氮沉降對(duì)濕地小葉章土壤氮素的影響

付曉玲，王繼豐，劉贏男，王建波，倪紅偉

(1.黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所，哈爾濱 150040； 2.黑龍江省林業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150081)

隨著化肥用量和化石燃燒量的不斷增加，大量氮素排放到大氣中，最終沉降到植物生態(tài)系統(tǒng)，通過淋溶儲(chǔ)存在土壤中，參與生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)[1-2]。實(shí)驗(yàn)證明，活性氮的排放和沉降量的增加已經(jīng)對(duì)各種生態(tài)系統(tǒng)過程和特征產(chǎn)生了很大影響[3-7]。

濕地主要包括天然或人工沼澤地、泥炭地及水域地帶，作為一種獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)揮著涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、凈化污染物、保持水土、存儲(chǔ)碳庫(kù)、為物種提供棲息地等重要作用。三江平原是我國(guó)目前保持最完好、濕地類型最全的原始濕地，生物多樣性十分豐富，也是具有重要代表性和國(guó)際意義的濕地生態(tài)系統(tǒng)[8]。小葉章(Calamagrostisangustifolia)是三江平原的典型草甸、沼澤化草甸的建群植物和優(yōu)勢(shì)植物[9-11]。以三江平原典型濕地——小葉章濕地為研究對(duì)象，采用15N示蹤技術(shù)，通過野外原位控制實(shí)驗(yàn)，分析不同氮沉降水平下，土壤中氮素分配的變化規(guī)律，探討氮素土壤中的分配策略，為濕地生物多樣性保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)及濕地資源管理等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和試驗(yàn)方法

1.1 研究地概況

本實(shí)驗(yàn)在黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所三江平原濕地生態(tài)定位研究站——洪河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)。洪河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于我國(guó)黑龍江省三江平原的東北部，總面積21 835 173 hm2。研究區(qū)土壤類型主要有白漿土、草甸土和沼澤土等，由于氣候、地理、水文等因素的綜合作用，形成了大面積沼澤、草甸等低濕植被，以濕生、濕中生、沼生的禾本科、莎草科植物為主，局部地區(qū)有島狀森林出現(xiàn)，主要植被類型有草甸和沼澤，優(yōu)勢(shì)植物有小葉章(Calamagrostisangustifolia)、狹葉甜茅(Glyceriaspiculosa)、毛果苔草(Carexlasiocarpa)、漂筏苔草(Carexpseudo-curaica)等。

在實(shí)驗(yàn)站內(nèi)，選擇具有典型性和代表性的小葉章群落作為研究對(duì)象。小葉章為建群種和優(yōu)勢(shì)種，蓋度達(dá)80%以上，主要伴生植物有小白花地榆(Sanguisorbaparviflora)、翻白蚊子草(Filipendulaintemedia)、澤芹(Siumsuave)、千屈菜(Lythrumsalicaria)、廣布野豌豆(Viciacracca)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

模擬氮沉降通過施用雙標(biāo)記硝酸銨(15NH415NO3)來實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)站內(nèi)設(shè)置3個(gè)處理樣地(5 m×5 m)，每個(gè)樣地分為3個(gè)1 m×1 m的小區(qū)，中間有1 m寬的緩沖區(qū)隔開。這3個(gè)小區(qū)隨機(jī)設(shè)置為CK：0 g 氮/m2(對(duì)照)、N1：4 g 氮/m2(低氮)、N2：8 g氮/m2(高氮)。

采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法對(duì)N2O排放通量進(jìn)行觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)前期埋設(shè)底座，底座采用不銹鋼制成，長(zhǎng)×寬×深=50 cm×50 cm×20 cm。底座4個(gè)方向的側(cè)壁上均鉆有直徑2 cm左右的孔，有利于底座內(nèi)部與外部水分和養(yǎng)分的交換。底座固定到樣地后就不再取下，直到整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，這樣有利于采樣點(diǎn)的固定，去除取樣空間異質(zhì)性。

樣地設(shè)置完畢，施氮之前大約有15 d的穩(wěn)定時(shí)間。經(jīng)過15 d的穩(wěn)定期后，施加15N標(biāo)記的15NH415NO3。

1.3 穩(wěn)定同位素比率測(cè)定及數(shù)據(jù)分析

用Elementar Isoprime 100同位素質(zhì)譜儀(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，中國(guó))測(cè)定δ15N，數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和Sigmaplot 10.0做圖，數(shù)據(jù)分析采用SPSS19.0 for Windows軟件進(jìn)行分析處理。δ15N數(shù)據(jù)采用單因素方差分析(Univariate)，鑒別主效應(yīng)的差異顯著性，各處理多重比較采用最小顯著差數(shù)法(LSD)。

2 結(jié)果與分析

2.1 小葉章濕地土壤銨態(tài)氮的動(dòng)態(tài)變化

從圖1可以看出，在生長(zhǎng)季內(nèi)，N1和N2處理土壤銨態(tài)氮的含量隨著施氮時(shí)間的推后均呈下降趨勢(shì)。在施氮初期(6月份)，不同處理表現(xiàn)出不同的變化特征，N1處理逐漸上升，N2處理逐漸下降，之后一直到生長(zhǎng)末期，兩處理均表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，經(jīng)方差分析，兩處理間差異均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)，說明外源氮輸入并未顯著提高土壤中銨態(tài)氮的含量。6月份土壤中較高的銨態(tài)氮含量一方面與此間氮沉降量大及積雪融化氮輸入有關(guān)，另一方面則與5月份以后氣溫逐漸回升、土壤解凍、微生物活動(dòng)逐漸加強(qiáng)、有機(jī)氮礦化速率增加有關(guān)，使得上一年累積的氮得以釋放。

圖1 小葉章土壤銨態(tài)氮?jiǎng)討B(tài)變化Fig.1 Dynamical changes of ammonium nitrogen of Calamagrostis angustifolia soil

2.2 小葉章濕地土壤硝態(tài)氮的動(dòng)態(tài)變化

從圖2可以看出，在生長(zhǎng)季內(nèi)，N1和N2處理土壤硝態(tài)氮的含量均呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，經(jīng)方差分析，兩處理間差異均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。兩處理硝態(tài)氮含量在7月末前變化較平穩(wěn)，之后則呈 “M”形，并于8月9日和9月11日達(dá)到峰值。7月末，硝態(tài)氮含量較低，可能是植物生長(zhǎng)旺期對(duì)氮素需求量較大，也可能是大量降水導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮淋失。8月以后出現(xiàn)的兩個(gè)峰值，可能是由于降水減少及成熟期植物吸收的硝態(tài)氮較少。

2.3 小葉章濕地土壤銨態(tài)氮中15N含量的動(dòng)態(tài)變化

從圖3可以看出，在生長(zhǎng)季內(nèi)，不同處理小葉章土壤銨態(tài)氮中15N含量變化趨勢(shì)相似。施氮初期，土壤銨態(tài)氮中15N含量變化平緩，到7月初達(dá)到第一個(gè)峰值，分別為1.71 mg/kg和2.99 mg/kg，而后8月初迅速下降到低點(diǎn)，到生長(zhǎng)末期有緩慢上升的趨勢(shì)，到枯萎期又迅速達(dá)到第2個(gè)峰值，分別為2.54 mg/kg和3.05 mg/kg。雖然在施氮初期土壤銨態(tài)氮含量較高，但其中15N含量不高，可能NH4+-N此間被植物大量吸收用于生長(zhǎng)；生長(zhǎng)旺期，植物主要吸收NO3--N，對(duì)NH4+-N吸收作用減弱，導(dǎo)致土壤中吸附大量的NH4+-N ；枯萎期，土壤中較高的NH4+-N，說明此時(shí)植物趨于枯萎，對(duì)土壤中的NH4+-N需求量降低。

圖2 小葉章土壤硝態(tài)氮?jiǎng)討B(tài)變化Fig.2 Dynamical changes of nitrate nitrogen of Calamagrostis angustifolia soil

圖3 小葉章土壤銨態(tài)氮中15N含量動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamical changes of 15N contents of ammonium nitrogen of Calamagrostis angustifolia soil

2.4 小葉章濕地土壤硝態(tài)氮中15N含量的動(dòng)態(tài)變化

從圖4可以看出，在生長(zhǎng)季內(nèi)，不同處理小葉章土壤硝態(tài)氮中15N含量變化趨勢(shì)相似，隨著施氮時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤硝態(tài)氮中15N含量逐漸降低。施氮初期，不同處理土壤銨態(tài)氮中15N含量緩慢上升，N2處理較N1處理先達(dá)到最高值，而后一直到生長(zhǎng)末期兩處理均緩慢下降。到了雨季和植物生長(zhǎng)高峰，土壤中的NO3--N除部分被植物吸收外，還有相當(dāng)一部分被淋失，導(dǎo)致其含量逐漸下降。

2.5 小葉章濕地土壤Ndff動(dòng)態(tài)變化

不同生長(zhǎng)時(shí)期，小葉章濕地土壤Ndff也不同，在不同N處理下，小葉章濕地土壤Ndff隨施氮時(shí)間的延長(zhǎng)而變化的動(dòng)態(tài)曲線如圖5所示。在N1、N2處理下，小葉章土壤Ndff隨時(shí)間變化的趨勢(shì)基本一致，均為隨著施氮時(shí)間的延長(zhǎng)而緩慢波動(dòng)。處理與對(duì)照的差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，不同處理小葉章土壤Ndff雖然存在一定差異，但均未達(dá)到P<0.05的顯著水平。

圖4 小葉章土壤硝態(tài)氮中15N含量動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamical changes of 15N contents of nitrate nitrogen of Calamagrostis angustifolia soil

圖5 小葉章土壤Ndff%動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamical changes of Ndff% of Calamagrostis angustifolia soil

2.6 小葉章濕地土壤15N的殘留率

從圖6可以看出，N1和N2處理小葉章濕地土壤15N的殘留率均表現(xiàn)為相似的變化規(guī)律，呈“W”型。其中，初期土壤中的外源氮?dú)埩糨^少，可能與外源氮中氨揮發(fā)和反硝化損失及供給植物吸收有關(guān)；在成熟期和生長(zhǎng)末期，小葉章地上器官向根部轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致土壤外源氮?dú)埩袈试黾?。?jīng)方差分析表明，N1和N2處理間差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，說明外源氮的增加顯著提高土壤殘留率。

圖6 小葉章土壤15N殘留率動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Dynamical changes of 15N residual rate of Calamagrostis angustifolia soil

3 結(jié)論

不同氮沉降水平下，三江平原小葉章濕地土壤銨態(tài)氮的動(dòng)態(tài)變化呈下降趨勢(shì)。在生長(zhǎng)季內(nèi)，N1和N2處理土壤。硝態(tài)氮的含量均呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，硝態(tài)氮含量在7月末前變化較平穩(wěn)，之后則呈“M”形，差異不顯著(P>0.05)。N1和N2處理土壤銨態(tài)氮中15N含量變化趨勢(shì)相似，均在7月初達(dá)到第一個(gè)峰值，枯萎期又迅速達(dá)到第2個(gè)峰值。N1和N2處理土壤硝態(tài)氮中15N含量隨著施氮時(shí)間的延長(zhǎng)呈逐漸降低趨勢(shì)。土壤15N含量(Ndff%)，處理與對(duì)照的差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，不同處理間未達(dá)到P<0.05的顯著水平。N1和N2處理小葉章濕地土壤15N的殘留率均表現(xiàn)為相似的變化規(guī)律，呈“W”型，處理間差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。