黃河三角洲鹽堿地不同造林模式下的土壤碳氮分布特征

夏江寶, 陳印平,*, 王貴霞, 任加云

1 濱州學(xué)院山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 濱州 256603 2 濱州市水利局, 濱州 256600

黃河三角洲鹽堿地不同造林模式下的土壤碳氮分布特征

夏江寶1, 陳印平1,*, 王貴霞2, 任加云1

1 濱州學(xué)院山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 濱州 256603 2 濱州市水利局, 濱州 256600

為了探討不同造林模式對土壤碳氮影響的生態(tài)效應(yīng)，以黃河三角洲鹽堿地白蠟+棉花(FC)、香花槐+棉花(RC)、竹柳+棉花(SC)、白蠟林(F)、竹柳林(S)等5種造林模式為研究對象，分析比較各造林模式土壤的碳氮形態(tài)及分布特征，為重度退化刺槐林的經(jīng)營改造和造林模式選擇提供理論依據(jù)。結(jié)果顯示：(1)不同造林模式下土壤的可溶性總碳和可溶性有機(jī)碳含量均高于裸地，農(nóng)林間作高于純林，其中SC模式含量最高，其次為FC和RC模式，而F和S純林模式較低；5種造林模式不同土層可溶性有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為0—20 cm高于20—40 cm。(2)農(nóng)林間作模式0—40 cm土層的可溶性全氮和可溶性有機(jī)氮平均含量均高于純林模式，其中SC模式的含量最高。FC、SC和S純林模式 0—20 cm土層可溶性有機(jī)氮含量顯著高于20—40 cm土層，分別為其1.4、1.5和2.7倍；而RC模式 20—40 cm土層可溶性有機(jī)氮含量顯著高于0—20 cm土層。(3)5種造林模式中，除F純林土壤硝態(tài)氮低于裸地外，其他造林模式下的土壤各種氮養(yǎng)分含量均顯著高于裸地。土壤可溶性有機(jī)碳與全氮和銨態(tài)氮的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。研究表明農(nóng)林間作模式可顯著提高重度退化刺槐林皆伐后土壤中有效態(tài)碳、氮含量，其中SC模式改良效果較好，而純林模式較差。

黃河三角洲; 鹽堿地; 造林模式; 土壤碳含量; 土壤氮含量

土壤有機(jī)碳和氮素是土壤養(yǎng)分的重要組成部分。土壤含碳量在很大程度上依賴于地表植被和土地利用狀況[1-3]，同時(shí)土壤有機(jī)碳含量的變化會(huì)影響植物對水分和營養(yǎng)元素的吸收，進(jìn)而影響生物生產(chǎn)力[4-6]。氮是調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵性元素，能夠限制群落初級和次級生產(chǎn)量[6-8]，而且不同的土地利用方式容易引起土壤氮循環(huán)格局的變化，從而影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[6,9-10]。鹽堿生境下，土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力隨植被類型的不同，在時(shí)間和空間上表現(xiàn)出較大差異[2,11-13]。濱海鹽堿非耕地具有較大的固碳潛力，隨原生植被群落的演替，土壤有機(jī)碳及微生物量碳增加顯著，并且主要分布在土壤表層[13]；隨著退化演替的進(jìn)行，鹽堿化草地土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)出先升高再降低的趨勢，特別是0—40 cm土層變化顯著[12]。鹽堿生境對濱海蘆葦濕地氮活性組分影響較大[14]，鹽堿化土壤可溶性有機(jī)碳、土壤可溶性氮與土壤速效養(yǎng)分和含鹽量密切相關(guān)[15]。土壤鹽堿化是黃河三角洲地區(qū)農(nóng)林業(yè)發(fā)展的主要限制因子，特別是受地下水埋深淺、礦化度高及蒸降比大等自然條件的制約和人為活動(dòng)的干擾，黃河三角洲鹽堿地植被覆蓋率較低，防護(hù)林樹木種類少，防護(hù)林體系結(jié)構(gòu)較簡單，功能低且不穩(wěn)定，而鹽堿生境下的土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化在一定程度上影響著樹木生長和土壤生產(chǎn)力。因此，探明鹽堿生境下，不同造林模式土壤的碳、氮組分變化有助于了解土壤固碳機(jī)理和土壤有機(jī)氮的變化機(jī)制，對林分生長與地力維持具有較大意義。

刺槐(Robiniapseucdoacacia)是黃河三角洲濱海鹽堿地的主要防護(hù)林樹種，但是由于林地蒸降比較大、淡水資源缺乏及土壤鹽堿化，刺槐林出現(xiàn)了枯梢、斷頭等退化現(xiàn)象[16-17]。依據(jù)樹木形態(tài)及土壤理化指標(biāo)，黃河三角洲退化人工刺槐林可分為生長潛力型、輕度低效型，中度、極度和重度低質(zhì)低效型等5種類型，其中極度低質(zhì)低效型和重度低質(zhì)低效型刺槐林的經(jīng)營改造措施主要為全面皆伐后進(jìn)行不同造林模式的營建[16]；作為木本肥料的刺槐林，隨著退化程度的加劇，刺槐林的固氮作用和改良土壤效應(yīng)在減弱[16-17]，而不同模式的農(nóng)林間作和不同樹種的純林栽植是該區(qū)域主要的經(jīng)營改造措施。目前關(guān)于黃河三角洲鹽堿地植被類型與土壤碳氮特性的研究，主要以不同林分類型的土壤改良效應(yīng)為主[10,15,18]，缺少不同造林模式下土壤碳、氮含量特征及其轉(zhuǎn)化規(guī)律方面的報(bào)道，致使黃河三角洲鹽堿地重度退化刺槐林皆伐后的不同造林模式如何影響碳氮組分及交互作用尚不明確。因此，本文以黃河三角洲鹽堿地重度退化刺槐林皆伐后的不同造林模式為研究對象，測定分析不同改造模式下的土壤可溶性碳、氮形態(tài)及其含量，闡明不同造林模式對土壤碳、氮分布的影響規(guī)律，為黃河三角洲重度退化刺槐林皆伐后的造林模式選擇和樹種配置提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法1.1 研究地概況

研究地點(diǎn)位于山東省東營市河口區(qū)的黃河三角洲軍馬場生產(chǎn)基地(118°31′—120°18′E，37°55′—38°16′N)，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。該區(qū)域四季溫差明顯，年平均氣溫為11.6—12.5 ℃，極端年份最高氣溫為41.9 ℃，極端最低氣溫為-23.3 ℃；年平均日照時(shí)數(shù)為2590—2830 h；無霜期211 d；年均降水量為530—630 mm，其中70%分布在夏季；平均蒸散量為750—2400 mm。重度退化刺槐林主要為黃河故道附近的38年生刺槐林，主要特征是樹齡較大，樹木死亡及中度、重度枯梢嚴(yán)重，喪失自然更新能力[16-17]。試驗(yàn)區(qū)土壤由沖積性黃土母質(zhì)在海浸母質(zhì)上沉淀而形成，機(jī)械組成以粉沙為主，沙粒粘粒相間分布，具有復(fù)雜的層次變化。試驗(yàn)區(qū)主要造林模式有白蠟(Fraxinuschinensis)林、刺槐(Robiniapseudoacacia)林、檉柳(Tamarixchinensis)林、楊樹(Populuseuramericana)林等。天然植被以鹽生、濕生的禾本科蘆葦(Phragmitescommunis)、茅草(Imperatacylindrica)和翅堿蓬(SuaedaheteropteraKitagawa)等為主。

1.2 研究方法

1.2.1 造林模式的選取

白蠟、竹柳(Salixbabylonica)和香花槐(Robiniapseudoacaciacv.idaho)是黃河三角洲鹽堿區(qū)域栽植的主要樹種，具有較好的耐鹽能力和降鹽改土功能。在黃河三角洲鹽堿地重度退化刺槐林皆伐后實(shí)施恢復(fù)造林的林地中，選取由不同樹種組成的5種造林模式，樹齡均為6年生，其中農(nóng)林間作模式為：白蠟+棉花(Gossypiumhirsutum)、香花槐+棉花和竹柳+棉花，3種農(nóng)林間作模式的林下植被總蓋度分別為：85%，89%和93%，林分密度為單位面積上樹木株數(shù)。純林模式為白蠟純林和竹柳純林，林下植被總蓋度分別為75%和72%。同時(shí)以相同地段的裸地(CK)作為對照，植被總蓋度為20%。3種農(nóng)林間作模式，在棉花種植前深耕翻地，初花期追肥1次，其他造林模式不進(jìn)行肥水管理。不同造林模式下，林分基本概況見表1。

表1 不同造林模式下林分基本概況

FC: 白蠟+棉花Fraxinuschinensis+Gossypiumhirsutum,RC: 香花槐+棉花Robiniapseudoacaciacv.Idaho+Gossypiumhirsutum,SC: 竹柳+棉花Salixbabylonica+Gossypiumhirsutum,F: 白蠟林Fraxinuschinensis,S: 竹柳林Salixbabylonica，CK: 裸地對照 Compared with bare land

1.2.2 土壤樣品的采集

1.2.3 測定指標(biāo)及測定方法

1.2.4 數(shù)據(jù)分析與處理

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2003與SPSS 13.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同造林模式土壤可溶性總碳和有機(jī)碳的含量

不同造林模式下0—40 cm土壤可溶性總碳含量均高于裸地，總體表現(xiàn)為竹柳+棉花可溶性總碳含量最高，其次是白蠟+棉花，而白蠟、竹柳純林和香花槐+棉花農(nóng)林間作模式差異不大，均值在6.39—6.42 g/kg之間(圖1)。在土壤垂直層次上，竹柳+棉花，白蠟+棉花農(nóng)林間作模式和竹柳純林模式可溶性總碳含量表層稍高于20—40 cm土層，各造林模式的土壤上下層可溶性總碳含量差異不顯著(P>0.05)；而香花槐+棉花和白蠟純林土壤表層可溶性總碳含量則顯著低于20—40 cm土層(P<0.05)(圖1)。

不同造林模式下土壤可溶性有機(jī)碳含量均高于裸地(圖2)，0—40 cm土層中可溶性有機(jī)碳含量均值大小依次為竹柳+棉花>白蠟+棉花>香花槐+棉花>白蠟純林>竹柳純林，與裸地相比，分別增加169.4%、165.5%、106.6%、98.8%和60.0%。在土壤垂直層次上，除竹柳純林模式外，其他造林模式下的土壤可溶性有機(jī)碳含量表現(xiàn)為：0—20 cm高于20—40 cm土層，平均含量在34.63—101.63 mg/kg之間。在垂直方向上，裸地可溶性有機(jī)碳含量的變化幅度最小，白蠟+棉花造林模式下20—40 cm土層中的可溶性有機(jī)碳含量下降幅度最大，其次為香花槐+棉花。竹柳純林模式下的土壤可溶性有機(jī)碳在20—40 cm土層中的含量卻高于0—20 cm土層，這可能是竹柳是深根系植物，主根很深，側(cè)根和須根分布于各土層中，大量死根的腐解為土壤提供了豐富的碳源[19-20]，因此，竹柳純林20—40 cm土壤可溶性有機(jī)碳含量顯著高于淺層土壤。

圖1 不同造林模式土壤可溶性總碳的垂直分布

圖2 不同造林模式土壤可溶性有機(jī)碳的垂直分布

2.2 不同造林模式土壤可溶性總氮和有機(jī)氮的含量

由圖3可以看出，不同造林模式下0—40 cm土壤可溶性總氮平均含量均高于裸地，平均值在26.56—40.22 mg/kg之間。農(nóng)林間作模式下的土壤可溶性總氮含量高于純林模式，竹柳+棉花可溶性總氮含量最高，其次為白蠟+棉花，香花槐+棉花，而竹柳和白蠟純林含量較低。在土壤垂直層次上，白蠟+棉花，竹柳+棉花2種農(nóng)林間作模式和竹柳純林模式，0—20 cm土壤可溶性總氮含量顯著高于20—40 cm土層(P<0.05)，而香花槐+棉花，白蠟純林則表現(xiàn)出相反的變化趨勢。

不同造林模式下0—40 cm土壤的可溶性有機(jī)氮平均含量均高于裸地(圖4)，并且農(nóng)林間作模式高于純林模式，竹柳+棉花，香花槐+棉花，白蠟+棉花，白蠟和竹柳純林土壤可溶性有機(jī)氮平均值在14.87—24.11 mg/kg之間，分別是裸地的2.21，1.95，1.82，1.39和1.36倍。從土壤垂直結(jié)構(gòu)來看，5種造林模式0—20 cm土壤可溶性有機(jī)氮含量差異顯著(P<0.05)，其中竹柳+棉花的可溶性有機(jī)氮含量最高(29.23 mg/kg)，其次為：白蠟+棉花>竹柳純林>香花槐+棉花>白蠟純林>裸地，分別較裸地增加173.9%、117.4%、102.9%、59.7%和40.9%。在20—40 cm土層中，香花槐+棉花的可溶性有機(jī)氮含量最高(25.52 mg/kg)，與其他造林模式土壤可溶性有機(jī)氮含量存在顯著性差異(P<0.05)，而白蠟+棉花與竹柳+棉花、竹柳+棉花與白蠟純林之間差異不顯著(P>0.05)。同一種造林模式下，白蠟+棉花、竹柳+棉花和竹柳純林0—20 cm土壤可溶性有機(jī)氮含量顯著高于20—40 cm土壤，分別是下層的1.4、1.5和2.7倍；而香花槐+棉花20—40 cm土壤可溶性有機(jī)氮含量顯著高于0—20 cm；隨土層加深白蠟純林可溶性有機(jī)氮含量差異不顯著(P>0.05)，可能是種植棉花施用化肥，導(dǎo)致土壤可溶性有機(jī)氮含量普遍較高。

圖3 不同造林模式土壤可溶性總氮的垂直分布

圖4 不同造林模式土壤可溶性有機(jī)氮的垂直分布

2.3 不同造林模式土壤中不同形態(tài)的氮含量

由表2可知，5種造林模式下土壤銨態(tài)氮含量較硝態(tài)氮高，其中，竹柳+棉花0—20 cm層土壤可溶性無機(jī)氮和總氮含量最高，分別為18.66 mg/kg和0.54 g/kg。0—40 cm土壤層可溶性有機(jī)氮占可溶性全氮的百分比范圍為52.3%—61.6%，其中香花槐+棉花所占百分比最高，為61.6%，其次為竹柳+棉花(59.9%)，而白蠟+棉花和白蠟純林比較相近(57%)，竹柳純林最低僅為52.3%。不同造林模式下，土壤可溶性有機(jī)氮占可溶性總氮的含量在50%以上，表明可溶性有機(jī)氮是土壤可溶性氮的主要組成部分?？扇苄詿o機(jī)氮占可溶性全氮平均百分比范圍為38.4%—47.7%，竹柳純林所占百分比最高(47.7%)，其次為白蠟+棉花，白蠟純林，而香花槐+棉花最低，僅為37.4%?？扇苄匀伎偟钠骄俜直确秶鸀?.5%—8.9%，平均為8.2%，其中農(nóng)林間作模式相對較高，均值在8.4%—8.9%之間，而白蠟和竹柳純林模式較低，分別為7.6%和7.5%。

表2 不同造林模式土壤中各形態(tài)氮的含量

同一列中標(biāo)有不同小寫字母的數(shù)值表示差異顯著(P<0. 05)

3 討論

3.1 不同造林模式土壤碳氮含量的變化特征

土壤可溶性有機(jī)碳和可溶性有機(jī)氮是森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤活性碳、氮庫的重要組成部分，它們在生態(tài)系統(tǒng)中的流動(dòng)和轉(zhuǎn)移構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)C、N循環(huán)的重要組成部分[5-6,8]，也對森林土壤枯枝落葉層和土壤層有機(jī)C、N庫的源匯功能有著重要影響[12,21-22]。鹽堿生境下，土壤熟化程度低，植物生長緩慢，植被覆蓋少，限制了土壤有效碳氮的輸入和積累，而種植具有降鹽改土功能的植被，是提高鹽堿生境植物生物量和增加土壤養(yǎng)分輸入的主要方式[15-16, 23]。

土壤可溶性有機(jī)碳對土地利用方式的響應(yīng)較敏感[23]，土壤有機(jī)質(zhì)中的腐殖質(zhì)是土壤可溶性有機(jī)碳的主要來源，也是土壤微生物可直接利用的有機(jī)碳源。黃河三角洲輕度鹽漬化土壤條件下，糧田和菜地土壤可溶性有機(jī)碳和有機(jī)氮含量最高，分別為128.2 mg/kg和86.6 mg/kg[23]，鹽堿地刺槐+臭椿(Ailanthusaltissima)混交林分別為257.70 mg/kg和55.80 mg/kg[15]，遠(yuǎn)高于該研究的不同造林模式，這可能與糧田和菜地的施入肥料，混交林造林時(shí)間較長，改變了生產(chǎn)系統(tǒng)土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力有關(guān)。本研究結(jié)果表明，不同造林模式土壤可溶性有機(jī)碳和可溶性有機(jī)氮含量顯著高于裸地土壤(P<0.05)，可能是因?yàn)榭扇苄杂袡C(jī)碳和可溶性有機(jī)氮主要來源于植物的凋落物和土壤有機(jī)物的礦化過程[24]，土壤微生物及植物根系的分泌物也是其重要來源[25]，農(nóng)林間作模式下植物凋落物豐富、土壤生物活性高。與土壤中的非活性碳素相比，可溶性有機(jī)碳具有周轉(zhuǎn)速率快，活性強(qiáng)的特點(diǎn)，對地表覆蓋、土地利用方式和管理措施及外界環(huán)境的變化(例如季節(jié)、溫度、CO2濃度、凋落物和降雨量)等因素較為敏感[23,26]。例如，竹柳+棉花農(nóng)林間作模式下，竹柳生長迅速，生物量大，林下植被相對豐富，植被總蓋度達(dá)93%，地表凋落物和腐殖質(zhì)層厚，利于土壤有機(jī)碳氮的轉(zhuǎn)化和遷移；而單一純林地在無外源肥料施加的情況下，由于成林時(shí)間短，林下覆蓋度低，降鹽改土能力弱，不利于凋落物的分解和營養(yǎng)元素的歸還。而裸地的植物殘余量回歸更少，返回土壤的碳素少，因此，各造林模式下土壤可溶性有機(jī)碳和可溶性有機(jī)氮的含量顯著高于裸地。黃河三角洲鹽堿地不同林型下，土壤可溶性有機(jī)碳和可溶性總氮多表現(xiàn)為腐殖質(zhì)層>0—20 cm土層>20—40 cm土層[15]，這與該研究結(jié)果類似，表明土壤可溶性有機(jī)碳主要來源于土壤表層的腐殖質(zhì)、植物殘?bào)w、根系分泌物及微生物的代謝產(chǎn)物等[15,19]。因此，在重度退化刺槐林的經(jīng)營改造中，應(yīng)重視不同造林模式下表層凋落物及腐殖質(zhì)層的保護(hù)。

土壤可溶性全氮是土壤中生物可利用氮的重要來源，包括可溶性有機(jī)氮和無機(jī)氮。土壤中95%以上的氮素是以有機(jī)氮形式存在，可溶性有機(jī)氮是土壤有機(jī)氮庫中活性最高的組分之一。植物殘?bào)w的歸還量和生物固氮是氮素輸入的主要途徑[27]，竹柳+棉花在5種造林模式中0—40 cm層土壤的可溶性無機(jī)氮和總氮的平均含量最高，這與該農(nóng)林間作模式下生物量和地表凋落物增加有一定關(guān)系。除裸地外，白蠟純林土壤的可溶性無機(jī)氮和總氮平均含量最低，這可能與凋落物質(zhì)量影響凋落物的分解及營養(yǎng)元素的歸還有關(guān)，白蠟葉片表面有蠟質(zhì)，分解較慢，影響了土壤中碳氮的補(bǔ)充[15]?？梢姴捎眉兞衷炝帜Ｊ讲焕陴B(yǎng)分的積累，而棉花的種植增加了白蠟純林土壤中各氮元素的含量，提高了土壤肥力。由于地表植被生長狀況和水肥條件的差異，不同造林模式下，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性無機(jī)氮和總氮垂直空間分布沒有明顯的規(guī)律性。裸地由于其地表裸露，保水性能差，很容易受到淋溶，故其0—20 cm土層可溶性無機(jī)氮低于20—40 cm土層。在不同造林模式的各土層中，硝態(tài)氮含量均低于銨態(tài)氮含量。這可能是由于濱海鹽堿地通過植被恢復(fù)，pH、碳氮比和水分條件均發(fā)生變化，影響了硝化作用的進(jìn)行，這與人工恢復(fù)黃河三角洲濱海濕地土壤碳氮含量變化特征[27]的研究結(jié)果類似。土壤可溶性有機(jī)氮含量的多少可以反映土壤中潛在活性養(yǎng)分的含量和周轉(zhuǎn)速率，與土壤養(yǎng)分循環(huán)和供應(yīng)狀況有密切關(guān)系[4,6]。可溶性有機(jī)氮是林地土壤中可溶性氮的主要組分，占林地土壤可溶性全氮含量的90%以上[4,8]。香花槐+棉花土壤可溶性有機(jī)氮占可溶性全氮的百分比和可溶性全氮占總氮的百分比較其他造林模式高，這可能與香花槐屬于豆科植物，豆科植物與根瘤菌組成的共生固氮體系固氮能力強(qiáng)有關(guān)，豆科植物的固氮量占全球生物固氮量的60%以上[10]，因此，香花槐+棉花土壤的肥力較高，改良效果好，土壤可溶性有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為植物可吸收利用的無機(jī)氮的潛力較大。綜上所述，竹柳和香花槐與棉花的農(nóng)林間作模式可較好地改善重度退化刺槐林皆伐后的土壤肥力狀況。

3.2 不同造林模式土壤各碳、氮形態(tài)的相關(guān)性

不同造林模式下，不同土壤碳、氮形態(tài)之間的相關(guān)分析表明(表3)，土壤可溶性有機(jī)碳與總氮和銨態(tài)氮的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，說明可溶性有機(jī)碳與總氮、銨態(tài)氮在黃河三角洲濱海鹽堿地不用造林模式的土壤中是相伴存在；可溶性有機(jī)碳可較好反映土壤中潛在活性養(yǎng)分含量和周轉(zhuǎn)速率[15]，可溶性有機(jī)氮較可溶性無機(jī)氮更能反映土壤對植被的供氮能力[10]。比較其他研究，黃河三角洲鹽堿地混交林土壤可溶性有機(jī)碳、可溶性全氮與土壤全氮、有效磷、速效鉀和含鹽量相關(guān)性顯著，可溶性有機(jī)碳與可溶性全氮可顯著降低土壤中的含鹽量，而有機(jī)質(zhì)的增加可降低土壤酸堿性[15]。鹽堿地人工林土壤可溶性有機(jī)氮與可溶性全氮、無機(jī)氮、全氮呈極顯著相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)呈顯著相關(guān)，與土壤含鹽量呈負(fù)相關(guān)[10]。輕度鹽漬化土壤環(huán)境下，土壤可溶性有機(jī)碳和有機(jī)氮與其他形態(tài)碳、氮之間的相關(guān)性分別達(dá)極顯著或顯著性水平[23]。表明隨著鹽堿生境下土地利用方式[23]、林分類型[15]及造林模式[10]的不同，土壤可溶性有機(jī)碳、有機(jī)氮與其他形態(tài)碳氮之間的相關(guān)性大小并不一致。在一定程度上，土壤中的全氮含量決定了土壤可溶性有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤碳的保持取決于全氮含量水平。

土壤可溶性有機(jī)氮含量與土壤可溶性有機(jī)碳具有顯著正相關(guān)(P<0.05)(表3)，土壤可溶性有機(jī)氮含量可能主要與該地區(qū)土壤可溶性有機(jī)碳含量有關(guān)，其含量隨著可溶性有機(jī)碳以及總氮含量的變化而變化，土壤中較高的有機(jī)碳含量可能是促使可溶性有機(jī)氮含量及所占氮組分比例較高的主要因子[28]。有研究表明[19-20]，在不同土地利用方式和不同人為管理措施下，固氮物種和施氮、磷肥能顯著增加土壤碳匯集，固氮物種的存在和氮肥的施用可增加土壤氮含量，提高初級生產(chǎn)力，進(jìn)而使土壤有機(jī)碳的輸入增加；另一方面，土壤氮素含量的提高使土壤C/N降低，提高微生物活性，加速土壤有機(jī)碳的分解，使其含量降低，促進(jìn)了土壤營養(yǎng)元素的循環(huán)，有助于初級生產(chǎn)力的提高[4,6]。此外，土壤可溶性有機(jī)碳和可溶性有機(jī)氮與總氮、銨態(tài)氮之間的相關(guān)系數(shù)也分別達(dá)到極顯著或顯著性水平，說明鹽堿土壤中這些形態(tài)的碳、氮之間具有較好的相關(guān)關(guān)系，對土壤養(yǎng)分的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)化利用具有重要作用。

表3 土壤中各碳、氮之間的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

(1)農(nóng)林間作模式下土壤可溶性總碳和可溶性有機(jī)碳含量顯著高于純林模式，并且不同造林模式下，土壤0—20 cm可溶性有機(jī)碳含量高于20—40 cm土層。受土壤熟化程度、植被覆蓋度、凋落物形成腐殖質(zhì)層厚度以及植被本身降鹽改土的影響，不同造林模式下0—40 cm土壤可溶性總碳和可溶性有機(jī)碳含量，總體表現(xiàn)為竹柳+棉花含量最高，其次是白蠟+棉花，香花槐+棉花，而白蠟和竹柳純林含量較低。

(2)不同造林模式下0—40 cm土壤的可溶性全氮和可溶性有機(jī)氮平均含量均高于裸地。農(nóng)林間作模式地表覆蓋度較高，腐殖質(zhì)層較厚，致使農(nóng)林間作模式有效氮含量高于純林模式，竹柳+棉花可溶性全氮和可溶性有機(jī)氮含量最高，竹柳和白蠟純林含量較低。在土壤垂直層次上，受土壤表層的腐殖質(zhì)、植物殘?bào)w及根系分泌物等的影響，白蠟+棉花，竹柳+棉花2種農(nóng)林間作模式和竹柳純林模式，0—20 cm土壤可溶性全氮含量顯著高于20—40 cm土層。

(3)竹柳+棉花農(nóng)林間作模式在5種造林模式中土壤0—40 cm層可溶性無機(jī)氮和總氮的平均含量最高，可溶性有機(jī)氮是濱海鹽堿地土壤可溶性總氮的主要組成部分，占可溶性總氮含量的一半以上。鹽堿生境下，土壤可溶性有機(jī)碳與全氮和銨態(tài)氮的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，可溶性有機(jī)碳和可溶性有機(jī)氮與總有機(jī)碳和全氮之間關(guān)系密切，可較好反映土壤養(yǎng)分循環(huán)和供應(yīng)狀況，在調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分和提供可利用碳氮等方面具有重要作用。

綜上所述，竹柳+棉花土壤可溶性有機(jī)碳及各形態(tài)氮的含量是5種造林模式中最高的，香花槐+棉花土壤中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化潛力較大，純林與棉花的農(nóng)林間作模式較一般純林模式可顯著提高土壤可溶性有機(jī)碳和各形態(tài)氮的含量。

[1] McLauchlan K K, Hobbie S E, Post W M. Conversion from agriculture to grassland builds soil organic matter on decadal timescales. Ecological Applications, 2006, 16(1): 143-153.

[2] Arai H, Tokuchi N. Soil organic carbon accumulation following afforestation in a Japanese coniferous plantation based on particle-size fractionation and stable isotope analysis. Geoderma, 2010, 159(3/4): 425-430.

[3] 商素云, 姜培坤, 宋照亮, 李永夫, 林琳. 亞熱帶不同林分土壤表層有機(jī)碳組成及其穩(wěn)定性. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(2): 416-424.

[4] Priess J A, de Koning G H J, Veldkamp A. Assessment of interactions between land use change and carbon and nutrient fluxes in Ecuador. Agriculture Ecosystem and Environment, 2001, 85(1-3): 269-279.

[5] Saidy A R, Smernik R J, Baldock J A, Kaiser K, Sanderman J, Macdonald L M. Effects of clay mineralogy and hydrous iron oxides on labile organic carbon stabilisation. Geoderma, 2012, 173-174: 104-110.

[6] Liao J D, Boutton T W, Jastrow J D. Storage and dynamics of carbon and nitrogen in soil physical fractions following woody plant invasion of grassland. Soil Biology & Biochemistry, 2006, 38(11): 3184-3196.

[7] N?sholm T, Ekblad A, Nordin A, Giesler R, H?gberg M, H?gberg P. Boreal forest plants take up organic nitrogen. Nature, 1998, 392(6679): 914-916.

[8] Russell A E, Raich J W, Valverde-Barrantes O J, Fisher R F. Tree species effects on soil properties in experimental plantations in tropical moist forest. Soil Science Society of America Journal, 2007, 71(4): 1389-1397.

[9] 劉全友, 童依平. 北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶土地利用類型對土壤養(yǎng)分分布的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 16(10): 1849-1852.

[10] 陳印平, 夏江寶, 王進(jìn)闖, 曹建波, 喬云蕾, 孫曉群. 黃河三角洲鹽堿地人工林土壤可溶性有機(jī)氮含量及特性. 水土保持學(xué)報(bào), 2011, 25(4): 121-124, 130-130.

[11] 張俊華, 李國棟, 南忠仁. 黑河中游典型土地利用方式下土壤粒徑分布及與有機(jī)碳的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(12): 3745-3753.

[12] 湯潔, 韓維崢, 李娜, 徐小明, 李云飛. 吉林西部草地生態(tài)系統(tǒng)不同退化演替階段土壤有機(jī)碳變化研究. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2010, 19(5): 1182-1185.

[13] 康健, 孟憲法, 許妍妍, 欒婧, 隆小華, 劉兆普. 不同植被類型對濱海鹽堿土壤有機(jī)碳庫的影響. 土壤, 2012, 44(2): 260-266.

[14] 李玲, 趙西梅, 孫景寬, 夏江寶, 謝文軍, 劉京濤, 陸兆華. 造紙廢水灌溉對鹽堿蘆葦濕地土壤活性氮的影響. 土壤通報(bào), 2013, 44(2): 450-454.

[15] 陳印平, 夏江寶, 曹建波, 王進(jìn)闖. 黃河三角洲鹽堿地不同混交林土壤可溶性有機(jī)碳氮的研究. 水土保持通報(bào), 2013, 33(5): 87-91.

[16] 夏江寶, 許景偉, 李傳榮, 劉京濤, 王月海, 陸兆華. 黃河三角洲低質(zhì)低效人工刺槐林分類與評價(jià). 水土保持通報(bào), 2012, 32(1): 217-221.

[17] 馬風(fēng)云, 白世紅, 侯本棟, 劉艷, 侯龍魚. 黃河三角洲退化人工刺槐林地土壤特征. 中國水土保持科學(xué), 2010, 8(2): 74-79.

[18] 夏江寶, 許景偉, 李傳榮, 劉京濤, 王月海, 陸兆華. 黃河三角洲鹽堿地道路防護(hù)林對土壤的改良效應(yīng). 水土保持學(xué)報(bào), 2011, 25(6): 72-75, 91-91.

[19] Arrouays D, Pelissier P. Modeling carbon storage profiles in temperate forest humic loamy soils of France. Soil Science, 1994, 157: 185-192.

[20] Laganière J, Angers D A, Paré D. Carbon accumulation in agricultural soils after afforestation: a meta-analysis. Global Change Biology, 2010, 16(1): 439-453.

[21] 張彪, 高人, 楊玉盛, 楊智杰, 陳光水. 萬木林自然保護(hù)區(qū)不同林分土壤可溶性有機(jī)氮含量. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 21(7): 1635-1640.

[22] 胡會(huì)峰, 劉國華. 人工油松林恢復(fù)過程中土壤理化性質(zhì)及有機(jī)碳含量的變化特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(4): 1212-1218.

[23] 呂學(xué)軍, 劉慶, 陳印平, 李玲. 黃河三角洲土地利用方式對土壤可溶性有機(jī)碳、氮的影響. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究, 2011, 32(4): 505-508.

[24] Ussiri D A N, Johnson C E. Organic matter composition and dynamics in a northern hardwood forest ecosystem 15 years after clear-cutting. Forest Ecology and Management, 2007, 240(1-3): 131-142.

[25] Uselman S M, Qualls R G, Lilienfein J. Contribution of root vs. leaf litter to dissolved organic carbon leaching through soil. Soil Science Society of America Journal, 2007, 71(5): 1555-1563.

[26] Kalbitz K, Meyer A, Yang R, Gerstberger P. Response of dissolved organic matter in the forest floor to long-term manipulation of litter and throughfall inputs. Biogeochemistry, 2007, 86(3): 301-318.

[27] 董凱凱, 王惠, 楊麗原, 楊寶山, 解伏菊. 人工恢復(fù)黃河三角洲濕地土壤碳氮含量變化特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(16): 4778-4782.

[28] Song L C, Hao J M, Cui X Y. Soluble organic nitrogen in forest soils of northeast China. Journal of Forestry Research, 2008, 19(1): 53-57.

Distribution characteristics of soil carbon and nitrogen under different afforestation modes of saline land in the Yellow River Delta

XIA Jiangbao1, CHEN Yinping1,*, WANG Guixia2, REN Jiayun1

1BinzhouUniversity,ShandongProvincialKeyLaboratoryofEco-EnvironmentalScienceforYellowRiverDelta,Binzhou256603,China2WaterConservancyBureauofBinzhou,Binzhou256600,China

The Yellow River Delta is the largest estuarine wetland ecosystem in the warm temperate zone of in China and the most active land-ocean interacion regions among the large river deltas in the word. However, here rainfall was less and the mineral content in underground water was higher. These conditions caused soil salinization and alkalization. Soil affected by saline and alkaline constitute nearly 50 percent of total and surface. Therefore, the development of management strategies designed to reduce soil salinity has become a high priority in this region. However, a better understanding of ecological effects of different afforestation is necessary before targeted management strategies can be conceived. Thus, the objective of this study is to assess the effects of agro-forestry and pure forest on the organic carbon and nitrogen of saline soil in the Yellow River Delta. Total soluble carbon (TOC), dissolved organic carbon (DOC), total soluble nitrogen (TSN), soluble organic nitrogen (SON), NH+4-N, NO3-N and total nigrogen (TN) in soil taken from different afforest measures were analyzed. Five afforestation models wereFraxinuschinensis+Gossypiumhirsutum(FC),Robiniapseudoacaciacv.Idaho+Gossypiumhirsutum(RC),Salixbabylonica+Gossypiumhirsutum(SC),Fraxinuschinensis(F) andSalixbabylonica(S). Compared with bare land, soil TOC and DOC contents in the combination of SC were highest among all treatments, followed by FC, RC,Soil DOC content in all systems tended to be higher in surface layer (0—20 cm) than in deeper layer (20—40 cm). Regardless of soil layers, the contents of TSN and SON were higher in agro-forestry than in pure forest，SC had the highest level of soil TSN and SON. The contents of SON in 0—20 cm soil layers were significantly higher than 20—40 cm soil layers under FC, SC and S, respectively was 1.4, 1.5 and 2.7 times of them. Conversely, the contents of soil SON in 20—40 cm were significantly higher than in 0—20 cm under RC. Among five afforestation measures, the contents of all kinds of soil nitrogen were significantly higher than bare land, excepted for the lower NO-3-N contents under F. There was a positive correlation between the DOC,and TN and NH+4-N (P<0.01). The conclusion indicates that the agro-forestry could significantly improve the contents of soil effective carbon and nitrogen, in particular, SC was the best afforestation model, while the pure forest was poor.

Yellow River Delta; saline land; afforestation model; soil carbon content; soil nitrogen content

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31370702); 國家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BADB2B0502); 山東省高校科研發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(J13LE58, J13LC03); 山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013YD17001)

2013-11-28;

2014-09-09

10.5846/stxb201311282837

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yinpchen@126.com

夏江寶, 陳印平, 王貴霞,任加云.黃河三角洲鹽堿地不同造林模式下的土壤碳氮分布特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(14):4633-4641.

Xia J B, Chen Y P, Wang G X, Ren J Y.Distribution characteristics of soil carbon and nitrogen under different afforestation modes of saline land in the Yellow River Delta.Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4633-4641.