温度变化对尕海湿地不同退化梯度土壤氮矿化的影响

宋良翠，马维伟，李广，刘帅楠，陆刚

（甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州730070）

氮在植物生长中具有重要作用，它是植物生长所需要的大量元素之一，也是构成生物体最基本的元素之一，植物吸收和利用的氮素来源主要是土壤氮矿化和氮肥的施用［1］。土壤中可被植物直接吸收利用的氮素不足土壤全氮的2%，不能被植物直接吸收利用的氮，需要通过微生物的矿化作用将氮素转化为无机态氮来供植物利用［2］。前人开展了很多关于草地土壤氮矿化的影响方面的研究，在陇东黄土高原区的草地研究显示，重度放牧有利于草地土壤氮转化过程，提高土壤氮矿化、硝化速率［3］；但在内蒙古典型草原，研究发现中度放牧更有利于草地土壤氮矿化，而其他放牧对草地土壤氮矿化作用较小［4］。这些研究表明在不同气候条件下，不同放牧强度可能使草地退化，从而产生不同的土壤氮矿化作用。因此，沿草地退化梯度开展其土壤氮矿化作用对气候变化的响应具有很重要的意义。

在全球气候变化的背景下，温度升高将对土壤氮矿化产生深刻影响，这些影响将可能改变土壤氮的有效性，进而改变植物生长速率，从而对植被的碳汇功能产生影响［4］。温度作为影响土壤氮矿化过程的主要环境因子，能够改变土壤微生物的活性，其对土壤氮矿化过程的驱动作用受到广泛关注［5－8］。一些研究表明，温度升高能够促进土壤氮矿化作用，增加土壤净硝化、净氮矿化速率［5－8］。因此，研究温度变化对土壤氮矿化的影响对于理解全球气候变暖背景下土壤氮循环过程具有重要意义。

青藏高原湿地作为我国最重要的高寒湿地，对全球气候变化具有重要作用。地处青藏高原东南缘的尕海湿地，不仅是对气候变暖最为敏感的区域之一，也是受人类活动影响最为严重的区域之一。近年来，受过度放牧和气候变化等的影响，尕海湿地退化严重，主要表现为生物多样性、物种丰富度、土壤有机碳、氮含量及碳汇功能下降等［9－10］，进而使土壤氮矿化过程发生改变，但目前对这一改变规律仍不清楚。与此同时，国内对土壤氮矿化的研究主要集中在农田［11－12］、森林［13－14］、内蒙古草原［15－16］和太湖湖滨带湿地［17］，而对高寒湿地土壤氮矿化的研究并不多见。因此，本研究通过室内温度控制试验，以尕海湿地区内不同退化梯度沼泽化草甸土壤为研究对象，分析温度变化对不同退化梯度高寒湿地土壤净氮矿化速率的影响，以期揭示高寒湿地土壤氮素的生物地球化学行为对全球气候变暖的响应，为高寒湿地土壤的质量演变及氮循环过程等研究提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

尕海湿地位于甘肃省碌曲县尕海－则岔国家级自然保护区内，区域总面积为56737 hm2，湿地面积为43176 hm2［18］。区域年平均气温1.2℃，年降水量781.8 m，年蒸发量1150.5 mm，年太阳总辐射量51983.9 J·cm－2，最热月份为7月，平均气温为12.4℃，最冷月份为1月，平均气温为－9.5℃。土壤类型主要包括暗色沼泽化草甸土、沼泽土和泥炭土等［19］。植被类型以甘肃嵩草（Kobresia tibetica）、线叶蒿（Artemisia subulata）、问荆（Equisetum arvense）、蕨麻（Potentilla anserina）、棘豆（Oxytropis falcata）、甘藏苔草（Carex moorcroftii）、散穗早熟禾（Poa subfastigiata）、冷蒿（Artemisia frigida）等为主［20］。

1.2 样地设置

本研究选择尕海沼泽化草甸为研究区域，采用空间序列代替时间序列生态学方法，以生长季可见原生湿地为中心向外延伸的办法，选择尕海湖为中心，沿着水分变化梯度，参考马玉寿等［21］对高寒湿地退化等级的划分，依据湿地植物种类组成、地上生物量、群落高度、群落盖度等指标，将沼泽化草甸划分为未退化（non-degraded，UD）、轻度退化（light degradation，LD）、中度退化（moderate degradation，MD）及重度退化（heavy degradation，HD）4种退化梯度，各退化梯度基本情况见表1［20］。

表1 样地基本情况［20］Table 1 Basic situation of plot

1.3 样品采集与处理

2019年7月在湿地内不同退化梯度样地采集鲜土，采用“蛇（S）”形7点法，在每个样地内用土钻取样，分别采集0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm土层的土样，相同土层的土样混合组成1个土样，四分法取部分，去掉植物残根和石块。将采集样品用保鲜袋装好带回实验室自然风干，磨碎后过2 mm筛，每个混合土样重复3次，用以测定土壤氮矿化量。

1.4 指标测定与方法

采用室内间歇淋洗好氧培养法［22］，具体试验过程如下：将过筛后的风干土称取10 g，加入10 g石英砂，混合均匀后加入少量蒸馏水（2.8～3.2 mL），使其形成具有良好结构的土砂混合物。采用60 mL的塑料注射器（淋洗管），放入一颗玻璃珠及20 g的石英砂，在其上面铺上少许玻璃丝，再将混合物移入淋洗管中，加入20 g石英砂，装好后将淋洗管轻轻摇晃几下，用0.01 mol·L－1的CaCl2溶液分10、20、30、40 mL依次进行淋洗，共用量为100 mL，淋洗后在每个淋 洗管中分别加入25 mL无氮营养 液，营养 液由0.002 mol·L－1CaSO4·2H2O、0.002 mol·L－1MgSO4（MgSO4·7H2O）、0.005 mol·L－1Ca（H2PO4）·2H2O和0.0025 mol·L－1K2SO4组成，盖上橡胶塞，抽去石英砂表面多余的营养液后用保鲜膜将其密封，分别放入15、25、35℃恒温培养箱进行培养，每隔1 d打开培养箱通气1 h，用称量法控制土壤水分，每2～3 d补水一次，分别在培养的12、24、36、48、69 d进行淋洗，过滤后在分光光度计上用浸提－靛酚蓝比色法测定土壤NH4+-N含量［23］和用稀释比色法测定土壤NO3－-N［24］含量。

1.5 土壤氮矿化量及其矿化速率计算

无机氮矿化量为培养后各次淋洗的土壤矿质氮之和。土壤氮矿（氨、硝）化速率（mg N·kg－1·d－1）计算公式如下［25］：

式中：C，C′，C″分别为氨态氮、硝态氮、总无机氮的矿化量（mg·kg－1），t为培养前的时间，t0为培养后的时间，M为土壤样品的质量。

土壤氮矿化过程用一级反应动力学模型模拟［26］：

式中：Nt是t时间内的累积矿化氮量（mg·kg－1）；N0是潜在可矿化氮量，也称氮矿化势（mg·kg－1）；t为培养时间（d）；k是矿化一级反应速率常数。

1.6 数据分析

采用Excel 2010整理数据，用SPSS 25.0进行统计分析。采用单因素方差分析（One-Way ANOVA）及多重比较法（LSD）分析湿地不同退化梯度各变量的差异显著性（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 温度对不同退化梯度尕海湿地土壤氨化速率的影响

在同一温度条件下，4种湿地退化梯度的土壤氨化速率随培养时间的延长呈现先增加后降低的趋势，整体表现为在培养初期氨化速率快，到后期趋于稳定，UD、LD、MD、HD的氨化速率变化范围分别是0.13～0.74 mg N·kg－1·d－1、0.16～0.68 mg N·kg－1·d－1、0.16～0.72 mg N·kg－1·d－1、0.14～0.71 mg N·kg－1·d－1。从退化梯度来看，35℃培养条件下，培养初期，UD的土壤氨化速率高于其他湿地退化梯度，而15和25℃时则不明显，但在同一湿地退化梯度，随温度升高，土壤氨化速率整体呈现出逐渐减小的趋势。由此可见，湿地退化降低了土壤氮氨化速率，尤其在培养初期，而温度升高抑制了土壤氨化过程（图1）。

图1 湿地不同退化梯度下土壤氨化速率Fig.1 Soil ammonification rate under different degradation gradients of wetlands

2.2 温度对不同退化梯度尕海湿地土壤硝化速率的影响

在同一温度条件下，4种退化梯度湿地的土壤硝化速率随培养时间的延长呈现逐渐减缓的趋势，整体表现为在培养初期硝化速率快，到后期趋于稳定，UD、LD、MD、HD的硝化速率变化范围分别是0.17～0.36 mg N·kg－1·d－1、0.13～0.34 mg N·kg－1·d－1、0.07～0.18 mg N·kg－1·d－1、0.09～0.16 mg N·kg－1·d－1。从退化梯度来看，UD的土壤硝化速率明显高于其他退化梯度湿地，而35℃时，UD明显高于MD和HD。但随着温度的升高，4种退化梯度湿地（UD、LD、MD、HD）土壤硝化速率均值表现为35℃（0.22、0.18、0.12、0.10 mg N·kg－1·d－1）＞25℃（0.15、0.11、0.08、0.07 mg N·kg－1·d－1）＞15℃（0.07、0.07、0.07、0.06 mg N·kg－1·d－1）。由此说明，湿地退化显著地降低土壤氮硝化速率，尤其在培养初期，而温度升高促进了土壤氮硝化过程和速率（图2）。

图2 湿地不同退化梯度下土壤硝化速率Fig.2 Soil nitrification rate under different degradation gradients of wetlands

2.3 温度对不同退化梯度尕海湿地土壤净氮矿化速率的影响

随培养时间的延长，4种退化梯度湿地、3个土层深度的土壤在3个温度梯度（15、25、35℃）的净氮矿化速率均呈先增加后减小的趋势，但在培养后期速率趋于减缓。将整个培养期划分为培养初期（12～24 d）、中期（24～48 d）和末期（48～69 d）。在培养初期，0～40 cm整个土层中UD、LD、MD、HD的净氮矿化速率快速增加，矿化速率最快，其均值范围分别为0.387～0.807 mg N·kg－1·d－1、0.366～0.714 mg N·kg－1·d－1、0.310～0.711 mg N·kg－1·d－1、0.267～0.718 mg N·kg－1·d－1；在培养中期，4种退化梯度湿地的净氮矿化速率随培养时间的延长继续增加，但矿化速率较初期慢；在培养末期，UD、LD、MD、HD的净氮矿化速率较中期有所下降，在相应土层其均值范围分别为0.857～0.936 mg N·kg－1·d－1、0.768～0.888 mg N·kg－1·d－1、0.777～0.890 mg N·kg－1·d－1、0.748～0.890 mg N·kg－1·d－1。在整个培养期内，15、25和35℃培养条件下，培养初期UD、MD、LD、HD的土壤氮矿化速率均值分别是培养末期的0.59、0.61、0.52、0.49倍，0.45、0.48、0.40、0.36倍，1.23、1.04、0.75、0.94倍（图3）。

在同一温度、同一土层，各湿地退化梯度的土壤净氮矿化速率随培养时间的延长逐渐增加，但中、后期增长速率减缓。在培养初期，各湿地退化梯度的净氮矿化速率均最大，其UD的净氮矿化速率高于MD、LD、HD，而培养时间继续增加时，净氮矿化速率增长幅度开始逐渐减缓（图3）。

当培养时间相同时，在同一土层和同一湿地退化梯度内，温度越高，氮矿化速率越快，但在不同温度下净氮矿化速率峰值不同，温度为15和25℃时，净氮矿化速率在48 d达到最大，而当温度为35℃时，净氮矿化速率在培养36 d达到最大，且在整个培养期内，净氮矿化速率随培养时间的延长变化幅度逐渐减小。可见，温度越高，氮矿化速率越易最先达到最大值，高温有利于氮的矿化过程的进行（图3）。

图3 湿地不同退化梯度下土壤净氮矿化速率Fig.3 Soil net nitrogen mineralization rate under different degradation gradients of wetlands

2.4 尕海湿地不同退化阶段土壤净氮矿化量

在同一温度条件下，随着土层深度的增加，4种退化梯度的土壤净氮矿化量呈现减少趋势，不同土层深度之间差异显著（P＜0.05）。说明土层深度对氮的矿化过程有一定的影响。各退化程度土壤净氮矿化量在同一温度、同一土层的均值变化明显不同。15℃培养条件下，除10～20 cm、20～40 cm、0～40 cm土层HD与其他退化梯度土壤净氮矿化量差异显著外（P＜0.05），其余各退化梯度土壤净氮矿化量差异不显著（P＞0.05）；25℃培养条件下，除0～10 cm土层UD和LD土壤净氮矿化量差异不显著，20～40 cm土层UD和LD、MD、HD土壤净氮矿化量差异不显著外（P＞0.05），其余各退化梯度土壤净氮矿化量差异显著（P＜0.05）；35℃培养条件下，UD与其余各退化梯度土壤净氮矿化量差异显著（P＜0.05）。在0～40 cm土层中，15、25、35℃三个培养条件中，各湿地退化程度下土壤净氮矿化量均值分别为MD（11.59 mg·kg－1）＞UD（11.56 mg·kg－1）＞LD（11.55 mg·kg－1）＞HD（11.11 mg·kg－1）、UD（12.68 mg·kg－1）＞LD（11.69 mg·kg－1）＞MD（11.52 mg·kg－1）＞HD（11.19 mg·kg－1）、UD（14.45 mg·kg－1）＞LD（13.25 mg·kg－1）＞MD（12.54 mg·kg－1）＞HD（11.53 mg·kg－1）。可以看出，随着湿地退化梯度的增加，土壤净氮矿化量减小，只有温度为15℃时，UD的土壤净氮矿化量低于LD；在同一土层深度下，各湿地退化梯度下土壤净氮矿化量随着温度的升高而增大，即35℃＞25℃＞15℃。可见，温度增加能够促进湿地土壤氮矿化过程（图4）。

图4 湿地不同退化梯度下土壤净氮矿化量Fig.4 Soil net nitrogen mineralization under different degradation gradients of wetlands

2.5 温度对不同退化梯度尕海湿地土壤氮矿化势和矿化反应速率常数的影响

在15℃培养条件下，土壤的氮矿化势（soil nitrogen mineralization potential，N0）排序为LD（4.154 mg·kg－1）＞UD（3.986 mg·kg－1）＞MD（3.661 mg·kg－1）＞HD（3.138 mg·kg－1），而25和35℃培养条件下，N0排序均表现为UD＞LD＞MD＞HD，且35℃时，UD的氮矿化势显著高于其他退化梯度（P＜0.05），在同一温度条件下，各退化梯度土壤的氮矿化一级反应速率常数（k）相对稳定，差异不显著（P＞0.05）；除LD外，在同一退化梯度下，各湿地N0随着温度升高而增加，而土壤的氮矿化一级反应速率常数（k）随着温度升高而降低，在35℃时UD的N0达到最大值，值为7.898 mg·kg－1（表2）。可见，湿地退化降低了N0，而温度升高增加了N0。

表2 不同温度下湿地不同退化梯度土壤氮矿化的一级动力学方程模拟值Table 2 Simulated values of first-order kinetic equations for soil nitrogen mineralization in different degradation gradients of wetlands at different temperatures

3 讨论

土壤氮矿化过程是氮循环的重要过程，在一定程度上反映出了氮素的有效性［27］，直接影响到湿地生态系统中氮元素的供应和植物的生长。不同土壤类型中土壤的理化性质有所差异，尤其是氮素的含量不同，加之外界因素的影响，会对氮矿化速率产生不同程度的影响。通过室内控制试验温度，研究土壤氮矿化量能够更好地反映不同湿地退化梯度下土壤中氮的转化形式。任雨佳等［28］研究发现，随着放牧强度的增加，土壤氮氨化速率和硝化速率显著增加，但本研究结果与其相反，本研究发现，10～20 cm和20～40 cm土层，未退化程度的土壤硝化速率显著高于其他湿地退化梯度，土壤氨化速率高于其他湿地退化程度，主要原因是未退化程度样地的生物量高，根系数量多，增加了有机物质的输入，为微生物提供了丰富的氮源，但随着湿地植被退化程度的增加，改变了植物群落的功能和结构，根系数量减少，氮源减少，微生物需要从土壤中吸收更多的无机氮来满足自身生长需要，从而促进了氮同化并导致硝化底物减少，硝化速率减小［29］，而硝化速率的减小使土壤中氨的消耗减弱，进而可能增加了氨的挥发损失，致使土壤底物中的氨下降，从而使氨化速率减小。陈懂懂等［30］研究发现，放牧有利于土壤氮矿化过程的进行，但本研究结果与其相反，本研究发现随着湿地退化梯度的增加，土壤氮矿化量和氮矿化速率逐渐下降，且随着培养时间的延长，各湿地退化梯度的土壤氮矿化速率呈现先增加后减小的规律，这与同小娟等［31］的研究结果一致，主要原因是随着湿地退化的加剧，微生物的分解作用减弱，在培养初期，土壤中微生物的活性高，作用较强，有机质的含量高，氮源丰富，在培养时释放出大量养分，与有机氮充分接触，加强了营养物的供应程度，土壤矿化量增加；随着培养时间的不断增加，在不同温度下，峰值出现时间不一致，峰值范围在36～48 d，原因是土壤底物逐渐减少，微生物对氮矿化的影响逐渐减弱，有机氮的矿化量峰值逐渐下降［31］。

温度在土壤氮矿化过程中具有重要影响，温度升高改变了土壤中微生物的活性，加快了土壤的氮矿化过程和速率［32］。巨晓棠等［33］通过研究农田土壤氮矿化，结果显示土壤氮矿化量随土壤温度的升高而增加。李贵才等［34］研究了森林土壤氮矿化影响因素，结果表明土壤温、湿度是影响土壤氮矿化的最主要因素，温度越高对氮矿化过程的进行越有利。Stanford等［35］通过长期间歇淋洗的方法发现，当温度在一定范围内，升高温度，氮矿化速率随之增大。本研究表明，温度变化对土壤氮矿化速率影响趋势一致，表现为随着温度的升高，土壤氮矿化速率呈现出逐渐增大的趋势。这进一步确认了温度升高有利于土壤氮矿化过程。分析其原因可能是在一定温度范围内，温度升高能够增加微生物体内酶的分解速率，加快有机氮的分解，使氮矿化速率明显增大，而当温度继续增加时，土壤中的矿化氮的积累量逐渐增多，对土壤有机氮的进一步矿化起到一定的抑制作用，使得矿化速率减弱［8，36－37］。35℃的氮矿化速率和硝化速率随培养时间的延长明显高于其他温度培养，主要原因是硝态氮不易被土壤胶体吸附，温度升高加快了土壤中矿质氮的转化速率，越有利于促进硝化速率［38］。从一级动力学方程的模拟值也可以得出，温度对土壤氮矿化具有很大影响，温度越高越利于土壤氮矿化的进行。因在同一温度下，不同退化程度土壤氮矿化反应速率常数（k）变化不明显，而土壤氮矿化势（N0）显著不同，故N0越大其氮矿化潜力越大［39］，35℃的土壤氮矿化势最大，故氮矿化潜力最大。此外，随着培养时间的延长，3个温度条件下不同退化梯度湿地土壤的硝化速率逐渐减弱，主要原因可能是反硝化作用的产生，使一部分氮以气态形式损失［38］。

一些研究发现，土层深度对土壤氮矿化量影响不同。Vervaet等［36］对森林土壤的氮矿化进行了研究，结果表明，土壤净氮矿化量随土层深度的增加而下降。巨晓棠等［33］对农田土壤氮矿化的研究表明，随着土层深度的增加，土壤氮矿化量逐渐下降。李贵才等［34］研究表明，土壤氮矿化量随着土层深度的增加而下降。本研究发现，土壤氮矿化量随着土层深度的增加而下降，与这些研究结果一致，但在不同植被退化阶段，下降幅度不同，除15℃培养条件外，湿地土壤未退化梯度下的氮矿化量始终高于其他梯度的氮矿化量，且在土层深度较浅时（0～10 cm），氮的矿化量更高，主要原因是在土壤表层，凋落物的数量多，温度和水分等外界因素的作用强烈，其分解速率快，而随着土层深度的增加，温度和水分等因素的作用减弱，土壤透气性逐渐降低，凋落物的分解速率下降，能够被降解的有机质减少，微生物的数量减少，微生物的分解和植物根系的作用成为底层土壤氮矿化的主要原因，故而氮矿化量随之下降。

室内培养试验排除了植物及外界环境对土壤氮矿化的影响，通过人为的调节试验温度可以为土壤微生物的活动提供适宜的温度条件，本研究发现，在15～35℃内，土壤净矿化速率和硝化速率均随着温度的升高逐渐增加，此范围可能是土壤微生物最适宜的温度范围，因此推测在外界温度达到试验温度时，微生物对氮的矿化过程影响极为显著，此研究结果有助于更为准确地评估未来气候变化对尕海湿地碳汇功能和氮生物地球化学循环过程的影响。

4 结论

1）在同一温度条件下，不同湿地退化梯度的土壤净氮矿化量随着土层深度的增加呈现减少趋势。0～10 cm土层的土壤净氮矿化量显著高于其他土层。

2）土层深度相同时，在同一温度条件下不同湿地退化梯度的土壤净氮矿化速率随着培养时间的延长先增加后减小，且整体表现为UD＞LD＞MD＞HD；不同湿地退化梯度的土壤硝化速率随培养时间的延长逐渐减小，氨化速率随培养时间的延长与净氮矿化速率变化趋势一致。

3）温度越高越利于土壤有机氮的矿化过程和硝化过程。在15～35℃，土壤氮净矿化速率和硝化速率均随着温度的升高逐渐增加，即15℃＜25℃＜35℃；氨化速率随温度的升高先增大后减小。从一级动力学方程的模拟值可以看出，在4种湿地退化梯度下，温度越高，N0越高，氮矿化潜力越大；同一温度下，UD下N0最大，氮矿化潜力最大。