羅欣雨，王得祥

(1.陜西省寧東林業(yè)局，陜西寧陜 711603；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西楊凌 712100)

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黃土丘陵區(qū)退耕植被土壤水分·可溶性碳氮的變化特征

羅欣雨1，王得祥2*

(1.陜西省寧東林業(yè)局，陜西寧陜 711603；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西楊凌 712100)

[目的]研究黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)過程中土壤水分、可溶性碳氮的變化特征。[方法]選擇刺槐(喬木)、檸條(灌木)、撂荒地(草地)3種退耕植被為研究對象，以坡耕地為對照，研究不同退耕植被下土壤水分、可溶性碳氮的季節(jié)和垂直分布。[結(jié)果]土壤水分、可溶性碳氮均受季節(jié)變化的影響，其中土壤水分表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢，可溶性碳氮的趨勢相反；此外，與耕地相比，3種退耕植被土壤水分、可溶性碳氮均有較大的提高；隨著土層的加深，土壤水分在表層(0～30 cm)整體表現(xiàn)為撂荒地較林地低，而30～200 cm土層，表現(xiàn)為撂荒地大于林地，深層土壤水分變化不顯著。可溶性碳氮在0～30 cm土層也表現(xiàn)為隨著土層的增加而遞減趨勢，且顯著受土層變化的影響(P<0.05)。另外，土壤水分、可溶性碳氮存在著顯著相關(guān)性(P<0.05)。[結(jié)論]該研究闡明了黃土丘陵區(qū)典型退耕植被的土壤水分、可溶性碳氮的動態(tài)變化規(guī)律，為進(jìn)一步分析和評價黃土丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分狀況提供科學(xué)依據(jù)。

退耕植被；土壤水分；可溶性碳氮；動態(tài)特征

土壤中能被水溶液或鹽溶液浸提出來的有機碳或氮通常被定義為可溶性碳和可溶性氮[1-2]。土壤可溶性碳與可溶性氮是土壤有機碳、全氮中最活躍的組分之一，在土壤生態(tài)系統(tǒng)碳氮遷移及轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著重要作用[3]。土壤可溶性碳氮直接參與土壤碳氮生物化學(xué)轉(zhuǎn)化[4]，是植物所需養(yǎng)分的直接來源[5]。

我國陜北黃土丘陵區(qū)自退耕還林(草)工程實施以來，生態(tài)環(huán)境得到了極大的改善。大規(guī)模的植被恢復(fù)對土壤的改善作用引起了眾多學(xué)者關(guān)注，如馬玉紅等[6]研究了不同植被類型土壤有機碳氮的差異，李紫燕等[7]研究了土壤有機氮的礦化過程，李裕元等[8]研究了草地的恢復(fù)與重建對土壤有機碳的影響，這些研究結(jié)果顯示植被恢復(fù)措施能有效促進(jìn)土壤碳氮的累積，而關(guān)于黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式土壤可溶性碳氮含量及其影響因素的研究較少。對土壤可溶性碳氮動態(tài)變化進(jìn)行研究，將有利于加深對土壤碳、氮截獲和肥力維持機制的了解[9-10]。筆者選取黃土丘陵區(qū)4種不同的土地利用方式，研究土壤可溶性碳氮的動態(tài)變化及其垂直分布特征，并分析可溶性碳氮對土壤水分含量的響應(yīng)規(guī)律，為深入了解黃土丘陵區(qū)土壤可溶性碳氮時空變化提供一定的依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況研究區(qū)位于陜北黃土高原安塞縣境內(nèi)五里灣流域，地理坐標(biāo)為109°13′46″～109°16′03″ E、36°46′28″～36°46′42″ N，海拔1 100～1 250 m。研究區(qū)屬暖溫帶半干旱氣候，降雨主要集中在7～9月，年均降雨量為535 mm，年平均氣溫8.8 ℃，無霜期約160 d，年總輻射量552.6 kJ/cm2。該區(qū)域具有典型黃土丘陵溝壑地貌，主要土壤類型為黃綿土，土壤肥力較低，抗侵蝕能力差。自20世紀(jì)90年代末退耕還林工程實施以來，該區(qū)域大量耕地被退耕為林地或撂荒地，林地主要種植刺槐(Robinia pseudoacacia)、檸條(Caragana intermedia)，撂荒地草本植物主要有長芒草(Stipa bungeana)、鐵桿蒿(Artemisia sacrorum)、大針茅(Stipa grandis)、阿爾泰狗娃花(Heteropappus altaicus)、草木樨狀黃芪(Astragalus melilotoides)、蘆葦(Phragmites australis)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedeza davurica)等。

1.2樣地選擇通過野外調(diào)查并綜合考慮，選擇40年刺槐(喬木)林地、40年檸條林地以及撂荒地為研究對象，以坡耕地作為對照，樣地面積為25 m×25 m，樣地概況見表1。

1.3土樣采集于2014年4、6、8、10月份，在上述的每個林地中設(shè)置3個樣方(20 m×20 m)，在每個樣方內(nèi)，利用內(nèi)徑5 cm土鉆在移除枯落層后分別取0～200 cm深度土樣(0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100、100～120、120～140、140～160、160～180、180～200 cm)。每個樣地按“S”形取10鉆土樣之后，混合作為1個土壤樣品，用于測定水分，其中，在0～10、10～20、20～30 cm 3個土層分別采取土樣，剔除動植物殘體和小石塊，在4 ℃冰箱中保存，用于可溶性碳和可溶性氮的測定。

表1　樣地概況

1.4研究方法將新鮮土壤樣品過2 mm 篩子，準(zhǔn)確稱取10 g土壤樣品，置于100 mL離心管中，每個樣地土壤樣品重復(fù)操作3次，另外稱取3份土壤樣品用于測定土壤含水量，將土壤樣品裝入離心管中，加入50 mL去離子水，按土水比1∶5 比例混合。在250 r/mim轉(zhuǎn)速振蕩30 min，然后在4 000 r/min的離心機上離心10 min，將離心后的上清液緩緩倒入裝有0.45 μm 濾膜的過濾器中并用循環(huán)水真空泵減壓過濾(壓力為-0.09 MPa)，所得濾液為可溶性有機質(zhì)溶液，若不能及時測定，將濾液保存于4 ℃冰箱中。用TOC 測定儀(Elementar Analysensysteme GmbH，Germany)測定可溶性碳濃度；采用紫外分光光度法測定可溶性全氮；用流動分析儀測定濾液中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，可溶性有機氮=可溶性全氮-硝態(tài)氮-銨態(tài)氮。

1.5數(shù)據(jù)分析采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)對不同植被類型土壤含水量、可溶性碳、可溶性氮含量進(jìn)行分析。采用SPSS線性擬合分析可溶性碳氮與土壤水分的響應(yīng)關(guān)系。

2　結(jié)果與分析

2.1黃土丘陵區(qū)退耕植被土壤水分的動態(tài)特征由圖1可知，土壤水分在不同月份呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，林地變化幅度大于耕地，其中4月份土壤含水量最大，并且在0～30 cm土層變化顯著(P<0.05)。4個季度中，林(撂荒)地土壤含水量顯著高于坡耕地(P<0.05)，除4月份，在0～40 cm土層，林地(刺槐、檸條)土壤含水量大于撂荒地，而50 cm以下土層，撂荒地土壤含水量顯著高于林地(P<0.01)。在0～200 cm的土層里，林地(刺槐和檸條)土壤含水量隨著土層的增加呈現(xiàn)出遞減趨勢，而除4月份，其他3個月份，撂荒地和坡耕地的土壤含水量隨著土層的增加呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，且撂荒地層次變化幅度較大。

圖1　土壤水分的垂直分布Fig.1　The vertical distribution of soil water content

2.2黃土丘陵區(qū)退耕植被可溶性碳、氮的動態(tài)特征土壤可溶性碳的整體變化范圍為78.38～426.00 mg/kg(圖2)，表現(xiàn)出先增加后降低的季節(jié)變化趨勢，其中4月份可溶性碳含量顯著低于其他3個月份(P<0.05)。刺槐、檸條與撂荒地可溶性碳含量在8、10月顯著高于坡耕地(P<0.05)。在4個月份，0～10 cm土層可溶性碳含量大于10～20 cm，20～30 cm土層可溶性碳含量最小，林地變化顯著。

土壤可溶性氮變化趨勢和可溶性碳相似(圖 3)，其整體變化范圍為7.38～35.49 mg/kg，在8月份達(dá)到最大值。在4個月份里，土壤可溶性氮也表現(xiàn)為林地顯著高于坡耕地(P<0.01)。在0～30 cm土層，土層變化顯著影響可溶性氮含量(P<0.05)，可溶性氮含量隨著土層的增加整體呈現(xiàn)出遞減趨勢。

由圖4可知，林地可溶性碳∶可溶性氮比值為先降低(6月份)后增加的趨勢，而坡耕地一直處于降低趨勢。在不同的月份，可溶性碳∶可溶性氮比值在不同的土地利用方式下存在差異、不同土層之間(0～30 cm)可溶性碳∶可溶性氮比值存在差異，除10月份，撂荒地和坡耕地可溶性碳∶可溶性氮比值是增加趨勢；刺槐和檸條林地除10月份，可溶性碳∶可溶性氮比值呈現(xiàn)遞減趨勢。

圖2　土壤可溶性碳含量變化特征Fig.2　The variation features of dissolved organic carbon content in soil

圖3　土壤可溶性氮含量變化特征Fig.3　The variation features of dissolved organic nitrogen content in soil

圖4　土壤可溶性碳∶可溶性氮比值變化特征Fig.4　The variation features of soil dissolved carbon and nitrogen ratio

2.3黃土丘陵區(qū)退耕植被土壤水分、可溶性碳氮的響應(yīng)關(guān)系通過對土壤水分、可溶性碳氮進(jìn)行擬合分析得出，可溶性碳和可溶性氮與土壤水分呈線性遞增趨勢(P<0.05)，尤其是可溶性碳(P=0.003 75)與土壤水分呈線性關(guān)系，達(dá)到極顯著水平，但是可溶性碳∶可溶性氮的比值與土壤水分變化的響應(yīng)關(guān)系不顯著(P=0.28)。

3　結(jié)論與討論

黃土丘陵溝壑區(qū)屬于干旱半干旱地區(qū)，水分匱乏是制約當(dāng)?shù)刂脖簧L與生態(tài)環(huán)境恢復(fù)建設(shè)的主要原因之一[11]。該研究中4種土地利用類型土壤水分含量季節(jié)變化顯著，呈先降低后增高的趨勢，與楊永東等[12]的研究相似。李洪建等[13]研究指出土壤水分變化趨勢與當(dāng)?shù)貧夂蜃兓绕涫墙涤甑募竟?jié)性變化規(guī)律基本一致。該研究各土地利用方式土壤水分含量在6月與8月降低，可能是由于6月與8月當(dāng)?shù)貧鉁剌^高，水分蒸發(fā)速率加快的原因。4個月份中，林地土壤水分含量均顯著高于耕地，說明林地植物對土壤水分具有一定的涵養(yǎng)能力。植被恢復(fù)改變了土壤表面的覆蓋情況，同時影響了植被對土壤水分的吸收和利用，因此對土壤水分含量產(chǎn)生一定的影響。該研究刺槐與檸條林地土壤含水量在垂直方向上隨土層深度增加而減小，姚雪玲等[14]對植被在不同坡面土壤水分含量的研究得出相似的結(jié)果。在土壤垂直方向上，上層土壤水分含量受外界環(huán)境影響較大，而隨著土層深度的增加，土壤水分含量受環(huán)境影響減小。植被蒸騰消耗的水分通過吸收深層土壤水分補給，而表層土壤由于植被覆蓋水分蒸發(fā)減小，因此土壤水分含量隨土壤深度增加而減小。

不同土地利用方式中土壤可溶性碳氮作為具有生物活性的碳氮形態(tài)，其在土壤中含量的大小受土地利用類型[15]及土壤總有機碳氮含量[16-17]等因素共同影響。該研究刺槐與檸條林地土壤可溶性碳氮含量均顯著高于耕地，可能是由于不同植被的生長改變了土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力。根系分泌物、凋落物分解以及微生物活動促進(jìn)了林地(刺槐與檸條)土壤可溶性碳氮含量的增加。該研究不同土地利用方式土壤可溶性碳氮含量在垂直方向上均隨土層深度增加而減少，這可能與土壤養(yǎng)分在垂直方向上的異質(zhì)性有關(guān)。在黃土丘陵區(qū)刺槐、檸條林地與撂荒地土壤有機質(zhì)與氮素含量隨土層深度增加而顯著減少[18]，導(dǎo)致土壤可溶性碳氮隨土層增加而遞減。

注：水分含量是每個樣地0～30 cm的水分含量。Note：Soil water content in figure is 0-30 cm of each sample plot.圖5　土壤水分與土壤可溶性碳、氮的響應(yīng)關(guān)系Fig.5　Response relationship between soil moisture and soil soluble carbon and nitrogen

黃土丘陵區(qū)不同土地利用類型可溶性碳氮含量與土壤水分含量變化顯著相關(guān)，說明土壤水分含量的變化是影響土壤可溶性碳氮含量的重要因素。植被恢復(fù)措施的保水功能有利于促進(jìn)土壤可溶性碳氮含量的積累。

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Change Characteristics of Soil Water Content,Dissolved Organic Carbon/Nitrogen Following Afforestation in Hilly Loess Region

LUO Xin-yu1,WANG De-xiang2*

(1.Ning Dong Forestry Bureau of Shaanxi,Ningshan,Shaanxi 711603;2.College of Forestry,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi 712100)

[Objective]In order to study the changes of the soil water content (SWC),dissolved organic carbon and nitrogen (DOC/DON) during the vegetation restoration on the Loess Hilly Region of China.[Method]Robinia pseudoacacia L.,Caragana korshinskii Kom,and abandoned land,were selected,with slope farmland as control.The seasonal and vertical distribution of SWC and DOC/DON under different kinds of vegetation were studied.[Result]The results showed that SWC,DOC,and DON were affected by seasonal variations;the SWC showed the increasing after decreasing trend,while both the DOC and DON showed the contrary.Additionally,compared to the farmland,afforestation greatly increased the SWC,DOC and DON.Furthermore,SWC showed the trend of abandoned land

Afforestation;Soil water content;Dissolved organic carbon/nitrogen;Dynamic characteristics

國家林業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(201304312)；國家自然基金項目(41301601)。

羅欣雨(1988-)，女，陜西寧陜?nèi)耍瑥氖峦寥缹W(xué)研究。*通訊作者，教授，博士，從事森林生態(tài)研究。

2016-06-15

S 718.5

A

0517-6611(2016)25-156-05