付曉玲，倪紅偉，劉贏男，王建波，王繼豐

（1黑龍江省科學院自然與生態(tài)研究所，哈爾濱 150040；2黑龍江省林業(yè)科學院，哈爾濱 150081）

0 引言

氮素(nitrogen,N)是土壤-植物系統(tǒng)不可缺少的礦質(zhì)元素之一，在植物生長過程中具有不可替代的作用，是植物重要且極難管理的營養(yǎng)元素[1]，被稱為“生命元素”[2]。氮的有效性直接影響著植物對土壤氮素的吸收和利用，而能被植物根系吸收的有效氮源主要是硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，植物對生長環(huán)境中不同形態(tài)氮素的吸收存在較大的差異，不同形態(tài)氮素對植物各形態(tài)指標[3]和N2O排放均有著較為顯著的影響。對油茶的研究表明，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮混合處理最有利于油茶各組織器官吸收氮素[4]。枇杷(Eriobotrya japonica Lindl)有明顯的喜銨特性，枇杷根系對銨態(tài)氮的吸收大于硝態(tài)氮[5]。對枳橙(Citrus sinensis)的研究表明，全硝態(tài)氮培養(yǎng)好于全銨態(tài)氮培養(yǎng)，枳橙屬于喜硝態(tài)氮植物[6]。夏淑杰等[7]研究發(fā)現(xiàn)施加銨態(tài)氮有易于N2O的排放，累積排放量是硝態(tài)氮的2倍左右。梁東麗等[8]研究也發(fā)現(xiàn)施氮后短期內(nèi)銨態(tài)氮排放的N2O量顯著高于硝態(tài)氮處理。不同形態(tài)氮對植物生長和吸收的的影響主要集中于農(nóng)作物的研究，關(guān)于濕地植物對不同形態(tài)氮吸收的研究鮮見報道。

三江平原是中國目前濕地類型最全、保持最完好的原始濕地，生物多樣性十分豐富，也是具有重要代表性和國際意義的濕地生態(tài)系統(tǒng)[9-10]。小葉章(Calamagrostis angustifolia)是三江平原具有典型性和代表性植物[11-12]。鑒于此，本研究以三江平原典型濕地植物—小葉章濕地為研究對象，采用野外原位控制實驗，同位素示蹤研究銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及銨硝混合條件下，濕地植物小葉章對氮素吸收以及N2O排放情況，探討不同形態(tài)氮素在植物-土壤-大氣系統(tǒng)中的分配策略，對研究全球氣候變化趨勢和全面真實地評價濕地N2O排放的影響因素具有重要理論和現(xiàn)實意義。

1 研究材料和試驗方法

1.1 研究地概況

本實驗在黑龍江省科學院自然與生態(tài)研究所三江平原濕地生態(tài)定位研究站—洪河國家級自然保護區(qū)內(nèi)。洪河國家級自然保護區(qū)位于中國東北黑龍江省三江平原的東北部，總面積218.35 km2。研究區(qū)為溫帶季風氣候，多年平均降水量為585 mm，主要集中在7—9月份[13]。土壤類型主要有草甸土、白漿土和沼澤土等。以濕生和沼生的禾本科、莎草科植物為優(yōu)勢種，局部地區(qū)有島狀森林出現(xiàn)。優(yōu)勢植物有小葉章(C.angustifolia)、漂筏苔草(C.pseudo-curaica)、狹葉甜茅(Glyceria spiculosa)、毛果苔草(Carex lasiocarpa)等。其中優(yōu)勢群落小葉章群落高度達到70～120 cm,蓋度達到80%～95%，生物量達到358～450 g/m2。

在實驗站內(nèi)選擇建群種和優(yōu)勢種—小葉章為研究對象，蓋度達85%以上。主要伴生植物有小白花地榆(Sanguisorba parviflora)、翻白蚊子草(Filipendula intemedia)、澤芹(Sium suave)等。

1.2 實驗設(shè)計

氮素形態(tài)處理通過施用15N標記的NH4Cl（區(qū)組一）(A)、15N標記的KNO3（區(qū)組二）(N)和雙標記的NH4NO3（區(qū)組三）(NA)（豐度均為99%，由上?；ぱ芯吭荷a(chǎn)）來實現(xiàn)，施氮時間為5月末，區(qū)組面積5 m×5 m，每個區(qū)組施氮量為0 gN/m2（對照）和4 gN/m2（與當?shù)赝寥乐械拷咏?、每個區(qū)組3個重復，樣地四周用PVC板進行防護（如圖1）。

N2O排放通量觀測采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法。實驗前期埋設(shè)底座，底座采用不銹鋼制成，長×寬×深=50 cm×50 cm×20 cm，底座上端有深2 cm、寬2 cm的凹槽，用于水封防止漏氣。底座固定到樣地后就不再取下，直到整個實驗的結(jié)束。

樣地設(shè)置完畢，施氮之前大約有15天的穩(wěn)定時間，經(jīng)過15天的穩(wěn)定期后，施加標記氮。

1.3 樣品采集

（1）植物樣品采集與分析。植物取樣采用收獲法，樣方面積50 cm×50 cm，5次重復。采樣時間為施加氮素后的第0.5、1、1.5、2、2.5、3、4、5、10、20、30、60、90、120、150天。地下部分取0～15 cm深度的土壤和根全部取出，樣品帶回實驗室，將地下部分用水沖洗干凈，只保留植物根。將植物地上、地下部分置于80℃烘箱中烘干稱重后磨碎(＜0.85 mm)裝袋。植物地上、地下部分15N含量用元素分析儀（Thermo Flash EA1112，美國）-穩(wěn)定性同位素質(zhì)譜聯(lián)用儀（GV IsoPrime JB312，英國）測定。

（2）N2O氣體收集。N2O氣體收集利用靜態(tài)箱。在不同處理區(qū)域安置50 cm×50 cm底座，用尺寸為50 cm×50 cm×50 cm的頂箱和延長箱結(jié)合的采樣箱系統(tǒng)進行氣體采樣，采樣時間為每天10:00—14:00時，采樣的頻率為施加氮素后的第0.5、1、1.5、2、2.5、3、4、5、10、20、30、60、90、120、150天。N2O中15N含量用氣體同位素質(zhì)譜儀(BT-981S)測定。

1.4 測定指標和方法

1.4.115N吸收量的計算 將施氮處理過的樣品采集后，將植株分成葉、莖、根3份，樣品送至中國農(nóng)業(yè)大學測定。15N的吸收量參照孫世君等[14]方法計算見式(1)。

Ndff指植株器官從外源氮中吸收分配到的15N量對該器官全氮量的貢獻率，反映了植株器官對外源15N的吸收征調(diào)能力。其中0.3663%為自然豐度。

器官15N吸收量(mg/g，DW)=全氮含量(mg/g，DW)×Ndff(%)

1.4.2 N2O通量的計算 N2O排放通量的定義為單位時間、單位面積觀測箱內(nèi)排放的被測氣體質(zhì)量的變化。將樣品采集后待測定。

可用公式(2)表示。

式中：J-氣體通量[mg/(m2·h)]；

-采樣時氣體濃度隨時間變化的直線斜率；

M-被測氣體的摩爾質(zhì)量；

P-采樣點的氣壓；

T-采樣時絕對溫度；

V0、P0、T0-分別為標準狀況下氣體摩爾體積、空氣氣壓和絕對溫度；

H-水面以上采樣箱高度。

J為正值時表示釋放，負值表示吸收。15N2O[mg/(m2·h)]=0.01

1.5 穩(wěn)定同位素比率測定及數(shù)據(jù)分析

用Elementar Isoprime 100同位素質(zhì)譜儀（中國農(nóng)業(yè)大學，中國）測定δ15N。數(shù)據(jù)采用Sigmaplot 10.0和Microsoft Excel 2010做圖，數(shù)據(jù)分析采用SPSS19.0 for Windows軟件進行分析處理。小葉章葉、莖、根中Ndff和對15N吸收量以及N2O中的δ15N值數(shù)據(jù)均采用方差分析(ANOVA)，檢驗不同處理間小葉章各器官吸收15N的顯著性，采用最小顯著差數(shù)(LSD)法進行各處理間雙重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮素形態(tài)處理對小葉章莖、葉、地下生物量及根冠比的影響

表1為小葉章最大生物量月份（7月）的生物量數(shù)值。由此表可知，不同氮素形態(tài)對小葉章生長指標具有顯著差異。葉生物量依次為處理A＞NA＞N＞CK；A處理的葉生物量顯著高于N和NA。A處理莖生物量最大，比對照(CK)提高了35.68%。NA處理地下生物量顯著高于A和CK，與地下生物量相同，NA處理根冠比最大，是對照的1.82倍，A和N處理較對照分別提高了18.32%和46.53%。

表1 不同形態(tài)氮處理下小葉章莖、葉以及地下生物量

2.2 不同氮素形態(tài)處理對小葉章葉、莖、地上以及根氮含量的影響

由圖2可知，不同形態(tài)處理小葉章葉氮含量最高，莖最低，除了混合氮處理外，地上和根相差不大，說明施氮后，大部分氮都被植物葉和根吸收，用于植物的生長發(fā)育。經(jīng)T檢驗，不同處理氮含量顯著高于對照(P＜0.05)，不同處理之間氮含量差異不顯著(P＜0.05)。因此說明，不同形態(tài)氮處理之間對小葉章器官中氮含量影響很小。

圖2 不同氮素形態(tài)處理對小葉章葉、莖、地上以及根氮含量的影響

2.3 不同氮素形態(tài)處理對小葉章葉、莖、地上以及根Ndff的影響

由圖3看出，不同氮素形態(tài)處理下小葉章葉、莖以及地上Ndff隨取樣時間的變化趨勢均呈現(xiàn)拋物線型。經(jīng)方差分析，小葉章葉、莖以及地上Ndff均表現(xiàn)為處理A＞N＞NA＞CK，并且各處理極顯著高于對照(CK)(P＜0.01)，進一步經(jīng)過T檢驗得知，各處理之間達到顯著差異(P＜0.05)，因此說明，單一氮源有利于植物地上器官對外源N的吸收，且地上器官對單一銨態(tài)氮處理吸收能力最大(P＜0.05)。

圖3 不同氮素形態(tài)處理對小葉章葉、莖、地上以及根Ndff的影響

不同氮素形態(tài)處理對小葉章根Ndff影響隨取樣時間延長波動很小，幾乎與對照持平（圖3）。經(jīng)T檢驗分析，N和A處理間，根Ndff隨取樣時間延長差異不顯著(P＞0.05),但N和NA、A和NA處理間，根Ndff隨取樣時間延長達到極顯著差異(P＜0.01)，各處理均極顯著高于對照(P＜0.01)，說明混合氮源和單一氮源均有利于根對外源氮的吸收，且根對單一氮源的吸收能力顯著高于混合氮源，對單一的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮吸收能力相差不大(P＞0.05)。

2.4 不同氮素形態(tài)處理對小葉章葉、莖、地上以及根15N含量的影響

由圖4看出，不同氮素形態(tài)處理下小葉章葉、莖以及地上15N含量隨取樣時間呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，而根中15N含量隨取樣時間波動很小，且葉中15N含量最多，莖次之，根中含量最少。經(jīng)方差分析，小葉章葉、莖、地上以及根15N含量均表現(xiàn)為處理A＞N＞NA＞CK，并且各處理極顯著高于對照(CK)(P＜0.01)，處理之間達到顯著差異(P＜0.01)。經(jīng)T檢驗分析，處理N和處理A之間差異不顯著(P＞0.05),其他處理之間達到顯著差異(P＜0.01)。因此說明，植物體吸收的氮大部分被葉吸收進行光合作用促進生長發(fā)育，植物各器官主要吸收外源氮中的單一氮源（硝態(tài)和銨態(tài)），且吸收的銨態(tài)氮高于硝態(tài)氮，但差異不明顯(P＞0.05)。

圖4 不同氮素形態(tài)處理對小葉章葉、莖、地上以及根15N含量的影響

2.5 不同氮素形態(tài)處理對濕地N2O排放的影響

由圖5可以看出，處理N濕地N2O排放量最多，處理A和處理NA相差不大。經(jīng)方差分析，處理N、處理A和處理NA顯著高于對照(CK)(P＜0.05)。經(jīng)T檢驗分析，處理N顯著高于處理A和處理NA(P＜0.05)，處理A和處理NA之間差異不顯著(P＞0.05)。因此說明，施加外源氮能促進濕地N2O排放量，且施加硝態(tài)氮使?jié)竦豊2O排放量最多。另外上文得出結(jié)論：植物主要吸收外源氮中的銨態(tài)氮，意味著硝態(tài)氮大部分儲存在土壤中，經(jīng)過土壤微生物作用，排放到大氣中，也進一步證明了硝態(tài)氮促進了N2O排放。

圖5 不同氮素形態(tài)處理對濕地N2O排放的影響

3 討論

氮素是植物體內(nèi)不可缺少的元素。氮素的種類和配比對植物的產(chǎn)量和品質(zhì)有著重要的影響，施用不同形態(tài)的氮素可顯著(P＜0.05)影響植株的生長發(fā)育及其對養(yǎng)分的吸收和利用[15]。研究表明，當土壤中含有混合氮源(NH+4-N和NO-3-N)時，大部分旱地作物生長狀況和干物質(zhì)積累比單一氮源更好[16]。外源氮素的形態(tài)會影響植株全氮的積累轉(zhuǎn)運，從而使植物對于外源氮素的吸收發(fā)生改變。而本研究表明不同氮素形態(tài)對小葉章生長指標具有顯著差異。銨態(tài)氮處理下，小葉章葉和莖的生物量最大，混合氮源處理下，小葉章地下生物量最大，且混合態(tài)氮根冠比最大。不同形態(tài)氮處理小葉章葉吸收氮最多，其次是根。

氮是陸地生態(tài)系統(tǒng)植物光合作用和初級生產(chǎn)過程中最受限制的元素之一[17]，有機氮是土壤氮庫的主體（占95%以上），植物可吸收利用的氮主要來源于土壤有機氮的礦化[18]，土壤有機氮礦化對于植物的生長過程極為重要，其礦化速率的高低直接影響土壤的供氮能力。無機氮主要以NH+4-N和NO-3-N存在，可為植物直接利用。濕地土壤無機氮的含量通常維持在很低的水平上，因而常常是土壤中最主要的限制性養(yǎng)分，其含量高低直接影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[19]。本研究利用同位素示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)氮素對小葉章地上、地下部分氮吸收都有一定程度的促進作用，且小葉章不同器官對銨態(tài)氮的吸收量最大，這與李樹斌等[20]研究一致。氮素形態(tài)很大程度上影響了植物根系對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的吸收特性，在相同施氮量下，植物根系吸收的硝態(tài)氮遠大于銨態(tài)氮，大部分銨態(tài)氮都被土壤吸附著，且施氮量越多土壤吸附的銨態(tài)氮越多。但土壤吸附的示蹤氮很少，一般占總示蹤氮1%～2%，其中吸附的大部分為示蹤銨態(tài)氮。研究發(fā)現(xiàn)土壤中的示蹤氮隨生長季節(jié)無明顯變化。

濕地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放主要取決于土壤中硝化與反硝化過程。而該過程受土壤溫濕度、土壤中NH4+-N、NO3--N以及土壤微生物強烈的影響[21-24]。因此，土壤中NH4+-N和NO3--N的供應狀況與N2O排放密切相關(guān)[25]，Bremner等[26]研究發(fā)現(xiàn)土壤中施入(NH4)2SO4和尿素后，土壤中的硝化細菌通過硝化作用產(chǎn)生了N2O，且(NH4)2SO4和尿素在土壤中的硝化作用遠大于施KNO3的土壤。Cartaxana等[27]對歐洲塔霍河鹽沼沉積物N2O排放的研究則發(fā)現(xiàn)，添加NO-3可增加沉積物的N2和N2O濃度。Mu?oz-Hincapié等對波多黎各紅樹林(Rhizophora mangle)沉積物的研究也發(fā)現(xiàn)，隨著NH4+-N和NO3--N含量的增加，N2O排放通量逐漸增加。本研究發(fā)現(xiàn)：濕地沼澤化草甸為弱的N2O排放源，硝態(tài)氮處理N2O排放量最多，此結(jié)論與夏淑潔等[7]對經(jīng)濟作物棉花所做研究得出的結(jié)論一致，均取決于硝化與反硝化過程，并可能受到時間、土壤溫濕度以及土壤營養(yǎng)成分含量的影響[28]。本研究還得出銨態(tài)氮和混合態(tài)氮處理對濕地N2O排放量差異不明顯。

自然濕地空間變化差別也較大，由于自然濕地類型多樣，廣泛分布于世界各地，其N2O排放常因所研究的地域和環(huán)境條件的差異而不同。如不同緯度地區(qū)濕地N2O排放通量呈：北部天然濕地＜溫帶天然濕地＜熱帶天然濕地[29]；福建九龍江河口海岸紅樹林濕地不同地點N2O排放通量的空間差異明顯[30]。有研究表明，同地區(qū)不同類型天然濕地N2O排放通量不盡相同[31]。而且N2O排放隨季節(jié)變化不同[32-35]。因此，從氮素形態(tài)的時空分布格局角度亟待深入研究。