毛烏素沙地風沙土粒徑和礦物組成對固定態銨含量的影響

劉 娜，佘維維,2，秦樹高,2，喬艷桂，劉 靚，張宇清,2

毛烏素沙地風沙土粒徑和礦物組成對固定態銨含量的影響

劉 娜1，佘維維1,2，秦樹高1,2，喬艷桂1，劉 靚1，張宇清1,2※

（1. 北京林業大學水土保持學院，寧夏鹽池毛烏素沙地生態系統國家定位觀測研究站，北京 100083；2. 北京林業大學水土保持國家林業與草原局重點實驗室，北京 100083）

固定態銨是土壤氮素的一種重要形態，對植物生長具有十分重要的作用；然而，風沙土中固定態銨的含量及其影響因素目前并不清楚，限制著對沙地土壤肥力來源及其維持機制的認識。該研究測定了毛烏素沙地裸沙地、沙柳（）和油蒿（）林地風沙土固定態銨的含量，并分析了土壤粒徑及礦物組成對其的影響。結果顯示，1）研究區土壤固定態銨平均含量為18.63 mg/kg，占土壤氮庫的8.77%，不同植被下土壤中固定態銨含量存在明顯差別，油蒿林地土壤固定態銨含量（23.03±1.88 mg/kg）顯著高于裸沙地（16.63±0.61 mg/kg）和沙柳林地（16.82± 1.25 mg/kg）；2）風沙土粒徑組成與固定態銨含量顯著相關，粒徑越細，固定態銨含量越高，粒徑越粗，含量越低；3）風沙土礦物組成與固定態銨含量間無顯著關系。研究表明，毛烏素沙地風沙土中固定態銨含量取決于土壤物理構成而非礦物化學組成，植被主要通過影響粒徑組成而影響其含量。固定態銨是荒漠土壤肥力的重要組成部分，通過合理的植被建設增加土壤細粒物質，有利于提高固定態銨含量，對土地荒漠化治理和生物生產力的提高具有十分重要的意義。

植被；粒徑；風沙土；固定態銨；礦物組成；毛烏素沙地

0 引 言

氮作為植物生長的必要元素[1-3]，其輸入和可利用性直接影響著植物生長和陸地生態系統凈初級生產力[4-8]。自然界絕大部分氮以氮氣的形式存在于大氣中，生物固氮是氮素向生態系統輸入的主要途徑之一[9]，在陸地生態系統氮循環中起著重要作用[10-12]。除了生物固氮外，供植物生長的部分氮素還來自于大氣沉降和巖石風化[13]。當土壤中的氮素未被植物全部吸收時，多余的氮大部分被土壤膠體吸附固定，還有一部分被固定在黏土礦物的晶格中形成固定態銨[14]。固定態銨是指存在于2:1型黏土礦物層間、不能被中性鹽所替換出來的銨離子，是土壤氮素的一種重要形態，是植物可以利用氮的給源[15-16]，是提高氮素利用率、降低氮素損失的一個重要氮庫[17]。土壤對銨的礦物固定與釋放是影響土壤氮素供應的重要轉化過程之一[18]，在一定程度上能夠反映土壤“穩肥性”的高低[19]。對于養分貧瘠的荒漠生態系統而言，固定態銨作為一種重要潛在氮源，了解其含量和影響因素，對于認識沙地土壤肥力的形成機制和荒漠生態系統氮循環具有十分重要的意義。

固定態銨含量因地區和土壤類型的不同而存在差異[20]，從而對氮庫的貢獻也有所不同。紅壤區固定態銨含量為203.8 mg/kg，占土壤氮庫的20.7%；灰漠土區固定態銨含量為182.5 mg/kg，占土壤氮庫的39.5%[20]。固定態銨含量受土壤粒徑、礦物組成、植被類型等諸多因素影響[21]。因細粒徑土壤有更強的吸附性，能吸附更多的銨離子，因此土壤粒徑越細，固定態銨含量越高，粒徑越粗，含量越低[22]。就礦物組成而言，2:1型黏土礦物（如蛭石、伊利石等）比1:1型黏土礦物（如高嶺石等）以及石英、長石等有更強的固銨能力[23]，這主要是由于2:1型黏土礦物顆粒細小，比表面積大，顆粒上帶有負電荷，具有更強的物理吸附性、表面化學活性以及與銨離子交換的能力[24]。植被一般主要通過影響土壤微生物組成及粒徑和礦物組成等，間接影響固定態銨含量[25]。盡管自固定態銨被發現以來，對其含量及影響因素已有大量研究，但主要集中在稻田土、婁土、黃土等土壤類型[17,20]，風沙土中固定態銨含量及其影響因素目前并不明晰。

風沙土廣泛分布于中國北方半干旱、干旱和極端干旱地區，了解這種特殊土壤類型中固定態銨含量及其影響因素，對于認識風沙土的肥力形成與維持過程、干旱地區氮素循環過程等均具有十分重要的意義。本研究以毛烏素沙地風沙土為研究對象，通過Silva-Bremner法、燃燒法以及X射線衍射法等手段，研究不同植被類型下土壤中固定態銨含量，并分析其與粒徑和礦物組成的關系以及占全氮含量的比重，嘗試為沙地土壤肥力形成機制和荒漠生態系統氮循環提供新的認識視角。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究在位于毛烏素沙地西南部的寧夏鹽池（37°04′N～38°10′N、106°30′E～107°41′E，海拔1 530 m）開展。研究區屬于典型半干旱大陸性季風氣候，夏季濕熱，冬季干冷。年平均氣溫8.1 ℃，年均降水量284.8 mm（1955－2013年），降水主要集中在生長季（5－9月），占全年降水量的80%以上，潛在蒸發量為降水量的5－7倍。土壤類型以風沙土為主，結構松散，肥力低下，pH值（8.60±0.06），容重為（1.54±0.02）g/cm3，孔隙度為（42±3）%，有機碳含量（1 125.4±126）mg/kg[26]。區內植被以沙生、旱生植物為主，主要優勢種有油蒿（）、沙柳（）、楊柴（）、檸條（）等灌木及賴草（）、甘草（）、軟毛蟲實（）等草本植物。

1.2 試驗設計、樣品采集及分析

2019年6月，在研究區內選取3個有代表性的樣地（圖1），分別為裸沙地、沙柳（）林地和油蒿（）林地，樣地基本信息詳如表1所示。在每個樣地隨機選取10個5 m × 5 m的樣方（3個樣地共30個樣方）；灌木林地內，每個樣方內灌叢下和灌叢間共隨機選取10個土壤取樣點（其中灌叢下5個，灌叢間5個）；裸沙地不分灌叢下和灌叢間，隨機選取10個取樣點（3個樣地共計300個取樣點）。為了防止地形變化對試驗結果的影響，每個樣方盡量集中在同一平坦的地形范圍內。取樣時，去除土壤表面枯落物后，用土鉆（直徑3.8 cm）獲取0～20 cm土層的土壤，每個樣方內采集的土樣均勻混合為1個樣品，每個樣地共獲得混合土樣10個，3個樣地共30個。將采集的土壤樣品裝入做好標記的自封袋中，帶回實驗室于陰涼處風干，同時剔除石子、植物根系等。

將風干后的土樣按照美國制（1951）的標準[27]，分別過2、0.25和0.1 mm土壤篩，分成3個粒徑等級（>0.25、0.1～0.25、<0.1 mm），稱取每種粒徑等級土壤質量以獲得各粒徑占比，分別測定土壤固定態銨和全氮含量。固定態銨含量采用Silva-Bremner法進行測定[28]，即稱取1.00 g過0.15 mm篩的土樣，將其置于200 mL高型燒杯中，加入20 mL堿性次溴酸鉀（KOBr）溶液，并用玻璃蓋子蓋住，搖勻后靜置2 h。加蒸餾水60 mL，在電熱板上暴沸5 min，冷卻，靜置6 h。傾去上層清液，以0.5 mol/L KCl溶液將土樣洗入100 mL離心管中，土液體積共80 mL，振蕩至土液混合均勻（約5 000～6 000次），離心（速度為1 000 r/min）共10 min。然后傾去上層清液，如此重復3次，將洗凈的土樣加入20 mL 5 mol/L HF-HCl溶液，振蕩24 h（以釋放礦物固定的NH4+），然后放入凱氏定氮蒸餾裝置中蒸餾（加入15 mL10 mol/L KOH），用2%硼酸溶液吸收，以0.01 mol/L的H2SO4滴定。土壤全氮含量用元素分析儀（vario EL III，Elementar，德國）測定，每種粒徑土壤的礦物組成和相對含量用X射線衍射法（D8 Advance，Bruker Biospin，德國）測定。

圖1 樣地位置示意圖

表1 樣地的基本信息

注：粒徑組成數據用平均值±標準誤表示。

Note: Particle size composition data are shown as mean ± standard error.

1.3 數據分析

采用Kolmogorov-Smirnov檢驗對全部數據進行正態分布檢驗，對不符合檢驗的數據進行對數和三角函數轉換，提高其正態性。采用單因素方差分析和Duncan’s多重范圍檢驗分析，比較不同樣地固定態銨和全氮含量的差異；運用相同方法比較不同樣地、不同粒徑土壤固定態銨含量及其占全氮含量比值之間的差異。采用冗余分析（Redundancy Analysis, RDA）計算不同粒徑、不同礦物對固定態銨含量的相對影響。采用非度量多維尺度（Nonmetric Multidimensional Scaling, NMDS）分析明確不同樣地中粒徑和礦物組成之間的差異是否顯著。采用Mantel 檢驗分析粒徑組成、礦物組成與固定態銨含量之間的相關性。以=0.05作為檢驗是否具有顯著差異的閾值。所有統計分析利用R軟件3.6.3（R Core Team 2019）完成。

2 結果與分析

2.1 土壤固定態銨和全氮含量

樣地間差異分析結果表明，油蒿林地土壤固定態銨含量（23.03±1.88 mg/kg）顯著高于裸沙地（16.63± 0.61 mg/kg）和沙柳林地（16.82±1.25 mg/kg）（< 0.05），裸沙地和沙柳林地間固定態銨含量差異不顯著（圖2a；> 0.05）；油蒿林地土壤全氮含量（274.71±8.38 mg/kg）顯著高于裸沙地（145.99±9.45 mg/kg）和沙柳林地（197.15± 6.74 mg/kg），且沙柳林地土壤全氮含量顯著高于裸沙地（圖2b；< 0.001）。

注：不同小寫字母表示在0.05水平下差異顯著。下同。

2.2 固定態銨占全氮含量的比例

總體來看，3種不同粒徑土壤固定態銨占其全氮含量的比例有顯著差異（表2；< 0.001）。在裸沙地和油蒿林地，粒徑組成對固定態銨占全氮含量的比例有顯著影響（< 0.05），而沙柳林地不同土壤粒徑對其影響不顯著（> 0.05）。裸沙地和油蒿林地中，細粒徑（< 0.1 mm）和中粒徑（0.1～0.25 mm）土壤固定態銨占全氮含量比例均顯著高于粗粒徑（> 0.25 mm）土壤。

表2 不同粒徑土壤固定態銨占全氮含量的比例

注：在0.05水平下差異顯著。

Note:is significant difference at 0.05 level.

2.3 土壤粒徑組成對固定態銨含量的影響

NMDS和Adonis分析結果顯示，3個樣地間土壤粒徑組成存在顯著差異（圖3a；<0.05）。細粒徑土壤與固定態銨含量呈顯著正相關（圖3b）。3個樣地中，不同粒徑組成對固定態銨含量影響均顯著（<0.001）。裸沙地中，細粒徑土壤固定態銨含量（21.46±0.84 mg/kg）顯著高于中粒徑（17.43±0.73 mg/kg）和粗粒徑土壤（12.27±0.76 mg/kg），中粒徑土壤固定態銨含量顯著高于粗粒徑土壤（圖3c）。沙柳林地中，細粒徑土壤固定態銨含量（23.92±1.40 mg/kg）顯著高于中粒徑（17.02± 1.46 mg/kg）和粗粒徑土壤（12.83±0.84 mg/kg），但中粒徑和粗粒徑土壤間固定態銨含量無顯著差異（圖3d）。油蒿林地中，固定態銨含量在不同粒徑中顯示的特點與裸沙地相同，細粒徑、中粒徑和粗粒徑土壤固定態銨含量分別為（28.98±1.89）mg/kg，（22.74±2.49）mg/kg和（11.90± 0.76）mg/kg（圖3e）。

注：NMDS為非度量多維尺度；RDA為冗余分析。下同。 Note: NMDS is nonmetric multidimensional scaling; RDA is redundancy analysis. The same below.

2.4 土壤礦物組成對固定態銨含量的影響

3個樣地土壤礦物成分主要為石英（SiO2）、斜長石（Na[AlSi3O8]-Ca[Al2Si2O8]）、正長石（K[AlSi3O8]）、方解石（CaCO3）、鈣長石（CaO.Al2O3.2SiO2）、硅酸鋁鈣（Ca2Al2(SiO3)5）和鈉長石（Na2O·Al2O3·6SiO2）7種礦物。NMDS和Adonis分析結果顯示，3個樣地間礦物組成差異顯著（圖4a；<0.001），裸沙地中斜長石含量最高，沙柳林地中石英含量最高，油蒿林地中方解石和正長石含量最高（表3）。

此外，3個樣地不同粒徑土壤間礦物組成也存在明顯差異。裸沙地和油蒿林地中，細粒徑-中粒徑間、粗粒徑-中粒徑間礦物組成差異顯著（<0.05），但細粒徑和粗粒徑土壤之間礦物組成差異不顯著（圖4c和圖4e；>0.05）。沙柳林地中，細粒徑和中粒徑土壤礦物組成差異顯著，而細粒徑-粗粒徑間、中粒徑-粗粒徑間礦物組成無顯著差異（圖4d；>0.05）。Mantel Test分析結果顯示，3個樣地固定態銨含量與礦物組成之間無顯著相關性（圖4b和表4）。

圖4 3個樣地總體和各樣地不同土壤粒徑下礦物組成差異以及固定態銨含量與礦物組成的相關性

表3 3個樣地土壤礦物組成

表4 3個樣地土壤礦物組成與固定態銨含量的相關性

注：在0.05水平下差異顯著。

Note:is significant difference at 0.05 level.

3 討 論

研究區風沙土固定態銨含量平均為18.63 mg/kg，占土壤全氮含量的8.77%（圖2a和表2）。以往研究顯示，黃棕壤固定態銨含量為257 mg/kg，占全氮含量的27.5%；棕漠土固定態銨含量為159.8 mg/kg，占全氮含量的52.3%；栗鈣土、灰鈣土、棕鈣土固定態銨含量為90 mg/kg，占全氮含量的14.2%[20]。固定態銨占全氮的份額在各類型土壤間差異很大[20]。與其他土壤類型相比，風沙土固定態銨含量明顯較低，這可能與風沙土的母質來源和成土過程密切相關[20,29]。毛烏素沙地基質是以中生代侏羅紀與白堊紀的巖石為骨架，經過第三紀與第四紀水成作用為主的洪積與沖積過程形成的臺地[30]，巖石風化程度低，礦物類型以石英為主，其次是正長石和斜長石等，2:1型黏土礦物（蛭石、蒙脫石等）含量很少，這可能是造成風沙土中固定態銨含量較其他類型土壤低的原因。此外，固定態銨與土壤中的交換性銨以及其他形態的氮素保持著動態平衡[31-32]，且其含量隨土壤中交換性銨含量變化而改變。比如，在人工氮輸入的情形下，土壤中銨離子濃度升高，部分銨離子會以固定態銨的形式儲存在土壤晶格中，使土壤固定態銨含量增加[33-34]。然而，研究區土壤不進行施肥、耕作等人為活動，額外的氮素補充較其他土壤類型少，土壤中銨離子濃度也相對較低，能被固定在晶格中的銨離子非常有限，這可能也是風沙土固定態銨含量較低的原因。

風沙土固定態銨含量受粒徑組成影響顯著，粒徑越細固定態銨含量越高，粒徑越粗含量越低（圖3）。Feigin等[29]、Paramasivam和Breitenbeck[36]發現，固定態銨含量與粘粒含量呈顯著正相關。本研究結果與張崇玉[35]一致，這可能是由于細粒物質孔隙結構更小，吸附和交換銨離子的能力更強。另外，有研究顯示，細粒土壤中細菌多樣性要高于粗粒徑土壤，因此有更高的養分周轉效率[37]，能提供更多的氮素，為銨的固定提供了更有利的條件。

以往的研究表明，固定態銨含量還與礦物組成之間存在一定的聯系[38]。然而，對研究區風沙土的分析卻發現，礦物組成與固定態銨含量之間沒有顯著關系（表4）。Allison等[39]和Said[40]發現蛭石、伊利石和蒙脫石在銨的固定中起著十分重要的作用，但是毛烏素沙地風沙土中礦物類型以石英為主，蛭石等2:1型黏土礦物很少，導致對固定態銨含量沒有顯著影響。

植被類型也是影響土壤固定態銨含量的重要因素。研究結果顯示，油蒿林地固定態銨含量顯著高于裸沙地和沙柳林地，這可能主要與不同植被條件下土壤中細粒徑組分含量有關。在風沙區，植被一方面可以影響地表風沙過程，捕獲風沙流中大量細粒物質，使得表層土壤中細粒物質增多[41]；另一方面，植被通過根系活動、凋落物輸入等過程，也有利于細粒物質的累積[42]。因此，油蒿和沙柳林地相比于裸沙地，土壤中細粒物質含量更高，固定態銨含量相應也較高。此外，植被還通過改變生物土壤結皮覆蓋度間接影響土壤粒徑組成，進而影響固定態銨含量。大量研究證實，生物土壤結皮具有固氮功能，能夠增加表層土壤細粒物質含量[43-47]。研究區油蒿林地的生物土壤結皮覆蓋度遠高于沙柳林地[48]，這可能是油蒿林地固定態銨含量較沙柳林地高的重要原因。除生物土壤結皮外，以往研究還發現，油蒿林地土壤微生物多樣性、酶活性也較沙柳林地高[49]，說明油蒿林地的養分循環和周轉速率更高，這都為銨的固定提供了更好的條件[50-51]。盡管本文研究發現不同植被條件下礦物組成差異顯著，但固定態銨含量與礦物組成無關，表明植被可能并不是通過改變土壤礦物組成來影響固定態銨含量。綜合來看，研究區沙地植被主要通過改變土壤粒徑組成而非礦物組成對固定態銨含量產生影響。

毛烏素沙地土壤固定態銨含量與細粒徑土壤含量顯著正相關，在今后固沙植物的選擇上，應選擇能有效增加土壤細粒物質含量的植物種。本文為認識荒漠化地區土壤肥力來源和氮素循環提供了一個新的視角，同時為評估固沙植被改良土壤的機理提供了新的解釋。然而，沙地土壤固定態銨的形成機制、對土壤肥力的影響、不同類型植被對土壤固定態銨的影響機制等問題非常復雜，仍需要進一步地深入探討。

4 結 論

毛烏素沙地風沙土固定態銨平均含量為18.63 mg/kg，占土壤總氮庫的8.77%。土壤粒徑組成對固定態銨含量影響顯著，粒徑越細固定態銨含量越高，粒徑越粗含量越低；礦物組成與固定態銨含量之間無顯著相關性；植被類型對固定態銨含量有顯著影響，油蒿林地固定態銨含量（23.03 mg/kg）顯著高于裸沙地（16.63 mg/kg）和沙柳林地（16.82 mg/kg）。毛烏素沙地風沙土固定態銨含量主要由土壤物理結構而非礦物化學組成決定，提高土壤細粒物質含量有利于土壤肥力的提升，對土地荒漠化治理具有十分重要的意義。

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Effects of particle size and mineral composition on fixed ammonium of aeolian sandy soil in the Mu Us Sandy Land

Liu Na1, She Weiwei1,2, Qin Shugao1,2, Qiao Yangui1, Liu Liang1, Zhang Yuqing1,2※

(1.,,,100083,; 2.,,100083,)

Fixed ammonium is commonly defined as the ammonium ion not replaced by neutral salts, particularly between the layers of 2:1 clay mineral. It is also an important component of soil nitrogen pool, and plays a significant role in plant growth. However, the content of fixed ammonium in aeolian sandy soil and its influencing factors are largely unexplored, which limit understanding of the formation of soil fertility and nitrogen cycle in sandy lands. In this study, soil fixed ammonium was determined in three sampling plots (bare sandy land,land, andland) in the Mu Us Sandy Land, and further to examine the effects of soil particle size and mineral composition on fixed ammonium. In June 2019, ten 5 m × 5 m subplots were randomly selected in each sampling plot. In each subplot, ten soil cores at 0~20 cm depths were randomly collected, and mixed to create one composite sample. All soil samples were air-dried and divided into three fractions (> 0.25 mm, 0.1-0.25 mm, < 0.1 mm). The contents of fixed ammonium in all soil fractions were measured by the Silva-Bremner method. Soil total nitrogen was analyzed using a vario EL III elemental analyzer (Elementar, Germany).The soil mineral composition was determined by the X-ray diffraction (D8 Advance, Bruker Biospin, Germany).The results showed that the average content of soil fixed ammonium in the research site was 18.63 mg/kg, accounting for 8.77% of the soil nitrogen pool, where the soil fixed ammonium and total nitrogen content were most distributed in theland (23.03 ± 1.88 mg/kg and 274.71 ± 8.38 mg/kg, respectively), followed by theland (16.82 ± 1.25 mg/kg and 197.15 ± 6.74 mg/kg, respectively), and the least in the bare sandy land (16.63 ± 0.61 mg/kg and 145.99 ± 9.45 mg/kg, respectively). The composition of soil particle significantly differed among three different plots, with more fine-textured soils inland than that inland and bare sandy land. In addition, the content of fine-textured soils inwas higher than that in bare sandy land. Soil particle composition was significantly correlated to fixed ammonium, indicating the finer the soil particle size, the higher the fixed ammonium content. Seven dominant minerals were found in the three sampling plots soil, including quartz, calcite, plagioclase, orthoclase, albite, anorthitic, and calcium aluminum silicate. Three sampling plots were characterized by different soil mineral composition. Specifically,land had the greatest content of calcite, and orthoclase;land had the greatest quartz content; and the bare sandy land showed the highest plagioclase content. The relationship between soil mineral composition and fixed ammonium was not significant. It infers that that soil fixed ammonium in the Mu Us Sandy Land largely depended on the soil physical composition rather than the mineral composition. The vegetation primarily affected soil fixed ammonium by changing soil particle composition, suggesting that the increase of soil fine-grained matter via vegetation rehabilitation can contribute to the content of fixed ammonium. The findings can offer a significant theoretical support to land desertification control, and further to increase the biological productivity.

vegetation; particle size; aeolian sandy soil; fixed ammonium; mineral composition; Mu Us Sandy Land

劉娜，佘維維，秦樹高，等. 毛烏素沙地風沙土粒徑和礦物組成對固定態銨含量的影響[J]. 農業工程學報，2020，36(23)：131-138.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.016 http://www.tcsae.org

Liu Na, She Weiwei, Qin Shugao, et al. Effects of particle size and mineral composition on fixed ammonium of aeolian sandy soil in the Mu Us Sandy Land[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 131-138. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.016 http://www.tcsae.org

2020-08-13

2020-12-03

國家重點研發計劃課題（2016YFC0500905）；中央高校基本科研業務費專項（2015ZCQ-SB-02）

劉娜，主要從事荒漠化防治研究。Email：crown_liuna@163.com

張宇清，教授，博士生導師，主要從事荒漠化防治和荒漠生態學研究。Email：zhangyq@bjfu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.016

S151.9+3

A

1002-6819(2020)-23-0131-08