黃土高原不同生態治理方式對土壤氮循環的影響

　　植樹造林是重建生態系統的一項重要生態措施。在濕潤地區，由于水分充足，利用植樹造林的方法進行生態恢復通常被認為是合理的；而在干旱和半干旱地區，大規模植樹造林受到很多質疑。眾多研究表明，干旱地區植樹造林大量消耗土壤水分，使得土壤水分虧缺越來越嚴重，從而導致生態系統的惡化。然而，干旱地區植樹造林除消耗土壤水分外，也將消耗大量的土壤養分，尤其是氮素養分。已有研究表明，植樹造林能夠消耗土壤氮庫，降低土壤氮素有效性，使生態系統出現持續性的氮限制現象（progressive N limitation），并且這種現象在全球變暖的背景下更為顯著。在干旱地區，由于氮素養分含量本身很低，大規模植樹造林可能使這種持續性的氮限制現象更為嚴重。然而，干旱地區植樹造林后，人們對這種生態過程的變化及其發展幅度知之甚少。清晰地了解這一生態過程有助于科學評估干旱地區植樹造林后土壤氮素的發展趨勢及未來可能出現多大程度的氮限制現象。

　　針對上述科學問題，中國科學院地球環境研究所副研究員金釗及其合作者在國家自然科學基金項目的資助下，選擇黃土高原西峰南小河溝人工植樹造林和植被自然恢復小流域（對照）為研究對象（圖1），研究了近60年黃土高原人工植樹造林和植被自然恢復方式下土壤氮庫、氮素有效性及來源的差異。結果表明，人工造林和植被自然恢復生態系統的土壤氮庫儲量無顯著差異，但人工造林土壤的氮素養分含量（nitrate）明顯高于植被自然恢復生態系統。此外，人工造林生態系統凋落物的全氮含量及穩定同位素比值（δ15N）也明顯高于植被自然恢復生態系統。這些結果表明，60年人工植樹造林并沒有顯著降低土壤的氮素養分含量，也沒有出現持續性的氮限制現象，反而土壤氮素養分明顯高于植被自然恢復土壤。這種現象的出現，主要歸結于兩個方面因素：（1）人工造林的主要樹種為刺槐。刺槐是重要的生物固氮樹種，刺槐的生物固氮作用為人工造林土壤提供了豐富的氮素養分，這些氮素養分進一步轉化形成硝態氮保存在土壤中；（2）人工造林和植被自然恢復小流域水文條件的差異。觀測表明，人工造林小流域徑流量明顯低于植被自然恢復小流域；此外，由于更強的蒸騰作用和土壤水分消耗，使得人工造林小流域土壤變得更加干燥。人工造林小流域較低的徑流量和干燥的土壤條件更有利于土壤硝態氮的保存。在上述基礎上，進一步分析了土壤硝態氮氮氧穩定同位素（δ15N 和δ18O）的差異，發現人工造林土壤硝態氮主要來源于土壤氮素的轉化（硝化作用），而植被自然恢復土壤硝態氮可能來自以前人工施用氮肥的殘存。

　　 該研究成果發表在國際綜合期刊Scientific Reports (Zhao Jin, Xiangru Li, Yunqiang Wang, Yi Wang, Kaibo Wang, Buli Cui. Comparing watershed black locust afforestation and natural revegetation impacts on soil nitrogen on the Loess Plateau of China. Scientific Reports, 2016, 6:25048, DOI: 10.1038/srep25048)。