陜北不同恢復年限中國沙棘人工林土壤可溶性氮組分時空變化研究

趙滿興　馬文全　張霞等

關鍵詞：中國沙棘林；可溶性氮；季節；土壤

中圖分類號：S793.6; S714 文獻標志碼：A 文章編號：1001-1498（2023）01-0146-08

土壤為植物生長提供必要的養分，植物生長過程又改變了土壤理化性狀。土壤中的可溶性氮素是土壤氮素中最活躍的組分，其對生態系統的氮循環、生產力及可持續發展具有重要意義。硝態氮和銨態氮是植物氮素的主要來源，是土壤的有效養分。可溶性氮素中的可溶性有機氮（SON）可以直接或間接轉化為植物可吸收利用的養分，是土壤可溶性氮素的重要組分。有研究發現，黃土高原人工林地土壤SON占可溶性總氮的比例超過50%，SON在土壤氮素循環過程中扮演重要的角色，人工林地的SON是土壤中不容忽視的氮素組成部分。

中國沙棘（Hippophae thamnoides Linn.subsp.sinensis Rousi）為胡頹子科沙棘屬多年生落葉灌木或小喬木，在黃土高原地區有著廣泛的栽植。中國沙棘在改善土壤結構、增加土壤氮含量及有機質的含量方面具有極其重要的意義。關于中國沙棘的研究主要側重于水文效應及水土保持功能、光合生理特性及環境適應性、碳通量變化特征、遺傳分化研究及地形對中國沙棘人工林天然更新的影響等。張欣等研究發現，人工大果沙棘林隨著林齡的增加，土壤改良效果越明顯。DENG等對黃土高原中南部地區的研究表明，長期的自然植被恢復提高了土壤有機碳的積累且其積累有較大的差異。張恒宇等研究黃土高原典型植被不同密度條件下土壤水分、碳氮分布特征時指出，土壤有機碳和全氮具有不同程度的表聚現象。王世軍等研究表明，土壤有機碳和全氮積累隨植被恢復年限呈顯著增加趨勢。植被恢復可以顯著提高土壤中全氮和可溶性氮組分含量，但不同植被類型對土壤可溶性氮組分有較大影響。因此，可以推測同一樹種不同恢復年限對土壤可溶性氮組分有較大影響。可見，研究不同恢復年限中國沙棘人工林土壤可溶性氮組分特征對了解恢復年限對土壤氮素供應機制具有重要意義。

中國沙棘是延安北部主要的退耕還林樹種之一，有很強的固氮能力。目前，當地不同恢復年限中國沙棘人工林對土壤可溶性氮組分特征的研究及其對土壤氮庫組分和有效性機理的深入探究較缺乏。因此，本文以志丹縣金丁鎮不同種植年限的中國沙棘林為研究對象，研究不同恢復年限中國沙棘林可溶性氮組分季節變化及垂直分布規律，以期為深入研究該區域不同恢復年限中國沙棘林的退耕效果評價和土壤氮庫管理提供理論依據。

1研究區概況

延安市志丹縣屬半干旱氣候區，年平均氣溫7.8℃，年平均降水量450～490 mm，年平均無霜期140 d，平均海拔1300 m。土壤類型為黃綿土，土壤質地為沙壤土。

2研究方法

2.1土樣采集與分析

2018年3、6、9、11月在志丹縣金丁鎮退耕還林區分別采集供試土樣。選擇不同種植年限（5、15、20 a）的中國沙棘林地，以荒草地為對照樣地，樣地基本情況見表1。每個樣地分別設置3個10 m×10 m的樣方。在樣方內隨機選取5個取樣點，采用分層多點混合法取土樣。在每個取樣點分0～10、10～20、20～30 cm土層取樣。采集的土壤樣品經自然風干，過2 mm直徑篩，撿去雜質，將來自同一樣方同一土層的土樣混勻，用四分法取樣，用于土壤理化性質指標的測定。

測定項目包括土壤可溶性總氮（TSN）、硝態氮、銨態氮和可溶性有機氮（SON），按照《土壤農化分析》測定。

2.2數據處理與統計分析

使用SPSS軟件對數據進行單因素方差分析，多重比較采用最小顯著差法，顯著性檢驗水平a=0.05。

3結果與分析

3.1土壤硝態氮變化特征

表2表明：0～30 cm土層硝態氮含量的變化范圍為0.81～16.38 mg'kg^-1，土壤硝態氮含量大小關系為：20 a中國沙棘林（11.41 mg·kg^-1）>15 a中國沙棘林（7.07 mg·kg^-1）>荒草地（3.93mg·kg^-1）>5a中國沙棘林（2.70 mg·kg^-1）。中國沙棘林土壤硝態氮含量隨恢復年限的增加總體呈顯著增加趨勢（p<0.05），20 a和15 a中國沙棘林土壤硝態氮含量分別是5a中國沙棘林的4.23和2.62倍；5a中國沙棘林和荒草地之間差異不顯著（p>0.05）。

土壤硝態氮含量在不同土層間差異不顯著（p>0.05），0～10、10～20、20～30 cm土層硝態氮平均含量分別為7.55、5.81、5.48 mg·kg^-1。硝態氮具有表聚現象，所有土樣的表現規律均一致。

0～10 cm土層15 a和20 a及10～20 cm土層5a中國沙棘林土壤硝態氮含量在季節間均差異不顯著（p>0.05）。0～10土層硝態氮平均含量大小次序為夏季>春季>秋季>冬季；10～20 cm土層硝態氮平均含量大小次序為夏季>春季>冬季>秋季；20～30 cm土層硝態氮平均含量大小次序為夏季>秋季>春季>冬季。荒草地土壤硝態氮含量在季節間存在差異，0～10 cm和10～20 cm土層夏春季高于秋冬季，20～30 cm土層夏秋季高于春冬季。

同一季節不同年限中國沙棘林間土壤硝態氮含量存在差異，表現為20 a中國沙棘林土壤硝態氮含量顯著高于15 a（0～10 cm土層春、夏、冬季和10～20 cm土層春、夏季及20～30 cm土層秋季除外）和5a中國沙棘林。除10～20 cm土層20 a中國沙棘林與荒草地在春夏季差異不顯著外，20 a中國沙棘林土壤硝態氮含量與荒草地在其它季節和土層間均差異顯著。

3.2土壤銨態氮變化特征

表3表明：0～30 cm土層銨態氮含量的變化范圍為0.65～14.72mg·kg^-1，土壤銨態氮含量大小關系為：15 a中國沙棘林（6.67 mg·kg^-1）>20a中國沙棘林（5.88mg·kg^-1）>5 a中國沙棘林（ 5.41 mg·kg^-1）>荒草地（3.26 mg·kg^-1），中國沙棘林土壤銨態氮含量在不同恢復年限間顯著不差異。15 a和20 a中國沙棘林土壤銨態氮含量分別是5a中國沙棘林的1.23和1.09倍；5a中國沙棘林是荒草地的1.66倍，中國沙棘林與荒草地間差異不顯著（p>0.05）。

土壤銨態氮含量在不同土層間差異不顯著（p>0.05）。0～10、10～20、20～30 cm土層銨態氮平均含量分別為4.98、5.85、5.09 mg·kg^-1。

從4種植被類型平均值看，0～10土層銨態氮含量大小次序為夏季>秋季>春季>冬季；10～20 cm、20～30 cm土層銨態氮含量大小次序為秋季>春季>夏季>冬季。荒草地土壤銨態氮含量在春夏秋季間差異不顯著，但春夏秋季均與冬季差異顯著。

同一季節不同年限中國沙棘林間土壤銨態氮含量大部分差異不顯著（p>0.05）。0～10 cm和10～20 cm土層，表現為20 a中國沙棘林高于15a中國沙棘林和5a中國沙棘林（10～20 cm土層冬季除外）；20～30 cm土層，春秋冬季15 a中國沙棘林土壤銨態氮含量最高，夏季最低。

3.3土壤可溶性有機氮（SON）變化特征

表4表明：0～30 cm土層SON含量的變化范圍為10.61～175.37 mg·kg^-1，SON含量大小關系為：20 a中國沙棘林（84.49 mg·kg^-1）>15a中國沙棘林（ 56.07 mg·kg^-1）>荒草地（48.52mg·kg^-1）>5a中國沙棘林（43.56 mg·kg^-1）。中國沙棘林土壤SON含量隨恢復年限的增加而增加，20 a和15 a中國沙棘林土壤SON含量分別是5a中國沙棘林的1.94和1.29倍。

土壤SON含量在不同土層間差異不顯著（p>0.05），0～10、10～20、20～30 cm土層SON平均含量分別為66.26、56.50、51.72mg·kg^-1。SON具有表聚現象，所有土樣的表現規律均一致。

0～10、10～20 cm土層，不同年限中國沙棘林土壤SON含量在春季顯著高于其它季節；20～30 cm土層，春冬季高于夏秋季。0～10 cm土層，5、20 a中國沙棘林土壤SON大小次序均為春>冬>夏>秋，15 a中國沙棘林土壤SON大小次序為春>夏>冬>秋；10～20、20～30 cm土層，中國沙棘林土壤SON大小次序均為春>冬>秋>夏。0～10、10～20 cm土層，荒草地土壤SON含量表現為春冬季顯著高于夏秋季。

3.4土壤可溶性氮組分占可溶性總氮比例

表5表明：0～30 cm土層，土壤SON、硝態氮和銨態氮占可溶性總氮比例的變化范圍分別為60.4%～96.6%、1.5%～30.2%和0.9%～29.3%，其平均值分別為80.3%、10.2%和9.5%。

土壤SON占可溶性總氮比例大小關系為：荒草地（83.6%）>5 a中國沙棘林（80.2%）>20a中國沙棘林（ 79.3%）>15 a中國沙棘林（78.1%）；土壤硝態氮占可溶性總氮比例大小關系為：20 a中國沙棘林（13.6%）>15 a中國沙棘林（1 1.4%）>荒草地（8.9%）>5 a中國沙棘林（7.1%）；土壤銨態氮占可溶性總氮比例大小關系為：5a中國沙棘林（ 12.7%）>15 a中國沙棘林（10.6%）>荒草地（7.5%）>20 a中國沙棘林（7.1%）。

不同土層間土壤SON占可溶性總氮比例關系為：0～10 cm>10～20 cm> 20～30 cm；土壤硝態氮占可溶性總氮比例大小關系為：20～30 cm>0～10 cm>10～20 cm;土壤銨態氮占可溶性總氮比例大小關系為：10～20 cm>20～30 cm>0～10 cm。

0～10、10～20、20～30 cm土層，不同年限中國沙棘林土壤SON占可溶性總氮比例均為春冬季高于夏秋季；土壤硝態氮占可溶性總氮比例為夏秋季高于春冬季（10～20 cm土層15 a和20 a中國沙棘林除外），土壤銨態氮占可溶性總氮比例為夏秋季高于春冬季（0～10 cm土層5a中國沙棘林及10～20 cm土層中國沙棘林除外）。

3.5土壤可溶性氮組分與恢復年限的關系分析

通過土壤可溶性氮素組分與恢復年限間的關系分析可知：土壤硝態氮和銨態氮之間差異不顯著（p>0.05），而硝態氮和銨態氮均與SON呈顯著差異（p<0.05）。土壤硝態氮平均值在不同種植年限間差異顯著（p<0.05），土壤銨態氮在不同種植年限間差異不顯著（p>0.05）。15 a中國沙棘林土壤SON與5、20 a中國沙棘林均顯著不差異，20 a中國沙棘林土壤SON與5a中國沙棘林間差異顯著；可溶性氮組分在土層間差異不顯著（p>0.05）。

4討論

本研究表明，中國沙棘林恢復年限影響土壤可溶性氮組分含量和垂直分布狀況，中國沙棘林恢復年限越長，土壤氮組分含量提高越明顯。5a中國沙棘林和荒草地土壤可溶性氮組分含量無顯著差異，可能是隨著植被恢復，改變了土壤微環境條件，植物生長需要的光照、水分等發生了改變，影響了養分轉化。本研究中，20a中國沙棘林土壤硝態氮和SON含量高于15a和5a中國沙棘林，15 a中國沙棘林土壤銨態氮含量高于20a和5a中國沙棘林。植被恢復導致土壤表層枯枝落葉增加，增加了土壤有機質來源，影響了不同恢復年限土壤可溶性氮組分含量，不同年限間的差異與凋落物組成和分解速率的差異有關。本研究表明，固氮能力較強的中國沙棘林在增加土壤氮素可利用性方面優于荒草地，這與大多數研究結果一致。這是因為土壤表層水熱通氣狀況較好，表層凋落物分解快，微生物活性強，促進了土壤養分的積累，隨著土層加深，微生物活性逐漸下降，養分含量也逐漸下降。土壤硝態氮和SON含量隨土層加深而降低，這與高培鑫等研究結果較一致，10～20 cm土層土壤銨態氮含量高于0～10、20～30 cm土層土壤銨態氮含量，具體原因有待進一步分析。

土壤可溶性氮組分之間比較，SON含量最高，其次是硝態氮，銨態氮含量較低；SON占可溶性總氮的比例達80%以上，這與相關研究SON占可溶性總氮含量的5.1%～96%的結果一致；硝態氮占可溶性總氮的比例高于銨態氮，主要是因為植被對土壤可溶性氮組分吸收存在差異。在本研究中，不同可溶性氮組分平均含量間季節變化不完全相同，土壤硝態氮平均含量表現為夏季最高，冬季或秋季最低；銨態氮平均含量表現為夏季或秋季最高，冬季最低；SON平均含量為春冬季高于夏秋季。春季氣溫回暖，降雨量的增加使土壤氮素的礦化作用加強，而植物又處于非生長期，從而土壤硝態氮的含量得到積累；夏季盡管植物生長對氮素需求增加，但夏季土壤礦化作用較強，因此，夏季土壤硝態氮也維持較高水平。

5結論

隨著種植年限的增加，中國沙棘林均增加了土壤可溶性氮組分，不同年限中國沙棘林土壤硝態氮和SON變化趨勢一致，均為20a中國沙棘林>15a中國沙棘林>荒草地>5a中國沙棘林，且均呈表聚現象；不同恢復年限土壤銨態氮含量大小關系為15a中國沙棘林>20a中國沙棘林>5a中國沙棘林>荒草地，且表層含量最低。土壤硝態氮表現為夏季最高，冬季或秋季最低；銨態氮表現為夏季或秋季最高，冬季最低；SON則為春冬季高于夏秋季。SON、硝態氮和銨態氮占可溶性總氮比例分別為80.3%、10.2%和9.5%。不同年限中國沙棘林土壤SON占可溶性總氮比例均為春冬季高于夏秋季，土壤硝態氮占可溶性總氮比例為夏秋季高于春冬季（10～20 cm土層15a和20a中國沙棘林除外），土壤銨態氮占可溶性總氮比例為夏秋季高于春冬季（0～10cm土層5a中國沙棘林及10～20cm土層中國沙棘林除外）。在陜北黃土丘陵區，營造中國沙棘人工林可以有效提高土壤可溶性氮組分，隨著林齡增加，土壤氮素累積效果越明顯。