施氮量对大兴安岭白桦次生林土壤氮矿化的影响1)

包翔 包秀霞 刘星岑

(内蒙古农业大学，呼和浩特，010018) (呼和浩特民族学院) (内蒙古农业大学)

责任编辑:任 俐。

森林生态系统是陆地上接收氮沉降面积较大的生态系统。过量的氮沉降对森林生态系统产生很多不利的影响，如影响树木的生长以及森林生态系统的结构、功能和生物多样性，加速森林土壤的酸化过程。目前，国外对白桦的研究较少，对桦属其他种的研究较多。我国对白桦的研究主要集中在白桦的遗传变异分析［1］、白桦繁育技术网［2］、白桦繁殖器官解剖结构的研究［3］，以及白桦光合特性［4］、呼吸作用等方面的研究。硝态氮(－N)和铵态氮－N)作为主要的土壤有效氮源是植物可利用的主要无机氮素形态［5］，与植物生长有密切关系［6］。由于受地形、母质、植被、土壤侵蚀状况及坡度等因素异质性的影响，同一土壤类型上甚至同一林分类型下土壤氮素质量分数在不同尺度上均有变化［7］。

目前，我国关于土壤氮矿化的研究主要集中在热带森林、温带草原以及农田生态系统，重点研究了森林土壤氮矿化速率的影响因素［8］、水热因素对土壤氮矿化的影响［9］以及不同植物种类对土壤氮矿化的影响［10］，但有关温带森林群落施肥对土壤氮矿化的研究还未见报道。通过本研究对认识温带白桦森林生态系统氮循环的机制，深入了解森林生态系统的生产力、氮素的循环与转化之间的关系，并对了解森林生态系统的生产力、营养循环和氮素的循环与转化具有重要的意义;为提高森林生产力、生态系统管理以及生物多样性保护等提供理论依据;为了解该地区碳、氮循环的机理提供基础数据。

1 研究区域概况

赛罕乌拉自然保护区位于内蒙古巴林右旗北部，距旗政府大板镇115 km，地处大兴安岭南段地段。地理坐标为东经118°18'～118°55'，北纬43°59'～44°27'，总面积10．04万hm2。该区冬季漫长寒冷;夏季短促炎热，降水量集中;年平均气温为2℃，最高气温达29℃，最低气温至零下32℃，年平均降水量为400 mm。位于植物生态区的中间位置，山顶为亚高山草甸植被。海拔由高到低森林植被分布依次有常绿针叶林白杄云杉(Picea meyeri)和夏绿针叶林华北落叶松(Larix priceps-ruprechtii)，沿山谷可下降到1 500 m，有发达的苔藓层，覆盖度90%。从山顶往下针叶林过度为夏绿阔叶林，包括白桦(Betula platyphylla)林、山杨(Populus davidiana)林，白桦占据山地阴坡的大部分面积，也分布于山地沟谷，在赛罕乌拉分布面积最大，其郁闭度约70%。土壤以棕壤为主，土层较厚，成土母质以酸性、中酸性花岗岩、片麻岩、砂页岩、流纹岩等残积坡积物为主，其中也有少量黄土状沉积物。

2 材料与方法

2．1 试验设计

本试验根据欧洲和北美模拟氮沉降试验样地的设计［11－14］，于2013年在赛罕乌拉自然保护区白桦次生林内建立了施氮模拟样地，施氮强度分别为高氮(40 kg·hm－2·a－1)、中氮(20 kg·hm－2·a－1)、低氮(10 kg·hm－2·a－1)、对照(0)，每个施氮水平上设立3个重复样方(样地面积为10万hm2，样方面积为10 m×20 m，样方间间距在10 m以上)。2013年5月份开始正式施氮试验，按照处理水平的要求，在每年生长季节的5—9月份的月初，将每个样方每次所需要喷施的NH4NO3溶解在20 L水中，以肩背式喷雾器在样地内均匀喷洒。

2．2 取样与测定方法

本研究采用封顶埋管法来估测氮素矿化速率，于每月施肥前采样。采样前，先将地表凋落物去除，将2支内径6 cm、长15 cm PVC管同时打入地下0～15 cm土壤，取出其中1支中的土壤带回实验室，其测定结果作为铵态氮和硝态氮的初始值;另一管管顶加盖，管底用纱布封口，埋回原位进行原位培养。培养30 d后取出培养管。同时将下一批管按上述方法布置于前一次培养点附近，每个处理样方内均重复取样3次。每个取样点的土样均匀混合后过2 mm筛，装入自封袋中，低温带回实验室做室内分析。于2013年5月份施肥前，在白桦天然次生林样地边缘等距离取10个点的0～10 cm土壤，带回实验室测定土壤基本理化性质。

土样的NH4－N质量分数用靛酚蓝比色法测定，NO3－N质量分数用紫外分光光度法测定;全氮用浓H2SO4－2HClO4消化，开氏定氮测定分析。

2．3 数据处理

采用Excel2010统计数据，并用SPSS19．0统计软件中Two－way和One－way ANOVA分析方法，对数据进行差异显著性分析。

按以下公式计算有关参数:

矿化速率(mg·kg－1·d－1)=［(培养后NO3－N质量分数+NH4－N质量分数)－(土壤初始NO3－N质量分数+NH4－N质量分数)］/培养时间，

硝化速率(mg·kg－1·d－1)=(培养后NO3－N质量分数－土壤初始NO3－N质量分数)/培养时间，

氨化速率(mg·kg－1·d－1)=(培养后NH4－N质量分数－土壤初始NH4－N质量分数)/培养时间。

3 结果与分析

3．1 施氮量对土壤氮矿化质量分数的影响

从表1可以看出，土壤氨化、硝化和矿化质量分数从5—7月份逐渐增加，并在7月份达到最高，5月份为最小;随着气温的转寒，7—9月份出现逐渐减小的现象。在高、中、低氮处理下土壤氨化、硝化和矿化质量分数均高于对照，且由大到小的顺序为高氮、中氮、低氮、对照。高氮处理下，氮矿化质量分数甚至成倍的增加，氨化和硝化质量分数增加幅度相对较小。可见，白桦林土壤氮矿化对高氮处理的响应更为敏感。

表1 白桦林土壤氮矿化质量分数 mg·kg－1

在整个生长季，同一月份中，高、中、低氮处理下土壤氨化、硝化和矿化质量分数均与对照有显著差异(P＜0．05);5—9月份高氮、中氮、低氮处理相互之间差异显著(P＜0．05)。可见，施氮处理对土壤硝态氮质量分数同样存在累加性效应，一方面铵态氮质量分数增加，促使硝化过程向生成硝态氮的方向进行，从而导致硝化质量分数的增加;另一方面，施加NH4NO3时，直接增加了硝态氮的质量分数，而不是对氮矿化过程产生影响。

由表2土壤氮矿化量双因素方差分析结果表明，时间(月份)和N处理对土壤氮矿化质量分数间有显著交互作用，对NO3－N质量分数和NH3－N质量分数无显著交互作用。

表2 时间、N处理及其交互作用对土壤氮矿化量的双因素方差分析

3．2 施氮量对土壤氨化速率的影响

由表3可见，不同施氮量不同时间氨化速率存在显著或极显著差异。在整个生长季中同一月份中，高氮、中氮、低氮处理下土壤氨化速率均与对照处理间存在极显著差异(P＜0．01)。对照、低氮、中氮、高氮处理下，土壤氨化速率均在7月份达到最高，并且由大到小的顺序为高氮((3．14±0．03)mg·kg－1·d－1)、中氮((2．75±0．02)mg·kg－1·d－1)、低氮((2．32±0．03)mg·kg－1·d－1)、对照((1．86±0．04)mg·kg－1·d－1)，且7月份土壤氨化速率均与其他时间的差异显著(P＜0．05)。土壤氮矿化速率的双因素方差分析结果表明(表4)，时间与N处理间存在显著交互作用(P＜0．001)。

表3 白桦林土壤氨化速率

3．3 施氮量对土壤硝化速率的影响

由表5可看出，不同施氮量在不同的时间硝化速率存在差异。在整个生长季中同一月份中，高氮、中氮、低氮处理下，土壤氨化速率均与对照间差异显著(P＜0．05);5—8月份高氮、中氮、低氮处理彼此间差异显著(P＜0．05)。对照、低氮、中氮、高氮处理下土壤硝化速率均在7月份达到最大，由大到小的顺序为高氮((2．07±0．031)mg·kg－1·d－1)、中氮((1．91±0．042)mg·kg－1·d－1)、低氮((1．68±0．032)mg·kg－1·d－1)、对照((1．46±0．034)mg·kg－1·d－1)，7月份各个处理间土壤硝化速率均显著高于其他几个月份的(P＜0．05)。

表4 时间、处理及其交互作用对土壤氮矿化速率的双因素方差分析

表5 白桦林土壤硝化速率

3．4 施氮量对土壤氮矿化速率的影响

由表6可以看出，在整个生长季中相同时间里，高氮、中氮、低氮处理下土壤氮矿化速率均与对照间存在极显著差异(P＜0．01)。对照、低氮、中氮、高氮处理下，土壤氮矿化速率均在7月份达到最高，由大到小的顺序为高氮((5．19±0．06)mg·kg－1·d－1)、中氮((4．50±0．06)mg·kg－1·d－1)、低氮((3．90±0．05)mg·kg－1·d－1)、对照((3．20±0．06)mg·kg－1·d－1)，且7月份土壤氨化速率均与其他月份间的存在极显著差异(P＜0．01)。

表6 白桦林土壤氮矿化速率

3．5 土壤矿化氮与全氮、土壤有机碳质量分数的关系

不同施氮处理下，土壤全氮、有机碳质量分数与氮净矿化速率都有较好的相关性。氮净矿化速率与全氮、有机碳质量分数间一元二次方程回归分析结果显示(图1、2)，有机碳质量分数一元二次项方程拟合效果比全氮质量分数的效果好，全氮质量分数对氮净矿化速率的贡献率为10%～30%，有机碳质量分数对氮净矿化速率的贡献率为40%～97%。说明，净矿化速率与土壤有机碳质量分数间的相关性比与全氮质量分数间更为密切。

图1 不同施氮处理下净氮矿化速率与全氮质量分数的回归曲线

4 结论与讨论

Gundersen等［15］研究发现，氮沉降的增加促进了土壤氮素的矿化作用，从而增加了土壤中的有效氮质量分数。袁颖红等［16］对杉木林土壤养分研究发现，随着氮沉降水平的增加，土壤和的质量分数也随之增加。胡艳玲等［17］对长白山阔叶红松林和杨桦次生林土壤有效氮质量分数研究表明，在生长季内，两种林型土壤总有效氮、铵态氮和硝态氮质量分数均随着氮沉降的增加而增加，其中，高氮处理的增幅显著，而低氮处理的增幅不明显。本研究中，经过氮沉降处理的样地土壤铵态氮、硝态氮和有效氮质量分数均有所增加;与对照相比，高氮处理下土壤氮矿化量增加的最多，由大到小的顺序表现为高氮、中氮、低氮、对照，说明土壤氮矿化量随着氮沉降量的增加而增加。这可能与在试验地喷施NH4NO3有关系，这直接提高了土壤有效氮水平的同时对土壤氮素矿化作用、硝化作用也有一定的影响，从而导致土壤氮的有效性得到了进一步的增加。因为基质限制着土壤氮素的转换过程，同时土壤和凋落物层的矿质氮质量分数随着氮的输入而增加，硝化菌、反硝化菌与植物吸收对氮的竞争得到了极大的缓冲［18］。本研究同时也证明，随着氮沉降时间的增加，氮处理下土壤的铵态氮、硝态氮和有效氮质量分数与对照差异越大，说明氮沉降对土壤的影响存在累加性效应。这与Gundersen［15］、袁颖红［16］和胡艳玲［17］等研究结果相一致。

欧洲和北美一些通过模拟氮沉降增加对森林生态系统影响的研究表明，氮沉降对生态系统氮素循环的改变程度和方向取决于物种组成、森林年龄、土壤类型、土地利用历史、地形和外加氮的组成与施加频率等多种因素［19，15］。本研究也得出了相同的结论，在整个生长季，氮输入都使土壤氨化速率、硝化速率及氮矿化速率与对照相比滞后呈现增长趋势，而氮处理强度和氮处理时间又决定了其矿化速率的增加程度。但方运霆等［18］对南亚热带森林研究中发现，只有经过较长时间的处理，才能发现生态系统对外加氮处理响应的一些特征。因此，要分析森林生态系统对氮沉降响应的差异并不是一蹴而就的事情，有待进一步研究。

大多数人研究结果都表明，土壤氮矿化速率会随着施氮量的增加而增加。但是人们同时认为土壤氮矿化速率在前期会随施氮量的增加而增加，但随时间的延长，当森林达到氮饱和时则开始下降［20］。本研究结果表明，外源氮输入提高了白桦天然次生林土壤氮矿化速率，可能是因为增加的氮被土壤有机质吸收，导致C/N减小，从而提高了分解过程中氮的释放速度，这与大多数人研究结果相一致。陈立新等［21］对温带森林研究也表明，混合形态的氮沉降要比单种形态的氮沉降使土壤净氨化速率、净硝化速率及净矿化速率增加幅度更高。本研究中并未出现氮矿化速率下降的情况，可能是因为本研究只对生长季的监测，研究时间尚短，氮输入还未达到森林氮饱和状态，若要验证氮矿化速率是否会在森林到达氮饱和时下降，还需要进行长期的定位研究。另外，本研究发现氮沉降对土壤的影响存在累加效应，因为随着氮沉降时间的延长，样地的土壤氨化速率、硝化速率及氮矿化速率与对照样地的差异越大;而且土壤氮矿化速率对氮沉降的响应格局受施氮强度和施氮时间长短的影响。而且本研究中施氮处理对氨化速率的影响更为显著，对硝化速率的影响并不明显，这与赵大勇等［22］在亚热带森林研究中对模拟氮沉降的响应结果相一致。

氮净矿化速率可反映出土壤中用于植物生长的氮素的可利用性，是研究森林生态系统氮素循环过程的重要内容，土壤表层中有80%～97%的氮素存在于有机质中［23］，且可矿化氮主要来自于土壤有机质的矿化。所以研究氮净矿化速率与土壤全氮、有机碳质量分数的关系，分析供氮特点，这对了解白桦天然次生林土壤的矿化有重要作用，对于揭示生物地球化学循环过程有着重要意义。文中对夏秋两季土壤的氮净矿化速率与全氮、有机碳质量分数以及矿化氮质量分数占有机碳和全氮质量分数的比例进行了研究。结果发现，不同施氮处理下，土壤全氮、有机碳与氮净矿化速率间均存在相关性。有机碳一元二次项方程拟合效果比全氮的效果好，全氮对氮净矿化速率的贡献率为10%～30%，有机碳对氮净矿化速率的贡献率为40%～97%。说明净矿化速率与有机碳质量分数间的相关性比与全氮质量分数间的更为密切。这与李菊梅等［24］有机碳、全氮质量分数与可矿化氮间的研究结果相一致。

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