黄土丘陵区不同种植年限沙棘人工林土壤可溶性氮组分时空变化特征

赵满兴，王 俊，杨 帆，马文全，白二磊

(1.延安大学 生命科学学院，陕西 延安 716000；2.陕西省区域生物资源保育与利用工程技术研究中心，陕西 延安 716000)

黄土高原因其特殊的黄土母质，土壤保水性能差，水土流失严重，生态系统脆弱[1-2]。为了改善黄土高原的生态环境现状，20世纪90年代，国家在这一地区实施了退耕还林还草生态工程建设。大量人工林改善了当地土壤条件，促进了土壤肥力提升。

氮素对植物生长不可或缺，土壤氮素可分为无机氮和有机氮，有机氮占土壤氮素的95%以上[3-5]，可溶性有机氮(soluble organic nitrogen，SON)是可溶性总氮(total soluble nitrogen，TSN)的重要组分[6-7]。SON是土壤养分的有效成分之一，可以直接或间接转化为植物可吸收利用的养分[8-9]。有研究发现，黄土高原人工林地土壤SON占可溶性总氮的比例超过50%，SON在土壤氮素循环过程中扮演重要的角色[10-11]，人工林地的SON是土壤中不容忽视的氮素组成部分[12-13]。

黄土高原地区坡地较多，可能会造成土壤可溶性氮素沿土壤剖面垂直分布及不同坡位分布存在差异[14-15]。沙棘是延安北部主要的退耕还林树种之一，有很强的固氮能力[16]。目前，沙棘种植年限对土壤可溶性氮库的影响及其时空变化规律尚不清楚。因此，以志丹县金丁镇不同退耕年限的沙棘林为研究对象，研究不同退耕年限沙棘林可溶性氮组分季节及不同坡位分布规律，以期为深入研究该区域不同年限沙棘林的退耕效果提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

延安市志丹县属半干旱气候区，年平均气温7.8 ℃，年平均降水量450～490 mm，年平均无霜期140 d，平均海拔1 300 m，土壤类型为黄绵土，土壤质地为壤质土。自1999年西部大开发战略实施以来，该县通过人工造林和封山育林等方式加速恢复当地植被，取得明显的效果。

1.2 土样采集与分析

供试土样分别与2018年3、6、9、11月采集于志丹县金丁镇退耕还林区，选择不同恢复年限(5年生、15年生、20年生)的沙棘林地，以荒草地作为对照样地，盖度超过80%。样地基本情况见表1。每个样地按照不同梁卯坡位(坡上和坡下)分别设置3个10 m×10 m的样方，共计24个样方[17]。在样方内随机选取5个取样点，采用分层多点混合法取土样。在每个取样点分0～20 cm土层取样。采集的土壤样品经自然风干，用2 mm直径的筛子过筛，拣去杂质，将来自同一样方同一土层的土样混匀，用四分法取样，用于土壤理化性质指标的测定。

表1 样地基本信息

测定项目包括土壤可溶性总氮(TSN)、硝态氮、铵态氮和可溶性有机氮(SON)，按照《土壤农化分析》[18]测定。

1.3 数据处理与统计分析

使用SPSS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。

2 结果与分析

2.1 土壤硝态氮变化特征

如表2所示，不同年限、季节和坡位间的土壤硝态氮含量均有显著差异。土壤硝态氮含量的变化范围为1.43～18.95 mg·kg-1，20年生沙棘硝态氮含量(13.25 mg·kg-1)和15年生沙棘硝态氮含量(7.74 mg·kg-1)分别比5年生沙棘显著增加了293.94%和130.27%；5年生沙棘硝态氮含量(3.36 mg·kg-1)略低于荒草地(3.87 mg·kg-1)，两者之间没有显著差异水平。

表2 不同人工沙棘林土壤硝态氮

在整个采样期间，土壤硝态氮含量随季节变化波动显著(P<0.05)。对于坡上而言，所有样品均表现为夏季最高，冬春季较低。对于坡下而言，不同年限沙棘土壤硝态氮含量季节变化规律不一致，5年生沙棘和15年生沙棘春季最高，20年生沙棘和草地夏季最高，各季节平均大小关系为：夏秋季(7.37 mg·kg-1)>春冬季(6.75 mg·kg-1)。

除了20年生沙棘外，其余样地硝态氮含量均为坡下>坡上，坡下平均增幅16.04%～22.24%；20年生沙棘硝态氮含量呈现坡上>坡下的规律，坡下平均降幅1.92%。

2.2 土壤铵态氮变化特征

由表3可知，土壤铵态氮含量的变化范围为0.68～13.20 mg·kg-1，20年生沙棘铵态氮含量(7.89 mg·kg-1)和15年生沙棘铵态氮含量(6.51 mg·kg-1)分别比5年生沙棘显著增加了69.27%和39.67%； 15年生沙棘铵态氮含量(6.51 mg·kg-1)增加了39.67%；沙棘林铵态氮含量均显著高于荒草地(2.99 mg·kg-1)，平均增幅在55.72%～163.59%。

表3 土层不同人工沙棘林土壤铵态氮

在整个采样期间，土壤铵态氮含量随季节变化波动显著(P<0.05)。对于坡上而言，所有样品均表现为夏秋季最高，冬春季较低。对于坡下而言，不同年限沙棘土壤铵态氮含量季节变化规律不一致，5年生沙棘夏季最高，15年生沙棘、20年生沙棘和草地均为秋季最高，各季节平均大小关系为夏秋季(6.58 mg·kg-1)>春冬季(4.45 mg·kg-1)。

5年生沙棘草地铵态氮含量随坡位变化呈现坡下>坡上的规律，坡下平均增幅分别为17.65%和19.93%；15年生和20年生沙棘铵态氮含量呈现坡上>坡下的规律，坡下平均降幅2.43%和19.63%。

2.3 土壤SON变化特征

由表4可知，土壤SON含量的变化范围为21.47～180.70 mg·kg-1。20年生沙棘SON含量(87.36 mg·kg-1)和15年生沙棘SON含量(57.63 mg·kg-1)分别比5年生沙棘显著增加了88.31%和24.22%；5年生沙棘SON含量(46.39 mg·kg-1)略低于荒草地(53.33 mg·kg-1)，两者之间没有显著差异水平。

表4 不同人工沙棘林土壤SON

在整个采样期间，土壤SON含量随季节变化波动显著(P<0.05)。对于坡上而言，所有样品均表现为春季(95.77 mg·kg-1)最高，夏季(30.73 mg·kg-1)最低。对于坡下而言，同样表现为春季(114.87 mg·kg-1)最高，秋季(34.18 mg·kg-1)最低。各季节平均大小关系为：春冬季(84.46 mg·kg-1)>夏秋季(37.89 mg·kg-1)。

5年生沙棘、15年生沙棘和20年生沙棘SON含量随坡位变化呈现坡下>坡上的规律，坡下平均增幅分别为37.42%、29.88%和17.09%；草地SON含量呈现坡上>坡下的规律，坡下平均降幅3.15%。

2.4 土壤可溶性氮组分占可溶性总氮比例

由表5可知，土壤SON占TSN比例在57.2%～95.9%，荒草地(86.0%)最高，恢复年限越长，SON/TSN越低。沙棘林SON占TSN比例在77.0%～83.3%。硝态氮占TSN的比例在2.1%～25.4%，平均含量大小关系为：20年生沙棘林(14.1%)>15年生沙棘林(11.5%)>荒草地(7.7%)>5年生沙棘林(6.7%)。铵态氮占TSN的比例在0.9%～19.3%，15年生沙棘林(10.5%)最高，其次为5年生沙棘林(10.0%)，20年生沙棘林(8.9%)和荒草地(6.4%)较低。可见，随着沙棘林恢复年限的增加，SON和铵态氮占TSN的比例在降低，而硝态氮占TSN的比例在增加。

表5 不同人工沙棘林土壤可溶性氮组分占可溶性总氮比例

SON占TSN的比例随季节变化呈现出“V”形的趋势。最小比例为夏季(72.1%)，最大比例为春季(89.1%)，春冬季高于夏秋季。硝态氮占TSN的比例夏季(16.5%)最高，春季最低(6.5%)，铵态氮占TSN的比例秋季(14.4%)最高，春季(4.4%)最低。除了夏季外，SON占TSN的比例在其他季节均表现为坡上>坡下，硝态氮占TSN的比例在春秋季表现为坡下>坡上，铵态氮占TSN的比例在秋冬季表现为坡下>坡上。

3 讨论

3.1 土壤可溶性无机氮组分动态变化

不同土壤可溶性氮组分含量差异显著，其中20年生沙棘、15年生沙棘和5年生沙棘0～30 cm土壤硝态氮含量分别为荒草地的3.42、2.00、0.87倍，土壤铵态氮含量分别为荒草地的2.64、2.17、1.56倍。这是因为沙棘属于固氮树种[19]，增加土壤氮素优于荒草地，随着退耕还林时间的推进，沙棘林凋落物数量增加，凋落物分解后，增加了土壤可溶性无机氮的来源[20]。

本研究表明，土壤矿质氮以硝态氮为主，其最大值出现在春夏季，冬季最低。随着春季气温上升，微生物活动增强，提高了土壤矿化能力，而此时植物的生长需求还不太大，从而导致土壤硝态氮的含量得到了积累[17]；夏季植物生长旺盛，土壤矿化作用较强，土壤硝态氮含量较高。土壤铵态氮最大值出现在夏秋季，冬季最低。造成土壤可溶性氮组分时空差异的原因，主要在于植被对土壤可溶性氮组分吸收存在季节性差异[21-22]。土壤不同坡位对土壤硝态氮的含量有显著影响(P<0.05)，坡下硝态氮含量高于坡上硝态氮含量，这与林雪青等[15]研究结果一致。坡位对土壤铵态氮的影响基本呈现坡上>坡下的规律。这与硝态氮和铵态氮在土壤中的迁移和吸附特性差异性有关[23]。

3.2 土壤可溶性有机氮动态变化

土壤可溶性有机氮是土壤活性氮库的主要成分，本研究表明，种植年限对土壤SON有显著影响，随着种植年限越长，土壤SON含量越高，且沙棘林土壤SON含量显著高于荒草地。可能是因为沙棘林产生大量的枯枝落叶以及具有很强的固氮作用，促进了土壤氮素增加。供试土壤SON占TSN比例达到78%，这与Lu等[24]的研究结果相似。可见，当地土壤SON含量不容忽视。本研究表明，坡下土壤SON含量大于坡上，这与宋依璇等[25]研究结果一致，这反映了土壤SON在当地土壤条件下易于迁移，其在土壤中的吸附特性值得后续研究。

本研究发现，春季土壤SON含量较高，可能原因是春季气温回升，土壤微生物活动增强，促使土壤动植物残体分解，加之春季植物吸收利用氮素较少，增加土壤氮的可溶性[26]。土壤SON含量在秋季呈现增加趋势，与秋季大量的新近枯落物归还土壤有关[27]。夏季土壤可溶性有机氮呈现下降趋势，这与赵路红等[21]的研究结果相反，具体原因有待进一步研究。土壤可溶性有机氮与硝态氮含量动态变化趋势相反，此消彼长，丰富了土壤活性氮库，是对外界环境变化的一种响应[28]。

4 结论

黄土丘陵区沙棘林土壤硝态氮、铵态氮、SON及TSN含量相比荒草地均显著提升，沙棘种植年限越长，土壤可溶性氮养分增加越明显。沙棘林土壤硝态氮、铵态氮和SON分别比荒草地增加109.72%、112.27%和19.62%。土壤可溶性氮组分存在显著的季节性动态变化，土壤SON春冬季(84.46 mg·kg-1)较高，夏秋季(37.89 mg·kg-1)较低，硝态氮春夏季(7.37 mg·kg-1)较高，冬季(6.75 mg·kg-1)较低，铵态氮秋季(6.58 mg·kg-1)较高，其他季节变化不明显。土壤SON季节变化规律与硝态氮变化规律相反。

土壤可溶性氮组分在坡位间的变化规律为坡下高于坡上，坡下的硝态氮、铵态氮和SON分别比坡上高28.7%、3.89%和20.3%。土壤可溶性氮组分以土壤SON为主，占土壤TSN的57.2%～95.9%，平均为81.1%，其次是土壤硝态氮，平均为10.0%，土壤铵态氮所占比例最低，平均为8.9%。在陕北黄土丘陵区，营造沙棘林可以有效提高土壤氮素，随着林龄增加，效果越明显。