不同恢復年限退化土壤有機氮組分變化特征

郭寶玲 ，鄭祥洲，余居華，丁洪，駱社周，張玉樹*

1.福建農林大學資源與環境學院，福建 福州 350002；2.福建省農業科學院土壤肥料研究所，福建 福州 350013

土壤退化是當今全球重大的環境問題之一，它不僅降低土壤肥力，影響農業生產發展，同時破壞生態系統平衡、加劇環境惡化，危害人類健康（翁伯琦等，2013）。水土流失是最主要的土壤退化形式，中國南方紅壤丘陵區地處亞熱帶季風氣候區，高強度的降雨和不合理開發利用導致水土流失問題嚴重（潘俊等，2019；王昭艷等，2011）。據調查統計，南方紅壤丘陵區中水土流失面積達 13.12萬平方千米，約占南方紅壤丘陵區所調查總面積的15.06%（梁音等，2008）。長汀縣曾是中國南方紅壤區水土流失最嚴重的區域之一，其水土流失面積廣、歷史久遠（林娜等，2013；王維明等，2005），該地區植被稀少、覆蓋率低、生態系統服務功能嚴重退化（張欣影等，2017）。植被恢復是生態系統恢復重建的有效途徑（竇曉琳等，2012）。大量研究表明，植被恢復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，改良土壤質量（劉占鋒等，2007；吳建平等，2017）。植被恢復還能有效促進退化土壤修復（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），對土壤氮素等養分循環會產生重大影響（Chen et al.，2017；趙溪等，2010）。從上世紀 80年代初，長汀縣開始大力開展水土流失植被治理工作，促進植被恢復與重建（王維明等，2005），形成一系列不同年限的退化恢復土壤，成為退化土壤生態恢復過程相關研究的理想的研究材料。

目前對于植被恢復過程的研究主要集中在土壤碳氮養分累積（張寧寧等，2019；聶陽意等，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（馬志陽等，2008）等方面，對于土壤有機氮組分變化研究較少。然而，氮素是陸地生態系統生產力的重要限制因子（Gant，2014），是作物生長發育的必需元素（Duan et a1.，2017），其有效性受到有機氮化學形態和賦存狀況的制約（巨曉棠等，2004）。土壤有機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，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）。有機氮還是土壤中礦質氮的源和庫，在氮素養分循環過程中具有極其重要的意義（黨亞愛等，2015；李世清等，2004；吳漢卿等，2018；張玉玲等，2012）。按化學形態分，土壤有機氮可分為酸解氨態氮、酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮及酸解未知態氮（Bremne，1965）；這些組分的構成比例直接或間接影響土壤有機氮礦化難易程度和氮素有效性（張玉玲等，2012）。因此，研究植被恢復土壤的有機氮組分形態變化，對于退化土壤氮素管理具有重要意義，可為土壤退化區植被恢復重建和土壤固氮潛力提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

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

1.2 土樣采集與分析

于2018年3月在不同植被恢復階段樣地設置5個處理（圖1），1—3采樣點為未治理的裸地（R0），4—6、7—9、10—12和13—15 4組采樣點分別為恢復7、17、23、35 a馬尾松人工林（分別簡稱為R7、R17、R23和R35）。其中裸地（R0）為未治理的嚴重土壤侵蝕地，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年開始治理，R7、R17、R23和R35治理前本底條件與R0基本一致，現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°。每個采樣點設置3個10 m×10 m的標準樣方，采樣前先移除表層枯枝落葉，再用土鉆在樣地內隨機取5個0—20 cm土壤樣品，15個子樣品混勻后作為一個樣品。取樣后，從新鮮土壤樣品中剔除根和植物殘體，風干后用于土壤基本理化性質和有機氮組分的測定，土壤基本理化性質見表1。

圖1 取樣點位置示意圖Fig.1 Location of sample sites

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

1.3 分析方法

土壤基本理化性質參照土壤農化分析方法（魯如坤，2000）測定。土壤有機氮組分測定采用Bremner法（Bremner，1965）。其中，采用凱氏定氮法測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定氨態氮、氨態氮+氨基糖態氮以及氨基酸態氮含量；利用差減法計算氨基糖態氮、未知態氮和非酸解性氮含量。

1.4 數據統計

采用SPSS 13.0、Origin 8.5和Excel軟件進行統計分析，單因素方差分析（One-way ANOVA）和鄧肯（Duncan）檢驗來判斷差異顯著性；相關關系分析采用皮爾森相關系數（Pearson correlation analysis）和回歸分析（Regression analysis）。

2 結果與分析

2.1 土壤有機氮組分隨植被恢復年限的變化規律

研究結果顯示（表 1），土壤有全氮含量隨著恢復年限的增長而增加（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存在，占全氮 51.2%—84.7%，非酸解性氮占15.3%—48.8%；植被恢復過程中土壤酸解性氮組分含量隨恢復年限的延長呈增加趨勢。其中，R7、R17、R23、R35的氨態氮含量分別比R0提高1.0、1.0、1.7、3.0倍，氨基酸態氮含量分別比R0提高1.9、2.1、3.0、5.0倍，酸解未知態氮含量分別比R0提高 1.4、1.4、2.1、4.8倍，且增幅隨著恢復年限的延長而提高，其中氨基酸態氮含量的增幅最大。植被恢復后土壤氨基糖態氮含量顯著提高，但與恢復年限沒有明顯相關性。植被恢復降低氨態氮組分占酸解性總氮的比例，提高氨基酸態氮組分占酸解性總氮比例。其中，R7、R17、R23和R35的氨態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%。植被恢復過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）。非線性回歸分析表明（圖2，P＜0.01），在植被恢復35年范圍內，土壤中酸解性氮含量表現為恢復初期增加緩慢，后期迅速增長，而非酸解性氮含量前期快速提高，后期趨于平緩。

表2 不同恢復年限對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系Fig.2 Relationship of total N with acid hydrolysable and non-acid hydrolysable N in soils

2.2 不同恢復年限下土壤有機氮組分結構的變化規律

各恢復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氮＞酸解未知態氮＞氨態氮和氨基糖態氮。相關分析結果表明（圖3，P＜0.01），酸解性總氮含量與氨態氮、氨基酸態氮和酸解未知態氮含量呈顯著線性關系。線性回歸斜率表明，不同恢復年限土壤增加的酸解性總氮中12.4%為氨態氮、47.3%為氨基酸態氮、35.2%為酸解未知態氮、5.1%為氨基糖態氮。由此可見，在酸解性氮組分中，氨基酸態氮占主導地位。

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

圖4顯示，不同恢復年限土壤有機氮各組分分布比例不同。R0有機氮組分占全氮比例排序為氨態氮＜氨基糖態氮＜非酸解性氮＜未知態氮＜氨基酸態氮，隨著恢復年限的增長，土壤有機氮組分占全氮比例順序也隨之發生變化，恢復 35年后的有機氮占全氮的比例大小順序為氨基糖態氮＜氨態氮＜未知態氮＜氨基酸態氮＜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，氨態氮、氨基酸態氮和未知態氮占全氮的比例呈下降趨勢。

圖4 不同恢復年限土壤有機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 不同恢復年限下土壤有機碳對有機氮組分變化影響

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

圖5 土壤難、易礦化有機氮與有機碳含量的關系Fig.5 Relationship of labile organic N or recalcitrant organic N with organic carbon in soils

3 討論

本研究表明，土壤有機碳、全氮和有機氮各組分含量均隨植被恢復年限的延長而提高（表1、2）。這與張寧寧等（2019）的研究結果一致，認為植被覆蓋和恢復重建有利于土壤氮素養分累積。與祼地相比氮素含量提高的主要原因是植被恢復過程中可以通過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（聶陽意等，2018；Rutigliano et al.，2004）?？葜β淙~和根系殘渣的輸入也提高了土壤有機碳含量，進而提高土壤無機氮同化過程（Zheng et al.，2020a）。這也加速土壤無機氮轉化為有機氮并貯存于土壤中，增強土壤氮貯存能力，減少氮素損失。此外，我們前期研究發現，植被恢復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，有機態氮是土壤氮素的主要存在形態，也是礦質氮的源和庫，因此，土壤供氮能力是不同有機氮組分在土壤中礦化的綜合表現（伍玉鵬等，2015）。土壤中最主要的有機氮形態是酸解氨態氮和氨基酸態氮，其含量與有機氮的礦化速率呈線性相關，被認為是土壤易礦化有機氮的主要來源（李菊梅等，2003；吳漢卿等，2018；Zhang et al.，2006）。本研究結果顯示，隨著恢復年限的延長，酸解氨態氮含量總體呈遞增趨勢，表明土壤供氮能力增強。酸解氨基酸態氮是土壤微生物和當季植物吸收利用的有效氮的主要來源，與微生物代謝活動緊密相關（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）。本試驗結果發現，土壤中全氮主要以酸解性氮形態存在，占51.2%—84.7%?；謴湍晗扪娱L提高了土壤氨態氮、氨基酸態氮含量，其中氨基酸態氮含量幅度最大（表 2），這表明植被恢復提高了土壤的供氮潛力。Abdelrahman et al.（2016）研究結果表示，酸解氨基酸態氮可以作為土壤有機質降解的指示指標，其含量的增加可能主要來源于土壤中有機質的降解，而有機質主要來源于植被恢復過程中枯枝落葉和根系殘渣的輸入。酸解氨基糖態氮的變化規律則不明顯，Wang et al.（2010）的研究也表明，酸解氨基糖態氮與土壤全氮和礦質氮之間不相關。本試驗研究還表明土壤有機碳與有機氮呈極顯著相關，土壤中碳、氮的相互關系是通過微生物連接起來的，而土壤微生物的活性對于土壤有機碳的分解非常重要（劉景雙等，2003），土壤有機氮各組分變化的原因可能是由于，植被恢復過程中提高土壤有機碳含量，微生物活性增強，引起有機氮各組分產生變化。

研究結果表明，恢復年限延長提高了土壤酸解未知態氮和非酸解性氮含量（表 2），且植被恢復有利于提高土壤非酸水解性氮比例（圖 4）。非酸解氮組分為穩定性氮形態，其含量的提高有利于提高土壤氮固持能力，降低生態系統氮素損失（聶陽意等，2018）。張玉樹等（2014）研究也認為，非酸解性氮分配比例增加導致土壤有機氮礦化速率下降，但有利于提高土壤氮貯存能力。此外，研究結果還顯示，植被恢復過程中土壤所增加的有機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早期增加緩慢，后期迅速增長，而非酸解性氮含量則相反（圖2）。這表明，退化土壤恢復后期土壤易礦化氮含量增加，供氮能力提高，而植被恢復早期更有利于促進非酸水解性氮素累積于土壤中。然而，非酸解性氮屬于穩定性有機氮，與酸解未知態氮聯系密切（Stevenson，1982），主要以雜環氮或與雜環和芳香環結合等難分解氮化合物存在，可形成穩定結構的腐殖質，不易被礦化、不利于土壤供氮能力的提高（彭令發等，2003；Rovira et al.，2002）。由此可見，退化土壤恢復前期供氮能力較弱，有必要通過施用氮肥維持植物生長，促進植被重建。本研究結果顯示，易礦化氮和難礦化氮含量與土壤有機碳呈顯著正相關（圖 5，P＜0.01），且根據線性回歸斜率顯示，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氮二者占全氮的比例之和隨著植被恢復年限的延長呈先增后減的趨勢，表明植被恢復前期增加難礦化氮累積，后期增加易礦化氮，供氮能力增強。在植被的恢復過程中，土壤有機碳、有機氮及其各組分含量增加，土壤pH值降低，土壤結構得到改善，可促進植物生長，改善生態環境，提高系統的生物多樣性和穩定性（馬志陽等，2008）。但是，為了更好地反映土壤供氮能力變化規律，退化土壤植被恢復過程有機氮組分與土壤供氮能力的關系還有待進一步研究。

4 結論

（1）本試驗研究發現，土壤全氮和有機氮組分含量隨著植被恢復年限的延長而增加，土壤中的全氮主要以酸解性氮形態存在，占52.1%—84.7%；在酸解性氮組分中，氨基酸態氮占主導地位。

（2）植被恢復過程氨態氮組分占酸解性總氮的比例下降，氨基酸態氮組分占酸解性總氮的比例上升，表明氨基酸態氮對退化土壤氮素供應貢獻較大。

（3）隨著恢復年限的延長，有機氮組分占全氮的比例排序也隨之變化，恢復 35年后各有機氮組分大小順序為非酸解性氮＞氨基酸態氮＞未知態氮＞氨態氮＞氨基糖態氮。

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