大興安嶺北部天然針葉林土壤氮礦化特征

肖瑞晗,滿秀玲,丁令智

東北林業(yè)大學, 哈爾濱 150040

近年來,國際上對土壤氮礦化開展了廣泛的研究[5- 7],其中包括森林土壤氮礦化速率變化特征[8],水、熱因素對土壤氮礦化影響[9- 11]和植物對土壤氮礦化影響等[12]方面。雖然已取得了許多研究成果,但對土壤氮的動態(tài)認識依舊存在許多不確定性,在全球范圍內沒有一個統(tǒng)一的礦化模式。國內開展了許多模擬自然條件的室內控溫、控濕實驗,提出了相應的因子控制機理及理論礦化模型[13- 15]。在原位培養(yǎng)方面以溫帶草原、農(nóng)田土壤、熱帶森林及亞熱帶溫帶森林研究[16-21]較多,而對于森林土壤氮礦化的研究則以人工林為主,較少研究天然林的土壤氮礦化特征,且很少考慮林地土壤氮礦化的垂直空間異質性,因而難以全面的分析和評價自然條件下土壤氮礦化過程。

大興安嶺北部是我國唯一的高緯度寒溫帶地區(qū),冬季漫長寒冷,夏季短暫濕熱,晝夜溫差較大,月平均氣溫在0℃以下的月份長達8個月之久。本區(qū)地帶性土壤是棕色針葉林土,土壤層較薄,多在20—30 cm,石塊較多,且有多年凍土存在。由于氣候寒冷,生長季較短,土壤微生物活動和有機質分解受到限制,因此土壤養(yǎng)分供給水平是本區(qū)植物生長重要的影響因子。本研究以大興安嶺北部地區(qū)天然針葉林為研究對象,探討森林土壤無機氮含量、氮礦化特征及其影響因素,旨在揭示該地區(qū)土壤氮素轉化特征和供給水平,為大興安嶺地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分管理及森林經(jīng)營提供幫助。

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

研究地位于大興安嶺地區(qū)漠河縣境內黑龍江漠河森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,地理坐標為122°07′—122°27′E,53°22′—53°30′N,該地區(qū)屬寒溫帶大陸性氣候,具有明顯的山地氣候特點,冬季由于受極地大陸氣團控制,寒冷、干燥而漫長,夏季在副熱帶海洋氣團的影響下,短暫濕熱,年均溫-4.9℃,多年平均降水量350—500 mm,多集中在7月份,全年無霜期80—90 d。研究區(qū)地帶性植被為興安落葉松林,另外還有樟子松林、樟子松-落葉松混交林、白樺(Betulaplatyphylla) 林、山楊(Populusdavidiana)林等森林類型,林下植物以興安杜鵑(Rhododendrondauricum)和篤斯越桔(Vacciniumuliginosum)為主。地帶性土壤為棕色針葉林土,局部地段分布有沼澤土和草甸土,并有永凍層存在。

1.2 樣地設置和研究方法

在前期踏查的基礎上選擇本區(qū)典型針葉林為研究對象,即樟子松林、興安落葉松林和樟子松-興安落葉松混交林,在每種林型中選擇典型地段布設3塊20 m×20 m的樣地,對樣地進行基本情況調查,詳見表1。每個樣地每月選取3個培養(yǎng)點,采用頂蓋埋管法[4]估測氮素的礦化速率。在實驗開始前準備好長20 cm,內徑5 cm的PVC管、塑料布、沙布和橡皮圈。每次取樣時把3個PVC管垂直打入土中,然后小心取出裝滿土樣的PVC管,再把PVC管頂部用塑料布封住,底部用紗布封住并用橡皮筋固定后放回原處；同時用另外的3個PVC管取原狀土,將管內土壤分為0—10 cm和10—20 cm兩層,分別裝入袋中,帶回實驗室做室內分析。野外培養(yǎng)時間為30天,每次取樣時先取出上次所埋管中的培養(yǎng)土,再用同樣的方法埋管并取對應的原狀土帶回實驗室。在每一樣地的對角線上選3個50 cm×50 cm的樣方,用鋼板尺對枯落物的厚度測量并記錄,同時用塑料袋收集樣方內的枯落物及每個采樣點(0—10 cm、10—20 cm)土壤,密封帶回實驗室分析。實驗從2017年5月5日開始至2017年10月5日結束,共進行5個時段的培養(yǎng)。

表1 3種林型樣地基本概況

1. 興安刺玫; 2. 興安杜鵑(Rhododendrondauricum); 3. 羽節(jié)蕨(GymnocarpiumJessoense); 4. 北國紅豆(Vacciniumvitis-idaea); 5. 矮生懸鉤子(Rubusclivicola); 6. 篤斯越桔; 7. 鳳毛菊(Saussureaamurensis); 8. 紅花鹿蹄草(Pyrolaincarnata); 9. 東方草莓(Fragariaorientalis); 10. 杜香(Ledumpalustre); 11. 越桔(V.vitis-idaea)

表2 3種林型樣地土壤性質

氮礦化速率計算公式為：

M=[(I0′+I1′)-(I0+I1)]/D

(1)

M1=[(I0′-I0]/D

(2)

M2=[I1′-I1]/D

(3)

式中,M為凈氮礦化速率、M1為凈氨化速率、M2為凈硝化速率,mg kg-1d-1；I0和I0′分別為培養(yǎng)前后銨態(tài)氮濃度,mgN/kg；I1和I1′為相對應的培養(yǎng)前后硝態(tài)氮濃度,mgN/kg；D為培養(yǎng)天數(shù),d。

1.3 數(shù)據(jù)分析

2 結果與分析

2.1 土壤的變化特征

圖1 3種林型月變化動態(tài)Fig.1 Monthly changes ofconcentration in the three forestsa、b、c和d為林型內不同月份土壤含量多重比較結果(P < 0.05)

圖2 3種林型變化動態(tài)Fig.2 Monthly changes ofconcentration in the three forestsa、b、c和d為林型內不同月份土壤多重比較結果(P<0.05)

2.3 土壤凈氮礦化速率變化特征

2.3.1凈氨化速率

由圖3可知,3種林型凈氨化速率均呈V型變化趨勢,且月變化顯著(P<0.05),7、8月凈氨化速率表現(xiàn)為負值,而其他月份則為正值。5—10月樟子松林、混交林及興安落葉松林的凈氨化速率變化范圍分別為-0.34—0.89 mg kg-1d-1、-0.15—0.32 mg kg-1d-1和-0.51—0.60 mg kg-1d-1。3種林型不同土層凈氨化速率存在顯著差異(P<0.05),凈氨化速率主要發(fā)生在0—10 cm土層,觀測期內3種林型0—10 cm土層氨化作用占0—20 cm土層總氨化作用的65.3%—85.8%、57.5%—67.8%和59.3%—69.3%,而10—20 cm土層占比分別為14.2%—35.7%、33.2%—42.5%和30.7%—40.7%,其中樟子松林在6、7、9月0—10 cm土層凈氨化率明顯高于10—20 cm土層；混交林在6月0—10 cm土層凈氨化率明顯高于10—20 cm土層,而8月10—20 cm土層凈氨化率明顯高于0—10 cm土層(P<0.05)。

由此可見,整個觀測期內3種林型0—10 cm土層凈氨化速率明顯高于10—20 cm土層(P<0.05),土壤的凈氨化作用主要發(fā)生在0—10 cm土層,占整個0—20 cm土層的60%以上。

圖3 3種林型凈氨化速率月變化動態(tài)Fig.3 Monthly changes of net ammonium rates in the three forests圖中*和**分別表示0—10 cm、10—20 cm土層凈氨化速率差異顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)

2.3.2凈硝化速率

樟子松林10—20 cm土層凈硝化速率月變化差異顯著(P<0.05),其他均差異極顯著(P<0.01)(圖4)。3種林型凈硝化速率最大值出現(xiàn)在6月,但混交林在9月又出現(xiàn)一次明顯上升。3種林型凈硝化速率在5、6、9和10月為正值,且0—10 cm土層凈硝化速率大于10—20 cm土層(P<0.05)； 7、8月凈硝化速率產(chǎn)生波動出現(xiàn)負值,且出現(xiàn)10—20 cm土層凈硝化速率大于0—10 cm土層。3種林型間土壤平均凈硝化速率存在明顯的差異(P<0.05),0—10 cm土層平均凈硝化速率依次為：混交林((0.026±0.010)mg kg-1d-1)>興安落葉松林((0.017±0.0028)mg kg-1d-1)>樟子松林((0.0014±0.011)mg kg-1d-1)；10—20 cm土層平均凈硝化速率大小依次為：樟子松林((0.023±0.010)mg kg-1d-1)>混交林((0.013±0.0064)mg kg-1d-1)>興安落葉松林((0.0090±0.011)mg kg-1d-1)。3種林型0—20 cm土層凈硝化速率變化范圍分別為：-0.022—0.084 mg kg-1d-1(樟子松林)、-0.040—0.099 mg kg-1d-1(混交林)、-0.064—0.044 mg kg-1d-1(興安落葉松林)。

綜上所述,3種林型土壤凈硝化速率除7、8月外其余月份為正值且0—10 cm土層明顯高于10—20 cm土層(P<0.05),7、8月為負值且8月份10—20 cm土層高于0—10 cm土層(P<0.05)。3種林型間土壤平均凈硝化速率存在明顯的差異(P<0.05)。

圖4 3種林型凈硝化速率月變化動態(tài)Fig.4 Monthly changes of net nitrification rates in the three forests圖中*和**分別表示0—10 cm、10—20 cm土層凈硝化速率差異顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)

2.3.3凈氮礦化速率

由圖5可知,5—10月3種林型的凈氮礦化速率變化趨勢與凈氨化速率趨勢類似,即5、6月呈上升趨勢,7、8月呈下降趨勢且凈氮礦化速率出現(xiàn)負值,9、10月又有所上升。樟子松林0—20 cm土層在6月凈氮礦化速率出現(xiàn)最大值為(1.28±0.11)mg kg-1d-1,8月出現(xiàn)最小值為(-0.54±0.18)mg kg-1d-1；混交林和興安落葉松林則在9月出現(xiàn)最大值,分別為(0.55±0.13)mg kg-1d-1和(1.05±0.12)mg kg-1d-1,在7月出現(xiàn)最小值分別為(-0.13±0.086)mg kg-1d-1和(-0.80±0.088)mg kg-1d-1。3種林型凈氮礦化速率表現(xiàn)出顯著的垂直差異性(P<0.05),但與土壤凈氨化速率和凈硝化速率相比其垂直差異性相對減弱。3種林型間平均凈氮礦化速率差異不顯著(P>0.05)。

由此可見,在觀測期內3種林型土壤凈氮礦化速率呈V型變化趨勢且均表相出顯著的垂直差異性(P<0.05)。但3種林型間平均凈氮礦化速率無顯著性差異(P>0.05)。

圖5 3種林型凈氮礦化速率月變化動態(tài)Fig.5 Monthly changes of net mineralization rates in the three forests圖中*和**分別表示0—10 cm、10—20 cm土層凈硝化速率差異顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)

2.4 土壤和枯落物碳氮含量對土壤氮礦化速率的影響

由表3可以看出,不同土層凈氮礦化速率影響因子有所不同,但總體而言土壤凈氮礦化速率與土壤含水量呈二次相關關系,說明土壤水分含量的增加在一定程度上促進氮礦化的進程,但土壤水分含量超過一定閾值時會抑制土壤氮礦化的發(fā)生；土壤氮礦化速率與土壤有機碳含量呈顯著正相關(P<0.05),土壤有機碳含量增高氮礦化速率也逐漸增加；凈氮礦化速率與枯落物全氮和C/N呈顯著負相關(P<0.05),說明枯落物中C/N高,氮素轉化較慢,釋放量少,進而影響氮的礦化速率。土壤凈氮礦化速率與土壤pH值、土壤全氮和枯落物儲量相關性不顯著(P>0.05)。另外,0—10 cm土層凈氮礦化速率還與土壤C/N呈顯著正相關(P<0.05),與枯落物有機碳含量呈顯著負相關(P<0.05)。

3 討論

3.1 土壤無機氮變化特征

表3 凈氮礦化速率與土壤基質和枯落物相關性分析

表中*和**分別表示相關性水平顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)

無機氮含量標志著土壤中可供植物吸收利用的氮素水平,是評價土壤供氮能力的一項重要指標[26,38],是土壤直接供給植物吸收的養(yǎng)分,其含量顯著影響著森林土壤的生產(chǎn)力。研究區(qū)土壤無機氮平均含量高于其他地區(qū)平均水平,說明該地區(qū)土壤具有較強的供氮能力。不同林型間無機氮含量及組成存在一定差異,這表明不同森林類型和生態(tài)環(huán)境氮素有效性有所差異[23]。土壤氮素供應取決于土壤有機質的積累與分解狀況,與地上植被類型及其根系、凋落物輸入與分解相關；與此同時,不同森林類型的土壤容重和土壤孔隙度等物理性質也影響土壤無機氮含量及其組成特征。大興安嶺地區(qū)由于其特殊的地理位置及氣候特點使得該地區(qū)的生長季較短,較高的無機氮水平保證了土壤對植物有效的氮素供應,提高了這一地區(qū)森林土壤的生產(chǎn)力,能夠為森林生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)經(jīng)營提供養(yǎng)分保障。

3.2 土壤凈氮礦化速率

3種林型土壤氮礦化過程存在明顯的月際差異(P<0.05),且0—10 cm土層的氮礦化作用明顯強于10—20 cm土層(P<0.05)。一般來說,土壤凈氮礦化速率與土壤微生物活性有關,土壤微生物活性高有助于提高土壤凈氮礦化速率,而微生物活性與土壤有機質和全氮含量有關[9- 41], 3種林型0—10 cm土層具有較高的有機質和全氮含量,為微生物的活動提供了保障,從而為土壤凈氮礦化創(chuàng)造了良好的條件[24]。3種林型觀測期內土壤凈氮礦化速率均值變化范圍樟子松林為-0.54—1.28 mg kg-1d-1、樟子松-興安落葉松混交林為-0.13—0.55 mg kg-1d-1、興安落葉松林為-0.80—1.05 mg kg-1d-1?？梢钥闯?混交林礦化速率變化幅度較小,這與混交林土壤無機氮含量較高有關,土壤礦質氮含量升高能抑制土壤氮素礦化[39]。3種林型5、6月土壤礦化速率較高,為礦化的活躍期[24]。而7、8月份土壤氮礦化速率為負值,其原因可能與土壤中養(yǎng)分含量變化及土壤水分含量有關。當土壤中養(yǎng)分充足時,土壤氮素礦化作用弱于微生物對氮的固持作用,土壤中無機氮含量轉為消耗性為主。反之,在其他月份土壤中養(yǎng)分缺乏,土壤氮素礦化作用明顯高于微生物對氮的固持作用,土壤表現(xiàn)為無機氮素積累過程,土壤氮礦化速率增大[42]。

3種林型土壤凈氮礦化速率在不同月份變化較大,且7、8月份礦化速率為負值,與其他地區(qū)土壤氮礦化速率變化趨勢有所不同,而7、8月份為該地區(qū)降水比較集中的時期,說明在不同地區(qū)氣候因素和環(huán)境因素大不相同,對氮礦化的影響也不同。森林土壤存在很大的垂直空間異質性,表層土壤氮礦化作用更強,這也說明土壤氮礦化速率是氣候因子、林分組成、枯落物質量及土壤基質等多種影響因子綜合作用的結果。

3.3 土壤凈氮礦化的控制因子

影響土壤凈氮礦化速率的因素很多也很復雜,周才平等對長白山兩種林型下土壤氮礦化進行研究,發(fā)現(xiàn)與溫度和濕度關系密切[13]。在本研究中,土壤凈氮礦化速率與土壤水分間存在二次相關關系,即在較低土壤水分范圍內,隨水分增加,土壤凈氮礦化能力增強,但當水分超過一定閾值后反而會抑制土壤凈氮礦化過程[13-14,43]。土壤凈氮礦化速率與土壤溫度相關性不顯著(P>0.05),這可能與大興安嶺地區(qū)寒冷的氣候條件有關。土壤有機質含量和土壤C/N的提高會增強土壤凈氨化、凈硝化及凈氮礦化速率[41,44]。土壤凈氮礦化速率與枯落物全氮含量及C/N呈極顯著負相關,C/N越大越難被礦化,說明枯落物通過影響土壤中的碳氮含量間接的影響土壤氮礦化速率[45]。而土壤氮礦化速率與枯落物儲量卻無顯著相關性,這說明枯落物對土壤礦化的影響主要表現(xiàn)為質量控制,而非數(shù)量上的控制[41,46-47]。通過對0—10 cm及10—20 cm土層土壤氮礦化速率影響因子相關分析發(fā)現(xiàn),0—10 cm土層氮礦化速率受土壤及枯落物碳氮含量及C/N影響較大,其原因可能是由于上層土壤養(yǎng)分較高,且其土壤容重較小,透氣及透水能力較強有助于土壤氮礦化的發(fā)生。

4 結論

(2)3種林型生長季土壤凈氮礦化、凈氨化、凈硝化速率均呈V型變化趨勢,最小值在7、8月,且為負值。土壤凈氨化過程是土壤氮礦化過程的主要形式,占比在60%以上。

(3)土壤氮礦化過程受多種因素的共同影響。土壤水分含量、土壤有機質含量、枯落物全氮含量及碳氮比在土壤氮礦化過程中起主要作用；而土壤溫度、土壤pH、土壤全氮和枯落物數(shù)量及有機碳含量對氮礦化速率影響較小。森林生態(tài)系統(tǒng)土壤及枯落物的質量影響土壤氮礦化特征及植物對氮素的吸收利用。

致謝：東北林業(yè)大學黑龍江漠河森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站提供野外基礎支持。