长期施氮和灌溉对华北平原毛白杨人工林土壤有机氮组分及可溶性氮的影响

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Effects of long-term nitrogen application and irrigation on soil organic nitrogen fractions and soluble nitrogen in Populus tomentosa plantations in the North China Plain

氮肥与灌溉水平显著影响杨树人工林土壤有机氮和可溶性氮组分，揭示TN、SON和NO3-N与有机氮矿化及AOB菌群相关性。建议维持45%土壤持水量和304.8 kg·hm?2氮肥量以优化养分循环与林分生产力。

　　这篇研究探讨了长期的水肥管理对北方平原地区白杨树人工林土壤有机氮和可溶性氮含量及其分布的影响。通过13年的田间试验，研究人员分析了不同灌溉水平和氮肥施用量对土壤氮素形态的综合效应。研究结果显示，氮肥施用、灌溉及其相互作用显著影响了土壤总氮（TN）、有机氮组分和可溶性氮含量。通过冗余分析发现，TN和可溶性有机氮（SON）是解释土壤有机氮组分变化的最佳变量。氮肥和灌溉对有机氮组分和可溶性氮的含量和分布具有显著影响，尤其是在白杨树人工林生态系统中。此外，研究还探讨了土壤中氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）与氮素组分之间的关系，发现AOB在氮素动态变化中表现出更强的关联性。研究建议，为了维持土壤肥力并优化氮素供应，应将土壤水分含量保持在田间持水量的45%以上，并将氮肥施用量控制在304.8 kg·hm?2。这些发现对提高大规模木材人工林的生产力、减少氮素淋失风险以及提升水肥利用效率具有重要意义。

研究首先介绍了一个全球范围内日益增加的植树造林趋势，这不仅满足了木材需求，还增强了森林生态系统服务。由于白杨树具有快速生长和高抗逆性，它在北方平原地区成为一种理想的树种。然而，这种快速生长需要大量的水分和氮素。土壤氮素的来源和形态对于森林的生产力和生态功能至关重要。氮素主要以有机形式存在于土壤中，占总氮的85–90%。土壤有机氮不仅影响矿质氮的来源和储存，还决定了氮素供应的潜力。不同土壤有机氮组分在氮素循环中发挥着不同的作用，直接影响植物对氮素的吸收和利用。

研究人员对土壤有机氮组分进行了分类，主要包括酸水解氮（AHN）和非水解氮（NHN）。AHN包括铵态氮（AN）、氨基酸氮（AAN）、氨基糖氮（ASN）和水解未知氮（HUN）。不同的土壤有机氮组分在氮素循环中的作用各不相同，它们的动态变化会影响土壤氮素的可用性。此外，土壤中的可溶性氮是土壤氮素循环中的重要组成部分，它在植物和微生物之间起到桥梁作用，有助于氮素的流动和转化。可溶性氮容易通过地表径流或淋溶流失，从而造成环境污染。因此，理解可溶性氮的动态变化对于优化氮素利用和保护环境具有重要意义。

为了评估不同水肥管理策略对白杨树人工林土壤氮素组分的影响，研究人员设计了一个田间试验，其中设置了三种灌溉水平（W1、W2、W3）和四种氮肥施用率（N0、N1、N2、N3）。这些处理组合形成了12个不同的实验组，每个组有三个重复，共36个样地。研究人员在每年的生长高峰期（5月、6月和7月）同时施用氮肥、磷肥和钾肥。通过收集和分析土壤样本，研究团队评估了不同处理对土壤基本性质、有机氮组分和可溶性氮含量的影响。结果显示，土壤总有机碳（SOC）和总氮（TN）含量随着氮肥施用量的增加而上升，而随着灌溉量的增加则有所下降。同时，氮肥施用量和灌溉量的相互作用也显著影响了这些指标。

土壤有机氮组分的变化表明，氮肥施用量增加会导致AHN含量增加，而灌溉量增加则会降低AHN含量。在0–40 cm的土壤层中，AHN含量随着氮肥施用量的增加而上升，而随着灌溉量的增加则下降。这些结果表明，氮肥施用量对土壤有机氮组分的积累和分布具有显著影响。此外，土壤可溶性氮的含量和分布也受到氮肥施用量和灌溉量的显著影响。研究发现，随着氮肥施用量的增加，可溶性氮（TSN）和SON的含量也显著上升，而随着灌溉量的增加，这些含量则呈下降趋势。这表明，氮肥和灌溉量的调整对于土壤氮素的流动和转化具有重要作用。

通过冗余分析，研究人员发现TN和SON是解释土壤有机氮组分变化的关键变量。此外，AOB在氮素组分的动态变化中表现出更强的关联性，这表明细菌在氮素转化过程中起着重要作用。相比之下，AOA与氮素组分的关系不显著。这些发现强调了在白杨树人工林生态系统中，AOB在调节氮素转化和矿化中的关键作用。

研究还探讨了氮肥和灌溉对土壤可溶性氮的影响。可溶性氮的含量和分布与氮肥施用量和灌溉量之间存在显著的正相关关系。随着氮肥施用量的增加，土壤中可溶性氮的含量也显著上升，而随着灌溉量的增加则有所下降。这表明，氮肥的施用和灌溉的控制对于维持土壤氮素供应潜力至关重要。此外，土壤中氮素的流失风险也与灌溉量和氮肥施用量密切相关。在高氮肥施用量和高灌溉量条件下，土壤中的氮素容易被淋溶，从而导致氮素流失。

在土壤氮素供应潜力方面，研究发现，氮肥施用量和灌溉量的综合调控可以显著提高土壤氮素供应能力。AHN、AAN和SON是影响氮素供应潜力的主要组分，它们的含量和分布与氮肥施用量和灌溉量密切相关。在白杨树人工林中，保持土壤水分含量在田间持水量的45%以上，并将氮肥施用量控制在304.8 kg·hm?2，可以有效维持土壤肥力并优化氮素供应。这一发现为大规模木材人工林的管理和优化提供了科学依据。

研究的结论表明，长期的水肥管理对土壤氮素组分和可溶性氮的含量和分布具有显著影响。通过合理的氮肥施用和灌溉管理，可以提高土壤氮素的利用效率，并减少氮素的流失风险。此外，研究还强调了土壤氮素供应潜力的重要性，以及如何通过调控氮肥和灌溉量来优化土壤肥力和氮素利用。这些发现不仅对白杨树人工林的管理具有指导意义，还对其他人工林和自然生态系统中的氮素管理提供了参考价值。

最后，研究人员还讨论了不同氮素组分在水肥管理下的氮素供应潜力。他们发现，氮肥施用量和灌溉量的调整可以显著影响土壤有机氮组分和可溶性氮的含量。通过提高氮肥施用量和降低灌溉量，可以优化土壤氮素的供应能力。此外，研究还指出，土壤有机氮组分和可溶性氮之间的相互作用是影响氮素供应潜力的重要因素。因此，合理的水肥管理策略对于维持土壤肥力和优化氮素利用具有重要意义。