包翔 包秀霞 劉星岑

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010018) (呼和浩特民族學(xué)院) (內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué))

責(zé)任編輯:任 俐。

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地上接收氮沉降面積較大的生態(tài)系統(tǒng)。過(guò)量的氮沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生很多不利的影響，如影響樹(shù)木的生長(zhǎng)以及森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生物多樣性，加速森林土壤的酸化過(guò)程。目前，國(guó)外對(duì)白樺的研究較少，對(duì)樺屬其他種的研究較多。我國(guó)對(duì)白樺的研究主要集中在白樺的遺傳變異分析［1］、白樺繁育技術(shù)網(wǎng)［2］、白樺繁殖器官解剖結(jié)構(gòu)的研究［3］，以及白樺光合特性［4］、呼吸作用等方面的研究。硝態(tài)氮(－N)和銨態(tài)氮－N)作為主要的土壤有效氮源是植物可利用的主要無(wú)機(jī)氮素形態(tài)［5］，與植物生長(zhǎng)有密切關(guān)系［6］。由于受地形、母質(zhì)、植被、土壤侵蝕狀況及坡度等因素異質(zhì)性的影響，同一土壤類型上甚至同一林分類型下土壤氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同尺度上均有變化［7］。

目前，我國(guó)關(guān)于土壤氮礦化的研究主要集中在熱帶森林、溫帶草原以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了森林土壤氮礦化速率的影響因素［8］、水熱因素對(duì)土壤氮礦化的影響［9］以及不同植物種類對(duì)土壤氮礦化的影響［10］，但有關(guān)溫帶森林群落施肥對(duì)土壤氮礦化的研究還未見(jiàn)報(bào)道。通過(guò)本研究對(duì)認(rèn)識(shí)溫帶白樺森林生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的機(jī)制，深入了解森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、氮素的循環(huán)與轉(zhuǎn)化之間的關(guān)系，并對(duì)了解森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、營(yíng)養(yǎng)循環(huán)和氮素的循環(huán)與轉(zhuǎn)化具有重要的意義;為提高森林生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)管理以及生物多樣性保護(hù)等提供理論依據(jù);為了解該地區(qū)碳、氮循環(huán)的機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

賽罕烏拉自然保護(hù)區(qū)位于內(nèi)蒙古巴林右旗北部，距旗政府大板鎮(zhèn)115 km，地處大興安嶺南段地段。地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°18'～118°55'，北緯43°59'～44°27'，總面積10．04萬(wàn)hm2。該區(qū)冬季漫長(zhǎng)寒冷;夏季短促炎熱，降水量集中;年平均氣溫為2℃，最高氣溫達(dá)29℃，最低氣溫至零下32℃，年平均降水量為400 mm。位于植物生態(tài)區(qū)的中間位置，山頂為亞高山草甸植被。海拔由高到低森林植被分布依次有常綠針葉林白杄云杉(Picea meyeri)和夏綠針葉林華北落葉松(Larix priceps-ruprechtii)，沿山谷可下降到1 500 m，有發(fā)達(dá)的苔蘚層，覆蓋度90%。從山頂往下針葉林過(guò)度為夏綠闊葉林，包括白樺(Betula platyphylla)林、山楊(Populus davidiana)林，白樺占據(jù)山地陰坡的大部分面積，也分布于山地溝谷，在賽罕烏拉分布面積最大，其郁閉度約70%。土壤以棕壤為主，土層較厚，成土母質(zhì)以酸性、中酸性花崗巖、片麻巖、砂頁(yè)巖、流紋巖等殘積坡積物為主，其中也有少量黃土狀沉積物。

2 材料與方法

2．1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)根據(jù)歐洲和北美模擬氮沉降試驗(yàn)樣地的設(shè)計(jì)［11－14］，于2013年在賽罕烏拉自然保護(hù)區(qū)白樺次生林內(nèi)建立了施氮模擬樣地，施氮強(qiáng)度分別為高氮(40 kg·hm－2·a－1)、中氮(20 kg·hm－2·a－1)、低氮(10 kg·hm－2·a－1)、對(duì)照(0)，每個(gè)施氮水平上設(shè)立3個(gè)重復(fù)樣方(樣地面積為10萬(wàn)hm2，樣方面積為10 m×20 m，樣方間間距在10 m以上)。2013年5月份開(kāi)始正式施氮試驗(yàn)，按照處理水平的要求，在每年生長(zhǎng)季節(jié)的5—9月份的月初，將每個(gè)樣方每次所需要噴施的NH4NO3溶解在20 L水中，以肩背式噴霧器在樣地內(nèi)均勻噴灑。

2．2 取樣與測(cè)定方法

本研究采用封頂埋管法來(lái)估測(cè)氮素礦化速率，于每月施肥前采樣。采樣前，先將地表凋落物去除，將2支內(nèi)徑6 cm、長(zhǎng)15 cm PVC管同時(shí)打入地下0～15 cm土壤，取出其中1支中的土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，其測(cè)定結(jié)果作為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的初始值;另一管管頂加蓋，管底用紗布封口，埋回原位進(jìn)行原位培養(yǎng)。培養(yǎng)30 d后取出培養(yǎng)管。同時(shí)將下一批管按上述方法布置于前一次培養(yǎng)點(diǎn)附近，每個(gè)處理樣方內(nèi)均重復(fù)取樣3次。每個(gè)取樣點(diǎn)的土樣均勻混合后過(guò)2 mm篩，裝入自封袋中，低溫帶回實(shí)驗(yàn)室做室內(nèi)分析。于2013年5月份施肥前，在白樺天然次生林樣地邊緣等距離取10個(gè)點(diǎn)的0～10 cm土壤，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)。

土樣的NH4－N質(zhì)量分?jǐn)?shù)用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，NO3－N質(zhì)量分?jǐn)?shù)用紫外分光光度法測(cè)定;全氮用濃H2SO4－2HClO4消化，開(kāi)氏定氮測(cè)定分析。

2．3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2010統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并用SPSS19．0統(tǒng)計(jì)軟件中Two－way和One－way ANOVA分析方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

按以下公式計(jì)算有關(guān)參數(shù):

礦化速率(mg·kg－1·d－1)=［(培養(yǎng)后NO3－N質(zhì)量分?jǐn)?shù)+NH4－N質(zhì)量分?jǐn)?shù))－(土壤初始NO3－N質(zhì)量分?jǐn)?shù)+NH4－N質(zhì)量分?jǐn)?shù))］/培養(yǎng)時(shí)間，

硝化速率(mg·kg－1·d－1)=(培養(yǎng)后NO3－N質(zhì)量分?jǐn)?shù)－土壤初始NO3－N質(zhì)量分?jǐn)?shù))/培養(yǎng)時(shí)間，

氨化速率(mg·kg－1·d－1)=(培養(yǎng)后NH4－N質(zhì)量分?jǐn)?shù)－土壤初始NH4－N質(zhì)量分?jǐn)?shù))/培養(yǎng)時(shí)間。

3 結(jié)果與分析

3．1 施氮量對(duì)土壤氮礦化質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

從表1可以看出，土壤氨化、硝化和礦化質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5—7月份逐漸增加，并在7月份達(dá)到最高，5月份為最小;隨著氣溫的轉(zhuǎn)寒，7—9月份出現(xiàn)逐漸減小的現(xiàn)象。在高、中、低氮處理下土壤氨化、硝化和礦化質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于對(duì)照，且由大到小的順序?yàn)楦叩?、中氮、低氮、?duì)照。高氮處理下，氮礦化質(zhì)量分?jǐn)?shù)甚至成倍的增加，氨化和硝化質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加幅度相對(duì)較小。可見(jiàn)，白樺林土壤氮礦化對(duì)高氮處理的響應(yīng)更為敏感。

表1 白樺林土壤氮礦化質(zhì)量分?jǐn)?shù) mg·kg－1

在整個(gè)生長(zhǎng)季，同一月份中，高、中、低氮處理下土壤氨化、硝化和礦化質(zhì)量分?jǐn)?shù)均與對(duì)照有顯著差異(P＜0．05);5—9月份高氮、中氮、低氮處理相互之間差異顯著(P＜0．05)?？梢?jiàn)，施氮處理對(duì)土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)同樣存在累加性效應(yīng)，一方面銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，促使硝化過(guò)程向生成硝態(tài)氮的方向進(jìn)行，從而導(dǎo)致硝化質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加;另一方面，施加NH4NO3時(shí)，直接增加了硝態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而不是對(duì)氮礦化過(guò)程產(chǎn)生影響。

由表2土壤氮礦化量雙因素方差分析結(jié)果表明，時(shí)間(月份)和N處理對(duì)土壤氮礦化質(zhì)量分?jǐn)?shù)間有顯著交互作用，對(duì)NO3－N質(zhì)量分?jǐn)?shù)和NH3－N質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)顯著交互作用。

表2 時(shí)間、N處理及其交互作用對(duì)土壤氮礦化量的雙因素方差分析

3．2 施氮量對(duì)土壤氨化速率的影響

由表3可見(jiàn)，不同施氮量不同時(shí)間氨化速率存在顯著或極顯著差異。在整個(gè)生長(zhǎng)季中同一月份中，高氮、中氮、低氮處理下土壤氨化速率均與對(duì)照處理間存在極顯著差異(P＜0．01)。對(duì)照、低氮、中氮、高氮處理下，土壤氨化速率均在7月份達(dá)到最高，并且由大到小的順序?yàn)楦叩?(3．14±0．03)mg·kg－1·d－1)、中氮((2．75±0．02)mg·kg－1·d－1)、低氮((2．32±0．03)mg·kg－1·d－1)、對(duì)照((1．86±0．04)mg·kg－1·d－1)，且7月份土壤氨化速率均與其他時(shí)間的差異顯著(P＜0．05)。土壤氮礦化速率的雙因素方差分析結(jié)果表明(表4)，時(shí)間與N處理間存在顯著交互作用(P＜0．001)。

表3 白樺林土壤氨化速率

3．3 施氮量對(duì)土壤硝化速率的影響

由表5可看出，不同施氮量在不同的時(shí)間硝化速率存在差異。在整個(gè)生長(zhǎng)季中同一月份中，高氮、中氮、低氮處理下，土壤氨化速率均與對(duì)照間差異顯著(P＜0．05);5—8月份高氮、中氮、低氮處理彼此間差異顯著(P＜0．05)。對(duì)照、低氮、中氮、高氮處理下土壤硝化速率均在7月份達(dá)到最大，由大到小的順序?yàn)楦叩?(2．07±0．031)mg·kg－1·d－1)、中氮((1．91±0．042)mg·kg－1·d－1)、低氮((1．68±0．032)mg·kg－1·d－1)、對(duì)照((1．46±0．034)mg·kg－1·d－1)，7月份各個(gè)處理間土壤硝化速率均顯著高于其他幾個(gè)月份的(P＜0．05)。

表4 時(shí)間、處理及其交互作用對(duì)土壤氮礦化速率的雙因素方差分析

表5 白樺林土壤硝化速率

3．4 施氮量對(duì)土壤氮礦化速率的影響

由表6可以看出，在整個(gè)生長(zhǎng)季中相同時(shí)間里，高氮、中氮、低氮處理下土壤氮礦化速率均與對(duì)照間存在極顯著差異(P＜0．01)。對(duì)照、低氮、中氮、高氮處理下，土壤氮礦化速率均在7月份達(dá)到最高，由大到小的順序?yàn)楦叩?(5．19±0．06)mg·kg－1·d－1)、中氮((4．50±0．06)mg·kg－1·d－1)、低氮((3．90±0．05)mg·kg－1·d－1)、對(duì)照((3．20±0．06)mg·kg－1·d－1)，且7月份土壤氨化速率均與其他月份間的存在極顯著差異(P＜0．01)。

表6 白樺林土壤氮礦化速率

3．5 土壤礦化氮與全氮、土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

不同施氮處理下，土壤全氮、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與氮凈礦化速率都有較好的相關(guān)性。氮凈礦化速率與全氮、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)間一元二次方程回歸分析結(jié)果顯示(圖1、2)，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一元二次項(xiàng)方程擬合效果比全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的效果好，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)氮凈礦化速率的貢獻(xiàn)率為10%～30%，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)氮凈礦化速率的貢獻(xiàn)率為40%～97%。說(shuō)明，凈礦化速率與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的相關(guān)性比與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)間更為密切。

圖1 不同施氮處理下凈氮礦化速率與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的回歸曲線

4 結(jié)論與討論

Gundersen等［15］研究發(fā)現(xiàn)，氮沉降的增加促進(jìn)了土壤氮素的礦化作用，從而增加了土壤中的有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。袁穎紅等［16］對(duì)杉木林土壤養(yǎng)分研究發(fā)現(xiàn)，隨著氮沉降水平的增加，土壤和的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨之增加。胡艷玲等［17］對(duì)長(zhǎng)白山闊葉紅松林和楊樺次生林土壤有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)研究表明，在生長(zhǎng)季內(nèi)，兩種林型土壤總有效氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨著氮沉降的增加而增加，其中，高氮處理的增幅顯著，而低氮處理的增幅不明顯。本研究中，經(jīng)過(guò)氮沉降處理的樣地土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有所增加;與對(duì)照相比，高氮處理下土壤氮礦化量增加的最多，由大到小的順序表現(xiàn)為高氮、中氮、低氮、對(duì)照，說(shuō)明土壤氮礦化量隨著氮沉降量的增加而增加。這可能與在試驗(yàn)地噴施NH4NO3有關(guān)系，這直接提高了土壤有效氮水平的同時(shí)對(duì)土壤氮素礦化作用、硝化作用也有一定的影響，從而導(dǎo)致土壤氮的有效性得到了進(jìn)一步的增加。因?yàn)榛|(zhì)限制著土壤氮素的轉(zhuǎn)換過(guò)程，同時(shí)土壤和凋落物層的礦質(zhì)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著氮的輸入而增加，硝化菌、反硝化菌與植物吸收對(duì)氮的競(jìng)爭(zhēng)得到了極大的緩沖［18］。本研究同時(shí)也證明，隨著氮沉降時(shí)間的增加，氮處理下土壤的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對(duì)照差異越大，說(shuō)明氮沉降對(duì)土壤的影響存在累加性效應(yīng)。這與Gundersen［15］、袁穎紅［16］和胡艷玲［17］等研究結(jié)果相一致。

歐洲和北美一些通過(guò)模擬氮沉降增加對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)影響的研究表明，氮沉降對(duì)生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)的改變程度和方向取決于物種組成、森林年齡、土壤類型、土地利用歷史、地形和外加氮的組成與施加頻率等多種因素［19，15］。本研究也得出了相同的結(jié)論，在整個(gè)生長(zhǎng)季，氮輸入都使土壤氨化速率、硝化速率及氮礦化速率與對(duì)照相比滯后呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，而氮處理強(qiáng)度和氮處理時(shí)間又決定了其礦化速率的增加程度。但方運(yùn)霆等［18］對(duì)南亞熱帶森林研究中發(fā)現(xiàn)，只有經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的處理，才能發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外加氮處理響應(yīng)的一些特征。因此，要分析森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氮沉降響應(yīng)的差異并不是一蹴而就的事情，有待進(jìn)一步研究。

大多數(shù)人研究結(jié)果都表明，土壤氮礦化速率會(huì)隨著施氮量的增加而增加。但是人們同時(shí)認(rèn)為土壤氮礦化速率在前期會(huì)隨施氮量的增加而增加，但隨時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)森林達(dá)到氮飽和時(shí)則開(kāi)始下降［20］。本研究結(jié)果表明，外源氮輸入提高了白樺天然次生林土壤氮礦化速率，可能是因?yàn)樵黾拥牡煌寥烙袡C(jī)質(zhì)吸收，導(dǎo)致C/N減小，從而提高了分解過(guò)程中氮的釋放速度，這與大多數(shù)人研究結(jié)果相一致。陳立新等［21］對(duì)溫帶森林研究也表明，混合形態(tài)的氮沉降要比單種形態(tài)的氮沉降使土壤凈氨化速率、凈硝化速率及凈礦化速率增加幅度更高。本研究中并未出現(xiàn)氮礦化速率下降的情況，可能是因?yàn)楸狙芯恐粚?duì)生長(zhǎng)季的監(jiān)測(cè)，研究時(shí)間尚短，氮輸入還未達(dá)到森林氮飽和狀態(tài)，若要驗(yàn)證氮礦化速率是否會(huì)在森林到達(dá)氮飽和時(shí)下降，還需要進(jìn)行長(zhǎng)期的定位研究。另外，本研究發(fā)現(xiàn)氮沉降對(duì)土壤的影響存在累加效應(yīng)，因?yàn)殡S著氮沉降時(shí)間的延長(zhǎng)，樣地的土壤氨化速率、硝化速率及氮礦化速率與對(duì)照樣地的差異越大;而且土壤氮礦化速率對(duì)氮沉降的響應(yīng)格局受施氮強(qiáng)度和施氮時(shí)間長(zhǎng)短的影響。而且本研究中施氮處理對(duì)氨化速率的影響更為顯著，對(duì)硝化速率的影響并不明顯，這與趙大勇等［22］在亞熱帶森林研究中對(duì)模擬氮沉降的響應(yīng)結(jié)果相一致。

氮凈礦化速率可反映出土壤中用于植物生長(zhǎng)的氮素的可利用性，是研究森林生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)過(guò)程的重要內(nèi)容，土壤表層中有80%～97%的氮素存在于有機(jī)質(zhì)中［23］，且可礦化氮主要來(lái)自于土壤有機(jī)質(zhì)的礦化。所以研究氮凈礦化速率與土壤全氮、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，分析供氮特點(diǎn)，這對(duì)了解白樺天然次生林土壤的礦化有重要作用，對(duì)于揭示生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程有著重要意義。文中對(duì)夏秋兩季土壤的氮凈礦化速率與全氮、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及礦化氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)占有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比例進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同施氮處理下，土壤全氮、有機(jī)碳與氮凈礦化速率間均存在相關(guān)性。有機(jī)碳一元二次項(xiàng)方程擬合效果比全氮的效果好，全氮對(duì)氮凈礦化速率的貢獻(xiàn)率為10%～30%，有機(jī)碳對(duì)氮凈礦化速率的貢獻(xiàn)率為40%～97%。說(shuō)明凈礦化速率與有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的相關(guān)性比與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的更為密切。這與李菊梅等［24］有機(jī)碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與可礦化氮間的研究結(jié)果相一致。

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