不同林龄桉树人工林土壤团聚体活性氮组分的分布特征

2023-12-27陈宗福曾有杰施瑜罗梦娴何欣欣陈晓龙

桉树科技 2023年4期

陈宗福，曾有杰，施瑜，罗梦娴，何欣欣，陈晓龙*

陈宗福1，曾有杰1，施瑜1，罗梦娴1，何欣欣2，陈晓龙1*

（1. 广西壮族自治区国有大桂山林场，广西贺州 542899；2. 广西大学林学院，广西森林生态与保育重点实验室，广西高校亚热带人工林培育与利用重点实验室，广西南宁 530004）

揭示不同林龄桉树人工林土壤团聚体中活性氮（Labile Nitrogen, LN）组分的变化，对更好了解桉树人工林土壤氮素循环具有重要意义。本研究以广西国有大桂山林场为研究区域，选择传统轮伐期内不同林龄（1、2、4年）桉树人工林土壤以及邻近撂荒地土壤（对照）为研究对象。采集0 ～ 20 cm土层原状土样，通过湿筛法将土样分为4个粒级团聚体，包括>2、1 ～ 2、0.25 ～ 1、<0.25 mm。针对不同粒级土壤团聚体，测定其LN组分含量。其中，LN组分包括颗粒有机氮（Particulate Organic Nitrogen, PON）、微生物量氮（Microbial Biomass Nitrogen, MBN）、铵态氮（Ammonium Nitrogen, NH4+-N）、硝态氮（Nitrate Nitrogen, NO3−-N）和碱解氮（Alkali-hydrolyzale Nitrogen, AN）。结果表明：在不同林龄桉树人工林中，土壤团聚体LN组分的含量随着团聚体粒级的减小而显著升高，从而导致更多的土壤LN组分集中在<0.25 mm粒级团聚体中。在种植桉树过程中土壤LN组分含量呈先升高后降低的变化趋势，以2年生时最高，表明该林龄桉树人工林土壤氮素的有效性最高。因此，种植桉树2年后，应注意补充土壤LN，从而维持桉树人工林土壤的供氮水平。

桉树人工林；土壤团聚体；活性氮组分

氮元素是土壤养分的重要组成部分，是驱动土壤中物质循环和能量流动的主要因子[1]。土壤中的氮素根据被植物吸收的难易程度可分为活性氮（Labile Nitrogen, LN）和惰性氮（Inert Nitrogen, IN）两个部分。在活性氮库中，一部分可直接被植物吸收利用，而另一部分需要通过微生物的矿化分解后才能被植物吸收利用[2]。植物生长发育所需的氮素主要来源于活性氮组分，这也是森林生态系统中最容易被消耗和损失的氮素形态。活性氮组分通常包括颗粒有机氮（Particulate Organic Nitrogen, PON）、微生物量氮（Microbial Biomass Nitrogen, MBN）、铵态氮（Ammonium Nitrogen, NH4+-N）、硝态氮（Nitrate Nitrogen, NO3−-N）和碱解氮（Alkali- hydrolyzable Nitrogen, AN）[3]。

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，其组成比例能在诸多物理、化学、生物过程中调控原生矿物和有机物质的相互作用[4]。根据层次结构模型，土壤团聚体分为微团聚体（<0.25 mm）和大团聚体（>0.25 mm）[5]。在团聚体形成过程中，原生矿物颗粒与惰性胶结物质（如腐殖质和多价金属阳离子配合物）相结合形成微团聚体；微团聚体与活性胶结物质（如真菌菌丝、植物根系以及微生物和植物产生的多糖）相结合形成大团聚体[6]，从而导致不同粒级团聚体中土壤LN含量存在明显差异。因此，明晰土壤LN组分在团聚体中的分布规律，对进一步理解森林生态系统中土壤氮素循环具有重要意义[7]。

据报道，桉树人工林对森林经济的发展和净初级生产力的提高有重大贡献[8]。前期研究发现，将土地利用方式由撂荒地转换成桉树人工林，有助于土壤结构的形成与稳定[9]，但在种植桉树过程中，土壤LN组分的动态变化（尤其在团聚体尺度下）仍不清楚。因此，本研究以广西国有大桂山林场为研究区域，旨在揭示桉树林龄对土壤团聚体LN含量变化的影响，以期为维持或提升桉树人工林土壤的供氮水平提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在广西贺州市八步区大桂山林场（111°20′5″—111°54′39″ E，23°58′33″—24°14′25″ N）。属亚热带季风性气候，年均气温19.3 ℃，年均降水量2 056 mm。地势以低山和丘陵为主，海拔范围在500 ～ 900 m，坡度范围在18° ～ 23°。成土母质主要为砂页岩，土壤类型为砖红壤，质地为壤质粘土。

1.2 试验设计

采用“以空间换时间”的方法揭示土壤团聚体LN组分在种植桉树过程中的变化规律。一般情况下，该方法存在土壤空间异质性的干扰。因此，为尽量减少该干扰对研究结果的影响，选择具有相似地形地貌的桉树人工林样地。在野外调查的基础上，以撂荒地（对照）、1、2、4年生的桉树人工林作为研究对象。每一林龄设置3次重复，共12块样地。为减少空间自相关和避免“伪重复”，样地间距离不小于300 m。在每一块样地中随机选择一个样方（30 m × 30 m），该样方距离样地边缘不小于100 m。

1.3 样品采集

在每个样方中随机选择3个次样方（1 m × 1 m），在每一个次样方表面用塑料袋收集凋落物样品。将3个次样方中收集得到的3份凋落物样品混合均匀，累计共12份混合凋落物样品（4个林龄 × 3个重复），随后，将混合凋落物样品置于80 ℃烘箱里烘至恒质量并称重[9]。土壤样品的采集位置与凋落物一致。在每一个样方中，用铁铲在0 ～ 20 cm土层收集原状土壤样品于塑料盒中。将3个次样方中收集得到的3份土壤样品混合均匀，累计共12份混合土壤样品（4个林龄 × 3个重复），随后，将混合土壤样品沿自然解理面轻轻掰开，并过5 mm筛，剔除土壤动物、植物根系、凋落物残体和小石块等。

1.4 土壤团聚体分级

土壤团聚体分级采用适宜湿度分级法[10]。依次采用孔径为2、1、0.25 mm的筛网对500 g风干土样进行筛分。设置震动频率、振幅、时间恒定，即过筛时间15 min，上下振幅50 mm，频率1次·s−1，通过自动筛分仪将土样分为>2、1 ～ 2、0.25 ～ 1、<0.25 mm共4级团聚体[9]，然后测定每一粒级团聚体的LN组分含量。

1.5 土壤理化分析

土壤PON采用全氮分析仪（德国耶拿Multi N/C 3100 CN）测定[11]，即将100 mL (NaPO3)6溶液加入土样中，往复振动18 h，将震荡后的土壤溶液过筛，然后把筛子上残留的物质洗入干燥的盘子中，在60 ℃烘箱中烘至恒质量并称重，计算该颗粒物占土壤的百分比，并根据颗粒有机物所占比例计算出PON含量。

土壤MBN采用氯仿熏蒸浸提法测定[11]，即将土样放入恒温箱中密封培养，称取经过预处理后的土壤放入离心管，置于干燥机中，底部放入一杯NaOH溶液和一杯无乙醇氯仿，进行真空抽滤，保持氯仿沸腾3 min，随后放置黑暗环境熏蒸24 h，再次使用真空泵抽空氯仿并转移至离心管，然后用0.5 mol·L−1K2SO4对熏蒸和未熏蒸土壤进行浸提过滤，滤液使用全氮分析仪上机测定。

土壤NH4+-N和NO3−-N采用KCl溶液提取—连续流动化学分析仪测定[11]，在土样中加入2 mol·L−1KCl溶液，震荡2 h后用定量滤纸过滤，再过0.45 μm滤膜，上清液使用全氮分析仪上机测定。

土壤AN采用碱解扩散法测定[11]，即将土样放入扩散皿外室，加入FeSO4粉末，均匀铺平，随后加H3BO3指示剂于内室，NaOH溶液于外室，用毛玻璃盖紧密封橡皮筋固定，轻轻摇晃使土样和碱液充分混合后，将扩散皿置于40 ℃恒温箱中培养24 h，随后用H2SO4标准溶液滴定内室吸收液，溶液由蓝色变为微红色即为终点。

1.6 统计分析

采用SPSS 22.0进行统计分析。单因素方差分析用于评价林龄对凋落物和原状土理化性质的影响。裂区分析用于评价粒级和林龄对团聚体组成比例、团聚体LN组分含量的影响。其中，粒级为主因素，林龄为副因素。粒级、林龄和两者交互作用为固定因素，重复数为随机因素。通过邓肯检验法分析粒级与林龄间差异是否达显著水平。采用皮尔逊相关系数来表征土壤LN组分间的相关性。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体颗粒有机氮含量

由表1可知，土壤PON含量在0.25 ～ 1 mm （521.14 ～ 794.53 mg·kg−1）和<0.25 mm（474.81 ～ 689.37 mg·kg−1）粒级团聚体中显著（<0.05）高于>2 mm （229.55 ～ 444.00 mg·kg−1）和1 ～ 2 mm （390.23 ～ 549.16 mg·kg−1）粒级团聚体。土壤团聚体PON含量先升高后降低，以2年生时最高且显著（<0.05）高于其他处理。

表1 不同林龄桉树人工林土壤团聚体PON含量分布特征1)

1）不同大写字母表示各粒级团聚体间差异显著（<0.05），不同小写字母表示各林龄间差异显著（<0.05）。Different uppercase letters indicate significant differences (<0.05) among different aggregate sizes. Different lowercase letters indicate significant differences (<0.05) among different stand ages.

2.2 土壤团聚体微生物量氮含量

土壤MBN含量在<0.25 mm（10.74 ～ 15.85 mg·kg−1）粒级团聚体中显著（<0.05）高于>2 mm （3.52 ～ 12.09 mg·kg−1）、1 ～ 2 mm（6.55 ～ 14.42 mg·kg−1）和0.25 ～ 1 mm（9.15 ～ 15.00 mg·kg−1）粒级团聚体（表2）。土壤团聚体MBN含量先升高后降低，以2年生最高且多数显著（<0.05）高于其他处理（<0.25 mm粒级中2年生与4年处理不显著）。

表2 不同林龄桉树人工林土壤团聚体MBN含量分布特征1)

2.3 土壤团聚体铵态氮含量

土壤NH4+-N含量在1 ～ 2 mm（11.77 ～ 36.84 mg·kg−1）和0.25 ～ 1 mm（12.20 ～ 34.02 mg·kg−1）粒级团聚体中显著（<0.05）高于>2 mm（8.46 ～ 21.32 mg·kg−1）和<0.25 mm（11.21 ～ 21.79 mg·kg−1）粒级团聚体（表3）。土壤团聚体NH4+-N含量先升高后降低，以2年生最高，且显著（<0.05）高于其他处理。

表3 不同林龄桉树人工林土壤团聚体NH4+-N含量分布特征1)

2.4 土壤团聚体硝态氮含量

土壤NO3−-N含量在各粒级团聚体间差异不显著（>0.05）（表4）。在>2 mm、1 ～ 2 mm、0.25 ～ 1 mm和<0.25 mm粒级团聚体中，土壤NO3−-N含量分别为1.57 ～ 9.77 mg·kg−1、1.62 ～ 10.80 mg·kg−1、1.44 ～ 10.68 mg·kg−1和1.52 ～ 10.94 mg·kg−1。土壤团聚体NO3−-N含量先升高后降低，以2年生最高且显著（<0.05）高于其他处理。

2.5 土壤团聚体碱解氮含量

土壤AN含量在<0.25 mm（259.71 ～ 369.14 mg·kg−1）粒级团聚体中显著（<0.05）高于>2 mm（169.87 ～ 258.40 mg·kg−1）、1 ～ 2 mm（197.31 ～ 366.49 mg·kg−1）和0.25 ～ 1 mm（188.16 ～ 371.77·kg−1）粒级团聚体（表5）。土壤团聚体AN含量先升高后降低，以2年生最高且显著（<0.05）高于其他处理。

2.6 土壤团聚体活性氮组分之间的相关性

土壤各LN组分之间的相关性会因团聚体粒级的不同而存在差异（表6）。具体而言，土壤各LN组分之间的相关性在>2 mm、1 ～ 2 mm和0.25 ～ 1 mm粒级团聚体中达极显著（<0.01）或显著（<0.05）水平，而在<0.25 mm粒级团聚体中不显著（>0.05）。

表5 不同林龄桉树人工林土壤团聚体AN含量分布特征1)

表6 在桉树种植过程中土壤团聚体LN组分之间的相关性

1）**表示极显著（<0.01）。** indicates highly significant correlation(<0.01). 2）*表示显著（<0.05）。* indicates significant correlation(<0.05). 3）ns表示不显著（>0.05）。ns indicates no significant correlation(>0.05).

3 讨论

土壤氮素是植物生长所必需的大量营养元素，在植物的生长发育过程中起着重要作用。研究表明，随着种植年限的延长，林下土壤微环境逐渐改善，地表凋落物逐渐积累，增加了土壤氮的输入[12]。本研究中桉树人工林土壤LN组分含量随着林龄的延长呈先升高后降低的变化趋势，在2年生时达到最大值，这与黄振格等[13]的研究结果一致。在桉树种植前期（0 ～ 2年），随着林龄的延长，土壤团聚体LN组分含量逐渐增加，这是因为在桉树种植前期，林下植被枯落物逐渐积累[9]，促进了土壤团聚体LN组分含量的增加；而在桉树种植后期（2 ～ 4年），林下植被枯落物逐渐减少[9]，从而导致土壤团聚体LN组分含量逐渐减少。此外，有研究表明土壤酸化也会导致土壤氮素的有效性降低，从而使其活性组分含量显著减少[14]。为了深入探讨在桉树种植过程中土壤各LN组分之间的耦合关系，本研究对土壤团聚体中各LN组分之间进行了皮尔逊相关分析，结果表明土壤各LN组分之间的相关性在>0.25 mm粒级团聚体中达到极显著（<0.01）或显著（<0.05）水平，而在<0.25 mm粒级团聚体中不显著（>0.05），说明在桉树种植过程中土壤各LN组分之间的耦合关系和相互转化在大粒级团聚体中更为明显。

不同粒级团聚体中氮含量的分布状况影响土壤氮素的积累与转化，因此研究氮组分在不同粒级团聚体中的分布规律具有重要意义。团聚体中碳和氮的含量通常具有协同性，因此土壤团聚体中氮含量的分布规律与碳相似。前期研究发现，在不同林龄桉树人工林中，土壤有机碳含量的最高值出现在<0.25 mm粒级团聚体中[15]，这将直接影响本研究中土壤氮组分在团聚体中的分布规律。

LN组分是土壤氮库中最活跃的部分，能在很大程度上反映出土壤氮的转化和供应能力，其在不同粒级团聚体中的分布规律如下：（1）PON含量集中在0.25 ～ 1 mm和<0.25 mm粒级团聚体中，且显著高于其他粒级团聚体，这主要是因为较小粒级团聚体具有较强的吸附能力，能够吸附更多的PON[15]。（2）MBN含量在<0.25 mm粒级团聚体中显著高于>0.25 mm的各粒级团聚体，这可能是因为较大粒级团聚体具有良好的通透性，氮素循环周转速度较快，没有足够的氮素来维持微生物的生长和繁殖，从而不利于MBN在较大粒级团聚体中积累[16]。（3）NH4+-N含量集中在1 ～ 2 mm和0.25 ～ 1 mm粒级团聚体中，且显著高于其他粒级团聚体。相关研究表明，土壤有机胶体和无机胶体在较小粒级团聚体中紧密结合，从而不易被微生物矿化分解，进而使NH4+-N主要富集在较小粒级团聚体中[17]。（4）NO3−-N含量在不同粒级团聚体间差异不显著。于子涵等[18]在植茶土壤中也发现，不同植茶品种土壤NO3−-N含量均匀分布在不同粒级团聚体中，这与本研究的结果一致。（5）AN含量在<0.25 mm粒级团聚体中显著高于>0.25 mm的各粒级团聚体，这主要是因为较小粒级团聚体具有较大的比表面积，能够吸附更多的土壤有效氮素，从而使土壤AN集中于较小粒级团聚体中[19]。

4 结论

在不同林龄桉树人工林中，土壤团聚体LN组分的含量随着团聚体粒级的减小显著升高，从而导致更多的土壤LN组分集中在<0.25 mm粒级团聚体中。在种植桉树过程中，土壤LN组分含量呈先升高后降低的变化趋势，在2年生最高，表明该林龄桉树人工林土壤氮素的有效性最高。因此，种植桉树2年以后，应注意补充土壤LN，从而维持桉树人工林土壤的供氮水平。

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Distribution of Labile Nitrogen Fractions in Soil Aggregates of Eucalypt Plantations at Different Stand Ages

CHEN Zongfu1, ZENG Youjie1, SHI Yu1, LUO Mengxian1, HE Xinxin2, CHEN Xiaolong1*

(1. Guangxi Zhuang Autonomous Region State-owned Daguishan Forest Farm, Hezhou 542899, Guangxi, China; 2. College of Forestry, Guangxi University, Guangxi Key Laboratory of Forest Ecology and Conservation, Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory for Cultivation and Utilization of Subtropical Forest Plantation, Nanning 530004, Guangxi, China)

Revealing the changes of labile nitrogen (LN) fractions in soil aggregates of eucalypt plantations at different ages is of great significance for better understanding of soil nitrogen cycles in such plantations. In this study, the state-owned Daguishan forest farm in Guangxi was selected as the research area, and the soil of eucalypt plantations with different ages (1, 2, 4 years) along with some adjacent abandoned land (control) during traditional rotation period were selected as the research objects. The undisturbed soil samples of the 0 ～ 20 cm soil layer were collected and divided into 4 granular aggregates by the wet sieving method, including >2 mm, 1 ～ 2 mm, 0.25 ～ 1 mm and <0.25 mm. The contents of LN fractions in soil aggregates of different sizes were determined. The LN components include Particulate Organic Nitrogen (PON), Microbial Biomass Nitrogen (MBN), Ammonium Nitrogen (Ammonium Nitrogen), Nitrate Nitrogen (NH4+-N), Nitrate Nitrogen (NO3−-N) and Alkali-hydrolyzable Nitrogen (AN). The results showed that the content of LN in soil aggregates increased significantly as aggregate size decreased in the soil of eucalypt plantations of different ages, resulting in more soil LN distributed in <0.25 mm aggregates. Overall, the content of LN in soil increased at first and then decreased after the planting of eucalypts, and the highest content was found when the plantation was 2-year-old, indicating that the soil nitrogen availability of eucalypt plantations was the highest at this age. Therefore, after eucalypt plantations reach age 2 years, attention should be paid to supplementing soil LN so as to maintain the nitrogen supply levels of eucalypt plantation soils.

eucalypt plantation; soil aggregate; labile nitrogen fraction

10.13987/j.cnki.askj.2023.04.004

S714.8

广西国有大桂山林场（202200100）；广西壮族自治区林业局（桂林科研〔2022ZC〕第15号）

陈宗福（1973— ），男，本科，高级工程师，从事森林培育研究。E-mail:377421494@qq.com

陈晓龙（1986— ），男，本科，高级工程师，从事森林培育研究。E-mail:463209945@qq.com