于芳芳, 李法云, 賈慶宇

溫度和水分對遼河保護區(qū)典型濕地土壤氮礦化的影響

于芳芳1, 2, 李法云1, 3, *, 賈慶宇4

1. 遼寧石油化工大學生態(tài)環(huán)境研究院, 撫順 113001 2. 石油化工過程優(yōu)化與節(jié)能技術國家地方工程實驗室, 撫順 113001 3. 湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院, 長沙 410128 4. 中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所, 沈陽 110166

為研究遼河保護區(qū)濕地土壤的氮礦化特征, 以采自遼河保護區(qū)盤錦遼河口國家級自然保護區(qū)(濱海濕地)、石佛寺七星濕地公園(庫塘濕地)、福德店東西遼河交匯口(河口濕地)的濕地土壤為研究對象, 采用室內模擬試驗研究了溫度和水分因子對不同類型濕地土壤氮礦化的影響。結果表明: 溫度和濕地類型對土壤氨化速率和硝化速率影響極顯著(<0.01), 三種類型濕地土壤的氨化速率均隨溫度的升高先上升后下降, 而水分、溫度和水分的交互作用影響不顯著(>0.05)。溫度對土壤氮礦化量和凈氮礦化速率的影響均極顯著相關(<0.01), 溫度影響表現(xiàn)為: 10℃<20℃<30℃。土壤含水率為60%—90%時, 水分對遼河保護區(qū)濕地土壤氨化、硝化和氮礦化的影響并不顯著(>0.05)。30℃時, 土壤硝化速率隨水分的增加而呈減少的趨勢。濕地類型對土壤硝化速率、氮礦化量和凈氮礦化速率的影響為: 盤錦濱海濕地>福德店河口濕地>七星庫塘濕地。試驗表明在60%—90%水分范圍內, 溫度升高將明顯促進遼河保護區(qū)不同類型濕地土壤中氮的礦化過程。

遼河保護區(qū); 溫度; 水分; 濕地類型; 土壤氮礦化

0 前言

土壤氮礦化是濕地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的重要過程, 在一定程度上限制著濕地系統(tǒng)的生產(chǎn)力的高低[1]。土壤氮礦化是指土壤中難溶的有機氮在微生物的作用下最終轉化為可被植物吸收利用的可溶性無機氮(主要為NH4+-N和NO3--N)的過程[2]。研究表明, 氮礦化過程受環(huán)境因子、凋落物、土壤有機質和土壤微生物等因素的影響, 其中環(huán)境因子對土壤氮礦化的影響尤為顯著, 而在環(huán)境因子中溫度和水分是最重要的影響因子[3-7]。Gao等[8]對阿爾卑斯山沼澤濕地土壤的研究發(fā)現(xiàn), N礦化作用在35 ℃時最強, Guntinas等[9]對森林、草地和農田土壤的研究得出了相同的結論。在適宜的水分條件下, 溫度升高有助于保持微生物的呼吸作用, 從而促進土壤氮礦化過程[10]。

目前, 研究者對土壤氮礦化的研究工作已廣泛開展, 由于不同地區(qū)土壤類型和微生物等各種因素的差異, 導致不同研究者研究結果不盡相同。對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的研究造成一定的難度, 很難總結出普遍的規(guī)律, 且多數(shù)研究集中在森林[11]、農田[12–14]、草原[15-17]土壤。2010年5月, 遼寧省正式設立遼河保護區(qū)管理局, 體現(xiàn)了河流水生態(tài)環(huán)境保護和管理的思路創(chuàng)新和體制創(chuàng)新。遼河保護區(qū)“十二五”規(guī)劃提出“一條生命線, 一張濕地網(wǎng)”的水生態(tài)環(huán)境保護思路, 流域內濕地面積顯著增加。近年來, 雖然有關濕地土壤氮礦化的研究逐漸增加[18], 但對于大型河流設區(qū)劃局后不同類型濕地中氮素轉化過程的對比研究較少。本研究以遼河保護區(qū)三種典型類型濕地土壤為對象, 采用室內模擬培養(yǎng)的方法, 分析溫度和水分對不同類型濕地土壤氮礦化的影響, 以期揭示濕地土壤氮的礦化作用對溫度和水分的響應特征, 并為濕地生態(tài)系統(tǒng)氣候變化、氮素生物地球化學循環(huán)過程以及濕地管理和修復提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于遼河保護區(qū)內, 該區(qū)域范圍是從位于東西遼河匯合處的昌圖縣福德店, 流經(jīng)遼河干流于盤錦入?？谧⑷氩澈? 地理坐標為121 °41′—123°55′E, 40°47′—43°02′N, 流域面積2.8萬km2。該地區(qū)地處我國東北氣候區(qū), 屬于暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候, 年平均氣溫在4—9 ℃, 晝夜溫差較大, 四季分明, 雨熱同期, 全年1月份氣溫最低, 平均氣溫在-9—-18 ℃之間, 極端最低溫在-30 ℃以下, 7月份溫度最高, 平均在21—28 ℃之間, 極端最高溫在37—43 ℃。降水主要集中在7—9月, 約占全年降雨量的72%, 年降水量集中在600—800 mm。遼河流域內分布著沈陽、鞍山和撫順等重要城市, 人口眾多, 經(jīng)濟發(fā)達, 是我國東北地區(qū)重要的經(jīng)濟區(qū), 流域內分布有河流、湖泊、沼澤、水田、庫塘等濕地類型, 優(yōu)勢種植物為蘆葦, 遼河流域上游的濕地大多以庫塘為主的人工濕地景觀為主; 中下游地勢平坦, 魚塘眾多, 以水田為主的人工濕地為主; 河口地段地勢低洼, 水面寬闊, 主要以自然濕地為主, 對維持遼河生態(tài)安全與穩(wěn)定, 支撐流域社會經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮著重要的作用[19]。

1.2 樣品采集與處理

2017年11月中旬, 在盤錦遼河口國家濕地公園(121°57′E, 40°56′N)、石佛寺七星濕地公園(123°25′E, 42°9′N)及福德店東遼河口和西遼河交匯口(123°32′E, 42°58′N) 3個樣點采集土壤樣品, 分別代表遼河保護區(qū)濱海、庫塘和河口3類典型的濕地類型。采用多點取樣的方法, 分別采集0—10 cm的表層土壤, 多個采集點的土壤充分混合形成一個土壤樣品, 并裝入密閉自封袋中, 樣品盡快運回實驗室, 一部分在4℃冰箱中保存, 另一部分于室內干燥通風處自然風干, 去除樹枝石塊等雜質, 進行研磨、過2 mm篩, 充分混勻后保存于干凈的自封袋中備用。供試土壤的基本理化性質見表1。

表1 供試土壤(0—10 cm)基本理化性質

注： 數(shù)據(jù)為平均值±SD(n=3), 同列不同小寫字母表示差異顯著(<0.05), 相同字母表示差異不顯著(>0.05)。

1.3 試驗設計

根據(jù)中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所提供的2015—2017年的數(shù)據(jù)(圖1), 該試驗設計10 ℃、20 ℃和30 ℃, 3個溫度梯度, 選取10月、5月和7月分別代表秋季、春季和夏季的典型代表月份, 模擬三個季節(jié)的濕地自然環(huán)境溫度, 設計60%、70%、80%和90%質量含水率(Mass Water Content, MWC)4個水分梯度處理, 共12個處理, 每個處理設3次重復。稱取過2 mm孔徑土篩的風干土樣80 g, 置于250 ml燒杯中, 采用重量法用蒸餾水調節(jié)上述四個含水率, 盡量減少對土樣的擾動, 用塑料薄膜密封, 并扎幾個小孔, 試驗過程中對燒杯進行稱重, 及時補充水分使各處理保持含水率不變。將試驗樣品分別放置在設定好溫度的培養(yǎng)箱中, 培養(yǎng)周期為15天。分別在培養(yǎng)后的第3, 6, 9, 12和15天進行取樣, 測定其銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO– 3-N)的濃度, 計算在一定的時間范圍內土壤累積的氨化速率、硝化速率、凈氮礦化速率和氮礦化量。

圖1 2015—2017年5月、7月和10月的蘆葦濕地平均氣溫(連線)和土壤質量含水率(柱狀)數(shù)據(jù)

Figure 1 Data of average air temperature (line) and soil moisture content (column) of reed wetlands from May, July and October of 2015 to 2017

1.4 測定指標及方法

測定指標: 土壤pH值、含水率、有機質、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和全氮。土壤理化性質用常規(guī)法測定, 其中土壤pH值采用電位法(水土比5: 1)進行測定; 含水率采用烘干法; 土壤有機質的測定采用水合熱重鉻酸鉀-比色法進行測定; 銨態(tài)氮采用2 mol·L-1浸提-靛酚藍比色法測定; 硝態(tài)氮采用紫外分光光度法進行測定; 土壤樣品經(jīng)風干后過100目篩用凱氏定氮儀進行全氮測定。

1.5 數(shù)據(jù)計算

無機氮均以干物質為基礎。土壤氨化速率和硝化速率是以培養(yǎng)后與培養(yǎng)前土壤中NH4+-N和的NO– 3- N差值來計算, 凈氮礦化速率為單位時間內培養(yǎng)前后土壤中無機氮(NH4+-N+ NO– 3-N)含量的變化。計算公式如下:

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel 2003和Origin 8.5軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理及繪圖, 利用SPSS 24.0統(tǒng)計學軟件, 對數(shù)據(jù)進行方差分析(ANOVA), 統(tǒng)計檢驗的顯著性水平為=0.05。

2 結果與分析

2.1 溫度和水分對遼河保護區(qū)濕地土壤氨化速率的影響

溫度和水分是影響濕地土壤氨化速率的重要環(huán)境因子。由圖2可以看出, 三類濕地土壤的氨化速率均隨溫度的升高先上升后下降。方差分析表明, 10 ℃、20 ℃和30 ℃培養(yǎng)溫度下盤錦濱海濕地土壤的氨化速率的差異均達到極顯著水平(<0.01)。七星庫塘濕地土壤的氨化速率在10和20 ℃下及10和30 ℃下有極顯著差異(<0.01), 但20 ℃和30 ℃差異不顯著(>0.05)。福德店河口濕地土壤的氨化速率在10 ℃和20 ℃有極顯著差異(<0.01), 20 ℃和30 ℃差異性顯著(<0.05)。濕地類型及溫度與濕地類型的交互作用與土壤氨化速率均極顯著相關(<0.01), 而水分、溫度和水分的交互作用對土壤氨化速率的影響不顯著(表2), 這與陳伏生等[20]的研究結果相似。

2.2 溫度和水分對遼河保護區(qū)濕地土壤硝化速率的影響

圖3顯示了溫度對不同水分條件下土壤硝化速率的影響。溫度和濕地類型對土壤硝化速率影響極顯著(<0.01), 而水分、溫度和水分的交互作用對其影響不顯著(表2)。盤錦濱海濕地土壤的硝化速率除在溫度10℃, 60%、70%、80%和90%四種含水率條件下以及溫度20℃, 含水率80%和90%條件下為負值外, 其他條件下均為正值, 且最大值[(2.18± 0.05) mg·kg-1·d-1]出現(xiàn)在溫度30℃, 含水率60%條件下。七星濕地土壤硝化速率除在溫度10 ℃, 含水率70%時以及溫度20℃的四種含水率條件下為負值外, 其余條件下均為正值。對于不同類型的濕地, 隨溫度的升高, 土壤硝化速率并未表現(xiàn)出明顯一致的變化規(guī)律(圖3), 說明土壤硝化過程的控制因素較為復雜。三種類型濕地土壤的硝化速率均在30 ℃, 含水率為60%時達到最大值, 分別為2.18、0.96和1.76 mg·kg-1·d-1。

注：圖中不同小寫字母表示差異顯著，下同。

Figure 2 Dynamics of soil ammonification rate in different temperature, moisture and wetland types (A: Panjin coastal wetland; B: Qixing pond wetland; C: Fudedian estuary wetland)

圖3 不同溫度、水分和濕地類型的土壤硝化速率的動態(tài)變化(A: 盤錦濱海濕地; B: 七星庫塘濕地; C: 福德店河口濕地)

Figure 3 Dynamics of soil nitrification rate in different temperature, moisture and wetland types (A: Panjin coastal wetland; B: Qixing pond wetland; C: Fudedian estuary wetland)

2.3 溫度和水分對遼河保護區(qū)濕地土壤凈氮礦化速率的影響

溫度對土壤凈氮礦化速率的影響極顯著(< 0.01); 而水分、濕地類型、溫度與水分的交互作用影響不顯著(>0.05, 表2)。由圖4可知, 不同類型濕地土壤凈氮礦化速率在溫度和水分的交互作用下呈明顯的波動變化特征。盤錦濱海濕地土壤的凈氮礦化速率除在10 ℃, 含水率70%、80%和90%條件下為負值時, 其他條件下均為正值, 并在溫度30 ℃, 含水率60%時達到最大值[(1.33±0.13) mg·kg-1·d-1]。七星庫塘濕地土壤的凈氮礦化速率除在溫度10 ℃, 含水率60%、70%、80%、90%和溫度20 ℃, 含水率70%條件下為負值外, 其他條件下皆為正值, 并以溫度30 ℃, 含水率70%最大[(1.34±0.03) mg·kg-1·d-1]。福德店河口濕地土壤的凈氮礦化速率除在溫度10 ℃, 四種含水率條件下為負值外, 其余條件下均為正值, 且在溫度30 ℃, 含水率為80%時凈氮礦化速率達到最大值[(1.59±0.12) mg·kg-1·d-1]。三類濕地土壤凈氮礦化速率的變化范圍分別為-0.18—1.33、-0.42—1.34和-0.50—1.59 mg·kg-1·d-1?？偟膩碚f, 三類濕地土壤凈氮礦化速率的差異取決于土壤氮礦化過程和微生物對氮的固持過程的相對平衡, 正值說明土壤微生物的固持作用小于礦化作用, 負值說明土壤氮礦化作用較弱。從圖中可以看出, 溫度對土壤凈氮礦化速率的影響表現(xiàn)為: 10 ℃<20 ℃<30 ℃, 這說明土壤微生物在較高溫下比較活躍, 與鄒亞麗等[21]對黃土高原草地土壤的研究結果是一致的, 由此可推斷夏季時土壤氮礦化作用最強。

2.4 溫度和水分對遼河保護區(qū)濕地土壤氮礦化量的影響

圖5為不同溫度和水分條件下三類濕地土壤凈氮礦化量的動態(tài)變化。三種類型濕地土壤氮礦化量變化規(guī)律呈現(xiàn)出高度的一致性, 即溫度為10 ℃時土壤氮礦化量最低且為負值, 超過10 ℃時, 隨著溫度升高, 土壤氮礦化量增幅逐漸增大, 土壤氮礦化量對溫度的響應表現(xiàn)為: 10 ℃<20 ℃<30 ℃, 與土壤凈氮礦化速率對溫度的響應規(guī)律相同。在溫度為30 ℃, 含水率為60%時盤錦濱海濕地土壤氮礦化量最高, 數(shù)值為(15.93±0.78 ) mg·kg-1, 含水率為70%和80%時, 土壤氮礦化量未表現(xiàn)出顯著性差異, 當含水率為90%時, 土壤氮礦化量明顯減少, 這可能是因為當含水率為90%時, 土壤微生物處于厭氧狀態(tài), 導致以反硝化細菌為主的厭氧細菌的作用增強, 進而使得土壤中部分無機氮以氣體形式散失, 從而抑制了盤錦濱海濕地土壤的硝化作用[22]。七星庫塘濕地土壤氮礦化量在溫度為30 ℃, 含水率為70%時達到最大值, 為(16.11±1.12) mg·kg-1, 而在10 ℃, 80%含水率時最小, 為(-5.09±0.37) mg·kg-1。福德店河口濕地土壤氮礦化量在30 ℃, 80%條件時有最大值, 為(19.06±1.22) mg·kg-1, 雖然高于其他三個含水率, 但差異未達到顯著性水平。

表2 溫度、水分和濕地類型對土壤氮礦化效應影響的方差分析

注： T代表溫度, M代表水分, W代表濕地類型。

圖4 不同溫度、水分和濕地類型的土壤凈礦化速率的動態(tài)變化(A: 盤錦濱海濕地; B: 七星庫塘濕地; C: 福德店河口濕地)

Figure 4 Dynamics of soil net mineralization rates in different temperature, moisture and wetland types (A: Panjin coastal wetland; B: Qixing pond wetland; C: Fudedian estuary wetland)

Figure 5 Effects of moisture on soil nitrogen mineralization in Panjin coastal wetland (A: Qixing pond wetland; B: and Fudedian estuary wetland; C: at different temperatures)

3 討論

溫度是影響土壤氮礦化過程的主要因素, 溫度升高能增加土壤微生物的活性, 有利于提高土壤的氮礦化速率[23]。本研究室內模擬試驗發(fā)現(xiàn), 土壤氮礦化速率和氮礦化量均隨溫度升高而明顯增大, 且有顯著的正相關關系, 這與前人的研究結果一致[24-29]。其原因可能是, 隨著溫度的升高, 土壤微生物的活性逐漸增大, 開始對土壤有機氮進行分解, 而且這些微生物體內存在著一種對溫度極其敏感的胞外酶, 產(chǎn)生的單體分子可有效的對有機氮進行分解, 因此土壤氮礦化速率和氮礦化量均明顯增大。石薇等[30]研究發(fā)現(xiàn), 各土壤水分條件下, 氨化速率均隨溫度的升高而增大, 而在本研究中, 土壤氨化速率隨溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。造成不同結果的原因可能是與不同研究對象和土壤類型等因素有關, 其機理還有待進一步研究。

水分對土壤氮礦化速率的影響小于溫度, 但適宜的水分仍可通過控制微生物的數(shù)量和活性來影響氮礦化過程[20,31–32]。本研究發(fā)現(xiàn), 雖然各水分梯度間的氮礦化過程未達到顯著差異, 但整體表現(xiàn)出, 含水率為60%和70%時, 土壤凈氮礦化速率最大, 90%含水率時最小的趨勢。這可能與土壤氮礦化的最適水分有關, 因此推斷出土壤礦化速率的最適水分為60%左右, 此水分條件下微生物最為活躍, 且超過最適水分后, 水中O2含量減少, 微生物的活性及數(shù)量受到限制, 使得有機氮的礦化作用相對減弱[33–34]。土壤氨化速率未隨含水率的變化出現(xiàn)明顯的變化(圖2), 說明在不同的水分條件下, 土壤中銨態(tài)氮含量基本穩(wěn)定。其原因是當土壤充滿水分時銨態(tài)氮的固持大于硝化作用, 且反硝化作用較強。本研究中, 三種類型濕地土壤的硝化速率均在30 ℃, 60%含水率時有最大值, 與張金波等[35]的研究結果相似。30℃時, 三種類型濕地土壤的硝化速率均隨水分的增加而降低, 這可能是因為隨著水分的增加, O2供應受到限制, 硝化速率則開始下降, 與Sitaula等[36]的研究一致。

本研究中, 整體而言, 盤錦濱海濕地土壤的硝化速率高于福德店河口濕地和七星庫塘濕地。這可能與盤錦濱海濕地土壤pH較高有關, 土壤較高的pH會促進氮的礦化, 特別是土壤的硝化作用會隨著pH的增大而增強, 這也是本研究中盤錦濱海濕地土壤的硝化速率和氮礦化量高于福德店河口濕地和七星庫塘濕地的主要原因。Curtin[37]認為這是因為pH的升高增大了土壤有機質的可溶性, 為土壤中微生物提供豐富的含C、N基團的物質, 從而促進土壤有機氮礦化。

4 結論

(1)遼河保護區(qū)濱海、庫塘和河口3種典型濕地土壤氮礦化過程受溫度的影響最大, 其次為濕地類型, 相對來說水分條件的影響不顯著。

(2)遼河保護區(qū)3種類型濕地土壤的氨化速率均隨溫度的升高先上升后下降; 硝化速率、凈氮礦化速率和氮礦化量總體均表現(xiàn)為隨著溫度的升高而增大的趨勢, 夏季是研究區(qū)域內濕地土壤氮礦化作用最強的季節(jié)。因此, 在夏季時采取措施對土壤中過多有效氮進行控制最為有效。

(3)濕地類型對土壤硝化速率的影響為: 盤錦濱海濕地>福德店河口濕地>七星庫塘濕地, 盤錦濕地土壤氮礦化能力高于福德店濕地, 七星濕地土壤氮礦化能力相對最弱。

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Effects of temperature and moisture on soil nitrogen mineralization of typical wetland in Liaohe reservation zone

YU Fangfang1,2, LI Fayun1,3,*, JIA Qingyu4

1. Institute of Eco-environmental Sciences, Liaoning Shihua University, Fushun 113001, China 2. Petrochemical process optimization and energy-saving technology national local engineering laboratory, Fushun 113001, China 3. School of Resources and Environmental Science, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China 4. Institute of Atmospheric Environment, China Meteorological Administration, Shenyang 110166, China

A laboratory incubation experiment was conducted to investigate the effects of different temperatures and moisture conditions on the wetland soil nitrogen mineralization using Panjin coastal wetland,Qixing pond wetland and Fudedian estuary wetland soils as the research objective. The results showed that the ammonification rate and nitrification rate of soil were significantly affected by temperature and wetland type (<0.01). The ammonification rate of soil of three types of wetlands first increased and then decreased with the increase of temperature, while the interaction effect of water, temperature and water was not significant (>0.05). Temperature on soil nitrogen mineralization and the influence of the net nitrogen mineralization rate were extremely significant (< 0.01), and the temperature effect was shown as: 10 ℃ < 20 ℃ < 30 ℃. When soil moisture content was 60%-90%, the effect of water on soil ammonification, nitrification and nitrogen mineralization was not significant (>0.05). At 30 ℃, along with the increase of moisture soil nitrification rate showed a decrease trend. The influence of wetland type on soil nitrification rate, nitrogen mineralization rate and net nitrogen mineralization rate was as follows: Panjin coastal wetland > Fudian estuary wetland > Qixing pond wetland. The results showed that the soil nitrogen mineralization process in Liaohe reservation zone was significantly promoted by the temperature rise within the water content of 60%-90%.

Liaohe reservation zone; temperature; moisture; wetland types; mineralization of soil

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.06.014

S153

A

1008-8873(2019)06-098-08

2018-12-10;

2019-01-10

國家水體污染控制與治理科技重大專項課題資助(2017ZX07601003)

于芳芳(1991—), 女, 山東省濟南人, 碩士研究生, 研究方向: 環(huán)境分析化學, E-mail: 785493536@qq.com

李法云, 男, 教授, 主要從事流域水污染控制與治理研究, E-mail: lnecology@163.com

于芳芳, 李法云, 賈慶宇. 溫度和水分對遼河保護區(qū)典型濕地土壤氮礦化的影響[J]. 生態(tài)科學, 2019, 38(6): 98-105.

YU Fangfang, LI Fayun, JIA Qingyu.Effects of temperature and moisture on soil nitrogen mineralization of typical wetland in Liaohe reservation zone[J]. Ecological Science, 2019, 38(6): 98-105.