哈溪林区土壤氮矿化随海拔植被变化特征

张恒平，张富，车宗玺，顾玉梅

（1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃祁连山国家级自然保护区管理局，甘肃 张掖734000；3.天祝藏族自治县哈溪镇人民政府，甘肃 天祝 733206）

祁连山是我国著名的高大山系之一，位于欧亚大陆中心，处于青—蒙—黄土高原交汇地带。受三大高原气候的影响，祁连山土壤、植被空间差异明显，尤其表现为植被自东南向西北逐渐荒漠化[1-2]。祁连山高海拔地区气候严寒，浅山区干旱少雨，自然条件恶劣，土壤养分的有效性受到限制，从而影响植被的生产力。土壤氮是植被生产力的主要影响因素，植被吸收的氮几乎都是通过微生物矿化作用从有机态转化为铵态和硝态2 种无机态有效氮，前者简称铵化，后者简称硝化。

土壤氮矿化是陆地生态系统氮素循环的重要过程，主要受水热及植被等要素的影响[3]，很大程度上决定陆地生态系统的初级生产力[4]，被认为是土壤氮循环的关键，是控制植物有效氮的主要过程[5]。因此，研究土壤氮矿化及其影响因素对探讨植被生产力和氮循环具有重要意义[6]。随着气候变化和陆地生态系统碳循环研究的深入，土壤氮循环及其影响因素的研究广受关注[7]。目前，国外土壤氮矿化研究主要集中在不同因素对土壤氮矿化动态的影响[3,8]、森林土壤氮矿化速率及其影响因素[9]、土壤氮矿化对气候变化的响应[10]等方面。我国土壤氮矿化研究主要在农田、森林和草原[11-13]等方面，以及土壤氮矿化的时空分布格局和与温度、水分等环境因子的相关性等研究[14-16]，但对土壤氮矿化在不同植被类型和海拔梯度上的特征研究还较少。因此，本研究以祁连山青海云杉林和草地2 种植被类型为研究对象，在不同海拔梯度上进行土壤氮矿化测定分析，了解其变化规律以及氮矿化过程与各因素之间的相关性，为研究祁连山地区土壤氮矿化对海拔变化的响应机制提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于甘肃祁连山国家级自然保护区哈溪自然保护站，分青海云杉林和草地2 个研究分区。青海云杉林研究分区102°23′～102°42′E、37°20′～37°30′N，草地研究分区102°19′～102°34′E、37°28′～37°39′N。气候高寒阴湿，年平均气温多在1.8 ℃，年降水量300～500 mm，主要集中在5～9 月，占全年降水量的89.2%，相对湿度50%～70%。主要植被为青海云杉Picea crassifolia、祁连圆柏Sabuna przewalskii等组成的高温性针叶林；灌木主要有吉拉柳Salix gilashanica、金 露 梅Potentilla fruticosa、爬 地 柏Sabina procumbens、鲜 黄 小 檗Berberis diaphana等；草本主要有珠芽蓼Polygonum viviparum、苔草Carex tristachya、藓生马先蒿Pedicularis muscicola等，林区土壤均为山地森林灰褐土[15]。

2 材料与方法

2.1 研究方法

野外试验采用顶盖埋管培养法，培养管采用PVC 管，管径7.5 cm，管长25 cm。沿海拔2 700 m、2 800 m、2 900 m、3 000 m、3 100 m 依次布设培养样方。每个海拔梯度设置3 个样方，样方四角用木桩标记。青海云杉林样方20 m×20 m，草地样方10 m×10 m。每个样方内随机选取4 个取样点，去除样点表层枯落物及腐殖质，每个样点分别将5 个PVC 管垂直打入土中，入土深20 cm。连同土体拔出培养管，下端用尼龙网和塑料布冠封后插回原洞。同时，每个PVC 管旁边用土钻各取2 个土样用于分析土壤养分，土钻直径5 cm，取样深20 cm。土样采集后及时带回实验室置于4 ℃恒温箱冷藏备用[6]。于2014 年6 月埋管，2015年6 月取管，土样从PVC 管中取出后及时带回实验室进行分析。凯氏定氮法测定土壤全氮含量，酚二磺酸比色法测定硝态氮含量，氧化镁浸提扩散法测定铵态氮含量[14]。

2.2 数据处理

土壤氮矿化量计算公式：W=W1-W0

土壤氮矿化比计算公式：R=(W/O0)×100%

式中：W为土壤氮矿化量mg/(kg·a)；W1为培养1 年后土壤中铵态氮和硝态氮含量mg/kg；W0为培养前土壤中初始铵态氮和硝态氮含量mg/kg；R为土壤氮矿化比；O0为培养前土壤中初始有机氮含量mg/kg。

3 结果与分析

3.1 矿化特征

由表1 看出，同一海拔梯度，青海云杉林与草地之间，矿化量和矿化比均有统计学差异，说明其数值的差异不属于随机误差，由试验因素即植被类型的不同导致。表1 显示，同一海拔梯度，青海云杉林矿化量和矿化比数值均大于草地近一个数量级，说明青海云杉林土壤氮矿化过程远比草地土壤强烈。

青海云杉林矿化量，根据统计学检验结果海拔分为4 组：2 700 m、3 000 m 为一组，其余海拔梯度各为一组，组内无统计学差异，说明其数值差异属于随机误差，同组试验因素即海拔梯度带来的效果相同；组间有统计学差异，说明其数值差异不属于随机误差，组间试验因素即海拔梯度带来的效果不同。青海云杉林矿化量2 800 m 海拔组数值最大，2 900 m 海拔组数值最小，说明青海云杉林土壤氮绝对矿化能力在海拔2 800 m 处最强，在海拔2 900 m 处最弱。青海云杉林矿化比，根据统计学检验结果海拔分为2 组：2 900 m 为一组，其余海拔为一组。青海云杉林矿化比在2 900 m 海拔组数值最大，说明青海云杉林土壤氮相对矿化能力在海拔2 900 m 处最强。

草地矿化量，根据统计学检验结果海拔分为4 组：2 900 m、3 000 m 为一组，其余海拔各为一组。表1 显示，草地矿化量2 900 m、3 000 m 海拔组数值最大，2 800 m 组数值最小，说明草地土壤氮绝对矿化能力在海拔2 900～3 000 m 处最强，在海拔2 800 m 处最弱。草地矿化比，根据统计学检验结果海拔分为4 组：2 700 m、2 900 m 为一组，其余海拔各为一组。草地矿化比3 000 m 海拔组数值最大，3 100 m 海拔组数值最小，说明草地土壤氮相对矿化能力在海拔3 000 m 处最强，在海拔3 100 m 处最弱。

表1 矿化量测定及其统计检验结果

3.2 铵化和硝化特征

由表2 看出，同一海拔梯度，青海云杉林与草地之间，土壤铵化和硝化量均有统计学差异，说明其数值差异不属于随机误差。表2 显示，同一海拔梯度，青海云杉林铵化和硝化量数值均显著大于草地，说明青海云杉林土壤氮铵化和硝化过程均强于草地。

由表2 可以看出，青海云杉林铵化量，根据统计学检验结果海拔分为5 组：每个海拔梯度各为一组。青海云杉林铵化量3 100 m 海拔组数值最大，2 800 m 海拔组数值最小，说明青海云杉林土壤氮铵化过程在海拔3 100 m 处最强，在海拔2 800 m 处最弱。青海云杉林硝化量，根据统计学检验结果海拔分为3 组：2 900 m 为一组，2 700 m、3 000 m、3 100 m 为一组，2 800 m为一组。青海云杉林硝化量在海拔2 800 m 数值最大，在海拔2 900 m 数值最小，说明青海云杉林土壤氮硝化过程在海拔2 800 mm 处最强，在海拔2 900 m 处最弱。

草地铵化量，根据统计学检验结果海拔分为5 组：每个海拔梯度各为一组。草地铵化量3 000 m 海拔组数值最大，2 800 m 海拔组数值最小，说明草地土壤氮铵化过程在海拔3 000 m 处最强，在海拔2 800 m 处最弱。草地硝化量，根据统计学检验结果海拔分为4 组：2 700 m、3 100 m 为一组，其余海拔梯度各为一组。草地硝化量2 900 m海拔组数值最大，2 700 m 海拔组数值最小，说明草地土壤氮硝化过程在海拔2 900 m 处最强，在海拔2 700 m 处最弱。

综合上述分析，海拔梯度相同时，青海云杉林土壤氮矿化以及铵化、硝化过程均显著强于草地；植被类型相同时，土壤氮绝对矿化与相对矿化、铵化、硝化能力随海拔变化过程各不相同。

表2 铵化和硝化量测定及其统计检验结果

4 结论

海拔梯度相同时，青海云杉林土壤氮矿化以及铵化、硝化过程均显著强于草地，前者矿化量高于后者近一个数量级；植被类型相同时，土壤氮绝对矿化、相对矿化、铵化、硝化能力随海拔变化过程各不相同。青海云杉林土壤氮矿化量在海拔2 800 m 处最大为156.77 mg/(kg·a)，2 900 m 处最小为92.60 mg/(kg·a)；相对矿化能力海拔2 900 m 处强于其余海拔梯度。草地土壤氮矿化量在海拔2 900～3 000 m 处最大为19.16～20.66 mg/(kg·a)，2 800 m 处最小为2.15 mg/(kg·a)；相对矿化能力在海拔3 000 m 处最强，在3 100 m 处最弱。青海云杉林土壤氮铵化过程在海拔3 100 m处最强，2 800 m 处最弱；硝化过程在海拔2 800 m 处最强，2 900 m 处最弱。草地土壤氮铵化过程在海拔3 000 m 处最强，2 800 m 处最弱；硝化过程在海拔2 900 m 处最强，2 700 m 处最弱。

本次研究与车宗玺[17]和徐宪根[18]等结果一致，海拔2 800 m 处青海云杉林土壤氮矿化过程最强，可能是因为在该处青海云杉林郁闭度最高[14]，该海拔梯度是祁连山青海云杉林分布最多的地段，林下草本和苔藓等生物量多，枯落物较多，土壤有机质含量高，适宜微生物的生长，从而导致土壤氮矿化过程最强。海拔2 900 m 土壤氮矿化量最低，但矿化比最高，可能是因为该地段独特的地理位置，该地段坡度较陡，海拔增加使得水土流失，土壤氮素淋溶等强度较大，微生物数量低所致。海拔2 900～3 100 m 青海云杉林土壤氮矿化过程逐渐增加，可能是因为随着海拔的升高气温降低，降水量增加，微生物的数量逐渐增加进而加剧了土壤氮素的流失所致。草地土壤氮矿化过程在海拔2 900～3 000 m 处最强，这可能是因为该处植被盖度均在90%以上[17]，地上生物量较高。土壤氮矿化量与群落植物密度，地上生物量之间呈显著正相关关系[6]，因此在海拔2 900～3 000 m处草地土壤氮矿化量较高。青海云杉林土壤氮硝化过程强于铵化过程，而草地土壤则是铵化过程强于硝化过程。这可能与不同植被类型向土壤中输入的有机质氮数量和质量、对降水的再分配和遮阴程度以及土壤微生物群落结构不同有关。