坡地黑土團(tuán)聚體氮庫及其分布1)

曹偉　李露　趙鵬志　王恩姮

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

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坡地黑土團(tuán)聚體氮庫及其分布1)

曹偉李露趙鵬志王恩姮

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

摘要為了研究黑土區(qū)不同土地使用類型團(tuán)聚體氮庫及其分布，以東北黑土區(qū)坡耕地、退耕還落葉松林地、樟子松人工林地土壤作為研究對象，結(jié)合不同坡位，對不同粒徑團(tuán)聚體內(nèi)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及總儲量進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：坡耕地以>2 mm粒徑土壤團(tuán)聚體為主，達(dá)到50%以上，樟子松人工林地、退耕還落葉松林地以<2 mm粒徑土壤團(tuán)聚體為主；各土地利用類型<0.5 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較高，但儲量較低，坡下和坡中下的儲量高于其他坡位；坡耕地各徑級團(tuán)聚體氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及總儲量均為最低，總體氮庫由小到大表現(xiàn)為坡耕地、退耕還落葉松林地、樟子松林地。坡耕地團(tuán)聚體及氮庫的再分布印證了耕作侵蝕的存在，退耕還林能夠有效恢復(fù)黑土區(qū)氮庫、維持碳氮平衡。

關(guān)鍵詞黑土；土壤團(tuán)聚體；氮儲量；坡位；退耕還林

分類號S153.6+2；S714

Organic Nitrogen Pool and Its Distribution of Aggregates in Sloping Black Soils//

Cao Wei, Li Lu, Zhao Pengzhi, Wang Enheng

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(5)：63-66.

Aiming to understand the distribution pattern of nitrogen pool of sloping lands in the black soil region of Northeast China, sloping farm land, larch forest land converted from farm land, andPinussylvestrisforested land were selected to analyze characteristics of nitrogen content and storage of different aggregate sizes and slope positions for the quality assessment of black soil. The farm land was mainly composed of aggregates bigger than 2 mm, reaching more than 50%. On the contrary, larch forested land andP.sylvestrisforested land were composed of aggregate smaller than 2 mm. Nitrogen content within <0.5 mm aggregates was higher for all three lands comparing to aggregates with bigger size, while nitrogen storage was lower because of its lower composition percent, and nitrogen storage in middle-down and down slope position was relatively higher. Nitrogen content and storage of sloping farm land was the lowest, with ascending order of farm land, larch forested land, andP.sylvestrisforested land. The results confirmed the existence of tillage erosion in this region, and converting cultivated land into forest could be an effective way to regenerate soil nitrogen pool and maintain carbon-nitrogen balance of black soils.

KeywordsBlack soil; Soil aggregate; Nitrogen storage; Slope position; Converting cultivated land into forest

土壤中的氮素是作物所需的大量營養(yǎng)元素之一，影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[1]；在耕作過程中由于管理不善也使其成為農(nóng)區(qū)最重要的非點源污染物，耕地氮素流失現(xiàn)象嚴(yán)重,尤其導(dǎo)致坡耕地土壤氮儲量的失衡[2-3]。東北黑土區(qū)作為我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，研究坡耕地、林地條件下土壤氮素分布對黑土資源的保護(hù)和退化黑土的恢復(fù)具有重要的現(xiàn)實意義，同時能夠為黑土侵蝕與流失規(guī)律提供證據(jù)。

土壤團(tuán)聚體對保持土壤結(jié)構(gòu)、維持水熱氣肥的動態(tài)平衡具有重要作用[4]。不同土地利用類型，即不同生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)土壤團(tuán)聚體的分布差異較大，進(jìn)而影響到團(tuán)聚體內(nèi)部元素的轉(zhuǎn)化速率，由此可見，不同徑級團(tuán)聚體內(nèi)氮素形態(tài)與儲量也必然存在差別[5-6]。王曉燕[7]等研究表明，在單一土地利用結(jié)構(gòu)中,林果地地表徑流中的溶解態(tài)氮濃度要比坡耕地低，林地對地表氮素的截持效率更高；同時林地可通過豐富的根系吸收地下水中的氮，加之凋落物積累養(yǎng)分和地下部分根系的分泌物或脫落物等共同作用，使林地土壤結(jié)構(gòu)更易保水保肥[8-9]，林地豐富的凋落物使土壤有機質(zhì)含量豐富，而豐富的有機質(zhì)對土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定具有積極影響[10]。查春梅[11]研究結(jié)果顯示，土地開墾后有機氮在各級團(tuán)聚體中質(zhì)量分?jǐn)?shù)也均有不同程度的下降；長期施肥也會影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及團(tuán)聚體對氮、碳的挾持能力[12]，因此，及時退耕還林或進(jìn)行防護(hù)林建設(shè)對農(nóng)田氮素的可持續(xù)利用以及環(huán)境保護(hù)具有積極作用。本研究以典型黑土區(qū)坡耕地、退耕還林落葉松林地、樟子松人工林地土壤為研究對象，通過對比分析相同坡度、不同土地利用方式(耕地、退耕還落葉松林14 a、樟子松人工林43 a)、各徑級土壤團(tuán)聚體組成比例及其氮分布與儲量特征，并結(jié)合不同坡位氮素分布規(guī)律，以期闡明不同土地利用方式下坡地土壤團(tuán)聚體和氮庫的變化規(guī)律，為進(jìn)一步優(yōu)化黑土區(qū)坡地利用方式、減緩?fù)寥狼治g、科學(xué)評價黑土區(qū)退耕還林、防護(hù)林建設(shè)的生態(tài)效益提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)自然概況

研究地點位于黑龍江省西北部的克山農(nóng)場(48°12′～48°23′N，125°08′～125°37′E)，屬克拜漫川漫崗地帶，海拔240～340 m，平均坡度3°。區(qū)域內(nèi)土壤類型以黏化濕潤均腐土為主，屬典型黑土區(qū)[13]。溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征明顯，年平均氣溫0.9 ℃，≥10 ℃有效積溫2 296.2 ℃，年平均降水量501.7 mm，平均蒸發(fā)量1 329.4 mm，無霜期115 d，土壤凍結(jié)期從11月初至翌年6月中旬，最大結(jié)凍深度可達(dá)2.5 m。

2材料與方法

樣地選擇及樣品采集：10月中旬作物完全收獲后，選擇克山農(nóng)場14連隊坡型(凸形坡)、坡度(2.9°～3.6°)、坡長(400 m)、坡向(正南)相同，相鄰且平行分布的坡耕地(作物為玉米)、退耕還落葉松林地、樟子松人工林地為樣地，分別在每個樣地內(nèi)沿坡的方向設(shè)置3條平行取樣線作為重復(fù)，采用機械分段與自然坡位分段相結(jié)合的方法，依次間隔50 m將每條樣線分為坡上、坡中上、坡中、坡中下、坡下5個坡位，每個坡位設(shè)置采樣點，采集0～10 cm土層土樣，每個樣點取土300～500 g，合計45個樣品。

指標(biāo)及測定方法：將各樣地內(nèi)取自相同坡位的3個土樣混合，約1 kg帶回實驗室自然風(fēng)干。采用由5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm組成的套篩，干篩法測定土壤干團(tuán)聚體組成；收集各粒徑團(tuán)聚體，研磨過0.25 mm篩，經(jīng)變溫消煮(150 ℃-30 min，250 ℃-60 min，380 ℃-120 min)后使用連續(xù)流動分析儀(型號：AA3，德國SEAL)測定全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

團(tuán)聚體氮總儲量的計算公式為：

式中：W為某坡位1kg土壤中團(tuán)聚體全氮儲量(g·kg-1)；Wi為某粒徑團(tuán)聚體全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg-1)；Pi為相應(yīng)團(tuán)聚體組成比例(%)；n為團(tuán)聚體粒徑數(shù)。

數(shù)據(jù)分析:采用Office2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用SPSS19.0單因素方差分析LSD-t方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性檢驗。

3結(jié)果與分析

3.1團(tuán)聚體組成特征

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，耕地各坡位處土壤團(tuán)聚體組成比例較為相似，以大粒徑(D)D>5.00 mm、5.00 mm≥D>2.00 mm團(tuán)聚體為主，D<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體組成比例僅為0.66%～1.60%。相同徑級團(tuán)聚體比例分配情況隨坡位的變化呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，在坡中位置2.00 mm≥D>1.00 mm、5.00 mm≥D>2.00 mm、D>5.00 mm土壤團(tuán)聚體組成比例基本相似，為24%～27%，且均顯著高于D<1.00 mm團(tuán)聚體各比例(P<0.05)；耕地坡下D>5.00 mm、5.00 mm≥D>2.00 mm團(tuán)聚體比例達(dá)到40%以上，顯著高于其他坡位。退耕還林落葉松林地與樟子松人工林地各坡位小粒徑團(tuán)聚體組成比例有所提高，各粒徑組成比例隨坡位不同表現(xiàn)出不同規(guī)律。在落葉松純林中，除坡中下處的規(guī)律明顯不同外，其他坡位處土壤團(tuán)聚體組成比例也較為相似，坡中下D>5.00 mm、5.00 mm≥D>2.00 mm團(tuán)聚體比例顯著低于2.00 mm≥D>1.00 mm、1.00 mm≥D>0.50 mm、0.50 mm≥D>0.25 mm團(tuán)聚體(P<0.05)；與耕地相比，退耕還落葉松林地各粒徑團(tuán)聚體分布相對均勻，大粒徑團(tuán)聚體組成比例有所下降，所占比例均不超過30%。樟子松人工林地坡上、坡中上D<0.25 mm團(tuán)聚體組成比例顯著小于其他徑級比例(P<0.05)；坡中位置D>5.00 mm團(tuán)聚體比例最高，坡中上、坡中、坡下D>5.00 mm、5.00 mm≥D>2.00 mm、2.00 mm≥D>1.00 mm粒徑團(tuán)聚體組成比例較高，坡上、坡中下2.00 mm≥D>1.00 mm、1.00 mm≥D>0.50 mm團(tuán)聚體組成比例均超過20%。且坡上、坡中下D<0.25 mm團(tuán)聚體顯著高于較其他坡位(P<0.05)。

通過比較3種不同土地利用類型發(fā)現(xiàn)，坡耕地的大粒徑團(tuán)聚體組成比例明顯較退耕還落葉松林和樟子松林高，坡下最為明顯，各坡位D<0.25 mm團(tuán)聚體組成比例呈現(xiàn)出坡耕地、退耕還落葉松林地、樟子松人工林地不同程度升高的趨勢。耕作干擾導(dǎo)致團(tuán)聚體重新分布，不同于林地。樟子松人工林地中D<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體組成比例相對較高，退耕還落葉松林地在坡中下也體現(xiàn)出這種規(guī)律，其他坡位的規(guī)律與耕地相似，即隨著徑級減小，比例逐漸降低。由此可見，退耕還林后，團(tuán)聚體比例組成上逐漸從耕地模式過渡到林地模式。

3.2氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

不同土壤團(tuán)聚體內(nèi)因為有機質(zhì)組成及其轉(zhuǎn)化速率不同，土壤團(tuán)聚體的氮素分布也會隨之有所變化[14]。各粒徑團(tuán)聚體內(nèi)全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨坡位的變化規(guī)律如表2所示，各粒徑團(tuán)聚體氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有太大差異，樟子松人工林地各粒徑團(tuán)聚體在各坡位全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)始終維持在較高水平，平均變化范圍為0.67～2.57 g·kg-1，坡耕地和退耕還落葉松林地全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，變化范圍在0.20～1.61 g·kg-1。坡耕地不同坡位氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有明顯規(guī)律，但在坡下、坡中下位置各粒徑團(tuán)聚體氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均保持較高水平，退耕還落葉松林地和樟子松人工林地氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布規(guī)律基本一致，除退耕還落葉松林地1.00 mm≥D>0.50 mm粒徑團(tuán)聚體外均表現(xiàn)出坡下高于坡上的一致性規(guī)律。從表2中可以看出，坡下位置氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，在樟子松人工林地中表現(xiàn)最為明顯，說明在自然條件下坡下位置的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)要高于其他坡位的。

表1　不同樣地不同坡位土壤團(tuán)聚體組成比例

注：不同大寫字母表示同行數(shù)據(jù)之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示相同樣地類型內(nèi)同列數(shù)據(jù)之間差異顯著(P<0.05)。

表2　不同樣地不同坡位土壤團(tuán)聚體氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

注：不同大寫字母表示同行數(shù)據(jù)之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示相同樣地類型內(nèi)同列數(shù)據(jù)之間差異顯著(P<0.05)。

3.3氮儲量及其規(guī)律

如表3所示，耕地氮儲量平均值變化于0.38～0.70 g·kg-1，各坡位氮儲量差異不顯著；落葉松退耕還林地氮儲量平均值變化于0.49～1.01 g·kg-1，從坡中上至坡下呈緩慢增加趨勢，差異顯著；樟子松人工林地氮儲量平均值變化于0.99～1.61 g·kg-1，坡下氮儲量最高且顯著高于其他坡位，其他坡位之間氮儲量差異不明顯。在坡上位置各樣地的氮儲量較為接近，無明顯差異；其余坡位樟子松人工林地均顯著高于坡耕地和退耕還落葉松林地，在坡中、坡下處3個樣地氮儲量差異較大，均達(dá)到顯著水平。團(tuán)聚體氮庫總體規(guī)律由小到大表現(xiàn)為坡耕地、退耕還落葉松林地、樟子松人工林地。

表3　不同土地使用類型土壤氮儲量

注：不同大寫字母表示同樣地不同坡位之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同坡位不同樣地之間差異顯著(P<0.05)。

4結(jié)論與討論

坡耕地以大粒徑土壤團(tuán)聚體為主，D>2.00 mm團(tuán)聚體組成比例均超過50%；林地土壤D<0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體較高，雖然D>2.00 mm大粒徑團(tuán)聚體比例有所降低，但各粒徑團(tuán)聚體分布較為均勻。在D>2.00 mm粒徑團(tuán)聚體中氮素水平差異不大且質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，D<0.25 mm團(tuán)聚體中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。樟子松人工林地氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及儲量均保持較高水平，其次為落葉松退耕還林地、坡耕地。樟子松人工林地、落葉松退耕還林地氮儲量具有隨坡位逐漸增加趨勢，耕地在各坡位氮儲量差異不大。

耕地、退耕還林地、人工林地內(nèi)土壤團(tuán)聚體組成存在明顯差異，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與總儲量也不同。耕地受復(fù)雜人為活動及自然因素的共同作用，導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體組成比例失衡，穩(wěn)定性及供肥能力下降[15]，有研究顯示，長期施肥會導(dǎo)致土壤大團(tuán)聚體比例增加[16]，Six et al.[17]研究顯示，0.25 mm粒徑團(tuán)聚體最有利于作物生長，可以用來評價土壤的優(yōu)劣，本研究發(fā)現(xiàn)在耕地中D>2.00 mm粒徑團(tuán)聚體比例較高，與前人研究結(jié)果基本符合。土壤中大團(tuán)聚體比例增加對土壤氮素在團(tuán)聚體中分布及礦化速率有較大影響[18-19]，土壤中氮素多富集在小團(tuán)聚體及黏粒中，隨土壤團(tuán)聚體粒徑增大而減少[20-21]。與林地相比，耕地除發(fā)生水蝕外，還會有耕作侵蝕及其與水蝕的交互作用，在多營力綜合作用條件下，導(dǎo)致氮素分配不均勻，儲量低,在發(fā)生降水時，長期施肥的耕地土壤氮素更容易受到侵蝕[22]。本研究證實，在小團(tuán)聚體組成比例較高的樟子松人工林地中各粒徑團(tuán)聚體氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、儲量均表現(xiàn)為高于耕地，退耕還林落葉松13 a的林地土壤儲氮能力介于樟子松人工林地和耕地之間，與陳恩鳳等[14]研究結(jié)果相符。但同樣小團(tuán)聚體組成比例較高的落葉松退耕還林地的各粒徑氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與坡耕地相比并沒有很大的差異，個別坡位耕地團(tuán)聚體氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于退耕還林落葉松林地，由此可見，退耕還林能有效改善土壤結(jié)構(gòu)，但對養(yǎng)分的積累作用不明顯或積累緩慢，可進(jìn)一步研究退耕還林后氮素形態(tài)、微生物及酶活性變化等，為退耕還林效益評價提供理論依據(jù)。

耕地土壤中易保持養(yǎng)分的小粒徑團(tuán)聚體在耕作過程中被破壞或流失，不能高效的保持養(yǎng)分，本研究也顯示，耕地氮儲量低，且在各個坡位氮儲量差異均不顯著。而耕地大團(tuán)聚體在坡下位置聚集，也間接印證了耕作侵蝕的存在。從氮儲量結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，無論是林地還是耕地坡中下、坡下位置的氮儲量最高，且在落葉松退耕還林地和樟子松人工林中各樣地在坡下位置氮儲量顯著高于坡上、坡中上、坡中，說明在具有一定坡度的林地中依舊存在明顯的侵蝕。在一般情況下，發(fā)生雨水侵蝕時小粒徑團(tuán)聚體易隨徑流損失[23],且在坡下位置會發(fā)生一定程度的積聚[24]，水蝕可能是造成林地氮儲量分布差異的主要原因。

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收稿日期：2015年11月 11日。

第一作者簡介：曹偉，女，1994年4月生，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，本科生。E-mail:vivi4587@163.com。通信作者：王恩姮，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，副教授。E-mail: erxin222@163.com。

1)國家科技支撐計劃課題(2015BAD07B05)、國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201404202)、國家自然科學(xué)青年科學(xué)基金項目(41302222)、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(201410225067)。

責(zé)任編輯：任俐。