黄土高原洞子沟流域植被自然恢复年限对土壤氮素的影响

吴 雪，冯 燕，宋培忠，李湘婉

(昆明理工大学，建筑工程学院，云南昆明 650093)



黄土高原洞子沟流域植被自然恢复年限对土壤氮素的影响

吴 雪，冯 燕*，宋培忠，李湘婉

(昆明理工大学，建筑工程学院，云南昆明 650093)

[目的] 为了探究自然植被恢复对黄土高原土壤退化修复的影响，分析自然植被恢复年限、土壤土层等因素对土壤氮素的影响。 [方法] 以黄土高原洞子沟流域土壤氮素为研究对象，测定流域内南北坡不同植被恢复年限土壤不同层次(0～10、10～20 cm)的3种氮素形态(有机氮、铵态氮和硝态氮)含量，并且探讨各氮素间相互关系。[结果] 随着恢复年限的增加，3种土壤氮素整体上持续增长，其中南坡表现为自然恢复60年>自然恢复30年>自然恢复10年，且有机氮含量的增加最明显，增长了3.07倍，北坡土壤氮素含量表现为自然恢复100年>自然恢复60年>自然恢复10年>退耕2年，同时硝态氮的增加最明显，增加了13.19倍；氮素的各形态之间均存在极显著的相关关系，相关系数均介于0.50～0.94之间；随着植被恢复年限的增加，不同形态氮素的含量在总氮中所占比例呈现小幅度的波动，但总体上基本保持稳定。[结论] 该研究可以为黄土高原地区植被恢复与生态保护提供科学理论依据。

自然恢复年限；有机氮；铵态氮；硝态氮

长期的不合理土地利用和人为管理导致黄土高原严重的土壤退化[1]。改善土壤质量、加快植被恢复成为黄土高原生态恢复建设的重要目标之一[2]。

氮素是土壤肥力中最活跃的因素之一，是植物生长所必需的营养元素，也是土壤生产力和产量的重要限制因素[3]。土壤中氮素的主要形态为有机氮和无机氮。有机氮是土壤氮素的主要形态。对于表层土壤，有机氮含量约占土壤全氮的90%或更多。无机氮又包括铵态氮、硝态氮和亚硝态氮。在一般条件下，土壤中不会有亚硝态氮的积累，其量甚微。一般在提到土壤中的无机氮时，通常指硝态氮和铵态氮[4]。

为了探讨不同自然恢复年限下土壤氮素的含量、形态变化以及不同氮素间的相关性，笔者以黄土高原洞子沟流域自然植被恢复土壤中的有机氮、铵态氮和硝态氮为研究对象，探讨其在不同植被恢复年限和土壤层次间的变化及相关性，研究自然植被恢复年限、土层等因素对土壤氮素的影响，为黄土高原地区植被恢复与生态保护提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况试验区位于陕西省安塞县楼坪乡(36°31′13″～36°35′26″N，109°7′34″～109°10′34″E)，中温带大陆性半干旱季风气候，海拔1 166～1 490 m，流域总面积20.61 km2。土壤类型以黄绵土为主，间有复钙红黏土、典型黑垆土和冲积土，土地利用以林地为主。

1.2 采样方法采取S形采样法，具体步骤为：分别在南坡和北坡选择不同植被恢复年限的样地，每块样地选取8块样点，在每块样点内选取2个具有代表性的样方，然后在每个样方内以S形取5个点，用土钻采集所需深度的土壤样品，将采集的土样混合密封后带回室内，仔细除去新鲜土样中可见植物残体、土壤动物，一部分风干，一部分-20 ℃冷冻保存。

1.3 分析测定方法

1.3.1有机氮测定。称取过0.15 mm筛的风干土样约1 g于消煮管中，加少量水润湿，再加入混合催化剂(将100 g硫酸钾、10 g硫酸铜和1 g硒粉分别研磨成粉，并混合均匀)2 g和浓硫酸(化学纯)5 ml，摇匀后进行消煮，消煮完毕后全部转移，用全KDY-9830自动凯氏定氮仪测定。

1.3.2硝态氮、铵态氮测定。称取5 g土样，测定前室温解冻3 d，以1 mol/L KCl浸提，浸提液与鲜土的体积比为10∶1，振荡30 min，用流动分析仪Auto Analyzer 3测定。

1.4 数据处理方法用Microsoft Excel 2003和SAS软件对试验数据进行方差和相关性分析，多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 不同植被恢复年限对土壤有机氮的影响由图1可知，土壤有机氮随植被恢复年限的增加而增加，随土层深度的增加而减少。南坡0～10 cm土层植被恢复年限60、10年与20、30年差异显著(P<0.05)，20与30年之间差异不显著，60年土壤的有机氮含量是10年的4.04倍，随着时间的推移，土壤中有机氮增长速度加快；10～20 cm土层植被恢复年限10、20年间差异不显著，其余年间差异显著(P<0.05)，60年土壤的有机氮含量是10年的4.08倍。北坡0～10 cm土层植被恢复10～20年是氮素积累较快的阶段，此后氮素含量持续增加，但增加强度有所减缓，有机氮在退耕后的3个时间跨度内年增加量分别为0.06、0.04和0.005 g/kg，且差异达显著性水平(P<0.05)；在10～20 cm土层，植被恢复60年土壤的有机氮含量是10年的4倍， 100年是恢复10年的4.84倍，年增加量波动性较强。

2.2 不同植被恢复年限对土壤铵态氮的影响由图2可知，南坡0～10 cm土层铵态氮含量在10～20年递减，年均变化量为-0.03 mg/kg，20～60年缓慢增加，年均增加量分别为0.11、0.01 mg/kg，植被恢复60年土壤的铵态氮含量是10年的1.04倍，各年间铵态氮含量差异并不显著；10～20 cm土层铵态氮含量随着植被恢复年限的增加呈现先缓慢增加至一定值后保持稳定再继续缓慢增加的趋势，铵态氮含量在植被恢复20、30、60与10年相比都有显著增加。北坡0～10 cm土层铵态氮含量随着植被恢复年限的增加而增加，但差异均不显著，10～20 cm土层铵态氮含量在植被恢复2～10年内减少但不显著，10～100年内则显著增加。

2.3 不同植被恢复年限对土壤硝态氮的影响由图3可知，南坡0～10 cm土层硝态氮含量年变化量随着植被恢复年限的增加分别为0.547、-0.290和0.347 mg/kg，前30年硝态氮含量差异并不显著，30年后则开始显著增加，植被恢复60年土壤的硝态氮含量是恢复10年土壤的2.612倍；10～20 cm土层硝态氮含量随着植被恢复年限增加，在前20年基本保持恒定，20年后伴随着植被群落的演替，硝态氮含量显著增加。 北坡0～10 cm土层硝态氮含量前60年内显著增加，60年后达到基本稳定状态。10～20 cm土层10年内增加不显著，说明在植被恢复的初期，土壤被草本植物所覆盖，硝态氮含量增加缓慢，10年后则显著增加。

2.4 不同形态氮素之间的相关关系

2.4.1不同形态氮素所占比例。由表1、表2可知，在表层土壤中各形态氮素含量表现为有机氮>硝态氮>铵态氮，且三者含量差异均达到0.01显著水平。土壤有机氮含量占总氮的98%～99%，远远大于无机氮含量，因此土壤有机氮在一定程度上可以代表土壤可供应的氮素总量。

表1 南坡不同植被恢复年限下的不同形态氮素比例 %

表2 北坡不同植被恢复年限下的不同形态氮素比例 %

表3 不同形态氮素的相关系数

注：**表示P<0.01。

2.4.2不同形态氮素间相关关系。由表3可知，土壤中有机氮、铵态氮和硝态氮之间均存在0.01水平显著的相关关系，且决定系数均介于0.50～0.94，说明各氮素之间可对彼此的变异做出50%～94%的解释。

3 结论与讨论

何腾兵等[5]研究表明，植被恢复年限的增加有利于土壤中各形态氮素的积累，长期恢复处理年(南坡30年以上，北坡60年以上)的土壤氮素含量显著高于10年(P<0.05)。这可能是由于恢复地无人为因素的干扰，每年有大量的植物残体、根系残渣和根系分泌物归还到恢复地土壤中，随着时间的增长、植被的演替，不同植被不同演替阶段优势种的光合生理特征以及对微生境的适应性存在明显差异[6]。随着土壤环境的改善，微生物的数量与活性显著增强，对于有机质的矿化作用也显著提升，从而提高土壤中总氮含量，说明自然植被恢复在一定程度上可以显著提高土壤肥力[7]。

土壤中有机氮、铵态氮、硝态氮之间存在紧密的联系。有机质中的有机氮会在土壤微生物作用下转变成铵态氮，再进一步转变成硝态氮。土壤中还有一个硝态氮还原为铵态氮的异化过程，也能使铵态氮生成。土壤中几种氮素之间的相互调节与转化影响着土壤中氮素的形态与含量。何腾兵等[5]研究也证实氮素形态间均存在极显著正相关关系，即土壤氮素的某一组分的流失或累积必然引起其他组分随之变化。随着恢复年限的增加，大量的动植物残体及相关有机物进入土壤中，土壤中铵态氮和硝态氮的含量随着有机质含量的增加而升高，有机质有着保持和供应铵态氮和硝态氮的作用，从而导致铵态氮与硝态氮表现出递增的趋势[8]。

研究表明，绝大多数样点土壤表层有机氮、铵态氮和硝态氮含量随着植被恢复年限的增加而逐渐增加，个别样点呈负相关。南坡从10～60年有机氮含量增加3.07倍，铵态氮含量增加0.16倍，硝态氮含量增加2.10倍，其中有机氮含量的增加较显著。北坡从2～100年有机氮含量增加5.93倍，铵态氮含量增加0.60倍，硝态氮含量增加13.19倍，其中硝态氮含量的增加极显著。绝大多数样点土壤有机氮、铵态氮和硝态氮含量随着土层深度的增加而减少，个别样点呈正相关。土壤表层有机氮、铵态氮和硝态氮含量三者的相关性达到极显著水平。

[1] 戴全厚，薛萐，刘国彬.侵蚀环境退耕自然恢复地植被恢复中土壤生物学特性演变[J].贵州农业科学，2008，36(4):115-117.

[2] 安韶山，黄懿梅.黄土丘陵区柠条林改善土壤作用的研究[J].林业科学，2009，42(1):70-74.

[3] ETTERSHANK G J，ETTERSHANK M B，WHITFORD W G. Effects of nitrogen fertilization on primary productivity in a Chihuahuan desert ecosystemc[J].J Arid Environ，1978，1:135-139.

[4] FISHER R F，BINKLEY D. Ecology and Management of Forest Soils[M].New York:John Wiley & Sons，2000.

[5] 何腾兵，林昌虎.贵州西部喀斯特石漠化地区土壤氮素变异特征初步研究[D].贵州：贵州大学，2005.

[6] 安慧，上官周平.黄土高原植被不同演替阶段优势种的光合生理特性[J].应用生态学报，2007，18(6)：1175-1180.

[7] 李明峰，曹云社，齐玉春，等.温带草原土地变化对土壤碳氮含量的影响[J].中国草地，2005，27(1)：1-6.

[8] 陈效民，吴华山，孙静红.太湖地区农田土壤中铵态氮和硝态氮的时空变异[J].环境科学，2006，27(6)：1217-1222.

Effects on Soil Nitrogen of Natural Recovery Period in Dongzigou Basin of Loess Plateau

WU Xue， FENG Yan*， SONG Pei-zhong et al

(Faculty of Civil Engineering and Architecture，Kunming University of Science and Technology，Kunming, Yunnan 650093)

[Objective] The research aimed to explore the effects of natural vegetation restoration on remediation of soil degradation in Loess Plateau, and analyze the effects of factors such as years of natural vegetation restoration and soil horizon on soil nitrogen. [Method] Taken the soil nitrogen in Loess Plateau of Dongzigou Basin as the research object，soil samples from 0-10 cm and 10-20 cm depths were collected in Dongzigou basin and analyzed to determine soil N content (soil organic-N，ammonium-N，nitrate-N). [Result] Along with natural recovery, three kinds of soil nitrogen increased gradually in general, which manifested in the south slope was that natural recovery of 60 years> natural recovery of 30 years> natural recovery of 10 years, and organic nitrogen increased the most significantly by 3.07 times. North slope showed that natural recovery to 100 years > natural recovery to 60 years> natural recovery to 10 years > abandoned 2 years, and nitrate nitrogen increased the most significantly by 13.19 times. A significant positive correlation was found among the three kinds of soil nitrogen, and the correlation coefficient ranged from 0.50 to 0.94. The proportion of content of different nitrogen forms in the total nitrogen showed a small amplitude fluctuations，but remained stable overall. [Conclusion] The research could provide the scientific basis for vegetation restoration in Loess Plateau Area and ecological protection.

Natural recovery period; Organic nitrogen; Ammonium nitrogen; Nitrate nitrogen

国家自然基金(41030532,41101254)。

吴雪(1988-)，女，黑龙江克山人，硕士研究生，研究方向：生态环境监测与评价研究、水处理理论与技术。*通讯作者，副教授，硕士，从事水处理理论与技术以及环境评价方面的研究。

2014-11-20

S 153.6+

A

0517-6611(2015)01-068-03