沙地不同密度樟子松人工林土壤矿化氮质量分数与矿化特征1)

冯奥哲 孔涛 孙溥璠 刘紫薇 任曦玥 郑爽

(辽宁工程技术大学，阜新，123000)

氮(N)在维持森林生态系统稳定生产力的过程中起到重要作用，既是植物生长发育必需的矿质元素，也是影响根系生长的限制因子之一[1]。森林土壤是氮素的主要贮存库，氮素的主要形态为有机态氮，几乎占土壤全氮量90%以上[2]，但是只有将有机态氮转化为有效氮素才能被植物吸收利用[3-4]。土壤中有效氮主要是以铵态氮和硝态氮形式存在的矿质氮，有效氮的积累主要通过氮矿化过程实现。目前，大多数的森林生态系统存在可利用氮素缺乏的问题，因此，研究森林土壤有效氮素的转化有利于维持土壤肥力，促进植物生长。土壤氮矿化特征研究能够深入了解沙区森林系统氮素循环过程，且可以作为评价沙区森林系统功能的重要依据。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)具有耐风沙、生长快等特性，是我国北方营建水土保持林的主要造林树种。樟子松人工林的日益扩展改善了土壤的理化性质，减轻了土壤荒漠化现象[5]。学者们主要从降水、湿度、林下植被管理等方面对樟子松人工林土壤氮矿化进行了研究[6-8]，而从造林密度对沙地土壤氮矿化特征影响方面的研究较少。密度对林分生长有着重要的作用，其与水、热、光等环境因子联系密切，使林分结构、林下植被数量等发生改变[9]，并且对土壤性质、养分循环等有显著影响[10-11]。密度控制是人工林可持续性栽培的基本措施，对确定科学栽植密度及长期林业管理有着重要的指导意义[12]。本文通过对沙地不同造林密度樟子松人工林土壤氮矿化特性进行研究，为揭示沙地不同密度樟子松土壤氮的有效供给及氮素管理提供参考。

1 研究区概况

研究区位于辽宁省彰武县章古台镇(121°53′～122°22′E，42°43′～42°51′N)樟子松试验示范林，地处科尔沁沙地东南缘，是典型的风沙区。当地年平均气温5.7 ℃，最高气温为35.2 ℃，最低气温为-29.5 ℃，昼夜温差大，年均降水量为480 mm，而年蒸发量为1 325 mm，蒸发量大于降水量，且该地春冬季风大，年平均风速3.9 m/s，持续时间长，属典型的半干旱大陆性季风气候。土壤类型多为风沙土，植被较为稀疏，氮素缺乏。代表性植物有花棒(Hedysarumscoparium)、沙枣(Elaeagnusangustifolia)、山杏(Armeniacasibirica)、马唐(Digitariasanguinalis)、羊草(Leymuschinensis)、鼠李(Rhamnusdavurica)等。

2 材料与方法

2.1 样地选择及样品采集

表1 样地基本概况

2.2 测定方法

净氨化速率=(培养后铵态氮-培养前铵态氮)/时间。

净硝化速率=(培养后硝态氮-培养前硝态氮)/时间。

净矿化速率=[(培养后铵态氮+硝态氮)-(培养前铵态氮-硝态氮)]/时间。

式中：净氨化速率单位mg·kg-1·d-1，时间单位d。

2.3 数据分析

所有数据均在烘干土壤质量的基础上进行计算。运用Microsoft Excel 2010进行统计分析及绘图，SPSS 22.0软件进行数据处理。采用相关性分析检验土壤氮矿化指标与樟子松人工林地上指标与养分指标间的相关关系；采用系统聚类法对不同密度、不同土层樟子松人工林土壤氮矿化指标进行聚类；利用LSD-t检验不同数据间的差异显著性，显著性水平为0.05；采用Canoco5.0进行土壤氮矿化指标与土壤养分指标的冗余分析(RDA)。

3 结果与分析

3.1 不同密度下土壤矿化氮质量分数的变化规律

表2 不同密度和土层和矿质氮质量分数变化

表3 不同密度和矿质氮变异系数

表4 不同土层和矿质氮变异系数

3.2 不同密度下土壤净氨化速率、净硝化速率和净矿化速率的变化规律

表5是不同密度和土层的净氨化速率、净硝化速率和净矿化速率。土壤净氨化速率、净硝化速率和净矿化速率在0～100 cm土层的均值整体上随造林密度的增加先增大后减小，均在密度为1 000株·hm-2时达到最大值，分别为0.09、0.24和0.31 mg·kg-1·d-1。净氨化速率在密度为1 000株·hm-2时，与350和2 970株·hm-2之间差异显著；净硝化速率在密度为1 000株·hm-2时，与1 200株·hm-2差异不显著，与其余各密度之间差异显著；净矿化速率在密度为1 000株·hm-2时，与1 200株·hm-2差异不显著。

表5 不同密度和土层氨化速率、硝化速率、矿化速率

续(表5)

土壤净氨化速率、净硝化速率和净矿化速率随土层加深而减小，0～10、10～20、20～40 cm土层间差异性不显著。净氨化速率在40～60、60～80、80～100 cm之间无显著差异，净硝化速率和净矿化速率在40～60与60～80、80～100 cm之间具有显著性差异。0～40 cm土壤净氨化、净硝化、净矿化速率显著高于40～100 cm土壤。

3.3 不同密度、不同土层系统聚类分析

图1是采用系统聚类分析法对不同密度、不同土层的6个矿化指标进行聚类分析结果。分析结果将密度分为3类，第一类是350和750株·hm-2，第二类是1 000和1 200株·hm-2，第三类是850和2 970株·hm-2。对不同土层进行聚类分析，结果显示第一类为0～10和10～20 cm，第二类为20～40 cm，第三类为40～60、60～80和80～100 cm。从分类结果看出，该结果与前面所得结论，即6个矿化指标的变化特征基本一致。

图1 不同密度、不同土层样地聚类分析树状图

3.4 矿化指标的影响因素分析

表6 土壤矿化指标与环境因素的相关性

对土壤氮矿化指标与土壤养分因子采用冗余分析法(RDA)进行分析，结果如图2所示。土壤矿化指标与土壤养分指标有显著相关性(P<0.01)，主轴1和主轴2解释了总变异的87.3%。主轴1可以解释信息量的72.3%，350、750和825株·hm-2分布在主轴1的左侧；1 000、1 200和2 970株·hm-2分布在主轴1的右侧。主轴2解释的信息量为15%，825和2 970株·hm-2分布在主轴2的上端，350、750、1 000和1 200株·hm-2分布在主轴2的下端。通过信息解释量发现，主轴1更能指示氮矿化过程中土壤养分因子的变化。矿化指标与土壤养分指标关系表明全磷、pH和矿化指标关系与有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和矿化指标的关系相反。碱解氮、有机碳对不同密度样地矿化指标的影响较大，其中有机质与矿化指标相关性极显著。密度为2 970株·hm-2时与其他密度相比较，其与土壤养分指标间的相关性不密切。

对樟子松人工林不同土层土壤进行RDA分析，可知在不同土层条件下矿化指标具有不同的变异特征。主轴1和主轴2解释了养分～氮矿化总变异的99.75%，其中主轴1可以解释的信息量达99.16%，更好地反映了矿化指标与养分因子间的变异，主轴1把0～10、10～20、20～40 cm和40～60、60～80、80～100 cm土层区分开，而主轴2把20～40、40～60 cm和0～10、10～20、60～80、80～100 cm土层区分开。40～60、60～80、80～100 cm土层与土壤养分相关性较弱，而0～10、10～20 cm土层与土壤养分关系密切，这与土壤的表聚性相吻合。由上述分析可知，全氮和有机碳更能作为表征不同土层氮矿化过程的养分因子。

为铵态氮，为硝态氮，N为矿质氮，AR为净氨化速率，NR为净硝化速率，MR为净矿化速率；350、750、825、1 000、1 200、2 970株·hm-2为密度。

4 结论与讨论

土壤净矿化速率可以充分反映土壤氮矿化过程，揭示其矿化特征。本研究中，净氨化速率在较小密度下变化规律不明显，净硝化速率随密度增加呈现出先增后减的趋势，两者均在密度为1 000株·hm-2时达到最大值，这与卢雯等[12]的结论一致。原因可能是较低的微生物活性抑制了土壤净氮矿化速率，而微生物活性又与土壤有机质和全氮呈正相关[31]，通过对样地土壤理化性质的测定，发现密度为1 000株·hm-2时有机质和全氮质量分数较高，使得微生物的代谢活性有所增强，有利于土壤氮素矿化作用。但沙地土壤有机氮质量分数低，导致参与土壤氮矿化过程的相关微生物数量有所减少，因此净硝化速率和净氨化速率低。随着密度的增加，土壤氮矿化作用逐渐增强，硝态氮与铵态氮逐渐累积，有机质及微生物质量分数增加，沙地土壤氮的有效性得到改善。而当樟子松种植密度过大时，树木的生长空间有所减小，所需营养不足，加大了对水分和养分的消耗，从而造成土壤含水量降低，且土壤微生物减少，氨化和硝化作用相应降低，加剧了土壤沙化[32]。

从土层角度分析，净硝化速率、净氨化速率和净矿化速率随土层加深而减小，与王玉红等[33]的研究结果相一致。这种现象出现的原因可能是：其一，表层的土壤容重小，即表层的土壤比较疏松，其孔隙相对来说也较多，土壤中的养分大多在表层集中，可以作为矿化底物，加速土壤氮矿化进程；其二，温度的改变使硝化速率、氨化速率和矿化速率受到不同程度的影响[34-36]，表层土具有充足的光照条件，土壤温度较高，更易进行氮矿化。而随着土层加深，光照条件逐渐减弱，且深层土透水性、透气性较差，不利于矿化作用进行[37]。