沙地不同密度樟子松人工林土壤礦化氮質量分數與礦化特征1)

馮奧哲 孔濤 孫溥璠 劉紫薇 任曦玥 鄭爽

(遼寧工程技術大學，阜新，123000)

氮(N)在維持森林生態系統穩定生產力的過程中起到重要作用，既是植物生長發育必需的礦質元素，也是影響根系生長的限制因子之一[1]。森林土壤是氮素的主要貯存庫，氮素的主要形態為有機態氮，幾乎占土壤全氮量90%以上[2]，但是只有將有機態氮轉化為有效氮素才能被植物吸收利用[3-4]。土壤中有效氮主要是以銨態氮和硝態氮形式存在的礦質氮，有效氮的積累主要通過氮礦化過程實現。目前，大多數的森林生態系統存在可利用氮素缺乏的問題，因此，研究森林土壤有效氮素的轉化有利于維持土壤肥力，促進植物生長。土壤氮礦化特征研究能夠深入了解沙區森林系統氮素循環過程，且可以作為評價沙區森林系統功能的重要依據。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)具有耐風沙、生長快等特性，是我國北方營建水土保持林的主要造林樹種。樟子松人工林的日益擴展改善了土壤的理化性質，減輕了土壤荒漠化現象[5]。學者們主要從降水、濕度、林下植被管理等方面對樟子松人工林土壤氮礦化進行了研究[6-8]，而從造林密度對沙地土壤氮礦化特征影響方面的研究較少。密度對林分生長有著重要的作用，其與水、熱、光等環境因子聯系密切，使林分結構、林下植被數量等發生改變[9]，并且對土壤性質、養分循環等有顯著影響[10-11]。密度控制是人工林可持續性栽培的基本措施，對確定科學栽植密度及長期林業管理有著重要的指導意義[12]。本文通過對沙地不同造林密度樟子松人工林土壤氮礦化特性進行研究，為揭示沙地不同密度樟子松土壤氮的有效供給及氮素管理提供參考。

1 研究區概況

研究區位于遼寧省彰武縣章古臺鎮(121°53′～122°22′E，42°43′～42°51′N)樟子松試驗示范林，地處科爾沁沙地東南緣，是典型的風沙區。當地年平均氣溫5.7 ℃，最高氣溫為35.2 ℃，最低氣溫為-29.5 ℃，晝夜溫差大，年均降水量為480 mm，而年蒸發量為1 325 mm，蒸發量大于降水量，且該地春冬季風大，年平均風速3.9 m/s，持續時間長，屬典型的半干旱大陸性季風氣候。土壤類型多為風沙土，植被較為稀疏，氮素缺乏。代表性植物有花棒(Hedysarumscoparium)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、山杏(Armeniacasibirica)、馬唐(Digitariasanguinalis)、羊草(Leymuschinensis)、鼠李(Rhamnusdavurica)等。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇及樣品采集

表1 樣地基本概況

2.2 測定方法

凈氨化速率=(培養后銨態氮-培養前銨態氮)/時間。

凈硝化速率=(培養后硝態氮-培養前硝態氮)/時間。

凈礦化速率=[(培養后銨態氮+硝態氮)-(培養前銨態氮-硝態氮)]/時間。

式中：凈氨化速率單位mg·kg-1·d-1，時間單位d。

2.3 數據分析

所有數據均在烘干土壤質量的基礎上進行計算。運用Microsoft Excel 2010進行統計分析及繪圖，SPSS 22.0軟件進行數據處理。采用相關性分析檢驗土壤氮礦化指標與樟子松人工林地上指標與養分指標間的相關關系；采用系統聚類法對不同密度、不同土層樟子松人工林土壤氮礦化指標進行聚類；利用LSD-t檢驗不同數據間的差異顯著性，顯著性水平為0.05；采用Canoco5.0進行土壤氮礦化指標與土壤養分指標的冗余分析(RDA)。

3 結果與分析

3.1 不同密度下土壤礦化氮質量分數的變化規律

表2 不同密度和土層和礦質氮質量分數變化

表3 不同密度和礦質氮變異系數

表4 不同土層和礦質氮變異系數

3.2 不同密度下土壤凈氨化速率、凈硝化速率和凈礦化速率的變化規律

表5是不同密度和土層的凈氨化速率、凈硝化速率和凈礦化速率。土壤凈氨化速率、凈硝化速率和凈礦化速率在0～100 cm土層的均值整體上隨造林密度的增加先增大后減小，均在密度為1 000株·hm-2時達到最大值，分別為0.09、0.24和0.31 mg·kg-1·d-1。凈氨化速率在密度為1 000株·hm-2時，與350和2 970株·hm-2之間差異顯著；凈硝化速率在密度為1 000株·hm-2時，與1 200株·hm-2差異不顯著，與其余各密度之間差異顯著；凈礦化速率在密度為1 000株·hm-2時，與1 200株·hm-2差異不顯著。

表5 不同密度和土層氨化速率、硝化速率、礦化速率

續(表5)

土壤凈氨化速率、凈硝化速率和凈礦化速率隨土層加深而減小，0～10、10～20、20～40 cm土層間差異性不顯著。凈氨化速率在40～60、60～80、80～100 cm之間無顯著差異，凈硝化速率和凈礦化速率在40～60與60～80、80～100 cm之間具有顯著性差異。0～40 cm土壤凈氨化、凈硝化、凈礦化速率顯著高于40～100 cm土壤。

3.3 不同密度、不同土層系統聚類分析

圖1是采用系統聚類分析法對不同密度、不同土層的6個礦化指標進行聚類分析結果。分析結果將密度分為3類，第一類是350和750株·hm-2，第二類是1 000和1 200株·hm-2，第三類是850和2 970株·hm-2。對不同土層進行聚類分析，結果顯示第一類為0～10和10～20 cm，第二類為20～40 cm，第三類為40～60、60～80和80～100 cm。從分類結果看出，該結果與前面所得結論，即6個礦化指標的變化特征基本一致。

圖1 不同密度、不同土層樣地聚類分析樹狀圖

3.4 礦化指標的影響因素分析

表6 土壤礦化指標與環境因素的相關性

對土壤氮礦化指標與土壤養分因子采用冗余分析法(RDA)進行分析，結果如圖2所示。土壤礦化指標與土壤養分指標有顯著相關性(P<0.01)，主軸1和主軸2解釋了總變異的87.3%。主軸1可以解釋信息量的72.3%，350、750和825株·hm-2分布在主軸1的左側；1 000、1 200和2 970株·hm-2分布在主軸1的右側。主軸2解釋的信息量為15%，825和2 970株·hm-2分布在主軸2的上端，350、750、1 000和1 200株·hm-2分布在主軸2的下端。通過信息解釋量發現，主軸1更能指示氮礦化過程中土壤養分因子的變化。礦化指標與土壤養分指標關系表明全磷、pH和礦化指標關系與有機碳、全氮、堿解氮、有效磷和礦化指標的關系相反。堿解氮、有機碳對不同密度樣地礦化指標的影響較大，其中有機質與礦化指標相關性極顯著。密度為2 970株·hm-2時與其他密度相比較，其與土壤養分指標間的相關性不密切。

對樟子松人工林不同土層土壤進行RDA分析，可知在不同土層條件下礦化指標具有不同的變異特征。主軸1和主軸2解釋了養分～氮礦化總變異的99.75%，其中主軸1可以解釋的信息量達99.16%，更好地反映了礦化指標與養分因子間的變異，主軸1把0～10、10～20、20～40 cm和40～60、60～80、80～100 cm土層區分開，而主軸2把20～40、40～60 cm和0～10、10～20、60～80、80～100 cm土層區分開。40～60、60～80、80～100 cm土層與土壤養分相關性較弱，而0～10、10～20 cm土層與土壤養分關系密切，這與土壤的表聚性相吻合。由上述分析可知，全氮和有機碳更能作為表征不同土層氮礦化過程的養分因子。

為銨態氮，為硝態氮，N為礦質氮，AR為凈氨化速率，NR為凈硝化速率，MR為凈礦化速率；350、750、825、1 000、1 200、2 970株·hm-2為密度。

4 結論與討論

土壤凈礦化速率可以充分反映土壤氮礦化過程，揭示其礦化特征。本研究中，凈氨化速率在較小密度下變化規律不明顯，凈硝化速率隨密度增加呈現出先增后減的趨勢，兩者均在密度為1 000株·hm-2時達到最大值，這與盧雯等[12]的結論一致。原因可能是較低的微生物活性抑制了土壤凈氮礦化速率，而微生物活性又與土壤有機質和全氮呈正相關[31]，通過對樣地土壤理化性質的測定，發現密度為1 000株·hm-2時有機質和全氮質量分數較高，使得微生物的代謝活性有所增強，有利于土壤氮素礦化作用。但沙地土壤有機氮質量分數低，導致參與土壤氮礦化過程的相關微生物數量有所減少，因此凈硝化速率和凈氨化速率低。隨著密度的增加，土壤氮礦化作用逐漸增強，硝態氮與銨態氮逐漸累積，有機質及微生物質量分數增加，沙地土壤氮的有效性得到改善。而當樟子松種植密度過大時，樹木的生長空間有所減小，所需營養不足，加大了對水分和養分的消耗，從而造成土壤含水量降低，且土壤微生物減少，氨化和硝化作用相應降低，加劇了土壤沙化[32]。

從土層角度分析，凈硝化速率、凈氨化速率和凈礦化速率隨土層加深而減小，與王玉紅等[33]的研究結果相一致。這種現象出現的原因可能是：其一，表層的土壤容重小，即表層的土壤比較疏松，其孔隙相對來說也較多，土壤中的養分大多在表層集中，可以作為礦化底物，加速土壤氮礦化進程；其二，溫度的改變使硝化速率、氨化速率和礦化速率受到不同程度的影響[34-36]，表層土具有充足的光照條件，土壤溫度較高，更易進行氮礦化。而隨著土層加深，光照條件逐漸減弱，且深層土透水性、透氣性較差，不利于礦化作用進行[37]。