雪被厚度和积雪周期对土壤氮素动态影响的初步研究

胡霞，尹鹏，王智勇，宗华，吴彦2,∗

1. 乐山师范学院，四川 乐山 614004；2. 中国科学院成都生物所生态恢复重点实验室，四川 成都 610041；

2. 西南交通大学建筑学院，四川 成都 610031

众多的科研机构预测：气候变化将改变环境和生物地球化学条件（Serreze等，2000；ACIA，2005；IPCC，2007），如雪被将变得更厚（ACIA，2005），积雪融化时间可能会更早（Chapin等，2005）。由于雪被存在隔绝效应，如果冬季土壤表面在冻结温度出现之前形成雪被覆盖，就能够有效的隔绝土壤与大气的热量交换，防止冻结现象发生。因此，雪被覆盖的厚度和持续时间将对冬季土壤理化性质变化过程产生重大影响。雪被覆盖隔离了大气和土壤（Goodrich，1982；Schimel和Bilbrough，2004；Campbell，2005），可有效防止冻融循环带来的土壤物理性质的改变（Buckeridge和Grogan，2008），保持了冬季土壤环境，提高了土壤微生物活性。事实上，Brooks等人（1998）已经发现，高山冻原土壤雪被覆盖增加了微生物生物量和土壤无机氮库含量。Schimel等人（2004）对北极冻原生态系统的研究发现冬季深雪覆盖增加了净氮矿化率的现象。

除了积雪厚度之外，雪被覆盖持续时间也影响着土壤物质特性和土壤水分节律，并且控制着年际微生物群落转换和氮素矿化时段（Björk和Molau，2007）。Brooks 等人（Brooks，1996；Brooks，1997）指出，积雪覆盖时间的微小改变即可引起冬季土壤气体释放的巨大变化。Steven和Billings（1981）在美国怀俄明州东南部的研究发现，春季积雪在适当的时间融化，能够较大程度的保持土壤水温同步。

由此可见，积雪厚度和积雪周期在土壤微生物活性和土壤氮素动态变化上都起着非常重要的作用。然而，迄今为止，人们对于类似青藏高原东缘这样的高山地带的积雪厚度和积雪时间对土壤氮循环的影响效应尚不清楚。为了评估不同雪况下土壤矿质氮库水平和净氮矿化变化动态，采用原位PVC管培养土壤，通过人工控制积雪深度和积雪时间的方法，来研究雪况对土壤水温状况和氮素水平的影响效应，试图解答“积雪厚度和积雪周期哪个对土壤氮素循环的影响更深远”的科学问题。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究地区概况

研究地点位于四川省松潘县章腊乡卡卡山的中国科学院成都生物研究所生态站试验基地内（32°59′ N，103°40′ E），海拔 3500 m，属于岷山山脉的一部分。该区年均气温2.8 ℃，1月均温-7.6 ℃，7月均温9.7 ℃，年均降雨量为718 mm，每年11月底或 12月初出现持续的积雪覆盖，平均积雪厚度为25～40 cm。土壤为棕色毡土（pH 5.42～5.83，土壤有机质44.23～62.00 g·kg-1干土，全氮3.51～5.12 g·kg-1干土），平均土层厚度约63 cm，植物根系主要分布于2～20 cm深的土层。原生植被为岷江冷杉(Abies faxoniana)，高山灌木有：窄叶鲜卑花（Sibiraea angustata）、鹧鸪杜鹃(Rhododendron zheguense)和鹧鸪柳(Salix zhegushanica），以及零星的紫果云杉(Picea purpurea)等；草本植物主要有黑褐苔草(Carex atrofusca)、斑唇马先蒿(Pedicularis longifloravar. tubiformis)、长叶火绒草(Leontopodium longifolium)和川西小黄菊(Pyrethrum tatsienense)等（胡霞等，2012）。

1.2 样品采集及试验设计

选择3块地势相对平坦的18 m×5 m的样地（样地间隔5 m），分别标记为样地A、B、C。每个样地被均分为9个2 m×5 m的样方，分别标记为样方1～9。2010年11月，于每个样方内随机埋入15只PVC原位培养管（直径7.5 cm，长23 cm），共计有405只原位培养管（15PVC管/样方×9样方/样地×3样地 = 405只）被埋入到试验样地中。

对9个样方实施不同的积雪覆盖厚度和积雪周期处理（积雪覆盖处理模拟真实降雪情况）。实验期间由专人控制雪被覆盖情况，降雪不足时堆雪，降雪过多时铲雪。具体的覆雪处理见表1。

分别在2010年12月15日、2011年1月15日、2月15日、3月15日、4月15日5个时段在每个样方内各取出3只PVC培养管，混合为一个样品。重复三次。每次带回土壤样品数共81个（3只PVC管/样方×9个样方/样地×3样地=81只PVC管）。鲜土过2 mm筛后，分别测定NO3--N和NH4+-N含量，并计算土壤净氮矿化速率。

1.3 测定与计算方法

1.3.1 土壤温度的测定

自试验开始起，在每个样方土壤表层以下5 cm处埋置一个纽扣温度计（Onset Computer Corporation，Pocaset，MA），每 2小时记录一次温度数据。

1.3.2 土壤含水量的测定

土壤样品采用烘干法测定土壤含水量（鲁如坤，2000289）。

1.3.3 土壤pH值、有机质和全氮的测定

土壤pH值测定采用电位法（鲁如坤，200013-14）；土壤有机质测定采用重铬酸钾氧化法（鲁如坤，2000106-108）；全氮的测定采用开氏消煮法（鲁如坤，2000147-149）。

1.3.4 土壤硝态氮和铵态氮含量测定

铵态氮含量采用靛酚蓝比色法测定（鲁如坤，2000159）；硝态氮含量采用紫外比色法测定（鲁如坤，2000160-162）。

1.3.5 土壤净氮矿化速率测定

分别用2011年4月和2010年12月测定的土壤无机氮含量（硝态氮和铵态氮含量之和）的差值除以两次采样间隔的天数，来计算土壤净氮矿化率。

1.4 数据处理

试验是 3个重复的随机区组设计。采用Microsoft Excel 2007对数据进行处理，用SPSS 13.0统计分析软件进行双因素方差分析，用SigmaPlot11.0软件绘图，并采用最小显著差异法（LSD）比较不同数据组间的差异性（α=0.05），数据的变异性用标准差（SD）表示。

2 结果与分析

2.1 不同雪况下土壤温度和含水量的变化

在整个非生长季，不同样方中的土壤日均温出现了相似的变化趋势（图1）。2010年12月土壤温度达到最低值，尤其在样地3、6、9中最明显，最低值达到了-10.5 ℃，主要原因是在这个时段这3个样方处于无雪被覆盖状态，失去了雪被的保温隔热作用。同样的现象也出现在2011年3月，无雪被覆盖的样方土壤日均温明显降低。可见，雪被持续时长对土壤温度有明显的影响。本试验无法得知雪被厚度对土壤温度的作用效果，主要是因为本试验所设计的积雪厚度都在30 cm以上，而已有的大量研究都证实了积雪厚度在≥30 cm时都能有效地隔绝土壤和空气，对土壤起到保温隔热的作用。

表1 2010-2011年非生长季9个样方的覆雪处理Table 1 The Snow Depths in Each Sample from November 2010 to April 2011 cm

图1 不同积雪厚度和积雪周期样地的土壤温度动态Fig.1 Soil Temperature Dynamics under Different Depths and Durations of Snow Cover

9个样方的土壤含水量差异较大，样方4和7的含水量最大，样方3、6、9含水量最小（图2）。总体而言，随着土壤覆雪厚度和雪被覆盖时间的增加，土壤含水量也呈现增长的趋势。主要原因是积雪覆盖下土壤的含水量很大程度上取决于进入土壤的雪融水的量。雪被覆盖越深和积雪周期越长的样地，进入土壤的雪融水就越多，从而引起了土壤含水量的增加。Schimel等人（2004）在北极冻原地区的研究也已证实，土壤含水量和雪被覆盖厚度、积雪覆盖时间具有显著相关关系。

图2 不同积雪厚度和积雪周期样地的土壤含水量动态Fig.2 Soil Water Content Dynamics under Different Depths and Durations of Snow Cover

2.2 积雪厚度和积雪周期对土壤无机氮库的影响

土壤无机氮以 NH4+-N为主，占总无机氮的69%～86%，而 NO3--N含量只占土壤总无机氮的14%～31%（图3）。积雪周期的长短对NH4+-N和NO3--N含量没有显著的影响。积雪厚度的变化没有引起NO3--N含量的显著改变，却使NH4+-N浓度随着积雪厚度的增加而减小（图3），表现为30 cm雪被覆盖下，NH4+-N含量明显大于50 cm和100 cm处。

图3 不同积雪厚度和积雪周期样地的土壤铵态氮含量、硝态氮含量和净氮矿化率Fig. 3 Kinds of Soil NH4+-N, NO3--N Content and Net Nitrogen Mineralization Rate under Different Depths and Durations of Snow Packs

比较2011年4月和2010年12月的土壤无机氮库水平，净氮矿化呈现正值，说明冬季氮循环以氮素矿化作用为主。不同厚度和不同持续时间的雪被覆盖下，净氮矿化率没有显著的改变（图3，表2）。然而，统计分析显示两者交互作用表现出显著水平（表2）。当积雪持续时间被用来单独测试覆雪厚度效应时，可观察到在积雪持续90 d时，30 cm积雪厚度的净氮矿化显著高于50 cm和100 cm时的净氮矿化值。

表2 不同积雪厚度和积雪周期对土壤氮素影响的统计分析结果Table 2 Summary of Statistically Significant Effects of the Different Depths and Durations of Snow Packs on Soil Nitrogen

3 讨论

引起土壤营养氮库动态变化的因素有很多。冬季积雪深度和积雪周期以及与之密切关联的土壤温湿度都强烈地影响着土壤微生物种群动态和土壤氮素循环过程。冬季营养循环和氮素矿化也都极大的依赖于雪被状况的改变（Brooks和Williams，1999）。在北极的研究发现，深雪覆盖提高了冬季微生物的活性，促进了有机物分解和氮矿化（Schimel和Bilbrough，2004；Buckeridge和Grogan，2008）。本研究中，深雪对硝态氮含量没有显著影响，但引起了铵态氮含量的下降，即总的土壤无机氮库随着雪被厚度的增加而降低了，这暗示着由于土壤有机质的分解，深雪加强了营养物质的释放过程。

在雪被覆盖区域，春季雪融阶段的氮素循环是被微生物种群所控制的，也可以说，是被雪被积累的时间所控制的（Brooks等，1998）。Brooks等（1995）发现，较早积雪覆盖的土壤有较高的土壤温度及较高的土壤氮水平和土壤矿化率。相同的结论被北方森林土壤和北极冻原生态系统的研究所证实（Schimel和Bilbrough，2004；Sulkava和Huhta，2003）。本研究中，虽然持续雪被覆盖的土壤有相对较高的土壤温度和水分含量，但是积雪周期的不同仍然没有引起土壤N库的显著差异，此结果说明持续的雪被覆盖下，任何多余的氮都将被矿化或固定，或被植物根系所吸收，或以气体、沥滤、雪融的方式损失掉了（Buckeridge，2010）。

然而，交互作用结果表明，积雪周期为90 d时，土壤的硝态氮含量，净矿化率明显高于60 d和150 d的积雪持续时间。究其根本，90 d积雪周期下土壤硝态氮含量和净氮矿化率高于150 d水平可能是因为在较长的积雪周期下（150 d），雪被覆盖已经延续到了3月中旬，深雪覆盖下土壤更温暖，使一些早春植物提前萌发，而植物的生长必然要消耗一定的无机氮。

深雪下没有或少量的冻融循环是提高土壤氮矿化的主要原因（Schimel和Bilbrough，2004）。相反，浅雪生境下频繁的冻融循环导致了土壤氮矿化的显著降低（Sulkava和Huhta，2003）。在本研究中，试验设计的雪厚度为30 cm、50 cm和100 cm，都是30 cm以上的雪层厚度，均能有效阻止冻融作用.因此，3个雪被梯度的土壤净氮矿化没有产生显著的差异，与在亚北极和其他北极地区的研究结果一致（Schimel和Bilbrough，2004；Grogan和Jonasson，2003）。这也是90 d积雪周期下土壤氮矿化率大于60 d积雪周期水平的根本原因。

综上，针对“积雪厚度和积雪周期哪个对土壤氮素循环的影响更深远”的这一问题，可以得出“积雪厚度对土壤氮素循环产生的影响更大”的结论，这一结论也已经被很多其他高山地区的研究所证明（Schimel和 Bilbrough，2004；Buckeridge和Grogan，2008；Brooks 和 Williams，1999）。而在低纬度的青藏高原高山地区，这种效应应该更加显著。因为相对于高纬度地区而言，其昼夜温差更大，积雪厚度更能有效的发挥隔热保温的作用，由此对土壤物质转化的影响将更加深远。然而，本实验结果表明60 d，90 d和150 d的积雪时间对冬季土壤无机氮素水平无明显影响，那么，60 d以下或150 d以上的积雪时间能否使土壤氮素含量产生显著变化呢？本实验尚无法解释。因此，为得出更确切更完整的结论，展开深入的连续实验是非常有必要的。

4 结论

研究结果表明，雪被持续时间可对土壤温度的变化产生明显的影响。较早的降雪能更有效地隔离大气与土壤之间的热交换，有利于提高和保持土壤温度。积雪厚度越深及覆雪时间越长的土壤，其含水量越大。

积雪厚度和积雪周期对土壤氮库影响呈现不同的结果，两者的交互作用显著。表现为当积雪周期为90 d时，30 cm积雪厚度的硝氮含量和土壤净氮矿化均显著高于50 cm和100 cm的值。这说明适当的积雪周期和积雪厚度很可能通过影响整个土壤微生物种群和氮素矿化水平，为来年春季高山植物的生长提供良好的生长条件。

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