溫度和水分對(duì)華西雨屏區(qū)毛竹林土壤氮礦化的影響

桂慧穎，李雪江，王景燕，龔 偉，黃 帥，唐海龍，周于波

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院/林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130；2.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；3.劍閣縣翠云廊古柏自然保護(hù)區(qū)管理局，四川 廣元 628317）

氮素是植物生長(zhǎng)所需的大量元素之一，植物吸收的氮素主要來(lái)源于土壤有機(jī)氮的礦化和氮肥的施用[1]。在土壤微生物的作用下，有機(jī)態(tài)含氮化合物被分解為無(wú)機(jī)態(tài)氮（NH4+-N和NO3--N），同時(shí)釋放出能量，為植物和土壤微生物提供養(yǎng)分和能量。氮素礦化過(guò)程是微生物參與分解的過(guò)程，其種群類(lèi)型、數(shù)量、活性的變化都會(huì)導(dǎo)致氮礦化速率發(fā)生改變，而溫度和水分又直接影響土壤微生物的活性和生物化學(xué)過(guò)程，使溫度和水分成為影響土壤氮礦化最重要的環(huán)境因子[2-3]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用室內(nèi)控制法研究不同生態(tài)系統(tǒng)（包括森林[4-6]、農(nóng)田[7-8]、草地[9-11]、濕地[12]等）土壤氮礦化，不同生態(tài)系統(tǒng)土壤氮礦化對(duì)溫度和水分變化的響應(yīng)程度不同，整體表現(xiàn)為土壤溫度和水分是影響氮礦化的重要因子，有顯著的交互作用，對(duì)氮礦化速率有強(qiáng)烈的控制作用，且在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)，并建立了相應(yīng)的模型預(yù)測(cè)溫度和水分變化對(duì)氮礦化速率的影響[11，13]，其結(jié)果對(duì)了解不同生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和氮素循環(huán)有重要的指導(dǎo)意義。在全球氣候變化背景下，氣候異常可能會(huì)改變不同區(qū)域的降水和溫度，進(jìn)而影響氮素循環(huán)。土壤氮礦化過(guò)程又是影響植物生長(zhǎng)和陸地植被生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素[14]，因此有必要就氮礦化對(duì)溫度和水分變化的響應(yīng)進(jìn)行研究。

華西雨屏區(qū)是成都平原向川西高原過(guò)渡的地帶，地勢(shì)抬升強(qiáng)烈，由四川盆地西進(jìn)的暖濕氣流易在此區(qū)域形成地形雨，造成該區(qū)域降水量遠(yuǎn)高于周邊地區(qū)[15-16]。因此該地區(qū)的土壤硝態(tài)氮易隨降雨淋失，且隨土壤含水量的增加和含氧量的減少，硝態(tài)氮更容易在厭氧條件下被反硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)換為氮?dú)饬魇У酱髿庵?，在造成環(huán)境問(wèn)題的同時(shí)減少土壤氮含量。目前有關(guān)華西雨屏區(qū)土壤氮礦化的研究報(bào)道較少[4]。毛竹是該區(qū)域重要的筍竹兩用林之一，對(duì)生態(tài)環(huán)境改善和綠山富民具有重要的作用。因此，采用室內(nèi)控制試驗(yàn)，以該區(qū)域毛竹林為對(duì)象，研究土壤氮礦化對(duì)溫度和水分變化的響應(yīng)，建立相關(guān)模型以估算毛竹林土壤供氮潛力，為研究人工林生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)及評(píng)價(jià)溫度和水分變化對(duì)該區(qū)域土壤供氮潛力的影響提供基礎(chǔ)資料。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海拔1 100～1 550 m的四川省沐川縣國(guó)有林場(chǎng)（103°47′～103°49′E，28°29′～28°54′N(xiāo)），屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林[17]。年平均氣溫為12.8℃，年平均降水量為1 780 mm。試驗(yàn)地林分為毛竹（Phyllostachys heterocycla）林，是1988年天然林皆伐后于1989年人工植苗形成的純林，林分密度為6 000株/hm2，平均高度為13.1 m，平均胸徑為9.5 cm，林分郁閉度為0.8。試驗(yàn)地土壤為黃壤，土壤 pH值為4.26，田間持水量（FWC）為 663.7 g/kg。表層（0～20 cm）土壤基本理化性質(zhì)：有機(jī)碳 44.4 g/kg，全氮 3.4 g/kg，堿解氮133.7 mg/kg，有效磷 2.1 g/kg，速效鉀 51.1 g/kg。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

土壤氮礦化采用室內(nèi)培養(yǎng)法，溫度和濕度采用全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置5、15、25和35℃ 4個(gè)溫度水平，土壤含水量設(shè)置20%、40%、60%和80%的田間持水量（FWC）4個(gè)水平，共有16個(gè)溫度和水分組合處理，每個(gè)處理3次重復(fù)[4]。具體操作如下：稱(chēng)取過(guò)2 mm土篩的風(fēng)干土10 g于100 mL培養(yǎng)瓶中，調(diào)制瓶?jī)?nèi)土壤含水量使其達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，用保鮮膜封住瓶口并用小針均勻刺10個(gè)小孔（以保持適度透氣），然后放入不同溫度的人工氣候箱中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)期間每隔3 d通過(guò)稱(chēng)重法補(bǔ)充瓶?jī)?nèi)水分，培養(yǎng)30 d后測(cè)定土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

1.3 樣品采集與測(cè)定

于2016年4月中旬在毛竹林內(nèi)建立坡向、坡度、坡位和海拔高度基本一致的3個(gè)20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)地，采用蛇形5點(diǎn)取樣法采集表層（0～20 cm）土壤混合樣品。經(jīng)室內(nèi)自然通風(fēng)處晾干，挑去雜物磨細(xì)過(guò)篩后，測(cè)定土壤理化性質(zhì)和土壤礦質(zhì)氮本底值。

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-外加熱法；全氮采用半微量凱式法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；有效磷采用 0.03 mol/L NH4F+0.025 mol/L 鹽酸浸提法；速效鉀采用1 mol/L乙酸銨浸提-火焰光度法；銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分別采用2 mol/L KCl浸提后靛酚藍(lán)比色法和紫外分光光度法[18]。

土壤凈氨化速率（NAR，net ammonification rate）、凈硝化速率（NNR，net nitrification rate）和氮凈礦化速率（NNMR，net nitrogen mineralization rate）按如下公式計(jì)算：

凈氨化速率（NAR）=（土壤培養(yǎng)后NH4+-N-土壤初始NH4+-N）/培養(yǎng)天數(shù)

凈硝化速率（NNR）=（土壤培養(yǎng)后NO3--N-土壤初始NO3--N）/培養(yǎng)天數(shù)

氮凈礦化速率（NNMR）=（土壤培養(yǎng)后無(wú)機(jī)氮-土壤初始無(wú)機(jī)氮）/培養(yǎng)天數(shù)

Q10值參考石薇等[4]的方法以15℃與5℃、25℃與15℃和35℃與25℃間凈氨化速率、凈硝化速率或氮凈礦化速率的比值計(jì)算，表示溫度每升高10℃土壤凈氨化速率、凈硝化速率或氮凈礦化速率增加的倍數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行，采用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）檢驗(yàn)溫度和水分及其交互作用對(duì)凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率的影響，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（SSR）檢驗(yàn)不同溫度和含水量處理?xiàng)l件下土壤各變量之間的顯著性差異，采用線(xiàn)性回歸分析擬合氮礦化與溫度、水分的二次函數(shù)模型，使用Matlab和Excel作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度和水分對(duì)土壤凈氨化作用的影響

不同溫度和水分組合處理對(duì)毛竹林土壤凈氨化速率影響顯著（P＜0.05），60%FWC+25 ℃處理的凈氨化速率顯著高于其他處理，20%FWC+5℃處理凈氨化速率則顯著低于其他處理（圖1）。在各溫度處理?xiàng)l件下，凈氨化速率隨FWC的增加呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，在60%FWC時(shí)達(dá)到最大值。60%FWC時(shí)的平均凈氨化速率分別是20%、40%和80%FWC 時(shí)的 1.86、1.32 和 1.22 倍，且不同土壤含水量間差異顯著（圖2）。在各水分處理?xiàng)l件下，土壤凈氨化速率隨溫度的增加也呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，在25℃時(shí)達(dá)到最大值。25℃條件下的平均凈氨化速率分別是 5、15 和 35 ℃時(shí)的 2.20、1.20 和 1.13倍，且不同土壤溫度處理間差異顯著（圖3）。

圖1 不同溫度和水分處理?xiàng)l件下土壤氮凈礦化速率Figure 1 Soil net nitrogen mineralization rate under different temperatures and moistures treatment

圖2 不同水分含量條件下土壤氮凈礦化速率Figure 2 Soil net nitrogen mineralization rate under different moistures

圖3 不同溫度條件下土壤氮凈礦化速率Figure 3 Soil net nitrogen mineralization rate under different temperatures

2.2 溫度和水分對(duì)土壤凈硝化作用的影響

不同溫度和水分組合處理對(duì)毛竹林土壤凈硝化速率影響顯著（P＜0.05），60%FWC+25 ℃處理的凈硝化速率顯著高于其他處理，20%FWC+5℃處理凈硝化速率則顯著低于其他處理（圖1）。在各溫度處理?xiàng)l件下，凈硝化速率隨FWC的增加呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，在60%FWC時(shí)達(dá)到最大值。60%FWC時(shí)的平均凈硝化速率分別是20%、40%和80%FWC 時(shí)的 1.72、1.12 和 1.29 倍，且不同土壤含水量間差異顯著（圖2）。在各水分處理?xiàng)l件下，土壤的凈硝化速率隨溫度的增加也呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，在25℃時(shí)達(dá)到最大值。25℃條件下的平均凈硝化速率分別是 5、15 和 35 ℃時(shí)的 2.00、1.17 和 1.11倍，且不同土壤溫度處理間差異顯著（圖3）。

2.3 溫度和水分對(duì)土壤氮凈礦化的影響

不同溫度和水分組合處理對(duì)毛竹林土壤氮凈礦化速率影響顯著（P＜0.05），60%FWC+25 ℃處理的氮凈礦化速率顯著高于其他處理，20%FWC+5℃處理氮凈礦化速率則顯著低于其他處理（圖1）。在各溫度處理?xiàng)l件下，氮凈礦化速率隨FWC的增加呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，在60%FWC時(shí)達(dá)到最大值。60%FWC時(shí)的平均氮凈礦化速率分別是20%、40%和 80%FWC 時(shí)的 1.79、1.29 和 1.25 倍，且不同土壤含水量間差異顯著（圖2）。在各水分處理?xiàng)l件下，土壤氮凈礦化速率隨溫度的增加也呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，在25℃時(shí)達(dá)到最大值。25℃條件下的平均氮凈礦化速率分別是5、15和35℃時(shí)的 2.10、1.19 和 1.12 倍，且不同土壤溫度處理間差異顯著（圖 3）。

各處理的凈硝化速率稍低于凈氨化速率，占到土壤氮凈礦化速率的43.9%～49.1%，說(shuō)明毛竹林土壤銨態(tài)氮較多地轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮。如果礦化產(chǎn)生的硝態(tài)氮不能及時(shí)被植物和微生物吸收利用，就容易在此研究區(qū)多雨條件下被淋失或在厭氧條件下被反硝化。

2.4 溫度和水分對(duì)土壤氮礦化的交互影響

由表1可知，溫度和水分及其交互作用對(duì)毛竹林土壤凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率影響顯著（P＜0.05）。一定范圍內(nèi)，升高溫度和增加水分含量可提高土壤的凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率。通過(guò)回歸分析擬合土壤凈氨化速率（y1）、凈硝化速率（y2）和氮凈礦化速率（y3）與含水量（x1）和溫度（x2）的二元二次函數(shù)模型（圖4），其回歸方程分別 為 y1=-3.588 59-0.001 72+0.014 00x1x2+4.073 82x1+0.082 20x2-0.732 95（R2=0.931）、y2=-3.287 92-0.001 33+0.005 81x1x2+3.653 77x1+0.065 81x2-0.567 19（R2=0.922）和 y3=-6.876 51-0.003 05+0.019 81x1x2+7.727 59x1+0.148 01x2-1.300 14（R2=0.932）。由以上方程可得出，毛竹林土壤在61.9%FWC和26.4℃條件下可獲得最大凈氨化速率，在57.9%FWC和26.1℃條件下可獲得最大凈硝化速率，在60.0%FWC和26.2℃條件下可獲得最大氮凈礦化速率。通過(guò)以上方程可估算毛竹林土壤在不同溫度和水分條件下的氮凈礦化速率和礦化量，進(jìn)而評(píng)價(jià)毛竹林土壤供氮潛力。

2.5 不同水分條件下土壤氮凈礦化對(duì)溫度的敏感性|

各水分處理?xiàng)l件下，土壤凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率的 Q10值在 0.857～1.904 之間，且該值在各含水量處理下均呈現(xiàn)出15℃/5℃＞25℃/15℃＞35℃/25℃的變化規(guī)律（圖5）。說(shuō)明土壤凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率的增加倍數(shù)隨

溫度的升高而降低。此外，無(wú)論以?xún)舭被俾?、凈硝化速率或氮凈礦化速率計(jì)，5℃升高到15℃的Q10值顯著高于15℃升高到25℃以及25℃升高到35℃的Q10值，說(shuō)明毛竹林土壤氮礦化在5～15℃間的溫度敏感性最高。

表1 溫度和水分對(duì)氮礦化效應(yīng)的ANOVA分析Table 1 ANOVA analysis of the effect of temperature and moisture on nitrogen mineralization

圖4 氮礦化作用對(duì)溫度和田間持水量的響應(yīng)模型圖Figure 4 Model diagram of the response of nitrogen mineralization to temperature and field water holding capacity

圖5 不同溫度和水分處理?xiàng)l件下土壤凈氨化速率、凈硝化速率和凈氮礦化速率Figure 5 Soil net ammonification rate，net nitrogen mineralization rate and net nitrification rate under different moistures and temperatures treatment

3 討論

土壤是自然界氮素循環(huán)的重要發(fā)生場(chǎng)所，土壤中的氮素絕大多數(shù)以含氮有機(jī)化合物的形式貯存起來(lái)[19]。有機(jī)氮通過(guò)氮礦化過(guò)程轉(zhuǎn)換成植物可吸收利用的無(wú)機(jī)氮，這一過(guò)程受多種因子的影響，其中溫度和水分是最重要的影響因子[20-21]。國(guó)內(nèi)外普遍采用室內(nèi)控制溫度和水分的方法研究土壤氮素礦化過(guò)程，前人的研究表明溫度變化對(duì)土壤氮礦化有影響。如暖溫帶落葉闊葉林土壤硝化速率和氮凈礦化速率在5～25℃條件隨溫度升高而增加，超過(guò)25℃后隨溫度升高而降低[5]；紅杉林和云冷杉林土壤凈硝化速率表現(xiàn)為：低于25℃時(shí)隨溫度升高而增加，超過(guò)25℃時(shí)呈下降趨勢(shì)[6]。本研究發(fā)現(xiàn)，溫度變化對(duì)毛竹林土壤凈氨化、凈硝化和氮凈礦化影響顯著。在5～35℃范圍內(nèi)隨溫度升高，土壤凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率呈先上升達(dá)到閾值（25℃）后下降的變化規(guī)律。這與前人的研究結(jié)果一致，即一定范圍內(nèi)的升溫有利于提高土壤的氮礦化速率。可能的原因是，溫度對(duì)土壤氮礦化速率的影響是通過(guò)改變土壤微生物的生理特性而進(jìn)行的[22]，微生物的碳需求量隨溫度的升高而增加，從而導(dǎo)致NH4+-N釋放量和溶解有機(jī)氮含量的增加，表現(xiàn)為氮凈礦化速率升高。微生物活動(dòng)需消耗土壤養(yǎng)分，隨養(yǎng)分含量的減少，微生物活性下降，群落組成發(fā)生改變，最終導(dǎo)致土壤氮礦化速率下降。此外通過(guò)擬合方程得出26℃為毛竹林土壤氮礦化的最適宜溫度，這一結(jié)果與劉穎慧等[10]和趙琦齊等[12]的結(jié)果有一定差異，前者發(fā)現(xiàn)40℃條件下內(nèi)蒙古草原土壤的氮礦化量最大，后者發(fā)現(xiàn)太湖湖濱帶土壤在35℃條件下有最大氮礦化量。出現(xiàn)差異的原因可能與各生態(tài)系統(tǒng)的氣候條件、土壤有機(jī)質(zhì)含量和植被類(lèi)型等不同而導(dǎo)致土壤微生物對(duì)溫度變化的響應(yīng)不同有關(guān)。

在一定范圍內(nèi)土壤水分含量的增加可促進(jìn)氮素礦化，但在不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)中最適宜于土壤氮礦化的含水量范圍有一定差異。如沙質(zhì)草地土壤在9.5%FWC條件下可獲得凈硝化速率和氮凈礦化速率的最大值[9]，輻射松（Pinus radiate）林和農(nóng)田土壤在100%FWC條件下的氮凈礦化速率最高[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，將毛竹林土壤分別在20%～80%FWC下培養(yǎng)，通過(guò)擬合方程得出最適宜于土壤凈氨化、凈硝化和氮凈礦化的土壤含水量分別為61.9%、57.9%和60.0%FWC。這與上述的研究結(jié)果有較大差異，可能的原因與不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)土壤具有不同的土壤類(lèi)型、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量和pH值等有關(guān)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物隨土壤類(lèi)型而變化，土壤質(zhì)地是影響微生物生物量和活動(dòng)的重要因子，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量直接影響到參與分解的微生物是否容易獲得自身繁殖所需要的氮素從而影響氮礦化[2]。土壤理化性質(zhì)上的差異可能是導(dǎo)致本研究和上述兩研究中土壤微生物對(duì)土壤水分的生態(tài)響應(yīng)不同的另一原因。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，隨土壤含水量的增加，凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率均呈先增加后降低的變化規(guī)律，這與周才平等[5，11]的結(jié)果相似，其原因可能在于水分會(huì)通過(guò)控制微生物的生長(zhǎng)和活性而影響土壤的氮礦化過(guò)程[24-25]。當(dāng)土壤水分含量過(guò)高，土壤孔隙充滿(mǎn)水分，使土壤溶液中的溶解氧濃度降低，抑制硝化細(xì)菌的活性，此時(shí)NH4+-N的固持大于硝化作用，且反硝化細(xì)菌活性增強(qiáng)，NO3--N易反硝化成為N2O和N2，使氮凈礦化速率下降。因此，調(diào)節(jié)適宜的土壤含水量有利于提高土壤供氮能力。

溫度敏感性是衡量土壤氮礦化對(duì)氣候變化響應(yīng)的重要參數(shù)，Q10表示適宜溫度范圍內(nèi)，溫度每升高10℃生物化學(xué)反應(yīng)速度增加的倍數(shù)[26]。多數(shù)學(xué)者利用Q10值表示土壤氮礦化的溫度敏感性，即溫度每升高10℃氮礦化速率增加的倍數(shù)，其變化規(guī)律因地理區(qū)域不同而異[27-28]。如歐洲針葉林土壤和祁連山高寒草甸土氮礦化Q10值均隨溫度升高而降低[29-30]；武夷山土壤氮礦化Q10值在15℃升高到25℃時(shí)最高[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，Q10值變動(dòng)范圍為 0.857～1.904，Q10值在各水分含量下均呈現(xiàn)出15℃/5℃＞25℃/15℃＞35℃/25℃的變化規(guī)律，說(shuō)明土壤的凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率的增加倍數(shù)隨溫度的升高而降低。這與歐洲針葉林[29]、祁連山高寒草甸[30]的研究結(jié)果相同，而與武夷山不同[31]，這可能與不同研究區(qū)域的土壤理化性質(zhì)和微生物區(qū)系不同有關(guān)，武夷山屬典型的丹霞地貌[32]，特殊的地質(zhì)條件造就了與森林土壤和高寒草甸土不同的土壤質(zhì)地和微生物類(lèi)群等，導(dǎo)致Q10值變化規(guī)律不同。此外，毛竹林地土壤氮礦化對(duì)溫度的敏感性在5～15℃最高。據(jù)報(bào)道，若爾蓋高寒濕地土壤氮礦化在15～25℃最敏感[33]；武夷山不同海拔土壤氮礦化在15～25℃對(duì)溫度的敏感性較高[31]；太湖湖濱帶近水區(qū)土壤氮礦化在5～15℃最敏感，中水區(qū)和遠(yuǎn)水區(qū)在25～35℃最敏感[10]。因此，不同海拔和地理區(qū)域的土壤氮礦化對(duì)溫度的敏感性不同，可能與各研究區(qū)土壤理化性質(zhì)不同有關(guān)，但具體原因有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

溫度和水分及其交互作用對(duì)毛竹林土壤凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率影響顯著。最有利于毛竹林土壤氮凈礦化作用的溫度條件為26.2℃，水分條件為60.0%FWC。土壤凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率的Q10值為0.857～1.904，毛竹林土壤氮礦化在5～15℃間最敏感。毛竹林土壤氮礦化過(guò)程中形成的硝態(tài)氮比例較高,易在該區(qū)多雨條件下被淋失或在厭氧條件下被反硝化。土壤氮凈礦化速率（y3）與含水量（x1）和溫度（x2）的二元二 次回歸方 程為 y3=-6.876 51x12-0.003 05x22+0.019 81x1x2+7.727 59x1+0.148 01x2-1.300 14（R2=0.932），由此方程可估算毛竹林土壤在不同溫度和水分條件下氮凈礦化速率和礦化量，結(jié)果有助于評(píng)估溫度和水分變化對(duì)土壤氮礦化的影響。