不同恢复年限退化土壤有机氮组分变化特征

2021-03-09郭宝玲郑祥洲余居华丁洪骆社周张玉树

生态环境学报 2021年1期

郭宝玲，郑祥洲，余居华，丁洪，骆社周，张玉树*

1.福建农林大学资源与环境学院，福建福州 350002；2.福建省农业科学院土壤肥料研究所，福建福州 350013

土壤退化是当今全球重大的环境问题之一，它不仅降低土壤肥力，影响农业生产发展，同时破坏生态系统平衡、加剧环境恶化，危害人类健康（翁伯琦等，2013）。水土流失是最主要的土壤退化形式，中国南方红壤丘陵区地处亚热带季风气候区，高强度的降雨和不合理开发利用导致水土流失问题严重（潘俊等，2019；王昭艳等，2011）。据调查统计，南方红壤丘陵区中水土流失面积达 13.12万平方千米，约占南方红壤丘陵区所调查总面积的15.06%（梁音等，2008）。长汀县曾是中国南方红壤区水土流失最严重的区域之一，其水土流失面积广、历史久远（林娜等，2013；王维明等，2005），该地区植被稀少、覆盖率低、生态系统服务功能严重退化（张欣影等，2017）。植被恢复是生态系统恢复重建的有效途径（窦晓琳等，2012）。大量研究表明，植被恢复不但能够增加地表覆盖率，减少水土流失，而且可以改善土壤特性，改良土壤质量（刘占锋等，2007；吴建平等，2017）。植被恢复还能有效促进退化土壤修复（贾志清，2006；Zhu et al.，2010），是提高土壤肥力的有效途径之一（Huang et al.，2015；张俊华等，2003），对土壤氮素等养分循环会产生重大影响（Chen et al.，2017；赵溪等，2010）。从上世纪 80年代初，长汀县开始大力开展水土流失植被治理工作，促进植被恢复与重建（王维明等，2005），形成一系列不同年限的退化恢复土壤，成为退化土壤生态恢复过程相关研究的理想的研究材料。

目前对于植被恢复过程的研究主要集中在土壤碳氮养分累积（张宁宁等，2019；聂阳意等，2018；Rutigliano et al.，2004）、氮矿化（黄桥明等，2020）、持水性和水分有效性（张永旺等，2020）以及土壤微生物（马志阳等，2008）等方面，对于土壤有机氮组分变化研究较少。然而，氮素是陆地生态系统生产力的重要限制因子（Gant，2014），是作物生长发育的必需元素（Duan et a1.，2017），其有效性受到有机氮化学形态和赋存状况的制约（巨晓棠等，2004）。土壤有机氮作为土壤氮素的重要组成部分（Schulten et al.，1997），与土壤供氮潜力息息相关，不仅能维持土壤氮素肥力，还直接决定土壤供氮能力（张永全等，2015）。有机氮还是土壤中矿质氮的源和库，在氮素养分循环过程中具有极其重要的意义（党亚爱等，2015；李世清等，2004；吴汉卿等，2018；张玉玲等，2012）。按化学形态分，土壤有机氮可分为酸解氨态氮、酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮及酸解未知态氮（Bremne，1965）；这些组分的构成比例直接或间接影响土壤有机氮矿化难易程度和氮素有效性（张玉玲等，2012）。因此，研究植被恢复土壤的有机氮组分形态变化，对于退化土壤氮素管理具有重要意义，可为土壤退化区植被恢复重建和土壤固氮潜力提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于福建长汀县河田镇，属于典型的亚热带季风气候区。该区域年均气温为18.3 ℃，年平均降雨量为1730 mm，主要土壤类型为发育于酸性花岗岩母质的红壤，抗侵蚀能力低，地带性植被严重破坏，经过治理植被覆盖率由15%—35%提高到65%—91%（张秋芳等，2016）。本研究选取土壤母质和成土条件相同、地形和地表生态过程以及植被恢复手段相似的 5个不同恢复年限的试验样地，样地治理前的土壤侵蚀状况以及土壤有机氮含量与侵蚀裸地基本一致。因此，不同恢复年限马尾松林土壤有机氮组分的差异主要由植被恢复和治理措施引起的植物生长条件及土壤生态过程的差异造成。

1.2 土样采集与分析

于2018年3月在不同植被恢复阶段样地设置5个处理（图1），1—3采样点为未治理的裸地（R0），4—6、7—9、10—12和13—15 4组采样点分别为恢复7、17、23、35 a马尾松人工林（分别简称为R7、R17、R23和R35）。其中裸地（R0）为未治理的严重土壤侵蚀地，表层土壤流失殆尽，B层暴露，尚有马尾松（Pinusmassoniana）及少量芒萁（Dicranopterisdichotoma）稀疏存在。R7、R17、R23和 R35分别于 2011、2001、1995、1985年开始治理，R7、R17、R23和R35治理前本底条件与R0基本一致，现存植被以人工种植的马尾松为主，林下植被以芒萁覆盖为主，坡度为15°—21°。每个采样点设置3个10 m×10 m的标准样方，采样前先移除表层枯枝落叶，再用土钻在样地内随机取5个0—20 cm土壤样品，15个子样品混匀后作为一个样品。取样后，从新鲜土壤样品中剔除根和植物残体，风干后用于土壤基本理化性质和有机氮组分的测定，土壤基本理化性质见表1。

图1 取样点位置示意图Fig.1 Location of sample sites

表1 土壤基本理化性质Table 1 Soil properties of different restoration ages

1.3 分析方法

土壤基本理化性质参照土壤农化分析方法（鲁如坤，2000）测定。土壤有机氮组分测定采用Bremner法（Bremner，1965）。其中，采用凯氏定氮法测定土壤全氮和酸解性氮含量；分别采用MgO蒸馏法、磷酸-硼砂缓冲液蒸馏法、茚三酮氧化和磷酸-硼砂缓冲液蒸馏法测定氨态氮、氨态氮+氨基糖态氮以及氨基酸态氮含量；利用差减法计算氨基糖态氮、未知态氮和非酸解性氮含量。

1.4 数据统计

采用SPSS 13.0、Origin 8.5和Excel软件进行统计分析，单因素方差分析（One-way ANOVA）和邓肯（Duncan）检验来判断差异显著性；相关关系分析采用皮尔森相关系数（Pearson correlation analysis）和回归分析（Regression analysis）。

2 结果与分析

2.1 土壤有机氮组分随植被恢复年限的变化规律

研究结果显示（表 1），土壤有全氮含量随着恢复年限的增长而增加（P＜0.05），R7、R17、R23、R35的全氮含量相较于 R0分别提高 0.18、0.26、0.28、0.39 g·kg−1，增幅分别为 2.57、3.71、4.00、5.57倍。表2显示，土壤中全氮主要以酸解性氮形态存在，占全氮 51.2%—84.7%，非酸解性氮占15.3%—48.8%；植被恢复过程中土壤酸解性氮组分含量随恢复年限的延长呈增加趋势。其中，R7、R17、R23、R35的氨态氮含量分别比R0提高1.0、1.0、1.7、3.0倍，氨基酸态氮含量分别比R0提高1.9、2.1、3.0、5.0倍，酸解未知态氮含量分别比R0提高 1.4、1.4、2.1、4.8倍，且增幅随着恢复年限的延长而提高，其中氨基酸态氮含量的增幅最大。植被恢复后土壤氨基糖态氮含量显著提高，但与恢复年限没有明显相关性。植被恢复降低氨态氮组分占酸解性总氮的比例，提高氨基酸态氮组分占酸解性总氮比例。其中，R7、R17、R23和R35的氨态氮组分占酸解性总氮比例分别比 R0降低了 4.8%、3.8%、1.9%、2.8%，氨基酸态氮组分占酸解性总氮比例分别提高 2.5%、6.6%、9.1%、7.8%。植被恢复过程提高非酸解氮比例，降低酸解性氮比例，但土壤中酸解性氮和非酸解性氮含量均随全氮含量的提高而显著提高（图 2，P＜0.01）。非线性回归分析表明（图2，P＜0.01），在植被恢复35年范围内，土壤中酸解性氮含量表现为恢复初期增加缓慢，后期迅速增长，而非酸解性氮含量前期快速提高，后期趋于平缓。

表2 不同恢复年限对土壤酸解性氮和非酸解性氮的影响Table 2 Effect of different restoration ages on acid hydrolysable N and non-acid hydrolysable N in soils

图2 土壤全氮与酸解性氮和非酸性氮含量的关系Fig.2 Relationship of total N with acid hydrolysable and non-acid hydrolysable N in soils

2.2 不同恢复年限下土壤有机氮组分结构的变化规律

各恢复阶段土壤酸解性总氮中各组分比例大小顺序均为氨基酸态氮＞酸解未知态氮＞氨态氮和氨基糖态氮。相关分析结果表明（图3，P＜0.01），酸解性总氮含量与氨态氮、氨基酸态氮和酸解未知态氮含量呈显著线性关系。线性回归斜率表明，不同恢复年限土壤增加的酸解性总氮中12.4%为氨态氮、47.3%为氨基酸态氮、35.2%为酸解未知态氮、5.1%为氨基糖态氮。由此可见，在酸解性氮组分中，氨基酸态氮占主导地位。

图3 土壤酸解性总氮与有机氮组分含量的关系Fig.3 Relationship of acid hydrolysable N with organic N components in soils

图4显示，不同恢复年限土壤有机氮各组分分布比例不同。R0有机氮组分占全氮比例排序为氨态氮＜氨基糖态氮＜非酸解性氮＜未知态氮＜氨基酸态氮，随着恢复年限的增长，土壤有机氮组分占全氮比例顺序也随之发生变化，恢复 35年后的有机氮占全氮的比例大小顺序为氨基糖态氮＜氨态氮＜未知态氮＜氨基酸态氮＜非酸解性氮。与R0相比，R7、R17、R23和R35的非酸水解性氮占全氮的比例呈上升趋势，氨态氮、氨基酸态氮和未知态氮占全氮的比例呈下降趋势。

图4 不同恢复年限土壤有机氮组分占全氮的比例Fig.4 Proportion of organic N components in soil with different vegetation restoration ages

2.3 不同恢复年限下土壤有机碳对有机氮组分变化影响

研究结果显示，土壤有机碳含量随植被恢复年限的延长而递增（表 1），易矿化有机氮和难矿化有机氮含量与土壤有机碳呈显著正相关（图 5，P＜0.01），线性回归斜率表明，土壤难矿化有机氮的增量大于易矿化有机氮，约是其2倍，其中易矿化氮包括氨态氮、氨基酸态氮和氨基糖态氮，难矿化氮为酸解未知态氮和非酸解性氮（付会芳等，1992；张玉树，2015）。

图5 土壤难、易矿化有机氮与有机碳含量的关系Fig.5 Relationship of labile organic N or recalcitrant organic N with organic carbon in soils

3 讨论

本研究表明，土壤有机碳、全氮和有机氮各组分含量均随植被恢复年限的延长而提高（表1、2）。这与张宁宁等（2019）的研究结果一致，认为植被覆盖和恢复重建有利于土壤氮素养分累积。与祼地相比氮素含量提高的主要原因是植被恢复过程中可以通过枯枝落叶和根系分泌物为土壤提供氮素，提高土壤氮的输入（聂阳意等，2018；Rutigliano et al.，2004）。枯枝落叶和根系残渣的输入也提高了土壤有机碳含量，进而提高土壤无机氮同化过程（Zheng et al.，2020a）。这也加速土壤无机氮转化为有机氮并贮存于土壤中，增强土壤氮贮存能力，减少氮素损失。此外，我们前期研究发现，植被恢复显著提高土壤中固氮菌功能基因Alphaproteobacteria丰度（Zheng et al.，2020b），因此土壤生物固氮途径可能也是氮含量提高的原因之一。

大量研究表明，有机态氮是土壤氮素的主要存在形态，也是矿质氮的源和库，因此，土壤供氮能力是不同有机氮组分在土壤中矿化的综合表现（伍玉鹏等，2015）。土壤中最主要的有机氮形态是酸解氨态氮和氨基酸态氮，其含量与有机氮的矿化速率呈线性相关，被认为是土壤易矿化有机氮的主要来源（李菊梅等，2003；吴汉卿等，2018；Zhang et al.，2006）。本研究结果显示，随着恢复年限的延长，酸解氨态氮含量总体呈递增趋势，表明土壤供氮能力增强。酸解氨基酸态氮是土壤微生物和当季植物吸收利用的有效氮的主要来源，与微生物代谢活动紧密相关（Werdin-pfinsterer，2009），常被用于表征土壤供氮潜力（吴汉卿等，2017；吴汉卿等，2018）。本试验结果发现，土壤中全氮主要以酸解性氮形态存在，占51.2%—84.7%。恢复年限延长提高了土壤氨态氮、氨基酸态氮含量，其中氨基酸态氮含量幅度最大（表 2），这表明植被恢复提高了土壤的供氮潜力。Abdelrahman et al.（2016）研究结果表示，酸解氨基酸态氮可以作为土壤有机质降解的指示指标，其含量的增加可能主要来源于土壤中有机质的降解，而有机质主要来源于植被恢复过程中枯枝落叶和根系残渣的输入。酸解氨基糖态氮的变化规律则不明显，Wang et al.（2010）的研究也表明，酸解氨基糖态氮与土壤全氮和矿质氮之间不相关。本试验研究还表明土壤有机碳与有机氮呈极显著相关，土壤中碳、氮的相互关系是通过微生物连接起来的，而土壤微生物的活性对于土壤有机碳的分解非常重要（刘景双等，2003），土壤有机氮各组分变化的原因可能是由于，植被恢复过程中提高土壤有机碳含量，微生物活性增强，引起有机氮各组分产生变化。

研究结果表明，恢复年限延长提高了土壤酸解未知态氮和非酸解性氮含量（表 2），且植被恢复有利于提高土壤非酸水解性氮比例（图 4）。非酸解氮组分为稳定性氮形态，其含量的提高有利于提高土壤氮固持能力，降低生态系统氮素损失（聂阳意等，2018）。张玉树等（2014）研究也认为，非酸解性氮分配比例增加导致土壤有机氮矿化速率下降，但有利于提高土壤氮贮存能力。此外，研究结果还显示，植被恢复过程中土壤所增加的有机氮在酸解与非酸解性氮两者之间的分配比例具有明显差异，土壤中酸解性氮含量在植被恢复早期增加缓慢，后期迅速增长，而非酸解性氮含量则相反（图2）。这表明，退化土壤恢复后期土壤易矿化氮含量增加，供氮能力提高，而植被恢复早期更有利于促进非酸水解性氮素累积于土壤中。然而，非酸解性氮属于稳定性有机氮，与酸解未知态氮联系密切（Stevenson，1982），主要以杂环氮或与杂环和芳香环结合等难分解氮化合物存在，可形成稳定结构的腐殖质，不易被矿化、不利于土壤供氮能力的提高（彭令发等，2003；Rovira et al.，2002）。由此可见，退化土壤恢复前期供氮能力较弱，有必要通过施用氮肥维持植物生长，促进植被重建。本研究结果显示，易矿化氮和难矿化氮含量与土壤有机碳呈显著正相关（图 5，P＜0.01），且根据线性回归斜率显示，较难矿化氮的增量大于易矿化氮，表明难矿化氮的氮库增加，土壤氮贮存能力提高。图 4显示，非酸解性氮和酸解未知态氮二者占全氮的比例之和随着植被恢复年限的延长呈先增后减的趋势，表明植被恢复前期增加难矿化氮累积，后期增加易矿化氮，供氮能力增强。在植被的恢复过程中，土壤有机碳、有机氮及其各组分含量增加，土壤pH值降低，土壤结构得到改善，可促进植物生长，改善生态环境，提高系统的生物多样性和稳定性（马志阳等，2008）。但是，为了更好地反映土壤供氮能力变化规律，退化土壤植被恢复过程有机氮组分与土壤供氮能力的关系还有待进一步研究。