土壤中供林木吸收利用的氮元素主要来自于微生物对有机质的分解，其矿化率常常是林木生长的主要限制因素(Reich et al., 1997)。矿化氮含量常作为土壤供氮能力的一项重要指标(Campbell et al., 1995)，由于缺乏田间条件下测定矿化率的有效方法，矿化率和其他生物化学过程间关系的确定受到制约，因此，一直以实验室培养来模仿田间氮矿质化过程，好气性培养法(Stanford et al., 1972; Bonde et al., 1987; Maimone et al., 1991; Motavalli et al., 1995)是广泛采用的方法，但缺乏对土壤中氮动态变化的长期研究(Richter et al., 1994a; Leigh et al., 1994; Richter et al., 1994b)，尤其缺乏退耕造林后林木生长对土壤氮营养持续利用影响的研究，通过对美国卡尔洪(Calhoun)退耕林地长达35年定位采集的土壤样品的氮矿质化研究，分析氮含量长期变化，较为客观地反映农业施肥、生物积累和森林地被对退耕造林地氮营养的影响，为我国森林资源的可持续利用提供参考。

1 试验地概况

试验地位于美国南卡罗来纳州的卡尔洪林地(34.5°N，82° E)，属温暖湿润的大陆性气候，夏季漫长炎热，冬季短而温凉，年均降雨量1 250 mm，年均蒸发量880 mm，20 cm土层的年土壤温度5~25 ℃，土壤为山麓花岗片麻岩发育形成的老成土(Richter et al., 1991)，表层土属砂壤土，深层土为粘壤土。该林地原为种植农作物(小麦)的农业用地，施氮水平达300 kg·hm^-2(Richter et al., 2000)。1957年冬季在退耕后休闲了近2年的2块相邻农地上以火炬松(Pinus taeda)苗按6 m×6 m、8 m×8 m、10 m×10 m、12 m×12 m四种不同株行距同年造林。

2 研究方法 2.1 试验地确定与样品采集

从上述火炬松林地中选取4块试验地建立永久定位监测点，且每一块试验地均含有上述4种株行距的试验小区。在造林后的40年中于1962、1968、1977、1982、1990、1997年冬季分别在每一试验小区内，对4种株行距以2 cm内径取土器分别分层取20个土样，按0~7.5、7.5~15、15~35、35~60 cm分层后混合，所有土样风干并过2 mm孔筛，然后取部分土样过0.25 mm孔筛，室温储藏于美国杜克大学森林土壤实验室的有盖玻璃瓶中。

2.2 实验室培养

由于试验地土层深厚，0~35 cm土层内的土壤样品间养分变化较小(Richter et al., 2000)，加之7.5~15、15~35 cm土层的储藏样品较少，因此选取0~7.5 cm土层作为表层土壤，35~60 cm土层作为深层土壤样品，分别取造林后林龄5、11、20、25、33、40年6个不同时段每一试验小区不同密度0~7.5 cm和35~60 cm的土壤样品各2 g置于50 mL塑料离心管中，按土壤质地(Brady et al., 1999)以蒸馏水把样品带至田间持水量，拧紧盖子，盖子顶部以20 cm长，外径2 cm的塑料软管连接至另一盛有50 mL蒸馏水的相同塑料离心管中，以使放置土样的培养管在培养过程中始终保持湿度，避免土壤干燥和土壤水分挥发凝结，另外，用塑料泡沫包被每一只管子以保持培养过程中的温度。把以上准备好的盛有土壤样品的培养装置置于30?℃培养箱中培养30 d，并通过盛土培养管的重量变化，添加蒸馏水保持培养土样的田间持水量。培养结束后，以20mL，2mol·L ^－1 KCl浸提剂(Keeney et al., 1982)直接加入盛土培养管中，振荡1小时，以Whatman 42滤纸过滤，滤液于48小时内用自动比色计测定NH₄⁺-N和NO₃^－-N。另取上述不同林龄、不同密度林分、不同土层的储藏样品，以Auto Analyzer分析土壤全氮。

3 结果分析 3.1 退耕造林后的土壤全氮含量变化

林木40年的生长过程中，0~7.5 cm土层的全氮含量从造林第5年时的301. 0 mg·kg^-1迅速下降，至第11年时降至230.0 mg·kg^-1，第20年时降至201. 9 mg·kg^-1，第25年时降至192.0 mg·kg^-1，第33年时降至178.0 mg·kg -1，之后开始回升，逐渐增至第40年时的209.0 mg·kg^-1，这一现象与造林后的微生物类群发生变化、数量增加对土壤中积累的N的分解加速，以及林木生长过程中对氮营养的不断吸收有关；随着生长速度的减缓，森林中大量凋落物经土壤微生物分解而使土壤中的N开始积累。35~60 cm深层土壤的全N含量较表层高，林龄第5年时采集的土样测定值高达400 mg·kg^-1，表明了造林前农业施肥不仅影响表层土壤，而且影响深层土壤，这一结果与多数研究结果不同，原因不十分清楚，可能与长期农业栽培的大量施肥有关。深层土壤的全N含量虽较表层积累得多，但伴随着林木生长，也呈现出与表层土壤相同的下降和增加趋势，见图 1。

对与土壤样品同步采集的林木不同部位器官样品进行分析，得到的生物有机N含量显示：造林后土壤全氮含量下降最为显著的第11年，也是生物氮积累最为迅速的阶段，之后，伴随着土壤全氮含量的下降，林木迅速生长、氮不断积累，林龄35年时积累的氮达最大值，之后保持稳定或略有减少，见图 2，这一结果与土壤全N含量的变化呈明显负相关，见表 1。

3.2 退耕造林后的土壤NH₄⁺-N含量和NO₃^－-N含量变化

造林后5年时，0~7.5 cm表层土壤的NH₄⁺-N含量为25.30 mg·kg^-1 ，并随树龄的增长而迅速下降，林龄20年时降至4.10 mg·kg^-1的最低值，之后，这种下降趋势逐渐减缓并开始回升，33年时土壤中的NH₄⁺-N含量已接近林龄5年时的50%。35~60 cm深层土壤的NH₄⁺-N含量在造林后的第5年时仅为8.10 mg·kg^-1，约为表层土的1/3，并呈现出与表层土壤NH₄⁺-N一致的变化趋势，在林龄20年时降至3.10 mg·kg^-1的最低值。表层土壤的NO₃^－-N含量在造林后的前20年呈增加趋势，20年后则呈下降趋势，并在林龄25年时，迅速降低，之后，这种下降趋势减缓，并与NH₄⁺-N一样逐渐增加，树龄33年和40年时分别增加了50%和100%，深层土壤的NO₃^－-N含量在造林后的前33年呈下降趋势，且下降的最大值出现在林龄33年时，下降达100%，林龄40年时NO₃^－ -N含量则增加，增加幅度达125%，见图 3。

3.3 退耕造林后的土壤矿质态N含量变化

林龄5年时，0~7.5 cm表层土壤的矿质N含量最高，平均达25.60 mg·kg^-1(CV=11.54%)，如此高含量的矿质氮与造林前的农业施肥有关(Richter et al., 2000)。由于林木前期的旺盛生长，大量消耗土壤的有效N，矿质N含量迅速下降，在造林后第11年时降低了81%(CV=15.51%)，之后，近10年的生长过程中，土壤矿质氮含量基本保持稳定，到林龄20年时仅比第10年减少了1%(CV=22.17%)，随后，矿质N含量开始回升，林龄25年时较造林后下降最低的第20年增加了17.39%，林龄33年时土壤中的矿质氮含量已恢复到造林初期(林龄5年)的48%，40年时则增至53%。造林25年后，矿质N增加的含量虽仅为造林初期的一半，但表明了林木郁闭和森林环境改善对土壤肥力的恢复作用。土壤矿质氮的这种增减变化与土壤全氮含量变化高度相关(相关系数0.927)，但与全N不同的是，土壤中有效N主要集中在土壤表层，35~60 cm深层土壤的矿质N含量较低，造林初期第5年时也仅为8.50 mg·kg^-1，表明土壤氮矿质化主要发生在表层，见表 2。

4 结论与讨论

在控制温度和湿度的条件下培养得到的矿化氮结果，虽然难于准确反映田间条件下的矿化氮状况，然而，造林40年的矿质氮实验结果所表明的增减变化，对森林可持续经营管理有较大参考价值，且40年的长期定位研究表明，植株密度对土壤氮营养的变化影响不大，不同年份4种林分密度的矿质氮含量相差不大，测定值间的变异系数较小(表 2)。

退耕造林5年后卡尔洪林地林木35年的生长过程中，所有试验小区的表层和深层土壤矿质氮均减少并显著相关(p < 0.001)，0~7.5 cm表层土壤的矿质氮含量减少了近47.0%，35~60 cm深层土壤减少了13.0%，并在林木生长的头20年下降最为显著，20年后卡尔洪林地土壤氮含量下降趋势减缓并逐渐回升，表明退耕造林形成的森林环境及其产生的枯枝落叶层已成为土壤营养的重要来源，森林生态系统自身已处于可持续循环的良性状态。

林木生长过程中，尤其是林木生长早期对土壤氮的吸收积累较为迅速，无疑，造林前耕地中施入的氮对树木早期生长有重要作用；该研究虽然缺乏造林前土壤样品的分析，Richter等人(2000)对卡尔洪相似条件下现存农业用地的氮含量水平分析结果与林龄5年时的分析结果接近，可以认为造林后5年时的幼苗对土壤N含量影响较小，所取土壤样品的分析结果基本能代表和反映农业土壤氮营养水平，可作为退耕后造林地土壤N动态变化参照。

虽然对0~7.5 cm和35~60 cm土层土壤的研究较好地说明了表层土与深层土的N矿质化过程，但仍需对7.5~15 cm和15~35 cm土层土壤N的矿质化进一步进行研究。