坡地黑土团聚体氮库及其分布1)

曹伟　李露　赵鹏志　王恩姮

(东北林业大学，哈尔滨，150040)



坡地黑土团聚体氮库及其分布1)

曹伟李露赵鹏志王恩姮

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

摘要为了研究黑土区不同土地使用类型团聚体氮库及其分布，以东北黑土区坡耕地、退耕还落叶松林地、樟子松人工林地土壤作为研究对象，结合不同坡位，对不同粒径团聚体内氮质量分数及总储量进行对比分析，结果表明：坡耕地以>2 mm粒径土壤团聚体为主，达到50%以上，樟子松人工林地、退耕还落叶松林地以<2 mm粒径土壤团聚体为主；各土地利用类型<0.5 mm粒径的土壤团聚体含氮质量分数均较高，但储量较低，坡下和坡中下的储量高于其他坡位；坡耕地各径级团聚体氮质量分数及总储量均为最低，总体氮库由小到大表现为坡耕地、退耕还落叶松林地、樟子松林地。坡耕地团聚体及氮库的再分布印证了耕作侵蚀的存在，退耕还林能够有效恢复黑土区氮库、维持碳氮平衡。

关键词黑土；土壤团聚体；氮储量；坡位；退耕还林

分类号S153.6+2；S714

Organic Nitrogen Pool and Its Distribution of Aggregates in Sloping Black Soils//

Cao Wei, Li Lu, Zhao Pengzhi, Wang Enheng

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(5)：63-66.

Aiming to understand the distribution pattern of nitrogen pool of sloping lands in the black soil region of Northeast China, sloping farm land, larch forest land converted from farm land, andPinussylvestrisforested land were selected to analyze characteristics of nitrogen content and storage of different aggregate sizes and slope positions for the quality assessment of black soil. The farm land was mainly composed of aggregates bigger than 2 mm, reaching more than 50%. On the contrary, larch forested land andP.sylvestrisforested land were composed of aggregate smaller than 2 mm. Nitrogen content within <0.5 mm aggregates was higher for all three lands comparing to aggregates with bigger size, while nitrogen storage was lower because of its lower composition percent, and nitrogen storage in middle-down and down slope position was relatively higher. Nitrogen content and storage of sloping farm land was the lowest, with ascending order of farm land, larch forested land, andP.sylvestrisforested land. The results confirmed the existence of tillage erosion in this region, and converting cultivated land into forest could be an effective way to regenerate soil nitrogen pool and maintain carbon-nitrogen balance of black soils.

KeywordsBlack soil; Soil aggregate; Nitrogen storage; Slope position; Converting cultivated land into forest

土壤中的氮素是作物所需的大量营养元素之一，影响作物的产量和品质[1]；在耕作过程中由于管理不善也使其成为农区最重要的非点源污染物，耕地氮素流失现象严重,尤其导致坡耕地土壤氮储量的失衡[2-3]。东北黑土区作为我国重要的商品粮生产基地，研究坡耕地、林地条件下土壤氮素分布对黑土资源的保护和退化黑土的恢复具有重要的现实意义，同时能够为黑土侵蚀与流失规律提供证据。

土壤团聚体对保持土壤结构、维持水热气肥的动态平衡具有重要作用[4]。不同土地利用类型，即不同生态系统内土壤团聚体的分布差异较大，进而影响到团聚体内部元素的转化速率，由此可见，不同径级团聚体内氮素形态与储量也必然存在差别[5-6]。王晓燕[7]等研究表明，在单一土地利用结构中,林果地地表径流中的溶解态氮浓度要比坡耕地低，林地对地表氮素的截持效率更高；同时林地可通过丰富的根系吸收地下水中的氮，加之凋落物积累养分和地下部分根系的分泌物或脱落物等共同作用，使林地土壤结构更易保水保肥[8-9]，林地丰富的凋落物使土壤有机质含量丰富，而丰富的有机质对土壤团聚体的形成和稳定具有积极影响[10]。查春梅[11]研究结果显示，土地开垦后有机氮在各级团聚体中质量分数也均有不同程度的下降；长期施肥也会影响土壤团聚体稳定性及团聚体对氮、碳的挟持能力[12]，因此，及时退耕还林或进行防护林建设对农田氮素的可持续利用以及环境保护具有积极作用。本研究以典型黑土区坡耕地、退耕还林落叶松林地、樟子松人工林地土壤为研究对象，通过对比分析相同坡度、不同土地利用方式(耕地、退耕还落叶松林14 a、樟子松人工林43 a)、各径级土壤团聚体组成比例及其氮分布与储量特征，并结合不同坡位氮素分布规律，以期阐明不同土地利用方式下坡地土壤团聚体和氮库的变化规律，为进一步优化黑土区坡地利用方式、减缓土壤侵蚀、科学评价黑土区退耕还林、防护林建设的生态效益提供理论依据。

1研究区自然概况

研究地点位于黑龙江省西北部的克山农场(48°12′～48°23′N，125°08′～125°37′E)，属克拜漫川漫岗地带，海拔240～340 m，平均坡度3°。区域内土壤类型以黏化湿润均腐土为主，属典型黑土区[13]。温带大陆性季风气候特征明显，年平均气温0.9 ℃，≥10 ℃有效积温2 296.2 ℃，年平均降水量501.7 mm，平均蒸发量1 329.4 mm，无霜期115 d，土壤冻结期从11月初至翌年6月中旬，最大结冻深度可达2.5 m。

2材料与方法

样地选择及样品采集：10月中旬作物完全收获后，选择克山农场14连队坡型(凸形坡)、坡度(2.9°～3.6°)、坡长(400 m)、坡向(正南)相同，相邻且平行分布的坡耕地(作物为玉米)、退耕还落叶松林地、樟子松人工林地为样地，分别在每个样地内沿坡的方向设置3条平行取样线作为重复，采用机械分段与自然坡位分段相结合的方法，依次间隔50 m将每条样线分为坡上、坡中上、坡中、坡中下、坡下5个坡位，每个坡位设置采样点，采集0～10 cm土层土样，每个样点取土300～500 g，合计45个样品。

指标及测定方法：将各样地内取自相同坡位的3个土样混合，约1 kg带回实验室自然风干。采用由5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm组成的套筛，干筛法测定土壤干团聚体组成；收集各粒径团聚体，研磨过0.25 mm筛，经变温消煮(150 ℃-30 min，250 ℃-60 min，380 ℃-120 min)后使用连续流动分析仪(型号：AA3，德国SEAL)测定全氮质量分数。

团聚体氮总储量的计算公式为：

式中：W为某坡位1kg土壤中团聚体全氮储量(g·kg-1)；Wi为某粒径团聚体全氮质量分数(g·kg-1)；Pi为相应团聚体组成比例(%)；n为团聚体粒径数。

数据分析:采用Office2003软件进行数据处理，使用SPSS19.0单因素方差分析LSD-t方法对数据进行差异性检验。

3结果与分析

3.1团聚体组成特征

从表1中可以发现，耕地各坡位处土壤团聚体组成比例较为相似，以大粒径(D)D>5.00 mm、5.00 mm≥D>2.00 mm团聚体为主，D<0.25 mm粒径团聚体组成比例仅为0.66%～1.60%。相同径级团聚体比例分配情况随坡位的变化呈现出不同的规律，在坡中位置2.00 mm≥D>1.00 mm、5.00 mm≥D>2.00 mm、D>5.00 mm土壤团聚体组成比例基本相似，为24%～27%，且均显著高于D<1.00 mm团聚体各比例(P<0.05)；耕地坡下D>5.00 mm、5.00 mm≥D>2.00 mm团聚体比例达到40%以上，显著高于其他坡位。退耕还林落叶松林地与樟子松人工林地各坡位小粒径团聚体组成比例有所提高，各粒径组成比例随坡位不同表现出不同规律。在落叶松纯林中，除坡中下处的规律明显不同外，其他坡位处土壤团聚体组成比例也较为相似，坡中下D>5.00 mm、5.00 mm≥D>2.00 mm团聚体比例显著低于2.00 mm≥D>1.00 mm、1.00 mm≥D>0.50 mm、0.50 mm≥D>0.25 mm团聚体(P<0.05)；与耕地相比，退耕还落叶松林地各粒径团聚体分布相对均匀，大粒径团聚体组成比例有所下降，所占比例均不超过30%。樟子松人工林地坡上、坡中上D<0.25 mm团聚体组成比例显著小于其他径级比例(P<0.05)；坡中位置D>5.00 mm团聚体比例最高，坡中上、坡中、坡下D>5.00 mm、5.00 mm≥D>2.00 mm、2.00 mm≥D>1.00 mm粒径团聚体组成比例较高，坡上、坡中下2.00 mm≥D>1.00 mm、1.00 mm≥D>0.50 mm团聚体组成比例均超过20%。且坡上、坡中下D<0.25 mm团聚体显著高于较其他坡位(P<0.05)。

通过比较3种不同土地利用类型发现，坡耕地的大粒径团聚体组成比例明显较退耕还落叶松林和樟子松林高，坡下最为明显，各坡位D<0.25 mm团聚体组成比例呈现出坡耕地、退耕还落叶松林地、樟子松人工林地不同程度升高的趋势。耕作干扰导致团聚体重新分布，不同于林地。樟子松人工林地中D<0.25 mm粒径团聚体组成比例相对较高，退耕还落叶松林地在坡中下也体现出这种规律，其他坡位的规律与耕地相似，即随着径级减小，比例逐渐降低。由此可见，退耕还林后，团聚体比例组成上逐渐从耕地模式过渡到林地模式。

3.2氮质量分数

不同土壤团聚体内因为有机质组成及其转化速率不同，土壤团聚体的氮素分布也会随之有所变化[14]。各粒径团聚体内全氮质量分数随坡位的变化规律如表2所示，各粒径团聚体氮质量分数没有太大差异，樟子松人工林地各粒径团聚体在各坡位全氮质量分数始终维持在较高水平，平均变化范围为0.67～2.57 g·kg-1，坡耕地和退耕还落叶松林地全氮质量分数较低，变化范围在0.20～1.61 g·kg-1。坡耕地不同坡位氮质量分数没有明显规律，但在坡下、坡中下位置各粒径团聚体氮质量分数均保持较高水平，退耕还落叶松林地和樟子松人工林地氮质量分数分布规律基本一致，除退耕还落叶松林地1.00 mm≥D>0.50 mm粒径团聚体外均表现出坡下高于坡上的一致性规律。从表2中可以看出，坡下位置氮质量分数较高，在樟子松人工林地中表现最为明显，说明在自然条件下坡下位置的氮质量分数要高于其他坡位的。

表1　不同样地不同坡位土壤团聚体组成比例

注：不同大写字母表示同行数据之间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示相同样地类型内同列数据之间差异显著(P<0.05)。

表2　不同样地不同坡位土壤团聚体氮素质量分数

注：不同大写字母表示同行数据之间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示相同样地类型内同列数据之间差异显著(P<0.05)。

3.3氮储量及其规律

如表3所示，耕地氮储量平均值变化于0.38～0.70 g·kg-1，各坡位氮储量差异不显著；落叶松退耕还林地氮储量平均值变化于0.49～1.01 g·kg-1，从坡中上至坡下呈缓慢增加趋势，差异显著；樟子松人工林地氮储量平均值变化于0.99～1.61 g·kg-1，坡下氮储量最高且显著高于其他坡位，其他坡位之间氮储量差异不明显。在坡上位置各样地的氮储量较为接近，无明显差异；其余坡位樟子松人工林地均显著高于坡耕地和退耕还落叶松林地，在坡中、坡下处3个样地氮储量差异较大，均达到显著水平。团聚体氮库总体规律由小到大表现为坡耕地、退耕还落叶松林地、樟子松人工林地。

表3　不同土地使用类型土壤氮储量

注：不同大写字母表示同样地不同坡位之间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示同坡位不同样地之间差异显著(P<0.05)。

4结论与讨论

坡耕地以大粒径土壤团聚体为主，D>2.00 mm团聚体组成比例均超过50%；林地土壤D<0.25 mm团聚体质量分数总体较高，虽然D>2.00 mm大粒径团聚体比例有所降低，但各粒径团聚体分布较为均匀。在D>2.00 mm粒径团聚体中氮素水平差异不大且质量分数较低，D<0.25 mm团聚体中氮质量分数较高。樟子松人工林地氮质量分数及储量均保持较高水平，其次为落叶松退耕还林地、坡耕地。樟子松人工林地、落叶松退耕还林地氮储量具有随坡位逐渐增加趋势，耕地在各坡位氮储量差异不大。

耕地、退耕还林地、人工林地内土壤团聚体组成存在明显差异，氮质量分数与总储量也不同。耕地受复杂人为活动及自然因素的共同作用，导致土壤团聚体组成比例失衡，稳定性及供肥能力下降[15]，有研究显示，长期施肥会导致土壤大团聚体比例增加[16]，Six et al.[17]研究显示，0.25 mm粒径团聚体最有利于作物生长，可以用来评价土壤的优劣，本研究发现在耕地中D>2.00 mm粒径团聚体比例较高，与前人研究结果基本符合。土壤中大团聚体比例增加对土壤氮素在团聚体中分布及矿化速率有较大影响[18-19]，土壤中氮素多富集在小团聚体及黏粒中，随土壤团聚体粒径增大而减少[20-21]。与林地相比，耕地除发生水蚀外，还会有耕作侵蚀及其与水蚀的交互作用，在多营力综合作用条件下，导致氮素分配不均匀，储量低,在发生降水时，长期施肥的耕地土壤氮素更容易受到侵蚀[22]。本研究证实，在小团聚体组成比例较高的樟子松人工林地中各粒径团聚体氮质量分数、储量均表现为高于耕地，退耕还林落叶松13 a的林地土壤储氮能力介于樟子松人工林地和耕地之间，与陈恩凤等[14]研究结果相符。但同样小团聚体组成比例较高的落叶松退耕还林地的各粒径氮质量分数与坡耕地相比并没有很大的差异，个别坡位耕地团聚体氮质量分数高于退耕还林落叶松林地，由此可见，退耕还林能有效改善土壤结构，但对养分的积累作用不明显或积累缓慢，可进一步研究退耕还林后氮素形态、微生物及酶活性变化等，为退耕还林效益评价提供理论依据。

耕地土壤中易保持养分的小粒径团聚体在耕作过程中被破坏或流失，不能高效的保持养分，本研究也显示，耕地氮储量低，且在各个坡位氮储量差异均不显著。而耕地大团聚体在坡下位置聚集，也间接印证了耕作侵蚀的存在。从氮储量结果中可以发现，无论是林地还是耕地坡中下、坡下位置的氮储量最高，且在落叶松退耕还林地和樟子松人工林中各样地在坡下位置氮储量显著高于坡上、坡中上、坡中，说明在具有一定坡度的林地中依旧存在明显的侵蚀。在一般情况下，发生雨水侵蚀时小粒径团聚体易随径流损失[23],且在坡下位置会发生一定程度的积聚[24]，水蚀可能是造成林地氮储量分布差异的主要原因。

参考文献

[1]徐俊增，彭世彰，魏征，等.不同供氮水平及水分调控条件下水稻光合作用光响应特征[J].农业工程学报，2012，28(2)：72-74.

[2]黄益宗，冯宗炜，张福珠.农田氮损失及其阻控对策研究[J].中国科学院研究生院学报，2000，2(2)：48-58.

[3]黄丽，丁树文，董舟，等.三峡库区紫色土养分流失的试验研究[J].土壤侵蚀与水土保持学报，1998，4(1)：8-13.

[4]姜学兵，李运，欧阳竹，等.免耕对土壤团聚体特征以及有机碳储量的影响[J].中国生态农业学报，2012，20(3)：270-278.

[5]李忠佩，杨德涌.不同利用年限红壤水稻土有机碳和养分含量的粒径分布变化[J].土壤学报，2009，46(1)：70-77.

[6]CHRISTENSEN B T. Physical fractionation of soil organic matter in primary particle size and density separates[J]. Advances in Soil Science,1992,20:1-89.

[7]王晓燕，王一峋.密云水库小流域土地利用方式与氮磷流失规律[J].环境科学研究，2003，16(1)：30-33.

[8]姜培坤，周国模，钱新标.侵蚀型红壤植被恢复后土壤养分含量与物理性质的变化[J].水土保持学报，2004，18(1)：12-14.

[9]GREENWOOD K L, MACLEOD D A, HUTCHINSON K J. Long-term stoking rate effects on soil physical properties[J]. Australian Journal of Experimental Agriculture，1997，37(4)：413-419.

[10]TISDALL J M, OADES J M. Organic matter and waters table aggregates in soil[J]. Soil And Science,1982,33(1):141-161.

[11]查春梅.土地利用方式对棕壤及其微团聚体中有机碳、氮、磷库的影响[D].沈阳：沈阳农业大学，2008.

[12]Mikha M M, HERGERT G W， BENJAMIN J G, et al. Long-term manure impacts on soil aggregates and aggregate-associated carbon and nitrogen[J]. Soil and Water Management and Nitrogen,2015,79(2):626-636.

[13]龚子同.中国土壤系统分类：理论、方法、实践[M].北京：科学出版社，1999：474-479.

[14]陈恩凤，周礼恺，邱凤琼.土壤肥力实质的研究[J].土壤学报，1985，22(2)：113-119.

[15]于磊，张柏.中国黑土退化现状与防治对策[J].干旱区资源与环境，2004，18(1)：99-103.

[16]刘毅，李世清，李生秀.黄土高原不同类型土壤团聚体中氮库分布的研究[J].中国农业科学，2007，40(2)：304-313.

[17]SIX J， ELLIOTT E T， PAUSTIAN K. Soil structure and soil organic matter II. A normalized stability index and the effect of mineralogy[J]. Soil Science Society America Journal，2000，64(3)：1042-1049.

[18]孙天聪，李世清，邵明安.长期施肥对褐土有机碳和氮素在团聚体中分布的影响[J].中国农业科学，2005，38(9)：1841-1848.

[19]逄蕾，黄高宝.不同耕作措施对旱地土壤有机碳转化的影响[J].水土保持学报，2006，20(3)：110-113.

[120]LEINWEBER P, REUTER G. The influence of different fertilization practices on concentrations of organic carbon and total nitrogen in particle-size fractions during 34 years of a soil formation experiment in loamy marl[J]. Biol Fert Soils,1992,13(2):119-124.

[21]朱兆良.中国土壤氮素研究[J].土壤学报,2008，45(5)：780-782.

[22]BOURAIMA A K, HE B H, TIAN T Q. Runoff, nitrogen (N) and phosphorus (P) losses from purple slope cropland soil under rating fertilization in Three Gorges Region[J]. Environ Sci Pollut Res,2016,23(5):4541-4550.

[23]PALIS R G, OKWACH G, ROSE C W. Soil erosion processes and nutrientloss[J]. Australian Journal of Soil Research,1990,28:623-639.

[24]张合兵，聂小军，程静霞.137Cs示踪采煤沉陷坡土壤侵蚀及其对土壤养分的影响[J].农业工程学报，2015,37(4)：137-143.

收稿日期：2015年11月 11日。

第一作者简介：曹伟，女，1994年4月生，东北林业大学林学院，本科生。E-mail:vivi4587@163.com。通信作者：王恩姮，东北林业大学林学院，副教授。E-mail: erxin222@163.com。

1)国家科技支撑计划课题(2015BAD07B05)、国家林业公益性行业科研专项(201404202)、国家自然科学青年科学基金项目(41302222)、大学生创新训练计划项目(201410225067)。

责任编辑：任俐。