火烧迹地在不同恢复方式下土壤氮素含量研究

2022.07.03

李金享春雪辛颖赵雨森

摘要：為揭示大兴安岭地区重度火烧迹地在植被恢复后土壤氮素分布特征，本研究选取以1987年“5·6”大火后的重度火烧迹地经过人工恢复、人工促进天然恢复和天然恢复的林分土壤为研究对象，对土壤全氮、14 d可矿化氮、无机氮（铵态氮和硝态氮）和微生物量氮进行探究。结果表明：①3种不同恢复方式下，天然恢复的林分土壤全氮储量最高，全氮含量均为上层土壤大于下层土壤。②土壤14 d可矿化氮与铵态氮分布规律相似，其由大到小顺序为：天然恢复、人工促进天然恢复、人工恢复。硝态氮与微生物量氮含量由大到小顺序为：天然恢复、人工恢复、人工促进天然恢复。天然恢复的硝态氮与微生物量氮含量显著大于人工恢复和人工促进天然恢复（P<0.05）。③土壤有机碳、pH、容重与全氮、有机氮和微生物量氮均呈极显著相关关系。碳氮比（C/N）与硝态氮和铵态氮呈极显著相关关系。在土壤氮素各指标之间，微生物量氮与全氮、有机氮和14 d可矿化氮呈极显著相关关系。植被生长主要从土壤中吸收无机氮，本文通过对土壤铵态氮、硝态氮和14 d可矿化氮在不同恢复方式下的分布规律和结果表明，大兴安岭重度火烧迹地在天然恢复30 a后土壤中无机氮更利于植被的生长和利用。

关键词：大兴安岭;重度火烧迹地;不同恢复方式;土壤氮素

Abstract：In order to reveal the distribution characteristics of soil nitrogen under different restoration methods in the seriously burned areas of the Dax Xingan Mountains， forest soil underwent artificial restoration， artificially promoted natural restoration and natural restoration in the seriously burned areas after the “5·6” fire in 1987 was selected as the research object to investigate the soil total nitrogen， 14-day mineralizable nitrogen， inorganic nitrogen （ammonium nitrogen and nitrate nitrogen） and microbial biomass nitrogen. The results showed that： ① Of three different restoration methods， the soil total nitrogen storage was the highest under natural restoration. The total nitrogen content was higher in the upper soil than in the lower soil. ② The distribution of 14-day soil mineralizable nitrogen and ammonium nitrogen was similar， from high to low were： natural restoration， artificially promoted natural restoration and artificial restoration. The contents of nitrate nitrogen and microbial biomass nitrogen were the highest in natural restoration， then artificial restoration and artificially promoted natural restoration. Natural restoration was significantly greater than artificial restoration and artificially promoted natural restoration （P<0.05）. ③ Soil organic carbon， pH and bulk density were significantly correlated with total nitrogen， organic nitrogen and microbial biomass nitrogen. C/N had a very significant correlation with nitrate nitrogen and ammonium nitrogen. Among soil nitrogen indexes， microbial biomass nitrogen was significantly correlated with total nitrogen， organic nitrogen and 14-day mineralizable nitrogen. Plants mainly absorbed inorganic nitrogen from soil. In this paper， by studying the distribution of soil ammonium nitrogen， nitrate nitrogen and 14-day mineralizable nitrogen under different restoration methods， the results showed that the soil inorganic nitrogen in natural restoration after 30 years was more conductive to the growth and utilization of vegetation in the seriously burned areas of the Dax Xingan Mountains.

Keywords：Dax Xingan Mountains; seriously burned area; different restoration methods; soil nitrogen

0 引言

氮素是植被生长发育所必需的重要营养元素，不仅可以作为评价土壤肥力的指标，而且由于氮素本身具有移动性较强和损失率较高的特性，因此常成为植被生长的限制因子。氮是植物生长需求量最大的矿质元素，是限制土壤生产力的重要因子。植物吸收的养分大部分来自土壤[1]，土壤氮素对植物生长和生理代谢起着重要作用[2]。氮素形态会对植物生理代谢过程产生影响，从而影响植物生长[2]。土壤中无机氮含量很少，一般只占全氮的1%～2%，最多也不会超过5%～8%[3]。矿化作用可使大部分有机氮转化成无机氮，植物直接吸收大部分无机氮和小部分有机氮，有机氮是植物矿质氮的主要来源[4]。无机氮虽然只是土壤全氮很小一部分，但对植物的生长过程起重要作用，土壤微生物量可以表征生态系统的现存土壤状态，以及生态系统的健康状况和营养元素的储备情况[5]，对土壤养分转化和循环过程具有重要意义。

大兴安岭是我国唯一的寒温带针叶林区，由于其气候干燥多风，且林下可燃物较多，导致森林火灾频繁发生。尤其是1987年“5·6”特大森林火灾，对大兴安岭森林资源产生了严重的破坏，造成大面积的火烧迹地。诸多学者关注火烧对森林土壤碳、氮和磷等重要物质循环带来的影响[6-9]，对于大兴安岭火烧迹地植被恢复土壤营养元素方面的研究，主要集中于土壤有机碳的分布特征[10-12]。对于土壤氮素的研究相对较少，已有研究表明，森林火灾发生后，会有大量的灰分进入土壤，在一定程度上，灰分提高了植物对氮的利用和吸收，并且在火烧生态系统中提高了土壤有机物分解的溶解度，同时改变了微生物群落结构[13]。大兴安岭重度火烧迹地植被恢复过程中，土壤全氮、有效氮的含量在火烧后初期有明显的增加[14]。在火后不同年限土壤无机氮（铵态氮和硝态氮）随着林火发生时间的增加，NH+4-N含量呈递增趋势，火后短期内NO-3-N含量随着时间推移先增加再减小[15]。土壤微生物量氮表现为随着恢复年限的增加逐渐增大[16]。有关大兴安岭重度火烧迹地的不同恢复方式下土壤氮素的研究相对较少，本研究以大兴安岭重度火烧迹地在人工恢复、人工促进天然恢复和天然恢复方式下的林分土壤为研究对象，通过对土壤全氮、14 d可矿化氮、速效氮（铵态氮、硝态氮）和微生物量氮的研究，揭示不同恢复方式下林分土壤各形态的氮素含量特征，为大兴安岭重度火烧迹地植被恢复提供科学理论依据。

1 材料与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于大兴安岭阿木尔林业局，地处我国北部边疆黑龙江上游，东临塔河林业局，南临呼中林业局与内蒙古满归林业局接壤，西与图强林业局毗邻，北以黑龙江主航道为界与俄罗斯隔江相望。地理坐标为：52°15′03″～53°33′15″ N， 122°38′30″～124°05′05″ E。东西宽约50 km，南北长约160 km，海拔为248～1 397 m，年平均气温-5 ℃左右，年平均降水量约455 mm，年无霜期90～120 d。土壤以棕色针叶林土为主，另外也有沼泽土和泥炭土，土层普遍较薄，多砾石。植被丰富度较高，主要乔木树种有樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）、兴安落叶松（Larix gmelinii）、山杨（Populus davidiana）和白桦（Betula platyphylla）等;主要灌木有興安杜鹃（Rhododendron dauricum）、越橘（Vaccinium vitis-idaea）和杜香（Ledum palustre）;主要草本有小叶章（Deyeuxia angustifolia）、舞鹤草（Maianthemum bifolium）和地榆（Sanguisorba officinalis）等。

1.2 样地设置和研究方法

2018年7月初，对研究区内1987年“5·6”大火重度火烧迹地经过人工恢复、人工促进天然恢复和天然恢复的林分进行踏查，选取坡度、坡向和海拔等立地条件基本一致的林分，在被选的各林分中分别设置3个20 m×30 m的标准样地，所选的样地在重度火烧发生前均为兴安落叶松林，土壤类型均为棕色针叶林土。其中人工恢复是1989年在重度火烧迹地上栽植的兴安落叶松人工林，造林时苗龄为2 a，每公顷3 300株，之后连续3 a进行人工抚育。人工促进天然恢复是在天然恢复的基础上采取人工穴状整地措施，主要树种有白桦、山杨和兴安落叶松等。天然恢复自重度火烧后未再受到任何人为活动的干扰，主要树种是山杨和白桦，且生长状况良好。样地基本情况见表1。

（1）土壤基本理化性质的测定

土壤容重采用环刀法进行测定;土壤pH采用电位法测定;土壤含水率采用烘干法测定;土壤有机碳采用元素分析仪（德国Elementar，Vario TOC）进行测定;全氮采用浓硫酸消煮-半微量凯氏定氮法测定。

（2）土壤无机氮（铵态氮、硝态氮）测定

称10 g（精确到0.01 g）过2 mm筛孔新鲜土样放于250 mL三角瓶内，加入1 mol/L氯化钾100 mL，塞紧瓶塞，置于振荡器上室温震荡1 h。定性滤纸过滤，滤液需要在24 h内进行分析，连续流动分析仪（AA3）上机测定。如不能及时进行测定需要将滤液放置冰箱储存待测。

（3）土壤14 d可矿化氮测定

采用Stanford等[17]的间歇淋洗好气培养法。称取15 g风干土样与等量石英砂混合，加入少量蒸馏水，用玻璃棒搅拌使其形成良好黏结的土砂混合物，将此混合物放在预先内置一个玻璃球、15 g石英砂、上垫一层玻璃丝的50 mL培养管内。混合物加入后，再在上面盖一层玻璃丝和石英砂，以防淋洗时冲溅土壤。装好后轻震几下。用100 mL 0.01 mol/L的CaCl2分4次淋洗土壤中起始矿质氮。此后加入25 mL无氮营养液（0.002 mol/L CaSO4·2H2O;0.002 mol/L MgSO4;0.005 mol/L Ca（H2PO4）2;0.0025 mol/L K2SO4的混合液）。培养管口用塑料膜密封，多余水分在8 kPa负压下抽去。然后，在塑料膜上扎两个小孔，保持试管良好通气。培养管置于（35±1） ℃恒温培养箱中，预培养1周后，如上面方法淋洗矿化氮，加无氮营养液和抽气，然后继续培养2周，再次淋洗其矿化氮，分别收集各次淋洗液，用连续流动分析仪（AA3）测定。

（4）土壤微生物量氮测定

熏蒸：称取新鲜土壤（相当于干土10.0 g）3份，分别放入25 mL小烧杯中。将烧杯放入真空干燥器中，并放置盛有乙醇提纯后的氯仿（约2/3）的15 mL烧杯2只或3只，烧杯内放入少量防暴沸玻璃珠，同时放入一盛有NaOH溶液的小烧杯，以吸收熏蒸过程中释放出来的CO2，干燥器底部加入少量水以保持容器湿度。盖上真空干燥器盖子，用真空泵抽真空，使氯仿沸腾5 min。关闭真空干燥器阀门，在25 ℃黑暗条件下培养24 h。同时，另称等量的3份土壤，置于另一干燥器中为不熏蒸对照处理（熏蒸后不可久放，应该快速浸提）[18]。

1.3 数据分析

数据采用 SPSS Statistics 20和Excel 2010软件进行统计分析，利用单因素方差分析（ANONA）研究不同恢复方式下土壤全氮及无机氮等形态氮素的差异性，用Pearson法分析不同恢复方式下土壤各形态氮素与土壤理化性质间的相关性。使用Origin 2018绘图。

2 结果与分析

2.1 不同恢复方式下土壤基本理化性质特征

本研究区域土壤为棕色针叶林土（表2），土壤呈偏酸性，0～20 cm土壤pH范围为3.87～4.29，其中天然恢复方式最高，人工促进天然恢复方式最低，下层土壤pH高于上层。土壤容重范围为0.69～1.79 g/cm3，人工促进天然恢复方式最高，天然恢复方式最低，人工恢复和天然恢复方式下层土壤容重高于上层。土壤有机碳含量范围为17.58～134.03 g/kg，在0～20 cm土层，人工恢复、人工促进天然恢复和天然恢复土壤有机氮含量分别为50.50～92.58、17.58～42.54、44.33～134.03 g/kg，天然恢复方式下土壤有机碳含量最高，人工促进天然恢复方式最低。土壤C/N的变化范围为10.21～24.69，在0～10 cm土层，人工恢复方式最大，为24.69;人工促进天然恢复方式最小，为14.09。在>10～20 cm土层，人工恢复方式最大，为19.20;天然恢复最小，为10.21。

2.2 土壤全氮特征

大兴安岭火烧迹地3种不同恢复方式下土壤总氮含量由大到小顺序为：天然恢复、人工恢复、人工促进天然恢复（图1），其含量分别为4.34～6.91、2.63～3.75、1.49～3.02 g/kg，天然恢复方式下土壤全氮含量显著高于其他两种恢复方式（P10～20 cm土层，3种不同恢复方式下土壤全氮含量为1.49～4.34 g/kg，人工恢复、人工促进天然恢复和天然恢复方式下土壤总氮含量分别为2.63、1.49、4.34 g/kg;且上层土壤全氮含量大于下层。

2.3 土壤有机氮特征

土壤有机氮含量和土壤全氮含量规律基本一致，其含量由大到小顺序为：天然恢复、人工恢复、人工促进天然恢复（图2）。天然恢复有机氮显著大于人工恢复和人工促进天然恢复（P10～20 cm土层，3种不同恢复方式下土壤全氮含量为0.32～3.16 g/kg，人工恢复、人工促进天然恢复和天然恢复方式下土壤有机氮含量分别为1.77、0.32、3.16 g/kg;且上层土壤有机氮含量大于下层。

2.4 土壤14 d可矿化氮特征

不同恢复方式下土壤14 d可矿化氮含量由大到小顺序为：天然恢复、人工促进天然恢复、人工恢复（图3）。天然恢复矿化氮显著大于人工恢复和人工促进天然恢复（P10～20 cm土层，3种不同恢复方式下土壤14 d可矿化氮含量为2.19～4.28 mg/kg，人工恢复、人工促进天然恢复和天然恢复方式下土壤14 d可矿化氮含量分别为2.19、2.93、4.28 mg/kg;且上层土壤14 d可矿化氮含量大于下层。

2.5 土壤微生物量氮特征

从图4可知，不同恢复方式下土壤微生物量氮含量由大到小顺序为：天然恢复、人工恢复、人工促进天然恢复。天然恢复土壤微生物量氮显著大于人工恢复和人工促进天然恢复（P10～20 cm土层，3种不同恢复方式下土壤微生物量氮含量为17.58～82.53 mg/kg，人工恢复、人工促进天然恢复和天然恢复方式下土壤微生物量氮含量分别为51.66、17.58、82.53 mg/kg;且上层土壤微生物量氮含量大于下层。

2.6 土壤速效氮特征

不同恢复方式下土壤硝态氮和铵态氮含量分别如图5和图6所示。

从图5可知，不同恢复方式下土壤硝态氮含量由大到小顺序为：天然恢復、人工恢复、人工促进天然恢复。天然恢复土壤速效氮显著大于人工恢复和人工促进天然恢复（P10～20 cm土层，3种不同恢复方式下土壤硝态氮含量为0.57～0.87 mg/kg，人工恢复、人工促进天然恢复和天然恢复方式下土壤硝态氮含量分别为0.76、0.57、0.87 mg/kg;且上层土壤硝态氮含量大于下层。

由图6可知，不同恢复方式下土壤铵态氮含量由大到小顺序为：天然恢复、人工促进天然恢复、人工恢复。天然恢复和人工促进天然恢复显著大于人工恢复（P10～20 cm土层，3种不同恢复方式下土壤铵态氮含量为4.27～5.42 mg/kg，人工恢复、人工促进天然恢复和天然恢复方式下土壤铵态氮含量分别为4.27、5.07、5.42 mg/kg;且上层土壤铵态氮含量大于下层。

2.7 土壤氮素与土壤理化性质的相关性

大兴安岭重度火烧迹地在不同恢复方式下土壤氮素与土壤理化性质的相关性见表3，土壤有机碳、pH、容重与全氮、有机氮和微生物量氮均呈极显著相关关系。C/N与硝态氮和铵态氮呈极显著相关关系。在土壤氮素各指标之间，微生物量氮与全氮、有机氮和14 d可矿化氮呈极显著相关关系。铵态氮与可矿化氮和硝态氮呈显著相关关系。

3 讨论

自1987年“5 · 6”森林特大火灾后，大兴安岭重度火烧迹地进行了大面积的植被恢复，主要采取3种恢复方式，分别为人工恢复、人工促进天然恢复和天然恢复[19]。本研究中，天然恢复方式下土壤全氮含量最高，人工恢复方式次之，人工促进天然恢复最低。重度火烧迹地在不同的恢复方式下植被类型有所不同，天然恢复方式下主要树种为山杨和白桦，均为阔叶树种，林下多为兴安杜鹃、越桔和杜香等灌丛;人工恢复的树种为兴安落叶松，林下基本无灌木，草本植物有小叶草和舞鹤草，人工促进天然恢复方式下主要树种有白桦、山杨和兴安落叶松等。森林发生重度火烧后，一方面，在植被恢复过程中将大部分的无机营养元素返还给土壤[13]，并且随着植被物种丰富度的增加，植被生长所产生的凋落物以及根系部分所产生的腐解物在土壤中不断矿化、积累，另一方面，植被恢复改善了土壤质地、通气状况和理化性质，进一步促使微生物的活动能力增强，对氮素的固定转化能力增强[20]，这些过程和作用均会促进14 d可矿化氮和微生物量氮含量的增加[21]。大兴安岭重度火烧迹地在天然恢复方式下土壤14 d可矿化氮和微生物量氮含量最高，因为天然恢复方式下植被物种丰富度更高，产生的凋落物更多，凋落物分解程度也比另外两种恢复方式要高。

3种恢复方式下土壤无机氮含量差异显著，天然恢复方式下无机氮含量最高，且上层土壤含量大于下层土壤。土壤中无机氮（铵态氮、硝态氮）的含量在一定时间范围内，在土壤中进行氮输入、氮输出，并且保持二者动态平衡，受土壤理化性质、土壤环境、植被生长状况、凋落物质量和数量、根系的分泌物和人类活动等因素的影响[22-24]。因此，不同地域、不同时间、不同土层森林土壤无机氮含量均可能存在很大差异[25-28]。对于无机氮的两种形态而言，铵态氮与硝态氮的含量呈显著相关关系，且土壤铵态氮的硝化作用是硝态氮的主要来源。一般而言，森林土壤的铵态氮浓度通常高于硝态氮浓度[29]，这是生态系统保持氮素的一种机制[30]，在大兴安岭地区，全氮与硝态氮的含量相关性并不显著，且硝态氮相较铵态氮的含量低，这可能是在发生重度火烧前均为原始落叶松林，酸性的原始森林土壤对自养硝化菌的抑制，演替晚期硝化底物不足，多元酚等化感物质对硝化微生物的抑制等原因引起的[31-32]。

本研究表明，土壤有机碳、pH、容重与全氮、有机氮和微生物量氮均呈极显著相关关系。土壤的通透性取决于土壤容重，容重的大小反映土壤的紧实结构[33]，进一步影响土壤中O2的循环，对于微生物活动造成一定的影响[34]。有研究表明，土壤pH与氮矿化作用呈正相关关系，这是由于pH的升高对土壤有机质的可溶性起到了促进的作用，给微生物的生存环境提供了大量富含C、N的基团，为微生物创造有利的条件，因而加速了氮素的矿化[35]。本研究区内的土壤均为酸性，pH与土壤全氮、有机氮、14 d可矿化氮和微生物量氮呈正相关关系。土壤C/N不仅是土壤环境和土壤质量变迁的敏感指标，也对土壤氮循环和蓄积具有重要影响[36]。本研究表明，土壤C/N与土壤全氮、有机氮、14 d可矿化氮和微生物量氮无相关关系，与土壤铵态氮和硝态氮呈极显著相关关系。可能的原因是：在3种恢复方式下土壤C/N不稳定，在0～20 cm土层C/N为10.21～24.69，对于土壤微生物的作用较小。C/N越大，土壤氮素越难被矿化，进而影响土壤铵态氮和硝态氮的含量，造成氮素的循环与利用作用不明显。

4 結论

通过对大兴安岭重度火烧迹地经人工恢复、人工促进天然恢复和天然恢复林地土壤无机氮分布特征研究发现：

（1）大兴安岭重度火烧迹地在不同方式下经过30 a植被恢复后，天然恢复方式下土壤全氮储量最高。

（2）3种恢复方式下土壤14 d可矿化氮与铵态氮分布规律相似，由大到小顺序为：天然恢复、人工促进天然恢复、人工恢复。硝态氮含量由大到小顺序为：天然恢复、人工恢复、人工促进天然恢复。

（3）土壤有机碳、pH、容重与全氮、有机氮和微生物量氮均呈极显著相关关系。C/N与硝态氮和铵态氮呈极显著相关关系。在土壤氮素各指标之间，微生物量氮与全氮、有机氮和14 d可矿化氮呈极显著相关关系。植物生长主要从土壤中吸收无机氮，对铵态氮和硝态氮以及14 d可矿化氮的研究结果表明，大兴安岭重度火烧迹地经过30 a植被恢复，天然恢复方式下土壤中无机氮更有利于植被的生长和利用。

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