馮奧哲 孔濤 孫溥璠 劉紫薇 任曦玥 鄭爽

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)，阜新，123000)

氮(N)在維持森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)力的過程中起到重要作用，既是植物生長發(fā)育必需的礦質(zhì)元素，也是影響根系生長的限制因子之一[1]。森林土壤是氮素的主要貯存庫，氮素的主要形態(tài)為有機(jī)態(tài)氮，幾乎占土壤全氮量90%以上[2]，但是只有將有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有效氮素才能被植物吸收利用[3-4]。土壤中有效氮主要是以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮形式存在的礦質(zhì)氮，有效氮的積累主要通過氮礦化過程實現(xiàn)。目前，大多數(shù)的森林生態(tài)系統(tǒng)存在可利用氮素缺乏的問題，因此，研究森林土壤有效氮素的轉(zhuǎn)化有利于維持土壤肥力，促進(jìn)植物生長。土壤氮礦化特征研究能夠深入了解沙區(qū)森林系統(tǒng)氮素循環(huán)過程，且可以作為評價沙區(qū)森林系統(tǒng)功能的重要依據(jù)。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)具有耐風(fēng)沙、生長快等特性，是我國北方營建水土保持林的主要造林樹種。樟子松人工林的日益擴(kuò)展改善了土壤的理化性質(zhì)，減輕了土壤荒漠化現(xiàn)象[5]。學(xué)者們主要從降水、濕度、林下植被管理等方面對樟子松人工林土壤氮礦化進(jìn)行了研究[6-8]，而從造林密度對沙地土壤氮礦化特征影響方面的研究較少。密度對林分生長有著重要的作用，其與水、熱、光等環(huán)境因子聯(lián)系密切，使林分結(jié)構(gòu)、林下植被數(shù)量等發(fā)生改變[9]，并且對土壤性質(zhì)、養(yǎng)分循環(huán)等有顯著影響[10-11]。密度控制是人工林可持續(xù)性栽培的基本措施，對確定科學(xué)栽植密度及長期林業(yè)管理有著重要的指導(dǎo)意義[12]。本文通過對沙地不同造林密度樟子松人工林土壤氮礦化特性進(jìn)行研究，為揭示沙地不同密度樟子松土壤氮的有效供給及氮素管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省彰武縣章古臺鎮(zhèn)(121°53′～122°22′E，42°43′～42°51′N)樟子松試驗示范林，地處科爾沁沙地東南緣，是典型的風(fēng)沙區(qū)。當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?.7 ℃，最高氣溫為35.2 ℃，最低氣溫為-29.5 ℃，晝夜溫差大，年均降水量為480 mm，而年蒸發(fā)量為1 325 mm，蒸發(fā)量大于降水量，且該地春冬季風(fēng)大，年平均風(fēng)速3.9 m/s，持續(xù)時間長，屬典型的半干旱大陸性季風(fēng)氣候。土壤類型多為風(fēng)沙土，植被較為稀疏，氮素缺乏。代表性植物有花棒(Hedysarumscoparium)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、山杏(Armeniacasibirica)、馬唐(Digitariasanguinalis)、羊草(Leymuschinensis)、鼠李(Rhamnusdavurica)等。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇及樣品采集

表1 樣地基本概況

2.2 測定方法

凈氨化速率=(培養(yǎng)后銨態(tài)氮-培養(yǎng)前銨態(tài)氮)/時間。

凈硝化速率=(培養(yǎng)后硝態(tài)氮-培養(yǎng)前硝態(tài)氮)/時間。

凈礦化速率=[(培養(yǎng)后銨態(tài)氮+硝態(tài)氮)-(培養(yǎng)前銨態(tài)氮-硝態(tài)氮)]/時間。

式中：凈氨化速率單位mg·kg-1·d-1，時間單位d。

2.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均在烘干土壤質(zhì)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行計算。運用Microsoft Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計分析及繪圖，SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。采用相關(guān)性分析檢驗土壤氮礦化指標(biāo)與樟子松人工林地上指標(biāo)與養(yǎng)分指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系；采用系統(tǒng)聚類法對不同密度、不同土層樟子松人工林土壤氮礦化指標(biāo)進(jìn)行聚類；利用LSD-t檢驗不同數(shù)據(jù)間的差異顯著性，顯著性水平為0.05；采用Canoco5.0進(jìn)行土壤氮礦化指標(biāo)與土壤養(yǎng)分指標(biāo)的冗余分析(RDA)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同密度下土壤礦化氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律

表2 不同密度和土層和礦質(zhì)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

表3 不同密度和礦質(zhì)氮變異系數(shù)

表4 不同土層和礦質(zhì)氮變異系數(shù)

3.2 不同密度下土壤凈氨化速率、凈硝化速率和凈礦化速率的變化規(guī)律

表5是不同密度和土層的凈氨化速率、凈硝化速率和凈礦化速率。土壤凈氨化速率、凈硝化速率和凈礦化速率在0～100 cm土層的均值整體上隨造林密度的增加先增大后減小，均在密度為1 000株·hm-2時達(dá)到最大值，分別為0.09、0.24和0.31 mg·kg-1·d-1。凈氨化速率在密度為1 000株·hm-2時，與350和2 970株·hm-2之間差異顯著；凈硝化速率在密度為1 000株·hm-2時，與1 200株·hm-2差異不顯著，與其余各密度之間差異顯著；凈礦化速率在密度為1 000株·hm-2時，與1 200株·hm-2差異不顯著。

表5 不同密度和土層氨化速率、硝化速率、礦化速率

續(xù)(表5)

土壤凈氨化速率、凈硝化速率和凈礦化速率隨土層加深而減小，0～10、10～20、20～40 cm土層間差異性不顯著。凈氨化速率在40～60、60～80、80～100 cm之間無顯著差異，凈硝化速率和凈礦化速率在40～60與60～80、80～100 cm之間具有顯著性差異。0～40 cm土壤凈氨化、凈硝化、凈礦化速率顯著高于40～100 cm土壤。

3.3 不同密度、不同土層系統(tǒng)聚類分析

圖1是采用系統(tǒng)聚類分析法對不同密度、不同土層的6個礦化指標(biāo)進(jìn)行聚類分析結(jié)果。分析結(jié)果將密度分為3類，第一類是350和750株·hm-2，第二類是1 000和1 200株·hm-2，第三類是850和2 970株·hm-2。對不同土層進(jìn)行聚類分析，結(jié)果顯示第一類為0～10和10～20 cm，第二類為20～40 cm，第三類為40～60、60～80和80～100 cm。從分類結(jié)果看出，該結(jié)果與前面所得結(jié)論，即6個礦化指標(biāo)的變化特征基本一致。

圖1 不同密度、不同土層樣地聚類分析樹狀圖

3.4 礦化指標(biāo)的影響因素分析

表6 土壤礦化指標(biāo)與環(huán)境因素的相關(guān)性

對土壤氮礦化指標(biāo)與土壤養(yǎng)分因子采用冗余分析法(RDA)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。土壤礦化指標(biāo)與土壤養(yǎng)分指標(biāo)有顯著相關(guān)性(P<0.01)，主軸1和主軸2解釋了總變異的87.3%。主軸1可以解釋信息量的72.3%，350、750和825株·hm-2分布在主軸1的左側(cè)；1 000、1 200和2 970株·hm-2分布在主軸1的右側(cè)。主軸2解釋的信息量為15%，825和2 970株·hm-2分布在主軸2的上端，350、750、1 000和1 200株·hm-2分布在主軸2的下端。通過信息解釋量發(fā)現(xiàn)，主軸1更能指示氮礦化過程中土壤養(yǎng)分因子的變化。礦化指標(biāo)與土壤養(yǎng)分指標(biāo)關(guān)系表明全磷、pH和礦化指標(biāo)關(guān)系與有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷和礦化指標(biāo)的關(guān)系相反。堿解氮、有機(jī)碳對不同密度樣地礦化指標(biāo)的影響較大，其中有機(jī)質(zhì)與礦化指標(biāo)相關(guān)性極顯著。密度為2 970株·hm-2時與其他密度相比較，其與土壤養(yǎng)分指標(biāo)間的相關(guān)性不密切。

對樟子松人工林不同土層土壤進(jìn)行RDA分析，可知在不同土層條件下礦化指標(biāo)具有不同的變異特征。主軸1和主軸2解釋了養(yǎng)分～氮礦化總變異的99.75%，其中主軸1可以解釋的信息量達(dá)99.16%，更好地反映了礦化指標(biāo)與養(yǎng)分因子間的變異，主軸1把0～10、10～20、20～40 cm和40～60、60～80、80～100 cm土層區(qū)分開，而主軸2把20～40、40～60 cm和0～10、10～20、60～80、80～100 cm土層區(qū)分開。40～60、60～80、80～100 cm土層與土壤養(yǎng)分相關(guān)性較弱，而0～10、10～20 cm土層與土壤養(yǎng)分關(guān)系密切，這與土壤的表聚性相吻合。由上述分析可知，全氮和有機(jī)碳更能作為表征不同土層氮礦化過程的養(yǎng)分因子。

為銨態(tài)氮，為硝態(tài)氮，N為礦質(zhì)氮，AR為凈氨化速率，NR為凈硝化速率，MR為凈礦化速率；350、750、825、1 000、1 200、2 970株·hm-2為密度。

4 結(jié)論與討論

土壤凈礦化速率可以充分反映土壤氮礦化過程，揭示其礦化特征。本研究中，凈氨化速率在較小密度下變化規(guī)律不明顯，凈硝化速率隨密度增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，兩者均在密度為1 000株·hm-2時達(dá)到最大值，這與盧雯等[12]的結(jié)論一致。原因可能是較低的微生物活性抑制了土壤凈氮礦化速率，而微生物活性又與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮呈正相關(guān)[31]，通過對樣地土壤理化性質(zhì)的測定，發(fā)現(xiàn)密度為1 000株·hm-2時有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，使得微生物的代謝活性有所增強(qiáng)，有利于土壤氮素礦化作用。但沙地土壤有機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，導(dǎo)致參與土壤氮礦化過程的相關(guān)微生物數(shù)量有所減少，因此凈硝化速率和凈氨化速率低。隨著密度的增加，土壤氮礦化作用逐漸增強(qiáng)，硝態(tài)氮與銨態(tài)氮逐漸累積，有機(jī)質(zhì)及微生物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，沙地土壤氮的有效性得到改善。而當(dāng)樟子松種植密度過大時，樹木的生長空間有所減小，所需營養(yǎng)不足，加大了對水分和養(yǎng)分的消耗，從而造成土壤含水量降低，且土壤微生物減少，氨化和硝化作用相應(yīng)降低，加劇了土壤沙化[32]。

從土層角度分析，凈硝化速率、凈氨化速率和凈礦化速率隨土層加深而減小，與王玉紅等[33]的研究結(jié)果相一致。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是：其一，表層的土壤容重小，即表層的土壤比較疏松，其孔隙相對來說也較多，土壤中的養(yǎng)分大多在表層集中，可以作為礦化底物，加速土壤氮礦化進(jìn)程；其二，溫度的改變使硝化速率、氨化速率和礦化速率受到不同程度的影響[34-36]，表層土具有充足的光照條件，土壤溫度較高，更易進(jìn)行氮礦化。而隨著土層加深，光照條件逐漸減弱，且深層土透水性、透氣性較差，不利于礦化作用進(jìn)行[37]。