不同恢復(fù)年限退化土壤有機(jī)氮組分變化特征

郭寶玲 ，鄭祥洲，余居華，丁洪，駱社周，張玉樹(shù)*

1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福建 福州 350013

土壤退化是當(dāng)今全球重大的環(huán)境問(wèn)題之一，它不僅降低土壤肥力，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，同時(shí)破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡、加劇環(huán)境惡化，危害人類(lèi)健康（翁伯琦等，2013）。水土流失是最主要的土壤退化形式，中國(guó)南方紅壤丘陵區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，高強(qiáng)度的降雨和不合理開(kāi)發(fā)利用導(dǎo)致水土流失問(wèn)題嚴(yán)重（潘俊等，2019；王昭艷等，2011）。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，南方紅壤丘陵區(qū)中水土流失面積達(dá) 13.12萬(wàn)平方千米，約占南方紅壤丘陵區(qū)所調(diào)查總面積的15.06%（梁音等，2008）。長(zhǎng)汀縣曾是中國(guó)南方紅壤區(qū)水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一，其水土流失面積廣、歷史久遠(yuǎn)（林娜等，2013；王維明等，2005），該地區(qū)植被稀少、覆蓋率低、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能?chē)?yán)重退化（張欣影等，2017）。植被恢復(fù)是生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建的有效途徑（竇曉琳等，2012）。大量研究表明，植被恢復(fù)不但能夠增加地表覆蓋率，減少水土流失，而且可以改善土壤特性，改良土壤質(zhì)量（劉占鋒等，2007；吳建平等，2017）。植被恢復(fù)還能有效促進(jìn)退化土壤修復(fù)（賈志清，2006；Zhu et al.，2010），是提高土壤肥力的有效途徑之一（Huang et al.，2015；張俊華等，2003），對(duì)土壤氮素等養(yǎng)分循環(huán)會(huì)產(chǎn)生重大影響（Chen et al.，2017；趙溪等，2010）。從上世紀(jì) 80年代初，長(zhǎng)汀縣開(kāi)始大力開(kāi)展水土流失植被治理工作，促進(jìn)植被恢復(fù)與重建（王維明等，2005），形成一系列不同年限的退化恢復(fù)土壤，成為退化土壤生態(tài)恢復(fù)過(guò)程相關(guān)研究的理想的研究材料。

目前對(duì)于植被恢復(fù)過(guò)程的研究主要集中在土壤碳氮養(yǎng)分累積（張寧寧等，2019；聶陽(yáng)意等，2018；Rutigliano et al.，2004）、氮礦化（黃橋明等，2020）、持水性和水分有效性（張永旺等，2020）以及土壤微生物（馬志陽(yáng)等，2008）等方面，對(duì)于土壤有機(jī)氮組分變化研究較少。然而，氮素是陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要限制因子（Gant，2014），是作物生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素（Duan et a1.，2017），其有效性受到有機(jī)氮化學(xué)形態(tài)和賦存狀況的制約（巨曉棠等，2004）。土壤有機(jī)氮作為土壤氮素的重要組成部分（Schulten et al.，1997），與土壤供氮潛力息息相關(guān)，不僅能維持土壤氮素肥力，還直接決定土壤供氮能力（張永全等，2015）。有機(jī)氮還是土壤中礦質(zhì)氮的源和庫(kù)，在氮素養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程中具有極其重要的意義（黨亞愛(ài)等，2015；李世清等，2004；吳漢卿等，2018；張玉玲等，2012）。按化學(xué)形態(tài)分，土壤有機(jī)氮可分為酸解氨態(tài)氮、酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮及酸解未知態(tài)氮（Bremne，1965）；這些組分的構(gòu)成比例直接或間接影響土壤有機(jī)氮礦化難易程度和氮素有效性（張玉玲等，2012）。因此，研究植被恢復(fù)土壤的有機(jī)氮組分形態(tài)變化，對(duì)于退化土壤氮素管理具有重要意義，可為土壤退化區(qū)植被恢復(fù)重建和土壤固氮潛力提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于福建長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。該區(qū)域年均氣溫為18.3 ℃，年平均降雨量為1730 mm，主要土壤類(lèi)型為發(fā)育于酸性花崗巖母質(zhì)的紅壤，抗侵蝕能力低，地帶性植被嚴(yán)重破壞，經(jīng)過(guò)治理植被覆蓋率由15%—35%提高到65%—91%（張秋芳等，2016）。本研究選取土壤母質(zhì)和成土條件相同、地形和地表生態(tài)過(guò)程以及植被恢復(fù)手段相似的 5個(gè)不同恢復(fù)年限的試驗(yàn)樣地，樣地治理前的土壤侵蝕狀況以及土壤有機(jī)氮含量與侵蝕裸地基本一致。因此，不同恢復(fù)年限馬尾松林土壤有機(jī)氮組分的差異主要由植被恢復(fù)和治理措施引起的植物生長(zhǎng)條件及土壤生態(tài)過(guò)程的差異造成。

1.2 土樣采集與分析

于2018年3月在不同植被恢復(fù)階段樣地設(shè)置5個(gè)處理（圖1），1—3采樣點(diǎn)為未治理的裸地（R0），4—6、7—9、10—12和13—15 4組采樣點(diǎn)分別為恢復(fù)7、17、23、35 a馬尾松人工林（分別簡(jiǎn)稱(chēng)為R7、R17、R23和R35）。其中裸地（R0）為未治理的嚴(yán)重土壤侵蝕地，表層土壤流失殆盡，B層暴露，尚有馬尾松（Pinusmassoniana）及少量芒萁（Dicranopterisdichotoma）稀疏存在。R7、R17、R23和 R35分別于 2011、2001、1995、1985年開(kāi)始治理，R7、R17、R23和R35治理前本底條件與R0基本一致，現(xiàn)存植被以人工種植的馬尾松為主，林下植被以芒萁覆蓋為主，坡度為15°—21°。每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)10 m×10 m的標(biāo)準(zhǔn)樣方，采樣前先移除表層枯枝落葉，再用土鉆在樣地內(nèi)隨機(jī)取5個(gè)0—20 cm土壤樣品，15個(gè)子樣品混勻后作為一個(gè)樣品。取樣后，從新鮮土壤樣品中剔除根和植物殘?bào)w，風(fēng)干后用于土壤基本理化性質(zhì)和有機(jī)氮組分的測(cè)定，土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

圖1 取樣點(diǎn)位置示意圖Fig.1 Location of sample sites

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Soil properties of different restoration ages

1.3 分析方法

土壤基本理化性質(zhì)參照土壤農(nóng)化分析方法（魯如坤，2000）測(cè)定。土壤有機(jī)氮組分測(cè)定采用Bremner法（Bremner，1965）。其中，采用凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮和酸解性氮含量；分別采用MgO蒸餾法、磷酸-硼砂緩沖液蒸餾法、茚三酮氧化和磷酸-硼砂緩沖液蒸餾法測(cè)定氨態(tài)氮、氨態(tài)氮+氨基糖態(tài)氮以及氨基酸態(tài)氮含量；利用差減法計(jì)算氨基糖態(tài)氮、未知態(tài)氮和非酸解性氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用SPSS 13.0、Origin 8.5和Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，單因素方差分析（One-way ANOVA）和鄧肯（Duncan）檢驗(yàn)來(lái)判斷差異顯著性；相關(guān)關(guān)系分析采用皮爾森相關(guān)系數(shù)（Pearson correlation analysis）和回歸分析（Regression analysis）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)氮組分隨植被恢復(fù)年限的變化規(guī)律

研究結(jié)果顯示（表 1），土壤有全氮含量隨著恢復(fù)年限的增長(zhǎng)而增加（P＜0.05），R7、R17、R23、R35的全氮含量相較于 R0分別提高 0.18、0.26、0.28、0.39 g·kg?1，增幅分別為 2.57、3.71、4.00、5.57倍。表2顯示，土壤中全氮主要以酸解性氮形態(tài)存在，占全氮 51.2%—84.7%，非酸解性氮占15.3%—48.8%；植被恢復(fù)過(guò)程中土壤酸解性氮組分含量隨恢復(fù)年限的延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)。其中，R7、R17、R23、R35的氨態(tài)氮含量分別比R0提高1.0、1.0、1.7、3.0倍，氨基酸態(tài)氮含量分別比R0提高1.9、2.1、3.0、5.0倍，酸解未知態(tài)氮含量分別比R0提高 1.4、1.4、2.1、4.8倍，且增幅隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)而提高，其中氨基酸態(tài)氮含量的增幅最大。植被恢復(fù)后土壤氨基糖態(tài)氮含量顯著提高，但與恢復(fù)年限沒(méi)有明顯相關(guān)性。植被恢復(fù)降低氨態(tài)氮組分占酸解性總氮的比例，提高氨基酸態(tài)氮組分占酸解性總氮比例。其中，R7、R17、R23和R35的氨態(tài)氮組分占酸解性總氮比例分別比 R0降低了 4.8%、3.8%、1.9%、2.8%，氨基酸態(tài)氮組分占酸解性總氮比例分別提高 2.5%、6.6%、9.1%、7.8%。植被恢復(fù)過(guò)程提高非酸解氮比例，降低酸解性氮比例，但土壤中酸解性氮和非酸解性氮含量均隨全氮含量的提高而顯著提高（圖 2，P＜0.01）。非線(xiàn)性回歸分析表明（圖2，P＜0.01），在植被恢復(fù)35年范圍內(nèi)，土壤中酸解性氮含量表現(xiàn)為恢復(fù)初期增加緩慢，后期迅速增長(zhǎng)，而非酸解性氮含量前期快速提高，后期趨于平緩。

表2 不同恢復(fù)年限對(duì)土壤酸解性氮和非酸解性氮的影響Table 2 Effect of different restoration ages on acid hydrolysable N and non-acid hydrolysable N in soils

圖2 土壤全氮與酸解性氮和非酸性氮含量的關(guān)系Fig.2 Relationship of total N with acid hydrolysable and non-acid hydrolysable N in soils

2.2 不同恢復(fù)年限下土壤有機(jī)氮組分結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律

各恢復(fù)階段土壤酸解性總氮中各組分比例大小順序均為氨基酸態(tài)氮＞酸解未知態(tài)氮＞氨態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮。相關(guān)分析結(jié)果表明（圖3，P＜0.01），酸解性總氮含量與氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮含量呈顯著線(xiàn)性關(guān)系。線(xiàn)性回歸斜率表明，不同恢復(fù)年限土壤增加的酸解性總氮中12.4%為氨態(tài)氮、47.3%為氨基酸態(tài)氮、35.2%為酸解未知態(tài)氮、5.1%為氨基糖態(tài)氮。由此可見(jiàn)，在酸解性氮組分中，氨基酸態(tài)氮占主導(dǎo)地位。

圖3 土壤酸解性總氮與有機(jī)氮組分含量的關(guān)系Fig.3 Relationship of acid hydrolysable N with organic N components in soils

圖4顯示，不同恢復(fù)年限土壤有機(jī)氮各組分分布比例不同。R0有機(jī)氮組分占全氮比例排序?yàn)榘睉B(tài)氮＜氨基糖態(tài)氮＜非酸解性氮＜未知態(tài)氮＜氨基酸態(tài)氮，隨著恢復(fù)年限的增長(zhǎng)，土壤有機(jī)氮組分占全氮比例順序也隨之發(fā)生變化，恢復(fù) 35年后的有機(jī)氮占全氮的比例大小順序?yàn)榘被菓B(tài)氮＜氨態(tài)氮＜未知態(tài)氮＜氨基酸態(tài)氮＜非酸解性氮。與R0相比，R7、R17、R23和R35的非酸水解性氮占全氮的比例呈上升趨勢(shì)，氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮和未知態(tài)氮占全氮的比例呈下降趨勢(shì)。

圖4 不同恢復(fù)年限土壤有機(jī)氮組分占全氮的比例Fig.4 Proportion of organic N components in soil with different vegetation restoration ages

2.3 不同恢復(fù)年限下土壤有機(jī)碳對(duì)有機(jī)氮組分變化影響

研究結(jié)果顯示，土壤有機(jī)碳含量隨植被恢復(fù)年限的延長(zhǎng)而遞增（表 1），易礦化有機(jī)氮和難礦化有機(jī)氮含量與土壤有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)（圖 5，P＜0.01），線(xiàn)性回歸斜率表明，土壤難礦化有機(jī)氮的增量大于易礦化有機(jī)氮，約是其2倍，其中易礦化氮包括氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮，難礦化氮為酸解未知態(tài)氮和非酸解性氮（付會(huì)芳等，1992；張玉樹(shù)，2015）。

圖5 土壤難、易礦化有機(jī)氮與有機(jī)碳含量的關(guān)系Fig.5 Relationship of labile organic N or recalcitrant organic N with organic carbon in soils

3 討論

本研究表明，土壤有機(jī)碳、全氮和有機(jī)氮各組分含量均隨植被恢復(fù)年限的延長(zhǎng)而提高（表1、2）。這與張寧寧等（2019）的研究結(jié)果一致，認(rèn)為植被覆蓋和恢復(fù)重建有利于土壤氮素養(yǎng)分累積。與祼地相比氮素含量提高的主要原因是植被恢復(fù)過(guò)程中可以通過(guò)枯枝落葉和根系分泌物為土壤提供氮素，提高土壤氮的輸入（聶陽(yáng)意等，2018；Rutigliano et al.，2004）?？葜β淙~和根系殘?jiān)妮斎胍蔡岣吡送寥烙袡C(jī)碳含量，進(jìn)而提高土壤無(wú)機(jī)氮同化過(guò)程（Zheng et al.，2020a）。這也加速土壤無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮并貯存于土壤中，增強(qiáng)土壤氮貯存能力，減少氮素?fù)p失。此外，我們前期研究發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)顯著提高土壤中固氮菌功能基因Alphaproteobacteria豐度（Zheng et al.，2020b），因此土壤生物固氮途徑可能也是氮含量提高的原因之一。

大量研究表明，有機(jī)態(tài)氮是土壤氮素的主要存在形態(tài)，也是礦質(zhì)氮的源和庫(kù)，因此，土壤供氮能力是不同有機(jī)氮組分在土壤中礦化的綜合表現(xiàn)（伍玉鵬等，2015）。土壤中最主要的有機(jī)氮形態(tài)是酸解氨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮，其含量與有機(jī)氮的礦化速率呈線(xiàn)性相關(guān)，被認(rèn)為是土壤易礦化有機(jī)氮的主要來(lái)源（李菊梅等，2003；吳漢卿等，2018；Zhang et al.，2006）。本研究結(jié)果顯示，隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，酸解氨態(tài)氮含量總體呈遞增趨勢(shì)，表明土壤供氮能力增強(qiáng)。酸解氨基酸態(tài)氮是土壤微生物和當(dāng)季植物吸收利用的有效氮的主要來(lái)源，與微生物代謝活動(dòng)緊密相關(guān)（Werdin-pfinsterer，2009），常被用于表征土壤供氮潛力（吳漢卿等，2017；吳漢卿等，2018）。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤中全氮主要以酸解性氮形態(tài)存在，占51.2%—84.7%?；謴?fù)年限延長(zhǎng)提高了土壤氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮含量，其中氨基酸態(tài)氮含量幅度最大（表 2），這表明植被恢復(fù)提高了土壤的供氮潛力。Abdelrahman et al.（2016）研究結(jié)果表示，酸解氨基酸態(tài)氮可以作為土壤有機(jī)質(zhì)降解的指示指標(biāo)，其含量的增加可能主要來(lái)源于土壤中有機(jī)質(zhì)的降解，而有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于植被恢復(fù)過(guò)程中枯枝落葉和根系殘?jiān)妮斎?。酸解氨基糖態(tài)氮的變化規(guī)律則不明顯，Wang et al.（2010）的研究也表明，酸解氨基糖態(tài)氮與土壤全氮和礦質(zhì)氮之間不相關(guān)。本試驗(yàn)研究還表明土壤有機(jī)碳與有機(jī)氮呈極顯著相關(guān)，土壤中碳、氮的相互關(guān)系是通過(guò)微生物連接起來(lái)的，而土壤微生物的活性對(duì)于土壤有機(jī)碳的分解非常重要（劉景雙等，2003），土壤有機(jī)氮各組分變化的原因可能是由于，植被恢復(fù)過(guò)程中提高土壤有機(jī)碳含量，微生物活性增強(qiáng)，引起有機(jī)氮各組分產(chǎn)生變化。

研究結(jié)果表明，恢復(fù)年限延長(zhǎng)提高了土壤酸解未知態(tài)氮和非酸解性氮含量（表 2），且植被恢復(fù)有利于提高土壤非酸水解性氮比例（圖 4）。非酸解氮組分為穩(wěn)定性氮形態(tài)，其含量的提高有利于提高土壤氮固持能力，降低生態(tài)系統(tǒng)氮素?fù)p失（聶陽(yáng)意等，2018）。張玉樹(shù)等（2014）研究也認(rèn)為，非酸解性氮分配比例增加導(dǎo)致土壤有機(jī)氮礦化速率下降，但有利于提高土壤氮貯存能力。此外，研究結(jié)果還顯示，植被恢復(fù)過(guò)程中土壤所增加的有機(jī)氮在酸解與非酸解性氮兩者之間的分配比例具有明顯差異，土壤中酸解性氮含量在植被恢復(fù)早期增加緩慢，后期迅速增長(zhǎng)，而非酸解性氮含量則相反（圖2）。這表明，退化土壤恢復(fù)后期土壤易礦化氮含量增加，供氮能力提高，而植被恢復(fù)早期更有利于促進(jìn)非酸水解性氮素累積于土壤中。然而，非酸解性氮屬于穩(wěn)定性有機(jī)氮，與酸解未知態(tài)氮聯(lián)系密切（Stevenson，1982），主要以雜環(huán)氮或與雜環(huán)和芳香環(huán)結(jié)合等難分解氮化合物存在，可形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的腐殖質(zhì)，不易被礦化、不利于土壤供氮能力的提高（彭令發(fā)等，2003；Rovira et al.，2002）。由此可見(jiàn)，退化土壤恢復(fù)前期供氮能力較弱，有必要通過(guò)施用氮肥維持植物生長(zhǎng)，促進(jìn)植被重建。本研究結(jié)果顯示，易礦化氮和難礦化氮含量與土壤有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)（圖 5，P＜0.01），且根據(jù)線(xiàn)性回歸斜率顯示，較難礦化氮的增量大于易礦化氮，表明難礦化氮的氮庫(kù)增加，土壤氮貯存能力提高。圖 4顯示，非酸解性氮和酸解未知態(tài)氮二者占全氮的比例之和隨著植被恢復(fù)年限的延長(zhǎng)呈先增后減的趨勢(shì)，表明植被恢復(fù)前期增加難礦化氮累積，后期增加易礦化氮，供氮能力增強(qiáng)。在植被的恢復(fù)過(guò)程中，土壤有機(jī)碳、有機(jī)氮及其各組分含量增加，土壤pH值降低，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，改善生態(tài)環(huán)境，提高系統(tǒng)的生物多樣性和穩(wěn)定性（馬志陽(yáng)等，2008）。但是，為了更好地反映土壤供氮能力變化規(guī)律，退化土壤植被恢復(fù)過(guò)程有機(jī)氮組分與土壤供氮能力的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，土壤全氮和有機(jī)氮組分含量隨著植被恢復(fù)年限的延長(zhǎng)而增加，土壤中的全氮主要以酸解性氮形態(tài)存在，占52.1%—84.7%；在酸解性氮組分中，氨基酸態(tài)氮占主導(dǎo)地位。

（2）植被恢復(fù)過(guò)程氨態(tài)氮組分占酸解性總氮的比例下降，氨基酸態(tài)氮組分占酸解性總氮的比例上升，表明氨基酸態(tài)氮對(duì)退化土壤氮素供應(yīng)貢獻(xiàn)較大。

（3）隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，有機(jī)氮組分占全氮的比例排序也隨之變化，恢復(fù) 35年后各有機(jī)氮組分大小順序?yàn)榉撬峤庑缘景被釕B(tài)氮＞未知態(tài)氮＞氨態(tài)氮＞氨基糖態(tài)氮。

（4）土壤中酸解性氮含量在植被恢復(fù)早期增加緩慢，后期增長(zhǎng)較快；而非酸解性氮含量前期快速提高，后期趨于穩(wěn)定。本研究結(jié)果提示，退化土壤恢復(fù)前期需要通過(guò)施用氮肥促進(jìn)植被重建。