亚热带地区7种典型林分土壤有机氮组分特征1)

耿必苗 孙庆业 武林辉 王艳杰 陈月 赵琼

(安徽大学，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.

土壤氮素可分为无机态氮和有机态氮两类，其中有机态氮约占土壤总氮的90%以上[1]。土壤中有机氮质量分数及其生物学稳定性的大小决定土壤供氮潜能的大小[2]。一直以来，人们认为有机态氮必须经过微生物矿化作用转变为无机态氮才能为植物所用，然而，目前已有证据表明，如氨基酸这样的小分子氮可直接被植物吸收利用[3-4]。土壤中已知的有机氮化合物种类繁多，包括各种蛋白质、氨基糖等，但由于其组成相似，很难被分离鉴定[5]。Bremner[6]于1965年提出利用酸解法分组测定土壤有机氮，并将有机氮分为酸解氮(酸解氨态氮、氨基酸态氮、氨基糖态氮、未知态氮)和非酸解氮。此后，国内外学者对土壤有机氮组分展开了大量研究，主要集中于其在施肥[7-9]、灌溉[10-11]、土壤类型[12-14]、土地利用方式[15]等方面的变化特征。施肥可以提高土壤有机氮组分质量分数及供氮潜力[8-9]；滴灌及渗灌处理的氨基酸态氮、酸解氨态氮、氨基糖态氮占全氮的比例均高于沟灌[11]；旱地土壤的总氮及各组分氮质量分数均显著低于相应的水稻土壤[15]。已有研究发现，亚热带典型森林土壤中有机氮组分随土壤深度的增加呈下降趋势[16]，土壤总氮及有机氮组分质量分数随着马尾松恢复年限的增加而增加[17]，但对不同类型森林土壤有机氮组分特征的研究及报道较为少见。

近年来受人类活动的影响，我国亚热带地区森林资源遭到破坏，其地带性自然优势群落被大量破坏，取而代之的是大面积的次生林和人工林，因此，或多或少存在生产力低、土壤肥力退化和树种组成单一化等问题[18]。本研究以位于亚热带气候区的宁国市7种林分类型土壤为研究对象，分析其有机氮组分质量分数及分布特征，为亚热带地区合理营林造林及森林土壤氮素的合理利用提供参考。

1 研究区概况

宁国市为典型的亚热带季风气候区，是安徽省重点山区县，全国生态保护与建设示范区。全市森林资源丰富，森林覆盖率达到近80%[19]，地带性植被为常绿阔叶林。近年来受人类活动的影响，现有植被以常绿阔叶林、落叶阔叶混交林、针阔混交林、针叶林、竹林为主[20]。

采样点位于安徽省宁国市胡乐林场，地处皖南东部，为天目山北麓与黄山山脉交接处。该地区为亚热带季风气候，气候温和，四季分明，年平均降水量1 589.7 mm，年平均气温15.4 ℃。土壤以红壤、黄壤为主。该地区林地面积占该林场总面积74.3%，主要的木本植物为马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、毛竹(Phallstachysedulis)、枫香(Liquidambarformosana)等[21]。

2 材料与方法

2.1 样地选择与样品采集

本研究于2020年10月在胡乐林场选取阔叶混交林、毛竹林、枫香林、马尾松林、杉木林、针叶混交林、针阔混交林7种类型林分。每种林分设置3个20 m×20 m标准样地，样地基本信息见表1。各样地按土壤深度(h)，分别在0

表1 样地基本概况

2.2 测定方法

土壤基本理化性质参照土壤农业化学分析方法测定[1]，具体内容见表2。土壤总氮、总磷采用高氯酸-硫酸消化-流动分析仪测定；总钾采用氢氟酸-高氯酸消化-火焰光度计测定；有机碳采用重铬酸钾外加热法测定；pH采用水土比V(水)∶m(土)=2.5 mL∶1 g电位法测定。

表2 土壤理化性质

续(表2)

土壤有机氮组分采用Bremner酸解法测定[5-6]。在待测土样中加入浓度为6 mol·L-1的氯化氢摇匀后，置烘箱于120 ℃下封管水解12 h后制备酸解液。取酸解液后采用混合催化法测得酸解氮；用氧化镁蒸馏法测得酸解氨态氮；用pH为11.2的磷酸-硼酸缓冲液法测得酸解氨态氮及氨基糖态氮；用茚三酮氧化，磷酸-硼酸盐缓冲液蒸馏法测得氨基酸态氮。氨基糖态氮=酸解氨态氮+氨基糖态氮-酸解氨态氮；酸解未知态氮=酸解氮-酸解氨态氮-氨基糖态氮-氨基酸态氮；非酸解性氮=总氮-酸解总氮。

2.3 数据处理

使用Excel 2016进行数据处理，SPSS 25软件进行相关性及方差分析，通过单因素方差分析和Duncan多重比较对相同深度不同林分类型的土壤总氮及有机氮组分质量分数进行差异显著性检验(a=0.05)。

3 结果与分析

3.1 不同林分土壤总氮、酸解氮和非酸解氮的分布特征

由表3可知，7种林分土壤总氮质量分数变化范围为0.46～3.49 g·kg-1，其均值由大到小依次为：阔叶混交林、毛竹林、枫香林、针阔混交林、马尾松林、杉木林、针叶混交林。差异性分析表明，阔叶混交林的土壤总氮质量分数均值显著高于其余林地(P<0.05)；毛竹林、枫香林、针阔混交林的土壤总氮质量分数均值无显著差异；马尾松林、杉木林、针叶混交林的土壤总氮质量分数均值无显著差异。不同林分同一深度的土壤总氮质量分数差异显著性有一定区别，其中以20 cm

表3 不同林分土壤总氮、酸解氮和非酸解氮质量分数

林分类型酸解氮质量分数/g·kg-10

林分类型非酸解氮质量分数/g·kg-10

如表3所示，土壤酸解氮质量分数在不同林分及深度之间存在显著差异。7种林分的酸解氮质量分数均值由大到小依次为：阔叶混交林、针阔混交林、毛竹林、枫香林、马尾松林、杉木林、针叶混交林。其中，阔叶混交林与针阔混交林、毛竹林的土壤酸解氮质量分数差异不明显，但显著高于其余4种林分(P<0.05)。土壤酸解氮质量分数在土壤深度上的分布规律与总氮相似，均随土壤深度的增加而降低。

7种林分土壤非酸解氮质量分数介于0.16～1.05 g·kg-1(表3)，其均值由大到小依次为：毛竹林、枫香林、阔叶混交林、针阔混交林、针叶混交林、杉木林、马尾松林。其中，毛竹林、枫香林、阔叶混交林3种林分之间的土壤非酸解氮质量分数均值无显著差异，但毛竹林的土壤非酸解氮质量分数显著高于其余4种林分(P<0.05)。

3.2 不同林分土壤酸解氮组分分布特征

不同林分类型的土壤氨基酸态氮质量分数差异显著(表4)。7种林分氨基酸态氮质量分数均值由大到小依次为：阔叶混交林、毛竹林、马尾松林、针阔混交林、枫香林、杉木林、针叶混交林。其中，阔叶混交林与毛竹林的土壤氨基酸态氮质量分数均值无显著差异，但显著高于其余5种林分(P<0.05)。土壤中氨基酸态氮的垂直分布规律与总氮和酸解氮相似，均随着土壤深度的增加而降低。

不同林分的土壤酸解氨态氮质量分数有较大区别(表4)。7种林分的土壤酸解氨态氮质量分数由大到小依次为：毛竹林、阔叶混交林、针阔混交林、枫香林、杉木林、马尾松林、针叶混交林。其中，毛竹林和阔叶混交林的土壤酸解氨态氮质量分数均值显著高于马尾松林和针叶混交林(P<0.05)。同时，7种林分土壤中0

表4 不同林分土壤酸解氮各组分质量分数

林分类型酸解氨态氮质量分数/mg·kg-10

林分类型氨基糖态氮质量分数/mg·kg-10

林分类型未知态氮质量分数/mg·kg-10

由表4可知，7种林分的未知态氮质量分数的变化范围为95.23～1 042.36 mg·kg-1，其均值由大到小依次为：阔叶混交林、针阔混交林、枫香林、杉木林、马尾松林、针叶混交林、毛竹林。其中，阔叶混交林、针阔混交林的土壤未知态氮质量分数均值与枫香林无显著差异，但显著高于其余4种林分(P<0.05)。不同林分同一深度的土壤未知态氮质量分数的差异显著性有所不同，其中以20 cm

7种林分氨基糖态氮质量分数介于9.23～195.99 mg·kg-1(表4)，其均值由大到小依次为：阔叶混交林、马尾松林、毛竹林、针阔混交林、枫香林、杉木林、针叶混交林，但不同林分之间无显著差异。除针阔混交林的氨基糖态氮质量分数随土壤深度的增加而增加，其余林分的土壤氨基糖态氮质量分数均随着土壤深度的增加而降低。

3.3 不同林分有机氮组分分配比例

如表5所示，7种林分土壤酸解氮质量分数占总氮的百分比为48.53%～84.47%，平均值为68.06%，是土壤总氮的主体。在0

表5 不同林分土壤有机氮各组分占总氮的比例

7种林分土壤有机氮各组分质量分数均值及其占总氮比例的规律不同。毛竹林土壤有机氮各组分质量分数均值及其占总氮比例由大到小依次为：非酸解性氮、氨基酸态氮及酸解氨态氮、未知态氮、氨基糖态氮，其余6种林分土壤有机氮各组分质量分数均值及其占总氮比例由大到小依次为：未知态氮及非酸解性氮、氨基酸态氮及酸解氨态氮、氨基糖态氮。

3.4 土壤有机氮组分与土壤理化指标的相关性分析

相关分析表明(表6)，土壤有机氮各组分质量分数均与总氮、有机碳质量分数呈显著正相关，与pH、总钾呈显著负相关。土壤非酸解性氮与总磷质量分数呈显著负相关。土壤总氮、酸解氮、氨基酸态氮、酸解氨态氮、未知态氮质量分数与含水率呈显著正相关。

表6 土壤有机氮组分与土壤理化指标间的相关系数

4 结论与讨论

氮素是植物生长发育所必需的营养元素，是评价土壤肥力的重要指标[22]。本研究表明，在气候条件和土壤类型相似的背景下，阔叶林土壤总氮质量分数高于针叶林，尤其在0

土壤氮素主要以酸解氮和非酸解氮形态存在，二者的质量分数显著影响土壤氮素的有效性，其中酸解氮对可矿化氮的影响较大[13]。研究发现，非酸解氮结构较为稳定，其分配比例增加有利于提高土壤氮素的固持能力[27]。在一定条件下，酸解氮和非酸解氮可以互相转化。本研究中，酸解氮的平均质量分数为1.04 g·kg-1，占土壤总氮的68.06%，是土壤总氮的主体，与多数研究结果[13，16-17]一致。吴汉卿等[28]、王瑞军等[14]研究表明，土壤酸解氮与总氮质量分数显著正相关，本研究与其研究结果一致。土壤中非酸解氮的平均质量分数为0.46 g·kg-1，占总氮的31.94%。与马尾松林、杉木林等针叶林相比，阔叶混交林、枫香林、毛竹林等阔叶林的非酸解氮质量分数及其占总氮的比例较高，说明阔叶林土壤氮素向着结构更加复杂的非酸解氮转化，提高了土壤氮素固持能力。

土壤酸解氮矿化的难易程度与其形态结构有关[29]。相关研究表明，酸解氮中的氨基酸态氮和酸解氨态氮对土壤可矿化氮影响最大，其次为未知态氮和氨基糖态氮[30-31]。氨基酸态氮和酸解氨态氮作为土壤中重要的有机氮，决定了土壤氮素的矿化潜力，常被用来表征土壤供氮潜能[29，32]。本研究中，阔叶混交林和毛竹林2个样地的土壤氨基酸态氮及酸解氨态氮质量分数显著高于其余林分，是因为这2种林分具有落叶量大，枯落物层较厚且易分解等特征[22]，加快了氮素的归还，显著提高土壤的供氮潜力。酸解未知态氮是酸解氮中还未被鉴定的含氮化合物，主要包括非α-氨基酸氮、嘧啶、嘌呤、N-苯氧基氨基酸氮等杂环态氮[33]。董姝含等[34]研究发现，酸解未知态氮具有较高的活性，对植物生长起着至关重要的作用。本研究中，阔叶混交林的未知态氮质量分数最高，而毛竹林的未知态氮质量分数最低，说明阔叶混交林的氮素可矿化能力较强。有研究表明，氨基糖态氮主要来源于微生物细胞壁残留物[35-36]。本研究中，7种林分土壤的氨基糖态氮质量分数无显著差异，仅占土壤总氮质量分数的6.14%，与前人的研究结果较为接近[13，15]，说明氨基糖态氮受植被类型影响不明显，其质量分数在土壤中较为稳定[12]。

总体来看，本研究中土壤有机氮各组分质量分数均值及其占总氮的百分比由大到小依次为：非酸解态氮及未知态氮、氨态氮及氨基酸态氮、氨基糖态氮，与前人的研究结果一致[37]，表明在不同生态系统背景下，土壤有机氮组分的分布特征仍然具有一定的共性[13]。而丁咸庆等[16]对大围山典型森林土壤有机氮组分的研究表明，不同氮组分的质量分数及分配比例由大到小依次为：酸解氨态氮、氨基糖态氮、氨基酸态氮及未知态氮，与本研究结果不一致，这可能与样地海拔、温度的差异有关。总之，土壤有机氮组分受多种因素影响且长期处于固持-矿化动态平衡中，不同组分氮的质量分数及其在总氮中的比例常因环境条件的变化而有所改变[38]。

酸解氮是亚热带森林土壤氮素的主要存在形态，不同林分土壤有机氮组分质量分数及其分配比例的规律不同。毛竹林土壤有机氮组分质量分数及其分配比例由大到小依次为：非酸解性氮、氨基酸态氮及酸解氨态氮、未知态氮、氨基糖态氮，其余6种林分土壤有机氮组分质量分数及其分配比例由大到小依次为：未知态氮及非酸解性氮、氨基酸态氮及酸解氨态氮、氨基糖态氮。有机氮各组分均与总氮、有机碳质量分数呈显著正相关，与pH呈显著负相关。非酸解氮和酸解氨态氮质量分数表现为毛竹林最高，其余有机氮组分及总氮质量分数表现为阔叶混交林最高。可见，阔叶混交林较其它林分相比，更利于土壤氮素的积累，提高氮素的供应潜力。