s 的樟子松林，在林內(nèi)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地（表1）。每個(gè)采樣地內(nèi)按“S”形布點(diǎn)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地取樣點(diǎn)3 個(gè)，每個(gè)樣點(diǎn)采用土鉆以10 cm∕樣進(jìn)行分層采樣，采樣深度100 cm，每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)置2個(gè)重復(fù)。

表1 樣地基本情況Tab.1 Basic information of sample lands

1.2.2 樣品處理與測試分析

新鮮土樣混合均勻后，風(fēng)干、研磨，過0.25 mm篩后對全氮、全磷指標(biāo)進(jìn)行測定。使用全自動(dòng)凱氏定氮儀測定土壤全氮含量，分光光度計(jì)測定全磷含量（采用硫酸-高氯酸消煮法）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 20.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的差異性檢驗(yàn)分析，運(yùn)用sigmaplot13.0軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復(fù)年限林地土壤全氮含量的變化特征

土壤氮的全量是土壤養(yǎng)分總儲存的重要評價(jià)指標(biāo)之一，研究土壤全氮含量變化對林地土壤養(yǎng)分效應(yīng)具有重要的意義[14]。結(jié)果顯示，不同恢復(fù)年限樟子松林地全氮含量總體上隨恢復(fù)年限的增加而增加，表現(xiàn)為1960s ＞1970s ＞1980s。對比CK，全氮含量表現(xiàn)為1960s ＞1970s ＞CK ＞1980s，且不同恢復(fù)年限的林地土壤全氮含量之間存在顯著差異（P＜0.05）。

分析不同恢復(fù)年限林地土壤全氮的垂直變化，發(fā)現(xiàn)同一恢復(fù)年限林地土壤全氮含量隨土層深度的增加呈遞減趨勢，且同一恢復(fù)年限不同土層深度全氮含量之間存在顯著差異（P＜0.05）（圖1）。表層0～10 cm 土壤中全氮含量均極顯著高于其他層次（P＜0.01），1960s、1970s、1980s和CK的全磷含量分別為0.440、0.220、0.099和0.096 g∕kg。1960s和1970s林地中土壤10～20 cm層次全氮含量明顯高于60 cm 以下的層次；但1980s 林地表現(xiàn)不同，10～20 cm 層次的全氮含量顯著高于20 cm 以下層次的土壤，但20 cm以下的層次全氮含量之間不存在顯著差異。

圖1 不同恢復(fù)年限林地土壤全氮含量的垂直變化Fig.1 Vertical variation of soil total nitrogen contents in forestland with different restoration years

2.2 不同恢復(fù)年限林地土壤全磷含量的變化特征

土壤中的全磷是植物生長發(fā)育過程中所需要的大量元素之一，同時(shí)也是土壤里最難溶的因子[15]。結(jié)果顯示，樟子松林地土壤全磷含量總體上隨恢復(fù)年限的增加而增加，即1960s ＞1970s ＞1980s。對比CK，在0～30 cm的土層中，全磷含量表現(xiàn)為1960s ＞1970s ＞1980s ＞CK，其中1960s、1970s 和1980s 分 別 高 出CK 0.029、0.016 和0.002 g∕kg；60～80 cm 的各個(gè)層次中，全磷含量表現(xiàn)為1960s ＞CK ＞1970s ＞1980s；80～100 cm 的各個(gè)層次中，全磷含量表現(xiàn)為CK ＞1960s ＞1970s ＞1980s，且不同恢復(fù)年限林地的土壤全磷含量之間存在顯著差異（P＜0.05）。

分析不同研究對象土壤全磷含量的垂直變化，明顯看出1960s 和1970s 林地土壤的全磷含量隨土壤深度的增加呈遞減趨勢，1980s林地土壤的全磷含量變化趨向是不規(guī)則的（圖2）。1960s 和1970s不同土層深度的土壤全磷含量之間存在顯著差異（P＜0.05）。1960s 和1970s 林地表層0～10 cm 土壤全磷含量均高于下面的層次，主要原因是樟子松及林下植被通過凋落物歸還的形式，將大部分養(yǎng)分積聚在表層，或者說凋落物的歸影響了土壤全磷的含量[11]。

圖2 不同恢復(fù)年限林地土壤全磷含量的垂直變化Fig.2 Vertical variation of soil total phosphorus contents in forestland with different restoration years

2.3 不同恢復(fù)年限林地土壤氮磷比（N/P）的變化特征

土壤中的氮磷比可以影響植物體內(nèi)的氮磷比，而植物的氮磷比反映土壤氮磷養(yǎng)分對植物生長限制性的大小[16-17]。本研究中不同恢復(fù)年限的樟子松林地土壤的N∕P均表現(xiàn)出隨深度的增加而減少的趨勢（表2）。表層0～10 cm土壤中，N∕P的大小順序?yàn)?960s ＞1980s ＞CK ＞1970s，1960s和1980s的N∕P值分別為11.00和10.00，均超過我國土壤表層（0～10 cm）N∕P 的平均值（9.3），1970s 的N∕P值為7.33，明顯低于CK。10 cm以下深度土壤的N∕P值驟降，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于9.3。

表2 不同恢復(fù)年限林地不同層次土壤氮磷比Tab.2 N/P in different soil layers of forestland with different restoration years

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)以毛烏素沙地榆林沙區(qū)紅石峽森林公園為試驗(yàn)區(qū)，探求樟子松林地土壤氮磷的時(shí)空變異特征。本研究表明研究區(qū)內(nèi)樟子松林地土壤表層（0～10 cm）全氮含量總體上隨恢復(fù)年限的增加而增加，即1960s ＞1970s ＞1980s ＞CK，且表層土壤全氮含量明顯高于深層土壤全氮含量，呈現(xiàn)出隨深度增加含量逐漸減小的趨勢，即明顯的“表聚現(xiàn)象”。這與凋落物歸還時(shí)主要集中在土壤表面有關(guān)。林地凋落物需經(jīng)過長時(shí)間的分解，其釋放的養(yǎng)分才能逐漸向更深的土壤層次遷移，因此表層土壤得到更多的氮素補(bǔ)充，且隨著恢復(fù)年限的增加，林地表層的凋落物逐年增多，隨著凋落物的不斷分解，土壤養(yǎng)分上升且質(zhì)量提高[18]?；謴?fù)時(shí)間較長的林地土壤以及林下植被覆蓋度均高于自然荒草地和恢復(fù)時(shí)間較短的林地，根系數(shù)量相對較多，微生物多樣性增加，在微生物的作用下產(chǎn)生大量的根際分泌物，提高了氮素含量[19]。10 cm以下深度，出現(xiàn)了1960s ＞1970s ＞CK ＞1980s 的現(xiàn)象，是因?yàn)?980s的樣地栽種于80年代末，其恢復(fù)時(shí)間相對較短，凋落物分解的氮素不能及時(shí)補(bǔ)充植物從土壤中吸收的氮素，這與已有研究結(jié)果一致[20-21]。

對比于CK，全磷含量在0～30 cm的土壤表層表現(xiàn)為隨恢復(fù)年限的增加而增大的趨勢，這是因?yàn)橥寥乐械牧姿睾恐饕獊碓词橇值氐蚵湮锏臍w還和根系以及微生物的活動(dòng)，表層土壤中的磷素由于吸附、沉淀、微生物固持等作用而被固定和積累[22]，因此隨著恢復(fù)時(shí)間的增加，土壤全磷含量增加。在60～80 cm的各個(gè)土壤層次中，全磷含量為1960s ＞CK ＞1970s ＞1980s，80～100 cm的各個(gè)土壤層次中，全磷含量為CK ＞1960s ＞1970s ＞1980s，說明隨著深度的增加，出現(xiàn)了磷的消耗，這是因?yàn)橥寥郎顚拥牧姿乇恢脖晃?，又以凋落物的形式歸還至土壤表層，而深層的磷素得不到及時(shí)的補(bǔ)充[23]；且陜北地區(qū)以風(fēng)沙土為主，結(jié)構(gòu)疏松，土壤保水保肥能力較差，容易造成磷素的流失[24]。不同的個(gè)體對土壤磷的吸收不同也加劇了不同林地不同層次間全磷含量的差異。

土壤作為植物的主要養(yǎng)分供給源，其養(yǎng)分含量的變化對植物吸收和利用養(yǎng)分元素有重要的影響[25]。研究表明在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，生物固氮量與土壤中的氮磷比呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系[26]。本研究結(jié)果顯示不同恢復(fù)年限樟子松林地土壤的氮磷比均表現(xiàn)出隨深度增加而減少的趨勢，但陜北沙區(qū)風(fēng)沙土自身土壤偏堿性，全氮含量和全磷含量與我國其他生態(tài)系統(tǒng)相比均較低，因此雖然表層N∕P值呈現(xiàn)變化狀態(tài)，但是整體上仍然低于Tian 等[27]所報(bào)道的全國土壤平均值，總體表現(xiàn)為以氮限制為主或氮、磷共同限制。研究表明不同恢復(fù)時(shí)間樟子松林地的養(yǎng)分限制因素有差異，受限程度也隨恢復(fù)時(shí)間的不同而不同[28]。本研究對氮磷的研究也得出了相似的結(jié)論，但總體上呈現(xiàn)出比自然恢復(fù)更好的土壤狀態(tài)。

相對于自然荒草地，研究區(qū)不同恢復(fù)年限樟子松林地的氮磷養(yǎng)分均呈現(xiàn)出較好的改善，但整體上還處于較低水平，因此僅依靠植樹后的自然恢復(fù)來改善生態(tài)環(huán)境存在不足，未來生態(tài)修復(fù)過程中應(yīng)該注重土壤養(yǎng)分的積累，可以通過合理的施肥措施來積累和調(diào)控土壤養(yǎng)分，提高土地生產(chǎn)力，進(jìn)一步促進(jìn)植被生長。