地表覆被等环境条件对黔西北土壤有机氮组分的影响

李仰征, 李兰, 王小二, 曹熙, 彭建宇, 薛晓辉, 游萍

(贵州工程应用技术学院生态工程学院， 贵州 毕节 551700)

氮素是环境中广泛存在的元素，其参与地球各圈层的物质循环和能量流动。其中有机氮是土壤矿质氮的库源，在全氮中占有绝大部分比例且对氮的有效性亦有重要影响，因此该领域受到国内外的广泛关注[1-4]。我国云贵高原地区岩溶地貌发育良好且人为干扰强烈，致使石漠化面积广布、生态环境异常脆弱[5]。近些年生态恢复措施取得了显著成效，如贵州省在“十二五”期间森林覆盖率已达50%，已初步构建了长江和珠江上游的局域生态屏障。但是，与森林生态系统密切相关的土壤环境领域的基础研究还十分薄弱。关于西南地域土壤有机氮的研究报道较少，如韦至激等[6]研究发现，不同灌溉模式和施氮量对广西自治区南宁市的有机氮组分影响存在明显差异。罗益等[7]在贵州省天柱县烟叶产区发现，虽然不同类型植烟土壤中的有机氮含量差异较大，但其大小关系十分稳定，均是酸解氨基酸态氮含量最大，酸解氨基糖态氮最少，而酸解氨态氮居中。此外，张名豪等[8]对比了重庆市北碚区某农场紫色土在不同有机物料施加条件下氮的矿化效果，发现氮的矿化量与有机物料中的酸解铵态氮和酸解氨基酸态氮呈显著相关关系。由此可见，前人涉及有机氮的研究多集中在耕作土壤领域，尤以有机氮组分评价[9]和肥料施加累积效应研究居多[3,10-14]。而关于地表覆被等环境要素对土壤各有机氮组分影响的研究还相对匮乏[15-18]，以云贵高原等较高海拔区域为研究样地，兼论水热环境条件对有机氮组分影响的研究还未见报道。因此，本研究尝试与其他地貌差异明显地域的研究结果进行对比，揭示地表覆被、农业活动、积温等环境条件对土壤有机氮组分的影响。本研究结果即可丰富土壤有机氮基础研究理论，又可为云贵高原生态环境保护提供一定的借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

毕节市位于贵州省西部偏北，为滇东高原向黔中山原过渡地带，出露地层以二叠纪和三叠纪的灰岩、砂页岩为主。采样点位于毕节市七星关区，属亚热带高原季风气候，岩溶地貌发育良好，土壤以黄壤、黄棕壤为主。平均海拔约1 500 m、年均温12.8 ℃、日照时长1 377 h、降雨量950 mm[19]。选择地表覆被差异明显的林灌地(LT)、旱耕地(YJ)、灌草地(YH)和撂荒地(CJ)共4类样地。样地空间毗邻，彼此间距低于1 km，样地详细信息见表1。

表1 样地地理坐标、覆被条件及土壤理化性质 Table 1 Geographical coordinate, vegetation cover conditions and soil properties of sampling sites

1.2 样品采集与指标检测

于2015年12月进行梅花布点，使用土钻由表至下分层依次采样，同样地同深度土样混匀后去除砾石、根茎等，四分法保留土样并自然风干。由于当地石漠化发育程度不同，导致基岩上的覆土厚度不一，深层多点平行采样困难，为便于互相比较各样地只取4个深度的土壤，分别为0～5 cm、5～15 cm、15～25 cm和25～35 cm。土壤全氮含量、有机氮含量、速效磷含量、有机质含量、容重和酸碱度分别采用半微量凯氏法、酸解蒸馏法、钼锑抗比色法、重铬酸钾外加热法、环刀法和玻璃电极法测得，均参照土壤农业化学分析方法[20]，每个处理3次重复。其中，有机氮含量使用6 mol·L-1的HCL水解法，释放被土壤黏土矿物和有机胶体吸附的氮素，取水解物采用混合催化法测得酸解总氮(acidolysable total N, ATN)、氧化镁蒸馏法测得酸解氨态氮(ammoia N, AN)、磷酸钠-硼砂缓冲液法测得酸解氨态氮和氨基糖态氮(amino sugar N, ASN)、茚三酮蒸馏法测得酸解氨基酸态氮(amino acid N, AAN)，再使用差减法计算非酸解态氮(non-acidolysable N, NAN)、酸解氨基糖态氮和未知态氮(unknown N, UN)，均参照鲁如坤[20]方法。计算公式如下。

NAN=TN-ATN

ASN=AASN-AN

UN=ATN-AASN-AAN

式中，TN表示土壤全氮(total N)含量、AASN表示酸解氨态氮和氨基糖态氮之和(amino acid N and amino sugar N)。

1.3 数据处理与分析

使用Microsoft Excel 2003进行数据处理与分析，采用SPSS 17.0进行相关分析与方差分析，使用CorelDRAW12进行作图。

2 结果与分析

2.1 土壤剖面全氮、酸解总氮和非酸解氮的分布特征

不同覆被类型土壤剖面的全氮含量结果见图1，YJ样地0～5 cm土层的全氮含量最高，为1.950 g·kg-1，显著高于所有样地各土层的全氮含量；LT样地0～5 cm土层的全氮含量也达到1.733 g·kg-1；CJ和YH样地的全氮含量均较低，二者间没有显著差异，CJ样地的全氮含量低，可能是因为被撂荒导致氮素返还少，其剖面对应的有机质含量是4类样地的最低值(表1)，也是营养物质返还少在碳素上的反映。不同覆被类型样地5～15、15～25和25～35 cm土层的全氮含量差异与0～5 cm土层基本类似，除了YH的15～25和25～35 cm土层的全氮含量显著高于CJ样地的相应土层。同一样地不同土层中，LT、YJ、CJ样地均表现为随着土层的加深全氮含量逐渐减少，而YH样地的全氮含量随着土层加深表现为逐渐增加趋势。

4种覆被类型的土壤剖面酸解总氮含量结果(图1)显示，随土层的加深土壤酸解总氮含量均表现出下降趋势，CJ样地的底层和表层土壤的酸解总氮含量下降幅度最大，25～35 cm土层较0～5 cm土层显著下降42.21%(P<0.05)。底层和表层土壤的酸解总氮含量下降幅度最小的为YH样地，25～35 cm土层较0～5 cm土层显著下降18.97%(P<0.05)。此外，LT样地的15～25和 25～35 cm土层的土壤酸解总氮含量较0～5 和5～15 cm土层显著下降，而0～5 和5～15 cm土层、15～25和 25～35 cm土层间无显著差异(P>0.05)。YJ和YH样地中，5～15、15～25和 25～35 cm土层的土壤酸解总氮含量均较0～5 cm土层显著下降(P<0.05)，而5～15、15～25和 25～35 cm土层之间无显著差异(P>0.05)。不同样地同一土层的酸解总氮含量整体表现为LT和YJ样地高于CJ和YH样地。此外，CJ的15～25和 25～35 cm土层的土壤酸解总氮含量显著低于YH的相应土层。其中，LT和CJ样地0～5 cm土层的酸解总氮含量差值最大，LT样地较CJ样地显著高出0.466 g·kg-1。相关性分析显示，除YH样地以外，其他样地剖面酸解总氮与对应的全氮含量表现出显著正相关关系(r=0.707，P<0.01)。

不同覆被类型的非酸解氮含量结果(图1)显示，除CJ样地以外，所有土壤剖面不同土层的非酸解氮含量和全氮含量变化趋势整体上较为接近，两者相关系数为0.678(P<0.01)，达极显著水平。且不同覆被类型差异明显，YJ样地不同土层的非酸解氮含量均值最高，为0.543 g·kg-1，CJ样地的均值最小，为0.185 g·kg-1，仅为YJ样地均值的34.08%。同一样地不同土层的非酸解氮含量，表现为LT和YJ样地随土层深度的加深含量逐渐下降；而CJ与YH样地随土层深度加深反而逐渐上升，尤以YH样地最为显著，25～35 cm土层的非酸解氮含量较0～5 cm土层含量显著增加5.46倍，且YH样地的25～35 cm土层与YJ样地同深度的非酸解氮含量无显著差异(P>0.05)，这与其在全氮含量的差异模式上类似(图1)。这可能是由于该样地在2010年之前为农业用地，后覆土平地和植树种草改建为休憩绿地，从而导致原有高氮含量的农业土壤被直接压盖所致。同一土层不同样地的非酸解总氮的差异较大，其中YJ和YH样地的0～5 cm土层之间差异最大，YJ样地较YH样地显著高0.772 g·kg-1。

注：不同英文字母表示同一土层不同地表覆被间差异在P<0.05水平具有统计学意义，不同希腊字母表示同一地表覆被不同土层间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different English letters of the same soil depth indicate significant difference between different surface cover at P<0.05 level, different Greek letters of the same surface cover indicate significant difference between different soil depths at P<0.05 level.图1 不同地表覆被的土壤剖面全氮、酸解总氮和非酸解氮含量Fig.1 Contents of total N, acidolysable total N and non-acidolysable N in soils with different vegetation covers

不同景观(土地利用类型)的样地差异在地表直接体现为覆被的迥异。覆被和土层深度都会对各形态氮含量产生影响。因此，若要综合评判地表覆被对土壤各形态氮的影响就需要采用双因素方差分析法，分析结果显示，地表覆被对土壤剖面全氮(F=5.315*，P=0.022)和非酸解氮(F=4.359*，P=0.037)含量的影响均达到显著水平，而对酸解总氮的影响并不显著(F=1.846，P=0.209)。土层深度对全氮(F=0.645，P=0.547)、酸解总氮(F=2.164，P=0.171)和非酸解总氮(F=0.194，P=0.827)的影响，均未达到显著水平。

2.2 土壤剖面酸解各形态氮组分及分布特征

不同样地的土壤剖面酸解各形态氮组分含量结果见图2。可见，酸解氨态氮在LT、YJ和YH剖面呈现出一定的表聚性。最大值出现在YJ样地0～5 cm土层，为0.294 g·kg-1，显著高于其他样地。而其15～25和25～35 cm土层的酸解氨态氮含量却显著低于其他3个样地。同一样地随着土层深度的加深土壤酸解氨态氮含量整体呈下降趋势，除CJ样地的不同土层间没有显著变化。YJ样地的表层和底层的酸解氨态氮含量差异最大，25～35 cm土层较0～5 cm土层显著下降了27.70%。不同样地同一土层的酸解氨态氮含量整体差异不大，尤其是表层以下的3个土层。

LT、YJ、CJ和YH 4个样地各土层的酸解氨基酸态氮均值分别为0.401、0.385、0.253和0.250 g·kg-1。LT、YJ和CJ 3个样地的土壤酸解氨基酸态氮含量随着土层深度的增加，整体上均呈逐渐下降趋势，而YH样地的土壤酸解氨基酸态氮含量在不同土层间没有显著差异。同一土层不同样地间，整体呈现LT、YJ样地的土壤酸解氨基酸态氮含量显著高于CJ和YH样地；0～5和5～15 cm土层的CJ样地土壤酸解氨基酸态氮含量显著高于YH样地(P<0.05)，而15～25和25～35 cm土层的YH样地的土壤酸解氨基酸态氮含量显著高于CJ样地(P<0.05)。相关分析发现，各土层酸解氨基酸态氮与有机质呈显著相关关系(r=0.532，P<0.05)。

不同样地的酸解氨基糖态氮含量结果显示，LT、CJ和YH 3个样地的同一样地不同土层间整体呈现下降趋势，而YJ样地的酸解氨基糖态氮含量在4个土层间没有显著差异。YJ样地的土壤酸解氨基糖态氮含量与其他3个样地差异较大，显著低于其他3个样地，其含量仅为其他样地均值的18.57%。而其表层的酸解氨基糖态氮含量还低于5～10和15～25 cm土层，但未达到显著差异水平。而此现象在其他样地中没有出现。这表明农业生产活动可能会对土壤酸解氨基糖态氮造成较大影响。

酸解未知态氮是指酸解过程中未被鉴定出的含氮化合物，主要包括未知态的杂环态氮和部分腐殖质释放的产物。随着土层深度的增加，同一样地的酸解未知态氮含量整体呈现下降趋势，而YH的25～35 cm土层的酸解未知态氮含量较15～25 cm土层显著上升。LT和YJ样地的土壤酸解未知态氮含量均值较高，分别为0.264和0.253 g·kg-1，均显著高于YH和CJ样地。这一变化特点和土壤酸解氨基酸态氮含量的大小关系一致，表明生物返还对酸解氨基酸态氮和未知态氮含量均会产生重要影响。

双因素方差分析显示，地表覆被对土壤酸解氨态氮的影响达到显著水平(F=7.667*，P=0.008)，而对酸解氨基糖态氮(F=2.033，P=0.180)、酸解氨基酸态氮(F=1.996，P=0.185)和酸解未知态氮的影响(F=1.568，P=0.264)均不显著。而土层深度对酸解氨态氮(F=2.253，P=0.161)、氨基酸态氮(F=1.518，P=0.270)、氨基糖态氮(F=0.844，P=0.461)和未知态氮(F=0.488，P=0.629)的影响，也均未达到显著水平。

3 讨论

研究发现，不同地表覆被对土壤全氮含量影响显著[15-16]。本研究不同样地的表土全氮含量与云贵高原邻近地域[21-23]较为接近，但均高于四川盆地[24]、长江中下游[25]和珠江流域[26]等低海拔区域。这可能与毕节地区海拔较高、热量状况差，微生物活性弱导致矿质化作用慢，从而减缓氮的累积作用有关。其他如姚兰等[27]、孟苗婧等[28]和舒锟等[29]也发现山地从基带向上土壤全氮含量有增加的现象，上升到一定海拔后又表现为递减的特点，海拔1 500～2 000 m范围为全氮峰值区域。全氮出现递减的现象，可能与海拔继续上升导致氮的生物返还量少有关。因此，土壤全氮含量一方面受制于氮素矿化而消耗，另一方面地表覆被差异导致动植物和微生物残体返还补给不同，也会影响到它的累积。

本研究所有样地酸解总氮含量均随土层深度加深而呈下降态势，这与很多研究结果[15-16,30]一致。酸解总氮主要来自于有机胶体和黏土矿物释出的各类形态氮，且有机氮占据绝对优势[20]。它们被土壤微粒吸附后，自然条件下参与氮循环过程效率较为低缓。又由于有机氮主要源于近地表层生物残体的返还分解，受淋溶作用由上而下有逐级吸附的特点，所以导致越接近地表含量也越大。CJ撂荒地地表返还物少，上层土壤优先吸附各类形态氮导致其酸解总氮在整个剖面下降幅度明显大于其他样地。此外，YH剖面酸解总氮(图2)与对应的全氮(图1)没有像其他3类样地表现出显著的正相关关系，这证实全氮可能并不是影响酸解总氮的决定性因素。从4个样地的平均值来看，仅酸解氨基酸态氮占酸解总氮的比率就已高达38.31%，这表明微生物作用对酸解总氮的累积和组分构成产生重要影响。酸解总氮在所有样地均随深度加大而下降，与沈其荣等[9]关于“土壤酸解氮具有共性”的论断一致。这也解释了双因素方差分析中地表覆被对土壤全氮与非酸解氮影响达到显著水平，而对酸解总氮没有显著影响的结果。酸解总氮的这种“共性”则表现在另一影响因素土层深度方面，虽然统计结果显示两者间并没有达到显著水平，但两者统计概率P值仅为0.171，远低于土层深度和全氮(P值为0.547)与非酸解氮(P值为0.827)的对应值。造成该现象的根本原因很可能是地表覆被仅直接影响到土壤全氮的补给总量，而氮素迁移的方向与转化的速率取决于土壤微生物的种类和活性，它们最终主导了有机氮的组分特征。

非酸解氮主要由黏粒吸附的难分解含氮物质构成[31]，可形成结构稳定的腐殖质[32]，并构成氮的稳定库且难以直接参与氮循环[33]。YJ为农业用地，非酸解氮含量为所有样地的最大值，剖面均值达到0.518 g·kg-1。与辽河平原[15,34]较为接近，又明显低于若尔盖湿地[30]，高于成都平原[24]及湘西丘陵[35]等农业用地。这可能与本区域地处乌蒙腹地，受大气垂直减温率的影响导致地气系统热量不足有关。七星关区大于等于10 ℃积温只有3 800 ℃，而同纬度湘西北(海拔100～500 m)则超过5 000 ℃，即使纬度更高的成都平原(海拔500～700 m)都可达4 700 ℃以上，若尔盖湿地海拔约3 000～3 500 m，导致其积温仅有310 ℃。热量条件影响到诸如枯草杆菌、根霉等广布腐生菌的活性，樊佳等[36]也发现枯草杆菌在40 ℃以下环境中，芽孢数量与温度呈显著正相关关系。而根霉最适宜的温度也较高，约为25～30 ℃[37]。七星关区最高月均温才刚好超过20 ℃，年均温则更低，这势必会引起腐殖质化过程缓慢，致使碳水化合物、蛋白质和木质素等返还物中原始形态的氮占很高的全氮比例，这部分氮则很可能构成非酸解氮的主要组成部分。非酸解氮和全氮的相关系数为0.678(P<0.01)，为极显著相关，也说明了这一问题。

土壤酸解氨态氮是水解产物中的氨，主要源于土壤固定态或吸附态的无机铵根，以及氨基酸(糖)和酰胺类化合物的脱氨基作用[38]。酸解氨态氮在YJ样地表土含量最大，很可能与该样地为农业用地，表土受到肥料施加有关。有研究[34,39]表明，与不施肥相比，即使单施无机氮肥都能显著提高酸解氨态氮含量。表层以下的土壤无论是不同样地之间还是同一样地，不同深度之间的酸解氨态氮变异程度明显小于其他3种酸解氮，原因一方面可能与土样风干处理过程有关，朱强等[40]和赵瑞芬等[41]研究表明，风干过程会导致有机质矿质化进程加速，致使铵态氮含量大幅度提升；二是有近三分之一的酸解氨态氮来自于固定态铵[9]。两者共同影响，致使不同样地和不同深度酸解氨态氮差异较小。

土壤酸解氨基酸态氮主要赋存于有机质的多肽和蛋白质中，目前已有30余种氨基酸被鉴定[42]。酸解氨基酸态氮与有机质呈显著相关关系，是因为有机质是酸解氨基酸态氮等各类氮的物源。LT的酸解氨基酸态氮含量在表层最大，但与YJ样地差异不显著，这可能与其为校园微域山地景观，乔灌草覆被结合导致植被初级生产力高，生物残体返还多有关。这表明酸解氨基酸氮含量受地表覆被或土地利用等因素影响显著。这也导致了该样地酸解糖态氮与酸解未知态氮的不同土层均值均高于其他样地。YH不同土层的酸解氨基酸态氮大致与其全氮变化规律相似，这与其土地利用方式的改变有密切关联。

土壤酸解氨基糖态氮主要由氨基葡萄糖、氨基半乳糖和胞壁酸组成，与微生物活性及群落结构紧密相关。所有样地均值为0.117 g·kg-1，与多数研究结果[15,30,43]较为接近。但相对其他形态氮，YJ样地的氨基糖态氮为所有样地不同土层均值的最低，且与其他样地差异显著。但与成都平原[24]和黄土高原[17]较为接近。查春梅等[16]也发现耕地糖态氮要显著低于林地(不足林地的30%)。由于很少在作物等高等植物组织中发现氨基糖，所以低等植物、昆虫的甲质壳(含几丁聚糖等)和微生物细胞物质则是氨基糖的最主要来源。陈坤[44]也发现，有机氮组分中仅有糖态氮与微生物量有显著相关性。因此，农药的长期施用导致耕地土壤低等植物受到明显的毒害作用[45]和地表微生物群落功能多样性下降[46]，势必会影响到氨基糖态氮的生物补给。张玉玲等[43]在东北盐渍土也发现，与未开垦和开垦时间短的耕地相比，耕作历史最久的土壤糖态氮则处于最低水平。YJ样地出现表土氨基糖态氮明显低于其深层土样现象，而其他3个样地均未出现，这充分表明农业生产活动是造成土壤酸解氨基糖态氮含量下降的最重要影响因子。

总体而言，4个样地酸解各形态氮均值关系依次表现为酸解氨基酸态氮>酸解氨态氮>酸解未知态氮>酸解糖态氮。该顺序与罗如熠等[30]和高晓宁等[33]研究结果类似，均表现为糖态氮含量最低，不同之处体现在酸解氨态氮、氨基酸态氮和酸解未知态氮的大小关系上。酸解有机氮各组分与土壤酸碱度、黏粒含量、有机质组成、微生物及酶活性等生化性质有密切关联。此外，样地海拔与气候特点、施肥与灌溉方式、种植年限与覆被类型等诸多环境条件也是重要的外部影响因子。因此，土壤有机氮应是一个多要素影响的耦合体，各组分长期处于固持与矿化的动态变化过程中，导致不同地域有机氮组分大小关系不尽一致。