土地利用方式对土壤有机氮组分及剖面分布的影响

土地利用方式对土壤有机氮组分及剖面分布的影响

土壤氮主要以有机氮的形式存在，约占土壤氮的90%以上。但是,土壤有机氮的含量和分布受利用方式、土壤类型、土壤层次、根际环境、施肥和耕作状况等诸多因素的影响,总是处于不断积累、矿化和再固定的过程中。土地利用方式对土壤氮素的影响的研究多侧重于利用方式改变后土壤全氮、溶解性有机氮、颗粒有机氮及微生物量氮的变化等方面。用Bremner方法分离土壤有机氮各组分的研究多侧重于土壤有机氮构成与作物产量的相关性及施肥条件变化对其的影响等,而不同土地利用方式对土壤有机氮组成及剖面分布影响的研究在国内外鲜见报道。为此,开展了典型棕壤不同利用方式下,不同土层有机氮构成的变化研究,试图为揭示人为活动对土壤有机氮素的影响,为棕壤地区土地利用及保护提供科学依据。1材料和方法1.1土地利用方式及经济效益选择发育于黄土性母质低山丘陵区的典型棕壤。样品采自辽宁沈阳天柱山地区(N40°49′、E123°34′)海拔高度90m左右,全年平均气温在7～11℃,年降水量在600～1100mm。3种土地利用方式分别为:林地—天然次生针阔混交林,植被属长白针、阔叶混交林区;柞树林地—开垦种植养殖柞树的柞树经济林,开垦48年,树种主要为辽东栎;耕地—玉米大豆轮作,开垦48年,多年施用化肥,常年不施有机肥。每种土地利用方式选择3个代表样地,每个样地面积为10～15公顷,分别采0—20、20—40、40—60cm土层的土样,混匀风干后过1mm和0.25mm筛供分析用,供试土壤的基本性质见表1。1.2土壤全氮测定土壤有机氮分级根据Bremner的土壤有机氮分级方法,即将待测土样用6mol/L的HCl于120℃水解12h,然后依次测出水解液中氨态氮、氨基酸态氮、氨基糖态氮及酸解未知态氮;土壤全氮测定采用开氏半微量定氮法;土壤有机质采用丘林法。采用SPSS11.0统计软件进行数据分析。2结果与分析2.1不同利用方式对土壤有机质组分的影响不同土地利用方式下,棕壤有机氮组分的含量及其在剖面中的分布(图1)看出,利用方式对棕壤有机氮各组分产生显著的影响,总体趋势是随着利用程度的加剧和土壤剖面层次的加深而下降,与土壤有机质的变化规律一致(表1),但是下降的幅度不同。2.1.1cm土层罪犯林分生长情况利用方式对0—20cm土层影响最大。由林地开垦为柞树林地、耕地,酸解性氮含量分别降低了24.42%和52.94%;20—40cm土层柞树林地、耕地分别降低了33.11%、36.81%。柞树林地略高于耕地,但未达显著水平;40—60cm土层3种利用方式酸解性氮含量差异达显著水平,但耕地高于柞树林地16.99%,可能是人为耕作的强烈干扰造成表土与底土混合造成的。酸解性氮含量是土壤全氮的主体(表2),占全氮的66%～78.69%。为了更深入研究,把酸解产物进一步分组成为氨基酸氮、氨态氮、氨基糖氮和未知态氮。1不同土层中土壤氨基酸氮含量氨基酸氮是酸解产物中主要可鉴别的含氮化合物。在0—20cm土层,林地开垦为柞树林地48年氨基酸氮降低27.58%;开垦为耕地48年则降低67.12%。20—40cm土层与表层趋势一致,降低率分别为29.43%、49.72%。40—60cm土层,柞树林地与耕地氨基酸氮含量差异未达显著水平,与林地相比分别降低18.04%、36.69%。与其它有机氮组分相比,氨基酸氮占酸解性氮的比例最大(表2),氨基酸氮占酸解性氮的比例在0—20cm土层林地与柞树林地显著高于耕地,20—40和40—60cm土层则为柞树林地>林地>耕地,说明利用方式显著影响氨基酸氮的分布,开垦为耕地后,其含量和占酸解性氮的比例显著降低。2土层耕地比桐树林地高同土层不同利用方式酸解氨态氮含量均以林地最高。在0—20cm土层柞树林地与耕地相比降低了9.93%,在40—60cm土层耕地比柞树林地高25.09%,但都未达差异显著水平,20—40cm土层耕地比柞树林地显著升高了29.81%。由表2可知,酸解氨态氮占酸解性氮的比例在18.60%～27.48%之间,尤其耕地0—20cm与20—40cm相对量最高,说明施肥与人为扰动会增加酸解氨态氮的相对量。3氮、氮分别降低不同利用方式间0—20cm土层氨基糖氮含量变化最为显著,与林地相比,柞树林地与耕地的氨基糖氮分别降低27.81%、70.53%;20—40cm耕地略高于柞树林地,都较林地低;40—60cm利用方式间氨基糖氮含量无差异,说明氨基糖氮在0—40cm土层受利用方式的影响较大。由表2可知,3种利用方式下氨基糖氮占酸解性氮的百分含量最小,并且耕地表层最少仅为8.26%。4cm土层与耕地酸解未知态氮含量比较在0—20cm土层林地与柞树林地、柞树林地与耕地酸解未知态氮均未达显著水平;20—40cm土层柞树林地与耕地酸解未知态氮含量无差异,都显著低于林地;但在40—60cm土层酸解未知态氮含量耕地与林地相近都高于柞树林地。酸解未知态氮占酸解性氮的百分含量基本为耕地>柞树林地>林地(表2),说明利用程度的加剧会促进有机氮向土壤酸解未知态氮的转化。2.1.2不同土层利用方式对非酸解氮含量的影响在0—20和20—40cm土层,非酸解性氮均以林地最高,柞树林地与耕地未达显著水平;40—60cm土层利用方式间非酸解氮含量差异不明显。非酸解氮占全氮的比例(表2)与酸解性氮的趋势相反,在0—20cm土层耕地非酸解氮占全氮百分数最高达32.77%,柞树林地最低,20—40cm占全氮百分数相近,40—60cm则为耕地>柞树林地>林地(图1)。2.2不同林分类型有机氮的相对含量图1、表2可知,利用方式对有机氮组分在剖面中的分布也有不同的影响。总体趋势为林地与柞树林地有机氮各组分含量在剖面中的分布规律相同,都随剖面加深而降低,降幅为23.6%～48.3%。有机氮各组分含量由表层到20—40cm土层下降幅度为柞树林地略高于林地;由20—40cm土层到40—60cm土层,其降幅为林地略高于柞树林地,这是由于林地的腐殖质层较柞树林地深,柞树根系分布较浅造成的。由于人为活动的强烈参与以及耕作施肥的影响造成耕地剖面中氨基糖氮先升高后降低,酸解未知态氮和非酸解氮则为先降低后升高,氨基酸氮降低;但是有机氮组分变化的幅度明显小于林地、柞树林地。表2显示,3种利用方式下,随着土壤层次的加深有机氮各组分的相对含量也不相同。林地与柞树林地酸解总氮占全氮的比例、氨基酸氮占酸解性氮的比例随剖面加深降低,酸解氨态氮和氨基糖态氮在剖面中分布较稳定,酸解未知态氮相对量随剖面加深而增加,柞树林地相反。耕地中有机氮各组分在剖面中分布差异较大。剖面中酸解氨态氮和氨基酸氮占酸解性氮的比例随土层加深降低,其它有机氮组分相对量在不同土层中各不相同。3不同土地利用方式对土壤有机氮组分的影响本研究表明,0—20cm土层有机氮组分因受环境因素和植物同化产物影响而最易发生变化,利用方式对该层有机氮组分的影响最大。三种利用方式均以酸解性氮为主体,且酸解氮占全氮的比例随利用程度的加强及剖面的加深基本呈降低趋势,非酸解氮则有相反的趋势。在土壤剖面中有机氮各组分占酸解氮的比例林地与柞树林地相同,为氨基酸氮>酸解未知态氮>酸解氨态氮>氨基糖氮;耕地为酸解未知态氮>氨基酸态氮>酸解氨态氮>氨基糖态氮,耕地中酸解氨态氮占酸解性总氮比例高于林地、柞树林地,且在0—40cm达最大,可能是富含2∶1型黏土矿物淋溶至此,再在长期施用化肥的情况下,使该层次土壤中交换性铵和固定态铵含量增加。文启孝认为,固定态铵是酸解液中氨态氮的主要来源之一,在酸解12h的条件下,固定态铵的平均释放量为62%,尤其是新固定的固定态铵的释放量更高,平均为80%左右。沈其荣等也发现,土壤酸解性氨态氮中有1/4～1/3来自于固定态铵,说明耕作施肥有利于下层土壤酸解氨态氮的积累,促进氨基酸氮向非酸解氮的积累。由此表明,原始林地变为人工经济林对土壤有机氮组分的分布比例影响不大,但成为耕地后提高了酸解氮中分解性较低的酸解未知态氮比例,降低了相对易分解的氨基酸态氮的比例。已有研究表明,土壤有机氮组分中的氨基酸氮与水稻产量的相关性最高,而与非水解氮多少无关。土壤酸解性氮是土壤可矿化氮的主要给源,酸解性氮中的氨基酸氮和酸解氨态氮是易矿化的氮素。综上所述,土地利用方式的改变不仅显著降低其氮素的绝对含量而且改变其品质,使土壤有机氮向结构复杂、有效性低的方向发展。此外,土地利用方式对不同土层有机氮组分也有不同的影响。林地开垦为柞树林地有机氮组分含量随剖面加深而降低,而变化率表现在酸解未知态氮随剖面加深降低率增加,非酸解氮相反;而酸解性总氮、氨态氮、氨基酸氮在20—40cm降低率最大,这是由于林地有机质的表聚性造成的。林地开垦为耕地,由于受到人为活动的强烈参与以及植被覆盖的变化使得氨基糖氮下降幅度最大,由表层向下分别降低70.53%、29.16%、3.93%,氨基酸氮由表层向下降低量最多,下降率也较高。柞树林地开垦为耕地,非酸解氮在0—20cm、20—40cm分别增加10.75%、26.86%,酸解氨态氮在20—40cm、40—60cm分别增加29.8