黃土高原北部生長季土壤氮素礦化對(duì)植被和地形的響應(yīng)*

劉 嬌, 付曉莉, 李學(xué)章, 賈小旭, 邵明安, 魏孝榮**

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黃土高原北部生長季土壤氮素礦化對(duì)植被和地形的響應(yīng)*

劉 嬌1,2, 付曉莉3, 李學(xué)章4, 賈小旭3, 邵明安1,2, 魏孝榮1,2**

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 楊凌 712100; 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 楊凌 712100; 3. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 北京 100101; 4. 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 長沙 410125)

氮素礦化是陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的重要過程, 對(duì)氮素有效性有著重要影響。本文在黃土高原北部六道溝小流域選取退耕年限相近的油松和檸條坡地, 用原位培養(yǎng)法測(cè)定生長季節(jié)(4—10月)不同坡位冠層下和冠層外0~10 cm和10~20 cm土層土壤氮素礦化速率, 以確定該區(qū)氮素礦化的季節(jié)動(dòng)態(tài)特征和主要影響因素。結(jié)果表明, 研究區(qū)生長季土壤礦質(zhì)氮以銨態(tài)氮為主, 其含量在0~10 cm和10~20 cm土層分別占礦質(zhì)氮總量的61%和70%, 并隨生長季的推移而升高。油松林上坡位和中坡位土壤銨態(tài)氮顯著高于下坡位土壤, 檸條林不同坡位銨態(tài)氮差異不顯著。土壤硝態(tài)氮和礦質(zhì)氮不受坡位的影響, 但與林型和采樣位置有關(guān), 冠層下硝態(tài)氮在油松林與冠層外相近, 在檸條林則高于冠層外。生長季土壤氮素礦化在0~10 cm土層由硝化作用引起, 在10~20 cm土層則由硝化和銨化作用共同引起。銨化速率在生長季初期較高, 中期較低, 并受坡位、林型和采樣位置的影響。土壤硝化和礦化速率在油松林不受采樣位置影響, 但是在檸條林則以冠層下較高。硝化和礦化速率在冠層下以下坡位土壤最高, 在冠層外則以下坡位土壤最低。檸條林促進(jìn)了冠層下土壤氮素的硝化和礦化過程, 有利于礦質(zhì)氮的積累; 油松林對(duì)礦質(zhì)氮和氮素礦化的影響不受采樣位置影響。

植被; 坡位; 礦化作用; 礦質(zhì)氮; 采樣位置

土壤氮素礦化是由微生物參與的復(fù)雜土壤生物化學(xué)過程, 直接決定著氮素的有效性, 是氮素生物地球化學(xué)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[1-3], 并受多種因素的影響[4-5]。巨曉棠等[6]和劉杏認(rèn)等[7]的研究結(jié)果表明, 土壤水分的變幅與土壤的凈氮礦化率呈正相關(guān)關(guān)系; 王?；鄣萚8]發(fā)現(xiàn), 氮素礦化量在-10~15 ℃對(duì)溫度響應(yīng)微弱, 在15~35 ℃隨溫度升高礦化量顯著增加。除土壤溫度和水分, 氮素礦化還受土壤微生物活性、植被類型及植物根系等的影響。如Paul等[9]認(rèn)為, 由于微生物活性在土層中呈下降趨勢(shì), 氮素礦化勢(shì)也隨土壤深度的加深而迅速下降; 傅聲雷等[10]在鼎湖山的研究表明, 季風(fēng)常綠闊葉林下土壤氮的礦化高于其他植被類型; Mueller等[11]的結(jié)果表明, 土壤氮素礦化速率與根系生物量極顯著正相關(guān)。因此, 這些因素直接決定著土壤氮素礦化的季節(jié)動(dòng)態(tài)特征及其對(duì)土地利用等人類活動(dòng)的響應(yīng), 并影響著脆弱生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)和環(huán)境治理的效果。

黃土高原北部不但是風(fēng)蝕和水蝕交錯(cuò)區(qū), 同時(shí)是農(nóng)牧業(yè)交錯(cuò)區(qū), 生態(tài)脆弱, 水土流失嚴(yán)重[12]。該區(qū)坡地面積占土地面積的70%以上[13], 是土地退化的主要地理單元。20世紀(jì)70年代以來, 該區(qū)采取的飛播造林、退耕還林還草等措施, 在防治水土流失和土地退化方面取得了顯著效果[14-15], 也使坡地的植被類型發(fā)生了顯著變化。坡面植被的變化, 不但對(duì)坡面土壤養(yǎng)分的分布和吸收利用等產(chǎn)生影響[16], 而且直接改變了坡面不同位置的水熱環(huán)境和生物學(xué)(土壤微生物、植物根系等)特征[17], 從而對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)過程(特別是氮素的轉(zhuǎn)化)產(chǎn)生影響[18], 并對(duì)坡面植被產(chǎn)生反饋?zhàn)饔?。此? 目前開展的植被類型對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)的影響研究中, 很少考慮采樣位置和坡位因素的影響, 而不同坡位、植被周圍不同位置土壤養(yǎng)分含量及植物根系分布差異巨大, 必將對(duì)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響[19]。

本文以黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶和農(nóng)牧交錯(cuò)帶核心地帶的檸條()和油松()坡地為對(duì)象, 研究了不同坡位植被冠層下和冠層外土壤礦質(zhì)氮儲(chǔ)量和氮素礦化動(dòng)態(tài)特征, 以分析植被類型、坡位和采樣位置對(duì)坡地土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響, 從而為生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)植被恢復(fù)條件下土壤氮素有效性評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站六道溝小流域進(jìn)行, 研究區(qū)位于黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶和農(nóng)牧交錯(cuò)帶的核心位置, 屬半干旱大陸性氣候, 年均氣溫8.4 ℃, 月均最低氣溫-9.7 ℃(1月), 最高氣溫23.7 ℃(7月), 無霜期169 d, 年均降水量437.4 mm, 主要集中在6—9月份(占全年降水量的77.4%), 年蒸發(fā)量785.4 mm。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱, 植被退化嚴(yán)重[20]。20世紀(jì)70年代末期, 為了遏制土壤侵蝕并改善生態(tài)環(huán)境, 該區(qū)的坡耕地開始棄耕, 之后自然演替為以當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)草種本氏針茅()為主的草地; 80年代初期開始在棄耕草地大量種植檸條和油松。研究區(qū)土壤類型包括干潤砂質(zhì)新成土、淤積人為新成土和侵蝕砂壤質(zhì)新成土, 土壤容重介于1.26~1.53 g×cm-3, 土壤砂粒含量較高(66%~80%), 黏粒含量很低(9%~15%), 土壤質(zhì)地為砂壤土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和氮素礦化速率測(cè)定

2008年4月在六道溝小流域選取退耕年限相近的油松坡地和檸條坡地各3個(gè)。每個(gè)坡地按上、中、下坡位分別設(shè)置樣地(10 m×10 m), 在每個(gè)樣地設(shè)置冠層下和冠層外采樣小區(qū)各3個(gè)。在每個(gè)小區(qū)用環(huán)刀法測(cè)定0~10 cm和10~20 cm土層土壤容重, 用原位培養(yǎng)法測(cè)定生長季(4—10月)土壤氮素礦化速率。

測(cè)定時(shí), 在每個(gè)小區(qū)選取5個(gè)點(diǎn), 將直徑5 cm、長22 cm的聚氯乙烯管筒(礦化管)垂直壓進(jìn)土體, 管上端留2 cm, 用透氣薄膜覆蓋并扎住, 原位培養(yǎng)1個(gè)月左右取出礦化管, 之后將5個(gè)點(diǎn)土樣混勻分別測(cè)定0~10 cm和10~20 cm土層土壤礦質(zhì)氮(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)含量, 同時(shí)測(cè)定土壤含水量, 并將下一批礦化管按同樣方法埋在上批礦化管附近。每次埋設(shè)礦化管時(shí), 在礦化管周圍采集0~10 cm和10~20 cm土層土壤樣品, 測(cè)定礦質(zhì)氮含量, 作為培養(yǎng)期初始礦質(zhì)氮含量, 并用其分析土壤礦質(zhì)氮?jiǎng)討B(tài)變化。利用培養(yǎng)前后礦質(zhì)氮含量的差異和實(shí)際培養(yǎng)天數(shù)計(jì)算土壤氮素凈礦化速率。

本研究分別在4月25日(T1￠)、5月25日(T2￠)、6月21日(T3￠)、7月22日(T4￠)、8月23日(T5￠)和10月15日(T6￠)測(cè)定土壤礦質(zhì)氮含量, 在4月25日—5月25日(T1)、5月25日—6月21日(T2)、6月21日—7月22日(T3)、7月22日—8月23日(T4)和8月23日—10月15日(T5)測(cè)定土壤氮素礦化速率。采集的土壤樣品(包括原位培養(yǎng)前和培養(yǎng)后的樣品)裝入樣品袋中, 帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定礦質(zhì)氮含量。土壤礦質(zhì)氮含量用2 mol×L-1KCl浸提—流動(dòng)分析儀(AA3, 德國Seal公司)測(cè)定。5個(gè)培養(yǎng)期降水量分別為21.7 mm、63.5 mm、19.1 mm、150.6 mm和140.5 mm, 平均氣溫分別為12.1 ℃、21.0 ℃、23.9 ℃、20.6 ℃和9.9 ℃。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總礦質(zhì)氮儲(chǔ)量計(jì)算公式為:

=C′′′10–2(1)

式中:C為各土層硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總礦質(zhì)氮含量(mg×kg-1),為土壤容重(g×cm-3),為土層厚度(cm),為相應(yīng)的礦質(zhì)氮儲(chǔ)量(g×m-2)。

土壤礦化、硝化和銨化速率計(jì)算公式為:

NR=(S+1–S)/(t+1–t) (2)

AR=(￠+1￠)/(t+1–t) (3)

MR=NR+AR (4)

式中: NR、AR和MR分別為硝化速率、銨化速率和礦化速率(g×m-2×d-1),與￠分別為相應(yīng)時(shí)期硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的儲(chǔ)量,t與t1為培養(yǎng)前后時(shí)間。

本研究中用馬氏距離(Mahalanobis distance)法去除異常值(馬氏距離大于2.0的測(cè)定結(jié)果為異常值), 異常值判定用JMP(10.0)軟件進(jìn)行; 用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)的原始計(jì)算, 用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖; 用成對(duì)檢驗(yàn)法(Paired T test)表示不同采樣位置的差異顯著性; 用多元方差分析檢驗(yàn)植被類型、采樣位置和采樣(培養(yǎng))時(shí)期或坡位對(duì)土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和礦質(zhì)氮儲(chǔ)量及硝化速率、銨化速率和礦化速率的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長季土壤水分對(duì)林型、坡位和采樣位置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征

研究區(qū)土壤水分含量呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)特征, 在生長季前期(T1和T2)和末期(T4和T5)較高, 生長季中期(T3)較低(圖1a)。如生長季前期、中期和后期土壤水分含量在0~10 cm土層分別介于2.79%~13.89%、2.48%~7.65%和2.36%~14.42%, 在10~20 cm土層分別介于3.17%~16.23%、4.70%~ 10.06%和3.97%~16.67%。土壤水分含量的季節(jié)動(dòng)態(tài)受采樣位置和土層的影響。總體上0~10 cm土層土壤水分變異系數(shù)(38%~51%)大于10~20 cm土層(27%~36%), 而且冠層外的變異系數(shù)(31%~51%)大于冠層內(nèi)(27%~40%), 表明冠層對(duì)降水的截留作用, 使其下土壤和深層土壤對(duì)水分的變化有著較為明顯的緩沖作用。此外, 不同采樣位置土壤水分含量變化還與坡位有關(guān), 如上坡位和中坡位冠層下土壤水分含量在2個(gè)土層均低于冠層外土壤, 而下坡位則與此相反(圖1b)。

圖1 生長季不同時(shí)期(a)和不同坡位(b)油松及檸條坡地冠層內(nèi)、外土壤水分含量特征

T1: 4月25日—5月25日; T2: 5月25日—6月21日; T3: 6月21日—7月22日; T4: 7月22日—8月23日; T5: 8月23日—10月15日。US: 上坡位; MS: 中坡位; LS: 下坡位。圖中*表示冠層內(nèi)外含水量差異顯著(<0.05)。T1, T2, T3, T4 and T5 represent 25th April to 25th May, 25th May to 21st June, 21st June to 22nd July, 22nd July to 23rd August, 23rd August to 15th October, respectively. The US, MS and LS represent upper slope, middle slope and lower slope, respectively. The * in the figures represent significant difference at< 0.05 between under canopy and outer canopy.

2.2 生長季土壤礦質(zhì)氮對(duì)林型、坡位和采樣位置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征

研究區(qū)植物生長季土壤礦質(zhì)氮以銨態(tài)氮為主, 其在0~10 cm和10~20 cm土層銨態(tài)氮儲(chǔ)量分別占礦質(zhì)氮總量的61%和70%; 隨生長季推移, 銨態(tài)氮的比例逐漸升高, 分別從生長季初期的37%和54%增長到生長季末期的75%和82%(圖2a)。此外, 油松冠層下和冠層外土壤銨態(tài)氮占礦質(zhì)氮的比例接近(分別為69%和71%), 而檸條冠層下銨態(tài)氮比例顯著低于冠層外(分別為54%和67%)(圖2a)。

土壤銨態(tài)氮在生長季中期較高(圖2a), 而且不受采樣位置的影響, 但受坡位及其與林型之間交互作用的顯著影響(表1)。對(duì)于油松林來說, 上坡位和中坡位土壤銨態(tài)氮(0.37 g×m-2和0.42 g×m-2)顯著高于下坡位土壤(0.27 g×m-2); 對(duì)于檸條林來說, 不同坡位土壤銨態(tài)氮差異不顯著(圖3a)。此外, 不同類型林地冠層下和冠層外土壤銨態(tài)氮差異也不顯著(表1, 表2), 土壤硝態(tài)氮儲(chǔ)量隨生長季推移逐漸降低, 而且油松林冠層下2個(gè)土層硝態(tài)氮(0~0.61 g×m-2和0~1.09 g×m-2)和冠層外相近(0~0.85 g×m-2和0~0.94 g×m-2), 而檸條林冠層下相應(yīng)土層硝態(tài)氮(0.08~1.08 g×m-2和0.06~0.97 g×m-2)則高于冠層外土壤(0.06~0.92 g×m-2和0.03~0.68 g×m-2)(圖2b)。此外, 本研究土壤硝態(tài)氮不受坡位的影響, 如上、中、下坡位硝態(tài)氮在0~10 cm土層分別介于0.02~0.92 g×m-2、0~1.07 g×m-2和0~1.09 g×m-2, 在10~20 cm土層分別介于0~0.94 g×m-2、0~1.09 g×m-2和0.04~1.08 g×m-2(圖3b)。

土壤礦質(zhì)氮整體上也呈現(xiàn)出隨生長季推移而降低的趨勢(shì)(圖2), 如各個(gè)處理礦質(zhì)氮平均值在0~10 cm和10~20 cm土層分別從生長季初期的0.80 g×m-2和0.56 g×m-2降低到生長季末期的0.53 g×m-2和0.50 g×m-2。此外, 土壤總礦質(zhì)氮受植被類型、采樣位置和坡位的共同影響, 檸條林地0~10 cm和10~20 cm土層土壤礦質(zhì)氮顯著高于油松林地(分別為31%和28%), 且檸條冠層下土壤顯著高于冠層外土壤(分別為18%和50%)(圖2和圖3)。

圖2 生長季不同時(shí)期油松和檸條坡地冠層內(nèi)和冠層外土壤銨態(tài)氮(a)、硝態(tài)氮(b)和總礦質(zhì)氮(c)動(dòng)態(tài)特征

*和**分別表示冠層內(nèi)外礦質(zhì)氮儲(chǔ)量的差異顯著(<0.05)和極顯著(<0.01)。T1￠: 4月25日; T2￠: 5月25日; T3￠: 6月21日; T4￠: 7月22日; T5￠: 8月23日; T6￠: 10月15日。* and ** in the figures represent significant differences at< 0.05 and< 0.01 of soil mineral N between under canopy and outer canopy. T1￠, T2￠, T3￠, T4￠, T5￠and T6￠represent 25th April, 25th May, 21st June, 22nd July, 23rd August and 15th October, respectively.

表1 坡位、植被類型和采樣位置對(duì)生長季土壤含水量、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、礦質(zhì)氮以及硝化、銨化、礦化速率影響的方差分析結(jié)果(P值)

*代表<0.05, **代表<0.01, ***代表<0.001。SM: 土壤含水量; NR: 硝化速率; AR: 銨化速率; MR: 礦化速率。*, ** and *** represent< 0.05,< 0.01 and< 0.001, respectively. SM: soil moisture; NR: nitrification rate; AR: ammonification rate; MR: mineralization rate.

表2 采樣時(shí)期、植被類型和采樣位置對(duì)生長季土壤含水量、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、礦質(zhì)氮以及硝化速率、銨化速率和礦化速率影響的方差分析結(jié)果(P值)

*代表<0.05, **代表<0.01, ***代表<0.001。SM: 土壤含水量; NR: 硝化速率; AR: 銨化速率; MR: 礦化速率。*, ** and *** represent< 0.05,< 0.01 and< 0.001, respectively. SM: soil moisture; NR: nitrification rate; AR: ammonification rate; MR: mineralization rate.

2.3 生長季土壤氮素礦化對(duì)林型、坡位和采樣位置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征

研究區(qū)生長季土壤氮素礦化作用在0~10 cm土層主要由硝化作用主導(dǎo)(占氮素礦化速率的94%±16%), 在10~20 cm土層則由硝化和銨化作用共同引起(分別占氮素礦化速率的44%±14%和56%±14%)。此外, 不同土層硝化和銨化作用對(duì)礦化速率的貢獻(xiàn)在不同林型、采樣位置和不同坡位均表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)(>0.1)(圖4)。

不同林型冠層下和冠層外土壤銨化速率在生長季初期較高(1.18~14.02 mg×m-2×d-1), 中期較低(-11.80~8.64 mg×m-2×d-1)(圖4a)。冠層外土壤銨化速率在0~10 cm土層高于冠層下, 在10~20 cm土層與冠層下接近(圖4a, 圖5a)。油松冠層下和冠層外以及檸條冠層下土壤銨化速率隨坡位降低逐漸增大或者由負(fù)值逐漸變?yōu)檎? 檸條冠層外土壤在不同坡位均表現(xiàn)出銨化作用, 而且銨化速率以坡中部最高, 坡上部最低(圖5a)。

本研究中土壤硝化速率的季節(jié)動(dòng)態(tài)特征與土層、林型和采樣位置有關(guān)(圖4b)。油松林地0~10 cm土層硝化速率在生長季中期(3.02~34.87 mg×m-2×d-1)顯著高于生長季初期(-65.47~-7.85 mg×m-2×d-1)和末期(-7.00~4.63 mg×m-2×d-1), 且均高于10~20 cm土層硝化速率(-14.12~3.03 mg×m-2×d-1), 但冠層下與冠層外差異不顯著。檸條林生長季大多數(shù)時(shí)期0~10 cm土層土壤硝化速率(4.97~48.11 mg×m-2×d-1)高于10~20 cm土層(-6.32~27.31 mg×m-2×d-1), 且冠層下土壤(-0.68~32.51 mg×m-2×d-1)高于冠層外土壤(-6.29~6.90 mg×m-2×d-1)。土壤硝化速率還受坡位影響, 2種林型冠層下硝化速率以下坡位最高, 而冠層外則以下坡位最低(圖5b)。

由于0~10 cm土層氮素礦化主要由硝化作用引起, 而10~20 cm土層銨化作用占比例較大, 不同林型和采樣位置下礦化速率在0~10 cm土層呈現(xiàn)出與硝化速率相似的季節(jié)動(dòng)態(tài)特征, 在10~20 cm土層則呈現(xiàn)出與銨化速率相似的季節(jié)動(dòng)態(tài)特征。油松林0~10 cm土層礦化速率在生長季中期顯著高于生長季初期和末期,且均高于10~20 cm土層, 但冠層下與冠層外差異不顯著(圖4c)。檸條林生長季大多數(shù)時(shí)期0~10 cm土層礦化速率高于10~20 cm土層, 且冠層下高于冠層外(圖4和圖5)。2種林型冠層下礦化速率以下坡位最高, 而冠層外則以下坡位最低(圖5c)。

3 討論

3.1 生長季土壤無機(jī)氮庫的季節(jié)動(dòng)態(tài)

黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)生長季土壤無機(jī)氮庫以銨態(tài)氮主導(dǎo), 這與研究區(qū)土壤質(zhì)地較粗有關(guān)。研究區(qū)土壤砂粒含量介于66%~80%, 具有較高的入滲速率[21]。在降雨過程中, 雨水很容易從地表向深層土壤運(yùn)動(dòng), 從而造成表層土壤硝態(tài)氮的淋溶損失, 使其在表層土壤的相對(duì)儲(chǔ)量顯著降低, 而銨態(tài)氮的相對(duì)儲(chǔ)量顯著增加。

不同林型冠層下和冠層外土壤銨態(tài)氮差異不顯著, 可能與不同采樣位置下土壤有機(jī)質(zhì)含量接近有關(guān)。隨有機(jī)質(zhì)含量的增加, 土壤陽離子交換位點(diǎn)逐漸增加, 對(duì)銨態(tài)氮的吸附能力增強(qiáng), 土壤銨態(tài)氮儲(chǔ)量增加[11]。但是研究區(qū)冠層下和冠層外土壤有機(jī)質(zhì)差異不顯著[19], 因此銨態(tài)氮差異也不顯著。與此相似, 研究區(qū)油松林上坡位和中坡位有機(jī)質(zhì)顯著高于下坡位[19], 土壤銨態(tài)氮也因此顯著高于下坡位。此外, 油松林下坡位植被生長狀況優(yōu)于上坡位和中坡位, 其對(duì)下坡位土壤銨態(tài)氮的吸收消耗也較大, 土壤中剩余的銨態(tài)氮因此較低。對(duì)于檸條林地來說, 由于豆科植物固定的氮素是土壤銨態(tài)氮的最直接來源[22], 其對(duì)土壤銨態(tài)氮的影響大于植物吸收利用和不同坡位水熱環(huán)境差異的影響, 而且不同坡位檸條生長狀況差異不顯著[19], 因此檸條林不同坡位銨態(tài)氮差異不顯著。

圖3 生長季不同坡位油松和檸條坡地冠層內(nèi)和冠層外土壤銨態(tài)氮(a)、硝態(tài)氮(b)和總礦質(zhì)氮(c)動(dòng)態(tài)特征

Fig. 3 Effects of slope position on contents of soil ammonium (a), nitrate (b) and total mineral N (c) across growing season in soils under canopy and outer canopy of the Chinese pine and korshinsk peashrub slopes

US: 上坡位; MS: 中坡位; LS: 下坡位。圖中*和**分別表示冠層內(nèi)外礦質(zhì)氮儲(chǔ)量的差異顯著(<0.05)和極顯著(<0.01)。The US, MS and LS represent upper slope, middle slope and lower slope, respectively. The * and ** in the figures represent significant at< 0.05 and< 0.01 between under canopy and outer canopy.

硝態(tài)氮和礦質(zhì)氮的季節(jié)動(dòng)態(tài)特征與林型和采樣位置有關(guān), 由于生長季植被的吸收作用, 土壤硝態(tài)氮和礦質(zhì)氮逐漸降低, 這與肖好燕等[23]在亞熱帶地區(qū)的研究結(jié)果一致。油松林冠層下和冠層外硝態(tài)氮和礦質(zhì)氮差異不顯著, 主要因?yàn)檠芯繀^(qū)油松根系較深[24], 對(duì)表層土壤氮素吸收利用較弱。檸條林冠層下硝態(tài)氮和礦質(zhì)氮顯著高于冠層外, 這與檸條根系固氮作用有關(guān)。檸條為豆科植物, 生長過程中可以固定大氣中的氮素, 不但能夠滿足植物生長對(duì)氮素的需求, 還向土壤中釋放大量的氮素。檸條地上部分氮素含量也顯著高于油松, 其凋落物向土壤的歸還, 以及歸還之后的礦化分解, 會(huì)顯著增加土壤無機(jī)氮的儲(chǔ)量。因此檸條林冠層下土壤硝態(tài)氮和礦質(zhì)氮顯著高于冠層外土壤。此外, 本研究中不同坡位硝態(tài)氮差異不顯著, 表明其季節(jié)動(dòng)態(tài)主要受植被作用的影響。

圖4 生長季不同時(shí)期油松和檸條坡地冠層內(nèi)和冠層外土壤銨化速率(a)、硝化速率(b)和礦化速率(c)動(dòng)態(tài)特征

圖中*和**分別表示冠層內(nèi)外銨化速率、硝化速率、礦化速率的差異顯著(<0.05)和極顯著(<0.01)。T1: 4月25日—5月25日; T2: 5月25日—6月21日; T3: 6月21日—7月22日; T4: 7月22日—8月23日; T5: 8月23日—10月15日。* and ** in the figures represent significant at< 0.05 and< 0.01 between under canopy and outer canopy. T1, T2, T3, T4 and T5 represent 25th April to 25th May, 25th May to 21st June, 21st June to 22nd July, 22nd July to 23rd August, 23rd August to 15th October, respectively.

3.2 生長季土壤氮素礦化季節(jié)動(dòng)態(tài)

本研究中0~10 cm土層土壤硝化作用占主導(dǎo)地位, 而10~20 cm土層硝化和銨化作用共同主導(dǎo)著礦化過程, 這與不同土層土壤空氣中氧氣含量有關(guān)。0~10 cm土層土壤與大氣之間氣體交換較為強(qiáng)烈, 土壤空氣中氧氣含量較高[25], 土壤長期處于氧化狀態(tài), 利于硝化作用的進(jìn)行; 而10~20 cm土層土壤與大氣之間氣體交換較弱, 且土壤含水量較高, 銨化作用逐漸增強(qiáng), 其對(duì)礦化的貢獻(xiàn)也逐漸增加。這也與本研究中銨化速率與土壤含水量顯著正相關(guān)的結(jié)果(=0.044,=231,=0.033 8)一致。

土壤水分和溫度對(duì)氮素礦化有著顯著影響, 硝化速率隨溫度的升高而增加[26], 銨化速率也隨溫度和含水量的升高而增加, 但更取決于土壤水分條件[27]。在黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶, 生長季中期土壤溫度較高, 而降水和土壤含水量較低, 在溫度和水分的交互作用下, 硝化速率呈現(xiàn)較高水平, 而銨化速率呈現(xiàn)較低水平, 并影響著凈礦化速率的季節(jié)動(dòng)態(tài)。此外, 生長季中期銨化速率較低, 可能也與這一時(shí)期較為活躍的微生物活動(dòng)造成的銨態(tài)氮的生物固定有關(guān)[28]。

本研究中銨化速率受采樣位置和林型的影響較小, 而硝化和礦化速率受這2個(gè)因素的顯著影響。硝化與礦化速率與不同林型下植物根系分布有關(guān)。油松根系分布較深, 0~20 cm土層根系生物量較少[24], 因此采樣位置對(duì)油松林土壤硝化和礦化速率沒有影響。檸條林根系分布較淺[29], 冠層下根系生物量顯著高于冠層外土壤, 而且由于檸條的固氮作用, 冠層下土壤具有較低的C/N值, 利于氮素礦化[30]。此外, 固氮作用造成的氮素在冠層下土壤的積累也會(huì)促進(jìn)土壤氮素的礦化從而使硝化和礦化速率顯著高于冠層外土壤[31]。

圖5 生長季不同坡位油松和檸條坡地冠層內(nèi)和冠層外土壤銨化速率(a)、硝化速率(b)和礦化速率(c)特征

US: 上坡位, MS: 中坡位, LS: 下坡位; 圖中*表示冠層內(nèi)外銨化速率、硝化速率、礦化速率的差異顯著(<0.05)。US, MS and LS represent upper slope, middle slope and lower slope, respectively. * in the figures represent significant at< 0.05 between under canopy and outer canopy.

隨著坡位的降低, 土壤溫度逐漸降低, 微生物對(duì)銨的固定作用逐漸減弱, 銨化作用有所增強(qiáng)。硝化和礦化速率與坡位的關(guān)系則受林型和采樣位置的影響。冠層下硝化和礦化速率以下坡位最高, 而冠層外則以下坡位最低, 這可能與不同坡位和采樣位置土壤水分狀況差異及其造成的土壤硝化細(xì)菌活性差異有關(guān)[32]。2種林型下, 與同一采樣位置其他坡位相比, 冠層內(nèi)土壤含水量以下坡位較高, 該坡位對(duì)應(yīng)的土壤硝化細(xì)菌活性也較高, 硝化和礦化速率也高于其他坡位; 冠層外土壤含水量以下坡位最低, 硝化和礦化速率也因此低于其他坡位。

該研究結(jié)果表明, 采樣位置、植被類型和地形條件共同影響著黃土高原北部坡地生態(tài)系統(tǒng)土壤水分、礦質(zhì)氮和氮素礦化的季節(jié)動(dòng)態(tài)。因此, 在評(píng)價(jià)土地利用變化或者植被生態(tài)恢復(fù)后土壤養(yǎng)分循環(huán)和轉(zhuǎn)化時(shí), 需要合理設(shè)計(jì)樣品采集方案, 以使研究結(jié)果更具有代表性。

4 結(jié)論

黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶生長季0~10 cm和10~20 cm土層土壤礦質(zhì)氮由銨態(tài)氮主導(dǎo), 氮素礦化在0~10 cm土層由硝化作用引起, 在10~20 cm土層則由硝化和銨化作用共同引起。

土壤銨態(tài)氮受林型、坡位和采樣位置影響較小, 硝態(tài)氮和礦質(zhì)氮與林型和采樣位置有關(guān), 油松林冠層下土壤硝態(tài)氮與冠層外相近, 檸條林冠層下硝態(tài)氮高于冠層外。

土壤銨化、硝化和礦化速率受坡位、林型和采樣位置的影響, 油松林地硝化和礦化速率在冠層下與冠層外差異不顯著, 檸條林地冠層下土壤高于冠層外土壤; 冠層下硝化和礦化速率以下坡位最高, 冠層外以下坡位最低。

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Responses of soil nitrogen mineralization during growing season to vegetation and slope position on the northern Loess Plateau of China*

LIU Jiao1,2, FU Xiaoli3, LI Xuezhang4, JIA Xiaoxu3, SHAO Ming’an1,2, WEI Xiaorong1,2**

(1. College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry Land Farming on the Loess Plateau, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3. Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 4. Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China)

Nitrogen (N) mineralization is critical for nitrogen cycle in terrestrial ecosystems and significantly influences the availability of soil N. In this paper, we studied the changes in soil mineral N and N mineralization rates in slope lands in the northern Loess Plateau region in relation to vegetation types, sampling sites and slope positions during vegetation growing season. The objectives of the study were to determine the dynamics of N mineralization during growing season and the influencing factors. Slope lands with Chinese pine () and korshinsk peashrub () were selected in the Liudaogou catchment and anmineralization method was used to measure soil N mineralization for the period from April through October. The measurements were conducted in upper, middle and lower positions of the slope with under- and non-under-canopy at the 0-10 cm and 10-20 cm soil depths. Soil mineral N in the growing season was dominated by ammonium, which accounted for 61% and 70% of total mineral N at the 0-10 cm and 10-20 cm soil depths, respectively. The proportion of ammonium to total mineral N increased during the growing season. Soil ammonium in the upper and middle slope positions was significantly higher than that in the lower slope position for Chinese pine, but not affected by slope positions for korshinsk peashrub. Furthermore, soil ammonium was not affected by sampling site in both Chinese pine and korshinsk peashrub plantations. Soil nitrate and total mineral N were affected by vegetation type and sampling site, rather than by slope position. Under-canopy soil nitrate was similar to that of non-under-canopy in Chinese pine vegetation, but it was greater than that for non-under-canopy in porshinsk peashrub vegetationSoil N mineralization during growing season resulted mainly from nitrification at the 0-10 cm soil depth, but also influenced by both nitrification and ammonification at the 10-20 cm soil depth. Ammonification rate was significantly high during the early growing season and low during the mid growing season. Moreover, ammonification rate was affected by slope position, vegetation type and sampling site. Nitrification and net N mineralization rates in under-canopy soils were similar to those in non-under-canopy soils in Chinese pine vegetation, but it was greater than that in non-under-canopy soils in korshinsk peashrub vegetation. Additionally, when compared with other slope positions, lower slope position had highest nitrification and net mineralization rates of soil N in under-canopy conditions, but it was the lowest in lower slope position in both Chinese pine and korshinsk peashrub plantations. The results suggested that korshinsk peashrub enhanced nitrification and mineralization of N in soils in under-canopy conditions, while the effects of Chinese pine on soil mineral N and N mineralization were not related to sampling site.

Vegetation type; Slope position; Nitrogen mineralization; Mineral nitrogen; Sampling position

, E-mail: xrwei78@163.com

Jul. 9, 2017;

Oct. 9, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170626

S153.6

A

1671-3990(2018)02-0231-11

魏孝榮, 主要從事土壤和生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)研究。E-mail: xrwei78@163.com 劉嬌, 主要從事土壤物質(zhì)循環(huán)研究。E-mail: walj0522@163.com

2017-07-09

2017-10-09

* This study was funded by the National Natural Science Foundation of China (41571130082, 41571296 and 41622105) and the Key Research Project of Frontier Science of the Chinese Academy of Sciences (QYZDB-SSW-DQC039).

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571130082, 41571296和41622105)和中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目(QYZDB-SSW-DQC039)資助