朱寒松,李學(xué)章,賈小旭,邵明安1,,魏孝榮

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊陵712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊陵712100; 3.中國(guó)科學(xué)院 亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長(zhǎng)沙410125; 4.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所,北京100101)

土壤碳氮組分研究是土壤學(xué)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，它與土壤碳氮循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)碳氮過程密切相關(guān)，是目前研究中土壤學(xué)、環(huán)境科學(xué)和生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域普遍關(guān)心的問題[1]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤碳氮組分進(jìn)行了大量研究，Ramnarine R等[2]研究了加拿大伊羅拉研究站的農(nóng)地土壤，發(fā)現(xiàn)使用免耕措施6 a后的土壤輕組有機(jī)碳氮含量在0—20 cm土層顯著提高；Han等[3]研究了不同管理措施下的土壤有機(jī)碳，發(fā)現(xiàn)管理措施可以極大的影響土壤組分有機(jī)碳含量，而傳統(tǒng)耕作會(huì)通過增加重組有機(jī)碳，極大得提高土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。Wei等[4]通過對(duì)黃龍山森林和農(nóng)地土壤的研究發(fā)現(xiàn)森林轉(zhuǎn)換為農(nóng)地后土壤有機(jī)碳的損失主要是由輕組有機(jī)碳的變化引起的；Blair等[5]研究了新南威爾士北部耕作土壤和未耕作土壤的活性有機(jī)碳，發(fā)現(xiàn)耕作土壤輕組有機(jī)碳的降低高于重組有機(jī)碳；Qiu等[6]研究了黃土高原半干旱地區(qū)不同土地利用下的土壤有機(jī)碳氮儲(chǔ)量，發(fā)現(xiàn)草地轉(zhuǎn)換成灌木地或農(nóng)地而引起的土壤有機(jī)碳氮的損失是由重組主導(dǎo)的。王文穎等[7]對(duì)原生植被封育和重度退化處理土壤碳氮變化的研究表明，輕組中碳氮損失的主要原因不是草甸退化導(dǎo)致輕組本身碳氮濃度的降低，而是由于土壤中輕組絕對(duì)數(shù)量的降低，而且重組中氮的損失遠(yuǎn)低于碳的損失；Dalal等[8]通過分析昆士蘭州長(zhǎng)期耕作的谷物地土壤肥力變化，發(fā)現(xiàn)輕組有機(jī)碳易受到植被類型和土地利用變化的影響，說明碳氮組分在土壤碳氮對(duì)植被變化響應(yīng)中有重要作用。這些研究結(jié)果均表明，土壤碳氮組分對(duì)植被變化響應(yīng)敏感，而用來分析土壤碳氮對(duì)植被變化的響應(yīng)機(jī)理。

黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶屬半干旱草原地帶，氣候變化劇烈，植被退化嚴(yán)重，為典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)和黃河下游河床粗泥沙的主要來源區(qū)。嚴(yán)重的水蝕風(fēng)蝕和脆弱的生態(tài)環(huán)境成為這一地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要限制因素。最近幾十年來，在黃土高原開展了大面積植樹種草工作，生態(tài)環(huán)境得到顯著改善。檸條因其固氮作用以及優(yōu)良的防風(fēng)固沙和保持水土特性成為在水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶廣泛種植的植被種類。水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶土壤碳氮變化不僅對(duì)植被響應(yīng)敏感，而且關(guān)系到土壤質(zhì)量的維持和提高，是目前研究中的熱點(diǎn)。劉學(xué)彤等[9]研究了該地區(qū)不同退耕模式對(duì)土壤碳氮的影響，發(fā)現(xiàn)退耕還林、還草均能顯著提高0—10 cm土層土壤有機(jī)碳和全氮含量與儲(chǔ)量，且不同退耕模式對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮儲(chǔ)量的影響與退耕年限有關(guān)；Wei等[10-11]和Fu等[12]發(fā)現(xiàn)該區(qū)長(zhǎng)期種植檸條顯著改變了土壤的碳氮狀況，而這種改變與地形條件和土壤類型有關(guān)，盡管這些研究揭示了土壤碳氮與植被變化的關(guān)系，但是主要側(cè)重于土壤碳氮總量的研究，不能充分揭示土壤碳氮對(duì)土地利用或植被變化的響應(yīng)機(jī)理。通過分析不同植被下土壤碳氮組分變化及其與土壤碳氮變化的關(guān)系，可以為植被變化下土壤碳氮變化機(jī)理的深入研究和變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供相關(guān)的依據(jù)，從而加深對(duì)水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶碳氮對(duì)植被變化的響應(yīng)的認(rèn)識(shí)。本研究以黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶天然草地及在天然草地上建立起來的人工檸條林地為研究對(duì)象，通過分析草地和檸條林地0—40 cm土層土壤輕組和重組碳氮的變化特征，分析了土壤碳氮組分變化與土壤碳氮對(duì)植被變化響應(yīng)的關(guān)系，旨在為深入分析該區(qū)土壤碳氮對(duì)植被變化的響應(yīng)機(jī)理提供理論依據(jù)，并為研究區(qū)土壤質(zhì)量改善和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供相關(guān)的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然地理概況

本研究在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)站位于陜北神木縣以東14 km處的六道溝小流域，北依長(zhǎng)城，位于毛烏素沙漠的邊緣，流域植被退化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，屬于典型的風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)帶。研究區(qū)海拔1 094～1 274 m，年均降水量437 mm，年平均氣溫8.4 ℃，≥10 ℃年積氣溫3 232 ℃。研究區(qū)主要土壤類型為新黃土、紅膠土、淤土、風(fēng)沙土等；主要植被為檸條(CaraganaKorshinskiiKom)、沙柳(Salixpsammophila)、長(zhǎng)芒草(StipabungeanaTrin)、紫花苜蓿(Medicagosativa L)、沙打旺(AstragalusadsurgensPall)、豬毛蒿(ArtemisiascopariaWaldst.et Kit)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica(Laxm.) Schindl)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

1.2 樣品采集與分析

在對(duì)研究區(qū)植被進(jìn)行充分調(diào)查的基礎(chǔ)上，選取了天然草地上人工種植檸條林樣地5塊，其中3塊種植25年，2塊40年，均以相鄰草地為對(duì)照。于2009年10月分別在各檸條林地和草地分別設(shè)立3個(gè)5 m×5 m，2 m×2 m樣方。在樣方內(nèi)用直徑5 cm土鉆采集0—10 cm，10—20 cm和20—40 cm土層土壤樣品，其中，為了使檸條林地的土壤樣品有足夠的代表性，在檸條樹冠下采集土壤樣品作為檸條林地土壤樣品。每個(gè)樣方采集3個(gè)重復(fù)作為混合樣品，共采集到樣品(5×2×3×3)90個(gè)。將鮮樣帶回實(shí)驗(yàn)室挑出石塊和植物殘?bào)w后，風(fēng)干研磨過2 mm和0.25 mm篩備用。同時(shí)用環(huán)刀法測(cè)定檸條林地與草地0—10 cm，10—20 cm和20—40 cm土層土壤容重。

土壤分組采用Gregorich和Ellert方法：稱取過2 mm篩的土樣10.00 g于100 ml離心管中，加入比重為1.80 g/ml的NaI溶液50 ml，在200 rpm條件下振蕩1 h。然后在1 000×g條件下離心20 min，將浮在NaI表面的輕組傾倒在裝有0.45 μm尼龍濾紙的漏斗中抽氣過濾.輕組先用75 ml 0.01 mol/L CaCl2洗滌，再用至少75 ml蒸餾水洗滌.然后將濾紙上的輕組轉(zhuǎn)移(水洗)到50 ml的燒杯中，靜置24 h，在60℃下烘干72 h后稱重，提取過程進(jìn)行2次。輕組被提取后，加50 ml蒸餾水于離心管中，振蕩10 min，在3 000×g條件下離心15 min，棄去上清液，重復(fù)洗滌3次，冷凍至干燥后稱重，減去離心管的重量后即為重組的重量。分離出的輕組和重組組分研細(xì)后過0.25 mm篩，用Vario ELIII元素分析儀(西北大學(xué)分析測(cè)試中心)分別測(cè)定輕組和重組有機(jī)碳、氮濃度。不同組分有機(jī)碳和全氮計(jì)算方法如下：

土壤組分(輕組、重組)碳氮儲(chǔ)量(Mg/hm2)=

D×B×Z×P/1000

式中：D是土壤厚度(cm)；B是土壤容重(g/cm3)；Z是組分(輕組、重組)重量(g/kg)；P是土壤組分(輕組、重組)碳氮含量(g/kg)。

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并作圖，其中各指標(biāo)相關(guān)關(guān)系采用Pearson分析法。運(yùn)用雙因素方差分析法(Multiple-factor ANOVA)分析了樣地類型，生長(zhǎng)年限和土層深度對(duì)土壤各組分及組分有機(jī)碳的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地土壤不同組分對(duì)檸條的響應(yīng)

土壤輕組組分在土壤碳氮生物地球化學(xué)中起重要作用，可以顯著改善土壤物理性質(zhì)，是土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。研究區(qū)草地和檸條林地輕組組分均隨土層加深而降低，而重組組分則隨土層加深而增加(圖1)，表明研究區(qū)草地和檸條林地隨土層加深，土壤質(zhì)量有所下降。

40年草地0—10 cm輕組組分顯著低于25年草地相應(yīng)土層，重組組分顯著高于25年草地；而不同年限草地10—40 cm土層輕組和重組組分差異不顯著，表明隨草地年限延長(zhǎng)，表層(0—10 cm)土壤物理性質(zhì)有所退化，而底層土壤(10—40 cm)土壤物理性質(zhì)變化不大。

圖1 土壤輕組和重組組分含量

40年檸條林地0—40 cm土層土壤輕組組分均顯著高于25年檸條林地，重組組分則顯著低于25年檸條林地，說明隨檸條年限的延長(zhǎng)，0—40 cm土層土壤質(zhì)量均有所改善。此外，與相同年限相鄰草地土壤相比，檸條林地土壤輕組組分顯著提高，如25年檸條林地0—10，10—20 cm土層土壤輕組組分分別提高22.18%和12.87%；40年林地0—10，10—20，20—40 cm土層土壤輕組組分分別提高179.59%，100.36%和398.55%，表明檸條可以顯著提高土壤輕組組分，降低重組組分，改善土壤質(zhì)量，這可能與檸條的固氮特性有關(guān)。檸條為豆科植物，其固氮特性使得檸條根系和凋落物中氮素含量相對(duì)于非豆科植物較高，在土壤中易于分解，從而增加了土壤有機(jī)物質(zhì)含量，這一方面直接改善了土壤理化性質(zhì)，另一方面促進(jìn)了土壤重組組分向輕組組分的轉(zhuǎn)化(圖1)，這不但改變了不同組分的比例，也對(duì)不同組分中碳氮分布特征產(chǎn)生影響。

2.2 草地土壤不同組分碳氮含量對(duì)檸條的響應(yīng)

研究區(qū)草地土壤不同組分有機(jī)碳和全氮含量隨土層深度和草地年限變化顯著，輕組有機(jī)碳和全氮含量介于5.08～25.48 g/kg，0.31～1.68 g/kg，顯著高于重組有機(jī)碳和全氮含量(介于0.38～0.64 g/kg，0.030～0.047 g/kg)。不同組分有機(jī)碳和全氮在不同年限草地表現(xiàn)出相似的土壤剖面分布趨勢(shì)(圖2)，如25年草地輕組有機(jī)碳和全氮在10—20 cm土層含量顯著高于0—10，20—40 cm土層土壤，而重組有機(jī)碳和全氮含量則隨土層加深而降低；40年草地輕組有機(jī)碳和全氮在10—20 cm土層的含量顯著低于其他土層，重組有機(jī)碳和全氮剖面趨勢(shì)與25年草地相似。不同組分有機(jī)碳和全氮分布的相似性與二者之間極顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.982,n=90,p<0.0001)，這與楊靜等[13]的研究結(jié)果一致。此外，不同土層土壤輕組有機(jī)碳和全氮含量均隨年限的延長(zhǎng)而降低，重組全氮含量也隨年限的延長(zhǎng)而降低，有機(jī)碳含量則稍有增加，這可能與植物對(duì)土壤養(yǎng)分吸收有關(guān)。研究區(qū)處于半干旱黃土區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)氮素和碳素補(bǔ)充較少，而隨著植物生長(zhǎng)年限的延長(zhǎng)，植物吸收的土壤養(yǎng)分也逐漸增加，導(dǎo)致土壤氮素和碳素呈現(xiàn)出隨年限延長(zhǎng)而降低的趨勢(shì)。

由于有機(jī)碳和全氮的極顯著的正相關(guān)關(guān)系，檸條林地各土層土壤不同組分有機(jī)碳和全氮呈現(xiàn)出相似的分布特征(圖2)。對(duì)于輕組組分來說，25年檸條林地土壤輕組有機(jī)碳和全氮含量在0—10 cm土層顯著低于10—40 cm土層土壤，而40年檸條林地土壤則隨土層深度的加深而逐漸降低；而且隨著年限的延長(zhǎng)，各土層土壤輕組有機(jī)碳和全氮均有所下降，并且以深層土壤下降幅度較大。對(duì)于重組組分來說，有機(jī)碳和全氮隨土層加深而降低，隨年限延長(zhǎng)稍有下降(除過40年檸條20—40 cm土層有機(jī)碳)。這些結(jié)果表明，在研究區(qū)檸條林地重組有機(jī)碳和全氮含量比較穩(wěn)定，輕組有機(jī)碳和全氮較易損失，而且其損失幅度在深層土壤較大；而表層土壤輕組有機(jī)碳和全氮一般保持在較低水平，損失幅度較小。這些結(jié)果與Blair BJ等[5]在新南威爾士耕作與未耕作土壤活性有機(jī)質(zhì)的研究結(jié)果相似。

草地轉(zhuǎn)變?yōu)闄帡l林后，土壤重組有機(jī)碳和全氮含量變化很小(-0.19～0.06 g/kg和-0.001～0.017 g/kg)，而輕組有機(jī)碳和全氮含量變化較大，并且隨年限和土層的不同而異，這不但與草地和檸條林地植物生長(zhǎng)過程中土壤輕組有機(jī)碳和全氮含量的降低有關(guān)，還與它們的降低程度有關(guān)。如25年檸條林地0—20 cm土層輕組有機(jī)碳和全氮顯著低于草地，20—40 cm土層略高于草地；而40年檸條林地0—20 cm土層有機(jī)碳和全氮略高于草地(除過0—10 cm土層有機(jī)碳)，20—40 cm顯著低于草地。隨著年限的延長(zhǎng)，草地土壤輕組有機(jī)碳和全氮和減小程度大于檸條林地，從而使得不同年限下檸條林地和草地土壤輕組有機(jī)碳和全氮呈現(xiàn)出如圖2所示的趨勢(shì)。這些結(jié)果說明草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾蠼档土溯p組有機(jī)碳和全氮的含量，而對(duì)重組有機(jī)碳和全氮含量影響不顯著，表明重組有機(jī)碳和全氮對(duì)土地利用變化響應(yīng)比較遲鈍，而輕組有機(jī)碳和全氮對(duì)土地利用變化響應(yīng)敏感，可用來深入分析土壤碳氮對(duì)土地利用變化的響應(yīng)機(jī)理。Shang等[14]與Swanston C W等[15]在不同森林植被下土壤有機(jī)碳的研究也得到類似結(jié)果。

2.3 草地土壤不同組分碳氮儲(chǔ)量變化及其與土壤碳氮庫變化的關(guān)系

草地土壤輕組有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量隨土層加深和年限延長(zhǎng)逐漸降低，重組有機(jī)碳和全氮?jiǎng)t隨土層加深和年限的延長(zhǎng)(除過全氮)而增加(圖3)。25年草地不同土層土壤輕組有機(jī)碳和全氮分別是40年草地相應(yīng)土層的2.7～3.7倍和2.0～4.2倍，而0—40 cm輕組有機(jī)碳和全氮的儲(chǔ)量分別為8.8 Mg C/hm2，0.6 Mg N/hm2，是40年草地土壤的3.67，3.69倍，表明隨著年限的延長(zhǎng)，輕組有機(jī)碳和全氮損失較大。25年草地不同土層土壤重組有機(jī)碳和全氮分別是40年草地的0.83～0.91倍和0.99～1.24倍，0—40 cm土層重組有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量分別是40年草地的0.87，1.12倍，表明重組有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量隨年限變化較小。對(duì)于草地土壤而言，土壤輕組有機(jī)碳和全氮分別占土壤總有機(jī)碳和全氮的3%～39%和4%～35%，但是其在土壤碳氮變化中起主要作用，如40年草地0—40 cm土層土壤有機(jī)碳和全氮分別比25年草地降低了2.28 Mg C/hm2，0.68 Mg N/hm2，而輕組有機(jī)碳和全氮分別降低了6.41 Mg C/hm2，0.44 Mg N/hm2。這些結(jié)果說明研究區(qū)草地土壤有機(jī)碳和全氮主要由重組組成，但是草地演替過程中土壤有機(jī)碳和全氮的變化主要由輕組有機(jī)碳和全氮變化引起。

圖2土壤輕組和重組有機(jī)碳和全氮含量

檸條林地輕組有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量表現(xiàn)出與草地相似的剖面變化趨勢(shì)，但0—10 cm土層有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量隨年限延長(zhǎng)有所增加，而深層土壤隨年限變化不大(圖3)。隨年限延長(zhǎng)，0—40 cm土層土壤輕組有機(jī)碳和全氮分別增加了8%和23%，表明檸條生長(zhǎng)過程中由于自身固氮作用，增強(qiáng)了輕組碳氮庫儲(chǔ)量。不同年限檸條林地0—40 cm土層土壤重組全氮儲(chǔ)量變化不顯著，0—20 cm土層重組有機(jī)碳儲(chǔ)量有所減少，而20—40 cm土層儲(chǔ)量顯著增加，這可能與該層重組有機(jī)碳含量顯著高于其他土層和其他年限有關(guān)(圖2)。與草地土壤相似，檸條林地土壤輕組有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量占土壤有機(jī)碳和全氮總儲(chǔ)量的比例也很小，分別為8%～36%和8%～33%。隨年限的延長(zhǎng)，檸條林地0—40 cm有機(jī)碳和全氮分別增加了6.94 Mg C/hm2，0.13 Mg N/hm2，而輕組有機(jī)碳和全氮分別增加了0.54 Mg C/hm2，0.11 Mg N/hm2，表明檸條林地土壤有機(jī)碳的變化由重組有機(jī)碳的變化引起，而土壤全氮的變化則由輕組全氮的變化引起。

草地轉(zhuǎn)變?yōu)闄帡l林地后土壤不同組分有機(jī)碳和全氮的變化因年限不同差異很大。對(duì)于25年檸條林地來說，土壤各組分有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量均有所增加(除過重組全氮少有降低)，土壤有機(jī)碳和全氮在0—40 cm土層的儲(chǔ)量分別增加了10.94，0.07 Mg N/hm2，而輕組有機(jī)碳和全氮分別增加了2.41，0.11 Mg N/hm2。對(duì)于40年檸條林來說，0—40 cm土層土壤輕組有機(jī)碳降低了4.54 Mg C/hm2，重組有機(jī)碳和總有機(jī)碳增加了6.26，1.72 Mg C/hm2；而土壤全氮、輕組和重組全氮儲(chǔ)量分別降低了0.73，0.44，0.29 Mg N/hm2，表明草地轉(zhuǎn)變?yōu)闄帡l林后，土壤有機(jī)碳和全氮的變化分別由重組有機(jī)碳和輕組全氮引起。此外，不同土地利用轉(zhuǎn)變年限下土壤有機(jī)碳和全氮及其在各組分的儲(chǔ)量所呈現(xiàn)出的不同的變化趨勢(shì)與草地土壤有機(jī)碳和全氮較大幅度的降低以及檸條林地土壤有機(jī)碳和全氮較小幅度的增加有關(guān)(圖3)。

圖3土壤輕組和重組有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量

3 結(jié) 論

研究區(qū)草地和檸條林地輕組組分均隨土層加深而降低，而重組組分則隨土層加深而增加。隨草地年限延長(zhǎng)，表層(0—10 cm)土壤物理性質(zhì)有所退化，底層(10—40 cm)土壤物理性質(zhì)變化不大。檸條可以顯著提高土壤輕組組分，降低重組組分，改善土壤質(zhì)量，而且隨檸條年限的延長(zhǎng)，0—40 cm土層土壤質(zhì)量均有所改善。

草地和檸條林地重組有機(jī)碳和全氮含量比較穩(wěn)定，輕組有機(jī)碳和全氮較易損失，而且其損失幅度在深層土壤較大；表層土壤輕組有機(jī)碳和全氮一般保持在較低水平，損失幅度較小。重組有機(jī)碳和全氮對(duì)土地利用變化響應(yīng)比較遲鈍，而輕組有機(jī)碳和全氮對(duì)土地利用變化響應(yīng)敏感。

草地和檸條林地土壤有機(jī)碳和全氮主要由重組組分組成，但草地演替過程中土壤有機(jī)碳和全氮的變化主要由輕組有機(jī)碳和全氮變化引起；檸條林地土壤有機(jī)碳的變化由重組有機(jī)碳的變化引起，土壤全氮的變化則由輕組全氮的變化引起；而草地轉(zhuǎn)變?yōu)闄帡l林后，土壤有機(jī)碳和全氮的變化分別由重組有機(jī)碳和輕組全氮引起。