华西雨屏区常绿阔叶林土壤氮矿化对温度和湿度变化的响应

唐海龙，王景燕，黄帅，龚伟，周于波

(1.四川农业大学林学院，林业生态工程四川省重点实验室，四川 成都 611130；2.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室,江苏 南京 210008)

氮素作为植被生长发育的必须大量元素，是植物吸收合成蛋白质、核酸和生长激素等重要物质的成分之一[1].土壤中的氮元素主要以有机态形式存在，有机氮需在土壤微生物等作用下，转化为铵态氮和硝态氮才能被植物吸收利用[2].有研究发现植物体内积累的氮素主要来源于土壤[3].土壤氮矿化速率与有机氮含量、C∶N、微生物种类和数量，以及土壤水热条件等关系密切，而土壤温度和水分条件是影响土壤氮及其他营养元素矿化的关键因素.Knoepp等[4]的研究发现，土壤温度在25～35 ℃之间和水分含量接近田间持水量时氮矿化量最大；Stanford等[5]的研究发现，在一定土壤湿度范围内，氮矿化与土壤湿度呈显著正相关；沈玉芳等[6]的研究发现，一定的温度范围内(-4.0～40 ℃)，随温度升高氮矿化量和矿化速率均增大，且较高温度有利于促进硝化作用.

四川盆地西部边缘地区由于其高降水量和中亚热带湿润气候，被称为“华西雨屏”[7]，是以阴湿为主要特征的罕见的气候地理单元[8].常绿阔叶林作为华西雨屏区的地带性植被，具有重要的生态功能.迄今为止，有关华西雨屏区氮矿化的研究主要集中在氮沉降[9]、降雨量[10]、植被类型[11]、林窗大小[12]和人工林种植密度[13]对该地区土壤氮含量及氮矿化的影响，而目前有关水热条件对华西雨屏区土壤氮矿化的研究只有柳杉人工林[14].未对该地区地带性植被的常绿阔叶林土壤氮矿化未见文献报道，而现代化和集约化的工农业生产使CO2等温室气体集中且过量排放，全球平均气温不断上升[15]，从而影响土壤元素的矿化速率.基于此，本研究拟以华西雨屏区常绿阔叶林土壤为对象，采用室内培养法研究土壤氮素矿化对温度和水分含量变化的响应，为华西雨屏区常绿阔叶林土壤供氮潜力评价和预测区域性水热变化对该地区土壤氮素矿化影响提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区位于四川省沐川县国有林场(E 103°47′～103°49′，N 28°29′～28°54′)，海拔1 100～1 550 m，坡度25°～35°，属亚热带湿润季风气候，地带性植被属亚热带常绿阔叶林[16].试验区域代表性林分的乔木层树种主要包括木荷(Schimasuperba)、白毛新木姜子(Neolitseaaurata)、润楠(Machiluspingii)、总状山矾(Symplocosbotryantha)等.常绿阔叶林林分密度为525株/hm2，平均树高为21.2 m，平均胸径为25.1 cm，林分郁闭度为0.9.试验地土壤为黄壤，表层土壤(采集0～20 cm的土壤混合样品)基本理化性质：有机碳86.2 g/kg，全氮5.6 g/kg，碱解氮318.3 mg/kg，有效磷5.5 g/kg，速效钾112.8 g/kg.

1.2 试验设计与指标测定

根据典型性和代表性的原则分别在坡向、坡度、坡位和海拔高度基本一致的常绿阔叶林中建立20 m×20 m的调查样地共3个，于2016年4月中旬在每个标准地内采用蛇形5点取样法采集表层(0～20 cm)土壤混合样品.土壤经室内自然通风处晾干挑去杂物磨细过筛后，测定土壤理化性质(包括：有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和有速钾)和土壤矿质氮(NH4+-N和NO3--N).采用室内培养法测定温度和湿度对土壤氮矿化的影响，设置4个温度水平(5、15、25和35 ℃)和4个土壤水分水平(20%、40%、60%和80%的田间持水量(FWC))，温度和湿度采用全因子试验设计(正交试验设计)，共16个处理，每个处理3次重复.具体操作如下：称取过2 mm的风干土10 g于100 ml培养瓶中，调制瓶内土壤含水量使其达到试验设计要求的水分含量，用保鲜膜封住瓶口并用小针均匀刺10个小孔(以保持适度透气)后，放入不同温度的人工气候箱中进行培养，培养期间每隔3 d通过称重法补充瓶内水分，培养30 d后测定土壤中铵态氮和硝态氮含量[17].用相同的方法测定培养前土壤中铵态氮和硝态氮含量.

测定方法：土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法；全氮采用半微量凯式法；碱解氮采用碱解扩散法；有效磷采用0.03 mol/L NH4F+0.025 mol/L HCl浸提法；速效钾采用1 mol/L乙酸铵浸提-火焰光度法；铵态氮和硝态氮分别采用0.5 mol/L K2SO4浸提后靛酚蓝比色法和紫外分光光度法[18].

净氨化速率=(土壤培养后NH4+-N-土壤初始NH4+-N)/培养天数

净硝化速率=(土壤培养后NO3--N-土壤初始NO3--N)/培养天数

净矿化速率=(土壤培养后无机氮-土壤初始无机氮)/培养天数

土壤氮矿化的温度敏感性(Q10)[19]，计算公式如下：

Q10=exp(10×B)

式中，Q10为温度每增加10 ℃土壤氮矿化速率增加的倍数；B为温度反应系数.

1.3 数据处理

采用SPSS 22.0和Excel 2013软件对数据进行统计和分析，不同水热处理土壤各变量之间的显著性检验采用单因子方差分析(ANOVA)和最小显著极差法(SSR).

2 结果与分析

2.1 水热条件对土壤净氨化作用的影响

由图1可知，温度和水分对常绿阔叶林土壤净氨化速率影响显著(P<0.05).各处理中，以60%FWC+25 ℃处理的净氨化速率最高，且显著高于其他处理；以20%FWC+5 ℃处理的最低，且显著低于其他处理.各水分处理下，净氨化速率随水分含量的增加呈先增加后降低的趋势变化，在60%FWC时达到最大值(图1)；60%FWC的平均净氨化速率分别比20%、40%和80%FWC的增加37.6%、11.8%和15.3%，各水分处理间差异显著(图2).各温度处理下，净氨化速率随温度升高呈先增加后降低的趋势变化(图1)，在25 ℃时达到最大值，25 ℃的平均净氨化速率分别比5 ℃、15 ℃和35 ℃的增加67.9%、24.1%和17.8%，且各温度处理间差异显著(图3).

2.2 水热条件对土壤净硝化作用的影响

由图1可知，温度和水分对净硝化速率影响显著(P<0.05).各处理中，以60%FWC+25 ℃处理的净硝化速率最高，且显著高于其他处理；以20%FWC+5 ℃处理的最低，且显著低于其他处理.各水分处理下，净硝化速率均随水分含量的增加呈先升高后降低的趋势变化，在60%FWC时达到最大值(图1)；60%FWC的平均净硝化速率分别比20%、40%和80 %FWC时的增加34.5%、10.3%和17.4%，且各水分处理间差异显著(图2).各温度处理下，净硝化速率也随温度的升高呈先增加后降低的趋势变化，在25 ℃时达到最大值(图1)；25 ℃的平均净硝化速率分别比5、15、25 ℃的增加57.7%、18.8%和12.8%，各温度处理间差异显著(图3).

不同小写和大写字母及括号中小写母分别表示处理间净硝化速率、净氨化速率和氮净矿化速率差异显著(P<0.05).There were significant differences in net nitrification rate,net ammonification rate and net nitrogen mineralization rate between different lower and upper case letters and parentheses respectively (P<0.05),the same below.图1 不同水热条件下土壤氮净矿化速率Figure 1 Soil net nitrogen mineralization rate under different temperatures and moistures

图2 不同水分含量条件下土壤氮净矿化速率Figure 2 Soil net nitrogen mineralization rate under different moistures

图3 不同温度条件下土壤氮净矿化速率Figure 3 Soil net nitrogen mineralization rate under different temperatures

2.3 水热条件对土壤氮净矿化的影响

由图1可知，温度和水分对氮净矿化速率影响显著(P<0.05).各处理中，以60%FWC+25 ℃处理的氮净矿化速率最高，且显著高于其他处理；以20%FWC+5 ℃处理的最低，且显著低于其他处理.各水分处理下，氮净矿化速率随水分含量的增加呈先增加后降低的趋势变化，在60%FWC时达到最大值(图1)；60%FWC处理的平均氮净矿化速率分别比20%、40%和80%FWC处理的增加60.0%、12.6%和19.3%，且各水分处理间差异显著(图2).各温度处理下，氮净矿化速率随温度的升高呈先增加后降低的变化规律，在25 ℃时达到最大值(图1)；25 ℃处理的平均氮净矿化速率分别比5、15、25 ℃处理的增加177.0%、27.6%和18.8%，各温度处理间差异显著(图3).各水热处理的净氨化速率均高于净硝化速率，氮净矿化作用产生的无机氮中铵态氮占54.1%～61.7%.说明该区域常绿阔叶林表层土壤氮矿化形成的无机氮中硝态氮比例较大，在多雨条件下易造成潜在的氮淋失.

2.4 不同水分条件下土壤氮净矿化对温度的敏感性

由图4可知，各水分处理下土壤净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率的Q10值的变化范围为0.78～2.99，且Q10均呈现出15 ℃/5 ℃>25 ℃/15 ℃>35 ℃/25 ℃的变化规律.净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率的Q10值15 ℃/5 ℃的均显著高于25 ℃/15 ℃和35 ℃/25 ℃的，说明常绿阔叶林土壤氮矿化在5～15 ℃范内对温度最敏感，且随温度的升高Q10值逐渐降低.

不同小写字母表示在相同水分含量不同温度条件下净氨化速率(净硝化速率或氮净矿化速率)比值(15 ℃/5 ℃、25 ℃/15 ℃和35 ℃/25 ℃)间差异显著(P<0.05).(15 ℃/5 ℃、25 ℃/15 ℃和35 ℃/25 ℃分别表示15 ℃与5 ℃、25 ℃与15 ℃和35 ℃与25 ℃间净氮矿化速率、氨化速率及硝化速率的比值.The ratio of net ammoniation rate (net nitrification rate or net nitrogen mineralization rate under the same moisture content and different temperatures (15 ℃/5 ℃,25 ℃/15 ℃ and 35 ℃/25 ℃) has significant difference (P<0.05).The ratios of net nitrification rate,net ammonification rate and net nitrogen mineralization rate between 15 ℃ and 5 ℃,25 ℃ and 15 ℃,35 ℃ and 25 ℃,respectively.图4 不同水热条件下土壤净氨化速率、净硝化速率和净氮矿化速率Figure 4 Soil net ammonification rate,net nitrogen mineralization rate and net nitrification rate under different moistures and temperatures

2.5 水热条件对氮矿化的交互作用

由图5可知，温度和水分对土壤氮素矿化具有显著的交互作用.随温度升高和水分含量增加，土壤净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率均呈现出先升高后降低的趋势变化.通过拟合得出氮净矿化速率(y1)与水分含量(x1)和温度(x2)的二元二次回归方程为：y=-2.378 0+10.643 0x1+0.305 9x2-9.596 6x12-0.006 1x22+0.014 4x1x2(R2=0.962，n=48)，根据方程可估算出常绿阔叶林土壤在温度为为25.8 ℃和水分含量为57.4%FWC时可获得较高氮净矿化速率.对氨化速率(y2)和硝化

速率(y3)拟合二元二次回归方程得到：y2=-1.567 1+6.279 2x1+0.195 2x2-0.5639x12-0.003 9x22+0.011 3x1x2(R2=0.959)和y3=-0.810 9+4.363 8x1+0.110 7x2-3.957 7x12-0.002 2x22+0.003 2x1x2(R2= 0.957)，根据以上方程可估算出常绿阔叶林土壤在25.7～25.8 ℃和56.2%～58.3% FWC时可获得较高的净氨化速率和净硝化速率.

3 讨论

土壤温度对氮矿化过程的影响较大，在一定温度范围内，温度升高通常有利于提高土壤氮矿化速率[20].高建梅等[21]的研究发现，随海拔降低，温度逐渐升高，土壤氮净矿化速率和净硝化速率升高.Sierra等[22]的研究发现，在20～40 ℃范围内土壤氮矿化随温度升高而升高.Ineson等[23]的研究发现，温度升高增加了土壤氮矿化量.在5～35℃范围内，土壤氮素矿化速率与土壤温度呈正相关.本研究结果发现，随温度升高土壤净氨化、净硝化和氮净矿化速率均逐渐升高，且在25 ℃达到最大值之后，随温度的升高而降低.这与高建梅等[21]、Sierra等[22]和Ineson等[23]的研究结果有一定差异，可能与各研究中的土壤类型及其理化性质差异引起氮矿化速率对温度的响应不同有关[24].也可能是在一定范围内，培养温度升高引起土壤微生物数量和分解活力的增加[25]，利于氮矿化速率的升高；而超过最适温度后，导致土壤微生物活性下降，且土壤中氨的挥发增强[26]，土壤中的有效性氮含量也随之降低，导致实际测得的氮矿化速率降低.

图5 水热条件对土壤氮矿化的交互作用Figure 5 The three-dimensional diagram of interaction effect on soil net ammonification rate of moistures and temperatures

土壤水分是土壤生化反应和物理性质的重要载体[27]，土壤有效水分能通过制约土壤微生物的生长和活性来影响土壤的元素矿化，且土壤水分与矿化速率存在显著相关性[28].Steven等[29]的研究发现，氮矿化速率最高的土壤水分含量介于57%和78%田间持水量(平均为65%)之间，过高或过低的土壤水分含量均不利于土壤氮矿化速率的提高.Sde等[30]的研究发现，N矿化随土壤含水量的增加而增加(0%～20%water-filled pore space，WFPS).本研究发现，土壤净氨化、净硝化和氮净矿化速率随土壤含水量的增加逐渐增加，当土壤含水量为60%FWC时达到最大值，之后又随土壤含水量的增加而降低.这与前人研究结果基本一致，可能是土壤水分增加到一定值后，土壤中氧气含量降低，导致土壤微生物活力和数量降低，氨化和硝化速率也随之降低；此时厌氧的反硝化菌活性增强，硝态氮反硝化成为N2O和N2[31]，因而呈现出土壤硝态氮含量随土壤水分含量的增加而降低，氮净矿化速率也降低.由于全球气候变化引起的季节性干旱和短期强降雨等极端气候会引起土壤含水量过低或过高，都会降低土壤氮矿化速率，而使土壤供氮能力阶段性下降，且强降雨还可能提高土壤氮素的淋失和温室气体N2O的排放.

土壤温、湿度是影响氮矿化的最重要的环境因子，在一定温湿度范围内，氮矿化速率与水分和温度呈正相关，且存在一定的交互作用.虎瑞等[32]的研究发现，土壤水热条件对氮矿化速率存在显著交互作用，且在25 ℃和78%FWC时土壤的氮矿化速率最高.李悦等[33]的研究发现，9～40 ℃土壤氮矿化与温度呈显著正相关，而与土壤水分呈先增加后降低的变化趋势，在25 ℃和80% WHC时氮矿化速率最快.本研究采用室内培养法建立了土壤水热条件对土壤净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率的二元二次模型方程，并估算出土壤净氨化作用、净硝化作用和氮净矿化作用的最适土壤温度和含水量分别为25.7～25.8 ℃和56.2%～58.3%FWC.这与虎瑞等[32]和李悦等[33]的研究结果有一定差异，可能与不同研究地的土壤环境和生态类型不同有关；与石微等[14]对华西雨屏区柳杉人工林土壤氮矿化的研究中最佳水热组合为32.9 ℃和64.1 %FWC，也有一定的差异，说明在相同土壤类型下，不同林分的土壤理化性质对土壤氮矿化速率也有一定的影响.

Q10值表示10 ℃的温度区间内土壤氮素矿化速率增加的倍数，不仅可作为土壤氮矿化对温度响应的敏感性系数[24]；也是衡量土壤氮矿化对未来气候变化响应的重要参数.不同生态系统类型的土壤氮素矿化对温度变化的敏感程度也有一定的差异，Koch等[34]的研究发现，在0～30 ℃范围内，高寒地区土壤Q10值随温度的升高而降低，Q10值的范围为1.5～1.8.石薇等[14]的研究发现，柳杉人工林土壤净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率在5～15 ℃的Q10值均最大，且与15～35 ℃的Q10值差异显著，Q10值的范围为0.9～1.6.高俊琴等[35]的研究发现，高寒湿地沼泽土和泥炭土氮净矿化速率温度系数Q10值为0.9～4.5，Q10值在15～25 ℃时最高，对温度最为敏感.本研究发现，土壤净氨化、净硝化和氮净矿化速率Q10值为0.8～3.0，Q10值在15 ℃/5 ℃时最高.这与石薇等[14]研究结果类似，与Koch等[34]、高俊琴等[35]研究结果有一定差异，可能与林分类型和气候区域差异有关.

4 结论

随温度升高和水分含量增加，华西雨屏区黄壤的土壤净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率均呈先增加后降低的趋势变化，过高的温度和水分含量均会抑制土壤氮矿化.通过拟合二元二次回归方程估算出温度和水分含量分别为25.8 ℃和57.4% FWC时，可获得最大土壤氮净矿化速率.其中，土壤氮矿化在5～15 ℃范内对温度最敏感.气候变暖在一定程度上有利于提高华西雨屏区常绿阔叶林土壤供氮能力.