陕北不同恢复年限中国沙棘人工林土壤可溶性氮组分时空变化研究

赵满兴　马文全　张霞等

关键词：中国沙棘林；可溶性氮；季节；土壤

中图分类号：S793.6; S714 文献标志码：A 文章编号：1001-1498（2023）01-0146-08

土壤为植物生长提供必要的养分，植物生长过程又改变了土壤理化性状。土壤中的可溶性氮素是土壤氮素中最活跃的组分，其对生态系统的氮循环、生产力及可持续发展具有重要意义。硝态氮和铵态氮是植物氮素的主要来源，是土壤的有效养分。可溶性氮素中的可溶性有机氮（SON）可以直接或间接转化为植物可吸收利用的养分，是土壤可溶性氮素的重要组分。有研究发现，黄土高原人工林地土壤SON占可溶性总氮的比例超过50%，SON在土壤氮素循环过程中扮演重要的角色，人工林地的SON是土壤中不容忽视的氮素组成部分。

中国沙棘（Hippophae thamnoides Linn.subsp.sinensis Rousi）为胡颓子科沙棘属多年生落叶灌木或小乔木，在黄土高原地区有着广泛的栽植。中国沙棘在改善土壤结构、增加土壤氮含量及有机质的含量方面具有极其重要的意义。关于中国沙棘的研究主要侧重于水文效应及水土保持功能、光合生理特性及环境适应性、碳通量变化特征、遗传分化研究及地形对中国沙棘人工林天然更新的影响等。张欣等研究发现，人工大果沙棘林随着林龄的增加，土壤改良效果越明显。DENG等对黄土高原中南部地区的研究表明，长期的自然植被恢复提高了土壤有机碳的积累且其积累有较大的差异。张恒宇等研究黄土高原典型植被不同密度条件下土壤水分、碳氮分布特征时指出，土壤有机碳和全氮具有不同程度的表聚现象。王世军等研究表明，土壤有机碳和全氮积累随植被恢复年限呈显著增加趋势。植被恢复可以显著提高土壤中全氮和可溶性氮组分含量，但不同植被类型对土壤可溶性氮组分有较大影响。因此，可以推测同一树种不同恢复年限对土壤可溶性氮组分有较大影响。可见，研究不同恢复年限中国沙棘人工林土壤可溶性氮组分特征对了解恢复年限对土壤氮素供应机制具有重要意义。

中国沙棘是延安北部主要的退耕还林树种之一，有很强的固氮能力。目前，当地不同恢复年限中国沙棘人工林对土壤可溶性氮组分特征的研究及其对土壤氮库组分和有效性机理的深入探究较缺乏。因此，本文以志丹县金丁镇不同种植年限的中国沙棘林为研究对象，研究不同恢复年限中国沙棘林可溶性氮组分季节变化及垂直分布规律，以期为深入研究该区域不同恢复年限中国沙棘林的退耕效果评价和土壤氮库管理提供理论依据。

1研究区概况

延安市志丹县属半干旱气候区，年平均气温7.8℃，年平均降水量450～490 mm，年平均无霜期140 d，平均海拔1300 m。土壤类型为黄绵土，土壤质地为沙壤土。

2研究方法

2.1土样采集与分析

2018年3、6、9、11月在志丹县金丁镇退耕还林区分别采集供试土样。选择不同种植年限（5、15、20 a）的中国沙棘林地，以荒草地为对照样地，样地基本情况见表1。每个样地分别设置3个10 m×10 m的样方。在样方内随机选取5个取样点，采用分层多点混合法取土样。在每个取样点分0～10、10～20、20～30 cm土层取样。采集的土壤样品经自然风干，过2 mm直径筛，捡去杂质，将来自同一样方同一土层的土样混匀，用四分法取样，用于土壤理化性质指标的测定。

测定项目包括土壤可溶性总氮（TSN）、硝态氮、铵态氮和可溶性有机氮（SON），按照《土壤农化分析》测定。

2.2数据处理与统计分析

使用SPSS软件对数据进行单因素方差分析，多重比较采用最小显著差法，显著性检验水平a=0.05。

3结果与分析

3.1土壤硝态氮变化特征

表2表明：0～30 cm土层硝态氮含量的变化范围为0.81～16.38 mg'kg^-1，土壤硝态氮含量大小关系为：20 a中国沙棘林（11.41 mg·kg^-1）>15 a中国沙棘林（7.07 mg·kg^-1）>荒草地（3.93mg·kg^-1）>5a中国沙棘林（2.70 mg·kg^-1）。中国沙棘林土壤硝态氮含量随恢复年限的增加总体呈显著增加趋势（p<0.05），20 a和15 a中国沙棘林土壤硝态氮含量分别是5a中国沙棘林的4.23和2.62倍；5a中国沙棘林和荒草地之间差异不显著（p>0.05）。

土壤硝态氮含量在不同土层间差异不显著（p>0.05），0～10、10～20、20～30 cm土层硝态氮平均含量分别为7.55、5.81、5.48 mg·kg^-1。硝态氮具有表聚现象，所有土样的表现规律均一致。

0～10 cm土层15 a和20 a及10～20 cm土层5a中国沙棘林土壤硝态氮含量在季节间均差异不显著（p>0.05）。0～10土层硝态氮平均含量大小次序为夏季>春季>秋季>冬季；10～20 cm土层硝态氮平均含量大小次序为夏季>春季>冬季>秋季；20～30 cm土层硝态氮平均含量大小次序为夏季>秋季>春季>冬季。荒草地土壤硝态氮含量在季节间存在差异，0～10 cm和10～20 cm土层夏春季高于秋冬季，20～30 cm土层夏秋季高于春冬季。

同一季节不同年限中国沙棘林间土壤硝态氮含量存在差异，表现为20 a中国沙棘林土壤硝态氮含量显著高于15 a（0～10 cm土层春、夏、冬季和10～20 cm土层春、夏季及20～30 cm土层秋季除外）和5a中国沙棘林。除10～20 cm土层20 a中国沙棘林与荒草地在春夏季差异不显著外，20 a中国沙棘林土壤硝态氮含量与荒草地在其它季节和土层间均差异显著。

3.2土壤铵态氮变化特征

表3表明：0～30 cm土层铵态氮含量的变化范围为0.65～14.72mg·kg^-1，土壤铵态氮含量大小关系为：15 a中国沙棘林（6.67 mg·kg^-1）>20a中国沙棘林（5.88mg·kg^-1）>5 a中国沙棘林（ 5.41 mg·kg^-1）>荒草地（3.26 mg·kg^-1），中国沙棘林土壤铵态氮含量在不同恢复年限间显著不差异。15 a和20 a中国沙棘林土壤铵态氮含量分别是5a中国沙棘林的1.23和1.09倍；5a中国沙棘林是荒草地的1.66倍，中国沙棘林与荒草地间差异不显著（p>0.05）。

土壤铵态氮含量在不同土层间差异不显著（p>0.05）。0～10、10～20、20～30 cm土层铵态氮平均含量分别为4.98、5.85、5.09 mg·kg^-1。

从4种植被类型平均值看，0～10土层铵态氮含量大小次序为夏季>秋季>春季>冬季；10～20 cm、20～30 cm土层铵态氮含量大小次序为秋季>春季>夏季>冬季。荒草地土壤铵态氮含量在春夏秋季间差异不显著，但春夏秋季均与冬季差异显著。

同一季节不同年限中国沙棘林间土壤铵态氮含量大部分差异不显著（p>0.05）。0～10 cm和10～20 cm土层，表现为20 a中国沙棘林高于15a中国沙棘林和5a中国沙棘林（10～20 cm土层冬季除外）；20～30 cm土层，春秋冬季15 a中国沙棘林土壤铵态氮含量最高，夏季最低。

3.3土壤可溶性有机氮（SON）变化特征

表4表明：0～30 cm土层SON含量的变化范围为10.61～175.37 mg·kg^-1，SON含量大小关系为：20 a中国沙棘林（84.49 mg·kg^-1）>15a中国沙棘林（ 56.07 mg·kg^-1）>荒草地（48.52mg·kg^-1）>5a中国沙棘林（43.56 mg·kg^-1）。中国沙棘林土壤SON含量随恢复年限的增加而增加，20 a和15 a中国沙棘林土壤SON含量分别是5a中国沙棘林的1.94和1.29倍。

土壤SON含量在不同土层间差异不显著（p>0.05），0～10、10～20、20～30 cm土层SON平均含量分别为66.26、56.50、51.72mg·kg^-1。SON具有表聚现象，所有土样的表现规律均一致。

0～10、10～20 cm土层，不同年限中国沙棘林土壤SON含量在春季显著高于其它季节；20～30 cm土层，春冬季高于夏秋季。0～10 cm土层，5、20 a中国沙棘林土壤SON大小次序均为春>冬>夏>秋，15 a中国沙棘林土壤SON大小次序为春>夏>冬>秋；10～20、20～30 cm土层，中国沙棘林土壤SON大小次序均为春>冬>秋>夏。0～10、10～20 cm土层，荒草地土壤SON含量表现为春冬季显著高于夏秋季。

3.4土壤可溶性氮组分占可溶性总氮比例

表5表明：0～30 cm土层，土壤SON、硝态氮和铵态氮占可溶性总氮比例的变化范围分别为60.4%～96.6%、1.5%～30.2%和0.9%～29.3%，其平均值分别为80.3%、10.2%和9.5%。

土壤SON占可溶性总氮比例大小关系为：荒草地（83.6%）>5 a中国沙棘林（80.2%）>20a中国沙棘林（ 79.3%）>15 a中国沙棘林（78.1%）；土壤硝态氮占可溶性总氮比例大小关系为：20 a中国沙棘林（13.6%）>15 a中国沙棘林（1 1.4%）>荒草地（8.9%）>5 a中国沙棘林（7.1%）；土壤铵态氮占可溶性总氮比例大小关系为：5a中国沙棘林（ 12.7%）>15 a中国沙棘林（10.6%）>荒草地（7.5%）>20 a中国沙棘林（7.1%）。

不同土层间土壤SON占可溶性总氮比例关系为：0～10 cm>10～20 cm> 20～30 cm；土壤硝态氮占可溶性总氮比例大小关系为：20～30 cm>0～10 cm>10～20 cm;土壤铵态氮占可溶性总氮比例大小关系为：10～20 cm>20～30 cm>0～10 cm。

0～10、10～20、20～30 cm土层，不同年限中国沙棘林土壤SON占可溶性总氮比例均为春冬季高于夏秋季；土壤硝态氮占可溶性总氮比例为夏秋季高于春冬季（10～20 cm土层15 a和20 a中国沙棘林除外），土壤铵态氮占可溶性总氮比例为夏秋季高于春冬季（0～10 cm土层5a中国沙棘林及10～20 cm土层中国沙棘林除外）。

3.5土壤可溶性氮组分与恢复年限的关系分析

通过土壤可溶性氮素组分与恢复年限间的关系分析可知：土壤硝态氮和铵态氮之间差异不显著（p>0.05），而硝态氮和铵态氮均与SON呈显著差异（p<0.05）。土壤硝态氮平均值在不同种植年限间差异显著（p<0.05），土壤铵态氮在不同种植年限间差异不显著（p>0.05）。15 a中国沙棘林土壤SON与5、20 a中国沙棘林均显著不差异，20 a中国沙棘林土壤SON与5a中国沙棘林间差异显著；可溶性氮组分在土层间差异不显著（p>0.05）。

4讨论

本研究表明，中国沙棘林恢复年限影响土壤可溶性氮组分含量和垂直分布状况，中国沙棘林恢复年限越长，土壤氮组分含量提高越明显。5a中国沙棘林和荒草地土壤可溶性氮组分含量无显著差异，可能是随着植被恢复，改变了土壤微环境条件，植物生长需要的光照、水分等发生了改变，影响了养分转化。本研究中，20a中国沙棘林土壤硝态氮和SON含量高于15a和5a中国沙棘林，15 a中国沙棘林土壤铵态氮含量高于20a和5a中国沙棘林。植被恢复导致土壤表层枯枝落叶增加，增加了土壤有机质来源，影响了不同恢复年限土壤可溶性氮组分含量，不同年限间的差异与凋落物组成和分解速率的差异有关。本研究表明，固氮能力较强的中国沙棘林在增加土壤氮素可利用性方面优于荒草地，这与大多数研究结果一致。这是因为土壤表层水热通气状况较好，表层凋落物分解快，微生物活性强，促进了土壤养分的积累，随着土层加深，微生物活性逐渐下降，养分含量也逐渐下降。土壤硝态氮和SON含量随土层加深而降低，这与高培鑫等研究结果较一致，10～20 cm土层土壤铵态氮含量高于0～10、20～30 cm土层土壤铵态氮含量，具体原因有待进一步分析。

土壤可溶性氮组分之间比较，SON含量最高，其次是硝态氮，铵态氮含量较低；SON占可溶性总氮的比例达80%以上，这与相关研究SON占可溶性总氮含量的5.1%～96%的结果一致；硝态氮占可溶性总氮的比例高于铵态氮，主要是因为植被对土壤可溶性氮组分吸收存在差异。在本研究中，不同可溶性氮组分平均含量间季节变化不完全相同，土壤硝态氮平均含量表现为夏季最高，冬季或秋季最低；铵态氮平均含量表现为夏季或秋季最高，冬季最低；SON平均含量为春冬季高于夏秋季。春季气温回暖，降雨量的增加使土壤氮素的矿化作用加强，而植物又处于非生长期，从而土壤硝态氮的含量得到积累；夏季尽管植物生长对氮素需求增加，但夏季土壤矿化作用较强，因此，夏季土壤硝态氮也维持较高水平。

5结论

随着种植年限的增加，中国沙棘林均增加了土壤可溶性氮组分，不同年限中国沙棘林土壤硝态氮和SON变化趋势一致，均为20a中国沙棘林>15a中国沙棘林>荒草地>5a中国沙棘林，且均呈表聚现象；不同恢复年限土壤铵态氮含量大小关系为15a中国沙棘林>20a中国沙棘林>5a中国沙棘林>荒草地，且表层含量最低。土壤硝态氮表现为夏季最高，冬季或秋季最低；铵态氮表现为夏季或秋季最高，冬季最低；SON则为春冬季高于夏秋季。SON、硝态氮和铵态氮占可溶性总氮比例分别为80.3%、10.2%和9.5%。不同年限中国沙棘林土壤SON占可溶性总氮比例均为春冬季高于夏秋季，土壤硝态氮占可溶性总氮比例为夏秋季高于春冬季（10～20 cm土层15a和20a中国沙棘林除外），土壤铵态氮占可溶性总氮比例为夏秋季高于春冬季（0～10cm土层5a中国沙棘林及10～20cm土层中国沙棘林除外）。在陕北黄土丘陵区，营造中国沙棘人工林可以有效提高土壤可溶性氮组分，随着林龄增加，土壤氮素累积效果越明显。