王 勤，傅欣蕾，陶 曉，徐小牛

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，安徽 合肥 230036）

在大多陸地生態(tài)系統(tǒng)中，氮是一種植物生長發(fā)育的重要限制性養(yǎng)分元素[1-2]，無機(jī)態(tài)氮是土壤可利用性氮的主要形式。氮的可利用性直接影響到陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，并且與生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性、群落演替及其可持續(xù)性之間存在著反饋機(jī)制[3-4]?？扇苄缘峭寥赖獛熘凶罨钴S的組成成分，其組成包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和可溶性有機(jī)氮，其占土壤氮庫總量的比例較小，是土壤有機(jī)氮向有效氮轉(zhuǎn)化的形式之一，可直接或經(jīng)轉(zhuǎn)化后供植物利用。同時(shí)，作為可遷移的氮源，可溶性氮可隨水分移動而遷移至深層土壤造成氮損失，或隨地表徑流進(jìn)入水生態(tài)系統(tǒng)，造成水體富營養(yǎng)化[4-6]。因此，土壤氮的轉(zhuǎn)化及其運(yùn)移影響生態(tài)系統(tǒng)的健康與功能發(fā)揮。

土壤氮素形態(tài)及其含量是評價(jià)土壤生產(chǎn)潛力與肥力狀況的重要指標(biāo)之一，土壤氮供應(yīng)狀況與林木生長及環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān)[1-3]。園林綠地是維持城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵組成部分，在改善城市生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著不可替代的重要作用。由于植物-土壤之間的相互作用，不同園林綠地類型對土壤氮的影響不同，Zhang等[7]研究發(fā)現(xiàn)不同園林綠地類型土壤氮素轉(zhuǎn)化速率和方向存在顯著差異。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，相同立地條件下的杉木人工林與常綠闊葉次生林相比較，土壤可溶性碳氮含量差異顯著，由常綠闊葉林轉(zhuǎn)變?yōu)樯寄救斯ち趾?，土壤肥力顯著下降[8-9]。與自然生態(tài)系統(tǒng)相比，城市園林綠地生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素轉(zhuǎn)化特征的研究非常有限[7,10]，由于強(qiáng)烈而頻繁的人為干擾，多數(shù)綠地土壤已失去了原有的自然屬性，空間變異大[11-12]。同時(shí)，園林綠地中喬木、灌木與草被根系所至土壤深度不同，對土壤養(yǎng)分的活化和利用作用不同，勢必會對土壤養(yǎng)分尤其是氮素有效性產(chǎn)生影響[12-14]。因此，研究園林綠地生草對土壤氮轉(zhuǎn)化及其有效性影響，有助于深入認(rèn)識不同綠地結(jié)構(gòu)與土壤之間的互作效應(yīng)，為園林綠地科學(xué)養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽合肥市中心的安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校園及鄰近的環(huán)城公園(31°38′ N, 117°11′ E)。合肥地處江淮丘陵中部，巢湖湖濱，屬于亞熱帶北部濕潤季風(fēng)氣候，冬寒夏熱，春秋溫暖，無霜期250 d左右。近20年平均氣溫15.7 ℃，年均降水量1 000 mm，雨量集中，降水強(qiáng)度大，主要集中在5月-7月。地形崗沖起伏，壟畈相間，海拔25～32 m；土壤類型為下蜀黃土母質(zhì)發(fā)育起來的黃棕壤，土層深厚，質(zhì)地粘重，滲透性差，由于城區(qū)土建工程影響，土壤多呈弱堿性，pH 6.5～7.8[12]。其地帶性植被類型為亞熱帶北部落葉常綠闊葉混交林[15]。

1.2 研究方法

在調(diào)查區(qū)內(nèi)，選擇片林或帶狀林設(shè)置調(diào)查樣地，綠地植被類型分為林下生草綠地和不生草綠地兩類，具體包括龍柏(Sabina chinensis‘Kaizuca')、女貞(Ligustrum lucidum)、雪松(Cedrus deodara) 3種不生草綠地及雪松-繡球(Hydrangea macrophylla)、雪松-麥冬 (Ophiopogon japonicus)、女貞-麥冬、龍柏-麥冬、水杉(Metasequoia glyptostroboides)-麥冬5種林下生草綠地。考慮到植被-土壤之間的相互作用，綠地植被建植年限都選擇20年以上，地被建植年限10年以上。依據(jù)調(diào)查綠地林分面積大小設(shè)置10 m × 10 m或3 m × 15 m，各綠地植被類型設(shè)置3個(gè)重復(fù)樣地。

于2018年5月中旬選擇晴天，在每個(gè)樣地內(nèi)機(jī)械隨機(jī)選取4點(diǎn)，去除地表的枯枝落葉后，使用內(nèi)徑為3.5 cm的土鉆分別采集0-10 cm和10 -30 cm土壤樣品，將同一樣地相同土層的土樣均勻混合形成一個(gè)混合樣。土壤樣品用四分法分成兩部分保存，一部分保存于4 ℃冰箱，用于測定土壤氮素礦化勢、可溶性氮組分(包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和可溶性有機(jī)氮)和含水量等指標(biāo)；另一部分風(fēng)干過2 mm篩，再粉碎過孔徑為0.178 mm篩，用于測定土壤有機(jī)碳和全氮。

土壤含水量采用烘干法測定；土壤有機(jī)碳和全氮采用意大利產(chǎn)EA3000元素分析儀測定；銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量采用2 mol·L-1的KCl浸提[16]，使用FOSS FIA Star 5000型自動流動注射分析儀測定；該浸提液同時(shí)用于測定可溶性有機(jī)碳和氮含量，采用Jena Multi N/C-3100型TOC分析儀測定。

土壤氮素礦化勢采用室內(nèi)培養(yǎng)法測定，即將新鮮土樣過2 mm篩，取30 g至于100 mL三角燒瓶內(nèi)，將土樣含水量調(diào)至飽和持水量的60%，封口膜封住瓶口，用大頭針扎3個(gè)小孔以利通氣，然后移至培養(yǎng)箱中，在20 ℃下黑暗培養(yǎng)8周[17]。培養(yǎng)期間，利用稱重法每周補(bǔ)充超純水1次，以保證培養(yǎng)期內(nèi)土壤含水量基本穩(wěn)定。培養(yǎng)結(jié)束后，取土樣使用2 mol·L-1的KCl浸提，采用FOSS FIA Star 5000型自動流動注射分析儀測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。計(jì)算氮素凈礦化勢、凈氨化勢和凈硝化勢：

凈氨化勢= (培養(yǎng)后銨態(tài)氮量-培養(yǎng)前銨態(tài)氮量) / (土樣干重 × 培養(yǎng)天數(shù))；

凈硝化勢 = (培養(yǎng)后硝態(tài)氮量-培養(yǎng)前硝態(tài)氮量) / (土樣干重 × 培養(yǎng)天數(shù))；

凈礦化勢 = 凈氨化勢 + 凈硝化勢。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013和SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析結(jié)合LSD法多重比較進(jìn)行不同綠地類型差異顯著性檢驗(yàn)，Pearson法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤有機(jī)碳、水分與容重

不同園林綠地表層土壤有機(jī)碳含量各有差異(表1)，0-10 cm土層有機(jī)碳含量在15.26 (女貞綠地)～23.15 g·kg-1(水 杉-麥 冬 綠 地)；10-30 cm土層有機(jī)碳含量在12.53～16.08 g·kg-1。0-10 cm和10-30 cm土層生草綠地土壤有機(jī)碳含量分別為20.69和14.99 g·kg-1，分別顯著高于不生草綠地25.92% (P = 0.007)和12.45% (P = 0.045)。

表 1 不同園林綠地類型土壤有機(jī)碳、含水量和容重Table 1 Soil organic carbon, moisture, and bulk density in different types of urban greening lands

不同園林綠地土壤含水量和容重存在一定差異(表1)，0-10 cm表層土壤含水量和容重分別在16.18%～21.29%和1.23～1.48 g·cm-3；10-30 cm土層則分別為17.16%～21.82%和1.25～1.37 g·cm-3。整體上，表層土壤容重高于下層。土壤水分變化趨勢有所不同，不生草綠地土壤水分表層高于下層，生草綠地則基本表現(xiàn)為表層低于下層。不同樹種綠地土壤含水率存在一定差異(表1)，雪松綠地表層0-10 cm土壤含水量顯著高于雪松-繡球和雪松-麥冬綠地(P ＜ 0.05)。10-30 cm土層中，水杉-麥冬、龍柏-麥冬綠地的土壤含水量顯著高于雪松-麥冬、女貞-麥冬和雪松-繡球綠地(P ＜ 0.05)。然而，林下生草對土壤水分沒有顯著影響。不同綠地類型的土壤容重同樣存在差異，整體來看，不生草綠地土壤容重顯著高于生草綠地(表1)。

2.2 土壤氮組分

不同綠地類型土壤氮組分及其含量存在一定差異(表2)。0-30 cm土層中，土壤全氮含量生草綠地與不生草綠地間無顯著差異(P ＞ 0.05)；0-10 cm土層生草綠地的土壤溶解性有機(jī)氮含量平均為7.35 mg·kg-1，高于不生草綠地11.4%，但生草并沒有顯著提高表層土壤的溶解性有機(jī)氮含量(P = 0.216)。

土壤無機(jī)氮含量不同綠地類型間各有差異(表2)。0-10 cm和10-30 cm土層中，生草綠地的無機(jī)氮平均含量分別為4.46和2.14 mg·kg-1，顯著高于不生草綠地(分別為2.90和1.42 mg·kg-1)。

2.3 土壤氮素轉(zhuǎn)化

土壤氮素轉(zhuǎn)化主要包括氨化作用和硝化作用，不同園林綠地土壤氮素轉(zhuǎn)化特性存在一定差異(表3)。0-10與10-30 cm土層內(nèi)，生草綠地土壤凈氨化勢平均值分別為54.01和38.96 μg·(kg·d)-1，均顯著高于不生草綠地，不生草綠地土壤凈氨化勢平均值分別為40.71和29.99 μg·(kg·d)-1(圖1)。生草綠地0-10 cm土壤凈硝化勢平均值為73.47 μg·(kg·d)-1，比 不 生 草 綠 地[75.95 μg·(kg·d)-1]低3.3%；10-30 cm土層，生草綠地的凈硝化勢則高于不生草綠地5.8%；生草綠地與不生草綠地之間沒有顯著差異(P ＞ 0.05)。同樣，在0-10 cm土層，生草綠地氮素凈礦化勢為127.49 μg·(kg·d)-1，高于不生草綠地的9.3%；在10-30 cm土層，生草綠地氮素凈礦化勢為85.99 μg·(kg·d)-1，高于不生草綠地的15.6%；但生草綠地與不生草綠地之間沒有顯著差異。

2.4 氮素礦化勢與土壤特性指標(biāo)的相關(guān)性

相關(guān)性分析結(jié)果(表4)顯示，0-30 cm表層土壤凈氨化勢和凈硝化勢與土壤全氮、無機(jī)氮、可溶性有機(jī)氮及有機(jī)碳含量顯著正相關(guān)(P ＜ 0.05)，而與土壤容重、含水量沒有顯著相關(guān)性。土壤凈硝化勢與凈氨化勢極顯著正相關(guān)(P ＜ 0.05)。

3 討論與結(jié)論

氮是植物生長發(fā)育所必需的重要營養(yǎng)元素，土壤氮含量影響著植物分布和生長狀況[1,3]。土壤氮素主要來源于生物固氮、施肥以及生物有機(jī)殘?bào)w歸還，還有大氣沉降[18-19]，然而，在自然生態(tài)系統(tǒng)中生物有機(jī)殘?bào)w是土壤氮素來源的主要途徑，森林生態(tài)系統(tǒng)中凋落物歸還提供了超過90%的土壤氮素來源[20]。城市綠地由于為了保持清潔衛(wèi)生，定期清除林下凋落物，對維持綠地生態(tài)系統(tǒng)正常養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生較大影響，也是導(dǎo)致城市土壤貧氮的主要原因之一[12]。我國城市綠地土壤的研究[21-22]顯示，其表層土壤全氮含量普遍低于1.5 mg·g-1。林下生草沒有顯著改變表層土壤的全氮含量，這可能與林下植被的生長消耗有關(guān)。

土壤可溶性氮是反映土壤氮素有效性的重要指標(biāo)，Chen等[23]利用2 mol·L-1KCl浸提，分析得出22個(gè)林地表層0-10 cm土壤可溶性氮含量為5～45 mg·kg-1，平均占土壤全氮的2.3%。本研究中，不同園林綠地表層0-10 cm土壤可溶性氮含量僅為8.39～13.56 mg·kg-1，平均為土壤全氮的1.03%，遠(yuǎn)低于森林土壤[5]。林下生草顯著提高了表層土壤可溶性氮含量，尤其是無機(jī)氮含量極顯著高于不生草綠地?？赡茉虬▋煞矫妫浩湟皇橇窒律菪纬蓮?fù)層結(jié)構(gòu)，增加了有機(jī)質(zhì)輸入，特別是植物細(xì)根周轉(zhuǎn)的輸入，促進(jìn)了土壤氮素礦化作用；其次是林下生草大大減少了人為踐踏，顯著降低土壤容重，有效改善綠地環(huán)境，有利于土壤氮轉(zhuǎn)化。

圖 1 園林綠地生草對土壤氮素礦化的影響Figure 1 Effect of grass planting on soil nitrogen mineralization of urban greening land

表 4 不同園林綠地類型土壤氮礦化勢與特性指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系Table 4 Correlation coefficients between nitrogen mineralization potential and soil parameters in different types of urban greening land

氮素礦化速率是表征土壤供氮能力的一個(gè)重要指標(biāo)[24]。土壤氮礦化速率測定通常采用野外原位培養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)兩種方法[7, 17, 25]，所獲得的結(jié)果存在一定差異，一般地野外原位培養(yǎng)法會低估氮轉(zhuǎn)化速率，主要是由于野外條件下土壤水分、溫度變化無常、不能維持穩(wěn)定；而實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)多選擇有利于氮轉(zhuǎn)化的溫度和土壤水分條件。因此，與野外原位培養(yǎng)相比，實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)可能高估了氮礦化速率。但是，已有不少研究表明這兩種方法所測定的結(jié)果存在較高的相關(guān)性，無論哪種方法都能在一定程度上反映土壤氮轉(zhuǎn)化的整體變化趨勢[25-27]。有關(guān)城市園林綠地土壤氮礦化的研究報(bào)道甚少，現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，綠地土壤具有較高的凈硝化速率[7, 19, 28]，本研究采用實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)法測定了園林綠地0-30 cm土層土壤的氮礦化速率，得出類似的結(jié)果，本研究還顯示綠地生草顯著提高了土壤凈氨化勢，而對凈硝化勢沒有顯著影響，這一結(jié)果表明林下生草改變了綠地土壤氮素轉(zhuǎn)化性質(zhì)，顯著提高氨化作用，這有助于維持土壤氮素有效性，避免氮損失。由于無機(jī)氮中硝態(tài)氮極易淋失，同時(shí)土壤硝態(tài)氮過多，易加速反硝化作用，形成氧化亞氮和氮?dú)舛尫糯髿鈁6,29]?？梢姡G地生草能提高土壤氮素有效性，緩解城市土壤貧氮狀況[7,12]，可促進(jìn)樹木生長，提高綠地生態(tài)功能。

土壤氮礦化作用受到諸多因素的影響，其中植被因素的影響是最直接而顯著的，不同植被類型、物種組成會直接或間接地影響土壤理化特性[14,30-31]，進(jìn)而對氮礦化過程產(chǎn)生影響。不同植被由于輸入土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量、質(zhì)量不同，使得土壤有機(jī)質(zhì)、氮含量存在一定程度的差異[28]，這無疑對氮礦化作用產(chǎn)生影響。本研究中，生草綠地表層土壤(0-30 cm)有機(jī)碳顯著高于不生草綠地，這種差異可能與來自草本植物的凋落物輸入、根系周轉(zhuǎn)及根系分泌物有關(guān)，這些不僅影響土壤理化特性，還直接影響土壤微生物組成及其群落結(jié)構(gòu)、土壤酶活性等[32-34]，從而對氮礦化產(chǎn)生不同的影響。本研究結(jié)果也顯示，土壤氮礦化速率與有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。在森林土壤中，土壤有機(jī)碳含量與土壤容重顯著相關(guān)，但是本研究結(jié)果顯示，兩者間沒有相關(guān)性，這也導(dǎo)致出現(xiàn)了土壤氮礦化作用與土壤容重沒有顯著相關(guān)性，其造成原因有待進(jìn)一步研究。在諸多生態(tài)系統(tǒng)中，土壤pH是影響土壤氮轉(zhuǎn)化、制約硝化速率的一個(gè)重要因素。有研究指出土壤pH升高可激發(fā)硝化作用，而pH降低則抑制硝化作用[35-36]。園林綠地土壤pH普遍較高，大多呈堿性[12,21]，硝化作用強(qiáng)烈[7,36]，這與本研究結(jié)果一致，充分表明城市土壤中硝化微生物群落對酸性環(huán)境敏感，強(qiáng)烈的硝化作用增加了園林綠地土壤硝態(tài)氮淋失的風(fēng)險(xiǎn)，而林下生草能促進(jìn)氨化作用，可降低硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)。