地球环境所揭示黄土高原不同生态治理方式对土壤氮循环的影响

植树造林是重建生态系统的一项重要生态措施。在湿润地区，由于水分充足，利用植树造林的方法进行生态恢复通常被认为是合理的；而在干旱和半干旱地区，大规模植树造林受到很多质疑。众多研究表明，干旱地区植树造林大量消耗土壤水分，使得土壤水分亏缺越来越严重，从而导致生态系统的恶化。然而，干旱地区植树造林除消耗土壤水分外，也将消耗大量的土壤养分，尤其是氮素养分。已有研究表明，植树造林能够消耗土壤氮库，降低土壤氮素有效性，使生态系统出现持续性的氮限制现象（progressive N limitation），并且这种现象在全球变暖的背景下更为显著。在干旱地区，由于氮素养分含量本身很低，大规模植树造林可能使这种持续性的氮限制现象更为严重。然而，干旱地区植树造林后，人们对这种生态过程的变化及其发展幅度知之甚少。清晰地了解这一生态过程有助于科学评估干旱地区植树造林后土壤氮素的发展趋势及未来可能出现多大程度的氮限制现象。

针对上述科学问题，中国科学院地球环境研究所副研究员金钊及其合作者在国家自然科学基金项目的资助下，选择黄土高原西峰南小河沟人工植树造林和植被自然恢复小流域（对照）为研究对象（图1），研究了近60年黄土高原人工植树造林和植被自然恢复方式下土壤氮库、氮素有效性及来源的差异。结果表明，人工造林和植被自然恢复生态系统的土壤氮库储量无显著差异，但人工造林土壤的氮素养分含量（nitrate）明显高于植被自然恢复生态系统。此外，人工造林生态系统凋落物的全氮含量及稳定同位素比值（δ15N）也明显高于植被自然恢复生态系统。这些结果表明，60年人工植树造林并没有显著降低土壤的氮素养分含量，也没有出现持续性的氮限制现象，反而土壤氮素养分明显高于植被自然恢复土壤。这种现象的出现，主要归结于两个方面因素：（1）人工造林的主要树种为刺槐。刺槐是重要的生物固氮树种，刺槐的生物固氮作用为人工造林土壤提供了丰富的氮素养分，这些氮素养分进一步转化形成硝态氮保存在土壤中；（2）人工造林和植被自然恢复小流域水文条件的差异。观测表明，人工造林小流域径流量明显低于植被自然恢复小流域；此外，由于更强的蒸腾作用和土壤水分消耗，使得人工造林小流域土壤变得更加干燥。人工造林小流域较低的径流量和干燥的土壤条件更有利于土壤硝态氮的保存。在上述基础上，进一步分析了土壤硝态氮氮氧稳定同位素（δ15N 和δ18O）的差异，发现人工造林土壤硝态氮主要来源于土壤氮素的转化（硝化作用），而植被自然恢复土壤硝态氮可能来自以前人工施用氮肥的残存。

该研究成果发表在国际综合期刊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)。

图1 西峰南小河沟人工植树造林和植被自然恢复对比小流域

图2 人工植树造林和植被自然恢复小流域土壤全氮、硝氮和氨氮的差异