温度对尕海退化湿地土壤硝化潜力的影响

宋良翠， 马维伟， 李 广， 龙永春， 常文华

(甘肃农业大学林学院， 甘肃 兰州 730070)

土壤硝化作用受放牧干扰、土壤温度和水分、土壤氮素含量、土壤性质等诸多因素的影响。已有很多学者针对禁牧和放牧活动开展了一些草地土壤氮硝化作用方面的研究，如王雪等[5]研究认为，放牧促进了氮的硝化作用，有利于土壤硝化过程的进行；而廖李容等[6]研究发现，禁牧显著提高了土壤硝态氮含量，促进了土壤氮硝化过程[6]。也有研究发现，适度放牧会促进土壤中氮硝化过程的进行，加快氮素的周转，有利于植物吸收和利用氮素[7]。可见，不同的植被类型及放牧强度均会对草地土壤氮硝化作用产生重要影响。在全球气候变化的背景下，温度升高将对土壤氮硝化作用产生深刻影响，这些影响将可能改变植物生长速率，进而对生态系统碳源汇功能产生影响[8]。同时，温度还能够改变土壤微生物的活性，是影响土壤氮硝化作用重要的调控因子[9]。Hu等[10]的研究发现，在较高温度区间(15～35℃)土壤氮硝化速率随温度升高而增加；同时，也有研究表明，温度升高能够促进土壤氮硝化作用，增加土壤氮净硝化速率[11]。以上学者的研究多集中于放牧强度或温度某一单一因素对土壤硝化作用的影响，而放牧对土壤氮硝化作用受到温度的影响，尤其是关于温度对不同放牧强度土壤氮硝化的影响规律尚不清楚，这一定程度阻碍了对草地土壤氮硝化作用影响规律的认识。

尕海湿地位于青藏高原东南缘，是青藏高原湿地的重要组成部分，也是受人类干扰影响最为严重的区域之一[12]。近年来，受全球气候变暖和过度放牧等的影响，尕海湿地退化严重，目前对此区域的研究主要集中在生物多样性、土壤有机碳、氮含量等方面[13-14]，对湿地退化过程中土壤硝化过程的研究未见报道。与此同时，国内对土壤硝化作用的研究主要集中在农田[15]、森林[16]、草原[17]和辽河保护区典型湿地土壤[18]，而对高寒湿地不同退化程度土壤硝化作用对温度变化响应的研究鲜有报道，尤其是关于湿地退化过程中土壤氮硝化的室内模拟研究未见报道。鉴于此，本研究通过室内温度控制试验，以尕海湿地区不同退化程度沼泽化草甸土壤为研究对象，综合考虑干扰强度和温度对高寒湿地土壤氮硝化作用的影响，分析温度变化对不同退化程度高寒湿地土壤硝化过程的影响规律，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 供试土壤

供试土壤于2020年5月(非生长季)在尕海沼泽化草甸(33°58′～34°32′ N，102°09′～102°46′ E)采集，该区年平均气温1.2℃，年降水量781.8 m，年蒸发量1 150.5 mm。植被类型以甘肃嵩草(Kobresiakansuensis)、问荆(Equisetumarvense)、蕨麻(Potentillaanserina)、棘豆(Oxytropis)、甘藏苔草(Carexmoorcroftii)、散穗早熟禾(Poasubfastigiata)、冷蒿(Artemisiafrigida)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)等为主[12]。供试的4种退化程度的土样分别采集于前期团队研究确定的退化样地，即未退化(UD)、轻度退化(LD)、中度退化(MD)及重度退化(HD)，样地详细情况见表1[19]。采用“蛇”形7点法用土钻采集0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm土层土样，混合均匀，7点中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，用以测定土壤硝态氮含量。土壤的基本理化性质见表2[20]。

表1 样地基本情况[19]

表2 土壤的基本理化性质[20]

利用EM50数据收集系统(Decagon Devices,Inc.,NE,USA)监测土壤温度数据，每10 min记录一次数据。

1.2 试验设计

采用室内恒温培养法测定不同土层、不同退化程度湿地土壤氮硝化作用[9]，设置4个湿地退化程度(未退化，轻度退化，中度退化，重度退化)、3个土层(0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm)，根据该区每10年气温上升0.4℃的特征[21]，模拟预测未来温度继续升高对不同退化程度湿地的影响，设置15℃，25℃，35℃3个温度水平，共36个组合处理，每个处理3次重复，共108个土样，将土样置于15℃，25℃，35℃的恒温培养箱中培养，使每个土样维持在其土壤田间持水量的40%(加水后每个土样完全润湿)。具体试验过程如下：称取过2 mm筛的风干土100 g，放入300 mL的塑料烧杯中，根据各湿地退化程度的田间持水量，用蒸馏水调节水分含量到试验设计的含水量，用保鲜膜封口，并在保鲜膜上扎2～3个小孔以保持适度透气，置于15℃，25℃，35℃的培养箱中进行培养，培养期间每2～3 d用称重法补充瓶内水分，将培养的各个塑料烧杯内的土样每次称取5 g鲜土，依次于培养的0 d，3 d，7 d，14 d，28 d，49 d，70 d，98 d从恒温箱中取出塑料烧杯取样(破坏性取样)，每个土样加入2 mol·L-1KCl溶液50 mL，在摇床上震荡1 h后浸提，用MgO-代氏合金蒸馏法[22]测定土壤中的硝态氮含量。

1.3 土壤硝态氮变化量及其硝化速率计算

土壤硝态氮变化量及硝化速率(mg·kg-1·d-1)计算公式[23]：

Δti=ti+1-ti

(1)

(2)

(3)

土壤均值净硝化速率=同一温度条件下7次培养间隔的土壤净硝化速率/7

(4)

式中，Δti表示时间间隔，Δc(NO3--N)i表示硝态氮的变化量，单位为mg·kg-1，c(NO3--N)i+1表示培养后的硝态氮含量，单位为mg·kg-1，c(NO3--N)i表示培养前的硝态氮含量，单位为mg·kg-1；ΔNRnit表示硝化速率，单位为mg·kg-1·d-1。

Q10值参考桂慧颖等[24]的方法，以25℃与15℃的比值、35℃与25℃的比值计算不同温度范围土壤净硝化速率，表示温度每升高10℃土壤净硝化速率增加的倍数。

1.4 数据分析

采用Excel 2010对数据进行初步整理，用SPSS 25.0软件进行数据统计分析。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)及多重比较法(LSD)分析湿地不同退化程度各变量的差异显著性(P=0.05)。采用双因素方差分析(Two-way ANOVA)分析比较湿地退化程度、温度及二者的交互作用。

2 结果与分析

2.1 土壤温度及硝态氮含量初始值变化特征

在0～40 cm土层，土壤平均温度随湿地退化程度的增加呈现先减小后增大的趋势，UD，MD，HD土壤温度分别比LD增加了0.3%，5.2%，7.7%(表3)。在同一土层，4种退化程度土壤初始硝态氮含量具有一定的差异(图1)，在0～10 cm土层，各退化程度土壤初始硝态氮含量MD最大(3.61 mg·kg-1)，UD最小(3.13 mg·kg-1)，各退化程度间差异不显著；在10～20 cm土层，土壤初始硝态氮含量范围为1.06～2.81 mg·kg-1，且HD与UD，LD之间差异显著(P<0.05)，与MD差异不显著；在20～40 cm土层，土壤初始硝态氮含量范围为1.00～3.23 mg·kg-1，且HD与其他退化程度差异显著(P<0.05)。除LD和HD土壤初始硝态氮含量在20～40 cm(1.63，3.23 mg·kg-1)土层大于10～20 cm(1.49，2.81 mg·kg-1)土层外，其他各退化程度土壤初始硝态氮含量随土层的降低而增加。

表3 不同退化程度湿地土壤温度变化特征

图1 不同退化程度湿地土壤初始硝态氮含量

双因素方差分析结果显示(表4)，退化程度、土层、退化程度和土层的交互作用对土壤初始硝态氮含量具有不同的影响。退化程度对土壤初始硝态氮含量影响不显著，土层及退化程度和土层的交互作用对土壤初始硝态氮含量影响显著(P<0.01)。

表4 湿地退化程度和土层交互作用下土壤初始硝态氮含量方差分析

2.2 温度对不同湿地退化程度土壤硝态氮含量的影响

15℃，25℃，35℃条件下，4种退化程度各土层土壤硝态氮含量均随培养时间的延长呈现先增大后减小的趋势(图2)。4种退化程度各土层土壤硝态氮含量随温度的变化存在一定差异：0～10 cm土层，4种退化程度(UD，LD，MD，HD)土壤硝态氮含量均值随温度的升高而增大，35℃最大，值分别为41.53，36.37，43.25，50.75 mg·kg-1；10～20 cm土层，UD，LD土壤硝态氮含量均值随温度的升高呈现先增大后减小的趋势，25℃条件下UD，LD土壤硝态氮含量较15℃分别增加了0.26%，0.30%，较35℃分别增加了0.17%，0.25%，而MD，HD硝态氮含量随温度的升高而增大，在35℃最大，值分别为26.80，41.45 mg·kg-1；20～40 cm土层，4种退化程度土壤硝态氮含量均值随温度的升高先增大后减小，25℃最大，值分别为21.90，21.43，18.99，22.92 mg·kg-1。4种退化程度各温度土壤硝态氮均随土层的加深而减小。在同一温度、同一土层条件下，各退化程度土壤硝态氮含量均值HD最高，且在35℃，0～10 cm土层值最大，为50.75 mg·kg-1。

图2 各湿地退化程度在不同培养时间下的土壤硝态氮含量

双因素方差分析结果表明，温度、湿地退化程度对各土层土壤硝态氮含量影响显著(表5)。在各土层中温度影响大于湿地退化程度的影响，说明在各土层温度对土壤硝态氮含量的影响比湿地退化程度的影响更显著。温度和湿地退化程度对各土层土壤硝态氮含量存在显著的交互作用(P<0.01)。

表5 湿地退化程度和温度交互作用下土壤硝态氮含量方差分析

2.3 温度对不同湿地退化程度土壤净硝化速率的影响

4种退化程度各土层土壤均值净硝化速率随温度的变化存在一定差异(图3)：0～10 cm土层，4种退化程度(UD,LD,MD,HD)土壤净硝化速率均值随温度的升高而增大，35℃最大，值分别为1.41，1.36，1.65，1.94 mg·kg-1·d-1，15℃最小，值分别为1.07，1.02，1.03，1.07 mg·kg-1·d-1；10～20 cm土层，UD，LD，MD土壤均值净硝化速率随温度的升高呈现先增大后减小的趋势，25℃分别比15℃增加了0.35%，0.36%，0.31%，分别比35℃增加了0.32%，0.36%，0.11%，而HD均值净硝化速率随温度的升高而增大，在35℃最大，值为1.59 mg·kg-1·d-1；20～40 cm土层，UD，LD，MD，HD土壤均值净硝化速率均随温度的升高先增大后减小，25℃分别比15℃增加了0.20%，0.11%，0.11%，0.22%，分别比35℃增加了0.24%，0.05%，0.03%，0.12%。4种退化程度各温度土壤净硝化速率均值均随土层的增加而减小。在同一温度、同一土层条件下，各退化程度土壤均值净硝化速率HD最高，且在35℃，0～10 cm土层值最大，值为1.94 mg·kg-1·d-1。

图3 湿地不同退化程度下土壤净硝化速率

双因素方差分析表明，温度、退化程度对各土层土壤硝化速率影响显著(表6)。由F值可以看出，在0～10 cm土层，温度的影响大于退化程度的影响，说明不同温度间差异比湿地退化程度更显著，而在10～20 cm和20～40 cm土层，退化程度的影响大于温度的影响，说明退化程度间差异比温度更显著。0～10 cm土层和10～20 cm土层，温度和退化程度对土壤硝化速率存在显著的交互作用(P<0.01)。

表6 湿地退化程度和温度交互作用下土壤硝化速率方差分析

2.4 不同湿地退化程度土壤氮净硝化对温度的敏感性(Q10)

4种退化程度各土层土壤净硝化速率Q10值在各温度间存在一定差异(图4)。在0～40 cm土层，4种退化程度(UD，LD，MD，HD)的Q10值变化范围分别为0.68～1.29，0.64～1.57，0.89～1.45，0.88～1.55，且各湿地退化程度土壤净硝化速率的温度敏感性(Q10)均表现为25℃/15℃>35℃/25℃(图4)，说明净硝化速率的增加倍数随温度的升高而降低。对同一土层、同一退化程度、不同温度下土壤氮净硝化Q10值进行单因素方差分析：除HD在10～20 cm土层和LD在20～40 cm土层的氮净硝化Q10值差异不显著外，其他各退化程度的氮净硝化Q10值在不同温度下差异显著(P<0.05)。

图4 不同退化程度湿地土壤氮净硝化的温度敏感性

3 讨论

Q10值表示温度每升高10℃土壤净硝化速率增加的倍数，不仅可以作为土壤氮素转化对温度响应的敏感性系数[34]，也是用来衡量土壤氮素转化对未来气候变化响应的重要参数。不同生态系统类型中土壤氮素硝化过程对温度变化的敏感程度也有一定的差异。本研究发现，不同湿地退化程度土壤净硝化速率Q10值不同，在0～40 cm土层，4种退化程度土壤的Q10值变化范围分别为0.68～1.29，0.64～1.57，0.89～1.45，0.88～1.55，且4种湿地退化程度各土层土壤净硝化速率的增加倍数随温度的升高而降低，这与Koch等[35]的研究结果一致。此外，本研究还发现，4种退化程度各土层土壤15℃升高到25℃的Q10值高于25℃升高到35℃，说明土壤净硝化在15℃～25℃的温度敏感性最高，这与高俊琴等[36]的研究结果一致，可能原因是在一定的温度范围内，随着土壤底物的减少，硝化过程所需的酶促反应步骤增多，所需的活化能越高，因此对温度升高的响应更加剧烈，从而Q10值较高[37]。

本试验主要采用室内培养法测定，室内培养试验排除了外界因素的影响，通过人为控制试验温度和土壤含水量能够为土壤微生物的活动提供适宜的生存条件。本文研究发现，在15℃～35℃温度范围内，不同湿地退化程度土壤在不同土层对温度的响应不同，但升高温度一定程度促进了硝化过程的进行，此研究结果可以较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。但由于试验培养过程中用称重法补充水分过程中会造成一定的误差，使测定结果出现一定偏差，因此，要了解硝化作用对温度的响应，还需结合野外试验进行研究。

4 结论

土壤氮硝化过程中，土壤硝态氮含量及土壤净硝化速率均值均随湿地退化程度的加剧而增加，而随土层加深减弱。由此说明，湿地退化增加了土壤净硝化速率，可能会增加土壤中的可利用氮含量，降低氮素对退化湿地土壤净初级生产力的限制作用。同时，各湿地退化程度土壤均值净硝化速率的温度敏感性(Q10)均表现为25℃/15℃>35℃/25℃，说明土壤净硝化速率的增加倍数随温度的升高而降低。