农田转化林地土壤可溶性氮的初期变化1)

2022-04-27袁在翔关庆伟邹朋峻谷雨晴吴茜金雪梅陈霞

东北林业大学学报 2022年3期

袁在翔关庆伟邹朋峻谷雨晴吴茜金雪梅陈霞

(南方现代林业协同创新中心(南京林业大学) ，南京，210037) (中山陵园管理局)

可溶性氮质量分数受各种生物与非生物因素影响(如：土壤类型、植被组成、经营措施以及土壤的物理、化学和生物特性等)[10]，这主要归因于植物生长代谢特征、凋落物输入的数量与质量、肥料类型与用量以及土壤有机质矿化的差异[10-11]。土地利用变化改变了原有土壤的微环境以及氮循环的输入、矿化、输出过程[12]，所以对可溶性氮的质量分数也能产生显著影响。孔祥忠等[13]研究表明，农田利用方式对可溶性氮素的影响达到显著水平，同时也对可溶性氮在土壤中的迁移产生影响；杨成等[3]认为种植模式对农田土壤可溶性氮质量分数和组分有着显著影响；赵路红等[14]研究结果表明，在黄土丘陵区，退耕还林15 a后，相比于邻近的传统坡耕地，由固氮树种组成的人工林提高了土壤可溶性氮各组分的质量分数。

农田转化为林地是较为常见一种土地利用变化[15]。在长江中下游平原，由于城市绿化和防护林建设的需要，部分农田转变为人工林地，以往对土壤可溶性氮的研究较为缺乏，合理评估农田及其周边林地的土壤可溶氮状况，对了解不同土壤生态系统之间的可溶性氮迁移和流失等方面具有重要意义。因此，本研究以邻近传统农田为对照，相同林龄、林分密度及立地条件的水杉(Metasequoiaglyptostroboides)纯林、香樟(Cinnamomumcamphora)纯林、重阳木(Bischofiapolycarpa)纯林土壤为研究对象，探究农田转变为林地导致的土壤可溶性氮的初期变化，及其在不同林分在各土层之间的差异，以期为城市森林树种的选择提供基础数据。

1 研究区概况

试验地位于长江三角洲冲积平原的江苏省太仓市城厢镇。气候为北亚热带湿润季风气候，四季分明，年平均气温15.5 ℃，降水量1 078.1 mm，日照时间1 960.9 h，无霜期226 d。试验地在造林之前一直为水稻田，地势平坦，具有相同的耕作历史，为了提高森林覆盖率，于2008年春季营造了水杉、香樟、重阳木3种类型的人工纯林。造林苗木3年生，造林密度3 m×3 m。各林分概况详见表1。

表1 林分基本概况

2 研究方法

2.1 样地设置与试验设计

2015年11月中旬，在3种林龄、密度及立地条件相同的人工纯林中，每个林分随机设置3个20 m×20 m样地，同时选取林地附近的水稻田作为对照样地。在每个样地内，按“S”型设置7个土样采集点，并用土钻采取土壤深度(h)为0

2.2 试验指标测定

可溶性无机氮：土壤铵态氮质量分数用2 mol/L KCl浸提靛酚蓝比色法进行测定，硝态氮质量分数用双波长(紫外)分光光度法进行测定；将土壤浸提液加入碱性过硫酸钾(0.15 mol/L NaOH和30 g/L K2S8O4)氧化剂，放入高压灭菌锅，在120 ℃条件下氧化30 min后，用紫外分光光度计测定该浸提液的可溶性全氮质量分数。

表2 不同土地利用方式土壤基本理化性质

2.3 数据分析

用Microsoft Excel 2016和SPSS 20.0进行数据处理与统计分析，Origin 8.5进行作图。用单因素分析法分析土壤基本理化性质和可溶性氮在不同处理之间的差异，用双因素分析法分析土地利用方式和土层及其交互作用对土壤可溶性氮的影响，显著水平定义为P<0.05，极显著水平定义为P<0.01。用Pearson相关系数评价可溶性氮组分与土壤基本理化性质之间的相关关系。

3 结果与分析

3.1 可溶性氮质量分数及变化

由表3可知，土地利用方式和土壤深度分别对可溶性全氮、可溶性有机氮、硝态氮和铵态氮的质量分数具有极显著影响(P<0.01)，土地利用方式和土壤深度的交互作用仅对可溶性全氮、可溶性有机氮和硝态氮的质量分数影响极为显著(P<0.01)，而对铵态氮质量分数无显著影响。在水稻田转变为人工林的第7年，与对照相比，人工纯林0

表3 不同土地利用方式土壤可溶性氮各组分的质量分数

3.2 可溶性氮各组分的比例及变化

由表4可知，虽然试验地可溶性全氮所占比例不到2%，但各可溶性氮组分与全氮的比值对土地利用方式和土壤深度以及它们之间的交互作用的响应极为显著(P<0.01)。与邻近水稻田相比，人工纯林0

表4 不同土地利用方式土壤可溶性氮组分占全氮的百分比

续(表4)

3.3 可溶性氮各组分与土壤理化性质之间的关系

由表5可知，试验地土壤可溶性全氮、可溶性有机氮、硝态氮和铵态氮均与土壤含水率、有机碳、全氮和微生物生物量碳氮呈显著或极显著正相关(P<0.05或P<0.01)，与土壤容重呈极显著负相关(P<0.01)。此外，可溶性全氮、可溶性有机氮和硝态氮还与土壤粉粒呈显著的正相关关系(P<0.05)。

表5 可溶性氮组分及土壤理化性质之间的皮尔逊(Pearson)相关系数(n=48)

4 结论与讨论

4.1 土地利用变化的初期对可溶性氮的影响

虽然土壤中可溶性氮的质量分数及比例较低，但土地利用变化对可溶性氮个组分的影响显著。在水稻田转变为人工林的初期，0

土地利用变化对可溶性氮个组分的影响程度各有差异。研究中可溶性氮质量分数的降低主要源于可溶性有机氮、硝态氮的损失，但可溶性氮各组分降幅由大到小依次为：硝态氮(-64.89%)、可溶性全氮(-29.73%)、可溶性有机氮(-26.11%)、铵态氮(-15.12%)，表明该种土地利用变化的初期对硝态氮的影响最为敏感，而铵态氮则相对较不敏感。这主要是因为硝态氮相较于其他可溶性氮组分，其质量分数最低，较小的改变就能产生显著的变化。一般在中碱性土壤，水稻对铵态氮选择吸收性较多[20]，林木则对硝态氮选择性吸收较多[21-22]；并且，由于所带电荷的特性，硝态氮易淋溶损失，铵态氮则易被土壤胶体吸附[23]。此外，农田转化林地显著改变了表层土壤(0

4.2 树种对造林初期的可溶性氮含量变化影响

树种能显著影响造林初期土壤可溶性氮的降幅，主要与林木生长特性、细根周转、凋落物数量与质量以及根际土壤微生物有关[2，25-27]。一般来说，细根周转和凋落物分解较快的林分，其土壤可溶性氮质量分数较高[2，28]。落叶阔叶树种细根寿命低于常绿树种[29]，但其细根氮质量分数显著高于常绿树种[30]，表明落叶阔叶林的细根周转较快，由细根分解产生的可溶性氮质量分数较高。此外，阔叶树凋落物叶片氮质量分数高于针叶树[31]，这表明阔叶林中源于凋落物层分解及淋溶产生的土壤可溶性氮较多。因此，本研究中重阳木落叶阔叶林土壤中由细根周转和凋落物分解产生的可溶性氮质量分数较高。此外，由不同造林树种导致的各林分土壤有机碳、全氮、含水率、土壤密度等理化性质的差异，在一定程度上影响造林初期可溶性氮在不同树种林分之间的降幅。