雪被厚度和積雪周期對(duì)土壤氮素動(dòng)態(tài)影響的初步研究

胡霞，尹鵬，王智勇，宗華，吳彥2,?

1. 樂山師范學(xué)院，四川 樂山 614004；2. 中國科學(xué)院成都生物所生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041；

2. 西南交通大學(xué)建筑學(xué)院，四川 成都 610031

眾多的科研機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)：氣候變化將改變環(huán)境和生物地球化學(xué)條件（Serreze等，2000；ACIA，2005；IPCC，2007），如雪被將變得更厚（ACIA，2005），積雪融化時(shí)間可能會(huì)更早（Chapin等，2005）。由于雪被存在隔絕效應(yīng)，如果冬季土壤表面在凍結(jié)溫度出現(xiàn)之前形成雪被覆蓋，就能夠有效的隔絕土壤與大氣的熱量交換，防止凍結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。因此，雪被覆蓋的厚度和持續(xù)時(shí)間將對(duì)冬季土壤理化性質(zhì)變化過程產(chǎn)生重大影響。雪被覆蓋隔離了大氣和土壤（Goodrich，1982；Schimel和Bilbrough，2004；Campbell，2005），可有效防止凍融循環(huán)帶來的土壤物理性質(zhì)的改變（Buckeridge和Grogan，2008），保持了冬季土壤環(huán)境，提高了土壤微生物活性。事實(shí)上，Brooks等人（1998）已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，高山凍原土壤雪被覆蓋增加了微生物生物量和土壤無機(jī)氮庫含量。Schimel等人（2004）對(duì)北極凍原生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)冬季深雪覆蓋增加了凈氮礦化率的現(xiàn)象。

除了積雪厚度之外，雪被覆蓋持續(xù)時(shí)間也影響著土壤物質(zhì)特性和土壤水分節(jié)律，并且控制著年際微生物群落轉(zhuǎn)換和氮素礦化時(shí)段（Bj?rk和Molau，2007）。Brooks 等人（Brooks，1996；Brooks，1997）指出，積雪覆蓋時(shí)間的微小改變即可引起冬季土壤氣體釋放的巨大變化。Steven和Billings（1981）在美國懷俄明州東南部的研究發(fā)現(xiàn)，春季積雪在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間融化，能夠較大程度的保持土壤水溫同步。

由此可見，積雪厚度和積雪周期在土壤微生物活性和土壤氮素動(dòng)態(tài)變化上都起著非常重要的作用。然而，迄今為止，人們對(duì)于類似青藏高原東緣這樣的高山地帶的積雪厚度和積雪時(shí)間對(duì)土壤氮循環(huán)的影響效應(yīng)尚不清楚。為了評(píng)估不同雪況下土壤礦質(zhì)氮庫水平和凈氮礦化變化動(dòng)態(tài)，采用原位PVC管培養(yǎng)土壤，通過人工控制積雪深度和積雪時(shí)間的方法，來研究雪況對(duì)土壤水溫狀況和氮素水平的影響效應(yīng)，試圖解答“積雪厚度和積雪周期哪個(gè)對(duì)土壤氮素循環(huán)的影響更深遠(yuǎn)”的科學(xué)問題。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于四川省松潘縣章臘鄉(xiāng)卡卡山的中國科學(xué)院成都生物研究所生態(tài)站試驗(yàn)基地內(nèi)（32°59′ N，103°40′ E），海拔 3500 m，屬于岷山山脈的一部分。該區(qū)年均氣溫2.8 ℃，1月均溫-7.6 ℃，7月均溫9.7 ℃，年均降雨量為718 mm，每年11月底或 12月初出現(xiàn)持續(xù)的積雪覆蓋，平均積雪厚度為25～40 cm。土壤為棕色氈土（pH 5.42～5.83，土壤有機(jī)質(zhì)44.23～62.00 g·kg-1干土，全氮3.51～5.12 g·kg-1干土），平均土層厚度約63 cm，植物根系主要分布于2～20 cm深的土層。原生植被為岷江冷杉(Abies faxoniana)，高山灌木有：窄葉鮮卑花（Sibiraea angustata）、鷓鴣杜鵑(Rhododendron zheguense)和鷓鴣柳(Salix zhegushanica），以及零星的紫果云杉(Picea purpurea)等；草本植物主要有黑褐苔草(Carex atrofusca)、斑唇馬先蒿(Pedicularis longifloravar. tubiformis)、長(zhǎng)葉火絨草(Leontopodium longifolium)和川西小黃菊(Pyrethrum tatsienense)等（胡霞等，2012）。

1.2 樣品采集及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇3塊地勢(shì)相對(duì)平坦的18 m×5 m的樣地（樣地間隔5 m），分別標(biāo)記為樣地A、B、C。每個(gè)樣地被均分為9個(gè)2 m×5 m的樣方，分別標(biāo)記為樣方1～9。2010年11月，于每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)埋入15只PVC原位培養(yǎng)管（直徑7.5 cm，長(zhǎng)23 cm），共計(jì)有405只原位培養(yǎng)管（15PVC管/樣方×9樣方/樣地×3樣地 = 405只）被埋入到試驗(yàn)樣地中。

對(duì)9個(gè)樣方實(shí)施不同的積雪覆蓋厚度和積雪周期處理（積雪覆蓋處理模擬真實(shí)降雪情況）。實(shí)驗(yàn)期間由專人控制雪被覆蓋情況，降雪不足時(shí)堆雪，降雪過多時(shí)鏟雪。具體的覆雪處理見表1。

分別在2010年12月15日、2011年1月15日、2月15日、3月15日、4月15日5個(gè)時(shí)段在每個(gè)樣方內(nèi)各取出3只PVC培養(yǎng)管，混合為一個(gè)樣品。重復(fù)三次。每次帶回土壤樣品數(shù)共81個(gè)（3只PVC管/樣方×9個(gè)樣方/樣地×3樣地=81只PVC管）。鮮土過2 mm篩后，分別測(cè)定NO3--N和NH4+-N含量，并計(jì)算土壤凈氮礦化速率。

1.3 測(cè)定與計(jì)算方法

1.3.1 土壤溫度的測(cè)定

自試驗(yàn)開始起，在每個(gè)樣方土壤表層以下5 cm處埋置一個(gè)紐扣溫度計(jì)（Onset Computer Corporation，Pocaset，MA），每 2小時(shí)記錄一次溫度數(shù)據(jù)。

1.3.2 土壤含水量的測(cè)定

土壤樣品采用烘干法測(cè)定土壤含水量（魯如坤，2000289）。

1.3.3 土壤pH值、有機(jī)質(zhì)和全氮的測(cè)定

土壤pH值測(cè)定采用電位法（魯如坤，200013-14）；土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化法（魯如坤，2000106-108）；全氮的測(cè)定采用開氏消煮法（魯如坤，2000147-149）。

1.3.4 土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量測(cè)定

銨態(tài)氮含量采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定（魯如坤，2000159）；硝態(tài)氮含量采用紫外比色法測(cè)定（魯如坤，2000160-162）。

1.3.5 土壤凈氮礦化速率測(cè)定

分別用2011年4月和2010年12月測(cè)定的土壤無機(jī)氮含量（硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量之和）的差值除以兩次采樣間隔的天數(shù)，來計(jì)算土壤凈氮礦化率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)是 3個(gè)重復(fù)的隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。采用Microsoft Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行雙因素方差分析，用SigmaPlot11.0軟件繪圖，并采用最小顯著差異法（LSD）比較不同數(shù)據(jù)組間的差異性（α=0.05），數(shù)據(jù)的變異性用標(biāo)準(zhǔn)差（SD）表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同雪況下土壤溫度和含水量的變化

在整個(gè)非生長(zhǎng)季，不同樣方中的土壤日均溫出現(xiàn)了相似的變化趨勢(shì)（圖1）。2010年12月土壤溫度達(dá)到最低值，尤其在樣地3、6、9中最明顯，最低值達(dá)到了-10.5 ℃，主要原因是在這個(gè)時(shí)段這3個(gè)樣方處于無雪被覆蓋狀態(tài)，失去了雪被的保溫隔熱作用。同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在2011年3月，無雪被覆蓋的樣方土壤日均溫明顯降低?？梢?，雪被持續(xù)時(shí)長(zhǎng)對(duì)土壤溫度有明顯的影響。本試驗(yàn)無法得知雪被厚度對(duì)土壤溫度的作用效果，主要是因?yàn)楸驹囼?yàn)所設(shè)計(jì)的積雪厚度都在30 cm以上，而已有的大量研究都證實(shí)了積雪厚度在≥30 cm時(shí)都能有效地隔絕土壤和空氣，對(duì)土壤起到保溫隔熱的作用。

表1 2010-2011年非生長(zhǎng)季9個(gè)樣方的覆雪處理Table 1 The Snow Depths in Each Sample from November 2010 to April 2011 cm

圖1 不同積雪厚度和積雪周期樣地的土壤溫度動(dòng)態(tài)Fig.1 Soil Temperature Dynamics under Different Depths and Durations of Snow Cover

9個(gè)樣方的土壤含水量差異較大，樣方4和7的含水量最大，樣方3、6、9含水量最小（圖2）。總體而言，隨著土壤覆雪厚度和雪被覆蓋時(shí)間的增加，土壤含水量也呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。主要原因是積雪覆蓋下土壤的含水量很大程度上取決于進(jìn)入土壤的雪融水的量。雪被覆蓋越深和積雪周期越長(zhǎng)的樣地，進(jìn)入土壤的雪融水就越多，從而引起了土壤含水量的增加。Schimel等人（2004）在北極凍原地區(qū)的研究也已證實(shí)，土壤含水量和雪被覆蓋厚度、積雪覆蓋時(shí)間具有顯著相關(guān)關(guān)系。

圖2 不同積雪厚度和積雪周期樣地的土壤含水量動(dòng)態(tài)Fig.2 Soil Water Content Dynamics under Different Depths and Durations of Snow Cover

2.2 積雪厚度和積雪周期對(duì)土壤無機(jī)氮庫的影響

土壤無機(jī)氮以 NH4+-N為主，占總無機(jī)氮的69%～86%，而 NO3--N含量只占土壤總無機(jī)氮的14%～31%（圖3）。積雪周期的長(zhǎng)短對(duì)NH4+-N和NO3--N含量沒有顯著的影響。積雪厚度的變化沒有引起NO3--N含量的顯著改變，卻使NH4+-N濃度隨著積雪厚度的增加而減?。▓D3），表現(xiàn)為30 cm雪被覆蓋下，NH4+-N含量明顯大于50 cm和100 cm處。

圖3 不同積雪厚度和積雪周期樣地的土壤銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和凈氮礦化率Fig. 3 Kinds of Soil NH4+-N, NO3--N Content and Net Nitrogen Mineralization Rate under Different Depths and Durations of Snow Packs

比較2011年4月和2010年12月的土壤無機(jī)氮庫水平，凈氮礦化呈現(xiàn)正值，說明冬季氮循環(huán)以氮素礦化作用為主。不同厚度和不同持續(xù)時(shí)間的雪被覆蓋下，凈氮礦化率沒有顯著的改變（圖3，表2）。然而，統(tǒng)計(jì)分析顯示兩者交互作用表現(xiàn)出顯著水平（表2）。當(dāng)積雪持續(xù)時(shí)間被用來單獨(dú)測(cè)試覆雪厚度效應(yīng)時(shí)，可觀察到在積雪持續(xù)90 d時(shí)，30 cm積雪厚度的凈氮礦化顯著高于50 cm和100 cm時(shí)的凈氮礦化值。

表2 不同積雪厚度和積雪周期對(duì)土壤氮素影響的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 2 Summary of Statistically Significant Effects of the Different Depths and Durations of Snow Packs on Soil Nitrogen

3 討論

引起土壤營養(yǎng)氮庫動(dòng)態(tài)變化的因素有很多。冬季積雪深度和積雪周期以及與之密切關(guān)聯(lián)的土壤溫濕度都強(qiáng)烈地影響著土壤微生物種群動(dòng)態(tài)和土壤氮素循環(huán)過程。冬季營養(yǎng)循環(huán)和氮素礦化也都極大的依賴于雪被狀況的改變（Brooks和Williams，1999）。在北極的研究發(fā)現(xiàn)，深雪覆蓋提高了冬季微生物的活性，促進(jìn)了有機(jī)物分解和氮礦化（Schimel和Bilbrough，2004；Buckeridge和Grogan，2008）。本研究中，深雪對(duì)硝態(tài)氮含量沒有顯著影響，但引起了銨態(tài)氮含量的下降，即總的土壤無機(jī)氮庫隨著雪被厚度的增加而降低了，這暗示著由于土壤有機(jī)質(zhì)的分解，深雪加強(qiáng)了營養(yǎng)物質(zhì)的釋放過程。

在雪被覆蓋區(qū)域，春季雪融階段的氮素循環(huán)是被微生物種群所控制的，也可以說，是被雪被積累的時(shí)間所控制的（Brooks等，1998）。Brooks等（1995）發(fā)現(xiàn)，較早積雪覆蓋的土壤有較高的土壤溫度及較高的土壤氮水平和土壤礦化率。相同的結(jié)論被北方森林土壤和北極凍原生態(tài)系統(tǒng)的研究所證實(shí)（Schimel和Bilbrough，2004；Sulkava和Huhta，2003）。本研究中，雖然持續(xù)雪被覆蓋的土壤有相對(duì)較高的土壤溫度和水分含量，但是積雪周期的不同仍然沒有引起土壤N庫的顯著差異，此結(jié)果說明持續(xù)的雪被覆蓋下，任何多余的氮都將被礦化或固定，或被植物根系所吸收，或以氣體、瀝濾、雪融的方式損失掉了（Buckeridge，2010）。

然而，交互作用結(jié)果表明，積雪周期為90 d時(shí)，土壤的硝態(tài)氮含量，凈礦化率明顯高于60 d和150 d的積雪持續(xù)時(shí)間。究其根本，90 d積雪周期下土壤硝態(tài)氮含量和凈氮礦化率高于150 d水平可能是因?yàn)樵谳^長(zhǎng)的積雪周期下（150 d），雪被覆蓋已經(jīng)延續(xù)到了3月中旬，深雪覆蓋下土壤更溫暖，使一些早春植物提前萌發(fā)，而植物的生長(zhǎng)必然要消耗一定的無機(jī)氮。

深雪下沒有或少量的凍融循環(huán)是提高土壤氮礦化的主要原因（Schimel和Bilbrough，2004）。相反，淺雪生境下頻繁的凍融循環(huán)導(dǎo)致了土壤氮礦化的顯著降低（Sulkava和Huhta，2003）。在本研究中，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的雪厚度為30 cm、50 cm和100 cm，都是30 cm以上的雪層厚度，均能有效阻止凍融作用.因此，3個(gè)雪被梯度的土壤凈氮礦化沒有產(chǎn)生顯著的差異，與在亞北極和其他北極地區(qū)的研究結(jié)果一致（Schimel和Bilbrough，2004；Grogan和Jonasson，2003）。這也是90 d積雪周期下土壤氮礦化率大于60 d積雪周期水平的根本原因。

綜上，針對(duì)“積雪厚度和積雪周期哪個(gè)對(duì)土壤氮素循環(huán)的影響更深遠(yuǎn)”的這一問題，可以得出“積雪厚度對(duì)土壤氮素循環(huán)產(chǎn)生的影響更大”的結(jié)論，這一結(jié)論也已經(jīng)被很多其他高山地區(qū)的研究所證明（Schimel和 Bilbrough，2004；Buckeridge和Grogan，2008；Brooks 和 Williams，1999）。而在低緯度的青藏高原高山地區(qū)，這種效應(yīng)應(yīng)該更加顯著。因?yàn)橄鄬?duì)于高緯度地區(qū)而言，其晝夜溫差更大，積雪厚度更能有效的發(fā)揮隔熱保溫的作用，由此對(duì)土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響將更加深遠(yuǎn)。然而，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明60 d，90 d和150 d的積雪時(shí)間對(duì)冬季土壤無機(jī)氮素水平無明顯影響，那么，60 d以下或150 d以上的積雪時(shí)間能否使土壤氮素含量產(chǎn)生顯著變化呢？本實(shí)驗(yàn)尚無法解釋。因此，為得出更確切更完整的結(jié)論，展開深入的連續(xù)實(shí)驗(yàn)是非常有必要的。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，雪被持續(xù)時(shí)間可對(duì)土壤溫度的變化產(chǎn)生明顯的影響。較早的降雪能更有效地隔離大氣與土壤之間的熱交換，有利于提高和保持土壤溫度。積雪厚度越深及覆雪時(shí)間越長(zhǎng)的土壤，其含水量越大。

積雪厚度和積雪周期對(duì)土壤氮庫影響呈現(xiàn)不同的結(jié)果，兩者的交互作用顯著。表現(xiàn)為當(dāng)積雪周期為90 d時(shí)，30 cm積雪厚度的硝氮含量和土壤凈氮礦化均顯著高于50 cm和100 cm的值。這說明適當(dāng)?shù)姆e雪周期和積雪厚度很可能通過影響整個(gè)土壤微生物種群和氮素礦化水平，為來年春季高山植物的生長(zhǎng)提供良好的生長(zhǎng)條件。

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