模拟氮沉降对不同含水量土壤氮素矿化的影响

莫治新,闫 莎,金 慧,喻高明,张金龙,艾可然木·亚森,韦良焕

(喀什大学 化学与环境科学学院，新疆 喀什 844006)

荒漠河岸林是荒漠区的重要森林资源，是干旱地区维持生态的天然屏障[1]。土壤水分作为荒漠区植被地下生境的关键因子，其变化直接影响植被的生长[2]。氮素作为重要的营养元素，不仅影响植物生长也影响环境，在自然生态系统中，除固氮植物和一部分可直接利用有机氮的植物之外，其他所有植物的氮素来源主要是土壤有机氮的矿化[3]。土壤水分是影响土壤氮素矿化的关键因素，已成为氮转化研究领域的热点[4]。研究表明，土壤氮矿化量和氮有效性随土壤水势(在一定范围内)的增加而增加，当土壤含水量接近田间持水量时氮矿化量最大[5]。草原和森林土壤水分变化量与土壤净氮矿化速率呈正相关，但受温度和含水量范围的影响[6]。另外，随着化肥生产工业及农牧业的快速发展，人类活动向大气中排放的含氮化合物日益增多，通过大气干湿沉降进入陆地生态系统的含氮化合物也大量增加[7]。土壤中增加的这部分含氮化合物必然会影响原有土壤氮素的矿化量。目前，对于土壤氮素矿化的研究主要集中在外源氮素对草地氮素矿化的影响[8]、土壤氮素矿化过程[9]、不同耕作方式下土壤氮素矿化和硝化特征[10]及水分因素对绿洲荒漠过渡带土壤氮矿化的影响[11]等方面，对极端干旱、降水稀少、蒸发量大、土壤水分主要来源于地下水补给的荒漠区土壤氮素矿化研究较少[11]，而关于荒漠区氮沉降对不同含水量土壤氮素矿化的影响研究尚未见报道。为此，以喀什地区泽普县荒漠河岸林土壤为研究对象，采用室内模拟方法，研究氮沉降对不同含水量土壤氮素矿化的影响,以期为新疆喀什荒漠区土壤氮素及水分合理施用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

本研究在新疆喀什地区泽普县荒漠河岸林进行，地下水位为1 m。泽普县位于新疆西南部，昆仑山北麓，喀喇昆仑山东侧，塔克拉玛干沙漠的西缘，地处东经76°52′00″～77°29′30″ 、 北纬37°57′～38°19′，海拔1 215～1 490 m。西以叶尔羌河为界，同莎车县相望，东和东南隔提孜那甫河与叶城县为邻，西南接叶城县界。泽普县属暖温带大陆性干旱气候，年平均气温为11.4 ℃，极端最高气温为39.5 ℃，极端最低气温为-22.7 ℃[12]。

1.2 土样采集

在荒漠河岸林选择植被覆盖度40%的区域，用土钻采集0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm共5个土层土壤样品，每层样品取10点进行混合，然后取3 kg装入标记清楚的自封袋，带回实验室。

1.3 试验设计

1.4 测定项目及方法

2 结果与分析

2.1 模拟氮沉降对不同含水量土壤矿质氮含量的影响

由图1可知，在土壤含水量分别为0、20%、40%、60%的条件下，氮沉降处理土壤矿质氮含量分别为55.67、69.96、60.27、63.07 mg/kg，均高于CK(38.86、34.85、36.09、35.21 mg/kg)，其中，土壤培养7 d时，两处理矿质氮含量均达到最大值，分别为105.57、103.35、101.78、103.26 mg/kg和103.38、87.31、87.59、84.21 mg/kg。

2.2 模拟氮沉降对不同含水量土壤净硝化速率的影响

由图2可知，土壤含水量为0时，CK土壤净硝化速率[0.008 mg/(kg·d)]高于氮沉降处理[-0.03 mg/(kg·d)]，其中，土壤培养7 d时，CK土壤净硝化速率达到最大值，为0.13 mg/(kg·d)；土壤培养14 d时，氮沉降处理土壤净硝化速率达到最大值，为0.14 mg/(kg·d)。土壤含水量为20%时，氮沉降处理土壤净硝化速率[ 0.14 mg/(kg·d)]高于CK[0.02 mg/(kg·d)]，其中，土壤培养14 d时，CK土壤净硝化速率达到最大值，为0.17 mg/(kg·d)；土壤培养28 d时，氮沉降处理土壤净硝化速率达到最大值，为0.51 mg/(kg·d)。土壤含水量为40%时，氮沉降处理土壤净硝化速率[0.43 mg/(kg·d)]高于CK[0.04 mg/(kg·d)]，其中,土壤培养14 d时,CK土壤净硝化速率达到最大值，为0.28 mg/(kg·d)；土壤培养28 d时，氮沉降处理土壤净硝化速率达到最大值，为0.88 mg/(kg·d)。

图1 模拟氮沉降对不同含水量土壤矿质氮含量的影响

图2 模拟氮沉降对不同含水量土壤净硝化速率的影响

土壤含水量为60%时，氮沉降处理土壤净硝化速率[0.41 mg/(kg·d)]高于CK[-0.01 mg/(kg·d)]，其中，土壤培养14 d时，CK土壤净硝化速率达到最大值，为0.21 mg/(kg·d)；土壤培养28 d时，氮沉降处理土壤净硝化速率达到最大值，为1.13 mg/(kg·d)。

2.3 模拟氮沉降对不同含水量土壤净矿化速率的影响

由图3可知，在土壤含水量分别为0、20%、40%、60%的条件下，氮沉降处理土壤净矿化速率分别为1.27、2.05、1.59、1.647 mg/(kg·d)，均高于CK[0.52、0.14、0.03、-0.07 mg/(kg·d)]，其中，土壤培养7 d时，两处理矿质氮含量均达到最大值，分别为7.60、7.49、6.99、7.39 mg/(kg·d)和7.54、5.61、5.36、4.96 mg/(kg·d)。

图3 模拟氮沉降对不同含水量土壤净矿化速率的影响

3 结论与讨论

据报道，降尘中含有植物生长发育所需要的营养元素[14]，添加氮素显著增加了土壤无机氮库[8]。本研究结果表明，在各种土壤含水量条件下，氮沉降处理土壤矿质氮含量均高于CK，与刘碧荣等[8]研究结果相似。土壤氮素矿化受温度、土壤水分含量、土壤理化性质、土壤有机质含量及土壤生物因素的影响[15]。对农田土壤氮素矿化进行研究发现，土壤含水量在30%～40%时土壤氮素矿化量最大[16]。本研究重点探讨了土壤含水量对氮素矿化的影响，结果表明，土壤含水量为20%时，氮沉降处理土壤净矿化速率达到最大值，这与农田土壤氮素矿化研究结论[16]有一定的差距，这可能是因为荒漠河岸林和农田氮素矿化对土壤含水量的需求不同。本研究结果表明，培养7 d时，氮沉降处理土壤净矿化速率达到最大值。上述结果说明，要加速土壤氮素矿化，土壤应培养一定时间，同时应调节土壤水分至田间持水量的20%。

本研究结果表明，土壤含水量为40%时，氮沉降处理土壤净硝化速率达到最大值，即土壤净硝化速率达到最大值时的土壤含水量阈值为40%。在土壤含水量分别为20%、40%、60%的条件下，培养28 d时，土壤净硝化速率均达到最大值。说明要提高土壤氮素的净硝化速率，要培养一定时间，同时要调节土壤水分至田间持水量的40%。