大气氮沉降对黄土高原土壤氮特征的影响

文海燕，傅 华，牛得草，张永超

(兰州大学草地农业科技学院 草地农业生态系统国家重点实验室，甘肃 兰州 730020)

氮素作为构成一切生命的重要元素，是生态系统的主要限制因子，大部分陆地生态系统均受氮素营养的限制[1-2]。但是，工业革命以来，大量氮肥的使用和化石燃料的燃烧使生态系统中氮的输入量在上一个世界增加了3～5倍[3-4]，该状况的加剧及时间的延长、陆地生态系统的多样性、各地区氮输入特征的差异等因素使得陆地生态系统对氮沉降的响应机制变得相当复杂[5-7]。

氮沉降将可能在很大程度上改变陆地生态系统可利用氮素的状况，从而对生态系统碳氮元素的循环和蓄积过程产生影响[8]。土壤全氮(Total Nitrogen，TN)含量不仅是衡量土壤氮素供应状况的重要指标，也是土壤肥力的基础；氮沉降对土壤TN含量的影响，现在有增加[9-10]、减少[11]和保持不变[12]3种研究结果。轻组(Light Fraction，LF)是指小于一定密度(1.6～2.5 g·cm-3)的土壤有机质，是由相对新鲜、简单、分解程度较轻的有机残体组成，具有相对迅速的周转速率[13]。轻组有机氮(Light Fraction Organic Nitrogen，LFON)是轻组部分的氮含量，占土壤TN的比例较高，能够在土壤TN变化之前反映因管理措施等人为活动或自然变化所引起的土壤微小变化；同时，还是土壤养分循环的驱动力。因此，它对土壤肥力保持、土壤碳氮收支以及全球变化具有重要意义[14]。

我国的黄土高原半干旱区的土地面积约为62万km2[15]，占世界黄土分布的70%，为世界最大的黄土堆积区，是全球陆地生态系统的重要组成成分。本研究通过对黄土高原天然草地进行氮素添加，分析土壤TN和LFON含量对氮素添加的响应，以期为草地系统碳氮循环和全球气候变化研究提供基础资料，为草地养分管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1试验地概况 研究地点位于甘肃省榆中县兰州大学黄土高原国际地面气候与环境监测站围封草地内，地处35°57′ N，104°09′ E，该地区地貌为黄土高原残塬梁峁沟壑，属于大陆性半干旱气候，海拔为1 965.8 m，年均降水量为382 mm，年均蒸发量1 343 mm，年均气温6.7 ℃，年日照时数约2 600 h，无霜期90～140 d。植被类型为黄土高原半干旱典型草原，主要植物有长芒草(Stipabungeana)、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、赖草(Leymussecalinus)等，土壤类型为灰钙土[16]。

1.2试验设计 选择地势平缓，地形(海拔、坡向)一致的地段，选取面积为4 hm2的围封草地(2005年开始围封)。小区面积：4 m×5 m，6个氮素添加梯度处理，每处理5个重复，30个小区，完全随机区组设计。氮素梯度分别为N0(0)、N1(1.15 g·m-2)、N2(2.3 g·m-2)、N3(4.6 g·m-2)、N4(9.2 g·m-2)和N5(13.8 g·m-2)。于2009年开始实施氮素梯度处理，氮肥选用尿素，施加时间为每年的6月底 。为减少氮素的损失，选择在下雨时进行氮添加。添加的具体方法：将尿素溶解于5 L水中，用洒壶均匀喷洒在每个小区内，洒壶喷洒等量水在对照样地。

1.3土样采集和分析方法 于2010年9月在每个小区内按对角线等距用土钻取3个点混合为一个样本，取样深度分别为0～10、10～20和20～40 cm，将土壤带回实验室自然风干，一部分过2 mm筛用于测定土壤LFON含量，另一部分过0.25 mm筛测定土壤TN含量。

轻组分离方法采用的是Gregorich和Ellert[17]的分组方法：称取25 g过2 mm筛的土壤样品，将土壤置于250 mL的离心管中，在离心管中加入50 mL密度为1.7 g·mL-1的NaI溶液，摇匀后放在200 r·min-1的振荡器上震荡1 h，然后在3 000 r·min-1的条件下离心20 min，最后将浮于NaI溶液表面的组分倾倒在已装有0.45 μm的尼龙滤纸的漏斗内，抽气过滤，留在滤纸上面的部分即为所需的轻组(LF)。轻组先用0.01 mol·L-1的CaCl2溶液洗涤，然后再用至少75 mL蒸馏水洗涤多次。之后把滤纸上的轻组转移到50 mL的小烧杯中，提取过程进行两次，将小烧杯静置24 h，放在60 ℃的烘箱中烘72 h后称重。提取的轻组部分研细过0.25 mm筛，用有机元素分析仪(Thermo CHNS/O Elemental Analyzer，FlashEA1112，USA)测定轻组部分的氮浓度。

1.4结果计算及数据处理

轻组干物质质量百分数=(轻组质量/土壤质量)×100%；

LFON含量=轻组氮浓度(g·kg-1)×(轻组质量/土壤质量)；

LFON占土壤TN的比例=(LFON/TN)×100%。

数据采用SPSS 16.0软件进行统计分析，选用单因素方差分析(ANOVA)判断不同氮添加处理间各含量的差异，LSD法进行多重比较。采用Excel软件制图。

2 结果与分析

随着施氮水平的增加，土壤表层(0～10 cm)的TN含量呈先升高后降低的趋势，整体没有统计学差异，最高值出现在N2梯度(图1)。10～20和20～40 cm土层的TN含量随氮添加梯度亦未表现出显著差异(P>0.05)。

轻组干物质量为0.33%～1.67%，其中表层为1.16%～1.67%，10～20 cm土层为0.39%～0.62%，20～40 cm土层为0.33%～0.36%(图2)。随着氮添加量的增加，表层土壤的轻组干物质质量逐渐增加，N1～N5处理的轻组干物质质量百分数分别比N0高5.5%、21.0%、26.5%、31.4%和44.6%；且N4和N5处理的轻组干物质质量百分数显著高于N0处理(P<0.05)。氮添加处理对10～20和20～40 cm的轻组干物质质量百分数无显著影响(P>0.05)。

图1 不同氮素添加水平对土壤TN含量的影响Fig.1 Influence of nitrogen addition treatments on TN content of the soil

氮素添加对于各处理表层土壤LFON含量有显著影响，N2～N5处理的表层LFON含量均显著高于N0处理(P<0.05)；N2～N5各处理间的表层LFON含量差异不显著(P>0.05)。氮添加对10～20和20～40 cm土层LFON含量无显著影响。研究结果表明，黄土高原典型草原土壤的LFON含量(N0)随着深度的增加而逐渐降低，表层的LFON含量分别是10～20和20～40 cm土层的1.7和5.5倍(图3)。

黄土高原典型草原土壤的LFON/TN为1.81%～11.12%，其中，表层土壤为7.72%～11.12%，10～20 cm土层为4.74%～5.95%，20～40 cm土层为1.81%～2.05%；说明黄土高原典型草原土壤的LFON/TN在土壤剖面上表现出明显的层次性，并且随土层深度的增加而逐渐降低(图4)。N2～N5处理的LFON/TN显著高于N0和N1处理(P<0.05)，N2～N5氮添加处理的LFON/TN差异不显著(P>0.05)。氮添加对10～20和20～40 cm土层LFON/TN无显著影响。

3 讨论与结论

土壤中的轻组代表新鲜残体和稳定的腐殖质之间的一个短暂的碳氮库，轻组中不同分解程度的动植物残体是微生物的主要食物来源，在土壤中转化速率非常快，对农业管理措施的变化反应比较敏感，因而也是重要的植物速效养分库[18]。土壤轻组部分一般占土壤质量的0.1%～15%，并且不同土地利用类型差异较大，农田的轻组干物质量一般较低，在0.18%～2.39%，草地和灌木的轻组干物质量分别为0.13%～8.24%和1.8%～3.2%，而森林的轻组干物质量一般较高，为0.6%～14.7%[19]。在黄土高原典型草原土壤0～40 cm土层，轻组干物质量仅为0.33%～1.67%；说明在黄土高原典型草原土壤轻组部分占土壤质量的比例相对较低，这可能和黄土高原典型的气候条件、严重的土壤风蚀和较少的动植物残体输入等因素相关。

图2 不同氮素添加水平对土壤轻组干物质质量百分数的影响Fig.2 Influence of nitrogen addition treatments on mass proportion of soil light fraction

图3 不同氮素添加水平对土壤LFON含量的影响Fig.3 Influence of nitrogen addition treatments on LFON content of the soil

图4 不同氮素添加水平对土壤LFON/TN的影响Fig.4 Influence of nitrogen addition treatments on LFON/TN of the soil

耕作管理措施以及土地利用变化对碳氮积累的影响主要发生于表层土壤，尤其是短时期内[20]。本研究发现，氮素的添加显著影响表层(0～10 cm)的土壤LFON含量和LFON/TN，而对10～40 cm土层无显著影响。氮添加显著增加了表层轻组干物质质量，由于轻组部分主要来源于地上凋落物和地下根系[19]，所以，本研究中LFON的显著增加可能就是氮素添加造成更多的凋落物和根系归还土壤的结果。

氮素是构成一切生命体的重要营养元素，而土壤TN含量是土壤中速效氮、迟效氮和无效氮的一个总体指标，在一定程度上能反映土壤氮素的供应状况[21]。在氮限制的华西雨屏区苦竹林生态系统，施氮一年后土壤的TN含量显著增加[22]。在黄土高原典型草原生态系统实施氮添加的初期，0～40 cm土层的土壤TN含量没有显示出统计学上的差异。这可能是由于施氮使土壤微生物的活性增强[23]，加快了土壤有机氮的分解使其含量降低；同时，施氮后植物的快速生长消耗了土壤中大量的无机氮，因此，土壤TN含量没有显著增加[24]。本研究表明，在黄土高原典型草原实施氮添加的初期，土壤TN含量没有显著变化，但是土壤LFON含量和LFON/TN随着氮梯度的增加显著增加；说明表层土壤的LFON含量对氮素添加很敏感，在TN还没有表现出明显变化之前就已经有了显著变化，所以，土壤LFON含量和LFON/TN可以更敏感地反映土壤氮特征的变化。

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