桂西北喀斯特山區(qū)非共生固氮速率隨退耕后生態(tài)演替變化特征

孫錫斌 ，張青山 ，肖孔操 ，李德軍

（1. 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410125；2. 中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，廣西 環(huán)江 547100；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

氮是大多數(shù)陸地自然生態(tài)系統(tǒng)的主要限制性營養(yǎng)元素，尤其是在植被恢復(fù)的早期階段[1-2]。生物固氮是陸地自然生態(tài)系統(tǒng)外源氮輸入的主要途徑[3-4]，在生態(tài)系統(tǒng)演替過程中具有重要作用。生物固氮分為共生和非共生固氮，但目前對生物固氮速率及控制機(jī)理的認(rèn)識尚很不足，導(dǎo)致生物固氮已成為氮循環(huán)主要的不確定性環(huán)節(jié)，在生態(tài)模型中仍不能通過機(jī)理過程進(jìn)行模擬[5]。盡管有研究已經(jīng)對不同生態(tài)系統(tǒng)的生物固氮速率進(jìn)行了測定，但是目前的研究相當(dāng)有限，對任何生物區(qū)系（Biome）生物固氮速率的測定都遠(yuǎn)沒有代表性。Reed等[3]搜集了全球生物固氮速率數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)共生與非共生固氮速率的實(shí)測數(shù)據(jù)分別有52個和114個；全球不同生態(tài)系統(tǒng)的共生固氮速率介于0.1～160 kg N/(hm2·a)，而非共生固氮速率介于0.01～60 kg N/(hm2·a)。但是對于共生與非共生固氮對生態(tài)系統(tǒng)生物固氮總通量的相對貢獻(xiàn)尚存在很大爭議，其中一個重要原因是很少有研究同時測定了共生與非共生固氮[6]。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為共生固氮占主導(dǎo)地位，但是近年來的觀點(diǎn)認(rèn)為非共生固氮同樣重要，甚至在許多生態(tài)系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位[3,6]。這是因?yàn)楣痰参锟臻g分布上不均勻，許多生態(tài)系統(tǒng)中固氮植物數(shù)量少甚至缺乏[7]?？紤]到現(xiàn)有研究的局限性，無疑需要開展更多的研究以獲取代表性數(shù)據(jù)及揭示生物固氮的控制機(jī)理，如揭示生物固氮隨生態(tài)演替變化特征。

生物固氮可受多種因素影響，如pH、養(yǎng)分有效性、溫濕度等[3,8-9]。在生態(tài)演替過程中，往往伴隨著植物群落、土壤溫濕度、養(yǎng)分有效性等環(huán)境因子的變化，這些都會深刻影響到生物固氮速率。研究發(fā)現(xiàn)，共生固氮速率往往會隨著生態(tài)演替進(jìn)程而降低[10-11]。如Pearson等[12]發(fā)現(xiàn)夏威夷Acacia koa林6年齡階段的共生固氮速率為8 kg N/(hm2·a)，而到了成熟林階段共生固氮速率小于2 kg N/(hm2·a)。Augusto等[10]報道了6年齡海岸松林中的荊豆屬植物（Ulex）固氮通量介于8.1～57.4 kg N/(hm2·a)，而成熟海岸松林中的荊豆屬植物固氮通量則降至

0.5～5.1 kg N/(hm2·a)。這可能與演替過程中生態(tài)系統(tǒng)氮水平升高而固氮植物豐度降低有關(guān)[11,13]。相對而言，目前關(guān)于非共生固氮速率如何隨生態(tài)演替變化的報道較少，且結(jié)果不盡一致。例如，DeLuca等[14]發(fā)現(xiàn)在北方地區(qū)苔蘚非共生固氮速率在生態(tài)演替后期顯著降低。Vitousek[15]發(fā)現(xiàn)在夏威夷的一個生態(tài)演替序列中非共生固氮量（地衣、凋落物和腐木等）從0.3 kg N/(hm2·a)顯著增加到2.8 kg N/(hm2·a)?？傊F(xiàn)有研究對非共生固氮速率隨生態(tài)演替變化特征的認(rèn)識仍很不足。

我國西南喀斯特山區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱，過去由于不合理的人為活動，大面積的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，導(dǎo)致生態(tài)退化[16]。近20年來，國家先后在西南喀斯特山區(qū)實(shí)施了一系列重大生態(tài)恢復(fù)工程，因此，目前大面積的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)處于退耕后不同恢復(fù)階段[17]。前期的研究表明，喀斯特山區(qū)退耕后土壤總氮和有效氮能快速累積[2,18]，在退耕后自然演替過程中，草叢階段受氮限制，灌叢階段受氮和磷共同限制，而森林階段則表現(xiàn)出明顯的氮飽和特征[2,19]。然而目前我們對退耕后演替過程中土壤氮累積機(jī)理的認(rèn)識尚很不足。由于非共生固氮是生態(tài)系統(tǒng)外源氮輸入的重要途徑[3]，我們猜測非共生固氮對退耕后演替過程中土壤氮累積具有重要意義。然而，由于缺乏研究，我們尚不清楚西南喀斯特山區(qū)退耕后演替過程中非共生固氮速率如何變化。以往研究針對生態(tài)演替過程中土壤固氮菌群落數(shù)量與多樣性方面作了探討，例如，魏媛等[20]研究發(fā)現(xiàn)喀斯特山區(qū)生態(tài)演替過程中土壤固氮菌豐度持續(xù)上升，認(rèn)為隨著生態(tài)系統(tǒng)的正向演替，土壤從大氣中獲取氮素的能力也在不斷增強(qiáng)。鐘熙敏等[21]發(fā)現(xiàn)生態(tài)演替過程中土壤固氮菌種群數(shù)量增加，群落多樣性也更加豐富。然而，固氮菌群落的變化并不能直接反映生物固氮速率的變化特征。

本研究基于桂西北喀斯特山區(qū)一條退耕后的演替序列（包括草叢、灌叢和次生林），研究了土壤、凋落物和苔蘚的非共生固氮速率隨演替變化特征，并分析了主控因素。由于前期研究表明氮狀況隨演替進(jìn)程增加[2,18]，而有效氮水平對非共生固氮速率具有抑制作用[14]，我們猜測土壤和凋落物的非共生固氮速率隨演替進(jìn)程而下降（猜測1）。苔蘚的養(yǎng)分主要來源于大氣沉降，考慮到不同演替階段距離較小，大氣氮等養(yǎng)分沉降通量理論上應(yīng)類似，因此，我們猜測苔蘚的非共生固氮速率隨演替無明顯的變化特征（猜測2）。總之，本研究的主要目標(biāo)包括：1）定量桂西北喀斯特山區(qū)典型生態(tài)系統(tǒng)非共生固氮速率；2）揭示桂西北喀斯特山區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)組分的非共生固氮速率隨演替變化特征；3）探討控制不同生態(tài)系統(tǒng)組分的非共生固氮速率隨演替變化的主要因素。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)環(huán)江縣下南鄉(xiāng)的古周 村（107°56′～107°57′ E，24°54′～24°55′ N），屬 于典型的喀斯特峰叢洼地，海拔375～816 m。該地區(qū)的植被屬于亞熱帶濕潤常綠闊葉林，氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候。年平均氣溫為15.0～18.5 ℃，其中最低溫出現(xiàn)在1月，約3.4～8.7 ℃，最高溫出現(xiàn)在7月，約23.0～26.7 ℃。年平均降水量為1 530～1 820 mm，但降水季節(jié)分配不均，其中4月到8月為雨季，9月到次年3月為旱季。土壤為石灰土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)采用空間代替時間的方法選取退耕后不同演替階段的草叢、灌叢和次生林，每個階段設(shè)置3個20 m×20 m樣地，樣地之間距離大于20 m，不同演替階段的最大直線距離小于3 km。草叢的主要優(yōu)勢種是斑茅（Saccharum arundinaceum），此外還有白茅（Imperata cylindrical（L.）Beauv.）、狗尾草（Setaria viridis（L.）Beauv.）等。灌叢的主要優(yōu)勢種是黃荊（Vitex negundo（L.）（VIT）），其他物種有伊桐（Itoa orientalisHemsl.）、毛桐（Mallotus barbatus（Wall.ex Baill.）Muell.-Arg.）、香葉木（Spermadictyon suaveolensRoxb.）和雞仔木（Sinoadina racemose（Sieb.et Zucc.） Ridsd.）。次生林的主要物種為香椿（Toona sinensis），其他物種還有五角楓（Acer elegantulum（Fang et P. L.）Chiu）、斜葉榕（Ficus tinctoriaForst subsp. gibbosa（Bl.） Corner）和楤木（Aralia chinensis（L.））。所有樣方中均無固氮植物分布。

1.3 樣品采集

分別于2016年的非生長季和生長季在樣方內(nèi)采集表層土壤（0～10 cm）、凋落物和苔蘚樣品。在每個樣方內(nèi)，通過直徑為2 mm的土鉆按照“S”型取樣法（8～10個點(diǎn)）采集土壤樣品（剔除植物根系等雜物后充分混勻）；分別通過20 cm×20 cm和10 cm×10 cm的正方形金屬框，根據(jù)所需樣品量采集一定面積的凋落物和苔蘚樣品。土壤樣品一部分用于原位測定非共生固氮速率，另一部分帶回實(shí)驗(yàn)室過孔徑為1 mm篩后測定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，最后一部分在室內(nèi)風(fēng)干后過孔徑為1 mm或0.15 mm篩測定土壤理化指標(biāo)。凋落物和苔蘚樣品一份用于原位測定非共生固氮速率，另一部分帶回實(shí)驗(yàn)室65 ℃烘干粉碎后測定理化指標(biāo)。

1.4 非共生固氮速率的測定

采用乙炔還原法在原位條件下測定土壤、凋落物和苔蘚的乙烯產(chǎn)生速率[22]。采集一定質(zhì)量的樣品（其中土壤20 g、凋落物7 g、苔蘚2 g）裝入密閉性良好的330 mL具塞的玻璃培養(yǎng)瓶中，蓋好瓶塞，用注射器抽出瓶中體積10%的頂空氣體，隨后往培養(yǎng)瓶中注入同等體積的高純乙炔（已通過98%的濃硫酸和5 mol/L NaOH溶液進(jìn)行純化），將培養(yǎng)瓶置于樹蔭下避免陽光直射，在原位條件下培養(yǎng)24 h后用注射器抽取瓶中30 mL頂空氣體注入到已預(yù)先抽好真空的12 mL玻璃儲氣瓶（Labco Exetainer，Labco Limited，UK）中，帶回實(shí)驗(yàn)室使用氣相色譜儀（GC-FID，Agilent GC 7890A，Agilent，USA）測定氣體樣品中的乙烯濃度。同步利用不注射乙炔的培養(yǎng)瓶和不裝入樣品的培養(yǎng)瓶分別檢測樣品本身和乙炔本身的乙烯產(chǎn)生情況?；谝蚁舛群蜁r間回歸分析獲得的斜率計算乙烯產(chǎn)生速率（nmol C2H4/(g·d)）。隨后，利用我們前期針對喀斯特生態(tài)系統(tǒng)土壤、凋落物和苔蘚分別測定的乙烯產(chǎn)生速率與固氮速率之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)[23]，將本研究測得的乙烯產(chǎn)生速率轉(zhuǎn)換為固氮速率（ng N/(g·d)）。

參照Reed等[24]的方法基于單位面積樣品的儲量和固氮速率估算非共生固氮年通量（kg N/(hm2·a)）。單位面積土壤、凋落物和苔蘚樣品的儲量通過質(zhì)量-面積轉(zhuǎn)換系數(shù)來估算，其中凋落物和苔蘚的質(zhì)量-面積轉(zhuǎn)化系數(shù)分別通過20 cm×20 cm、10 cm×10 cm的正方形金屬框中凋落物和苔蘚干重來計算，土壤則結(jié)合土壤容重和巖石出露率計算其質(zhì)量-面積轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.5 土壤、凋落物和苔蘚理化性質(zhì)的分析

土壤、凋落物和苔蘚的含水率采用烘干法測定，土 壤pH用pH計（FE20K，Mettler-Toledo，Switzerland）測定（液土比為2.5:1）。土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化-硫酸外加熱法（油浴）測定（GB 8834—1988），土壤有效磷（AP）采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤總磷采用H2SO4、HClO4消煮-鉬銻抗比色法測定，土壤全氮（TN）采用半微量開氏法-流動注射儀（Fiastar 5000）測定，土壤銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）采用2 mol/L KCl溶液浸提-流動注射分析儀（AA3型）測定，凋落物和苔蘚中的碳和氮通過碳氮元素分析儀（EA 3000，EuroVector，Italy）測定，凋落物和苔蘚樣品的全磷采用H2SO4-H2O2消煮-鉬銻抗比色法測定[25]。

1.6 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用SPSS 16軟件（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行正態(tài)性和方差同質(zhì)性檢驗(yàn)。采用多因素方差分析檢驗(yàn)演替階段、生態(tài)系統(tǒng)組分和季節(jié)以及它們的交互作用對非共生固氮速率的影響。采用單因素方差分析檢驗(yàn)不同演替階段之間非共生固氮速率、非共生固氮年通量和理化性質(zhì)的差異是否顯著。采用皮爾遜相關(guān)分析確定固氮速率與理化指標(biāo)之間的相關(guān)性，采用多元線性回歸分析確定非共生固氮速率的最強(qiáng)解釋因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 非共生固氮速率隨生態(tài)演替的變化特征

多因素方差分析顯示生態(tài)系統(tǒng)組分、演替階段、季節(jié)及其交互作用對非共生固氮速率均有顯著影響（表1，p＜ 0.05）。在非生長季，土壤和凋落物非共生固氮速率均表現(xiàn)為次生林最高，灌叢最低，隨生態(tài)演替呈先降低后增加的趨勢（圖1a，圖1b）；苔蘚固氮速率在草叢和灌叢階段相當(dāng)，次生林階段最高（圖1c）。在生長季，土壤和苔蘚的非共生固氮速率在草叢和灌叢階段沒有顯著差異，在次生林階段最高（圖1a，圖1c）。但凋落物的非共生固氮速率草叢階段最高，在灌叢階段最低（圖1b）。

全年總體來看，土壤的非共生固氮速率在次生林階段最高（(2.99 ± 0.10) ng N/(g·d)），比草叢階段增加了50.19%；在灌叢階段最低（(1.31 ± 0.17) ng N/(g·d)），比草叢階段下降了34.17%（圖1a）。凋落物的非共生固氮速率在草叢階段最高（(3 914.90± 255.33) ng N/(g·d)），而在灌叢階段最低（(2.62 ±

0.23) ng N/(g·d)），灌叢和次生林凋落物的非共生固氮速率分別比草叢階段下降了99.93%和96.92%（圖1b）。次生林苔蘚的非共生固氮速率（(669.45± 60.08) ng N/(g·d)）分別比草叢和灌叢階段增加了

301.57%和329.31%（圖1c）。

表1 生態(tài)系統(tǒng)組分、演替階段、季節(jié)及其交互作用對非共生固氮速率的影響Table 1 Effects of ecosystem compartment, succession stage, season and their interactions on ANF rate

2.2 非共生固氮年通量隨生態(tài)演替的變化特征

圖1 土壤、凋落物和苔蘚非共生固氮速率隨生態(tài)演替變化特征Fig. 1 Changes of ANF rate in soil, litter and moss with ecological succession

圖2 非共生固氮年通量隨生態(tài)演替變化特征Fig. 2 Changes of annual ANF rate with ecological succession

不同生態(tài)系統(tǒng)組分的非共生固氮年通量隨生態(tài)演替變化特征與各自的全年總體固氮速率變化特征類似（圖1，圖2）。土壤和苔蘚的非共生固氮年通量隨演替進(jìn)程先小幅下降，隨后顯著上升，而凋落物的非共生固氮年通量隨演替進(jìn)程顯著下降（圖2）?；谏鲜鋈齻€組分得到的生態(tài)系統(tǒng)非共生固氮年通量隨生態(tài)演替呈現(xiàn)先下降而后增加的特征，草叢、灌叢和次生林的非共生固氮年通量分別為(1.21± 0.06) kg N/(hm2·a)，(0.23 ± 0.03) kg N/(hm2·a)和(0.65± 0.04) kg N/(hm2·a)（圖2）。

不同組分對生態(tài)系統(tǒng)非共生固氮年通量的相對貢獻(xiàn)隨演替變化特征存在差異（圖3）。土壤對生態(tài)系統(tǒng)非共生固氮年通量的相對貢獻(xiàn)以灌叢最高（80.71%）而草叢最低（21.89%）；凋落物的相對貢獻(xiàn)則以草叢最高（70.71%）而灌叢最低（0.28%）；苔蘚的相對貢獻(xiàn)隨演替而增加，從草叢的7.40%增加到次生林的39.87%。不同組分對生態(tài)系統(tǒng)非共生固氮年通量的相對貢獻(xiàn)在不同演替階段也存在差異。在草叢階段，相對貢獻(xiàn)以凋落物最高而苔蘚最低；在灌叢和次生林階段，相對貢獻(xiàn)則以土壤最高而凋落物最低。

圖3 土壤、凋落物和苔蘚對不同生態(tài)系統(tǒng)非共生固氮年通量的相對貢獻(xiàn)Fig. 3 The relative contributions of soil, litter and moss to annual ANF rate in different ecosystems

2.3 土壤、凋落物和苔蘚理化性質(zhì)及其與非共生固氮速率的相關(guān)性

土壤理化性質(zhì)隨生態(tài)演替的變化特征因指標(biāo)而異（表2）。土壤有機(jī)碳和全氮含量在草叢階段最低，但在灌叢和次生林二個階段之間無顯著差異。土壤全磷含量和C∶P比值在三個演替階段之間無顯著差異。土壤C∶N比草叢階段最高，而次生林階段最低；土壤N∶P比隨演替的變化特征則與C∶N比相反。生長季和非生長季土壤含水率隨生態(tài)演替變化特征相似，均是次生林階段最高，且草叢和次生林在非生長季土壤含水率高于生長季。對于土壤無機(jī)氮含量，在非生長季時以次生林階段最高，而在草叢階段最低；生長季時三個階段之間無明顯差異；非生長季時的含量顯著高于生長季。對于土壤有效磷含量，生長季和非生長季均以次生林階段最低，但季節(jié)之間無顯著差異。

凋落物單位面積質(zhì)量因季節(jié)而異，在生長季以草叢最高，次生林最低，而在非生長季以灌叢最高，草叢最低；且二個季節(jié)之間質(zhì)量也存在顯著差異（表3）。凋落物含水率二個季節(jié)均以次生林最高而灌叢最低，且非生長季含水率高于生長季。凋落物碳含量在不同演替階段或不同季節(jié)之間均無顯著差異。凋落物氮和磷含量均表現(xiàn)為次生林最高，而草叢最低；草叢和灌叢凋落物氮和磷含量在生長季更高。二個季節(jié)凋落物C∶N和N∶P比值隨演替變化特征類似，C∶N比以草叢階段最高，而N∶P比在不同階段之間無顯著差異；草叢和灌叢凋落物C∶N比在非生長季更高。

二個季節(jié)苔蘚單位面積質(zhì)量隨演替變化特征類似，草叢階段最高而灌叢階段最低；次生林苔蘚單位面積質(zhì)量在非生長季更高，而其他二個階段則以生長季更高（表3）。生長季苔蘚的含水率在不同演替階段之間無顯著差異，而非生長季則是灌叢階段的含水率低于其他二個階段；非生長季的含水率顯著高于生長季。苔蘚碳含量在生長季存在演替階段之間的差異，即次生林高于其他二個階段，但生長季苔蘚氮和磷含量在演替階段之間無顯著差異。非生長季時苔蘚碳含量在演替階段之間無顯著差異，但氮和磷含量均以次生林最高而草叢最低。C∶N比值在生長季時各階段之間無顯著差異，但非生長季時以草叢階段較高。N∶P比均是次生林高于其他二個階段。

表2 三個不同演替階段土壤理化性質(zhì)Table 2 Physicochemical properties for soil in grassland, shrubland and forest

表3 三個不同演替階段的凋落物和苔蘚理化性質(zhì)Table 3 Physicochemical properties for litter and moss in grassland, shrubland and forest

多元線性逐步回歸分析結(jié)果表明，土壤的非共生固氮速率在生長季和非生長季的最強(qiáng)解釋因子均為含水率，分別解釋了非共生固氮速率變異的83.2%和94.9%（表4）。對于凋落物的非共生固氮速率，在生長季和非生長季的最強(qiáng)解釋因子分別為C∶N比和含水率，分別解釋了變異的86.9%和73.5%。對于苔蘚的非共生固氮速率，在生長季和非生長季的最強(qiáng)解釋因子分別是有機(jī)碳和全氮，分別解釋了變異的84.3%和46.8%。此外，皮爾遜相關(guān)分析顯示生長季時凋落物的非共生固氮速率與全氮呈顯著負(fù)相關(guān)（R2=0.67，p＜0.01）。

表4 多元線性逐步回歸顯示理化指標(biāo)對非共生固氮速率的解釋度Table 4 Results of stepwise multiple linear regression analyses showing the dependence of asymbiotic N2 fixation rate on physicochemical variables

3 討論

本研究結(jié)果表明，桂西北喀斯特山區(qū)典型草叢、灌叢和次生林的非共生固氮年通量相比其他熱帶或亞熱帶地區(qū)較低。例如，有文獻(xiàn)報道的熱帶或亞熱帶草叢、灌叢和次生林非共生固氮速率分別介于0.1～21.0、0.63～0.97和0.1～60.0 kg N/(hm2·a)[3,26]。這可能與我國西南地區(qū)大氣氮沉降量以及土壤氮有效性相對較高，非共生固氮速率受到了抑制有關(guān)[18,27-28]。

我們發(fā)現(xiàn)喀斯特山區(qū)非共生固氮年通量隨生態(tài)演替呈先降低后升高的趨勢，有別于其他研究發(fā)現(xiàn)的非共生固氮速率隨生態(tài)演替進(jìn)程而降低[4,29-30]或升高[28]的現(xiàn)象。在本研究中非共生固氮年通量在草叢階段較高，其中凋落物非共生固氮對草叢非共生固氮年通量貢獻(xiàn)最大（70.71%），可能與草叢凋落物中氮含量低而C∶N比高有關(guān)，這兩個條件在前期研究中均被證明對非共生固氮具有促進(jìn)作用[3,31]。灌叢階段非共生固氮年通量較低，這可能與灌叢階段土壤、凋落物含水率均較低而氮含量較高有關(guān)。以往大量研究表明，在干旱和富氮環(huán)境條件下土壤和凋落物非共生固氮速率受到明顯抑制[32-33]。相比于灌叢階段，次生林階段非共生固氮年通量略有增加。在以往的研究中也有類似發(fā)現(xiàn)[34]，可能是因?yàn)榇紊种型寥篮室约疤μ\碳氮含量較高促進(jìn)了土壤和苔蘚的非共生固氮速率。

不同生態(tài)系統(tǒng)組分非共生固氮速率和年通量隨生態(tài)演替變化的趨勢不同。首先，土壤的非共生固氮速率和年通量隨生態(tài)演替呈先下降后上升的趨勢，主要與土壤含水率隨生態(tài)演替的變化有關(guān)。其次，凋落物非共生固氮速率和年通量在演替中后期下降，這與Pérez等[35]的研究結(jié)果一致。在本研究中凋落物C∶N比在演替過程中不斷降低，可能是導(dǎo)致凋落物非共生固氮速率和年通量在演替中后期降低的主要原因。最后，苔蘚非共生固氮速率和年通量在演替早期和中期無顯著差異，在后期上升，以往的研究中也有類似的結(jié)果，且非共生固氮年通量與我們的研究處于同一水平（1～2 kg N/(hm2·a)）[36-37]?？赡芘c次生林中苔蘚碳氮含量較高有關(guān)。我們發(fā)現(xiàn)含水率是影響土壤和非生長季凋落物非共生固氮的關(guān)鍵因子。以往的研究也表明了含水率對非共生固氮的促進(jìn)作用[32,38]。例如，我們前期的研究也發(fā)現(xiàn)喀斯特森林土壤和凋落物非共生固氮速率隨土壤含水率的增加而增加[32]。這一方面可能是因?yàn)楣痰笇ρ鯕馐置舾?，適當(dāng)?shù)乃謼l件可以為微生物創(chuàng)造厭氧條件，防止固氮酶被氧氣破壞[8,33]。另一方面可能是因?yàn)楹试黾犹嵘送寥阑虻蚵湮锕痰δ芑颍╪ifH）的相對豐度[39]。與非生長季期間不同，我們發(fā)現(xiàn)C∶N比對凋落物生長季期間非共生固氮速率的影響程度最大。由于生物固氮過程需要消耗大量的能量用于打破N2中的化學(xué)鍵以及保持固氮酶活性[40]，而凋落物中較高的C∶N比可以為固氮微生物提供更多固氮碳和能量，因此對非共生固氮具有促進(jìn)作用。這與Zheng等[31]的研究一致。此外，我們還發(fā)現(xiàn)氮對凋落物和苔蘚非共生固氮速率有顯著影響，且存在不同效應(yīng)。其中，在生長季期間凋落物的非共生固氮速率與氮含量呈負(fù)相關(guān)（R2=0.669，p＜0.01）。以往許多研究也表明了環(huán)境氮水平的升高對非共生固氮的抑制作用[41-42]，我們前期的研究也表明喀斯特森林中凋落物非共生固氮速率隨氮添加濃度的增加而降低[23]。這是因?yàn)樯锕痰獦O其消耗固氮微生物自身養(yǎng)分（碳、氮、磷等）和能量[30]，固氮微生物在富氮環(huán)境中傾向于降低固氮速率而直接吸收利用環(huán)境中的氮[33,43]。研究表明，高氮條件會降低固氮菌和固氮基因的豐度[44]，增加固氮基因擴(kuò)增的困難性[45]。而苔蘚在非生長季期間非共生固氮速率與氮含量呈顯著正相關(guān)。Wang等[23]的研究也報導(dǎo)了喀斯特山區(qū)苔蘚非共生固氮速率對環(huán)境氮狀況的響應(yīng)有別于土壤和凋落物。這與苔蘚獲取氮的方式有關(guān)，因?yàn)樘μ\不從土壤中獲取生長需要的氮，需要通過固氮來滿足自身氮素需求[46]。由于固氮酶的合成需要消耗一定量的氮，苔蘚氮含量更高意味著可以合成更多的固氮酶[33]，因而對非共生固氮具有促進(jìn)作用。意外的是，本研究中并未發(fā)現(xiàn)生態(tài)演替過程中磷對非共生固氮速率的影響，這與以往研究報導(dǎo)的磷對非共生固氮具有促進(jìn)作用的結(jié)果不同[47-48]?？赡苁怯捎诳λ固厣絽^(qū)非共生固氮速率受含水率、氮等的影響更大，導(dǎo)致磷的促進(jìn)效應(yīng)不明顯。

4 結(jié)論

本文研究了桂西北喀斯特山區(qū)土壤、凋落物和苔蘚的非共生固氮速率隨退耕后生態(tài)演替的變化特征，發(fā)現(xiàn)從演替早期（草叢）到后期階段（次生林），非共生固氮年通量呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢，且土壤、凋落物和苔蘚非共生固氮速率和年通量隨生態(tài)演替的變化趨勢不一，主要受生態(tài)演替過程中土壤、凋落物和苔蘚含水量、有機(jī)碳、全氮和C∶N比變化的影響。研究結(jié)果有助于深入認(rèn)識喀斯特生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)特征，并為生態(tài)恢復(fù)過程中氮累積提供了一種機(jī)理解釋。