解凍期溫帶針葉林土壤微生物量氮和無機(jī)氮的時(shí)空特征

摘要：采用氯仿熏蒸浸提法測(cè)定了溫帶紅松林和落葉松林土壤解凍過程中的微生物量氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量并分析了微生物量氮和無機(jī)態(tài)氮的變化特征。結(jié)果表明，春季解凍期兩種針葉林土壤微生物量氮存在明顯的時(shí)空變化特征，土壤微生物量氮隨解凍進(jìn)程而不斷增加，最大微生物量氮出現(xiàn)于解凍后期。兩種針葉林0～10 cm層土壤微生物量含量顯著高于10～20 cm層土壤。紅松林0～10 cm層土壤微生物量氮含量明顯高于落葉松林。兩種林型土壤的銨態(tài)氮含量表現(xiàn)出相同的時(shí)間動(dòng)態(tài)特征，均隨解凍期的推進(jìn)而不斷升高，最大峰值出現(xiàn)于解凍末期。解凍期兩種林型土壤存在兩次硝態(tài)氮釋放峰值，且0～10 cm土壤硝態(tài)氮含量顯著高于10～20 cm土壤。北方針葉林土壤解凍期微生物量氮含量與土壤水分呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：針葉林；微生物量氮；無機(jī)氮；凍融期

中圖分類號(hào)：S154.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）17-4411-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.014

Abstract： The soil microbial biomass nitrogen and inorganic nitrogen were examined by the fumigation-extraction method in two temperate coniferous forest ecosystems including Dahurian larch（Larix gmelinii） plantation and Korean pine（Pinus Koraiensis）plantation during spring freezing and thawing period. The soil microbial biomass nitrogen concentrations in Dahurian larch plantation and Korean pine plantation showed similar spatio-temporal patterns during freezing and thawing period. The soil microbial biomass nitrogen concentration increased with the freezing and thawing process， and the peak was in the end of soil thawing stage. The soil microbial biomass nitrogen concentrations in two forest ecosystems at the 0～10 cm soil layer were greater than those at the 10～20 cm. The soil microbial biomass nitrogen concentration in Korean pine plantation at the 0～10 cm was greater than those in Dahurian larch plantation. The soil NH4+-N showed similar temporal pattern for two forest ecosystems. And the NH4+-N concentration increased with the thawing soil depth increasing， which the peak showed in the end of soil thawing stages. There were two peaks of NO3--N in the whole freezing and thawing period for the two forest soils.The NO3--N in two forest ecosystems at the 0～10 cm soil layer were greater than those at the 10～20 cm. The soil microbial biomass nitrogen was positively correlated with soil water content for the two coniferous forest ecosystems.

Key words： coniferous forest ecosystem； soil microbial biomass nitrogen； inorganic nitrogen； freezing and thawing

土壤微生物生物量氮（Soil microbial biomass nitrogen，NMic）作為土壤微生物生物量研究中的一個(gè)重要指標(biāo)，與土壤無機(jī)氮共同反映了土壤有機(jī)氮的同化、礦化和供氮能力，是土壤活性大小的標(biāo)志[1，2]。通過測(cè)定土壤NMic和無機(jī)氮含量，可以對(duì)土壤肥力和土壤質(zhì)量進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[3]。因此，土壤NMic和無機(jī)氮已經(jīng)成為土壤氮素循環(huán)與轉(zhuǎn)化研究中必不可少的重要內(nèi)容。以往關(guān)于森林土壤NMic和無機(jī)氮的研究主要針對(duì)不同森林類型土壤NMic和無機(jī)氮的特征[4-8]，森林經(jīng)營措施和氮沉降對(duì)土壤NMic的影響[9-11]，生態(tài)恢復(fù)和退化過程中植被變化對(duì)土壤NMic和無機(jī)氮的影響[12-14]，以及森林土壤NMic和無機(jī)氮的季節(jié)動(dòng)態(tài)特征和空間分布特征等方面[15-17]。但對(duì)于溫帶森林土壤的凍融過程中的NMic和無機(jī)氮生態(tài)學(xué)特征的研究較少，而且多數(shù)研究限于對(duì)凍融過程的室內(nèi)模擬研究[18-20]。針葉林是溫帶和寒溫帶地區(qū)主要的森林類型，在調(diào)節(jié)氣候、維系全球生態(tài)平衡方面有著重要的作用。因處于中、高緯度地區(qū)，長(zhǎng)期周期性的凍融交替過程對(duì)土壤中NMic和無機(jī)氮生態(tài)學(xué)過程有著重要影響。本研究以東北地區(qū)的紅松林和落葉松林為對(duì)象，研究春季解凍期土壤NMic和無機(jī)氮的時(shí)空特征，為溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)氮、碳循環(huán)研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗(yàn)地位于吉林省敦化市境內(nèi)的黃泥河林業(yè)局1號(hào)林場(chǎng)（44°00′ N，127°45′ E），其自然概況參見徐蕾等[21]研究。本研究選擇了東北東部山區(qū)氣候條件、林齡和干擾歷史等相近的紅松林（60 a）和落葉松林（54 a）2種人工針葉林林型。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和測(cè)定方法

春季解凍期間（2014年3～4月）在每種林型設(shè)3塊樣地，每塊樣地設(shè)3個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)用內(nèi)徑12 cm土鉆分層取上層（0～10 cm）和下層（10～20 cm）土壤。每塊樣地的所有同層次樣品混合后測(cè)定土壤中NH4+-N、NO3--N和NMic含量。解凍期內(nèi)每7 d取樣一次。土壤中的無機(jī)氮（NH4+-N和NO3--N）測(cè)定采用新鮮土樣—2 mol/L KCl浸提法[22]。浸提液過濾后采用連續(xù)流動(dòng)分析儀（BRAN+LUEBBE-AA3，Germany）測(cè)定。土壤含水率采用烘干法（105 ℃， 24 h）。土壤微生物量氮采用氯仿熏蒸浸提法[23]。浸提液經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后利用C/N分析儀（Multi C/N3000，Analytik Jena A G，Germany）測(cè)定總氮。微生物量氮計(jì)算公式為[24]：

NMic=1.85×EN

式中，EN表示熏蒸與未熏蒸之間的氮差量，1.85為校正系數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用SPSS 14.0統(tǒng)計(jì)軟件包。林型間或同一林型內(nèi)上層、下層土壤的NMic和無機(jī)氮含量差異顯著性采用T檢驗(yàn)法。林型內(nèi)各時(shí)期間的數(shù)據(jù)差異顯著性采用單因素方差分析法（One-way ANOVA）。無機(jī)氮、濕度與微生物量氮之間的關(guān)系分析采用逐步回歸法。

2 結(jié)果與分析

2.1 解凍期土壤溫度與水分變化

2種針葉林土壤3月地表下5 cm（T5）和10 cm（T10）處的平均溫度均處于0 ℃以下，且2個(gè)層次的溫度差異不大。自4月4日開始，土壤溫度明顯升高，T5比T10增加明顯。盡管4月中旬出現(xiàn)了短暫的降溫過程，但T10仍然高于0 ℃，說明該時(shí)期0～10 cm層土壤已經(jīng)完全解凍。2種林型土壤含水量在解凍過程中表現(xiàn)相似，解凍中后期水分較高，而解凍末期水分與解凍初期相近（圖1）。

2.2 土壤微生物量氮?jiǎng)討B(tài)

2種林型上、下層土壤NMic的時(shí)間分布特征基本一致，均呈現(xiàn)隨土壤溫度升高而增加的趨勢(shì)，最大NMic固持量均出現(xiàn)于解凍后期（4月7日），與解凍期間首次土壤最高溫度出現(xiàn)期相吻合，但在解凍終期土壤NMic并未與土壤溫度曲線保持同步（圖1， 2）。2種林型各層次的土壤NMic含量在解凍期不同階段存在顯著差異（P<0.05）。

2種林型土壤NMic均表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，上層土壤NMic明顯高于下層土壤。其中，紅松林上層土壤NMic含量約為下層的1.7～3.1倍，落葉松林約為1.0～3.4倍。隨著解凍進(jìn)程，各林型的上、下層土壤NMic含量差距逐漸減小。此外，兩種林型間土壤NMic含量表現(xiàn)出明顯的差異性，這種差異隨土壤深度而異，紅松林上層土壤NMic含量在解凍期多個(gè)測(cè)定階段均顯著高于落葉松林上層土壤（P<0.05），而下層土壤僅在微生物量固持高峰期存在明顯差異（P<0.05）（圖2）。

2.3 土壤銨態(tài)氮?jiǎng)討B(tài)

解凍期間2種林型上、下層土壤銨態(tài)氮的時(shí)間動(dòng)態(tài)相似（圖3），在T5≤0 ℃階段，銨態(tài)氮含量變化相對(duì)平穩(wěn)（5～10 mg/kg）；當(dāng)T5≥0 ℃后，2種林型土壤的銨態(tài)氮含量均急劇增加，在土壤解凍末期達(dá)到峰值（25～29 mg/kg）。從解凍前后期土壤銨態(tài)氮對(duì)比來看，紅松林和落葉松林土壤后期銨態(tài)氮含量分別是前期的3.3和2.9倍，表明兩種山地土壤在解凍過程中均存在明顯的礦質(zhì)氮釋放過程。盡管解凍末期銨態(tài)氮達(dá)到釋放高峰，但此期間土壤NMic急劇下降，二者變化呈相反趨勢(shì)。T檢驗(yàn)表明，紅松和落葉松林相同層次（0～10 cm、10～20 cm）的土壤銨態(tài)氮含量間無顯著差異（P>0.05）。除紅松林解凍始期（3月10日）外，其他解凍期同一林型的0～10 cm層和10～20 cm層間土壤銨態(tài)氮均無顯著差異（P>0.05）。

2.4 土壤硝態(tài)氮?jiǎng)討B(tài)

落葉松林上層土壤的硝態(tài)氮含量在各解凍階段無顯著差異（P>0.05），但其下層以及紅松林上、下層土壤硝態(tài)氮含量在解凍期間均存在顯著變化，呈雙峰曲線模式，且2種林型雙峰出現(xiàn)時(shí)期一致，均在解凍初期與中期各出現(xiàn)一次（圖4）。

2種林型土壤硝態(tài)氮均表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性特征，上層土壤硝態(tài)氮含量顯著高于下層（P<0.05）。其中，紅松林上、下層土壤硝態(tài)氮平均含量分別為4.6±2.5 mg/kg和1.2±0.9 mg/kg，落葉松林上、下層分別為8.0±3.9 mg/kg和2.5±2.0 mg/kg。整體來看，解凍期落葉松林土壤硝態(tài)氮含量明顯高于紅松林（圖4）。

2.5 土壤NMic與無機(jī)氮和水分的關(guān)系

解凍期NMic與無機(jī)氮含量（NH4+-N+NO3--N）和土壤含水量的逐步回歸分析表明，微生物量氮與無機(jī)氮之間未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，但與土壤水分間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，可見，土壤水分含量是影響春季NMic消長(zhǎng)的關(guān)鍵因子（表1）。此外，紅松林土壤微生物量氮對(duì)于土壤水分的敏感性強(qiáng)于落葉松林，而下層土壤微生物量氮對(duì)水分敏感性高于上層土壤。

3 討論與結(jié)論

關(guān)于森林土壤NMic的時(shí)間變化格局目前存在許多爭(zhēng)議，Klaus等[25]對(duì)北極地區(qū)灌叢土壤凍融模擬結(jié)果表明，凍融過程對(duì)微生物量碳影響顯著，但對(duì)微生物量氮無影響。Koponen等[26]對(duì)農(nóng)田土壤模擬凍融循環(huán)研究則表明，凍融循環(huán)過程對(duì)北方土壤的微生物量和微生物種群結(jié)構(gòu)均沒有顯著影響。Holmes等[27]對(duì)北美的落葉林土壤研究發(fā)現(xiàn)，NMic在一年中含量差異不大。而另有報(bào)道指出，NMic在春季解凍期存在明顯的時(shí)間差異[28]。本研究中，2種針葉林土壤的NMic均存在明顯的時(shí)間變化，最大NMic固持量均出現(xiàn)于解凍末期，且上下層表現(xiàn)一致。這種NMic的時(shí)間變化格局與環(huán)境因子（土壤水分和溫度）的時(shí)季變化相匹配。春季解凍后期，土壤水分含量介于20%～30%之間（圖1），土壤孔隙度升高，為好氣微生物繁殖創(chuàng)造了條件。同時(shí)，不斷升高的土壤溫度也利于微生物繁殖，為微生物量增加創(chuàng)造了適宜的條件。

本研究中2種針葉林土壤微生物量氮在土壤空間分布上特征一致，均具有空間異質(zhì)性分布特征，且上層土壤微生物量明顯高于下層。這種層次間的土壤微生物量氮分布特點(diǎn)與土壤有機(jī)碳、總氮[8]和土壤水分條件（圖1）的空間分布特征相似。國內(nèi)外相關(guān)報(bào)道也證實(shí)了土壤微生物量氮在空間分布方面存在明顯的異質(zhì)性特征[15，29]。

NMic作為土壤中潛在的有效氮源，其含量的高低一定程度上可以較好地指示森林土壤氮素轉(zhuǎn)化能力的強(qiáng)弱[30]。盡管NMic可做為有效氮源，然而只有當(dāng)其死亡后轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮或簡(jiǎn)單的有機(jī)氮后才能為植物所利用，因此NMic對(duì)植物有效性的貢獻(xiàn)是通過無機(jī)氮等簡(jiǎn)單氮素來實(shí)現(xiàn)的。研究表明，土壤NMic與土壤中無機(jī)氮呈負(fù)相關(guān)，NMic大量死亡可向環(huán)境釋放大量無機(jī)氮[31]。然而本研究整個(gè)解凍期土壤微生物量氮與無機(jī)氮之間并未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。分析認(rèn)為，冬季的結(jié)凍過程影響了微生物量氮與無機(jī)氮的相關(guān)性。冬季期間，土壤微生物活動(dòng)空間較小，主要分布于近土壤微粒的未凍微環(huán)境中，并保持一定數(shù)量[32]，因此對(duì)全土壤層無機(jī)氮影響不大，而春季解凍期后期，隨著土壤層的融化，土壤微生物分布空間加大，微生物快速增殖的同時(shí)，對(duì)土壤無機(jī)氮含量影響增加，在解凍末期，微生物量氮下降同時(shí)，土壤無機(jī)氮呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)（圖2，3）。

土壤NMic受多種因素的共同影響，其中土壤溫度、土壤水分、pH等是影響其時(shí)空變化的主要環(huán)境因素[33]。Devi等[16]對(duì)橡樹混交林研究發(fā)現(xiàn)，土壤溫度、水分、降水、空氣相對(duì)濕度等均與NMic顯著相關(guān)。而李世清等[34]對(duì)耕地土壤NMic研究顯示，溫度是影響NMic動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵因子，土壤水分在10.8%以上時(shí)對(duì)NMic影響不再顯著。徐俊俊等[20]采用短周期的凍融模擬循環(huán)研究表明，土壤微生物量氮受凍融溫度的影響較小，而與凍融時(shí)間有關(guān)。本研究中，春季解凍期土壤NMic變化均以土壤水分含量為前提，水分是影響NMic的關(guān)鍵因子。從春季NMic變化來看，春季期間低溫并未降低土壤NMic數(shù)量，甚至在土壤溫度低于0 ℃以下的持續(xù)封凍期，土壤仍然保持較高NMic含量（圖2，圖3），而解凍末期溫度較高時(shí)，NMic則出現(xiàn)低值。說明溫度與北方溫帶森林NMic變化無關(guān)。這與Garcia等[35]在草地土壤方面的研究結(jié)果相一致。

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