天山林區(qū)土壤總氮礦化過程對(duì)季節(jié)性凍融的響應(yīng)

陳 磊,常順利,*,張毓?jié)?張?jiān)圃?/p>

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046 2 新疆林科院森林生態(tài)研究所, 烏魯木齊 830063

土壤凍融通常是因季節(jié)或晝夜氣溫變化而出現(xiàn)土壤凍結(jié)和融化的現(xiàn)象[1],其實(shí)質(zhì)為土壤水的相態(tài)變化過程[2],凍融以多種方式影響著高緯度和高海拔區(qū)域的土壤氮素轉(zhuǎn)化過程[3]。氮礦化是森林土壤礦物氮的主要來源[4],其多受土壤pH值[5]、微生物量氮(Microbial biomass nitrogen, MBN)[6]、群落結(jié)構(gòu)[5]和土壤酶活性[6]等因子的影響。國內(nèi)外研究學(xué)者認(rèn)為凍融過程會(huì)顯著影響凈氮礦化、反硝化和硝化等作用[3,7],另外水、熱等環(huán)境因子及微生物量氮對(duì)氮礦化過程有重要的影響[8]。

天山林區(qū)是干旱區(qū)山地的主要組成部分,對(duì)全球氣候變化十分敏感[20]。林區(qū)所處緯度與海拔較高,凍融時(shí)期長(zhǎng)達(dá)4—6個(gè)月,在秋冬與冬春交替期間溫度變化較大[20]。由于冬季雪被覆蓋,野外調(diào)查與取樣較為困難,該區(qū)冬季土壤氮礦化動(dòng)態(tài)及影響因素的研究仍相對(duì)缺乏。因此,本文在天山北坡林區(qū)設(shè)置不同類型植被樣地,根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)分析土壤氮礦化動(dòng)態(tài)及與水、熱環(huán)境因子的關(guān)系,擬回答以下科學(xué)問題：(1)凍融期間天山林區(qū)不同群落類型土壤總氮礦化速率、累積量及季節(jié)貢獻(xiàn)率；(2)各氮素之間的相關(guān)關(guān)系以及溫度、含水率和MBN等因素對(duì)土壤總氮礦化速率的影響。以便深入了解凍融期天山林區(qū)土壤氮循環(huán)過程及凍融期土壤氮素轉(zhuǎn)化和遷移,以期為天山林區(qū)可持續(xù)經(jīng)營提供理論指導(dǎo),同時(shí)為該地區(qū)氮循環(huán)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

以中國森林生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(China Forest Ecology Research Net, CFERN)天山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(43°24′48″—43°26′18″N, 87°27′29″—87°28′48″E)為依托進(jìn)行樣地布設(shè)及采樣,定位站海拔為1908 m。屬溫帶大陸性氣候,最熱月平均氣溫為 10—16℃,最冷月平均氣溫-11— -9℃,年降水量350—600 mm,雨季集中在6—8月,年蒸發(fā)量980—1150 mm,年均相對(duì)濕度65%,平均無霜期89 d,≥10℃積溫為1170.5℃,最大積雪深度為65 cm。土壤凍結(jié)期為11月初至次年4月底,持續(xù)6個(gè)月。天山云杉溫帶針葉林為該地植被類型的優(yōu)勢(shì)種,郁閉度約為0.4—0.8,林下土壤為山地灰褐色森林土[21]。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與采樣方法

于2017年9月植物生長(zhǎng)季末期在定位站附近的喬木林地(woodland)、灌叢(bushland)和草地(grassland)3個(gè)群落結(jié)構(gòu)中,分別隨機(jī)布設(shè)3個(gè)20 m20 m的樣方(圖1)。在每個(gè)樣地內(nèi)布設(shè)40根不銹鋼管(鋼管直徑為11 cm、長(zhǎng)度為20 cm、管壁厚度為2 mm),平行每隔約7 m設(shè)4排,每排10根土柱。因鋼管較為堅(jiān)固、管壁較薄,取用厚木板置于其上截面部分,垂直敲擊鋼管于土壤中(為防止部分根系被切斷后植物死亡,需要為每個(gè)土柱補(bǔ)充200 mL水)。為凍結(jié)期時(shí)方便取樣,在每個(gè)鋼管的外管壁套塑料薄膜,距上截面1.5 cm處對(duì)稱開孔(孔徑為0.5 mm)。其中每個(gè)樣地20根用于測(cè)定礦質(zhì)氮含量和凈氮礦化速率,另外20根用于測(cè)定總氮礦化速率,共布設(shè)360根。

圖1 樣地布設(shè)圖Fig.1 Sampling plot layout

為測(cè)定總氨化和總硝化速率,在每個(gè)樣地中隨機(jī)取出2個(gè)土柱,分別對(duì)土柱進(jìn)行K15NO3和(15NH4)2SO4同位素溶液標(biāo)記(選取30%豐度,上海化工院),置于裝有冰袋的保溫箱中。另外,在每個(gè)樣地中隨機(jī)選取1個(gè)土柱(20個(gè)土柱按相鄰位置被分為10對(duì)),另一個(gè)土柱留待兩周的原位反應(yīng)后采取,用于測(cè)定凈氮礦化速率和MBN含量。

為測(cè)定表層土壤(-5 cm)的溫度和含水率連續(xù)變化數(shù)據(jù),在每種群落類型選取1個(gè)樣地布設(shè)便攜性溫度計(jì)(MicroLite 5032P-RH, Fourtec-Fourier Technologies, Israel)和FD探針(ECH2O- 5, Decagon Devices, Pullman, USA),設(shè)置每30 min采樣一次,每日分別產(chǎn)生48個(gè)溫、濕度數(shù)據(jù),便于形成連續(xù)數(shù)據(jù)(圖2)。在樣地中心位置挖取1個(gè)5 cm淺坑(坑底需平整),將溫度計(jì)和FD探針放入后,復(fù)原土壤環(huán)境。每?jī)蓚€(gè)月將溫濕度探測(cè)器的數(shù)據(jù)導(dǎo)入筆記本電腦中,并為探測(cè)器更換電池。日均降水、日均氣溫等數(shù)據(jù)由定位站提供。分別在秋季凍融期(AFP, Autumn Freeze-thaw Period, 2017.11.01—2017.11.17),凍結(jié)期(CFP, Constantly Frozen Period, 2017.11.17—2018.3.12)和次年春季凍融期(SFP, Spring Freeze-thaw Period, 2018.3.12—2018.4.15)進(jìn)行采樣(每月的中旬或下旬各1次),共采10次。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)室分析方法

利用15N稀釋技術(shù)確定總氨化和總硝化速率[22],將土柱置于恒溫恒濕培養(yǎng)箱中培養(yǎng)(溫度設(shè)為樣地前三日平均土壤溫度)。標(biāo)記后的18小時(shí)(t1)和42小時(shí)后(t2),分別取出樣品置于冰箱冷凍室中(-20℃)存放,以便送往檢測(cè)機(jī)構(gòu)(ICAS英格爾檢測(cè)認(rèn)證集團(tuán), 上海)測(cè)得不同培養(yǎng)時(shí)間的15N豐度。另外,將采集的土壤樣品經(jīng)過自然風(fēng)干后過0.149 mm篩(100目)。土壤硝態(tài)N含量使用酚二磺酸比色法測(cè)定,銨態(tài)氮利用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定,MBN用氯仿熏蒸-提取(FE)法測(cè)定。另外土壤含水率用稱重法測(cè)定(105℃, 12 h)。

1.2.3 氮礦化速率及氮轉(zhuǎn)化累積量計(jì)算方法

在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合本實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀,采用Kirkham和Bartholomew給定的公式確定總氮礦化速率[23]：

(1)

(2)

凈氮礦化速率采用以下公式[24]計(jì)算：

(3)

(4)

Rm=Ramm+Rnit

(5)

Ramm、Rnit、Rm分別代表土壤氨化速率、硝化速率和礦化速率(mg N kg-1d-1)。

N0=∑N1

(6)

(7)

N0為整個(gè)時(shí)期(2017.11.01—2018.04.15)的氮素累積量(kg N hm2a-1),N1為單次氮素轉(zhuǎn)化量(kg N hm2a-1),N2為AFP、CFP和SFP不同時(shí)期的氮素轉(zhuǎn)化量占比(%),如公式(7)所示。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用Excel 2016和SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并利用Origin 8.5和Prism 7軟件作圖。通過雙因素方差分析(Two-Way ANOVA)來確定凍融時(shí)期及3種群落類型對(duì)總氮礦化、凈氮礦化和MBN的影響。用Pearson相關(guān)分析法分析土壤總氮礦化、凈氮礦化和微生物量氮之間相關(guān)性。用線性回歸模型來分析土壤溫度和含水率對(duì)總氮礦化、凈氮礦化和MBN的影響。

2 結(jié)果分析

2.1 凍融期土壤溫度、含水率的變化

為研究?jī)鋈谄陂g土壤總氮礦化過程,本文對(duì)土壤表層日均含水率與日均溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)(圖2)。2017年秋、冬季,天山林區(qū)土壤初次凍結(jié)于11月20日夜間形成,于白天土壤溫度高于0℃時(shí)結(jié)束。從2017年11月下旬至2018年3月下旬,≥20 cm深度的土壤處于凍結(jié)狀態(tài)。另外從2017年11月上旬至2018年4月末,土壤含水率增加了10.2%(圖2)。次年3月中旬至4月末為春季凍融期,這期間土壤頻繁發(fā)生凍結(jié)-融化現(xiàn)象。

2.2 凍融期總氮礦化速率及MBN含量變化

在整個(gè)時(shí)期間的總氨化速率(圖2)特征表現(xiàn)為隨著土壤溫度下降而持續(xù)下降,與總硝化速率和MBN含量相比,它以相反方向變化,即伴隨最小的氨化速率,土壤MBN含量處于上升位置。各個(gè)凍融時(shí)期,3種群落類型土壤總氨化速率較為接近。表層土壤總氨化速率于11月中旬達(dá)到峰值(6.75 mg N kg-1d-1),隨土壤含水率和土壤溫度的下降而至低點(diǎn)(1.3 mg N kg-1d-1),凍結(jié)期土壤總氨化速率變化不明顯。春季凍融期間,隨著土壤溫度和含水率的上升,總氨化速率緩慢上升(圖2)。

圖2 土壤總氮礦化速率、微生物量氮含量、溫度及含水率變化Fig.2 Dynamic changes in gross nitrification rate, gross ammonification rate, MBN content, temperature and moistureAFP：秋季凍融期Autumn freeze-thaw period；CFP：凍結(jié)期Constantly frozen period；SFP：次年春季凍融期Spring freeze-thaw period

與總氨化速率呈持續(xù)下降趨勢(shì)相比,總硝化速率在整個(gè)時(shí)期呈較為強(qiáng)烈的震蕩變化,數(shù)值在1.3—6.75 mg N kg-1d-1之間(12月中旬和4月中旬,以喬木林地土壤為例)。總硝化速率在秋季凍融過程中先增加至3.5—4.7 mg N kg-1d-1,隨著土壤溫度和含水率下降呈減小的趨勢(shì)(圖2)。從群落類型來看,在秋季凍融期林地土壤總硝化速率相較另外兩種類型土壤較高,并且上升速率提升更快。

土壤MBN含量隨著表層土壤凍結(jié)后下降,但12月中旬的一場(chǎng)降水致使土壤含水率上升,MBN含量隨之而增加。春季凍融期間溫度相較于凍結(jié)期有所回升,MBN含量隨之增加,但增幅不明顯(圖2)。整個(gè)凍融期間,林地土壤MBN含量始終大于灌叢和草地。

2.3 凍融期對(duì)總氮礦化累積量、季節(jié)貢獻(xiàn)率的影響

為了獲得氮轉(zhuǎn)化累積量,利用計(jì)算可以說明秋季和春季凍融期對(duì)整個(gè)凍融時(shí)期總氮礦化的重要性(公式 6, 公式7)。整個(gè)期間喬木林地、灌叢和草地表層土壤總氨化累積量分別為163.93 kg N hm2a-1、88.27 kg N hm2a-1和103.41 kg N hm2a-1,相同樣地類型在不同凍融時(shí)期有顯著差異(P<0.05)；而總硝化累積量為55.43 kg N hm2a-1、47.12 kg N hm2a-1和41.58 kg N hm2a-1,對(duì)總硝化作用來說,相同樣地類型在不同凍融時(shí)期也有顯著差異(P<0.05),并且喬木林地的總氨化和總硝化累積量最多。對(duì)于凈礦化作用來說,在相同時(shí)期不同群落類型土壤凈氨化和凈硝化累積量沒有顯著性差異(表1)。

秋季凍融期(17 d)的總氨化累積量均值占整個(gè)時(shí)期的29.5%,秋季凍融期總硝化量均值占比為57.1%；春季凍融期(32 d)總氨化占比為36%,總硝化占比為20.3%?？偘被谇铩⒋簝鋈跁r(shí)期與全部?jī)鋈跁r(shí)期占比為66%,總硝化轉(zhuǎn)化量占比為77.4%(表1)。

表1 總氮礦化累積量、凈氮礦化累積量在3種土地類型的不同時(shí)期所占比例

整體上凍融時(shí)期及3種群落類型對(duì)總氮礦化速率、凈氮礦化速率和MBN均有極顯著(P<0.01)的影響。群落結(jié)構(gòu)對(duì)以上所有指標(biāo)均有極顯著的影響(P<0.01),凍融期對(duì)除凈硝化速率以外所有指標(biāo)都有極顯著(P<0.01)影響(表2)。

表2 凍融期及群落類型對(duì)總氮礦化速率、凈氮礦化速率和微生物量氮含量的影響

總氨化速率與總硝化速率、凈硝化速率、MBN呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),說明總氨化速率與總硝化速率之間有一定的相互影響,同時(shí)總氨化速率還受MBN的驅(qū)動(dòng)作用；總硝化速率與凈硝化速率、凈氨化速率、凈硝化速率呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),其中凈氨化速率和凈硝化速率相關(guān)性較小,同時(shí)總硝化速率也受MBN的影響,總硝化速率和MBN、凈氨化速率和MBN速率為負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中凈氨化速率和MBN速率之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01, 表3)。

表3 總氮礦化速率、凈氮礦化速率和微生物量氮含量之間相關(guān)性

2.4 土壤溫度及含水率對(duì)氮素動(dòng)態(tài)的影響

在整個(gè)凍融時(shí)期,總氨化速率在整體上呈現(xiàn)出與土壤溫度相關(guān)關(guān)系一致的規(guī)律,但是3種群落類型的相關(guān)程度有所差異。隨著土壤溫度的升高,總氨化速率(林地和灌叢)顯著增加(P<0.05)；但MBN含量卻與土壤溫度表現(xiàn)相反,當(dāng)土壤溫度升高時(shí)MBN(林地和草地)含量顯著降低(P<0.05, 圖3)。

圖3 土壤溫度對(duì)總氮礦化速率、凈氮礦化速率及微生物氮含量的影響Fig.3 Effects of daily mean soil temperature on gross N mineralization rate, net N mineralization rate and microbial biomass N content

當(dāng)土壤含水率上升時(shí),凈氨化速率(灌叢)、凈硝化速率(灌叢)和凈礦化速率(灌叢)顯著下降(P<0.05),而總硝化速率和土壤含水率之間沒有顯著相關(guān)關(guān)系(圖4)。

圖4 土壤溫度對(duì)總氮礦化速率、凈氮礦化速率及微生物氮含量的影響Fig.4 Effects of daily mean soil moisture on gross N mineralization rate, net N mineralization rate and microbial biomass N content

3 討論

3.1 凍融對(duì)氮礦化速率動(dòng)態(tài)的影響

3.1.1 凍融對(duì)總氮礦化速率的影響

總氮礦速率能夠反應(yīng)土壤氮素周轉(zhuǎn)情況和供氮能力,對(duì)認(rèn)識(shí)植物獲得可利用無機(jī)氮及生態(tài)系統(tǒng)氮素流失的途徑起到重要作用[22]。凍融時(shí)期氮礦化速率動(dòng)態(tài)變化得知,凍融過程中土壤溫度對(duì)總氨化速率和總硝化速率影響顯著(P<0.05, 圖3),凍融期的總氮礦化速率比凍結(jié)期更高(圖2)。這一觀點(diǎn)得到了幾項(xiàng)在草原、農(nóng)業(yè)上研究的支持[25-26],這些研究認(rèn)為在凍融時(shí)期極端低溫改變了土壤結(jié)構(gòu),影響土壤團(tuán)粒大小和穩(wěn)定性,繼而影響氮素的循環(huán)和流失,使得凍融條件下總氨化和總硝化速率較高,從而促進(jìn)了土壤的氮礦化過程[25-26](圖2)。對(duì)比凍結(jié)期,秋季、春季凍融期的總氨化量和總硝化量占比為一半以上(表1),與內(nèi)蒙古草原土壤總氮轉(zhuǎn)換量的研究結(jié)果相符[2],這一時(shí)期土壤溫度和含水率有所上升,微生物也更加活躍,土壤中氮素礦化過程增長(zhǎng)更為明顯[27]。

3.1.2 凍融條件下總氮礦化速率與凈氮礦化速率的關(guān)系

本研究通過對(duì)比總氮礦化和凈氮礦化累積量后發(fā)現(xiàn),總氮礦化累積量為83.29 kg N hm2a-1,凈氮礦化累積量為3.53 kg N hm2a-1,前者是后者的23.59倍(表1)。這一結(jié)果與前人研究相近,表明總礦化累積量和凈礦化累積量的比值約為23倍左右[9]。當(dāng)森林土壤小型無機(jī)氮庫的產(chǎn)生和固定速率較快時(shí),僅考慮凈礦化速率可能會(huì)低估氮的累積量[30]。對(duì)內(nèi)華達(dá)山脈森林土壤的研究中,凈氨化年累積量為16—37 kg N hm2a-1,而總氨化量約為此的7倍[31]。

3.1.3 凍融條件下不同群落類型對(duì)總氮礦化速率的影響

3.2 凍融條件下土壤溫度、含水率及MBN對(duì)總氮礦化的影響

3.2.1 凍融條件下土壤溫度、含水率對(duì)總氮礦化的影響

3.2.2 凍融條件下土壤MBN含量對(duì)總氮礦化速率的影響

土壤溫度和含水率對(duì)土壤氮礦化速率的影響主要是通過改變微生物的生理特征而進(jìn)行[37]。凍融過程使微生物群落數(shù)量及多樣性顯著降低,當(dāng)土壤微生物死亡后,殘余微生物利用其營養(yǎng)物質(zhì)的恢復(fù)力直接決定土壤氮礦化周轉(zhuǎn)能力[37]。隨著土壤MBN含量增加,總氨化速率顯著增加(P<0.01, 表3)。相關(guān)研究表明,凍融對(duì)土壤微生物區(qū)系、數(shù)量和酶活性上均有影響[38]。當(dāng)土壤溫度下降時(shí),土壤中冰晶體的膨脹和擴(kuò)充使得微生物細(xì)胞膜和細(xì)胞壁有機(jī)械損傷,從而導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)發(fā)生變化[38]；另外當(dāng)土壤水凍結(jié)時(shí),水溶液發(fā)生濃縮,微生物細(xì)胞滲透壓失去平衡,細(xì)胞膜流動(dòng)性減少,導(dǎo)致細(xì)胞受到傷害[38]。

在本研究中,群落類型和凍融過程對(duì)MBN有極顯著的影響(P<0.01, 表2)。這與奧地利溫帶山毛櫸林土壤觀察的現(xiàn)象相似,微生物生物量的周轉(zhuǎn)和演替是土壤中可利用氮的主要來源[39],凍融期土壤中MBN的累積可能會(huì)改善不同生態(tài)系統(tǒng)的氮利用效率(表2, 表3)。因?yàn)?種群落類型土壤的結(jié)構(gòu)和孔隙度不同,當(dāng)凍融事件發(fā)生時(shí)土壤孔隙中儲(chǔ)存的水分和氧氣均會(huì)有所變化,當(dāng)氧氣擴(kuò)散到達(dá)一定限度時(shí),微生物的有氧活動(dòng)減少,氮礦化速率受到影響[40]。因此土壤溫度、含水率和MBN是控制氮循環(huán)和微生物活性的主要因素。土壤氮素可利用性及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)是預(yù)測(cè)氣候變化背景下陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮收支的關(guān)鍵之處[40]。由于全新世時(shí)期天山林區(qū)的濕度值一直在增加[41],春、秋季凍融循環(huán)過程也受到影響,總氮礦化過程對(duì)凍融循環(huán)響應(yīng)的量化工作能夠在一定程度上反映陸地生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)過程。

4 結(jié)論

綜上所述,在天山林區(qū),凍融期內(nèi)土壤以總氨化過程為主；秋、春凍融期總氮礦化累積量占全年的一半以上,并且凍融期的總氮礦化速率相比凍結(jié)期更高；對(duì)不同的群落類型而言,凍融過程對(duì)總氨化速率和總硝化速率的影響差異明顯。未來應(yīng)進(jìn)一步探究?jī)鋈跅l件下土壤氮礦化與碳礦化的協(xié)同效應(yīng)及其氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵微生物過程與機(jī)制,進(jìn)而了解天山云杉森林中各類氮轉(zhuǎn)化過程之間的關(guān)聯(lián)性。