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坡地黑土碳氮分布及其与团聚体稳定性的关系

曹伟 李露 赵鹏志 夏祥友 王恩姮

曹伟, 李露, 赵鹏志, 夏祥友, 王恩姮. 坡地黑土碳氮分布及其与团聚体稳定性的关系[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(8): 56-63. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170449
引用本文: 曹伟, 李露, 赵鹏志, 夏祥友, 王恩姮. 坡地黑土碳氮分布及其与团聚体稳定性的关系[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(8): 56-63. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170449
Cao Wei, Li Lu, Zhao Pengzhi, Xia Xiangyou, Wang Enheng. Distribution of C and N in black soil and its relationship with aggregate stability in sloping land[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(8): 56-63. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170449
Citation: Cao Wei, Li Lu, Zhao Pengzhi, Xia Xiangyou, Wang Enheng. Distribution of C and N in black soil and its relationship with aggregate stability in sloping land[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(8): 56-63. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170449

坡地黑土碳氮分布及其与团聚体稳定性的关系

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170449
基金项目: 

林业公益性行业科研专项 201404202

国家自然科学基金项目 41302222

国家科技支撑计划课题 2015BAD07B05

详细信息
    作者简介:

    曹伟。主要研究方向:农田水土保持。Email:vivi@163.com  地址:150040  黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学林学院

    通讯作者:

    王恩姮,博士,副教授。主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。Email: erxin222@163.com  地址:同上

  • 中图分类号: S714;S153.62

Distribution of C and N in black soil and its relationship with aggregate stability in sloping land

  • 摘要: 目的探究黑土区土壤团聚体碳氮分布规律及其与团聚体稳定性的关系,进一步对比耕地与林地团聚体破坏机制差异,为退耕还林以及其他植被恢复途径提高黑土区土地生产力等方面提供理论依据。方法以典型黑土区长期耕作的坡耕地和樟子松坡林地为研究对象,通过不同坡位(坡上、坡中上、坡中、坡中下、坡下)和不同粒级(2~5 mm、1~2 mm、0.5~1 mm、0.25~0.5 mm、 < 0.25 mm)水稳性团聚体总碳、总氮、铵态氮、硝态氮、碳氮比(C/N)及铵态氮与硝态氮比值(ANR)的测定与分析,探究团聚体碳氮分布特征及其与团聚体破坏率之间的相关关系。结果坡林地土壤团聚体有机碳和总氮在坡下沉积且富集在小粒径团聚体中;耕地土壤团聚体有机碳含量及C/N显著低于林地,氮对坡位和粒径变化的响应规律不明显。铵态氮含量在 < 1 mm土壤团聚体中含量较高,硝态氮含量则在>1 mm土壤团聚体中含量较高,且林地铵态氮含量显著高于耕地。耕地团聚体破坏率显著高于林地,以>1 mm粒级团聚体破坏率的表现最为显著,坡上、坡中和坡中下2~5 mm团聚体破坏率显著高于同坡位其他粒径团聚体。团聚体碳含量和团聚体氮含量分别与团聚体破坏率呈负相关和正相关趋势,但均未达显著水平,而综合指标C/N和ANR,以及单因素铵态氮均与黑土团聚体破坏率呈显著负相关关系;当耕地团聚体破坏率超过40%时,ANR、C/N均处于较低的水平。结论坡耕地与坡林地之间,由于养分归还方式与土壤侵蚀环境的不同,导致土壤团聚体碳氮分布规律与团聚体稳定性的差异。坡地黑土团聚体稳定性受团聚体内部有机碳氮的共同作用,与微生物代谢密切相关的综合性指标C/N和ANR,以及被微生物优先利用的铵态氮对黑土团聚体稳定性的影响较其他指标更为显著,可在微生物活性与团聚体稳定性的关系方面做进一步研究。
  • 图  1  不同粒径和坡位处团聚体破坏率

    不同大写字母表示相同坡位不同粒径之间差异显著;不同小写字母表示相同粒径不同坡位之间差异显著,P < 0.05。

    Figure  1.  PAD of water stable-soil aggregates for varied particle sizes and slope positions

    Different capital letters represent significant difference among varied particle sizes for the same slope position; different lowercase letters represent significant difference among varied slope positions for the same particle size, P < 0.05.

    表  1  不同粒径和坡位处水稳性团聚体碳氮含量

    Table  1.   Soil carbon and nitrogen content of water stable-soil aggregates for varied particle sizes and slope positions

    项目Item 耕地Farmland 林地Forestland
    总碳Total C/
    (g·kg-1)
    总氮Total N/
    (g·kg-1)
    C/N 总碳Total C/
    (g·kg-1)
    总氮Total N/
    (g·kg-1)
    C/N
    2~5 mm 25.01Ba 1.95Aa 12.88Bab 40.25Ac 1.19Bb 39.02Aa
    1~2 mm 24.30Bb 1.91Aa 12.79Bb 40.37Ac 1.67Ba 28.84Ab
    0.5~1 mm 24.66Bb 1.93Aa 12.90Bab 46.82Ab 1.58Ba 26.99Ab
    0.25~0.5 mm 25.28Ba 1.92Aa 13.51Ba 54.19Aa 2.01Aa 28.26Ab
    坡上Upper slope 23.66Bc 1.87Ab 12.80Bb 30.46Ad 1.37Bc 23.95Ac
    坡中上Upper to middle slope 23.50Bcd 1.92Aab 12.32Bb 35.94Ac 1.23Bc 32.42Ab
    坡中Middle slope 23.09Bd 1.90Aab 12.18Bb 51.64Ab 2.16Ab 26.01Ac
    坡中下Middle to lower slope 25.15Bb 2.05Aa 12.36Bb 37.28Ac 1.06Bc 42.03Aa
    坡下Lower slope 28.66Ba 1.90Bab 15.44Ba 68.41Aa 2.69Aa 27.95Ac
    注:不同大写字母表示相同粒径或坡位、不同土地利用类型之间差异显著,P < 0.05,n=20;不同小写字母表示相同土地利用类型、不同粒径或粒径之间差异显著,P < 0.05,n=16。表 2同此。Notes: different capital letters represent significant difference within the same row(i.e. the same in particle size or position, but different in land-use type), P < 0.05, n=20; different lowercase letters represent significant difference within the same column (i.e. the same in land-use type, but different in particle size or position), P < 0.05, n=16. The same in Tab. 2.
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    表  2  不同粒径和坡位处水稳性团聚体铵态氮与硝态氮含量

    Table  2.   Soil ammonium-N and nitrate-N content of water stable-soil aggregates for varied particle sizes and slope positions

    项目Item 耕地Farmland 林地Forestland
    铵态氮
    Ammonium-N/ (mg·kg-1)
    硝态氮
    Nitrate-N/ (mg·kg-1)
    ANR 铵态氮
    Ammonium-N/ (mg·kg-1)
    硝态氮
    Nitrate-N/ (mg·kg-1)
    ANR
    2~5 mm 27.54Bb 4.08Ba 8.20Ac 41.38Ac 8.84Aa 9.93Ad
    1~2 mm 27.42Bb 3.68Bab 8.72Bbc 40.70Ac 4.77Ab 11.78Ac
    0.5~1 mm 31.18Ba 3.86Aab 9.88Bab 51.25Ab 3.73Bc 17.09Ab
    0.25~0.5 mm 32.19Ba 3.19Bb 11.48Ba 64.84Aa 3.65Ac 20.90Aa
    坡上Upper slope 35.16Aa 4.92Aa 10.47Ba 35.07Ad 2.38Be 15.35Ab
    坡中上Upper to middle slope 25.38Bc 2.92Bc 9.60Babc 65.08Ab 3.98Ab 18.76Aa
    坡中Middle slope 29.95Bb 3.03Bc 10.35Bab 68.72Aa 3.55Ac 19.65Aa
    坡中下Middle to lower slope 32.83Ba 4.21Aab 9.48Babc 52.68Ac 2.85Bd 19.39Aa
    坡下Lower slope 27.41Bc 3.58Bbc 8.33Bc 30.36Ae 12.33Aa 3.49Bc
    注:ANR表示铵态氮与硝态氮的比值。下同。Notes: ANR represents the ratio of ammonium-N to nitrate-N. The same as below.
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    表  3  团聚体破坏率与团聚体碳氮含量的相关系数(r)

    Table  3.   Correlation coefficient (r) for PAD with aggregate-associated carbon and/or nitrogen content

    项目Item 总碳Total C 总氮Total N C/N 铵态氮Ammonium-N 硝态氮Nitrate-N ANR
    PAD -0.282 0.144 -0.357* -0.386* -0.108 -0.321*
    注:*表示显著相关,P < 0.05,n=20。Notes:* represents significant correlation at P < 0.05 level, n=20.
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    表  4  不同处理及其交互作用对土壤团聚体碳氮含量和稳定性的影响(P值)

    Table  4.   Effects of different factors and their interactions on carbon and nitrogen content and stability of aggregates (P value)

    影响因子
    Influencing factor
    总碳
    Total C
    总氮
    Total N
    铵态氮
    Ammonium-N
    硝态氮
    Nitrate-N
    C/N ANR PAD
    J < 0.01 0.283 < 0.01 < 0.01 0.029 < 0.01 < 0.01
    P < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01
    L < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01
    P×J < 0.01 0.140 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01
    P×L < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01
    L×J < 0.01 0.168 < 0.01 < 0.01 0.200 < 0.01 < 0.01
    P×J×L < 0.01 0.229 0.042 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01
    注:J表示粒径,P表示坡位,L表示土地利用类型;×表示交互作用。Notes: J represents particle size, P represents slope position, L represents land-use type, × presents interaction of different factors.
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-21
  • 修回日期:  2018-03-20
  • 刊出日期:  2018-08-01

坡地黑土碳氮分布及其与团聚体稳定性的关系

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170449
    基金项目:

    林业公益性行业科研专项 201404202

    国家自然科学基金项目 41302222

    国家科技支撑计划课题 2015BAD07B05

    作者简介:

    曹伟。主要研究方向:农田水土保持。Email:vivi@163.com  地址:150040  黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学林学院

    通讯作者: 王恩姮,博士,副教授。主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。Email: erxin222@163.com  地址:同上
  • 中图分类号: S714;S153.62

摘要: 目的探究黑土区土壤团聚体碳氮分布规律及其与团聚体稳定性的关系,进一步对比耕地与林地团聚体破坏机制差异,为退耕还林以及其他植被恢复途径提高黑土区土地生产力等方面提供理论依据。方法以典型黑土区长期耕作的坡耕地和樟子松坡林地为研究对象,通过不同坡位(坡上、坡中上、坡中、坡中下、坡下)和不同粒级(2~5 mm、1~2 mm、0.5~1 mm、0.25~0.5 mm、 < 0.25 mm)水稳性团聚体总碳、总氮、铵态氮、硝态氮、碳氮比(C/N)及铵态氮与硝态氮比值(ANR)的测定与分析,探究团聚体碳氮分布特征及其与团聚体破坏率之间的相关关系。结果坡林地土壤团聚体有机碳和总氮在坡下沉积且富集在小粒径团聚体中;耕地土壤团聚体有机碳含量及C/N显著低于林地,氮对坡位和粒径变化的响应规律不明显。铵态氮含量在 < 1 mm土壤团聚体中含量较高,硝态氮含量则在>1 mm土壤团聚体中含量较高,且林地铵态氮含量显著高于耕地。耕地团聚体破坏率显著高于林地,以>1 mm粒级团聚体破坏率的表现最为显著,坡上、坡中和坡中下2~5 mm团聚体破坏率显著高于同坡位其他粒径团聚体。团聚体碳含量和团聚体氮含量分别与团聚体破坏率呈负相关和正相关趋势,但均未达显著水平,而综合指标C/N和ANR,以及单因素铵态氮均与黑土团聚体破坏率呈显著负相关关系;当耕地团聚体破坏率超过40%时,ANR、C/N均处于较低的水平。结论坡耕地与坡林地之间,由于养分归还方式与土壤侵蚀环境的不同,导致土壤团聚体碳氮分布规律与团聚体稳定性的差异。坡地黑土团聚体稳定性受团聚体内部有机碳氮的共同作用,与微生物代谢密切相关的综合性指标C/N和ANR,以及被微生物优先利用的铵态氮对黑土团聚体稳定性的影响较其他指标更为显著,可在微生物活性与团聚体稳定性的关系方面做进一步研究。

English Abstract

曹伟, 李露, 赵鹏志, 夏祥友, 王恩姮. 坡地黑土碳氮分布及其与团聚体稳定性的关系[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(8): 56-63. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170449
引用本文: 曹伟, 李露, 赵鹏志, 夏祥友, 王恩姮. 坡地黑土碳氮分布及其与团聚体稳定性的关系[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(8): 56-63. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170449
Cao Wei, Li Lu, Zhao Pengzhi, Xia Xiangyou, Wang Enheng. Distribution of C and N in black soil and its relationship with aggregate stability in sloping land[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(8): 56-63. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170449
Citation: Cao Wei, Li Lu, Zhao Pengzhi, Xia Xiangyou, Wang Enheng. Distribution of C and N in black soil and its relationship with aggregate stability in sloping land[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(8): 56-63. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170449
  • 土壤团聚体由黏土矿物、有机胶体以及微小土壤颗粒在物理、化学以及微生物的共同作用下而形成,是土壤的基础结构和植物养分的重要载体,其稳定性也是评价土壤结构与功能的重要指标[1]。土壤团聚体中的碳和氮是参与土壤胶体形成的重要物质,外源有机质补充不足或分解加速都会干扰土壤碳氮的协调比进而影响土壤团聚体的形成及其稳定性[2]。除土壤碳氮比(总碳与总氮的比值)外,铵态氮与硝态氮比值(ANR)也是指示土壤碳氮变化和团聚体稳定性的重要指标之一,二者较单因素碳氮含量而言,进一步包含了土壤微生物活性的信息[3-4]。耕作对土壤团聚体稳定性具有显著的影响[5-6],因为长期耕作与施肥可改变土壤团聚体碳氮的转化速率进而影响作物利用土壤养分元素的有效性[7];所以人为扰动程度低的林地、草地等生态系统土壤往往具有更稳定的团聚体结构和碳氮组成[8]。地上植被可对土壤无机氮含量、氮净矿化速率、净硝化速率产生较为显著的影响[9],土壤碳含量及碳矿化速率也可受微立地土壤水热条件以及侵蚀环境的影响,进而间接影响土壤氮矿化和土壤团聚体稳定性[10-11],因此,探究土壤团聚体内部碳氮含量分布规律及其与土壤团聚体稳定性之间的关系对于进一步了解团聚体破坏机制及肥力调控具有重要意义。

    东北黑土区作为我国重要的商品粮生产基地,是世界黑土集中分布区中面积最小、开垦强度最大的区域,土壤侵蚀与水土流失日益严重,有机质含量已从开垦前的100~120 g/kg锐降至40~50 g/kg[12],土壤质量急剧下降。已有研究表明,黑土区耕作过程主要对大于0.25 mm土壤团聚体稳定性产生影响[13-14],且土壤中的有机碳和氮也主要富集在对耕作干扰较为敏感的0.25~5 mm大土壤团聚体上[15-18],大团聚体碳氮含量均高于微团聚体[19]。黑土区农田多为耕地与农田防护林带交错分布,以往学者分别对农田或防护林黑土有机碳氮含量以及土壤团聚体稳定性进行了大量研究[20-21],并未进一步探究土壤团聚体稳定性与其内部碳氮含量与分布的关系。东北黑土区以漫川漫岗地形为特点,坡耕地的坡度虽缓却长,受到降雨与耕作等侵蚀因素的共同影响,不同坡位土壤团聚体的组成及组分均表现出不同特性[22];同时,进一步明确耕地与林地土壤团聚体稳定性的差异机制,对于黑土质量修复和土地生产力提升具有重要的参考价值。

    • 研究地点位于黑龙江省西北部的克山农场(48°12′~48°23′ N、125°08′~125°37′ E),土壤类型以黏化湿润均腐土为主,属典型黑土区。2014年10月,选择克山农场14连队坡型(凸形坡)、坡度(平均2.45°)、坡长(200 m)、坡向(正南)相同,相邻且平行分布的坡耕地(垦龄55±5年;受防护林带阻隔,长和宽分别约为500 m和250 m;前茬作物为玉米(Zea mays),当季2次施肥:底肥约为400 kg/hm2复合肥(N :P :K=1 :1 :0.5);中耕追肥约为150 kg/hm2尿素)、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)人工林(林龄43年,林带长和宽分别约500 m和40 m,林分密度775株/hm2,郁闭度0.5,平均树高13.0 m,平均胸径19.8 cm)作为研究对象。分别在2个样地内沿坡的方向设置3条平行取样线,采用机械分段与自然坡位分段相结合的方法,从上至下依次间隔50 m,将每条样线分为坡上、坡中上、坡中、坡中下、坡下5个坡位,坡度依次为1.46°、1.87°、2.65°、3.10°、3.20°(虽然坡度变化范围较小,但是坡长较长,不同坡位处由于耕作和水蚀的共同作用,侵蚀-沉积特征并非呈线性变化规律[23]);在3条样线各坡位处设置采样点,分别采集0~10 cm土层土样,将相同坡位的3个土样均匀混合作为该坡位的土壤样品(因为坡长较长,坡面特征并非完全线性,所以取平行于主坡方向的3条样线的混合土样表征该坡位,假设在全坡面尺度上,平行于主坡降方向的变化远远大于垂直于主坡降方向的变化),约5 kg带回实验室。

    • 土壤样品室温风干后,采用干筛法[24]对不同样地类型,不同坡位混合土样0.25~5 mm团聚体进行分级,分选并收集2~5 mm、1~2 mm、0.5~1 mm、0.25~0.5 mm 4个粒径土壤团聚体后,分别称取30 g以上4个粒径的团聚体,采用湿筛法[25]进行相同粒径的湿筛(湿筛仪型号为TTF-100,中国浙江省上虞市分析仪器厂生产),湿筛时使用蒸馏水以降低湿筛对土壤碳氮含量的影响,以90次/min频率震荡5 min后收集筛内剩余各粒径土壤团聚体(以2~5 mm土壤团聚体为例,湿筛后依然只收集2~5 mm的土壤水稳定性团聚体),65 ℃烘干后,再置于实验室自然风干(以保证与干筛时含水量一致),称质量后分别计算4个粒径的土壤团聚体破坏率[26];分别测定4个粒径土壤水稳性团聚体的全碳、全氮、硝态氮、铵态氮含量,所有指标测定重复4次。

    • 土壤团聚体破坏率计算公式:

      $$ \mathrm{PAD}=\frac{W_{i}-W_{\mathrm{f}}}{W_{i}} \times 100 \% $$

      式中:Wi是第i粒径土壤风干团聚体质量(g),Wf是第i粒径水稳性团聚体质量(g)。

      全碳使用元素分析仪(vario TOC,德国Elementar)测定;全氮、硝态氮、铵态氮含量使用连续流动分析仪(AA3,德国SEAL)测定。并计算碳氮比(C/N)和铵态氮与硝态氮比值(ANR)[3-4]

    • 采用SPSS 19.0的LSD-t方法分别对不同坡位、不同粒径团聚体、不同土地利用类型各项指标进行单因素方差分析及差异性检验;采用Pearson方法进行土壤团聚体破坏率与其他各指标之间的相关分析(P < 0.05)。

    • 耕地0.5~5 mm各粒径水稳性团聚体总碳含量、C/N均显著低于樟子松人工林地(P < 0.05),而耕地长期施肥使大团聚体内部氮含量保持较高水平,总氮含量除0.25~0.5 mm团聚体外均显著高于林地(P < 0.05)。耕地总碳含量表现为2~5 mm、0.25~0.5 mm团聚体显著高于1~2 mm、0.5~1 mm团聚体,各粒径团聚体总氮含量差异不显著。樟子松人工林地土壤总碳、总氮含量表现出随土壤团聚体粒径减小而增大的一致性规律,其中0.25~0.5 mm团聚体碳含量和2~5 mm团聚体总氮含量分别显著高于和低于其他粒径团聚体(P < 0.05),C/N仅在2~5 mm团聚体中显著高于其他粒径团聚体(表 1)。

      表 1  不同粒径和坡位处水稳性团聚体碳氮含量

      Table 1.  Soil carbon and nitrogen content of water stable-soil aggregates for varied particle sizes and slope positions

      项目Item 耕地Farmland 林地Forestland
      总碳Total C/
      (g·kg-1)
      总氮Total N/
      (g·kg-1)
      C/N 总碳Total C/
      (g·kg-1)
      总氮Total N/
      (g·kg-1)
      C/N
      2~5 mm 25.01Ba 1.95Aa 12.88Bab 40.25Ac 1.19Bb 39.02Aa
      1~2 mm 24.30Bb 1.91Aa 12.79Bb 40.37Ac 1.67Ba 28.84Ab
      0.5~1 mm 24.66Bb 1.93Aa 12.90Bab 46.82Ab 1.58Ba 26.99Ab
      0.25~0.5 mm 25.28Ba 1.92Aa 13.51Ba 54.19Aa 2.01Aa 28.26Ab
      坡上Upper slope 23.66Bc 1.87Ab 12.80Bb 30.46Ad 1.37Bc 23.95Ac
      坡中上Upper to middle slope 23.50Bcd 1.92Aab 12.32Bb 35.94Ac 1.23Bc 32.42Ab
      坡中Middle slope 23.09Bd 1.90Aab 12.18Bb 51.64Ab 2.16Ab 26.01Ac
      坡中下Middle to lower slope 25.15Bb 2.05Aa 12.36Bb 37.28Ac 1.06Bc 42.03Aa
      坡下Lower slope 28.66Ba 1.90Bab 15.44Ba 68.41Aa 2.69Aa 27.95Ac
      注:不同大写字母表示相同粒径或坡位、不同土地利用类型之间差异显著,P < 0.05,n=20;不同小写字母表示相同土地利用类型、不同粒径或粒径之间差异显著,P < 0.05,n=16。表 2同此。Notes: different capital letters represent significant difference within the same row(i.e. the same in particle size or position, but different in land-use type), P < 0.05, n=20; different lowercase letters represent significant difference within the same column (i.e. the same in land-use type, but different in particle size or position), P < 0.05, n=16. The same in Tab. 2.

      从不同坡位的分析发现,依然表现为耕地各粒径总碳含量、C/N均显著低于樟子松人工林地(P < 0.05),同时表现出坡下总碳含量显著高于其他坡位的一致性规律(P < 0.05);总氮含量随坡位的变化无明显规律,在坡上、坡中上、坡中下均表现为耕地显著高于林地(P < 0.05),在坡下表现为林地显著高于耕地(P < 0.05),而在坡中位置二者差异不大(表 1)。

    • 在林地和耕地中铵态氮的含量均显著高于硝态氮含量(表 2),耕地铵态氮含量在各个粒径团聚体中显著低于樟子松人工林地(P < 0.05),除0.5~1 mm土壤团聚体外,耕地硝态氮含量同样显著低于樟子松人工林地(P < 0.05)。耕地和樟子松人工林地均表现出铵态氮含量随土壤团聚体粒径减小而增加的一致性规律,且>1 mm土壤团聚体铵态氮含量显著高于 < 1 mm土壤团聚体(P < 0.05);易淋失的硝态氮均在2~5 mm土壤团聚体内的含量最高,且在樟子松人工林土壤中表现明显(P < 0.05),较为稳定的铵态氮多聚集在 < 1 mm土壤团聚体中。铵态氮与硝态氮比值(ANR)均随土壤团聚体粒径减小而逐渐增大,樟子松人工林地各粒径间的差异更加显著(P < 0.05),且林地各粒径ANR均相应大于耕地。

      表 2  不同粒径和坡位处水稳性团聚体铵态氮与硝态氮含量

      Table 2.  Soil ammonium-N and nitrate-N content of water stable-soil aggregates for varied particle sizes and slope positions

      项目Item 耕地Farmland 林地Forestland
      铵态氮
      Ammonium-N/ (mg·kg-1)
      硝态氮
      Nitrate-N/ (mg·kg-1)
      ANR 铵态氮
      Ammonium-N/ (mg·kg-1)
      硝态氮
      Nitrate-N/ (mg·kg-1)
      ANR
      2~5 mm 27.54Bb 4.08Ba 8.20Ac 41.38Ac 8.84Aa 9.93Ad
      1~2 mm 27.42Bb 3.68Bab 8.72Bbc 40.70Ac 4.77Ab 11.78Ac
      0.5~1 mm 31.18Ba 3.86Aab 9.88Bab 51.25Ab 3.73Bc 17.09Ab
      0.25~0.5 mm 32.19Ba 3.19Bb 11.48Ba 64.84Aa 3.65Ac 20.90Aa
      坡上Upper slope 35.16Aa 4.92Aa 10.47Ba 35.07Ad 2.38Be 15.35Ab
      坡中上Upper to middle slope 25.38Bc 2.92Bc 9.60Babc 65.08Ab 3.98Ab 18.76Aa
      坡中Middle slope 29.95Bb 3.03Bc 10.35Bab 68.72Aa 3.55Ac 19.65Aa
      坡中下Middle to lower slope 32.83Ba 4.21Aab 9.48Babc 52.68Ac 2.85Bd 19.39Aa
      坡下Lower slope 27.41Bc 3.58Bbc 8.33Bc 30.36Ae 12.33Aa 3.49Bc
      注:ANR表示铵态氮与硝态氮的比值。下同。Notes: ANR represents the ratio of ammonium-N to nitrate-N. The same as below.

      坡位对土壤团聚体无机氮的影响与粒径的影响相比更为复杂。耕地团聚体铵态氮在坡中上、坡中、坡中下、坡下显著低于樟子松人工林(P < 0.05),但硝态氮在坡上、坡中下位置显著高于樟子松人工林(P < 0.05),ANR除坡下外也显著低于樟子松人工林。耕地土壤团聚体硝态氮和铵态氮含量均表现出坡上和坡中下含量较高,且铵态氮含量达到显著水平(P < 0.05)。樟子松人工林土壤团聚体硝态氮和铵态氮在不同坡位的含量均存在显著差异(P < 0.05),铵态氮含量从高到低依次为坡中、坡中上、坡中下、坡上、坡下,最高达到68.72 mg/kg,硝态氮含量从高到低依次为坡下、坡中上、坡中、坡中下、坡上。

    • 耕地2~5 mm土壤团聚体破坏率在各坡位均大于50 %,尤其在坡上、坡中和坡中下位置,显著高于其他粒径(P < 0.05)和其他坡位;1~2 mm土壤团聚体破坏率在坡中上最高,其次为坡上和坡下,坡中和坡中下最低; < 1 mm土壤团聚体破坏率在各坡位上差异不大。耕地总体表现为>1 mm团聚体破坏率显著高于<1 mm土壤团聚体破坏率,长期耕作过程显著降低较大粒径土壤团聚体的稳定性。

      林地各粒径和坡位的土壤团聚体破坏率在19.66%~50.79%范围内变化,显著低于耕地(P < 0.05),并表现出与耕地不同的分布规律。2~5 mm土壤团聚体破坏率随着坡位降低显著降低,0.25~0.5 mm土壤团聚体破坏率则随着坡位降低显著增加,而0.5~1 mm和1~2 mm土壤团聚体并未随着坡位表现出明显的单调变化规律。坡上位置土壤团聚体的破坏率随着粒径减小逐渐降低,坡下位置团聚体破坏率随着粒径减小逐渐升高;坡中上和坡中下均随着粒径的减小表现出先减小后增加的趋势,而坡中各粒径土壤团聚体破坏率之间无显著差异。

      图  1  不同粒径和坡位处团聚体破坏率

      Figure 1.  PAD of water stable-soil aggregates for varied particle sizes and slope positions

    • 团聚体破坏率是评价土壤团聚体稳定性的重要指标,除受土地利用类型、坡位、粒径等团聚体外在因素影响,同时受土壤团聚体内部碳氮含量的影响(表 3)。团聚体破坏率虽与有机碳含量和总氮及硝态氮含量分别呈现负相关和正相关趋势但均未达到显著水平,却与综合指标C/N和ANR以及相对稳定且含量相对较高的铵态氮表现出显著的负相关关系(P < 0.05)。

      表 3  团聚体破坏率与团聚体碳氮含量的相关系数(r)

      Table 3.  Correlation coefficient (r) for PAD with aggregate-associated carbon and/or nitrogen content

      项目Item 总碳Total C 总氮Total N C/N 铵态氮Ammonium-N 硝态氮Nitrate-N ANR
      PAD -0.282 0.144 -0.357* -0.386* -0.108 -0.321*
      注:*表示显著相关,P < 0.05,n=20。Notes:* represents significant correlation at P < 0.05 level, n=20.
    • 粒径、坡位、土地利用方式3个因素均可不同程度影响土壤团聚体碳氮分布,但土壤团聚体粒径大小对总氮含量无显著影响(表 4),可能因为黑土团聚体总氮的差异主要体现在 < 0.053 mm土壤微团聚体。 < 0.053 mm土壤团聚体内部总氮含量显著高于>0.053 mm土壤团聚体,且研究显示>0.053 mm土壤团聚体总氮含量之间无明显差异[27]。本研究采用>0.25 mm土壤团聚体作为对象,所以团聚体总氮含量并未在不同粒径之间体现出显著差异,但粒径对土壤团聚体有机碳、有机氮(铵态氮、硝态氮、ANR)的影响却很显著,这符合Six等[28]提出的土壤团聚体周转模型的规律。因为外界植物残体进入土壤后首先形成土壤大团聚体,当大团聚体内颗粒有机质破碎时释放细颗粒有机质,这部分颗粒有机质被黏土及动植物分泌黏液胶结重新形成大团聚体,发育过程中有机碳被消耗,微生物活动终止,土壤团聚体再度破碎成为土壤小团聚体。在这个发育与破坏过程中,土壤大团聚体有机碳以及无机氮(铵态氮、硝态氮、ANR)响应较为敏感。

      表 4  不同处理及其交互作用对土壤团聚体碳氮含量和稳定性的影响(P值)

      Table 4.  Effects of different factors and their interactions on carbon and nitrogen content and stability of aggregates (P value)

      影响因子
      Influencing factor
      总碳
      Total C
      总氮
      Total N
      铵态氮
      Ammonium-N
      硝态氮
      Nitrate-N
      C/N ANR PAD
      J < 0.01 0.283 < 0.01 < 0.01 0.029 < 0.01 < 0.01
      P < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01
      L < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01
      P×J < 0.01 0.140 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01
      P×L < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01
      L×J < 0.01 0.168 < 0.01 < 0.01 0.200 < 0.01 < 0.01
      P×J×L < 0.01 0.229 0.042 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01
      注:J表示粒径,P表示坡位,L表示土地利用类型;×表示交互作用。Notes: J represents particle size, P represents slope position, L represents land-use type, × presents interaction of different factors.

      东北黑土区多为坡长而缓的复合坡,所以各指标的变化并未随着坡位的变化表现出明显的线性变化规律,但土壤团聚体有机碳整体在坡下位置表现为不同程度的富集现象;而土壤团聚体总氮则仅在林地的坡下的含量相对较高,而耕地由于耕作与氮肥的干扰,坡位对团聚体内氮含量的影响规律并不明显。本研究中林地坡上位置的大粒径土壤团聚体破坏率较高,而坡下位置小粒径土壤团聚体破坏率较高,这可能与不同坡位的水分特征有关,葛翠萍等[29]发现坡下位置具有更高的含水量,当土壤含水量大于田间含水量的50%时,氮素成为限制微生物活性的重要因子,无机氮对土壤碳的矿化表现出抑制作用[30],也间接促进了坡下团聚体有机碳的积累。由此可见,坡位对土壤团聚体碳氮分布存在一定的影响。

      土地利用方式主要从两方面影响碳氮分布[10]:一方面,不同植被养分归还模式不同,直接影响土壤有机质周转速率和供给水平;另一方面,土地利用方式不同导致不同的土壤侵蚀环境。林地系统内长期稳定的植被-土壤-营力关系,使其具有较高的碳含量和较强的抗蚀能力,而耕地除受到自然营力外,还受到强烈的耕作侵蚀的影响,在径流过程中土壤小团聚体更易受到影响,而在耕作过程中,土壤大团聚体受到的影响最大[16],在坡耕地曲率最大的坡中位置,2~5 mm土壤大团聚体破坏率最高,也间接印证了耕作侵蚀的存在[23]。林地土壤水稳性团聚体总有机碳的含量和土壤团聚体稳定性均高于耕地,主要是由于耕地内有机质得不到充分补充,土壤团聚体内剩余有机碳被大量消耗,复杂的周转环境使土壤有机胶结物质不易形成或无法维持团聚体的稳定水平[2],施肥措施虽能够快速补充作物所需的养分,但长期施肥条件下总氮含量保持较高水平,造成耕地C/N失调。

    • 土壤团聚体是土壤内部多种化学反应和微生物活动的载体,土壤团聚体的形成和转化过程伴随着土壤团聚体内碳、氮的吸收和矿化,所有导致碳氮比失衡的因素都可能导致团聚体稳定性的下降。土壤中1~10 mm土壤的水稳性团聚体具有良好的孔隙度和通气条件,其内部的土壤团聚体碳氮含量及稳定性等方面要常表现出不同于 < 1 mm土壤团聚体的规律[2]。在本研究中耕地2~5 mm土壤团聚体破坏率均大于50 %,以1~2 mm土壤团聚体为分界, < 1 mm土壤团聚体破坏率较小,与徐文静等[20]的研究结果一致。同时铵态氮在 < 1 mm土壤团聚体中含量更高,有机碳在0.25~0.5 mm土壤团聚体中富集,表明无机氮和总有机碳间共同作用对土壤团聚体稳定性具有较大影响。另外本研究发现,当耕地土壤团聚体破坏率较高时(超过40%),ANR、C/N均处于较低的水平,由此也说明土壤团聚体稳定性并非受单一因素影响,而由多因素的交互作用而决定。向艳文等[13]研究结果显示,在维持碳、氮平衡的条件下增加有机质输入才可有效提高大土壤团聚体稳定性及碳、氮储量,如果通过单纯增加外源有机质并不能提高土壤团聚体稳定性。一般情况下,较低的C/N可影响有机质的腐殖质化进程,且会促进土壤的硝化作用[31],加之微生物优先利用铵态氮[11],进而导致ANR降低。铵态氮和ANR均与土壤团聚体破坏率表现出显著负相关关系,进一步说明,微生物活性越强,土壤团聚体稳定性越强,即通过微生物活动将铵态氮、C/N和ANR关联起来,共同决定土壤团聚体稳定性。

    • 坡耕地与坡林地之间,由于养分归还方式与土壤侵蚀环境的不同,导致不同的土壤团聚体碳氮分布规律。坡林地土壤因仅受降雨径流的影响,土壤团聚体有机碳和总氮均在坡下表现出不同程度的沉积,且在土壤小粒径团聚体中富集;而耕地受水蚀和耕作侵蚀的共同作用,耕地土壤团聚体有机碳含量及C/N显著低于林地,因受施肥影响,团聚体全氮对坡位和粒径变化的响应规律不明显。铵态氮含量在 < 1 mm土壤团聚体中含量较高,硝态氮含量则在>1 mm土壤团聚体中含量较高,且林地铵态氮含量显著高于耕地。综合指标C/N和ANR,以及被微生物优先利用的铵态氮均与土壤团聚体破坏率表现出显著负相关关系,共同决定黑土土壤团聚体稳定性。后续将围绕微生物活性与黑土团聚体稳定性的关系做进一步研究。

参考文献 (31)

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