黄土丘陵区沙棘林恢复过程土壤可溶性有机氮含量变化及其吸附特性研究

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土壤可溶性有机氮(Soluble Organic Nitrogen,SON)可以被植物直接吸收利用,对森林土壤发育和生物生产力有着重要意义。由于SON具有较强的流动性,容易发生淋溶损失和径流迁移,从而造成土壤有效氮的损失,土壤SON对揭示氮素的流失过程与机制有重要意义,成为森林土壤氮循环研究的热点。本研究在陕北黄土丘陵区选取5年(5a)沙棘、15年(15 a)沙棘、20年(20 a)沙棘三种植被恢复样地,并以草地作为对照样地,研究黄土丘陵区沙棘林土壤SON随不同恢复年限、季节变化、坡位、土层深度的变化规律,以及SON和其他理化性质的相关性,从而揭示人工林SON随着退耕年限的变化规律及驱动因子。同时通过室内吸附试验研究土壤SON的吸附特性,以探讨不同人工林地土壤SON迁移规律,以及植被恢复过程中土壤SON的吸附能力变化,为评价SON的环境效应提供依据。本研究得到以下主要结论:(1)黄土丘陵区沙棘林0-30 cm土层SON含量随着植被恢复年限的增加先降低后升高(p<0.05),各样地SON平均含量大小关系为20 a沙棘林(88.48 mg kg-1)>15 a沙棘林(56.06 mg kg-1)>5 a沙棘林(43.55 mg kg-1)>草地(48.31 mg kg-1);相比于草地,20 a沙棘林SON含量增加了93.94%,15 a沙棘林SON含量增加了14.92%,5 a沙棘林SON含量降低了9.85%。不同坡位对SON含量影响显著,大小关系为坡中>坡下>坡上。土壤SON含量占可溶性总氮(Total Organic Nitrogen,TSN)含量平均为77.91%,SON是TSN的主要组成部分。各样地同一土层SON含量均随季节变化显著,呈现先下降后上升的趋势,春季含量最高,夏季含量最低,秋冬季含量逐渐增加,冬季含量接近春季。0-30 cm土层中,土壤SON含量随土层深度的增加而显著降低。(2)黄土丘陵区沙棘林0-30 cm土层土壤养分状况随着植被恢复显著改善。与草地相比,不同年限沙棘林土壤养分提高比例分别为:有机质(29.35%-103.7%)、硝态氮(43.15%-193.13%)、铵态氮(24.35%-127.51%)、碱解氮(36.17%-301.98%)、有效磷(41.65%-99%)、电导率(38.1%-8.83%)、含水率(6.8%-18.15%)、脲酶活性(60.37%-185.9%)、蔗糖酶活性(38.16%-103.55%);而土壤有效钾,pH和过氧化氢酶活性分别降低5.18-23.6%、2.3%-4.2%和28.57%-33.3%。不同植被恢复类型下,土壤理化性质和酶活性随季节变化显著。土壤有机质随季节变化先上升(3-6月份),后下降(6-9月份),再上升(9-12月份);土壤含水率、脲酶随季节变化先下降(3-6月份),后上升(6-9月份),再下降(9-12月份);碱解氮、有效钾、有效磷含量、pH、电导率以及蔗糖酶活性均随季节变化呈现“V”型的变化趋势;过氧化氢酶随季节变化呈现倒“V”的变化趋势。不同坡位对各项指标影响显著,含水率、电导率、有机质、碱解氮、有效磷、脲酶、蔗糖酶的大小关系均为:坡下>坡上>坡中;pH值的大小关系为:坡中>坡上>坡下;有效钾的大小关系为:坡上>坡下>坡中。各植被类型下土壤养分随土层深度增加变化显著。0-10 cm土层土壤SON、硝态氮、有机质、碱解氮、有效钾、电导率、脲酶、蔗糖酶活性显著高于10-30 cm土层;0-10 cm土层土壤有效磷、pH、含水率、过氧化氢酶含量(活性)显著低于10-30 cm土层。(3)相关性分析表明,黄土丘陵区沙棘林土壤SON含量受到多种因素的共同影响。土壤SON和TSN、含水率、有机质、碱解氮、有效钾、脲酶均显著正相关,与pH、有效磷、蔗糖酶显著负相关。(4)黄土丘陵区沙棘林10-20 cm土层土壤SON的吸附能力随着植被恢复年限增加而增大。20 a沙棘林的吸附能力最强,草地的吸附能力最弱。SON的吸附量随着外源SON添加量的增加而增大,但其吸附率随着外源SON的添加量的增大,呈现先上升后下降的趋势。植被恢复可以增加土壤对SON的吸附能力,有效阻止土壤氮流失,但不同植被类型下土壤对SON的吸附仍处于较低水平,对土壤SON的吸附规律和影响因子仍需进一步研究。
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