文峪河上游河岸林土壤氮素截留潜力及其影响因素

李素新，郭小宇，张芸香，郭晋平

（1.山西农业大学 林学院，山西 太谷030801；2.山西农业大学 城乡建设学院，山西 太谷030801）

河岸带是典型的高生产力生态系统，土壤中含有大量有机质［1］，邻近高地氮素的输入和植物凋落物的分解为土壤进行反硝化作用提供了充足的氮素［2］。河岸带土壤的一系列物理化学和生物化学过程对外源输入的氮磷营养元素进行截留和转化。地表径流携带的不同形态氮素通过沉积过程被截留在河岸带中［3］，可溶解性营养物质通过径流下渗和壤中渗入河岸带土壤，通过植物吸收、土壤吸附、微生物固定及反硝化作用等得到进一步的截留和滤除［4，5］。河岸带森林系统对N的去除效果随季节变化和相应的地下水位的变化有显著变化，这种变化主要取决于反硝化所需条件及植物生长条件的变化［6］。

目前对河岸带氮素的截留转化机理研究主要集中在土壤反硝化细菌对氮素的去除作用机制［7，8］。关于河岸带土壤氮素截留潜力的研究还鲜见报道。本研究以文峪河上游华北落叶松落叶针叶林、白桦山杨落叶阔叶林和沙棘灌木林3种典型河岸林为研究对象，采用外源氮磷联合加载试验定点观测的方法，研究3类典型河岸林土壤的氮素截留潜力及其影响因素，通过分析比较研究地区3种典型河岸林群落土壤特征的差异以及土壤含水量和pH值对土壤氮截留率的影响，为区域性河岸林对外源氮磷加载的截留潜力提供基础数据，为合理开发利用、经营和管理河岸林提供参考。

1 研究区概况

研究地区设在关帝山林区的庞泉沟国家级自然保护区，山西境内吕梁山脉中段文峪河源头地区，地理坐标为111°21′～111°37′E，37°45′～37°59′N。气候属于受季风影响和控制的暖温带大陆性山地气候，年均气温4.2℃，年均降水量822.6 mm；年日照时数1900～2200h，无霜期100～130 d，水文特征受大气候影响，每年7～8月为洪水期；由于地处吕梁山断裂隆起的核心地带，属背斜构造，是由花岗岩隆起形成的亚高山山地。分布的主要土壤类型有亚高山草甸土、山地棕色森林土、山地淋溶褐土、山地褐土、粗骨性褐土及褐土性土。该区自然植被茂盛，主要河岸林类型有云杉林、华北落叶松林、云杉落叶松混交林、山杨辽东栎混交林、落叶松辽东栎混交林、白桦林、青杨林等；主要乔木树种有华北落叶松（Larix principis－rupperchtii）、云杉（白扦（Picea meyeri）、青扦（P.wilsonii）、油松（Pinus tabulaeformis）、白桦（Betula platyphylla）、红 桦 （B.albo－sinensis）、山 杨 （Populus davidiana）、辽 东 栎（Quercus liaotungensis）等；灌木主要有沙棘（Hippsphae rhamnoides）、毛榛（Corylus mandshurica）、四川忍冬（L.kungeana Hao）、土庄绣线菊（Spiraea pubescens）等，草本植物主要有披针苔草（Carex lanceolata）、蕨类（Gymnocarpium petaloideum）、瓣蕊唐 松 草 （Thalictrum petaloideum）、落 新 妇（Astible chinensis）、蒿类（Artemisia Spp）等。

2 材料与方法

2.1 典型试验样带的选择设置

2010年秋，在孝文山林场大草坪营林区，选取具有代表性的针叶（落叶松、云杉）混交林，阔叶（白桦、茶条槭）混交林和灌木（沙棘等）林3种类型的典型河岸林，调查记录其地理位置、海拔、坡向、坡度、土壤类型和林型等基本因子（表1）。在每个类型的典型河岸林内沿垂直于河道方向设置10条样带，样带宽5m，长25m，对样带内所有乔木树种进行每木检尺，测定记录其树种、胸径和树高。

表1 河岸林基本情况Table 1 General character of the tipical riparian forest experiment sites

2.2 试验设计

本研究的外源氮素输入采用含氮46.4%的尿素，设5个输入量梯度，分别为N0：0g·m－2、N1：9g·m－2、N2：12g·m－2、N3：15g·m－2和 N4：18g·m－2；外源磷素输入采用含磷量为12%的过磷酸钙，设5个输入量梯度，分别为P0：0g·m－2，P1：3.28g·m－2、P2：6.55g·m－2、P3：9.82g·m－2和P4：12g·m－2。

2.3 试验样带的土壤取样和测定方法

在每条样带内以5m为间隔等距离设5个采样点。2011年4月底设置试验地时，进行外源加载之前，在每条样带内进行初次采样，采样后进行外源加载，10月底以同样的方法再次进行土样采集。土壤取样采用土钻法，采样深度30cm，每个采样点重复采样3次，混合为一个混合样品，用四分法取其中一部分作为分析样品带回实验室分析，两次共取样300个。

带回实验室的样品进行土壤全氮、全磷、铵态氮、硝态氮、有效磷含量测定，并测定土壤含水量和土壤pH值测定。土壤全氮采用凯氏定氮法测定，土壤全磷采用HClO4—H2SO4法测定，土壤铵态氮采用KCl浸提—靛酚蓝比色法测定，土壤硝态氮采用酚二磺酸比色法测定，土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定，土壤含水量采用105℃烘干法测定，pH值采用电位法测定。

2.4 数据分析

土壤氮素截留量以外源氮素加载试验一个生长季后土壤氮素含量指标来表示；土壤氮素截留率以土壤氮素截留量占外源氮素加载后土壤氮素含量的百分比表示。

用Excel 2003绘制截留率随土壤含水量、pH的变化趋势图。用SPSS 18.0软件，分别对截留量和截留率随外源氮和磷的加载量、土壤含水量、土壤pH值不同而产生的差异进行统计分析，并分析其变化趋势。

3 结果与分析

3.1 不同类型河岸林土壤氮截留量比较

分别计算3类河岸林在不同外源氮素输入水平下的土壤氮素截留量，进行差异显著性检验和多重比较（表2），结果显示，在本研究设计的氮素外源输入水平下，生长季末的土壤全氮、铵态氮、硝态氮截留量随外源氮素输入量的增加而呈现不同的变化趋势。3类河岸林的土壤全氮截留量都随外源氮素输入量的增加而增加，氮素外源输入水平下3类河岸林的土壤全氮最大截留量分别为阔叶林（3.35mg·kg－1）＞灌木林（3.18g·kg－1）＞针叶林（2.50g·kg－1）；铵态氮和硝态氮截留量都在一定的外源氮素输入12g·m－2甚至9g·m－2水平上出现最大值，土壤铵态氮最大截留量分别为灌木林（16.37mg·kg－1）＞阔叶林（13.05mg·kg－1）＞针叶林（6.86mg·kg－1），土壤硝态氮最大截留量分别为灌木林（8.40mg·kg－1）＞阔叶林（6.12 mg·kg－1）＞针叶林（5.43mg·kg－1）。

表2 三类河岸林土壤在不同外源氮素输入水平下的氮素含量和差异比较Table 2 Dynamic retention of nitrogen for coniferous forest soil in different rate of nitrogen input

3.2 不同类型河岸林土壤氮截留率比较

由表3可见，全氮和硝态氮的截留率在不同类型河岸林之间差异极显著，在不同氮素输入量下，土壤氮素截留率差异在全氮和铵态氮指标上差异极显著，在硝态氮指标上的差异显著，但交互作用在3个指标上的差异均不显著。

表3 河岸林土壤氮素截留率的差异显著性Table 3 p－values for soil retention rate of nitrogen inforest types

由表4可见，不同类型河岸林土壤全氮平均截留率，针叶林＞阔叶林≥灌木林，针叶林与阔叶林、灌木林差异均显著；土壤铵态氮平均截留率，针叶林≥阔叶林≥灌木林，针叶林与灌木林差异显著；土壤硝态氮平均截留率，针叶林＞阔叶林≥灌木林，针叶林与阔叶林、灌木林差异均显著。总体来看，针叶林的氮素截留率最高，灌木林最低，各类河岸林土壤的硝态氮截留率高于铵态氮。

表4 不同类型河岸林氮素截留率比较Table 4 Retention rate of nitrogen indifferent riparian forest types

3.3 外源磷输入对河岸林土壤氮截留率的影响

外源磷的输入有助于植物对氮的吸收，随着外源磷输入量的增加，土壤氮的截留率逐渐降低，变化趋势如图1。

图1 外源磷输入量对全氮（TN）截留率的影响Fig.1 Variation trend in retention rate of TN with the rate of phosphorus inputs

如图1所示，随着外源磷素输入量的增加，河岸林土壤全氮截留率总体上呈降低趋势，总降幅10.59%，但两者不表现线性关系，氮素截留率对外源磷输入有一个敏感的输入量区间。

3.4 河岸林土壤含水量和pH值对土壤氮截留率的影响

外源氮素输入后，河岸林土壤全氮、铵态氮和硝态氮的截留率之间关系密切，外源氮素输入没有影响到土壤pH值，也与土壤含水量没有显著相关性，土壤pH值与土壤氮截留率的相关性也不显著（表5）。但是，3种形态的土壤氮素含量指标表示的氮素截留率都与外源氮素输入量相关性极显著，全氮和硝态氮与土壤含水量的相关性也达到统计极显著水平。

表5 土壤氮素截留率与土壤含水量、pH值的相关分析Table 5 correlation analysis between retention rate of nitrogen and Soil Moisture，pH

由图2可见，铵态氮和硝态氮的截留率都与全氮的截留率呈极显著正相关；土壤全氮、铵态氮、硝态氮的截留率与外源氮输入量都呈显著正相关，随着输入量的增加，3个指标的氮素截留率都随之增大。土壤全氮、铵态氮和硝态氮截留率都与土壤含水量有负相关趋势，其中全氮和硝态氮的负相关性达到统计极显著水平（图3）。

图2 铵态氮（AN）和硝态氮（NN）截留率随全氮（TN）截留率的变化趋势Fig.2 Variation trend in retention rate of AN and NN with the retention rate of TN

图3 全氮（TN）铵态氮（AN）和硝态氮（NN）截留率随土壤含水量的变化趋势Fig.3 variation trend in retention rate of TN 、AN and NN with the Soil Moisture

4 讨论

文峪河上游地区针叶林、阔叶林和灌木林3种河岸林土壤，在去除植被影响的条件下，氮截留率分别为88.75%、85.25%、77.89%，针叶林表现出较强的截留能力，但在外源氮输入情况下，针叶林土壤中的氮磷储量最低；河岸林土壤的NH＋4－N容纳能力明显强于NO3—N容纳量［9］。本研究中针叶林土壤对氮的截留率最高，结论与之相符。针叶林、阔叶林、灌木林对全氮的截留率分别为78.30%、72.37%、68.58%，针叶林的截留率相对较高。在3个氮含量指标中铵态氮截留量显著大于硝态氮的截留量，说明在河岸林条件下，土壤中铵态氮形式存在的氮素含量总是高于硝态氮。

郭萍等研究了施肥后对烟田土壤养分含量和微生物数量及酶活性的动态变化，试验表明，影响土壤C、N含量的最主要措施是施肥，不同的施肥处理对土壤养分含量的影响是显著的，施肥能够明显的增加土壤养分含量［10］。外源氮素输入对土壤磷截留率有显著影响，外源氮输入有助于植物对磷的吸收，使土壤磷含量减少，导致磷截留量下降。尹澄清等对湖泊水陆交错区芦苇植被带土壤的氮磷截留率进行研究表明，对地下径流中全氮和全磷的截留率分别为64%和92%，截留最多的是铵态氮和速效磷［11］，这与本试验的研究结论一致，铵态氮的截留量显著大于硝态氮。河岸林土壤对铵态氮的截留效果好，因为河岸带土壤有机质含量高，而土壤含水量、土壤容重和土壤本底铵态氮含量都是抑制截留效果的因素。

本研究表明，土壤氮滞留率与土壤含水量极显著负相关。因为，土壤含水量越高氮滞留越少，土壤含水量越高，土壤氮越容易随地表径流流入水体。河岸林土壤磷滞留率与土壤含水量呈极显著正相关，河岸林土壤为湿地土壤，可通过粘粒和铁铝氧化物吸附磷［12］。

5 结论

（1）灌木林对氮的截留量最高，全氮截留量灌木林＞阔叶林＞针叶林，铵态氮的截留量阔叶林＞灌木林＞针叶林，硝态氮的截留量灌木林＞针叶林＞阔叶林，铵态氮的截留量显著大于硝态氮。

（2）不同河岸林土壤对氮素的截留率有差异，针叶林、阔叶林、灌木林对全氮的截留率分别为78.30%、72.37%、68.58%，对铵态氮的截留率分别为72.97%、69.09%、66.83%，对硝态氮的截留率分别为77.03%、70.50%、67.90%。

（3）针叶林的氮素截留率最高，灌木林最低，各类河岸林土壤的硝态氮截留率高于铵态氮。

（4）土壤全氮、铵态氮、硝态氮的截留率与外源氮输入量都呈极显著正相关，随着输入量的增加，截留率都增大；土壤全氮、硝态氮截留率与土壤含水量呈极显著负相关；土壤全氮、铵态氮、硝态氮的截留率与土壤pH相关性不显著。

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