温度和水分对辽河保护区典型湿地土壤氮矿化的影响

于芳芳, 李法云, 贾庆宇

温度和水分对辽河保护区典型湿地土壤氮矿化的影响

于芳芳1, 2, 李法云1, 3, *, 贾庆宇4

1. 辽宁石油化工大学生态环境研究院, 抚顺 113001 2. 石油化工过程优化与节能技术国家地方工程实验室, 抚顺 113001 3. 湖南农业大学资源环境学院, 长沙 410128 4. 中国气象局沈阳大气环境研究所, 沈阳 110166

为研究辽河保护区湿地土壤的氮矿化特征, 以采自辽河保护区盘锦辽河口国家级自然保护区(滨海湿地)、石佛寺七星湿地公园(库塘湿地)、福德店东西辽河交汇口(河口湿地)的湿地土壤为研究对象, 采用室内模拟试验研究了温度和水分因子对不同类型湿地土壤氮矿化的影响。结果表明: 温度和湿地类型对土壤氨化速率和硝化速率影响极显著(<0.01), 三种类型湿地土壤的氨化速率均随温度的升高先上升后下降, 而水分、温度和水分的交互作用影响不显著(>0.05)。温度对土壤氮矿化量和净氮矿化速率的影响均极显著相关(<0.01), 温度影响表现为: 10℃<20℃<30℃。土壤含水率为60%—90%时, 水分对辽河保护区湿地土壤氨化、硝化和氮矿化的影响并不显著(>0.05)。30℃时, 土壤硝化速率随水分的增加而呈减少的趋势。湿地类型对土壤硝化速率、氮矿化量和净氮矿化速率的影响为: 盘锦滨海湿地>福德店河口湿地>七星库塘湿地。试验表明在60%—90%水分范围内, 温度升高将明显促进辽河保护区不同类型湿地土壤中氮的矿化过程。

辽河保护区; 温度; 水分; 湿地类型; 土壤氮矿化

0 前言

土壤氮矿化是湿地生态系统氮循环的重要过程, 在一定程度上限制着湿地系统的生产力的高低[1]。土壤氮矿化是指土壤中难溶的有机氮在微生物的作用下最终转化为可被植物吸收利用的可溶性无机氮(主要为NH4+-N和NO3--N)的过程[2]。研究表明, 氮矿化过程受环境因子、凋落物、土壤有机质和土壤微生物等因素的影响, 其中环境因子对土壤氮矿化的影响尤为显著, 而在环境因子中温度和水分是最重要的影响因子[3-7]。Gao等[8]对阿尔卑斯山沼泽湿地土壤的研究发现, N矿化作用在35 ℃时最强, Guntinas等[9]对森林、草地和农田土壤的研究得出了相同的结论。在适宜的水分条件下, 温度升高有助于保持微生物的呼吸作用, 从而促进土壤氮矿化过程[10]。

目前, 研究者对土壤氮矿化的研究工作已广泛开展, 由于不同地区土壤类型和微生物等各种因素的差异, 导致不同研究者研究结果不尽相同。对区域生态系统的研究造成一定的难度, 很难总结出普遍的规律, 且多数研究集中在森林[11]、农田[12–14]、草原[15-17]土壤。2010年5月, 辽宁省正式设立辽河保护区管理局, 体现了河流水生态环境保护和管理的思路创新和体制创新。辽河保护区“十二五”规划提出“一条生命线, 一张湿地网”的水生态环境保护思路, 流域内湿地面积显著增加。近年来, 虽然有关湿地土壤氮矿化的研究逐渐增加[18], 但对于大型河流设区划局后不同类型湿地中氮素转化过程的对比研究较少。本研究以辽河保护区三种典型类型湿地土壤为对象, 采用室内模拟培养的方法, 分析温度和水分对不同类型湿地土壤氮矿化的影响, 以期揭示湿地土壤氮的矿化作用对温度和水分的响应特征, 并为湿地生态系统气候变化、氮素生物地球化学循环过程以及湿地管理和修复提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区域位于辽河保护区内, 该区域范围是从位于东西辽河汇合处的昌图县福德店, 流经辽河干流于盘锦入海口注入渤海, 地理坐标为121 °41′—123°55′E, 40°47′—43°02′N, 流域面积2.8万km2。该地区地处我国东北气候区, 属于暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候, 年平均气温在4—9 ℃, 昼夜温差较大, 四季分明, 雨热同期, 全年1月份气温最低, 平均气温在-9—-18 ℃之间, 极端最低温在-30 ℃以下, 7月份温度最高, 平均在21—28 ℃之间, 极端最高温在37—43 ℃。降水主要集中在7—9月, 约占全年降雨量的72%, 年降水量集中在600—800 mm。辽河流域内分布着沈阳、鞍山和抚顺等重要城市, 人口众多, 经济发达, 是我国东北地区重要的经济区, 流域内分布有河流、湖泊、沼泽、水田、库塘等湿地类型, 优势种植物为芦苇, 辽河流域上游的湿地大多以库塘为主的人工湿地景观为主; 中下游地势平坦, 鱼塘众多, 以水田为主的人工湿地为主; 河口地段地势低洼, 水面宽阔, 主要以自然湿地为主, 对维持辽河生态安全与稳定, 支撑流域社会经济发展发挥着重要的作用[19]。

1.2 样品采集与处理

2017年11月中旬, 在盘锦辽河口国家湿地公园(121°57′E, 40°56′N)、石佛寺七星湿地公园(123°25′E, 42°9′N)及福德店东辽河口和西辽河交汇口(123°32′E, 42°58′N) 3个样点采集土壤样品, 分别代表辽河保护区滨海、库塘和河口3类典型的湿地类型。采用多点取样的方法, 分别采集0—10 cm的表层土壤, 多个采集点的土壤充分混合形成一个土壤样品, 并装入密闭自封袋中, 样品尽快运回实验室, 一部分在4℃冰箱中保存, 另一部分于室内干燥通风处自然风干, 去除树枝石块等杂质, 进行研磨、过2 mm筛, 充分混匀后保存于干净的自封袋中备用。供试土壤的基本理化性质见表1。

表1 供试土壤(0—10 cm)基本理化性质

注： 数据为平均值±SD(n=3), 同列不同小写字母表示差异显著(<0.05), 相同字母表示差异不显著(>0.05)。

1.3 试验设计

根据中国气象局沈阳大气环境研究所提供的2015—2017年的数据(图1), 该试验设计10 ℃、20 ℃和30 ℃, 3个温度梯度, 选取10月、5月和7月分别代表秋季、春季和夏季的典型代表月份, 模拟三个季节的湿地自然环境温度, 设计60%、70%、80%和90%质量含水率(Mass Water Content, MWC)4个水分梯度处理, 共12个处理, 每个处理设3次重复。称取过2 mm孔径土筛的风干土样80 g, 置于250 ml烧杯中, 采用重量法用蒸馏水调节上述四个含水率, 尽量减少对土样的扰动, 用塑料薄膜密封, 并扎几个小孔, 试验过程中对烧杯进行称重, 及时补充水分使各处理保持含水率不变。将试验样品分别放置在设定好温度的培养箱中, 培养周期为15天。分别在培养后的第3, 6, 9, 12和15天进行取样, 测定其铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO– 3-N)的浓度, 计算在一定的时间范围内土壤累积的氨化速率、硝化速率、净氮矿化速率和氮矿化量。

图1 2015—2017年5月、7月和10月的芦苇湿地平均气温(连线)和土壤质量含水率(柱状)数据

Figure 1 Data of average air temperature (line) and soil moisture content (column) of reed wetlands from May, July and October of 2015 to 2017

1.4 测定指标及方法

测定指标: 土壤pH值、含水率、有机质、铵态氮、硝态氮和全氮。土壤理化性质用常规法测定, 其中土壤pH值采用电位法(水土比5: 1)进行测定; 含水率采用烘干法; 土壤有机质的测定采用水合热重铬酸钾-比色法进行测定; 铵态氮采用2 mol·L-1浸提-靛酚蓝比色法测定; 硝态氮采用紫外分光光度法进行测定; 土壤样品经风干后过100目筛用凯氏定氮仪进行全氮测定。

1.5 数据计算

无机氮均以干物质为基础。土壤氨化速率和硝化速率是以培养后与培养前土壤中NH4+-N和的NO– 3- N差值来计算, 净氮矿化速率为单位时间内培养前后土壤中无机氮(NH4+-N+ NO– 3-N)含量的变化。计算公式如下:

1.6 数据处理与分析

使用Excel 2003和Origin 8.5软件对实验数据进行处理及绘图, 利用SPSS 24.0统计学软件, 对数据进行方差分析(ANOVA), 统计检验的显著性水平为=0.05。

2 结果与分析

2.1 温度和水分对辽河保护区湿地土壤氨化速率的影响

温度和水分是影响湿地土壤氨化速率的重要环境因子。由图2可以看出, 三类湿地土壤的氨化速率均随温度的升高先上升后下降。方差分析表明, 10 ℃、20 ℃和30 ℃培养温度下盘锦滨海湿地土壤的氨化速率的差异均达到极显著水平(<0.01)。七星库塘湿地土壤的氨化速率在10和20 ℃下及10和30 ℃下有极显著差异(<0.01), 但20 ℃和30 ℃差异不显著(>0.05)。福德店河口湿地土壤的氨化速率在10 ℃和20 ℃有极显著差异(<0.01), 20 ℃和30 ℃差异性显著(<0.05)。湿地类型及温度与湿地类型的交互作用与土壤氨化速率均极显著相关(<0.01), 而水分、温度和水分的交互作用对土壤氨化速率的影响不显著(表2), 这与陈伏生等[20]的研究结果相似。

2.2 温度和水分对辽河保护区湿地土壤硝化速率的影响

图3显示了温度对不同水分条件下土壤硝化速率的影响。温度和湿地类型对土壤硝化速率影响极显著(<0.01), 而水分、温度和水分的交互作用对其影响不显著(表2)。盘锦滨海湿地土壤的硝化速率除在温度10℃, 60%、70%、80%和90%四种含水率条件下以及温度20℃, 含水率80%和90%条件下为负值外, 其他条件下均为正值, 且最大值[(2.18± 0.05) mg·kg-1·d-1]出现在温度30℃, 含水率60%条件下。七星湿地土壤硝化速率除在温度10 ℃, 含水率70%时以及温度20℃的四种含水率条件下为负值外, 其余条件下均为正值。对于不同类型的湿地, 随温度的升高, 土壤硝化速率并未表现出明显一致的变化规律(图3), 说明土壤硝化过程的控制因素较为复杂。三种类型湿地土壤的硝化速率均在30 ℃, 含水率为60%时达到最大值, 分别为2.18、0.96和1.76 mg·kg-1·d-1。

注：图中不同小写字母表示差异显著，下同。

Figure 2 Dynamics of soil ammonification rate in different temperature, moisture and wetland types (A: Panjin coastal wetland; B: Qixing pond wetland; C: Fudedian estuary wetland)

图3 不同温度、水分和湿地类型的土壤硝化速率的动态变化(A: 盘锦滨海湿地; B: 七星库塘湿地; C: 福德店河口湿地)

Figure 3 Dynamics of soil nitrification rate in different temperature, moisture and wetland types (A: Panjin coastal wetland; B: Qixing pond wetland; C: Fudedian estuary wetland)

2.3 温度和水分对辽河保护区湿地土壤净氮矿化速率的影响

温度对土壤净氮矿化速率的影响极显著(< 0.01); 而水分、湿地类型、温度与水分的交互作用影响不显著(>0.05, 表2)。由图4可知, 不同类型湿地土壤净氮矿化速率在温度和水分的交互作用下呈明显的波动变化特征。盘锦滨海湿地土壤的净氮矿化速率除在10 ℃, 含水率70%、80%和90%条件下为负值时, 其他条件下均为正值, 并在温度30 ℃, 含水率60%时达到最大值[(1.33±0.13) mg·kg-1·d-1]。七星库塘湿地土壤的净氮矿化速率除在温度10 ℃, 含水率60%、70%、80%、90%和温度20 ℃, 含水率70%条件下为负值外, 其他条件下皆为正值, 并以温度30 ℃, 含水率70%最大[(1.34±0.03) mg·kg-1·d-1]。福德店河口湿地土壤的净氮矿化速率除在温度10 ℃, 四种含水率条件下为负值外, 其余条件下均为正值, 且在温度30 ℃, 含水率为80%时净氮矿化速率达到最大值[(1.59±0.12) mg·kg-1·d-1]。三类湿地土壤净氮矿化速率的变化范围分别为-0.18—1.33、-0.42—1.34和-0.50—1.59 mg·kg-1·d-1。总的来说, 三类湿地土壤净氮矿化速率的差异取决于土壤氮矿化过程和微生物对氮的固持过程的相对平衡, 正值说明土壤微生物的固持作用小于矿化作用, 负值说明土壤氮矿化作用较弱。从图中可以看出, 温度对土壤净氮矿化速率的影响表现为: 10 ℃<20 ℃<30 ℃, 这说明土壤微生物在较高温下比较活跃, 与邹亚丽等[21]对黄土高原草地土壤的研究结果是一致的, 由此可推断夏季时土壤氮矿化作用最强。

2.4 温度和水分对辽河保护区湿地土壤氮矿化量的影响

图5为不同温度和水分条件下三类湿地土壤净氮矿化量的动态变化。三种类型湿地土壤氮矿化量变化规律呈现出高度的一致性, 即温度为10 ℃时土壤氮矿化量最低且为负值, 超过10 ℃时, 随着温度升高, 土壤氮矿化量增幅逐渐增大, 土壤氮矿化量对温度的响应表现为: 10 ℃<20 ℃<30 ℃, 与土壤净氮矿化速率对温度的响应规律相同。在温度为30 ℃, 含水率为60%时盘锦滨海湿地土壤氮矿化量最高, 数值为(15.93±0.78 ) mg·kg-1, 含水率为70%和80%时, 土壤氮矿化量未表现出显著性差异, 当含水率为90%时, 土壤氮矿化量明显减少, 这可能是因为当含水率为90%时, 土壤微生物处于厌氧状态, 导致以反硝化细菌为主的厌氧细菌的作用增强, 进而使得土壤中部分无机氮以气体形式散失, 从而抑制了盘锦滨海湿地土壤的硝化作用[22]。七星库塘湿地土壤氮矿化量在温度为30 ℃, 含水率为70%时达到最大值, 为(16.11±1.12) mg·kg-1, 而在10 ℃, 80%含水率时最小, 为(-5.09±0.37) mg·kg-1。福德店河口湿地土壤氮矿化量在30 ℃, 80%条件时有最大值, 为(19.06±1.22) mg·kg-1, 虽然高于其他三个含水率, 但差异未达到显著性水平。

表2 温度、水分和湿地类型对土壤氮矿化效应影响的方差分析

注： T代表温度, M代表水分, W代表湿地类型。

图4 不同温度、水分和湿地类型的土壤净矿化速率的动态变化(A: 盘锦滨海湿地; B: 七星库塘湿地; C: 福德店河口湿地)

Figure 4 Dynamics of soil net mineralization rates in different temperature, moisture and wetland types (A: Panjin coastal wetland; B: Qixing pond wetland; C: Fudedian estuary wetland)

Figure 5 Effects of moisture on soil nitrogen mineralization in Panjin coastal wetland (A: Qixing pond wetland; B: and Fudedian estuary wetland; C: at different temperatures)

3 讨论

温度是影响土壤氮矿化过程的主要因素, 温度升高能增加土壤微生物的活性, 有利于提高土壤的氮矿化速率[23]。本研究室内模拟试验发现, 土壤氮矿化速率和氮矿化量均随温度升高而明显增大, 且有显著的正相关关系, 这与前人的研究结果一致[24-29]。其原因可能是, 随着温度的升高, 土壤微生物的活性逐渐增大, 开始对土壤有机氮进行分解, 而且这些微生物体内存在着一种对温度极其敏感的胞外酶, 产生的单体分子可有效的对有机氮进行分解, 因此土壤氮矿化速率和氮矿化量均明显增大。石薇等[30]研究发现, 各土壤水分条件下, 氨化速率均随温度的升高而增大, 而在本研究中, 土壤氨化速率随温度的升高呈现先增大后减小的趋势。造成不同结果的原因可能是与不同研究对象和土壤类型等因素有关, 其机理还有待进一步研究。

水分对土壤氮矿化速率的影响小于温度, 但适宜的水分仍可通过控制微生物的数量和活性来影响氮矿化过程[20,31–32]。本研究发现, 虽然各水分梯度间的氮矿化过程未达到显著差异, 但整体表现出, 含水率为60%和70%时, 土壤净氮矿化速率最大, 90%含水率时最小的趋势。这可能与土壤氮矿化的最适水分有关, 因此推断出土壤矿化速率的最适水分为60%左右, 此水分条件下微生物最为活跃, 且超过最适水分后, 水中O2含量减少, 微生物的活性及数量受到限制, 使得有机氮的矿化作用相对减弱[33–34]。土壤氨化速率未随含水率的变化出现明显的变化(图2), 说明在不同的水分条件下, 土壤中铵态氮含量基本稳定。其原因是当土壤充满水分时铵态氮的固持大于硝化作用, 且反硝化作用较强。本研究中, 三种类型湿地土壤的硝化速率均在30 ℃, 60%含水率时有最大值, 与张金波等[35]的研究结果相似。30℃时, 三种类型湿地土壤的硝化速率均随水分的增加而降低, 这可能是因为随着水分的增加, O2供应受到限制, 硝化速率则开始下降, 与Sitaula等[36]的研究一致。

本研究中, 整体而言, 盘锦滨海湿地土壤的硝化速率高于福德店河口湿地和七星库塘湿地。这可能与盘锦滨海湿地土壤pH较高有关, 土壤较高的pH会促进氮的矿化, 特别是土壤的硝化作用会随着pH的增大而增强, 这也是本研究中盘锦滨海湿地土壤的硝化速率和氮矿化量高于福德店河口湿地和七星库塘湿地的主要原因。Curtin[37]认为这是因为pH的升高增大了土壤有机质的可溶性, 为土壤中微生物提供丰富的含C、N基团的物质, 从而促进土壤有机氮矿化。

4 结论

(1)辽河保护区滨海、库塘和河口3种典型湿地土壤氮矿化过程受温度的影响最大, 其次为湿地类型, 相对来说水分条件的影响不显著。

(2)辽河保护区3种类型湿地土壤的氨化速率均随温度的升高先上升后下降; 硝化速率、净氮矿化速率和氮矿化量总体均表现为随着温度的升高而增大的趋势, 夏季是研究区域内湿地土壤氮矿化作用最强的季节。因此, 在夏季时采取措施对土壤中过多有效氮进行控制最为有效。

(3)湿地类型对土壤硝化速率的影响为: 盘锦滨海湿地>福德店河口湿地>七星库塘湿地, 盘锦湿地土壤氮矿化能力高于福德店湿地, 七星湿地土壤氮矿化能力相对最弱。

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Effects of temperature and moisture on soil nitrogen mineralization of typical wetland in Liaohe reservation zone

YU Fangfang1,2, LI Fayun1,3,*, JIA Qingyu4

1. Institute of Eco-environmental Sciences, Liaoning Shihua University, Fushun 113001, China 2. Petrochemical process optimization and energy-saving technology national local engineering laboratory, Fushun 113001, China 3. School of Resources and Environmental Science, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China 4. Institute of Atmospheric Environment, China Meteorological Administration, Shenyang 110166, China

A laboratory incubation experiment was conducted to investigate the effects of different temperatures and moisture conditions on the wetland soil nitrogen mineralization using Panjin coastal wetland,Qixing pond wetland and Fudedian estuary wetland soils as the research objective. The results showed that the ammonification rate and nitrification rate of soil were significantly affected by temperature and wetland type (<0.01). The ammonification rate of soil of three types of wetlands first increased and then decreased with the increase of temperature, while the interaction effect of water, temperature and water was not significant (>0.05). Temperature on soil nitrogen mineralization and the influence of the net nitrogen mineralization rate were extremely significant (< 0.01), and the temperature effect was shown as: 10 ℃ < 20 ℃ < 30 ℃. When soil moisture content was 60%-90%, the effect of water on soil ammonification, nitrification and nitrogen mineralization was not significant (>0.05). At 30 ℃, along with the increase of moisture soil nitrification rate showed a decrease trend. The influence of wetland type on soil nitrification rate, nitrogen mineralization rate and net nitrogen mineralization rate was as follows: Panjin coastal wetland > Fudian estuary wetland > Qixing pond wetland. The results showed that the soil nitrogen mineralization process in Liaohe reservation zone was significantly promoted by the temperature rise within the water content of 60%-90%.

Liaohe reservation zone; temperature; moisture; wetland types; mineralization of soil

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.06.014

S153

A

1008-8873(2019)06-098-08

2018-12-10;

2019-01-10

国家水体污染控制与治理科技重大专项课题资助(2017ZX07601003)

于芳芳(1991—), 女, 山东省济南人, 硕士研究生, 研究方向: 环境分析化学, E-mail: 785493536@qq.com

李法云, 男, 教授, 主要从事流域水污染控制与治理研究, E-mail: lnecology@163.com

于芳芳, 李法云, 贾庆宇. 温度和水分对辽河保护区典型湿地土壤氮矿化的影响[J]. 生态科学, 2019, 38(6): 98-105.

YU Fangfang, LI Fayun, JIA Qingyu.Effects of temperature and moisture on soil nitrogen mineralization of typical wetland in Liaohe reservation zone[J]. Ecological Science, 2019, 38(6): 98-105.