氮沉降对西藏高山灌丛草甸土壤理化性质的短期影响

叶彦辉， 刘云龙， 韩艳英*， 邵小明， 唐铎滕， 杨开军

(1. 西藏农牧学院， 西藏 林芝 860000； 2. 中国农业大学， 北京 100193)

氮沉降是近几十年来一个备受关注的环境问题，20世纪中叶以来，随着矿物燃料燃烧、化学氮肥的生产和使用以及畜牧业的迅猛发展等人类活动向大气中排放的活性氮化合物激增，大气氮素沉降也呈迅猛增加的趋势[1]。随着氮沉降的增加，自然环境的变化和动植物的生存与生长以及人类的活动都受到了越来越多的影响，因此，对于氮沉降带来的诸多影响方面的探究显得尤为重要。

大量研究表明氮沉降对森林生态系统功能及结构造成了极大的影响，它改变了森林树木的生理状态，使得土壤养分发生变化，调整了物种之间的竞争动态[2-4]。目前，模拟氮沉降对土壤养分的影响研究结果并不完全一致。有的研究表明模拟氮沉降会增加土壤中有机质、氮、磷的含量[5-7]，也有研究结果表明模拟氮沉降对土壤中有机质、氮、磷、钾的含量影响不大[8-11]。土壤可溶性有机碳是土壤中移动快、稳定性差、易氧化、易矿化，并对植物和土壤微生物活性影响较高的那部分有机态碳[12]，虽然有关土壤可溶性有机碳来源、迁移过程及其对外界环境变化响应的报道比较多，但都比较零散[13]。由于过程繁琐且影响因素不单一，氮沉降对土壤有机碳库不同组分及矿化过程的影响机制尚无定论[8]。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积累过程产生影响[14]，其对草地系统的影响不容忽视，对其影响的研究也刻不容缓。在国外大量开展氮沉降问题的研究报道的同时国内对于氮沉降的研究也受到重视，但青藏高原的氮沉降研究目前仍处于不成熟阶段。

青藏高原平均海拔在4 000 m以上，有着独特的天然生态和地理条件，既是南亚、东南亚地区的“江河源”和“生态源”，也是中国乃至东半球气候的“启动器”和“调节区”[15]，是研究土壤养分对氮沉降响应的天然优势试验地。就青藏高原土壤养分平均含量而言，耕层土壤养分整体含量比较丰富，只有速效磷含量相对较低[16]。本研究拟通过在西藏林芝草地进行1年的短期氮沉降模拟试验，研究土壤养分和土壤可溶性有机碳对氮沉降增加的响应，为更好地理解和评估大气氮沉降对该地区草地土壤养分和土壤可溶性有机碳的影响提供科学依据和基础数据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

林芝县地处青藏高原念青唐古拉山东南麓，雅鲁藏布江与尼洋河在此相汇，地处北纬29°21′～30°15′、东经93°27′～95°17′之间，东邻墨脱县，南接米林县，西部和西北部与工布江达县交界，北部和东北部与波密县相通。东西长177.2 km，南北宽98.6 km。林芝县境南部为冈底斯山余脉，北部属念青唐古拉山支脉高山地段。平均海拔3 000 m，属温带湿润季风气候，年平均气温8.5℃(最冷为1月份，平均气温为-2℃，最热7月份，平均气温20℃)，无霜期175 d左右，年日照时间2 022 h，年平均降水量654 mm，主要集中在5-9月份，占全年降水量的90%左右。土壤为洪冲积母质，质地偏沙，主要类型是亚高山草甸土，模拟氮沉降前土壤养分状况如表1所示。研究区为高山灌丛草甸，主要有川滇高山栎(QuercusaquifolioidesRehd. et Wils.)，三颗针(Berberisjulianae)，蔷薇 (Rosamultiflora)，小叶栒子(cotoneastermicropHyllus)，夏枯草(PrunellavulgarisLinn.)，紫羊茅(Festucarubra)，委陵菜(PotentillasaundersianaRoyle)，平车前(PlantagodepressaWilld.)，狗娃花(Heteropappushispidus)等。研究区植被调查共有29科55属59种，其中以蔷薇科有8属8种最多，菊科有4属5种，伞形科4属4种，禾本科和唇形科3属4种，蓼科3属3种，杨柳科、豆科、报春花科、石竹科、毛茛科、小檗科、鼠李科各2属2种，滕黄科1属2种，其余的都是单科单属。其中蔷薇科、禾本科、菊科、毛茛科、玄参科、寥科、虎耳草科、龙胆科、伞形科、忍冬科，十大科合计27属29种，占研究区总物种数的49.15%。

表1 氮沉降前土壤的养分状况Table 1 Soil nutrient status before nitrogen deposition experiment

1.2 研究方法

1.2.1氮沉降法 2014年在林芝县布久乡朱曲登村(29°28′18.8′N， 94°22′41.6″E)高山灌丛草甸设置12个5 m×5 m样地，每个样地保留10 m间隔，防止相互干扰。为了便于更清楚地揭示氮添加的影响，参照国际上通用的施氮量成倍增加的惯例[17]，分别设置CK(对照)、低氮LN(25 kg·hm2·a-1)、中氮MN(50 kg·hm2·a-1)、高氮HN(150 kg·hm2·a-1)4种处理，每种处理3次重复。于2014年7月-2015年7月，每月月初选择晴天按照处理水平的要求，将每个样方每次所需喷施的NH4NO3溶解于1 L水中，用喷雾器人工均匀喷施于样地内，水溶液直接喷施在草地土壤表面，对照样地喷施同样量的水，以减少不同处理间的差异。

1.2.2样品采集与测定 2015年8月采集土壤，采用土钻法在样地内沿对角线随机取样，清除凋落物，分别在0～20 cm和20～40 cm随机取5钻土均匀混合成一个样品，带回实验室分析，采土后迅速挑出细根和碎石，自然风干，测定土壤养分。

1.2.3养分和可溶性有机碳测定 pH值采用水土比为2.5∶1水浸提，pH计(pB-10，Satorius AG德国)测定；有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；全氮采用浓硫酸消煮，半微量凯氏定氮仪测定；全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定；全钾采用氢氧化钠熔融法-火焰光度计测定；速效氮土壤采用1 mol·L-1KCL浸提，提取的硝态氮(NO3-N)、铵态氮(NH4+-N)含量采用流动注射分析仪(AA3型，BRAN+LUEBBE，德国)测定；速效磷采用0.5 mol·L-1碳酸氢钠(NaHCO3)浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用中性醋酸铵(NH4OAC)浸提-火焰光度计测定；钙镁离子测定：1N NH4OAC浸提，原子吸收分光光度法测定；土壤可溶性有机碳测定：称5.00 g土样过2 mm筛，按土水比1：5加蒸馏水25 mL，在25℃的恒温振荡机上以转速170～180 r·min-1振荡30分钟，以10 000 r·min-1离心10 min，取其上清液过0.45 μm的滤膜后保存于4℃条件下待测，然后用TOC仪上机测定。

1.2.4数据分析 采用Microsoft Excel 2010软件进行基础数据分析和作图，用SPSS 20.0对各种指标进行One-way ANOVA方差分析(显著性水平设为0.05)，多重比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 氮沉降对土壤有机质的影响

土壤有机质是指存在于土壤中的所含碳的有机物质，包括各种动植物的残体、微生物体及其会分解和合成的各种有机质。土壤有机质作为土壤肥力的重要指标之一，也是土壤有机复合体的主要组成部分。由图1可知，氮沉降对0～20 cm土壤有机质含量有显著影响(P<0.05)，模拟氮沉降一年后，土壤有机质含量表现为MN>CK>HN>LN。20～40 cm土壤有机质受氮沉降处理影响显著(P<0.05)，模拟氮沉降一年后，土壤有机质含量表现为HN>MN>LN>CK，说明草地生态系统在一定程度上受N限制影响，外加氮处理对草地土壤有一定影响，使得土壤养分含量有所增加。

图1 氮沉降对草地土壤有机质的影响 Fig.1 Effect of nitrogen deposition on organic matter of grassland soil注：不同小写字母表示同一土层不同氮沉降处理间差异显著(P<0.05)，下同Note: Different lower case letters indicate significant difference between different nitrogen deposition treatments at the 0.05 level, The same as below

2.2 氮沉降对土壤N元素的影响

氮素是植物生长的重要元素之一。不同土壤层全N、速效N的含量均不相同(图2、3)。氮沉降对0～20 cm全N和速效N影响显著(P<0.05)。模拟氮沉降一年后，全氮含量表现出MN>LN>CK>HN，速效氮表现出HN>MN>CK>LN。在20～40 cm土层，全N和速效N受氮沉降影响显著(P<0.05)。模拟氮沉降一年后，全N含量呈现升高趋势(HN>MN>LN>CK)；速效N含量表现LN>CK>MN>HN变化。不同土层全N含量都有所增加，与施加氮肥有关。在0～20 cm土层速效N含量有所增加，但20～40 cm土层低于CK，可能是模拟氮沉降时间较短造成的，这个结果有待进一步研究。

图2 氮沉降对草地土壤全N的影响Fig.2 Effect of nitrogen deposition on soil total nitrogen content

图3 氮沉降对草地土壤速效N的影响Fig.3 Effect of nitrogen deposition on soil available nitrogen content

2.3 氮沉降对P元素的影响

磷含量是判断土壤磷丰缺的主要指标和施肥的一个重要依据。不同土壤层全P、速效P的含量均不相同(图4、5)。氮沉降对0～20 cm全P和速效P影响显著(P<0.05)。模拟氮沉降后，全P含量表现为HN>MN>CK>LN，速效P含量表现为MN>LN>CK>HN。在20～40 cm土层，全P和速效P受氮

沉降影响显著(P<0.05)。模拟氮沉降后，全P含量表现为HN>MN>LN>CK，速效P含量表现为HN>LN>CK>MN。氮的输入刺激了微生物活性并增加了其对磷的需求，并提高了磷相关酶的活性，磷相关分解酶活性的提高增强了微生物对土壤有机质和调落物的分解，加快了土壤中磷元素的转换过程，从而提高土壤中速效磷的含量。

图4 氮沉降对草地土壤全P的影响Fig.4 Effect of nitrogen deposition on soil total phosphorus content

图5 氮沉降对草地土壤速效P的影响Fig.5 Effect of nitrogen deposition on available phosphorus content of grassland soil

2.4 氮沉降对土壤K元素的影响

K元素是土壤中含量最高的大量营养元素，也是植物生长必需的主要营养元素之一，在生物圈中含量丰富，是重要的植物生长指标。不同土层全K、速效K的含量均不相同(图6、7)。氮沉降对0～20 cm全K和速效K影响显著(P<0.05)。模拟氮沉降后，全K含量表现为MN>CK>LN>HN，速效

图6 氮沉降对草地土壤全K的影响Fig.6 Effect of nitrogen deposition on total potassium content of grassland soil

图7 氮沉降对草地土壤速效K含量的影响Fig.7 Effect of nitrogen deposition on available potassium content of grassland soil

2.5 氮沉降对交换性钙镁的影响

镁列为仅次于N，P，K的植物第四大必需元素，植物所需的镁主要来自于土壤，钙是植物生长的必需营养元素，钙在土壤里的变化影响着土壤的物理化学性质，氮沉降对0～20 cm土层交换性Ca2+、交换性Mg2+影响显著(P<0.05)(图8)。模拟氮沉降后，交换性Ca2+表现为LN>MN>HN>CK，交换性Mg2+表现为MN>LN>HN>CK。在20～40 cm土层，交换性Ca2+、交换性Mg2+受氮沉降影响显著(P<0.05)(图9)。模拟氮沉降后，交换性Ca2+表现为HN>MN>LN>CK，交换性Mg2+含量表现为HN>LN>CK>MN。

图8 氮沉降对草地土壤交换性钙含量的影响 Fig.8 Effect of nitrogen deposition on exchangeable Ca content of grassland soil

图9 氮沉降对草地土壤交换性镁含量的影响Fig.9 Effect of nitrogen deposition on exchangeable Mg content of grassland soil

2.6 氮沉降对土壤pH的影响

图10 氮沉降对草地土壤PH的影响Fig.10 Effect of nitrogen deposition on grassland soil PH

2.7 氮沉降对可溶性有机碳的影响

由图11可知，氮沉降对0～20 cm土层可溶性有机碳含量有显著影响(P<0.05)。模拟氮沉降一年后，可溶性有机碳表现为LN>HN>MN>CK。20～40 cm土层可溶性有机碳受氮沉降处理影响显著(P<0.05)。模拟氮沉降一年后，可溶性有机碳表现为LN>HN>CK>MN，土壤可溶性有机碳短期内就可对外源性扰动产生显著响应，且表层土壤可溶性有机碳较深层土壤的响应更加敏感、快速。

图11 氮沉降对草地土壤可溶性有机碳含量的影响Fig.11 Effect of nitrogen deposition on dissolved organic carbon content of grassland soil

3 讨论

本试验中，随氮沉降的增加，在0～20 cm和20～40 cm土层中可溶性有机碳(DOC)的含量均呈现升高趋势。但20～40 cm土层的增加量少于0～20 cm土层。外加氮素满足了土壤微生物对氮素的需求，从而促进了凋落物的分解。氮沉降增加使土壤中可溶性酚类物质逐渐积累，从而增加了土壤中可溶性有机碳的含量，但由于深层土壤微生物活性低，亦使表层土壤DOC含量较深层土高，这与魏春兰研究结论一致[18]，但与齐玉春和张萌新[19-20]的结论不一致。主要原因是土壤可溶性有机质养分来源于植物凋落物、土壤腐殖质、微生物、根系及其分泌物，在一定的时空条件下受植物、微生物影响强烈，因而造成研究结果不同。

本研究发现，随氮沉降增加，0～20 cm土层有机质含量变化不明显，20～40 cm土层有机质含量都有所增加，此结果与郭虎波的研究结果基本一致[5]。徐雷等对福建省人工杉木林的研究发现，其土壤有机质含量随氮沉降的增加呈先升高后降低的趋势[21]。樊后保[6]等对福建省人工杉木林进行2年模拟氮沉降处理后发现，土壤有机碳随氮沉降水平的增加呈下降趋势；张莉等对武夷山南麓的福建省建阳市邓恩桉人工纯林的研究发现，氮沉降可显著减少森林土壤有机质含量[22]。而祈瑜等，李秋玲等同样得出氮沉降对有机质没有显著影响的结论[8,10]。说明适量的氮素加入，有利于促进凋落物的分解，从而提高土壤有机质含量，而过量的氮素，可能会导致土壤有机质的流失。

磷是生物体必需的大量元素之一，也是许多生态系统的主要限制因子，大气氮沉降量增加可能导致土壤理化性质改变进而造成土壤磷循环的改变。本研究发现，通过氮沉降，土壤中全磷和速效磷平均含量升高，受氮沉降影响均达到显著水平。这与涂利华、裴广廷、徐雷[7,11,21]等的研究结果基本一致。原因可能是氮的输入刺激了微生物活性并增加了其对磷的需求并提高了磷相关酶的活性，磷相关分解酶活性的提高增强了微生物对土壤有机质和调落物的分解，加快了土壤中磷元素的转换过程，从而提高土壤中速效磷的含量。

本研究发现，土壤全K含量在0～20 cm和 20～40 cm都呈现升高响应；而速效K的含量在0～20 cm土壤中在LN和HN处理下呈现升高响应，说明土壤中速效K含量的增加与氮素量或由氮素引起其他理化性质的改变有一个阀值，超过这个阀值则会减小。同时发现，全K含量随土壤深度增加而增大，而速效K则呈现相反趋势。这与袁颖红、朱仕明、樊后保[28-30]等的研究结果相反，主要原因可能与本研究氮沉降时间较短有关。

在0～20 cm土壤中，交换性钙和交换性镁的含量表现出了相同的升高响应；而在20～40 cm土壤中两者却有着不同的变化趋势，交换性钙呈现升高的响应，而交换性镁含量则在LN和HN处理下呈现升高响应，在MN处理下降低。此原因可能是氮沉降的施加，导致基岩的风化，随着植物对水分的吸收进入上层土壤，而提高了Ca含量，而由于Mg2+在土壤晶体中的吸附作用，氮沉降增加初期可能会使固定态的Mg释放，在继续增加氮沉降量时可能影响到了其他离子与之竞争吸附位。

pH值在两种土层中HN处理下均呈现了相对MN处理含量降低的趋势，一定程度表现了氮沉降升高对pH有所抑制，这与目前的国内研究结果基本一致[32-35]。

本研究所得结果与目前国内外的研究不尽相同，原因可能是本研究开展氮沉降时间较短。目前我国关于氮沉降还没有形成规范化的监测网络，仅少数地区的氮沉降研究得出的结论不具有普遍性，建议今后开展长期试验，以期找出氮沉降对生态系统影响的全面的普遍性结论。

4 结论

有机质、全N、全P、全K、速效N、速效P、速效K、交换性Ca2+、交换性Mg2+的含量对模拟氮沉降比较敏感，不同程度的模拟氮沉降一年后显著改变了0～20 cm和20～40 cm土层的有机质、全N、全P、全K、速效N、速效P、速效K、交换性Ca2+、交换性Mg2+含量。氮沉降显著增加了20～40 cm土壤的有机质、N、P、K、交换性Ca2+和可溶性有机碳的含量，但对0～20 cm土层的影响较小。土壤理化性质对氮沉降的响应说明氮沉降在短期内可能影响高山灌丛草甸土壤碳库积累和土壤肥力水平。