德吉央宗

（西藏自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站生態(tài)監(jiān)測(cè)與研究中心，西藏 拉薩850000）

1 引言

一直以來(lái)，土壤中的氮被認(rèn)為是最易耗竭和限制植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)元素之一，尤其是在高寒生態(tài)系統(tǒng)，由于低溫的限制，土壤中N礦化作用十分緩慢，成為許多地區(qū)植物生長(zhǎng)最重要的限制性因子［1］。土壤氮轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過(guò)程包括含氮有機(jī)質(zhì)的礦化過(guò)程、硝化－反硝化過(guò)程、腐殖質(zhì)的形成過(guò)程、植物和微生物對(duì)有效態(tài)氮的吸收固定作用以及粘土礦物對(duì)NH＋4吸收固定等。氮礦化速率決定土壤中用于植物生長(zhǎng)的氮素的可利用性，直接影響生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力［2］。土壤硝化－反硝化過(guò)程產(chǎn)生的N2O、NO等氣體，是土壤中所排放溫室氣體的重要組成部分［3］，尤其是N2O在大氣中的壽命長(zhǎng)達(dá)166±16年，是等摩爾濃度的CO2增溫潛勢(shì)的200～300倍，對(duì)全球氣候變化有著重要的影響［4］。因此，土壤氮素的轉(zhuǎn)化在植物生長(zhǎng)和全球變化中均占據(jù)重要作用。

目前，草地生態(tài)系統(tǒng)土壤氮轉(zhuǎn)化對(duì)溫度變化響應(yīng)的研究主要是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，通過(guò)設(shè)定不同的溫度，不同的時(shí)長(zhǎng)培養(yǎng)從野外帶回的土壤，測(cè)定土壤氮礦化、硝化等過(guò)程的變化。例如Cookson等［5］分別用25℃和5℃的條件培養(yǎng)蘇格蘭阿伯丁草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤，發(fā)現(xiàn)在25℃條件下培養(yǎng)土壤的總礦化和硝化速率遠(yuǎn)高于在5℃條件下培養(yǎng)的土壤。Wang等［6］對(duì)中國(guó)內(nèi)蒙古草地土壤的研究表明，在低溫時(shí)（－10℃、0℃、5℃）土壤凈氮礦化和硝化差異不大，但當(dāng)溫度超過(guò)5℃時(shí)，隨著培養(yǎng)溫度的升高土壤凈N礦化和硝化呈迅速增加的趨勢(shì)。Maag和Vinther［7］對(duì)6種類型的土壤進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)由硝化作用產(chǎn)生的N2O隨著溫度升高呈下降趨勢(shì)，而反硝化產(chǎn)生的N2O則隨著溫度的增加而增加。這些通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裾嬲姆从成鷳B(tài)系統(tǒng)在野外的真實(shí)情況，還存在很大的爭(zhēng)議。然而，目前通過(guò)野外控制試驗(yàn)研究草地土壤氮轉(zhuǎn)化對(duì)溫度變化響應(yīng)的報(bào)道還不多。

青藏高原的草地面積約占總面積的60%，是歐亞大陸最大的草地單元，具有輻射強(qiáng)、年均溫低、晝夜溫差大、雨熱同期、降雨主要集中在短暫的生長(zhǎng)季、降雨變輻大等顯著特征［8］。其中，由耐寒的多年生典型旱生草本植物所構(gòu)成的高寒草原是分布最廣、面積最大的一個(gè)草地類型，它不僅是亞洲中部高寒環(huán)境中典型的生態(tài)系統(tǒng)之一，而且在世界高寒地區(qū)也極具代表性［9］。過(guò)去幾十年青藏高原的氣候發(fā)生了很大的變化，氣溫和降水量總體呈上升的趨勢(shì)。由于高海拔地區(qū)對(duì)氣候的變化更為敏感，這些氣候的波動(dòng)會(huì)對(duì)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，導(dǎo)致高原生態(tài)系統(tǒng)的格局、過(guò)程與功能發(fā)生改變［10］。本研究測(cè)定模擬增溫條件下藏北半干旱高寒草原生態(tài)系統(tǒng)土壤總硝化、反硝化速率及氮轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物變化動(dòng)態(tài)，以期為揭示藏北高寒草原土壤氮轉(zhuǎn)化與全球氣候變化關(guān)系，同時(shí)也為保護(hù)高寒草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，合理進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料和方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于藏北申扎縣的中科院申扎高寒草原與濕地觀測(cè)試驗(yàn)站（30°57′N，88°42′E，4675ma.s.l）觀測(cè)樣地，屬于寒冷半干旱高原季風(fēng)氣候區(qū)域。根據(jù)距離試驗(yàn)站2km的申扎縣氣象局近30年的氣象觀測(cè)資料，區(qū)域年平均溫度為0℃，1月平均氣溫為－10.1℃，7月平均氣溫為9.6℃，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期，到達(dá)地面的太陽(yáng)直接輻射的年度周期為2916h，年均降水量300mm，降水主要集中在5～9月。研究區(qū)域自然環(huán)境惡劣，土壤十分貧瘠。土壤容重為1.76g/cm3，pH值為8.78，土壤有機(jī)碳、總氮、總磷、總鉀含量為分別為11.12、1.03、0.52、31.22g/kg，土壤顆粒組成中0.25～0.05mm 和0.5～0.25mm顆粒占優(yōu)勢(shì)（Xuyang Lu Plos）。研究區(qū)高寒草原植被蓋度小于20%，優(yōu)勢(shì)種為青藏高原典型的物種紫花針茅和青藏苔草，伴生種主要為火絨草、景天、茵陳蒿等。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在申扎站的試驗(yàn)用地中選取地勢(shì)平坦，植被分布相對(duì)均一的高寒草原草地作為試驗(yàn)樣地，在試驗(yàn)樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)增溫樣方和對(duì)照樣方各3個(gè)。增溫試驗(yàn)采用國(guó)際凍原計(jì)劃（International Tundra Experiment，ITEX）普遍采用的一種被動(dòng)增溫法——開(kāi)頂式生長(zhǎng)室（Open－top chamber，OTC）完成，使用美國(guó)產(chǎn)玻璃纖維制作OTC。在每個(gè)OTC周圍設(shè)置對(duì)照樣方，每個(gè)OTC之間的距離設(shè)置在20m以上，保證互不干擾。開(kāi)頂式生長(zhǎng)室為圓錐體結(jié)構(gòu)，底面積和頂面積分別為2.60m2和0.94m2，由于藏北申扎地區(qū)春季風(fēng)沙較大，OTC的高度設(shè)為1.60m。開(kāi)頂式生長(zhǎng)室于2010年10月安裝完成，于2011年開(kāi)始觀測(cè)。

為了觀測(cè)開(kāi)頂式氣室設(shè)置后模擬增溫樣方和對(duì)照樣方的環(huán)境因子，設(shè)置自動(dòng)氣候記錄系統(tǒng)觀測(cè)OTC內(nèi)外的小氣候特征。在OTC內(nèi)外中心距離地面35cm處安裝空氣溫濕度傳感器（Humidty/Temp，Decagon，Washington DC，USA）監(jiān)測(cè) OTC空氣溫濕度；同時(shí)設(shè)置土壤溫濕度傳感器（5TM，Decagon，Washington DC，USA）自動(dòng)監(jiān)測(cè)10cm自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤溫濕度特征。氣候因子監(jiān)測(cè)從2011年5月開(kāi)始，每60min采集一次數(shù)據(jù)，所有采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)采集器（EM50，Decagon，Washington，DC，USA）中。

2.3 取樣和測(cè)定

在2011年8月底在對(duì)照樣方和增溫樣方取土壤樣品。取樣分為兩部分，第一部分在每個(gè)樣方取7個(gè)環(huán)刀樣（直徑5.6cm，高4.1cm）用于測(cè)定土壤總硝化和反硝化速率；第二部分在每個(gè)樣品取土壤鮮樣1kg左右，用于測(cè)定相關(guān)微生物數(shù)量和活性。所有的樣品置于便攜式冷藏箱中迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，于4℃冰箱中保存，在10d內(nèi)對(duì)開(kāi)始對(duì)樣品進(jìn)行分析測(cè)定。

土壤總硝化和反硝化速率采用氣壓分離技術(shù)（Barometric Process Separation，BaPS）進(jìn)行測(cè)定，BaPS儀器由德國(guó)UMS GmbH公司生產(chǎn)。主要工作原理是建立一個(gè)等溫、密閉的土壤系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，假定只有以下幾個(gè)過(guò)程跟壓力相關(guān)：總硝化作用是凈消耗O2的過(guò)程，使氣壓降低；反硝化作用是凈CO2和凈的NxOy（NO、N2O、N2）產(chǎn)生過(guò)程，使氣壓上升；土壤呼吸使氣壓不發(fā)生變化；CO2溶解于土壤水，使氣壓降低，根據(jù)氣壓的平衡反過(guò)來(lái)最終可以精確得到土壤樣品的總硝化和反硝化速率的瞬時(shí)值和一段時(shí)間內(nèi)的平均值。硝化細(xì)菌培養(yǎng)采用改良斯蒂芬遜培養(yǎng)基，置28℃恒溫箱培養(yǎng)2d，稀釋法測(cè)定；反硝化細(xì)菌培養(yǎng)采用組合培養(yǎng)基，置28℃恒溫箱培養(yǎng)2d，稀釋法測(cè)定；氨化細(xì)菌培養(yǎng)采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，30℃恒溫箱培養(yǎng)2d，以平板涂抹法測(cè)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤溫度、濕度變化

從6月3日到9月30日連續(xù)觀測(cè)OTC內(nèi)小氣候（圖1）發(fā)現(xiàn)，OTC內(nèi)空氣平均溫度為12.78℃，而OTC外小氣象站記錄的空氣平均溫度為9.04℃，也就是說(shuō)增穩(wěn)裝置使OTC內(nèi)小環(huán)境的溫度升高了3.74℃。對(duì)比OTC內(nèi)外的土壤溫度發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增溫裝置的布設(shè)，OTC內(nèi)土壤溫度明顯增加，OTC內(nèi)平均土壤溫度為17.05℃，比 OTC 外 的 土 壤 平 均 溫 度 （13.59℃）高3.46℃，由此可見(jiàn)，土壤溫度的增幅略低于空氣溫度的增幅。OTC內(nèi)外的土壤濕度也有較大的差別，OTC外土壤平均濕度為15.86%，而OTC內(nèi)土壤濕度為12.67%。因此，增溫裝置使土壤的濕度下降了3.19%，分析其原因，是因?yàn)镺TC的布設(shè)使空氣溫度和土壤溫度均升高，從而加速了土壤水分的蒸散發(fā)，從而造成土壤水分含量的下降。對(duì)比OTC內(nèi)外的空氣溫度、土壤溫度和土壤濕度的季節(jié)變化發(fā)現(xiàn)，雖然OTC內(nèi)外的小氣候條件有所差別，但是其季節(jié)變化趨勢(shì)基本上保持一致。

圖1 OTC增溫條件下對(duì)照和增溫樣方土壤溫度、濕度

3.2 土壤總硝化、反硝化速率變化

硝化作用和反硝化作用是土壤中氮素轉(zhuǎn)化的兩個(gè)重要過(guò)程，是當(dāng)今氮素研究的熱點(diǎn)之一。硝化作用是氨在微生物作用下氧化為硝酸的過(guò)程，不僅會(huì)產(chǎn)生少量的N2O，而且還影響到許多與氮素?fù)p失有關(guān)的轉(zhuǎn)化。

過(guò)程的進(jìn)行；而土壤反硝化作用是指在反硝化細(xì)菌的作用下，土壤中的硝酸鹽被還原成氮?dú)獾倪^(guò)程。不同土壤理化性質(zhì)、不同用地類型、不同管理方式均影響土壤硝化和反硝化作用過(guò)程。本研究中增溫對(duì)高寒草原土壤總硝化速率影響不大（圖2），高寒草原對(duì)照樣方和增溫樣方的總硝化速率分別為0.94和1.03mg/kg·d，增溫后使高寒草原土壤總硝化速率僅增加了10%。溫度的增高明顯促進(jìn)了高寒草原的反硝化速率，高寒草原對(duì)照樣方和增溫樣方的反硝化速率分別為0.59和0.99mg/kg·d，增溫后使高寒草原土壤反硝化速率增加了67%。

3.3 土壤N轉(zhuǎn)化細(xì)菌數(shù)量變化

高寒草地土壤中的N轉(zhuǎn)化細(xì)菌如表1所示，高寒草原增溫后土壤中氨化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量有所增加，分別比對(duì)照樣方高43.16%、58.97%和14.78%，土壤硝化細(xì)菌數(shù)量有所減少，比對(duì)照樣方低36.03%；但統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果顯示，對(duì)照和增溫樣方間的土壤氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量之間的差異均未達(dá)到顯著水平。

圖2 OTC增溫條件下高寒草原土壤的總硝化和反硝化速率

表1 高寒草原對(duì)照樣方、增溫樣方土壤N轉(zhuǎn)化細(xì)菌數(shù)量

4 結(jié)語(yǔ)

在藏北高寒草原布設(shè)增溫裝置開(kāi)頂式生長(zhǎng)室（OTC）后，OTC內(nèi)土壤溫度明顯增加，比OTC外的土壤平均溫度高3.46℃，而增溫裝置使土壤的濕度下降了3.19%。

增溫對(duì)高寒草原土壤總硝化速率影響不大，使高寒草原土壤總硝化速率僅增加了10%；溫度的增高明顯促進(jìn)了高寒草原的反硝化速率，使高寒草原土壤反硝化速率增加了67%。

高寒草原增溫后土壤中氨化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量有所增加，土壤硝化細(xì)菌數(shù)量有所減少；但在對(duì)照樣方和增溫樣方之間的差異并未達(dá)到顯著水平。

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