溫度對尕海退化濕地土壤硝化潛力的影響

宋良翠， 馬維偉， 李 廣， 龍永春， 常文華

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

土壤硝化作用受放牧干擾、土壤溫度和水分、土壤氮素含量、土壤性質(zhì)等諸多因素的影響。已有很多學(xué)者針對禁牧和放牧活動開展了一些草地土壤氮硝化作用方面的研究，如王雪等[5]研究認(rèn)為，放牧促進(jìn)了氮的硝化作用，有利于土壤硝化過程的進(jìn)行；而廖李容等[6]研究發(fā)現(xiàn)，禁牧顯著提高了土壤硝態(tài)氮含量，促進(jìn)了土壤氮硝化過程[6]。也有研究發(fā)現(xiàn)，適度放牧?xí)龠M(jìn)土壤中氮硝化過程的進(jìn)行，加快氮素的周轉(zhuǎn)，有利于植物吸收和利用氮素[7]。可見，不同的植被類型及放牧強度均會對草地土壤氮硝化作用產(chǎn)生重要影響。在全球氣候變化的背景下，溫度升高將對土壤氮硝化作用產(chǎn)生深刻影響，這些影響將可能改變植物生長速率，進(jìn)而對生態(tài)系統(tǒng)碳源匯功能產(chǎn)生影響[8]。同時，溫度還能夠改變土壤微生物的活性，是影響土壤氮硝化作用重要的調(diào)控因子[9]。Hu等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，在較高溫度區(qū)間(15～35℃)土壤氮硝化速率隨溫度升高而增加；同時，也有研究表明，溫度升高能夠促進(jìn)土壤氮硝化作用，增加土壤氮凈硝化速率[11]。以上學(xué)者的研究多集中于放牧強度或溫度某一單一因素對土壤硝化作用的影響，而放牧對土壤氮硝化作用受到溫度的影響，尤其是關(guān)于溫度對不同放牧強度土壤氮硝化的影響規(guī)律尚不清楚，這一定程度阻礙了對草地土壤氮硝化作用影響規(guī)律的認(rèn)識。

尕海濕地位于青藏高原東南緣，是青藏高原濕地的重要組成部分，也是受人類干擾影響最為嚴(yán)重的區(qū)域之一[12]。近年來，受全球氣候變暖和過度放牧等的影響，尕海濕地退化嚴(yán)重，目前對此區(qū)域的研究主要集中在生物多樣性、土壤有機碳、氮含量等方面[13-14]，對濕地退化過程中土壤硝化過程的研究未見報道。與此同時，國內(nèi)對土壤硝化作用的研究主要集中在農(nóng)田[15]、森林[16]、草原[17]和遼河保護區(qū)典型濕地土壤[18]，而對高寒濕地不同退化程度土壤硝化作用對溫度變化響應(yīng)的研究鮮有報道，尤其是關(guān)于濕地退化過程中土壤氮硝化的室內(nèi)模擬研究未見報道。鑒于此，本研究通過室內(nèi)溫度控制試驗，以尕海濕地區(qū)不同退化程度沼澤化草甸土壤為研究對象，綜合考慮干擾強度和溫度對高寒濕地土壤氮硝化作用的影響，分析溫度變化對不同退化程度高寒濕地土壤硝化過程的影響規(guī)律，以期揭示高寒濕地土壤氮素的生物地球化學(xué)行為對全球氣候變暖的響應(yīng)，為高寒濕地土壤的質(zhì)量演變及氮循環(huán)過程等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤于2020年5月(非生長季)在尕海沼澤化草甸(33°58′～34°32′ N，102°09′～102°46′ E)采集，該區(qū)年平均氣溫1.2℃，年降水量781.8 m，年蒸發(fā)量1 150.5 mm。植被類型以甘肅嵩草(Kobresiakansuensis)、問荊(Equisetumarvense)、蕨麻(Potentillaanserina)、棘豆(Oxytropis)、甘藏苔草(Carexmoorcroftii)、散穗早熟禾(Poasubfastigiata)、冷蒿(Artemisiafrigida)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)等為主[12]。供試的4種退化程度的土樣分別采集于前期團隊研究確定的退化樣地，即未退化(UD)、輕度退化(LD)、中度退化(MD)及重度退化(HD)，樣地詳細(xì)情況見表1[19]。采用“蛇”形7點法用土鉆采集0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm土層土樣，混合均勻，7點中相同土層的土樣混合組成1個土樣，四分法取部分，去掉植物殘根和石塊。將采集樣品用保鮮袋裝好帶回實驗室自然風(fēng)干，磨碎后過2 mm篩，每個混合土樣重復(fù)3次，用以測定土壤硝態(tài)氮含量。土壤的基本理化性質(zhì)見表2[20]。

表1 樣地基本情況[19]

表2 土壤的基本理化性質(zhì)[20]

利用EM50數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)(Decagon Devices,Inc.,NE,USA)監(jiān)測土壤溫度數(shù)據(jù)，每10 min記錄一次數(shù)據(jù)。

1.2 試驗設(shè)計

采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)法測定不同土層、不同退化程度濕地土壤氮硝化作用[9]，設(shè)置4個濕地退化程度(未退化，輕度退化，中度退化，重度退化)、3個土層(0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm)，根據(jù)該區(qū)每10年氣溫上升0.4℃的特征[21]，模擬預(yù)測未來溫度繼續(xù)升高對不同退化程度濕地的影響，設(shè)置15℃，25℃，35℃3個溫度水平，共36個組合處理，每個處理3次重復(fù)，共108個土樣，將土樣置于15℃，25℃，35℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，使每個土樣維持在其土壤田間持水量的40%(加水后每個土樣完全潤濕)。具體試驗過程如下：稱取過2 mm篩的風(fēng)干土100 g，放入300 mL的塑料燒杯中，根據(jù)各濕地退化程度的田間持水量，用蒸餾水調(diào)節(jié)水分含量到試驗設(shè)計的含水量，用保鮮膜封口，并在保鮮膜上扎2～3個小孔以保持適度透氣，置于15℃，25℃，35℃的培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)期間每2～3 d用稱重法補充瓶內(nèi)水分，將培養(yǎng)的各個塑料燒杯內(nèi)的土樣每次稱取5 g鮮土，依次于培養(yǎng)的0 d，3 d，7 d，14 d，28 d，49 d，70 d，98 d從恒溫箱中取出塑料燒杯取樣(破壞性取樣)，每個土樣加入2 mol·L-1KCl溶液50 mL，在搖床上震蕩1 h后浸提，用MgO-代氏合金蒸餾法[22]測定土壤中的硝態(tài)氮含量。

1.3 土壤硝態(tài)氮變化量及其硝化速率計算

土壤硝態(tài)氮變化量及硝化速率(mg·kg-1·d-1)計算公式[23]：

Δti=ti+1-ti

(1)

(2)

(3)

土壤均值凈硝化速率=同一溫度條件下7次培養(yǎng)間隔的土壤凈硝化速率/7

(4)

式中，Δti表示時間間隔，Δc(NO3--N)i表示硝態(tài)氮的變化量，單位為mg·kg-1，c(NO3--N)i+1表示培養(yǎng)后的硝態(tài)氮含量，單位為mg·kg-1，c(NO3--N)i表示培養(yǎng)前的硝態(tài)氮含量，單位為mg·kg-1；ΔNRnit表示硝化速率，單位為mg·kg-1·d-1。

Q10值參考桂慧穎等[24]的方法，以25℃與15℃的比值、35℃與25℃的比值計算不同溫度范圍土壤凈硝化速率，表示溫度每升高10℃土壤凈硝化速率增加的倍數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，用SPSS 25.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)及多重比較法(LSD)分析濕地不同退化程度各變量的差異顯著性(P=0.05)。采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)分析比較濕地退化程度、溫度及二者的交互作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫度及硝態(tài)氮含量初始值變化特征

在0～40 cm土層，土壤平均溫度隨濕地退化程度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，UD，MD，HD土壤溫度分別比LD增加了0.3%，5.2%，7.7%(表3)。在同一土層，4種退化程度土壤初始硝態(tài)氮含量具有一定的差異(圖1)，在0～10 cm土層，各退化程度土壤初始硝態(tài)氮含量MD最大(3.61 mg·kg-1)，UD最小(3.13 mg·kg-1)，各退化程度間差異不顯著；在10～20 cm土層，土壤初始硝態(tài)氮含量范圍為1.06～2.81 mg·kg-1，且HD與UD，LD之間差異顯著(P<0.05)，與MD差異不顯著；在20～40 cm土層，土壤初始硝態(tài)氮含量范圍為1.00～3.23 mg·kg-1，且HD與其他退化程度差異顯著(P<0.05)。除LD和HD土壤初始硝態(tài)氮含量在20～40 cm(1.63，3.23 mg·kg-1)土層大于10～20 cm(1.49，2.81 mg·kg-1)土層外，其他各退化程度土壤初始硝態(tài)氮含量隨土層的降低而增加。

表3 不同退化程度濕地土壤溫度變化特征

圖1 不同退化程度濕地土壤初始硝態(tài)氮含量

雙因素方差分析結(jié)果顯示(表4)，退化程度、土層、退化程度和土層的交互作用對土壤初始硝態(tài)氮含量具有不同的影響。退化程度對土壤初始硝態(tài)氮含量影響不顯著，土層及退化程度和土層的交互作用對土壤初始硝態(tài)氮含量影響顯著(P<0.01)。

表4 濕地退化程度和土層交互作用下土壤初始硝態(tài)氮含量方差分析

2.2 溫度對不同濕地退化程度土壤硝態(tài)氮含量的影響

15℃，25℃，35℃條件下，4種退化程度各土層土壤硝態(tài)氮含量均隨培養(yǎng)時間的延長呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(圖2)。4種退化程度各土層土壤硝態(tài)氮含量隨溫度的變化存在一定差異：0～10 cm土層，4種退化程度(UD，LD，MD，HD)土壤硝態(tài)氮含量均值隨溫度的升高而增大，35℃最大，值分別為41.53，36.37，43.25，50.75 mg·kg-1；10～20 cm土層，UD，LD土壤硝態(tài)氮含量均值隨溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，25℃條件下UD，LD土壤硝態(tài)氮含量較15℃分別增加了0.26%，0.30%，較35℃分別增加了0.17%，0.25%，而MD，HD硝態(tài)氮含量隨溫度的升高而增大，在35℃最大，值分別為26.80，41.45 mg·kg-1；20～40 cm土層，4種退化程度土壤硝態(tài)氮含量均值隨溫度的升高先增大后減小，25℃最大，值分別為21.90，21.43，18.99，22.92 mg·kg-1。4種退化程度各溫度土壤硝態(tài)氮均隨土層的加深而減小。在同一溫度、同一土層條件下，各退化程度土壤硝態(tài)氮含量均值HD最高，且在35℃，0～10 cm土層值最大，為50.75 mg·kg-1。

圖2 各濕地退化程度在不同培養(yǎng)時間下的土壤硝態(tài)氮含量

雙因素方差分析結(jié)果表明，溫度、濕地退化程度對各土層土壤硝態(tài)氮含量影響顯著(表5)。在各土層中溫度影響大于濕地退化程度的影響，說明在各土層溫度對土壤硝態(tài)氮含量的影響比濕地退化程度的影響更顯著。溫度和濕地退化程度對各土層土壤硝態(tài)氮含量存在顯著的交互作用(P<0.01)。

表5 濕地退化程度和溫度交互作用下土壤硝態(tài)氮含量方差分析

2.3 溫度對不同濕地退化程度土壤凈硝化速率的影響

4種退化程度各土層土壤均值凈硝化速率隨溫度的變化存在一定差異(圖3)：0～10 cm土層，4種退化程度(UD,LD,MD,HD)土壤凈硝化速率均值隨溫度的升高而增大，35℃最大，值分別為1.41，1.36，1.65，1.94 mg·kg-1·d-1，15℃最小，值分別為1.07，1.02，1.03，1.07 mg·kg-1·d-1；10～20 cm土層，UD，LD，MD土壤均值凈硝化速率隨溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，25℃分別比15℃增加了0.35%，0.36%，0.31%，分別比35℃增加了0.32%，0.36%，0.11%，而HD均值凈硝化速率隨溫度的升高而增大，在35℃最大，值為1.59 mg·kg-1·d-1；20～40 cm土層，UD，LD，MD，HD土壤均值凈硝化速率均隨溫度的升高先增大后減小，25℃分別比15℃增加了0.20%，0.11%，0.11%，0.22%，分別比35℃增加了0.24%，0.05%，0.03%，0.12%。4種退化程度各溫度土壤凈硝化速率均值均隨土層的增加而減小。在同一溫度、同一土層條件下，各退化程度土壤均值凈硝化速率HD最高，且在35℃，0～10 cm土層值最大，值為1.94 mg·kg-1·d-1。

圖3 濕地不同退化程度下土壤凈硝化速率

雙因素方差分析表明，溫度、退化程度對各土層土壤硝化速率影響顯著(表6)。由F值可以看出，在0～10 cm土層，溫度的影響大于退化程度的影響，說明不同溫度間差異比濕地退化程度更顯著，而在10～20 cm和20～40 cm土層，退化程度的影響大于溫度的影響，說明退化程度間差異比溫度更顯著。0～10 cm土層和10～20 cm土層，溫度和退化程度對土壤硝化速率存在顯著的交互作用(P<0.01)。

表6 濕地退化程度和溫度交互作用下土壤硝化速率方差分析

2.4 不同濕地退化程度土壤氮凈硝化對溫度的敏感性(Q10)

4種退化程度各土層土壤凈硝化速率Q10值在各溫度間存在一定差異(圖4)。在0～40 cm土層，4種退化程度(UD，LD，MD，HD)的Q10值變化范圍分別為0.68～1.29，0.64～1.57，0.89～1.45，0.88～1.55，且各濕地退化程度土壤凈硝化速率的溫度敏感性(Q10)均表現(xiàn)為25℃/15℃>35℃/25℃(圖4)，說明凈硝化速率的增加倍數(shù)隨溫度的升高而降低。對同一土層、同一退化程度、不同溫度下土壤氮凈硝化Q10值進(jìn)行單因素方差分析：除HD在10～20 cm土層和LD在20～40 cm土層的氮凈硝化Q10值差異不顯著外，其他各退化程度的氮凈硝化Q10值在不同溫度下差異顯著(P<0.05)。

圖4 不同退化程度濕地土壤氮凈硝化的溫度敏感性

3 討論

Q10值表示溫度每升高10℃土壤凈硝化速率增加的倍數(shù)，不僅可以作為土壤氮素轉(zhuǎn)化對溫度響應(yīng)的敏感性系數(shù)[34]，也是用來衡量土壤氮素轉(zhuǎn)化對未來氣候變化響應(yīng)的重要參數(shù)。不同生態(tài)系統(tǒng)類型中土壤氮素硝化過程對溫度變化的敏感程度也有一定的差異。本研究發(fā)現(xiàn)，不同濕地退化程度土壤凈硝化速率Q10值不同，在0～40 cm土層，4種退化程度土壤的Q10值變化范圍分別為0.68～1.29，0.64～1.57，0.89～1.45，0.88～1.55，且4種濕地退化程度各土層土壤凈硝化速率的增加倍數(shù)隨溫度的升高而降低，這與Koch等[35]的研究結(jié)果一致。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，4種退化程度各土層土壤15℃升高到25℃的Q10值高于25℃升高到35℃，說明土壤凈硝化在15℃～25℃的溫度敏感性最高，這與高俊琴等[36]的研究結(jié)果一致，可能原因是在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著土壤底物的減少，硝化過程所需的酶促反應(yīng)步驟增多，所需的活化能越高，因此對溫度升高的響應(yīng)更加劇烈，從而Q10值較高[37]。

本試驗主要采用室內(nèi)培養(yǎng)法測定，室內(nèi)培養(yǎng)試驗排除了外界因素的影響，通過人為控制試驗溫度和土壤含水量能夠為土壤微生物的活動提供適宜的生存條件。本文研究發(fā)現(xiàn)，在15℃～35℃溫度范圍內(nèi)，不同濕地退化程度土壤在不同土層對溫度的響應(yīng)不同，但升高溫度一定程度促進(jìn)了硝化過程的進(jìn)行，此研究結(jié)果可以較準(zhǔn)確地評估未來氣候變化對尕海濕地碳匯功能和氮生物地球化學(xué)循環(huán)過程的影響。但由于試驗培養(yǎng)過程中用稱重法補充水分過程中會造成一定的誤差，使測定結(jié)果出現(xiàn)一定偏差，因此，要了解硝化作用對溫度的響應(yīng)，還需結(jié)合野外試驗進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

土壤氮硝化過程中，土壤硝態(tài)氮含量及土壤凈硝化速率均值均隨濕地退化程度的加劇而增加，而隨土層加深減弱。由此說明，濕地退化增加了土壤凈硝化速率，可能會增加土壤中的可利用氮含量，降低氮素對退化濕地土壤凈初級生產(chǎn)力的限制作用。同時，各濕地退化程度土壤均值凈硝化速率的溫度敏感性(Q10)均表現(xiàn)為25℃/15℃>35℃/25℃，說明土壤凈硝化速率的增加倍數(shù)隨溫度的升高而降低。