全 文 ：第 wt卷 第 x期
u s s x年 | 月
林 业 科 学
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退耕造林对土壤氮矿质化的影响
田 昆 岳彩荣
k西南林学院环境科学与工程系 昆明 yxsuuwl
关键词 } 退耕造林 ~氮矿质化 ~氮动态变化
中图分类号 }≥zu ~≥tx{1v 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussxlsx p st{s p sw
收稿日期 }ussv p tu p u| ∀
基金项目 }国家重点基础研究发展计划k|zvl项目kussv≤…wtxtsul !云南省出国留学教育基金 o美国 ˜≥⁄„ !˜≥‘≥ƒ项目资助 ∀
Εφφεχτσ οφ Αφφορεστατιον ον Αβανδονεδ Χροπλανδ ον Σοιλ Νιτρογεν Μινεραλιζατιον
׬¤± Ž∏± ≠∏¨ ≤¤¬µ²±ª
k ∆επαρτµεντ οφ ΕνϖιρονµενταλΣχιενχε ανδ Ενγινεερινγ o Σουτηωεστ Φορεστρψ Χολλεγε Κυνµινγ yxsuuwl
Αβστραχτ } ≥²¬¯¶¤°³¯ ¶¨¤µ¦«¬√¨ §²√¨ µ©²∏µ§¨¦¤§¨¶º¨ µ¨ ∏¶¨§¬±¤±¬±¦∏¥¤·¬²± ¬¨³¨µ¬°¨ ±··² °¨ ¤¶∏µ¨·«¨ ©¨©¨¦·¶²©µ¨©²µ¨¶·¤·¬²±
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Κεψ ωορδσ} ¦²±µ¨µ¶¬²± ²©¦µ²³¯¤±§·²©²µ¨¶·~‘p°¬±¨ µ¤¯¬½¤·¬²±~±¬·µ²ª¨± §¼±¤°¬¦¶
土壤中供林木吸收利用的氮元素主要来自于微生物对有机质的分解 o其矿化率常常是林木生长的主要
限制因素k• ¬¨¦« ετ αλqot||zl ∀矿化氮含量常作为土壤供氮能力的一项重要指标k≤¤°³¥¨¯¯ ετ αλqot||xl o由
于缺乏田间条件下测定矿化率的有效方法 o矿化率和其他生物化学过程间关系的确定受到制约 o因此 o一直
以实验室培养来模仿田间氮矿质化过程 o好气性培养法k≥·¤±©²µ§ ετ αλqot|zu ~…²±§¨ ετ αλqot|{z ~¤¬°²±¨ ετ
αλqot||t ~²·¤√¤¯ ¬¯ετ αλqot||xl是广泛采用的方法 o但缺乏对土壤中氮动态变化的长期研究k•¬¦«·¨µετ αλqo
t||w¤~¨¬ª« ετ αλqot||w ~•¬¦«·¨µετ αλqot||w¥l o尤其缺乏退耕造林后林木生长对土壤氮营养持续利用影响
的研究 o通过对美国卡尔洪k≤¤¯«²∏±l退耕林地长达 vx年定位采集的土壤样品的氮矿质化研究 o分析氮含量
长期变化 o较为客观地反映农业施肥 !生物积累和森林地被对退耕造林地氮营养的影响 o为我国森林资源的
可持续利用提供参考 ∀
t 试验地概况
试验地位于美国南卡罗来纳州的卡尔洪林地kvw1xβ‘o{uβ ∞l o属温暖湿润的大陆性气候 o夏季漫长炎热 o
冬季短而温凉 o年均降雨量 t uxs °° o年均蒸发量 {{s °° ous ¦°土层的年土壤温度 x ∗ ux ε o土壤为山麓花
岗片麻岩发育形成的老成土k•¬¦«·¨µετ αλqot||tl o表层土属砂壤土 o深层土为粘壤土 ∀该林地原为种植农作
物k小麦l的农业用地 o施氮水平达 vss ®ª#«°puk•¬¦«·¨µετ αλqousssl ∀t|xz年冬季在退耕后休闲了近 u年的
u块相邻农地上以火炬松k Πινυσταεδαl苗按 y ° ≅ y ° !{ ° ≅ { ° !ts ° ≅ ts ° !tu ° ≅ tu °四种不同株行距同
年造林 ∀
2 研究方法
u1t 试验地确定与样品采集 从上述火炬松林地中选取 w块试验地建立永久定位监测点 o且每一块试验地
均含有上述 w种株行距的试验小区 ∀在造林后的 ws年中于 t|yu !t|y{ !t|zz !t|{u !t||s !t||z年冬季分别在
每一试验小区内 o对 w种株行距以 u ¦°内径取土器分别分层取 us个土样 o按 s ∗ z1x !z1x ∗ tx !tx ∗ vx !vx ∗
ys ¦°分层后混合 o所有土样风干并过 u °°孔筛 o然后取部分土样过 s1ux °°孔筛 o室温储藏于美国杜克大
学森林土壤实验室的有盖玻璃瓶中 ∀
u1u 实验室培养 由于试验地土层深厚 os ∗ vx ¦°土层内的土壤样品间养分变化较小k•¬¦«·¨µ ετ αλqo
usssl o加之 z1x ∗ tx !tx ∗ vx ¦°土层的储藏样品较少 o因此选取 s ∗ z1x ¦°土层作为表层土壤 ovx ∗ ys ¦°土
层作为深层土壤样品 o分别取造林后林龄 x !tt !us !ux !vv !ws年 y个不同时段每一试验小区不同密度 s ∗ z1x
¦°和 vx ∗ ys ¦°的土壤样品各 u ª置于 xs °塑料离心管中 o按土壤质地k…µ¤§¼ ετ αλqot|||l以蒸馏水把样
品带至田间持水量 o拧紧盖子 o盖子顶部以 us ¦°长 o外径 u ¦°的塑料软管连接至另一盛有 xs °蒸馏水的
相同塑料离心管中 o以使放置土样的培养管在培养过程中始终保持湿度 o避免土壤干燥和土壤水分挥发凝
结 o另外 o用塑料泡沫包被每一只管子以保持培养过程中的温度 ∀把以上准备好的盛有土壤样品的培养装置
置于 vs ε 培养箱中培养 vs §o并通过盛土培养管的重量变化 o添加蒸馏水保持培养土样的田间持水量 ∀培
养结束后 o以 us°ou°²¯ #pt Ž≤¯ 浸提剂kŽ¨ ±¨¨ ¼ ετ αλqot|{ul直接加入盛土培养管中 o振荡 t 小时 o以
• «¤·°¤± wu滤纸过滤 o滤液于 w{小时内用自动比色计测定 ‘‹w n p ‘和 ‘’v p p ‘∀另取上述不同林龄 !不同
密度林分 !不同土层的储藏样品 o以 „∏·² „±¤¯¼½¨ µ分析土壤全氮 ∀
3 结果分析
v1t 退耕造林后的土壤全氮含量变化 林木 ws年的生长过程中 os ∗ z1x ¦°土层的全氮含量从造林第 x年
时的 vst1s °ª#®ªpt迅速下降 o至第 tt年时降至 uvs1s °ª#®ªpt o第 us年时降至 ust1| °ª#®ªpt o第 ux年时降
至 t|u1s °ª#®ªpt o第 vv年时降至 tz{1s °ª#®ªpt o之后开始回升 o逐渐增至第 ws年时的 us|1s °ª#®ªpt o这一
现象与造林后的微生物类群发生变化 !数量增加对土壤中积累的 ‘的分解加速 o以及林木生长过程中对氮
营养的不断吸收有关 ~随着生长速度的减缓 o森林中大量凋落物经土壤微生物分解而使土壤中的 ‘开始积
累 ∀vx ∗ ys ¦°深层土壤的全 ‘含量较表层高 o林龄第 x年时采集的土样测定值高达 wss °ª#®ªpt o表明了造
林前农业施肥不仅影响表层土壤 o而且影响深层土壤 o这一结果与多数研究结果不同 o原因不十分清楚 o可能
与长期农业栽培的大量施肥有关 ∀深层土壤的全 ‘含量虽较表层积累得多 o但伴随着林木生长 o也呈现出
与表层土壤相同的下降和增加趋势 o见图 t ∀
kρu € s q|zx xl
图 t 退耕造林 ws年的土壤全氮动态变化
ƒ¬ªqt ײ·¤¯ ±¬·µ²ª¨ ± §¼±¤°¬¦¶¬± ≤¤¯«²∏± ¶²¬¯¶²√ µ¨
©²∏µ§¨¦¤§¨¶²©©²µ¨¶·ªµ²º·«
图 u 退耕造林地上 ws年的生物氮积累
ƒ¬ªqu „¦¦∏°∏¯¤·¬²± ²©‘¬±·µ¨¨¥¬²°¤¶¶
²©·«¨ ≤¤¯«²∏± ¬¨³¨µ¬° ±¨·©²µ¨¶·
对与土壤样品同步采集的林木不同部位器官样品进行分析 o得到的生物有机 ‘含量显示 }造林后土壤
全氮含量下降最为显著的第 tt年 o也是生物氮积累最为迅速的阶段 o之后 o伴随着土壤全氮含量的下降 o林
木迅速生长 !氮不断积累 o林龄 vx年时积累的氮达最大值 o之后保持稳定或略有减少 o见图 u o这一结果与土
壤全 ‘含量的变化呈明显负相关 o见表 t ∀
t{t 第 x期 田 昆等 }退耕造林对土壤氮矿质化的影响
表 1 卡尔洪退耕造林地的土壤全氮与生物有机氮的相关系数 ≠
Ταβ . 1 Χορρελατιον χοεφφιχιεντ βετωεεν τοταλ Ν ανδ βιοµ ασσ Ν ιν Χαληουν εξπεριµεντ φορεστ
土 层
≥²¬¯ ¤¯¼¨ µΠ¦°
叶
ƒ²¯¬¤ª¨
枝 条
…µ¤±¦«¨¶
茎 干
≥·¨°¶
细 根
ƒ¬±¨ µ²²·¶
侧 根
¤·¨µ¤¯ µ²²·¶
主 根
פ³µ²²·¶
s ∗ z1x p s1{|t 3 p s1{zx 3 p s1{w{ 3 p s1{zv 3 p s1{u{33 p s1{|{33
vx ∗ ys p s1|z| 3 p s1|zw 3 p s1|xx 3 p s1|yz 3 p s1|wt33 p s1|zw33
≠ 33 s1sx水平上差异显著 ≥¬ª±¬©¬¦¤±¦¨ ²± s1sx ¯¨ √¨ ¯~33 s1st水平上差异显著 ≥¬ª±¬©¬¦¤±¦¨ ²± s1st ¯¨ √¨¯ q
υ铵态氮 ‘‹w n p ‘s ∗ z1x ¦°
τ 铵态氮 ‘‹w n p ‘vx ∗ ys ¦°
π硝态氮 ‘’v p p ‘s ∗ z1x ¦°
ο硝态氮 ‘’v p p ‘vx ∗ ys ¦°
图 v 退耕造林 ws年的土壤 ‘‹w n p ‘和
‘’v p p ‘的动态变化
ƒ¬ªqv ‘‹w n p ‘¤±§‘’v p p ‘§¼±¤°¬¦¶¬±
≤¤¯«²∏± ¶²¬¯¶²√¨ µ©²∏µ§¨¦¤§¨¶²©©²µ¨¶·ªµ²º·«
v1u 退耕造林后的土壤 ‘‹w n p ‘含量和 ‘’v p p ‘含量变化 造
林后 x年时 os ∗ z1x ¦°表层土壤的 ‘‹w n p ‘含量为 ux1vs °ª#
®ªpt o并随树龄的增长而迅速下降 o林龄 us年时降至 w1ts °ª#®ªpt
的最低值 o之后 o这种下降趋势逐渐减缓并开始回升 ovv年时土壤
中的 ‘‹w n p ‘含量已接近林龄 x年时的 xs h ∀vx ∗ ys ¦°深层土
壤的 ‘‹w n p ‘含量在造林后的第 x年时仅为 {1ts °ª#®ªpt o约为表
层土的 tΠv o并呈现出与表层土壤 ‘‹w n p ‘一致的变化趋势 o在林
龄 us年时降至 v1ts °ª#®ªpt的最低值 ∀表层土壤的 ‘’v p p ‘含量
在造林后的前 us年呈增加趋势 ous年后则呈下降趋势 o并在林龄
ux年时 o迅速降低 o之后 o这种下降趋势减缓 o并与 ‘‹w n p ‘一样逐
渐增加 o树龄 vv年和 ws年时分别增加了 xs h和 tss h o深层土壤
的 ‘’v p p ‘含量在造林后的前 vv年呈下降趋势 o且下降的最大值
出现在林龄 vv年时 o下降达 tss h o林龄 ws年时 ‘’v p p ‘含量则增
加 o增加幅度达 tux h o见图 v ∀
表 2 卡尔洪退耕地造林 40 年来的土壤矿质化氮
Ταβ . 2 Νετ µινεραλιζεδ Ν ιν Χαληουν σοιλσ αφτερ 30 δαψσινχυβατιον
取样深度
⁄¨ ³·«Π¦°
试验小区
…¯²¦®
矿质氮 ¬±¨ µ¤¯¬½¤¥¯¨‘Πk°ª#®ªptl
t|yu t|y{ t|zz t|{u t||s t||z
s ∗ z1x y ° ≅ y ° uw1v{ w1z{ w1|z y1vx ts1|z tu1ux
s ∗ z1x { ° ≅ { ° uv1w| x1z| v1|| x1{w tv1yv tu1ww
s ∗ z1x ts ° ≅ ts ° u|1|z v1|y x1{y u1{z ) tu1{t
s ∗ z1x tu ° ≅ tu ° uw1xy w1yz v1x{ y1xw ) tz1vs
平均  ¤¨± ux1ys w1{s w1ys x1ws tu1vs tv1zs
标准差 ≥·§§¨√¬¤·¬²± u1|x s1zx t1su t1zt t1{{ u1wt
变异系数 Χςh tt1xw tx1xt uu1tz vt1yz tx1vz tz1x|
下降率 ⁄¨ ³¯ ·¨¬²±Πh ) p {t p {u p z| p xu p wz
vx ∗ ys y ° ≅ y ° {1tz ) w1uz s1ww w1uy z1wy
vx ∗ ys { ° ≅ { ° z1|t ) v1tt s1vx w1|w z1tt
vx ∗ ys ts ° ≅ ts ° |1sx ) u1ys s1uz ) {1st
vx ∗ ys tu ° ≅ tu ° {1{z ) u1wu s1wy ) z1su
平均  ¤¨± {1xs ) v1ts v1{s w1ys z1ws
标准差 ≥·§§¨√¬¤·¬²± s1xx ) s1{v s1s| s1w{ s1wx
变异系数 Χςh y1wz ) uy1zz u1vz ts1wv y1s{
下降率 ⁄¨ ³¯ ·¨¬²±Πh ) p yw p xx p wy p tv
v1v 退耕造林后的土壤矿质态 ‘含量变化 林龄 x年时 os ∗ z1x
¦°表层土壤的矿质 ‘含量最高 o平均达 ux1ys °ª#®ªpt k Χς €
tt1xw h l o如此高含量的矿质氮与造林前的农业施肥有关k•¬¦«·¨µετ αλqousssl ∀由于林木前期的旺盛生长 o
大量消耗土壤的有效 ‘o矿质 ‘含量迅速下降 o在造林后第 tt年时降低了 {t h k Χς€ tx1xt h l o之后 o近 ts
年的生长过程中 o土壤矿质氮含量基本保持稳定 o到林龄 us年时仅比第 ts年减少了 t h k Χς€ uu1tz h l o随
后 o矿质 ‘含量开始回升 o林龄 ux年时较造林后下降最低的第 us年增加了 tz1v| h o林龄 vv年时土壤中的
矿质氮含量已恢复到造林初期k林龄 x年l的 w{ h ows年时则增至 xv h ∀造林 ux年后 o矿质 ‘增加的含量虽
u{t 林 业 科 学 wt卷
仅为造林初期的一半 o但表明了林木郁闭和森林环境改善对土壤肥力的恢复作用 ∀土壤矿质氮的这种增减
变化与土壤全氮含量变化高度相关k相关系数 s1|uzl o但与全 ‘不同的是 o土壤中有效 ‘主要集中在土壤表
层 ovx ∗ ys ¦°深层土壤的矿质 ‘含量较低 o造林初期第 x年时也仅为 {1xs °ª#®ªpt o表明土壤氮矿质化主要
发生在表层 o见表 u ∀
4 结论与讨论
在控制温度和湿度的条件下培养得到的矿化氮结果 o虽然难于准确反映田间条件下的矿化氮状况 o然
而 o造林 ws年的矿质氮实验结果所表明的增减变化 o对森林可持续经营管理有较大参考价值 o且 ws年的长
期定位研究表明 o植株密度对土壤氮营养的变化影响不大 o不同年份 w种林分密度的矿质氮含量相差不大 o
测定值间的变异系数较小k表 ul ∀
退耕造林 x年后卡尔洪林地林木 vx年的生长过程中 o所有试验小区的表层和深层土壤矿质氮均减少并
显著相关k π  s1sstl os ∗ z1x ¦°表层土壤的矿质氮含量减少了近 wz1s h ovx ∗ ys ¦°深层土壤减少了
tv1s h o并在林木生长的头 us年下降最为显著 ous年后卡尔洪林地土壤氮含量下降趋势减缓并逐渐回升 o表
明退耕造林形成的森林环境及其产生的枯枝落叶层已成为土壤营养的重要来源 o森林生态系统自身已处于
可持续循环的良性状态 ∀
林木生长过程中 o尤其是林木生长早期对土壤氮的吸收积累较为迅速 o无疑 o造林前耕地中施入的氮对
树木早期生长有重要作用 ~该研究虽然缺乏造林前土壤样品的分析 o•¬¦«·¨µ等人kusssl对卡尔洪相似条件下
现存农业用地的氮含量水平分析结果与林龄 x年时的分析结果接近 o可以认为造林后 x年时的幼苗对土壤
‘含量影响较小 o所取土壤样品的分析结果基本能代表和反映农业土壤氮营养水平 o可作为退耕后造林地土
壤 ‘动态变化参照 ∀
虽然对 s ∗ z1x ¦°和 vx ∗ ys ¦°土层土壤的研究较好地说明了表层土与深层土的 ‘矿质化过程 o但仍需
对 z1x ∗ tx ¦°和 tx ∗ vx ¦°土层土壤 ‘的矿质化进一步进行研究 ∀
参 考 文 献
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²·¤√¤¯ ¬¯° ° oƒµ¨¼ ≥ ⁄o≥¦²·‘„ qt||x1∞©©¨¦·¶²©©¬¯·¨µ·¼³¨ ¤±§ ¬¨·µ¤¦·¬²± ©¨©¬¦¬¨±¦¼ ²± ±¬·µ²ª¨ ± °¬±¨ µ¤¯¬½¤·¬²± °¨ ¤¶∏µ¨°¨ ±·¶∏¶¬±ª·«¨ ¤¨µ²¥¬¦¯¨ ¤¦«¬±ª¶²¬¯
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v{t 第 x期 田 昆等 }退耕造林对土壤氮矿质化的影响