降雨頻率變化對(duì)尕海濕草甸土壤氮組分的影響

秦昊德， 李 廣， 吳江琪， 魏星星， 王海燕， 徐國榮

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

氮素是植物從土壤中獲取量最大的營養(yǎng)元素［1］，是植物生命體維持其生長發(fā)育不可或缺的營養(yǎng)元素，其含量直接影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力的大小［2］。土壤氮素包括有機(jī)氮和無機(jī)氮，不能被植物根系直接吸收利用的有機(jī)氮占90%以上［3］，必須通過微生物的礦化作用轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮（Ammonium nitrogen, NH+4-N）和硝態(tài)氮（Nitrate nitrogen，NO-3-N）才能被植物吸收利用［4］，是植物在生長發(fā)育、組織形成以及各種生理生化過程中的重要營養(yǎng)源［5］。土壤氮素轉(zhuǎn)化直接影響著土壤氮循環(huán)，而土壤氮循環(huán)在生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色，對(duì)碳循環(huán)、水土保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有著直接的影響［6］。因此，研究濕地生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)過程及其影響因素對(duì)高寒濕地生態(tài)恢復(fù)與保護(hù)具有重要意義。

在全球氣候變化的影響下，降水格局也發(fā)生了顯著改變，主要包括降水頻率、降水量的改變和極端降雨事件的頻發(fā)［7］。目前，有關(guān)極端降水的研究主要集中于極端降水的時(shí)空變化規(guī)律、極端降水與大氣環(huán)流的關(guān)系等方面［8］。IPCC 第五次報(bào)告指出，1981—2010 年間全球破紀(jì)錄降水事件比自然變化情景預(yù)測(cè)增加了12%［9］，降水格局的改變直接影響著高原生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素循環(huán)以及轉(zhuǎn)化過程。目前，有學(xué)者在不同地區(qū)開展了模擬降水格局改變的相關(guān)研究，如武丹丹等［10］在青海高寒矮嵩草草甸研究發(fā)現(xiàn)，增加降水使銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分別增加了74.7%和154%。王巖等［11］在晉北鹽堿化草地的研究發(fā)現(xiàn)，增加50%降水處理，土壤凈氮礦化速率表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，并且土壤無機(jī)氮含量顯著提高。Xiang 等［12］在加利福尼亞草原的研究發(fā)現(xiàn)，干濕交替顯著提高土壤表層氮礦化速率。楊浩等［13］在內(nèi)蒙古克氏針茅草原的研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的增雨對(duì)土壤氮礦化潛力影響不同，高強(qiáng)度低頻率的增雨有利于土壤氮礦化潛力的提高。可以看出，降水格局的改變對(duì)不同類型草地土壤氮素的影響存在差異，而降水變化對(duì)高寒濕草甸土壤氮素的影響研究相對(duì)較少，一定程度上阻礙了對(duì)降水格局變化背景下高寒濕草甸土壤氮循環(huán)的深入認(rèn)識(shí)。

尕海濕草甸位于青藏高原的東部，隨著全球降水格局發(fā)生改變，青藏高原地區(qū)的極端降水事件呈現(xiàn)增加趨勢(shì)［14］，深刻影響著尕海濕草甸生態(tài)系統(tǒng)的氮素循環(huán)與轉(zhuǎn)化。目前，對(duì)于尕海濕草甸的研究多集中在植被不同退化梯度下土壤理化特征［15］、酶活性特征［16］以及溫室氣體通量［17］等方面，而降水格局改變背景下尕海濕草甸土壤氮組分的研究鮮有報(bào)道。因此，本研究通過分析比較尕海濕草甸在不同降雨頻率下土壤氮組分含量特征及季節(jié)動(dòng)態(tài)，探明該地區(qū)在不同降雨頻率對(duì)土壤氮組分含量的影響，揭示在降水格局改變的大背景下尕海濕草甸土壤氮組分的變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

尕海濕草甸地處甘肅省甘南藏族自治州碌曲縣尕海-則岔國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)（33°58′～34°32′N，102°09′～102°46′E），海拔3430～4300 m，是青藏高原濕地的重要組成部分，也是維系甘南高原生態(tài)平衡的重要部分［18］，其泥炭資源在保護(hù)生物多樣性和儲(chǔ)水特別是儲(chǔ)存碳匯方面具有重要的生態(tài)意義。尕海濕草甸區(qū)域?yàn)榍嗖馗咴箨懶约撅L(fēng)氣候，全年氣溫較低，日照時(shí)間較長。年平均氣溫為1.2 ℃，年平均日較差為13.7 ℃，冬季長夏季短，冬季年均可達(dá)240 d，無絕對(duì)無霜期。年均降水量781.8 mm。土壤類型主要包括暗色草甸土、沼澤土、泥炭土等，植被類型以嵩草（Kobresia maquensis）、唐松草（Thalictrum aquilegifolium）、藏嵩草（Kobresia tibetica）、華扁穗草（Blysmus sinocompressus）為主［19］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年5月，在尕海-則岔濕地自然保護(hù)區(qū)境內(nèi)選取典型濕草甸區(qū)域，設(shè)置15 塊樣地，單個(gè)樣地面積為2 m×2 m，每個(gè)樣地間隔5 m。通過收集自然降雨，基于25 mm 的灌溉量設(shè)置5 種不同梯度的降雨頻率來模擬該地區(qū)的極端降水輸入［20-21］：CK只接收自然降雨；DF1 每周澆灌1 次，共475 mm（19 次×25 mm）；DF2每2周澆灌1次，共225 mm（9次×25 mm）；DF3 每3 周澆灌1 次，共150 mm（6 次×25 mm）；DF4每4 周澆灌1 次，共100 mm（4 次×25 mm）。每種處理重復(fù)3次，所有處理均接收自然降雨。于2019年5—10 月植物生長季，以模擬極端環(huán)境降雨為控制手段，對(duì)每種處理進(jìn)行灌溉，使雨水均勻入滲土壤。

1.3 樣品采集與測(cè)定

于2019 年5 月20 日、6 月17 日、7 月16 日、8 月19日、9月13日和10月10日，清除地表凋落物等雜物后，在樣地內(nèi)采用“蛇”形五點(diǎn)法，分0～10 cm、10～20 cm 和20～40 cm 土層，用土鉆（直徑20 mm）采集土壤樣品，將每個(gè)處理的同一土層土壤裝入自封袋，取回實(shí)驗(yàn)室清除植物殘根、碎石等雜物后，將土壤過2 mm 土篩后均勻分為3份作為3次重復(fù)，用于實(shí)驗(yàn)測(cè)定。采用半微量凱氏法測(cè)定土壤TN，MgO-戴氏合金蒸餾法測(cè)定土壤NH+4-N和NO-3-N含量［22］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用IBM SPSS Statistics 24.0 軟件對(duì)測(cè)定的土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮數(shù)據(jù)進(jìn)行Two-Way ANOVA分析和顯著性檢驗(yàn)（顯著性水平0.05，置信區(qū)間為95.0%），OriginPro 2018和Excel進(jìn)行圖表的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨頻率下土壤氮組分含量的季節(jié)變化

如圖1所示，土壤硝態(tài)氮具有明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)，植物生長季初期和末期的土壤硝態(tài)氮含量較低，7—8 月生長旺期含量較高。整個(gè)生長季（5—10月），降雨頻率的增加提高了0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土層的硝態(tài)氮含量。硝態(tài)氮的季節(jié)變化整體呈“單峰”曲線，降雨頻率增加，硝態(tài)氮的峰值明顯變高，而峰值并未提前到來。整體來看，降雨頻率的增加提高了生長季0～40 cm土層硝態(tài)氮的含量，且硝態(tài)氮的峰值顯著升高。

圖1 不同降雨頻率土壤硝態(tài)氮含量的季節(jié)變化Fig.1 Seasonal variation of soil nitrate nitrogen content with different rainfall frequency

如圖2所示，土壤銨態(tài)氮具有明顯的季節(jié)變化，植物生長季初期和末期的銨態(tài)氮含量較低，7—8月生長旺期含量較高。整個(gè)生長季（5—10 月），降雨頻率的增加提高了0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土層的銨態(tài)氮含量，降雨頻率增加，銨態(tài)氮的峰值明顯變高，而峰值并未提前到來。整體來看，降雨頻率的增加提高了生長季0～40 cm 土層銨態(tài)氮的含量，且銨態(tài)氮的峰值顯著升高。

圖2 不同降雨頻率土壤銨態(tài)氮含量的季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variation of soil ammonium nitrogen content with different rainfall frequency

2.2 不同降雨頻率下土壤氮組分含量垂直分布特征

雙因素方差分析結(jié)果顯示（表1），降雨頻率對(duì)硝態(tài)氮有極顯著影響（P＜0.01），對(duì)銨態(tài)氮和全氮有顯著影響（P＜0.05）；土層深度對(duì)3 個(gè)氮組分有顯著影響（P＜0.05）；降雨頻率和土層變化對(duì)3 個(gè)氮組分有顯著的交互作用（P＜0.05）。

表1 降雨頻率、土層交互作用下土壤氮組分方差分析Tab.1 Variance analysis of soil nitrogen content under the interaction of treatment and soil layer

如圖3a 所示，不同降雨頻率下，尕海濕草甸土壤硝態(tài)氮含量存在顯著差異（P＜0.01，圖3a 和表1）。與CK 相比，降雨頻率的增加提高了硝態(tài)氮含量；在不同降雨頻率間，隨降雨頻率梯度的增加，土壤硝態(tài)氮含量呈先增大后減小的趨勢(shì)，在不同土層間變化一致。0～40 cm 土層具體表現(xiàn)為：DF2（31.63 mg·kg-1）＞DF3（27.26 mg·kg-1）＞DF4（26.81 mg·kg-1）＞DF1（25.47 mg·kg-1）＞CK（20.96 mg·kg-1），最大值出現(xiàn)在DF2 處理下，為31.63 mg·kg-1，最小值在CK處理，為20.96 mg·kg-1。在垂直剖面上，5個(gè)處理的硝態(tài)氮含量均隨土層深度的增加呈減小趨勢(shì)，且各土層間差異顯著（P＜0.05，圖3a和表1）。

如圖3b 所示，不同降雨頻率下，尕海濕草甸土壤銨態(tài)氮含量存在顯著差異（P＜0.05，圖3b 和表1）。與CK 相比，降雨頻率的增加提高了銨態(tài)氮含量。隨降雨頻率的梯度增加，土壤銨態(tài)氮含量呈先增大后減小的趨勢(shì)，在不同土層間變化一致。0～40 cm 土層具體表現(xiàn)為：DF3（35.19 mg·kg-1）＞DF4（34.24 mg·kg-1）＞DF2（32.25 mg·kg-1）＞DF1（28.62 mg·kg-1）＞CK（28.76 mg·kg-1），最大值出現(xiàn)在DF3處理下，為35.19 mg·kg-1，最小值在CK 處理，為28.76 mg·kg-1。在垂直剖面上，5個(gè)處理的銨態(tài)氮含量均隨土層深度的增加呈減小的趨勢(shì)，且各土層間差異極顯著（P＜0.01，圖3b和表1）。

圖3 不同降雨頻率土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全氮含量的垂直變化Fig.3 Vertical change of soil nitrate nitrogen,ammonium nitrogen and total nitrogen content in different rainfall frequency

如圖3c 所示，不同降雨頻率下，尕海濕草甸土壤全氮含量存在顯著差異（P＜0.05，圖3c 和表1）。與CK 相比，降雨頻率的增加降低了全氮含量。隨降雨頻率的梯度增加，土壤全氮含量呈先減小后增大的趨勢(shì)，在不同土層間變化一致。0～40 cm 土層具體表現(xiàn)為：CK（2.70 g·kg-1）＞DF1（2.49 g·kg-1）＞DF2（2.37 g·kg-1）＞DF4（2.32 g·kg-1）＞DF3（2.23 g·kg-1），最大值出現(xiàn)在CK處理下，為2.70 g·kg-1，最小值在DF3 處理，為2.23 g·kg-1。在垂直剖面上，5 個(gè)處理的全氮含量隨土層深度的增加呈減小的趨勢(shì)，且各土層間差異極顯著（P＜0.01，圖3c和表1）。

2.3 不同降雨頻率下土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮占全氮的比例

如圖4 所示，在垂直剖面上，不同降雨頻率0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土層銨態(tài)氮的占比均高于硝態(tài)氮。0～40 cm 土層，銨態(tài)氮各處理的全氮占比為1.17%、1.36%、1.57%、1.54%、1.06%，硝態(tài)氮的全氮占比為1.02%、1.34%、1.26%、1.18%、0.78%，銨態(tài)氮占比均高于硝態(tài)氮。

圖4 土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮占全氮的比例Fig.4 Percentage of soil nitrate nitrogen and ammonium nitrogen to total nitrogen

3 討論

3.1 降雨頻率對(duì)尕海濕草甸土壤氮組分季節(jié)動(dòng)態(tài)的影響

3.2 降雨頻率對(duì)尕海濕草甸土壤氮組分含量的影響

此外，土壤氮含量隨土層深度的增加而減少，淺層氮含量明顯高于深層，這與董云霞［41］的研究結(jié)果相似。研究區(qū)主要以草本植物為主，植物根系集中于土壤表層0～20 cm 處，土壤氮素的累積主要來源于地表枯落物及植被根系的分解轉(zhuǎn)化［42］，土壤表層的枯落物數(shù)量多，水熱條件等外界因素作用強(qiáng)烈，枯落物分解速率快，隨土層深度的增加，枯落物的輸入量與植被根系減少，微生物數(shù)量與活性下降，其分解速率降低，可供降解的有機(jī)質(zhì)變少，土壤氮素含量隨之降低。

4 結(jié)論

基于尕海濕草甸不同降雨頻率下土壤氮組分在土層深度與季節(jié)的變化特征分析，研究了降雨頻率增加狀態(tài)下土壤氮組分的變化特征，結(jié)論如下：