胡 容 葉 春 蒲玉琳,? 胡嗣佳 張世熔 向 雙 賈永霞 徐小遜

（1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130）

（2 中國(guó)科學(xué)院山地生態(tài)恢復(fù)與生物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，生態(tài)恢復(fù)與生物多樣性保育四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所，成都 610041）

（3 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都 611130）

土壤有機(jī)態(tài)氮約占全氮90%以上，是植物生長(zhǎng)過(guò)程中有效氮的源和庫(kù)[1]。自Bremner[2]提出將有機(jī)氮分為酸解氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮、未知態(tài)氮和非酸解氮等化學(xué)形態(tài)后，人們開始關(guān)注不同施肥與耕作措施[3]、土壤類型[4]、土地利用方式[5]下土壤有機(jī)氮組分的變異特征。如化肥配施有機(jī)肥可提高水田土壤酸解有機(jī)氮及其氨基酸氮、氨基糖氮和酸解氨態(tài)氮含量[3]。草甸型水稻土以未知態(tài)氮為主，而濱海鹽漬型水稻土以酸解氨基酸態(tài)氮和氨態(tài)氮為主[6]。同一土壤在不同利用方式下有機(jī)氮組分差異明顯，如旱地土壤的全氮、酸解總氮含量均顯著低于相應(yīng)的水稻土[7]。但上述研究多集中于農(nóng)田、草地和森林生態(tài)系統(tǒng)，鮮有報(bào)道土壤有機(jī)氮組分對(duì)濕地環(huán)境變化的響應(yīng)。

濕地作為維持生物多樣性和自然資源的重要生態(tài)系統(tǒng)，被稱為“地球之腎”[8]。若爾蓋高寒沼澤濕地是青藏高原上面積最大的沼澤濕地，對(duì)全球氣候變化和人類干擾的敏感性高[9]。從20 世紀(jì)60年代開始，受氣候干暖化及開溝排水、放牧等人為因素的影響，沼澤向沼澤化草甸、草甸、退化草甸逆向演替，甚至出現(xiàn)沙化草甸[10]。高寒沼澤干化、甚至沙化，伴隨植被退化會(huì)給土壤碳、氮、磷、硫等重要物質(zhì)的循環(huán)帶來(lái)怎樣的影響？由此產(chǎn)生怎樣的大氣、水環(huán)境效應(yīng)？近年來(lái)諸多學(xué)者圍繞這些問(wèn)題主要展開了濕地退化條件下土壤有機(jī)碳及其組分變化[11-12]、土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征[13]、溫室氣體排放通量[14]等研究。土壤有機(jī)氮是濕地有效氮的主要來(lái)源，氮素的有效性通常限制濕地的凈初級(jí)生產(chǎn)力[15]。對(duì)濕地有機(jī)氮的關(guān)注，主要集中于土壤全氮儲(chǔ)量及剖面變化[16-17]、土壤溶解性有機(jī)氮的空間分布特征[18]，鮮有退化濕地土壤有機(jī)氮組分變化的系統(tǒng)、定量研究，有機(jī)氮組分與有效氮的耦合關(guān)系也尚不明晰。

因此，本文以若爾蓋高寒沼澤干化過(guò)程中不同退化程度沼澤濕地為對(duì)象，探討高寒沼澤濕地退化過(guò)程中土壤氮素積累和有機(jī)氮組分的演變特征，以期為深入研究高寒濕地退化過(guò)程中氮轉(zhuǎn)化的演變特征提供理論基礎(chǔ)，為恢復(fù)退化高寒沼澤濕地提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

若爾蓋高寒沼澤濕地位于青藏高原東北部（102°08′E～103°39′E，32°56′N～34°19′N），海拔3 400～3 800 m，為典型的大陸性高原季風(fēng)氣候。最冷月1月平均氣溫-10.6℃，絕對(duì)最低氣溫-33.7℃；最熱月7月平均氣溫10.8℃，絕對(duì)最高氣溫24.6℃，年平均氣溫0.7℃。年降水量600～800 mm，平均降水量656.8 mm，其中86% 集中于4月下旬至 10月中旬。植被以沼澤植被和草甸植被為主，沼澤植物的優(yōu)勢(shì)種有木里苔草（Carex mulieensis）、毛果苔草（Carex lasiocarpa）、烏拉苔草（Carex meyeriana）等；草甸植被以草地早熟禾（Kentucky bluegrass）、車前草（Plantain）、黑褐苔草（Carex alrofusca）等植物為主[19]。

1.2 土壤樣品采集

本研究在2006—2013年開展的4 次若爾蓋沼澤濕地分布狀況的實(shí)地調(diào)查基礎(chǔ)上，根據(jù)濕地的水文（有無(wú)地表積水與積水程度）、年際土壤水分狀況、植被群落類型、植被蓋度和人為干擾活動(dòng)等生態(tài)環(huán)境指標(biāo)，將研究區(qū)退化沼澤大致分為輕度退化沼澤（Lightly degraded marsh，LDM）、中度退化沼澤（Moderately degraded marsh，MDM）和重度退化沼澤（Heavily degraded marsh，HDM）。

2015年7月利用前期的實(shí)地調(diào)查研究成果，在若爾蓋濕地自然保護(hù)區(qū)用空間代替時(shí)間法，選擇沼澤以及由沼澤退化而成的沼澤化草甸、草甸和退化草甸4 種濕地景觀，分別代表相對(duì)原生沼澤（Relatively pristine marsh，RPM）、LDM、MDM 和HDM。4 種不同程度退化濕地的生態(tài)環(huán)境狀況如表1。在花湖-熱爾大壩、向東牧場(chǎng)、堯拉喬-唐克、黑青喬、黑河牧場(chǎng)、黑河流域的中下游嫰哇段6 個(gè)采樣區(qū)設(shè)置4類景觀100 m×100 m 樣地2～3 個(gè)，每個(gè)樣地先使用GPS 定位和記錄優(yōu)勢(shì)植被類型后，在每個(gè)樣地設(shè)立3 個(gè) 1 m ×1 m 的樣方，利用原狀土取土器（Eijkelkamp，荷蘭）采集0～100 cm 土壤剖面樣品，按0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm 土層采集土樣。將同一樣地內(nèi)3 個(gè)樣方的同一土層土樣放置一起，去除雜物及植物根系、凋落物等，混合土樣，縮分至1 kg，裝入密封塑料袋。土壤樣品帶回室內(nèi)風(fēng)干，研磨，過(guò)篩備用。

1.3 分析項(xiàng)目及方法

土壤有機(jī)氮分組采用Bremner[2]法，其中，酸解態(tài)氮測(cè)定采用6 mol·L-1HCl 酸解—?jiǎng)P氏半微量定氮法；酸解氨態(tài)氮測(cè)定采用MgO 蒸餾法；酸解氨態(tài)氮與氨基糖態(tài)氮測(cè)定采用磷酸鹽-硼酸鹽緩沖液蒸餾法；酸解氨基酸態(tài)氮測(cè)定采用茚三酮氧化、磷酸鹽-硼酸鹽緩沖液蒸餾法；酸解未知態(tài)氮、非酸解氮和酸解氨基糖態(tài)氮?jiǎng)t采用差減法求得。全氮、堿解氮分別采用CuSO4-K2SO4-Se（100∶1∶1）消化、半微量凱氏定氮法和堿解擴(kuò)散法測(cè)定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)分析與制圖

數(shù)據(jù)運(yùn)用Excel 2010 和SPSS 19.0 進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和鄧肯（Duncan）法分析不同退化程度濕地土壤氮素間的差異顯著性，應(yīng)用皮爾遜（Pearson）相關(guān)系數(shù)分析全氮、堿解氮與有機(jī)氮組分間的相關(guān)性，多元逐步回歸分析進(jìn)一步闡明有機(jī)氮組分對(duì)堿解氮的貢獻(xiàn)。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的顯著水平為P = 0.05。利用Origin 9.0 軟件繪圖。

?

2 結(jié) 果

2.1 濕地退化條件下土壤全氮與堿解氮含量及其垂直變化

如圖1所示，RPM 土壤TN 含量最高可達(dá)13.6 g·kg-1。與RPM 相比，LDM、MDM、HDM 土壤TN 含量分別降低7.2%～22.3%、33.4%～77.8%、69.4%～93.7%，且RPM、LDM 土壤TN 含量與MDM、HDM 的差異顯著（P＜0.05）。表明沼澤退化導(dǎo)致土壤TN 含量降低，且降低幅度隨著退化程度的加劇而增加。

隨著土層深度的增加，LDM 土壤TN 含量先降低后增加再降低，但各土層間無(wú)顯著差異。RPM、MDM 和HDM 土壤TN 含量均隨著土層的加深而顯 著降低。其中，RPM 土壤TN 含量各土層間無(wú)顯著差異（P＞0.01）；MDM 中土壤TN 含量在0～10 cm與20～100 cm 土層間、10～20 cm 與40～100 cm土層間的差異顯著（P＜0.01）；HDM 中土壤TN 含量在0～10 cm 與30～100 cm 土層間、10～30 cm與40～100 cm 土層間、30～40 cm 與60～100 cm土層間顯著差異（P＜0.01）。說(shuō)明土壤TN 含量的剖面分異隨沼澤退化的加劇而增大。

1 m 深度內(nèi)，RPM、LDM 各土層堿解氮（AN）含量分別為 0.363 ～0.622 g·kg-1、 0.343 ～0.814 g·kg-1。AN 含量在RPM 與LDM 間、MDM 與HDM 間無(wú)顯著差異（P＞0.05）（圖1）。然而，RPM、LDM 各土層土壤AN 含量顯著高于MDM、HDM（P＜0.05）（圖1）。MDM 和HDM 土壤AN 含量分別較RPM 降低36.8%～80.2%、57.6%～82.2%，分別較LDM 降低51.7%～82.3%、65.2%～81.1%。說(shuō)明沼澤發(fā)生中度、重度退化時(shí)，土壤AN 含量顯著降低。

圖1 濕地退化條件下土壤全氮和堿解氮含量 Fig.1 Soil total nitrogen and alkalytic nitrogen in wetland under degradation

各類濕地土壤AN 含量均隨著土層深度的增加而降低。RPM、LDM 土壤AN 含量在土層間無(wú)顯著差異（P＞0.01）；MDM 中土壤AN 含量在0～10 cm與10～100 cm 土層間、10～20 cm 與40～100 cm土層間的差異顯著（P＜0.01）；HDM 土壤中AN 含量在0～10 cm 與30～100 cm 間、0～30 cm 與80～100 cm 間的差異顯著（P＜0.01）。表明隨著沼澤退化的加劇，土壤AN 含量的剖面分異加劇。

2.2 濕地退化條件下土壤有機(jī)氮組分變化

2.2.1 土壤酸解態(tài)氮和非酸解態(tài)氮含量變化 如圖2所示，0～40 cm 深度內(nèi)，各類濕地土壤酸解氮、非酸解氮含量隨土層深度的增加而降低。4類濕地土壤酸解氮含量均大于非酸解氮，且各土層土壤酸解氮與非酸解氮含量均按RPM、LDM、MDM、HDM 的順序降低，其中，RPM 酸解氮與非酸解氮含量分別可達(dá)9.8、3.3 g·kg-1。MDM、HDM 的土壤酸解氮含量相較于 RPM 分別降低38.9%～60.9%、72.3%～78.8 % （P＜0.05）。0～20 cm 土層，HDM 土壤非酸解氮含量較RPM 降低66.1%（P＜0.05），20～40 cm 土層，MDM 和HDM土壤非酸解氮含量分別較RPM 降低58.5%、66.7%（P＜0.05），表明沼澤退化顯著降低了土壤酸解氮和非酸解氮含量，且降低幅度隨沼澤退化程度的加劇而增大。

圖2 濕地退化條件下土壤酸解態(tài)氮和非酸解態(tài)氮含量 Fig.2 Soil acidolytic N and non-acidolytic N content in wetland under degradation

2.2.2 土壤酸解氮組分含量變化 如圖3所示，隨土層深度的增加，4 類濕地土壤酸解氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、未知態(tài)氮含量均降低，除MDM 外的其余3 類濕地土壤的氨基糖態(tài)氮含量卻增加。沼澤退化顯著降低了土壤除氨基糖態(tài)氮外的其余酸解氮組分含量，且降低幅度隨退化程度的加劇而增加。其中，0～20 cm 土層HDM 土壤酸解氨態(tài)氮含量相較于RPM（2.4 g·kg-1）降低66.3%（P＜0.05）；20～40 cm 土層，MDM 和HDM 土壤酸解氨態(tài)氮含量分別較RPM（1.9 g·kg-1）降低47.4%、70.8%（P＜0.05）。MDM 和HDM 土壤氨基酸態(tài)氮含量相較于 RPM（2.9～4.0 g·kg-1）分別降低47.2%～68.6%、85.7%～86.7%（P＜0.05）。HDM 未知態(tài)氮較RPM（3.0～3.3 g·kg-1）降低62.2%～78.4%（P＜0.05）。4 類濕地土壤氨基糖態(tài)氮含量的顯著差異主要體現(xiàn)在 20～40 cm 土層，其中MDM、HDM 土層土壤氨基糖態(tài)氮含量分別較LDM（0.20 g·kg-1）降低56.1%、49.4%（P＜0.05）。

2.2.3 土壤各有機(jī)氮組分占全氮的比例 由圖4可見，土壤氨基酸態(tài)氮或未知態(tài)氮的占比最高，分別約為25.5%～30.8%、26.7%～38.1%；酸解氮中氨基糖態(tài)氮占全氮的比例最低，僅為0.9%～5.8%。

濕地發(fā)生輕度退化時(shí)，酸解氮占全氮的比例約為84.9%，增加了8.6%；而濕地中度或重度退化后，酸解氮占全氮比例卻分別降低了7.1%、10.5%。與RPM 相比，HDM 土壤氨基糖態(tài)氮與酸解氨態(tài)氮占全氮的比例分別上升了3.1%、5.5%，而氨基酸態(tài)氮的比例下降了14.9%（圖4）。

圖4 濕地退化條件下土壤有機(jī)氮各組分占全氮的比例 Fig.4 Proportions of organic nitrogen fractions to TN in wetland under degradation

2.3 濕地退化條件下有機(jī)氮組分與堿解氮的相關(guān)性

除氨基糖態(tài)氮外，盡管4 類濕地土壤全氮、堿解氮與有機(jī)氮各組分基本呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）（表2），但逐步線性回歸分析顯示，各類濕地土壤中均僅有一個(gè)氮組分進(jìn)入堿解氮與氮組分的回歸擬合方程（表3）。RPM 土壤中堿解氮含量的主要影響因子是酸解氨態(tài)氮，LDM 與MDM 土壤中的主要影響因子是氨基酸態(tài)氮，HDM 中為未知態(tài)氮。

表2 濕地退化條件下土壤有機(jī)氮組分與全氮、堿解氮的相關(guān)系數(shù) Table2 Correlation coefficients of soil organic nitrogen fractions，with total nitrogen and alkalytic nitrogen in wetland under degradation

3 討 論

3.1 濕地退化對(duì)土壤氮素積累的影響

土壤氮素主要來(lái)源于凋落物與根系，水分及溫度狀況、植物群落影響著土壤氮素積累[21]。RPM 土壤TN 含量最高，由于相對(duì)原生沼澤常年積水（表1），土壤通氣性極差，微生物活性低，有機(jī)質(zhì)分解緩慢，有利于有機(jī)氮的積累[21]，全氮積累量可高達(dá)13.6 g·kg-1。RPM 向LDM 演變后，土壤處于季節(jié)性積水狀態(tài)，季節(jié)性疏干時(shí)有機(jī)質(zhì)在好氧微生物的作用下分解[22]，致使TN 含量有所降低，但與RPM 無(wú)顯著差異。當(dāng)RPM 水分持續(xù)減少，退化為MDM 后，一方面土壤通氣條件得到顯著改善，有機(jī)氮的礦化增強(qiáng)[23]，另一方面放牧強(qiáng)度增大，植物在生長(zhǎng)初期就被牛羊消耗，使得地上植被覆蓋度隨之降低（表1），枯落物歸還量大大減少，結(jié)果導(dǎo)致土壤TN 含量相 比RPM 降低56%（P＜0.05）。 MDM 長(zhǎng)期超載放牧，加之鼠害頻發(fā)，植被種類與數(shù)量、蓋度大大降低，地下根系生物量與枯落物歸還量也因此大大減少（表1），至此，RPM 退化為HDM，土壤TN 含量較RPM 降低82%（P＜0.05）。因此，4 類不同退化程度濕地，由于水文狀況、植被群落特征、枯落物歸還量、地下根系、放牧等人為干擾的差異導(dǎo)致土壤TN 含量表現(xiàn)為：RPM＞LDM＞MDM＞HDM，與Li 等[24]的研究結(jié)果相似。

正是由于上述植被與水文、放牧等影響，高寒沼澤濕地向草甸-退化草甸演替時(shí)，土壤堿解氮含量逐漸降低，但向沼澤化草甸轉(zhuǎn)變時(shí)，土壤堿解氮含量卻增加。究其原因，與微生物數(shù)量與活性有關(guān)，因?yàn)橛袡C(jī)氮化合物只有在微生物作用下才能轉(zhuǎn)變成堿解氮類，如酰胺、蛋白質(zhì)等小分子有機(jī)氮和無(wú)機(jī)態(tài)氮[23]。相較于沼澤而言，沼澤化草甸處于干濕交替頻繁的條件下，好氣和兼性厭氣性細(xì)菌和放線菌大量繁殖[25]，地下生物量增大（表1），根系分泌物更多，有機(jī)氮分解量增大。所以LDM 土壤堿解氮含量高于RPM。

3.2 濕地退化對(duì)土壤有機(jī)氮組分的影響

土壤有機(jī)氮組分含量及其在全氮中的分配比例常因環(huán)境條件的變化而有所差異[5]。本研究中，除氨基糖態(tài)氮外，其余各有機(jī)氮組分含量均隨著濕地退化加劇而逐漸降低（圖3），與余倩等[26]關(guān)于高寒草地沙化條件下土壤有機(jī)氮組分含量變化特征相似。究其原因與沼澤逆向演替條件下土壤全氮含量的變化一致。然而，氨基糖態(tài)氮含量隨著濕地的退化先升高后降低，在LDM 處最高，這是因?yàn)榘被菓B(tài)氮主要來(lái)源于微生物細(xì)胞壁物質(zhì)[26]，處于干濕交替環(huán)境的沼澤化草甸土壤微生物得以大量繁殖；而當(dāng)沼澤演變?yōu)椴莸?、退化草甸后微生物?shù)量降低[27]。

研究表明，酸解氨態(tài)氮主要來(lái)源于土壤中的交換性銨和固定態(tài)銨，是植物吸收利用的有效氮庫(kù)[5]。本研究中，土壤氨態(tài)氮占全氮的比例隨著濕地退化呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。這可能是由于濕地逆向演變成草甸、退化草甸后，有機(jī)氮分解速率加快，而大部分固定態(tài)銨被固定于礦物晶格之間，釋放緩慢，造成了氨態(tài)氮相對(duì)比例增加。氨基酸態(tài)氮作為一個(gè)過(guò)渡氮庫(kù)，協(xié)調(diào)土壤氮素儲(chǔ)存和植物吸收有效氮之間的關(guān)系[28]。濕地退化過(guò)程中，有機(jī)氮庫(kù)中的氨態(tài)氮一部分以固定態(tài)銨的形式存在，導(dǎo)致可礦化氮不足以滿足植物生長(zhǎng)，依賴更多的氨基酸態(tài)氮分解，來(lái)滿足植物的氮素需求。因此，氨基酸態(tài)氮占全氮的比例隨著濕地的退化而降低。這與王晉等[7]研究不同種植年限水稻土氨基酸態(tài)氮比例的變化趨勢(shì)相似。氨基糖態(tài)氮占全氮的比例隨著濕地的退化而增加，這可能與濕地退化后土壤微生物群落的改變有關(guān)。未知態(tài)氮和非酸解氮占全氮比例無(wú)明顯變化趨勢(shì)，是因?yàn)槲粗獞B(tài)氮由脂肪胺和芳胺等生物有效性低的含氮物質(zhì)組成[1]，非酸解氮主要存在于腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)成分中[29]，在有機(jī)氮庫(kù)中較為穩(wěn)定、難礦化。

3.3 濕地退化條件下土壤有機(jī)氮組分對(duì)氮素有效性的貢獻(xiàn)

土壤中無(wú)機(jī)態(tài)及部分小分子有機(jī)態(tài)的有效氮（堿解氮）能夠較靈敏地反映土壤供氮水平[30]。本研究顯示，相對(duì)原始沼澤，土壤中酸解氨態(tài)氮是堿解氮的主要貢獻(xiàn)者。究其原因是由于淹水環(huán)境抑制了真菌、部分放線菌和一些硝化細(xì)菌的活性，使得土壤中累積了大量的 NH+4-N[31]。當(dāng)沼澤演變?yōu)檎訚苫莸榛虿莸楹?，土壤中氨基酸態(tài)氮對(duì)堿解氮貢獻(xiàn)最大，與Bardgett 等[32]對(duì)棕壤型草地土壤的研究結(jié)果相似，可能是由于相較于沼澤土壤而言，沼澤化草甸通氣條件有所改善，草甸土壤通氣性大大改善，氨態(tài)氮中活性的交換性銨含量下降[33]，致使氨基酸態(tài)氮分解加快來(lái)滿足植物生長(zhǎng)。草甸繼續(xù)退化后，甚至沙趨化或沙化后，未知態(tài)氮變?yōu)橛行У闹饕绊懸蛩兀@是由于沼澤發(fā)生嚴(yán)重退化時(shí)，人為干擾劇烈，易于礦化的氨態(tài)氮及氨基酸態(tài)氮含量大大降低，促使未知態(tài)氮向堿解氮轉(zhuǎn)化。

4 結(jié) 論

不同退化程度沼澤土壤全氮（TN）與除氨基糖態(tài)氮外的各有機(jī)氮組分含量均隨濕地退化的加劇而降低，堿解氮（AN）含量與氨基糖態(tài)氮卻隨著濕地的退化先升高后降低。濕地退化改變了有機(jī)氮組分占全氮的比例以及對(duì)氮素有效性的貢獻(xiàn)。隨著濕地退化程度的加劇，氨基糖態(tài)氮與氨態(tài)氮占全氮的比例上升，而氨基酸態(tài)氮的比例下降。RPM 土壤中堿解氮含量的主要影響因子是氨態(tài)氮，LDM 與MDM土壤中的是氨基酸態(tài)氮，HDM 中的為未知態(tài)氮。