黃土丘陵區植被恢復及坡向對土壤SON含量的影響

趙滿興，曹陽陽，白二磊，王文強，邢英英，張曉曦

（延安大學生命科學學院，陜西延安 716000）

土壤可溶性有機氮（soluble organic nitrogen，SON）是土壤系統中最活躍的部分，能直接或經過轉化后被植物和微生物吸收利用，在土壤生態系統氮循環中有著重要作用[1-2]。

自從國家實施退耕還林政策以來，陜北黃土丘陵區植被覆蓋率得到明顯提高[3-4]，土壤中的有機質的含量、種類及質量也有了極大的改變和豐富，這對該區域的氮素循環有著深遠的影響[5]。有研究表明，不同植被恢復模式對土壤氮素的影響存在顯著差異[6]。人工林地中SON 及有機質含量隨林齡的增大而增大，人工林地中的SON 含量是不容忽視的氮素組成部分[7]。研究表明，黃土丘陵區植被恢復顯著增加了0～30 cm 土層中土壤SON 及其占可溶性全氮的比例和有機質的含量，且隨著土層深度的加深，效果下降[8]。SON 與土壤其他理化性質存在不同程度的相關性[9]。有研究表明，地形條件（如坡向）也對土壤SON 含量有顯著影響[10-11]。黃土丘陵區溝壑縱橫，其破碎的地形形成的坡向差異必然導致土壤理化性質發生變化從而進一步影響土壤SON 含量。目前，關于黃土高原SON 的研究多集中于單一林分或農田土壤對SON 含量的影響[12]，關于不同植被類型（喬木、灌木和草地）及坡向對土壤SON 含量及其與土壤養分的關系等方面研究有待加強。

沙棘（Hipophae rhamnoides）是陜北退耕還林樹種之一，其有很強的固氮能力，杏樹（Prunus armeniaca）也是陜北常見的樹種，草地為退耕后自然形成。黃土高原地區植被恢復為土壤提供了大量的有機質來源，由此可以做出不同植被恢復模式增加了土壤SON 含量且差異顯著以及不同土層、坡向對土壤SON 積累具有顯著影響的推斷。為了驗證此推斷，本文以志丹縣永寧鎮不同植被恢復類型土壤作為研究對象，以耕作區玉米農田為對照，研究不同植被恢復類型（喬木、灌木和草地）、不同土層及坡向SON 含量及其與土壤養分的關系，以期為深入研究該區域不同植被恢復類型對土壤SON 含量及行為的影響提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究樣地選擇在陜西省延安市志丹縣永寧鎮洛河流域（36°32'N，108°45'E），當地屬典型陜北黃土高原丘陵溝壑區，海拔1 124～1 304 m，氣候分類屬高原大陸性季風氣候，多年平均氣溫7.8 ℃；年平均降雨量450～490 mm，蒸發量1 000 mm，年平均無霜期140 d。土壤分類為黃土母質上形成的黃綿土。該地區從1999年開始退耕還林工作，林草面積顯著增加，主要種植的木本植被類型有沙棘、杏樹、刺槐（Robinia pseudoacacia）和油松（Pinus tabuliformis）等，野生荒草地草本植物類型主要有黑麥草（Lolium perenne）、西北針茅（Stipa sareptana）和狗尾草（Setaria viridis）等，耕地主要為玉米（Zea mays）等人工種植的經濟作物。

1.2 土壤樣品采集和分析

供試土樣于2017年3月8日采集于延安市志丹縣永寧鎮的人工造林區域，分別選擇不同人工林草地作為研究對象，并以常年種植玉米地農田作為對照，樣地基本情況見表1。在每個人工林草地，劃定3 個10 m×10 m 的樣方，在樣方內采用隨機抽樣的方法按蛇形路線選取3 個樣點進行采樣，每個樣點按照縱深采集 0～10 cm 的表土、10～20 cm 的中層土以及20～40 cm 的深層土，每層土樣分別混合均勻，裝袋、編號、記錄，帶回實驗室分析，采集的土樣自然風干，用2 mm 直徑的篩子過篩，揀去雜質，用四分法取樣，樣品用于土壤基礎指標的測定。

測定項目包括土壤可溶性總氮（TSN）、硝態氮、銨態氮、可溶性有機氮（SON）、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀，土壤基礎指標按照《土壤農化分析》[13]一書進行測定。

1.3 數據處理及統計分析

使用SPSS20.0 軟件對數據進行單因素方差分析，多重比較采用最小顯著差法，顯著性檢驗水平α=0.05。

表1 供試樣地基本概況Table 1 Basic characteristics of soil sampling

2 結果與分析

2.1 土壤可溶性有機氮含量

研究表明，沙棘林在增加土壤SON 含量方面優于杏樹林及草地。同種植被類型不同土層土壤SON含量無顯著差異，土壤SON 占可溶性總氮比例隨土層深度變化規律不一致，不同土層間有顯著差異。陽坡土壤SON 含量顯著高于陰坡。陰坡沙棘林和杏樹林土壤SON 含量反而低于玉米農田，表明植被恢復對土壤SON 含量的增加與樹種和坡向有關（表2）。

相同坡向，不同樹種，沙棘林SON 含量顯著高于杏樹林。其中0～10 cm 土層，陽坡沙棘、陽坡杏樹林及草地在增加SON 含量方面顯著高于陰坡沙棘和陰坡杏樹林。草地、玉米農田及陰坡沙棘SON 占可溶性總氮的比例顯著高于陽坡沙棘林以及陰、陽坡杏樹林；10～20 cm 土層，陽坡沙棘林在增加SON含量方面顯著最高，陽坡杏樹林、草地與玉米農田無顯著差異，陰坡杏樹林含量顯著最低。草地及玉米農田SON 占可溶性總氮的比例顯著高于其余植被類型土壤，且其余植被類型土壤SON 含量無顯著差異；20～40 cm 土層，陽坡沙棘林在增加SON 含量方面顯著最高，玉米農田，陽坡杏樹林以及陰坡沙棘林含量次之，陰坡杏樹林土壤SON 含量顯著最低。各植被類型土壤SON 占可溶性總氮的比例差異顯著。總體上陽坡沙棘林，陰、陽坡杏樹林土壤SON占可溶性總氮比例隨著土層加深而增加，其他植被恢復類型土壤SON 占比隨著土層加深而降低，且達到顯著水平。同一植被，不同土層間土壤SON 含量無顯著差異，但同一土層，不同樹種間達到顯著差異水平。陽坡沙棘林和杏樹林SON 含量均顯著高于陰坡沙棘林和杏樹林。

表2 土壤可溶性有機氮含量Table 2 Content of soil soluble organic nitrogen

2.2 供試土樣基本性狀

6 種供試土樣有機質含量差異顯著（表3），其中在0～10 cm 土層，陰坡沙棘林及草地有機質含量顯著最高。陰坡及陽坡杏樹林次之、陽坡沙棘林再次之，農田土壤有機質含量顯著最低（11.7 g/kg）；10～20 cm 土層，陰坡沙棘林有機質含量顯著最高（23.0 g/kg）。陽坡沙棘、草地以及玉米農田土壤次之，陰坡杏樹林再次之，陽坡杏樹林顯著最低。同種植被陰坡有機質積累量顯著高于陽坡；20～40 cm 土層，玉米農田有機質含量顯著最高，陽坡沙棘林次之，陰坡杏樹林再次之，陰坡沙棘林、陽坡杏樹林以及草地有機質顯著最低。除玉米農田外各植被類型土壤有機質含量表現出隨土層深度增加而顯著減少的趨勢。0～10 cm 土層，玉米地有機質顯著地低于草地和林地，相差50%左右，這與玉米農田因為收獲物帶走土壤部分養分，歸還較少有關。可見，在0～10 cm 土層，草地和林地在增加土壤有機質方面有顯著效果。

6 種供試土樣堿解氮含量差異顯著（表3），其中在0～10 cm 土層，陰坡沙棘林堿解氮含量顯著最高（169.9 mg/kg），草地次之，陽坡沙棘和陽坡杏樹林以及陰坡杏樹林再次之，玉米農田堿解氮顯著最低（71.9 mg/kg）；10～20 cm 土層，陰坡沙棘林堿解氮含量顯著最高（165.2 mg/kg），陽坡沙棘林次之，陰坡杏樹林和農田再次之，陽坡杏樹林及草地土壤堿解氮含量顯著最低，同種植被陰坡堿解氮積累量顯著高于陽坡；20～40 cm 土層，陽坡沙棘林堿解氮含量顯著最高，草地次之，玉米農田再次之且顯著高于陰坡杏樹林，陰坡杏樹林堿解氮含量顯著高于陰坡沙棘林及陽坡杏樹林。除草地外各植被類型土壤堿解氮含量表現出隨土層深度增加而顯著減少的趨勢。0～10 cm 土層，玉米農田堿解氮顯著地低于草地和林地。可見，在0～10 cm 土層，草地和林地在增加土壤堿解氮方面有顯著效果。

6 種供試土樣速效鉀含量差異顯著（表3），其中在0～10 cm 土層，陰坡沙棘林速效鉀含量顯著最高，陰坡杏樹林次之，草地再次之，陽坡沙棘林和杏樹林以及農田土壤速效鉀含量顯著最低，同種植被陰坡速效鉀積累量顯著高于陽坡；10～20 cm 土層，陽坡沙棘林速效鉀含量顯著最高，陽坡杏樹林次之，草地再次之，陰坡沙棘林和杏樹林及玉米農田土壤速效鉀含量顯著最低，同種植被陽坡速效鉀積累量顯著高于陰坡；20～40 cm 土層，各植被間土壤速效鉀含量差異顯著，含量從高到低依次為：陽坡沙棘林＞陰坡杏樹林＞陰坡沙棘林＞陽坡杏樹林＞草地＞玉米農田。各植被類型土壤速效鉀含量表現出隨土層深度增加而顯著減少的趨勢。

6 種供試土樣有效磷含量差異顯著（表3），其中在0～10 cm 土層，陰坡沙棘林土壤有效磷含量顯著最高（29.0 mg/kg），陽坡沙棘林及玉米農田次之，草地及陽坡杏樹林再次之，陰坡杏樹林土壤有效磷含量顯著最低（2.2 mg/kg）；10～20 cm 土層，陰坡沙棘林土壤有效磷含量顯著最高，草地及陰坡杏樹次之，玉米農田及陽坡杏樹林再次之，陽坡沙棘林土壤有效磷含量顯著最低，同種植被陰坡有效磷積累量顯著高于陽坡；20～40 cm 土層，陰坡沙棘林土壤有效磷含量顯著最高，陽坡沙棘林及草地次之，玉米農田陰坡杏樹林再次之，陽坡杏樹林土壤有效磷含量顯著最低。

2.3 SON與土壤理化性質相關分析

土壤SON 與可溶性總氮在各個土層都達到了顯著正相關水平，土壤SON 與土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀均未達到顯著相關水平（表4）。

3 討論與結論

本研究表明，不同植被恢復類型土壤SON 含量均值為155.75 mg/kg、土壤SON 占可溶性總氮84%左右與相關研究結果[8，14-21]顯示土壤SON 含量范圍在24.75～352 mg/kg、占可溶性總氮5.1%～96%相一致。退耕17年的沙棘林、杏樹林和草地的土壤SON含量得到顯著提高，尤其是0～10 cm 土層表現明顯，這與楊絨等[22-25]研究相似。這主要是由于隨著植被覆蓋率逐漸恢復和提高[26]，枯落物和根系腐解物在土壤中積累，土壤有機質明顯增加，從而導致土壤氮素顯著增高[27-28]。其次表層土壤受枯落物的直接影響，微生物量顯著高于深層土壤，對于枯落物的分解有利于表層土壤SON 的積累[29-31]。

表3 供試土壤基本性狀Table 3 Basic chemical properties of the soils

（續表3）

本研究中黃土丘陵區不同植被恢復類型之間土壤SON 含量差異顯著，這與當前的很多報道結論相似。例如：夏江寶等[32]研究結果表明，黃河三角洲不同造林模式下土壤SON 含量差異顯著，同時發現表層土壤SON 與深層土壤之間也有顯著差異。Chen C.R.等[15]報道澳大利亞亞熱帶森林土壤SON存在顯著差異時，也歸結于植被類型不同等。不同樹種間土壤SON 含量差異顯著，除受凋落物種類[33]、微生物類型、微生物量及其代謝水平[19]原因影響外，還受到植物生長季以及喬灌草減流效益的影響[34]，影響土壤SON 含量的因素較為繁雜，導致所研究的土壤SON 含量存在顯著差異。本研究表明，與玉米農田相比，沙棘林土壤SON 含量提升效果最為明顯，其次為杏樹林，草地在10～40 cm 土層未達到提升水平，表現為灌木＞喬木＞草地。這與肖好燕等[11]的研究結果相似。這與沙棘林有較強的固氮能力，而杏樹林固氮能力弱有關。

陽坡土壤SON 高于陰坡，但土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量表現為陰坡高于陽坡，表明陰坡能積累更多的土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀等養分，這與聶瑩瑩等[35]研究結果相似，這是由于陽坡與陰坡光照的不同引起土溫的差異[12，36]，從而進一步導致土壤含水量的不同，使得陰坡與陽坡物種多樣性存在顯著差異，表現為陰坡植物枝葉繁茂，枯枝落葉較多，歸還給土壤的養分較多[10]。

本研究發現，土壤SON 與可溶性總氮在各個土層都達到了顯著正相關水平，土壤SON 與土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀均未達到顯著相關水平，這與其他學者的研究結論不一致，一些學者認為土壤SON 與土壤有機質具有顯著正相關關系[37-38]，具體原因有待進一步分析。

綜上所述，黃土丘陵區植被恢復顯著地增加了土壤SON 含量，土壤氮素狀況得到一定的改善，土壤質量有了明顯的提高。今后應進一步研究SON 組分及時空變化特征，為全面了解SON 在土壤中的作用提供依據。

植被恢復顯著地增加黃土丘陵區SON 含量，尤其是0～10 cm。與玉米農田相比，沙棘林土壤SON含量提升效果最為明顯，其次為杏樹林，草地在10～40 cm 土層未達到提升水平。土壤SON 占可溶性總氮的比例平均為84%，草地的比例最高。不同植被恢復類型間土壤SON 差異顯著。同一植被、不同土層間土壤SON 含量無顯著差異，此外受坡向的影響，陽坡比陰坡土壤SON 含量高。表明退耕還林對土壤SON含量的增加與樹種和坡向有關。相關分析表明，土壤SON 與可溶性總氮呈現顯著正相關關系，與土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀沒有達到顯著相關水平。綜上，植被恢復能夠增加土壤SON 含量，但恢復植被以沙棘林的效果最好，坡向以陽坡的效果最好。