黄土丘陵区植被恢复及坡向对土壤SON含量的影响

赵满兴，曹阳阳，白二磊，王文强，邢英英，张晓曦

（延安大学生命科学学院，陕西延安 716000）

土壤可溶性有机氮（soluble organic nitrogen，SON）是土壤系统中最活跃的部分，能直接或经过转化后被植物和微生物吸收利用，在土壤生态系统氮循环中有着重要作用[1-2]。

自从国家实施退耕还林政策以来，陕北黄土丘陵区植被覆盖率得到明显提高[3-4]，土壤中的有机质的含量、种类及质量也有了极大的改变和丰富，这对该区域的氮素循环有着深远的影响[5]。有研究表明，不同植被恢复模式对土壤氮素的影响存在显著差异[6]。人工林地中SON 及有机质含量随林龄的增大而增大，人工林地中的SON 含量是不容忽视的氮素组成部分[7]。研究表明，黄土丘陵区植被恢复显著增加了0～30 cm 土层中土壤SON 及其占可溶性全氮的比例和有机质的含量，且随着土层深度的加深，效果下降[8]。SON 与土壤其他理化性质存在不同程度的相关性[9]。有研究表明，地形条件（如坡向）也对土壤SON 含量有显著影响[10-11]。黄土丘陵区沟壑纵横，其破碎的地形形成的坡向差异必然导致土壤理化性质发生变化从而进一步影响土壤SON 含量。目前，关于黄土高原SON 的研究多集中于单一林分或农田土壤对SON 含量的影响[12]，关于不同植被类型（乔木、灌木和草地）及坡向对土壤SON 含量及其与土壤养分的关系等方面研究有待加强。

沙棘（Hipophae rhamnoides）是陕北退耕还林树种之一，其有很强的固氮能力，杏树（Prunus armeniaca）也是陕北常见的树种，草地为退耕后自然形成。黄土高原地区植被恢复为土壤提供了大量的有机质来源，由此可以做出不同植被恢复模式增加了土壤SON 含量且差异显著以及不同土层、坡向对土壤SON 积累具有显著影响的推断。为了验证此推断，本文以志丹县永宁镇不同植被恢复类型土壤作为研究对象，以耕作区玉米农田为对照，研究不同植被恢复类型（乔木、灌木和草地）、不同土层及坡向SON 含量及其与土壤养分的关系，以期为深入研究该区域不同植被恢复类型对土壤SON 含量及行为的影响提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究样地选择在陕西省延安市志丹县永宁镇洛河流域（36°32'N，108°45'E），当地属典型陕北黄土高原丘陵沟壑区，海拔1 124～1 304 m，气候分类属高原大陆性季风气候，多年平均气温7.8 ℃；年平均降雨量450～490 mm，蒸发量1 000 mm，年平均无霜期140 d。土壤分类为黄土母质上形成的黄绵土。该地区从1999年开始退耕还林工作，林草面积显著增加，主要种植的木本植被类型有沙棘、杏树、刺槐（Robinia pseudoacacia）和油松（Pinus tabuliformis）等，野生荒草地草本植物类型主要有黑麦草（Lolium perenne）、西北针茅（Stipa sareptana）和狗尾草（Setaria viridis）等，耕地主要为玉米（Zea mays）等人工种植的经济作物。

1.2 土壤样品采集和分析

供试土样于2017年3月8日采集于延安市志丹县永宁镇的人工造林区域，分别选择不同人工林草地作为研究对象，并以常年种植玉米地农田作为对照，样地基本情况见表1。在每个人工林草地，划定3 个10 m×10 m 的样方，在样方内采用随机抽样的方法按蛇形路线选取3 个样点进行采样，每个样点按照纵深采集 0～10 cm 的表土、10～20 cm 的中层土以及20～40 cm 的深层土，每层土样分别混合均匀，装袋、编号、记录，带回实验室分析，采集的土样自然风干，用2 mm 直径的筛子过筛，拣去杂质，用四分法取样，样品用于土壤基础指标的测定。

测定项目包括土壤可溶性总氮（TSN）、硝态氮、铵态氮、可溶性有机氮（SON）、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾，土壤基础指标按照《土壤农化分析》[13]一书进行测定。

1.3 数据处理及统计分析

使用SPSS20.0 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α=0.05。

表1 供试样地基本概况Table 1 Basic characteristics of soil sampling

2 结果与分析

2.1 土壤可溶性有机氮含量

研究表明，沙棘林在增加土壤SON 含量方面优于杏树林及草地。同种植被类型不同土层土壤SON含量无显著差异，土壤SON 占可溶性总氮比例随土层深度变化规律不一致，不同土层间有显著差异。阳坡土壤SON 含量显著高于阴坡。阴坡沙棘林和杏树林土壤SON 含量反而低于玉米农田，表明植被恢复对土壤SON 含量的增加与树种和坡向有关（表2）。

相同坡向，不同树种，沙棘林SON 含量显著高于杏树林。其中0～10 cm 土层，阳坡沙棘、阳坡杏树林及草地在增加SON 含量方面显著高于阴坡沙棘和阴坡杏树林。草地、玉米农田及阴坡沙棘SON 占可溶性总氮的比例显著高于阳坡沙棘林以及阴、阳坡杏树林；10～20 cm 土层，阳坡沙棘林在增加SON含量方面显著最高，阳坡杏树林、草地与玉米农田无显著差异，阴坡杏树林含量显著最低。草地及玉米农田SON 占可溶性总氮的比例显著高于其余植被类型土壤，且其余植被类型土壤SON 含量无显著差异；20～40 cm 土层，阳坡沙棘林在增加SON 含量方面显著最高，玉米农田，阳坡杏树林以及阴坡沙棘林含量次之，阴坡杏树林土壤SON 含量显著最低。各植被类型土壤SON 占可溶性总氮的比例差异显著。总体上阳坡沙棘林，阴、阳坡杏树林土壤SON占可溶性总氮比例随着土层加深而增加，其他植被恢复类型土壤SON 占比随着土层加深而降低，且达到显著水平。同一植被，不同土层间土壤SON 含量无显著差异，但同一土层，不同树种间达到显著差异水平。阳坡沙棘林和杏树林SON 含量均显著高于阴坡沙棘林和杏树林。

表2 土壤可溶性有机氮含量Table 2 Content of soil soluble organic nitrogen

2.2 供试土样基本性状

6 种供试土样有机质含量差异显著（表3），其中在0～10 cm 土层，阴坡沙棘林及草地有机质含量显著最高。阴坡及阳坡杏树林次之、阳坡沙棘林再次之，农田土壤有机质含量显著最低（11.7 g/kg）；10～20 cm 土层，阴坡沙棘林有机质含量显著最高（23.0 g/kg）。阳坡沙棘、草地以及玉米农田土壤次之，阴坡杏树林再次之，阳坡杏树林显著最低。同种植被阴坡有机质积累量显著高于阳坡；20～40 cm 土层，玉米农田有机质含量显著最高，阳坡沙棘林次之，阴坡杏树林再次之，阴坡沙棘林、阳坡杏树林以及草地有机质显著最低。除玉米农田外各植被类型土壤有机质含量表现出随土层深度增加而显著减少的趋势。0～10 cm 土层，玉米地有机质显著地低于草地和林地，相差50%左右，这与玉米农田因为收获物带走土壤部分养分，归还较少有关。可见，在0～10 cm 土层，草地和林地在增加土壤有机质方面有显著效果。

6 种供试土样碱解氮含量差异显著（表3），其中在0～10 cm 土层，阴坡沙棘林碱解氮含量显著最高（169.9 mg/kg），草地次之，阳坡沙棘和阳坡杏树林以及阴坡杏树林再次之，玉米农田碱解氮显著最低（71.9 mg/kg）；10～20 cm 土层，阴坡沙棘林碱解氮含量显著最高（165.2 mg/kg），阳坡沙棘林次之，阴坡杏树林和农田再次之，阳坡杏树林及草地土壤碱解氮含量显著最低，同种植被阴坡碱解氮积累量显著高于阳坡；20～40 cm 土层，阳坡沙棘林碱解氮含量显著最高，草地次之，玉米农田再次之且显著高于阴坡杏树林，阴坡杏树林碱解氮含量显著高于阴坡沙棘林及阳坡杏树林。除草地外各植被类型土壤碱解氮含量表现出随土层深度增加而显著减少的趋势。0～10 cm 土层，玉米农田碱解氮显著地低于草地和林地。可见，在0～10 cm 土层，草地和林地在增加土壤碱解氮方面有显著效果。

6 种供试土样速效钾含量差异显著（表3），其中在0～10 cm 土层，阴坡沙棘林速效钾含量显著最高，阴坡杏树林次之，草地再次之，阳坡沙棘林和杏树林以及农田土壤速效钾含量显著最低，同种植被阴坡速效钾积累量显著高于阳坡；10～20 cm 土层，阳坡沙棘林速效钾含量显著最高，阳坡杏树林次之，草地再次之，阴坡沙棘林和杏树林及玉米农田土壤速效钾含量显著最低，同种植被阳坡速效钾积累量显著高于阴坡；20～40 cm 土层，各植被间土壤速效钾含量差异显著，含量从高到低依次为：阳坡沙棘林＞阴坡杏树林＞阴坡沙棘林＞阳坡杏树林＞草地＞玉米农田。各植被类型土壤速效钾含量表现出随土层深度增加而显著减少的趋势。

6 种供试土样有效磷含量差异显著（表3），其中在0～10 cm 土层，阴坡沙棘林土壤有效磷含量显著最高（29.0 mg/kg），阳坡沙棘林及玉米农田次之，草地及阳坡杏树林再次之，阴坡杏树林土壤有效磷含量显著最低（2.2 mg/kg）；10～20 cm 土层，阴坡沙棘林土壤有效磷含量显著最高，草地及阴坡杏树次之，玉米农田及阳坡杏树林再次之，阳坡沙棘林土壤有效磷含量显著最低，同种植被阴坡有效磷积累量显著高于阳坡；20～40 cm 土层，阴坡沙棘林土壤有效磷含量显著最高，阳坡沙棘林及草地次之，玉米农田阴坡杏树林再次之，阳坡杏树林土壤有效磷含量显著最低。

2.3 SON与土壤理化性质相关分析

土壤SON 与可溶性总氮在各个土层都达到了显著正相关水平，土壤SON 与土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾均未达到显著相关水平（表4）。

3 讨论与结论

本研究表明，不同植被恢复类型土壤SON 含量均值为155.75 mg/kg、土壤SON 占可溶性总氮84%左右与相关研究结果[8，14-21]显示土壤SON 含量范围在24.75～352 mg/kg、占可溶性总氮5.1%～96%相一致。退耕17年的沙棘林、杏树林和草地的土壤SON含量得到显著提高，尤其是0～10 cm 土层表现明显，这与杨绒等[22-25]研究相似。这主要是由于随着植被覆盖率逐渐恢复和提高[26]，枯落物和根系腐解物在土壤中积累，土壤有机质明显增加，从而导致土壤氮素显著增高[27-28]。其次表层土壤受枯落物的直接影响，微生物量显著高于深层土壤，对于枯落物的分解有利于表层土壤SON 的积累[29-31]。

表3 供试土壤基本性状Table 3 Basic chemical properties of the soils

（续表3）

本研究中黄土丘陵区不同植被恢复类型之间土壤SON 含量差异显著，这与当前的很多报道结论相似。例如：夏江宝等[32]研究结果表明，黄河三角洲不同造林模式下土壤SON 含量差异显著，同时发现表层土壤SON 与深层土壤之间也有显著差异。Chen C.R.等[15]报道澳大利亚亚热带森林土壤SON存在显著差异时，也归结于植被类型不同等。不同树种间土壤SON 含量差异显著，除受凋落物种类[33]、微生物类型、微生物量及其代谢水平[19]原因影响外，还受到植物生长季以及乔灌草减流效益的影响[34]，影响土壤SON 含量的因素较为繁杂，导致所研究的土壤SON 含量存在显著差异。本研究表明，与玉米农田相比，沙棘林土壤SON 含量提升效果最为明显，其次为杏树林，草地在10～40 cm 土层未达到提升水平，表现为灌木＞乔木＞草地。这与肖好燕等[11]的研究结果相似。这与沙棘林有较强的固氮能力，而杏树林固氮能力弱有关。

阳坡土壤SON 高于阴坡，但土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量表现为阴坡高于阳坡，表明阴坡能积累更多的土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾等养分，这与聂莹莹等[35]研究结果相似，这是由于阳坡与阴坡光照的不同引起土温的差异[12，36]，从而进一步导致土壤含水量的不同，使得阴坡与阳坡物种多样性存在显著差异，表现为阴坡植物枝叶繁茂，枯枝落叶较多，归还给土壤的养分较多[10]。

本研究发现，土壤SON 与可溶性总氮在各个土层都达到了显著正相关水平，土壤SON 与土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾均未达到显著相关水平，这与其他学者的研究结论不一致，一些学者认为土壤SON 与土壤有机质具有显著正相关关系[37-38]，具体原因有待进一步分析。

综上所述，黄土丘陵区植被恢复显著地增加了土壤SON 含量，土壤氮素状况得到一定的改善，土壤质量有了明显的提高。今后应进一步研究SON 组分及时空变化特征，为全面了解SON 在土壤中的作用提供依据。

植被恢复显著地增加黄土丘陵区SON 含量，尤其是0～10 cm。与玉米农田相比，沙棘林土壤SON含量提升效果最为明显，其次为杏树林，草地在10～40 cm 土层未达到提升水平。土壤SON 占可溶性总氮的比例平均为84%，草地的比例最高。不同植被恢复类型间土壤SON 差异显著。同一植被、不同土层间土壤SON 含量无显著差异，此外受坡向的影响，阳坡比阴坡土壤SON 含量高。表明退耕还林对土壤SON含量的增加与树种和坡向有关。相关分析表明，土壤SON 与可溶性总氮呈现显著正相关关系，与土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾没有达到显著相关水平。综上，植被恢复能够增加土壤SON 含量，但恢复植被以沙棘林的效果最好，坡向以阳坡的效果最好。