氮素在植物生长过程中至关重要，通常分为有机态氮与无机态氮两大类，有机态氮能通过微生物的矿化作用转化为植物可吸收的无机态氮^[1-2]，土壤中无机氮的含量直接决定着土壤的供肥能力^[3]，硝态氮与铵态氮是土壤有效氮存在的两种主要形式。土壤团聚体是经凝聚胶结作用后形成的^[4]，是土壤最基本的组成部分，也是维持土壤碳氮等养分稳定的重要载体，不同粒径的土壤团聚体对土壤中氮的吸附及其稳定性的保持具有差异，进而影响土壤养分的循环过程^[5]。林窗形成后会对森林造成干扰，影响森林小气候以及土壤水热条件，从而促使土壤中的氮素产生改变，林窗面积是最直接的影响因素之一^[6-7]。有研究表明，采伐形成的林窗可促进氮的循环^[8]，并在人工林林分结构优化和调整上具有重要价值^[9]。当前对于林窗的研究多集中在林窗特征^[10]、生物量^[11]和物种多样性^[11-12]等方面，对林窗土壤团聚体的研究较少。

马尾松(Pinus massoniana Lamb.)是长江上游常见的短期工业用材以及退耕还林的重要树种，但长期的大面积单一种植引起了人工林林地生产力下降，也造成了生物多样性和土壤肥力下降等生态问题^[12]，因此，亟待通过一定的人为干预帮助其恢复生态功能。本研究以马尾松人工林不同面积林窗土壤团聚体中铵态氮和硝态氮含量作为林窗改造后土壤养分状况的检测指标，探寻造成土壤铵态氮与硝态氮含量变化的关键因素以及适宜的林窗面积来改造马尾松人工林生态系统，提升土壤肥力，为今后的马尾松人工林改造和经营提供参考。

试验地位于四川省宜宾市高县来复镇毛巅坳林区(28°36′00″~28°36′36″N，104°33′36″~104°34′12″E)，属亚热带湿润季风气候，雨热同季，雨季为5—10月，年降水量1 028 mm，相对湿度81%，地形以低山丘陵为主，海拔高度400~550 m，年日照时间1 148 h。研究样地为地形、海拔、土壤类型、坡度和坡向等相近的39年生成熟马尾松人工纯林，平均株高16 m，林分密度1 100株·hm^-2，郁闭度约0.7，林下灌草覆盖度40%，主要灌木有茶荚蒾(Viburnum setigerum Hance)、铁仔(Myrsine africana Linn.)、梨叶悬钩子(Rubus pirifoliu Smith)、枹栎(Quercus serrata Thunb.)等。土壤为酸性山地黄壤，土壤发育完善，层次过渡明显。

2011年10月，在前期调查的基础上，在试验区选择立地条件相似、中坡的马尾松人工纯林，采伐7种不同面积的近正方形林窗各3个, 共21个样地，同时设置3个未砍伐的马尾松人工纯林样地作为对照(CK)，各林窗之间距离不小于10 m，样地基本情况如表 1所示。2012年, 在砍伐形成的各林窗中央补植当地乡土树种油樟[Cinnamomum longipaniculatum (Gamble) N. Chao ex H. W. Li]幼苗，株行距为2.5 m×2.5 m，构建斑块状混交改造模式，其余灌草植被自然更新。

每年12月至次年2月为亚热带地区马尾松的休眠期，3—4月为抽梢期，5—11月为生长发育期^[6]。因此，在林窗形成8 a后，于2019年11月(生长发育期末期)进行采样。在各林窗中央、林窗边缘随机选择相同的样方各3个(图 1)，先去除土壤上方的凋落物层，然后用100 cm³的环刀分别采集各样方中0~10 cm的表层土壤，将从各个样方中采集的土壤混匀后分别装入无菌塑封袋中。在远离林窗边缘且面积大于400 m²的成片纯林(CK)处随机选取3个样方，去除凋落物后在各样方内用100 cm³的环刀采集0~10 cm的表层土壤，混匀，将所有土样置于冰袋保鲜箱中尽快运回实验室。其中，林窗边缘界定为林冠空隙边缘与周围边界木基部所围成的部分。

	图 1 林窗样方示意图 Fig. 1 Sketch map of a forest gap
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土样带回实验室后，去除小石子和动植物残体，风干24 h后采用干筛法进行土壤团聚体的分离，将土样分别过2.00、1.00和0.25 mm的筛子，分离后为4个粒径组(< 0.25 mm、0.25~1.00 mm、1.00~2.00 mm和>2.00 mm)。各粒径土壤团聚体经分离后分别称量并记录质量，用于计算各粒径团聚体的原始比例。分离后的土样放入4 ℃冰箱保存。土样总数为180个[3个林窗重复×7个林窗×2个采样位置(林窗中央与林窗边缘)×4个土壤粒径组+1个CK×3个重复×4个土壤粒径]。

土壤铵态氮采用2 mol·L^-1 KCl浸提，靛酚蓝比色法测定含量，土壤硝态氮含量采用紫外分光光度法测定^[6]。含水量采用铝盒烘干法测定，烘干温度为105 ℃，烘干时间为24 h^[6]。土壤pH值按水土体积比2.5∶1采用STARTER 300便携式酸度计测定^[5]。

用Excel 2019和SPSS 20.0软件进行数据统计与分析，Origin 9.1软件绘图。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(least significant difference method, LSD)检验马尾松人工林土壤铵态氮和硝态氮含量在不同面积林窗、林窗位置(林窗中央与边缘)和不同粒径土壤团聚体的差异，三因素方差分析(three-way ANOVA)检验林窗面积、林窗位置和土壤团聚体粒径的交互作用对马尾松人工林铵态氮和硝态氮含量的影响。土壤铵态氮和硝态氮含量与土壤pH值、含水量的相关关系采用Pearson相关分析，显著水平为α=0.05。

不同面积林窗和CK的土壤团聚体粒径结构均以粒径>2.00 mm为主，并且各林窗土壤微团聚体(粒径 < 0.25 mm)的比例均小于CK(图 2)。从图 2(a)可以看出，在林窗边缘，粒径>2.00 mm和 < 0.25 mm的土壤团聚体所占比例随林窗面积变化差异不大，粒径为0.25~1.00 mm与1.00~2.00 mm的土壤团聚体所占比例随林窗面积的改变呈现出波浪形的变化规律。从图 2(b)可以看出，在林窗中央，林窗面积越大，粒径>2.00 mm的土壤团聚体占比越高，各林窗粒径 < 0.25 mm的土壤团聚体占比随林窗面积增大出现先下降后升高再下降的规律，粒径为0.25~1.00 mm的土壤团聚体占比表现出：CK>G1>G2>G4>G5>G6>G3>G7，粒径为1.00~2.00 mm的土壤团聚体占比(除G2外)随林窗面积的变大而逐渐下降。

	图 2 不同面积林窗土壤团聚体结构特征 Fig. 2 Structural characteristics of soil aggregates from different sizes of forest gaps
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林窗边缘和林窗中央的土壤铵态氮含量变化如图 3所示。林窗边缘土壤铵态氮含量比林窗中央略高。从土壤团聚体大小来看，林窗中央与林窗边缘均表现为粒径 < 0.25 mm的土壤团聚体铵态氮含量最高，并且随土壤团聚体粒径增大逐渐降低，但均高于CK。G1中各粒径的铵态氮含量为各林窗中最低，在G7边缘，粒径 < 0.25 mm，0.25~1.00 mm和1.00~2.00 mm的土壤团聚体铵态氮含量最高，在G7中央，粒径为1.00~2.00 mm和>2.00 mm的土壤团聚体铵态氮含量最高。G5中央粒径 < 0.25 mm的土壤团聚体铵态氮含量最高，G5边缘粒径>2.00 mm的土壤团聚体铵态氮含量最高。

注：不同小写字母表示同一土壤团聚体中的土壤铵态氮含量在不同林窗间有显著差异(P < 0.05)，不同大写字母表示同一林窗间不同土壤团聚体间的土壤铵态氮含量有显著差异(P < 0.05)。 Note: lowercase letters indicate significant differences among different gap sizes within the same aggregate composition(P < 0.05); uppercase letters indicate significant differences among different aggregate compositions within the same gap size(P < 0.05). 图 3 林窗边缘和林窗中央的土壤铵态氮含量 Fig. 3 Contents of ammonium nitrogen in soil in the centers and edges of gaps of different sizes

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土壤铵态氮含量受林窗面积和粒径大小影响显著，且各林窗土壤铵态氮含量均高于CK。在林窗边缘[图 3(a)]，只有G7的土壤铵态氮含量随土壤团聚体粒径的增大而降低，其余林窗土壤铵态氮含量都随土壤团聚体粒径的增大先降低后升高；G2~G5的最大粒径土壤团聚体铵态氮含量均为最高；G1与G6的规律一致，最小粒径土壤团聚体铵态氮含量最高，粒径为1.00~2.00 mm的土壤团聚体铵态氮含量最低。G7林窗边缘粒径 < 0.25 mm的土壤团聚体铵态氮含量与在其他林窗边缘的差异显著(P < 0.05)，0.25~1.00 mm的土壤团聚体铵态氮含量与除G6外的其他林窗边缘的差异显著(P < 0.05)，G6和G7林窗边缘粒径为1.00~2.00 mm的土壤团聚体铵态氮含量与在其他林窗边缘的差异显著(P < 0.05)，G5和G6林窗边缘粒径>2.00 mm的土壤团聚体铵态氮含量与在G1、G2和G7林窗边缘的差异显著(P < 0.05)。在林窗边缘，G1粒径 < 0.25 mm与粒径为1.00~2.00 mm、>2.00 mm的土壤团聚体之间铵态氮含量差异显著(P < 0.05)，G2和G3粒径>2.00 mm的土壤团聚体铵态氮含量与在同林窗其余粒径差异显著(P < 0.05)，G4粒径>2.00 mm与粒径 < 0.25 mm、0.25~1.00 mm的土壤团聚体之间的铵态氮含量差异显著(P < 0.05)，G5粒径 < 0.25 mm与粒径>2.00 mm的土壤团聚体之间的铵态氮含量差异显著(P < 0.05)。

在林窗中央[图 3(b)]，除G7外，土壤团聚体的铵态氮含量总体上随土壤团聚体粒径的增大而降低，G7中最小粒径土壤团聚体的铵态氮含量最低。G1粒径 < 0.25 mm的土壤团聚体铵态氮含量与G5、G6差异显著(P < 0.05)，G7粒径0.25~1.00 mm和1.00~2.00 mm的土壤团聚体铵态氮含量与G1~G4差异显著(P < 0.05)，粒径>2.00 mm的土壤团聚体铵态氮含量与在其余林窗中的均差异显著(P < 0.05)。G2粒径 < 0.25 mm的土壤团聚体铵态氮含量与在同林窗其余粒径中的差异显著(P < 0.05)，G3和G4粒径>2.00 mm的土壤团聚体铵态氮含量与在同林窗其余粒径中的差异显著(P < 0.05)。

林窗边缘和林窗中央的土壤硝态氮含量变化如图 4所示。从[图 4(a)]可以看出，在林窗边缘，土壤硝态氮含量随林窗面积的增大先下降后升高，总体上呈现出“U”形的变化规律，其中，G7最高，G3最低，G1和G3均低于CK。G1、G3与G7粒径 < 0.25 mm的土壤团聚体硝态氮含量差异显著(P < 0.05)。在G6林窗边缘，粒径 < 0.25 mm的土壤团聚体中的硝态氮含量与其余粒径之间差异显著(P < 0.05)，而在其余林窗中不同粒径的土壤团聚体之间的硝态氮含量均无显著性差异。

注：不同小写字母表示同一土壤团聚体中的土壤硝态氮含量在不同林窗间有显著差异(P < 0.05)，不同大写字母表示同一林窗间不同土壤团聚体间的土壤硝态氮含量有显著差异(P < 0.05)。 Note: lowercase letters indicate significant differences among different gap sizes within the same aggregate composition(P < 0.05); uppercase letters indicate significant differences among different aggregate compositions within the same gap size(P < 0.05). 图 4 林窗边缘和林窗中央的土壤硝态氮含量 Fig. 4 Contents of nitrate nitrogen in soil in the centers and edges of gaps of different sizes

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从[图 4(b)]可以看出，在林窗中央，土壤硝态氮含量随林窗面积的变大呈现先升高后下降再升高的现象，总体上呈现出“W”形的变化规律，其中，G4最高，其次为G7，除G4外，其余林窗的土壤硝态氮含量差异不大且均低于CK。从土壤团聚体的粒径大小来看，林窗中央和林窗边缘的土壤硝态氮含量变化趋势一致，均随土壤团聚体粒径增大而下降。从粒径 < 0.25 mm的土壤团聚体硝态氮含量来看，G4与G3、G5、G6有显著差异；G4其余粒径土壤团聚体的硝态氮含量均与G5有显著差异(P < 0.05)。在G1中，粒径 < 0.25 mm与粒径>2.00 mm的土壤团聚体硝态氮含量差异显著(P < 0.05)，其余林窗中央的土壤硝态氮含量在各粒径土壤团聚体中无显著性差异。

不同面积林窗土壤含水量与pH值如图 5所示。林窗边缘和林窗中央的含水量均高于CK，且林窗中央的含水量高于林窗边缘。林窗中央土壤含水量波动较剧烈，其中, G7最高，G1最低。林窗中央土壤pH值随林窗面积增大先减小后增大，且均大于CK；林窗边缘土壤pH值波动较大，其中, G7最大，G5最小(2.61)且小于CK。总体来说，林窗中央的土壤pH值较高，林窗边缘的土壤酸性更强。

	图 5 不同面积林窗土壤含水量和pH值 Fig. 5 Soil moisture content and pH value in forest gaps with different sizes
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环境因子与土壤铵态氮、硝态氮含量的相关性分析结果显示(表 2)，含水量与土壤pH值、土壤铵态氮、硝态氮含量均呈极显著正相关(P < 0.01)，土壤pH值与土壤铵态氮含量呈显著正相关(P < 0.05)，与土壤硝态氮含量呈极显著负相关(P < 0.01)；土壤铵态氮含量与硝态氮含量有极显著正相关关系(P < 0.01)。

林窗面积和土壤团聚体粒径大小对土壤铵态氮和硝态氮含量变化都产生了极显著影响(表 3)，采样位置对于土壤硝态氮含量变化有显著影响，采样位置与林窗面积的交互作用对土壤硝态氮含量变化也有显著影响。各因子的交互作用对土壤铵态氮含量变化无显著影响。

林窗面积是影响土壤养分的重要因子之一^[6]，但是过大或者过小的林窗面积都不利于马尾松人工林的生长发育和土壤养分的循环^[13]。已有研究表明，中型林窗(G4)的物种丰富度和生态系统稳定性比大型林窗和小型林窗高^[12]，其土壤动物和微生物较活跃^[14]，促进了矿化和硝化作用。由于采样季节处于秋末，凋落物较多，且林窗中央补植了油樟，有研究发现，中型林窗中凋落叶分解速率更快，并且油樟凋落叶的分解速率高于马尾松^[14]，因此，中型林窗中央的土壤硝态氮含量最高。在本研究中，林窗边缘的土壤硝态氮含量略高于林窗中央，可能是因为林窗中央补植了油樟，在林窗边缘会出现马尾松凋落物与油樟凋落物混合，同时，林窗边缘凋落物较多，地表不易受到雨水冲刷，淋溶作用小，而在林窗中央由于只存在油樟凋落物，地表凋落物数量较林窗边缘少，地表易受到冲刷，养分流失较快。林窗面积增大，土壤铵态氮含量也增大且均高于CK。有研究表明，大林窗相比其他林窗生态优势更加显著，且物种多样性更高^[12]，这可能因为森林采伐后，太阳辐射的增大使土壤温度升高，同时，林窗砍伐后树桩和根系的残留增加，促使氮素的矿化水平增高^[15]。小面积的林窗郁闭度高，造成林窗内水热条件较差，凋落物分解受限，养分释放到土壤的速率较慢，大面积林窗则相反。

在不同粒径土壤团聚体中，土壤有机质的组成及转化速率不同会影响土壤团聚体中氮库的分布^[16]。有研究表明，土壤有机质在大粒径土壤团聚体内活跃度更高，更容易矿化^[17]，并且大粒径土壤团聚体中的碳、氮多以植物为来源，周转率较高，养分更容易流失^[18]；土壤微团聚体中的碳、氮，多以微生物为来源，周转率较低，能长期储存^[19]。无论是林窗边缘还是林窗中央，土壤硝态氮含量均出现随着土壤团聚体粒径的增大而降低的现象，可能因为土壤微团聚体保存和吸附氮素的能力较强^[20]，使土壤硝态氮更容易聚集。土壤铵态氮与硝态氮含量变化趋势相似，都在小粒径土壤团聚体中含量较高，大粒径土壤团聚体中含量较低，但在最大林窗(G7)中则表现出不同的趋势，最小粒径土壤团聚体的铵态氮含量最低，出现此现象可能是大型林窗中土壤组分结构的变化导致的，林窗面积越大，地表直接受到降雨流水侵蚀的可能性就越大，水土流失会造成土壤团聚体组成比例发生变化，粒径 < 0.25mm的土壤团聚体在总土壤团聚体中的占比低于0.5%，因此，其中的铵态氮含量也较其他粒径的土壤团聚体低。林窗中央的大粒径土壤团聚体更多，林窗边缘各粒径土壤团聚体的组成相差不大。林窗边缘小粒径土壤团聚体所占比例高于林窗中央，但均低于CK，说明采伐林窗对改造土壤团聚体组成结构有促进作用，尤其是大面积的林窗能够有效促进大粒径土壤团聚体的形成。

林窗中央的含水量均大于林窗边缘，林窗中央的土壤铵态氮含量总体上高于林窗边缘，土壤含水量与土壤铵态氮、硝态氮含量均极显著正相关(P < 0.01)，有研究表明，林地中的水分变化会影响土壤团聚体氮素矿化速率^[21]。土壤pH值与土壤铵态氮含量呈显著正相关(P < 0.05)，与土壤硝态氮含量则表现出极显著负相关(P < 0.01)。

土壤铵态氮的含量总体上高于硝态氮，这可能是因为硝态氮带负电，相较于带正电的铵态氮更容易产生淋溶，从土壤中流失^[22]；也可能是由于马尾松较常出现在贫瘠土壤中及其对营养要求较低的生物学特性决定了其更加偏好于铵态氮^[23]。林窗中央的土壤酸性低于林窗边缘，说明林窗形成后有效改善了土壤的酸碱性，而强酸性土壤会导致氨化作用强于硝化作用^[24]，使得铵态氮的含量总体高于硝态氮。在植物的生长季到土壤冻结的初期，由于受温度的影响，生物活动减弱，硝化作用受到抑制，导致土壤中铵态氮含量高于硝态氮，在生长季节，硝态氮的淋溶比例更大^[25]，这都与本研究结果一致。

林窗形成后，林窗中央土壤的酸化程度降低，生长季节末期的淋溶作用是导致土壤硝态氮含量低于铵态氮的主要原因。林窗面积大小对林窗中央的土壤团聚体组成结构产生了明显的影响，补植油樟后，大型林窗能够有效改善土壤结构，提高大粒径土壤团聚体的比例。大型林窗(G7)边缘和中型林窗(G4)中央更有利于土壤硝态氮积累，无论是林窗中央还是林窗边缘，土壤微团聚体中的硝态氮含量最高。土壤铵态氮含量在林窗边缘与林窗中央的变化趋势一致，林窗面积越大，土壤铵态氮含量越高，且均高于CK，但随土壤团聚体粒径的增大而降低。补植油樟后，林窗面积对土壤铵态氮和硝态氮含量变化产生了影响，说明林窗面积和林分改造会影响土壤肥力，能有效提升土壤中的养分含量，改善土壤养分结构，提高土壤质量和生产力，为今后的马尾松人工林可持续经营奠定基础。