天山林區土壤總氮礦化過程對季節性凍融的響應

陳 磊,常順利,*,張毓濤,張云云

1 新疆大學資源與環境科學學院綠洲生態教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046 2 新疆林科院森林生態研究所, 烏魯木齊 830063

土壤凍融通常是因季節或晝夜氣溫變化而出現土壤凍結和融化的現象[1],其實質為土壤水的相態變化過程[2],凍融以多種方式影響著高緯度和高海拔區域的土壤氮素轉化過程[3]。氮礦化是森林土壤礦物氮的主要來源[4],其多受土壤pH值[5]、微生物量氮(Microbial biomass nitrogen, MBN)[6]、群落結構[5]和土壤酶活性[6]等因子的影響。國內外研究學者認為凍融過程會顯著影響凈氮礦化、反硝化和硝化等作用[3,7],另外水、熱等環境因子及微生物量氮對氮礦化過程有重要的影響[8]。

天山林區是干旱區山地的主要組成部分,對全球氣候變化十分敏感[20]。林區所處緯度與海拔較高,凍融時期長達4—6個月,在秋冬與冬春交替期間溫度變化較大[20]。由于冬季雪被覆蓋,野外調查與取樣較為困難,該區冬季土壤氮礦化動態及影響因素的研究仍相對缺乏。因此,本文在天山北坡林區設置不同類型植被樣地,根據測定數據分析土壤氮礦化動態及與水、熱環境因子的關系,擬回答以下科學問題：(1)凍融期間天山林區不同群落類型土壤總氮礦化速率、累積量及季節貢獻率；(2)各氮素之間的相關關系以及溫度、含水率和MBN等因素對土壤總氮礦化速率的影響。以便深入了解凍融期天山林區土壤氮循環過程及凍融期土壤氮素轉化和遷移,以期為天山林區可持續經營提供理論指導,同時為該地區氮循環提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

以中國森林生態系統研究網絡(China Forest Ecology Research Net, CFERN)天山森林生態系統定位研究站(43°24′48″—43°26′18″N, 87°27′29″—87°28′48″E)為依托進行樣地布設及采樣,定位站海拔為1908 m。屬溫帶大陸性氣候,最熱月平均氣溫為 10—16℃,最冷月平均氣溫-11— -9℃,年降水量350—600 mm,雨季集中在6—8月,年蒸發量980—1150 mm,年均相對濕度65%,平均無霜期89 d,≥10℃積溫為1170.5℃,最大積雪深度為65 cm。土壤凍結期為11月初至次年4月底,持續6個月。天山云杉溫帶針葉林為該地植被類型的優勢種,郁閉度約為0.4—0.8,林下土壤為山地灰褐色森林土[21]。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計與采樣方法

于2017年9月植物生長季末期在定位站附近的喬木林地(woodland)、灌叢(bushland)和草地(grassland)3個群落結構中,分別隨機布設3個20 m20 m的樣方(圖1)。在每個樣地內布設40根不銹鋼管(鋼管直徑為11 cm、長度為20 cm、管壁厚度為2 mm),平行每隔約7 m設4排,每排10根土柱。因鋼管較為堅固、管壁較薄,取用厚木板置于其上截面部分,垂直敲擊鋼管于土壤中(為防止部分根系被切斷后植物死亡,需要為每個土柱補充200 mL水)。為凍結期時方便取樣,在每個鋼管的外管壁套塑料薄膜,距上截面1.5 cm處對稱開孔(孔徑為0.5 mm)。其中每個樣地20根用于測定礦質氮含量和凈氮礦化速率,另外20根用于測定總氮礦化速率,共布設360根。

圖1 樣地布設圖Fig.1 Sampling plot layout

為測定總氨化和總硝化速率,在每個樣地中隨機取出2個土柱,分別對土柱進行K15NO3和(15NH4)2SO4同位素溶液標記(選取30%豐度,上海化工院),置于裝有冰袋的保溫箱中。另外,在每個樣地中隨機選取1個土柱(20個土柱按相鄰位置被分為10對),另一個土柱留待兩周的原位反應后采取,用于測定凈氮礦化速率和MBN含量。

為測定表層土壤(-5 cm)的溫度和含水率連續變化數據,在每種群落類型選取1個樣地布設便攜性溫度計(MicroLite 5032P-RH, Fourtec-Fourier Technologies, Israel)和FD探針(ECH2O- 5, Decagon Devices, Pullman, USA),設置每30 min采樣一次,每日分別產生48個溫、濕度數據,便于形成連續數據(圖2)。在樣地中心位置挖取1個5 cm淺坑(坑底需平整),將溫度計和FD探針放入后,復原土壤環境。每兩個月將溫濕度探測器的數據導入筆記本電腦中,并為探測器更換電池。日均降水、日均氣溫等數據由定位站提供。分別在秋季凍融期(AFP, Autumn Freeze-thaw Period, 2017.11.01—2017.11.17),凍結期(CFP, Constantly Frozen Period, 2017.11.17—2018.3.12)和次年春季凍融期(SFP, Spring Freeze-thaw Period, 2018.3.12—2018.4.15)進行采樣(每月的中旬或下旬各1次),共采10次。

1.2.2 實驗室分析方法

利用15N稀釋技術確定總氨化和總硝化速率[22],將土柱置于恒溫恒濕培養箱中培養(溫度設為樣地前三日平均土壤溫度)。標記后的18小時(t1)和42小時后(t2),分別取出樣品置于冰箱冷凍室中(-20℃)存放,以便送往檢測機構(ICAS英格爾檢測認證集團, 上海)測得不同培養時間的15N豐度。另外,將采集的土壤樣品經過自然風干后過0.149 mm篩(100目)。土壤硝態N含量使用酚二磺酸比色法測定,銨態氮利用靛酚藍比色法測定,MBN用氯仿熏蒸-提取(FE)法測定。另外土壤含水率用稱重法測定(105℃, 12 h)。

1.2.3 氮礦化速率及氮轉化累積量計算方法

在查閱文獻的基礎上,結合本實驗研究現狀,采用Kirkham和Bartholomew給定的公式確定總氮礦化速率[23]：

(1)

(2)

凈氮礦化速率采用以下公式[24]計算：

(3)

(4)

Rm=Ramm+Rnit

(5)

Ramm、Rnit、Rm分別代表土壤氨化速率、硝化速率和礦化速率(mg N kg-1d-1)。

N0=∑N1

(6)

(7)

N0為整個時期(2017.11.01—2018.04.15)的氮素累積量(kg N hm2a-1),N1為單次氮素轉化量(kg N hm2a-1),N2為AFP、CFP和SFP不同時期的氮素轉化量占比(%),如公式(7)所示。

1.2.4 數據處理與分析方法

采用Excel 2016和SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析,并利用Origin 8.5和Prism 7軟件作圖。通過雙因素方差分析(Two-Way ANOVA)來確定凍融時期及3種群落類型對總氮礦化、凈氮礦化和MBN的影響。用Pearson相關分析法分析土壤總氮礦化、凈氮礦化和微生物量氮之間相關性。用線性回歸模型來分析土壤溫度和含水率對總氮礦化、凈氮礦化和MBN的影響。

2 結果分析

2.1 凍融期土壤溫度、含水率的變化

為研究凍融期間土壤總氮礦化過程,本文對土壤表層日均含水率與日均溫度進行了監測(圖2)。2017年秋、冬季,天山林區土壤初次凍結于11月20日夜間形成,于白天土壤溫度高于0℃時結束。從2017年11月下旬至2018年3月下旬,≥20 cm深度的土壤處于凍結狀態。另外從2017年11月上旬至2018年4月末,土壤含水率增加了10.2%(圖2)。次年3月中旬至4月末為春季凍融期,這期間土壤頻繁發生凍結-融化現象。

2.2 凍融期總氮礦化速率及MBN含量變化

在整個時期間的總氨化速率(圖2)特征表現為隨著土壤溫度下降而持續下降,與總硝化速率和MBN含量相比,它以相反方向變化,即伴隨最小的氨化速率,土壤MBN含量處于上升位置。各個凍融時期,3種群落類型土壤總氨化速率較為接近。表層土壤總氨化速率于11月中旬達到峰值(6.75 mg N kg-1d-1),隨土壤含水率和土壤溫度的下降而至低點(1.3 mg N kg-1d-1),凍結期土壤總氨化速率變化不明顯。春季凍融期間,隨著土壤溫度和含水率的上升,總氨化速率緩慢上升(圖2)。

圖2 土壤總氮礦化速率、微生物量氮含量、溫度及含水率變化Fig.2 Dynamic changes in gross nitrification rate, gross ammonification rate, MBN content, temperature and moistureAFP：秋季凍融期Autumn freeze-thaw period；CFP：凍結期Constantly frozen period；SFP：次年春季凍融期Spring freeze-thaw period

與總氨化速率呈持續下降趨勢相比,總硝化速率在整個時期呈較為強烈的震蕩變化,數值在1.3—6.75 mg N kg-1d-1之間(12月中旬和4月中旬,以喬木林地土壤為例)。總硝化速率在秋季凍融過程中先增加至3.5—4.7 mg N kg-1d-1,隨著土壤溫度和含水率下降呈減小的趨勢(圖2)。從群落類型來看,在秋季凍融期林地土壤總硝化速率相較另外兩種類型土壤較高,并且上升速率提升更快。

土壤MBN含量隨著表層土壤凍結后下降,但12月中旬的一場降水致使土壤含水率上升,MBN含量隨之而增加。春季凍融期間溫度相較于凍結期有所回升,MBN含量隨之增加,但增幅不明顯(圖2)。整個凍融期間,林地土壤MBN含量始終大于灌叢和草地。

2.3 凍融期對總氮礦化累積量、季節貢獻率的影響

為了獲得氮轉化累積量,利用計算可以說明秋季和春季凍融期對整個凍融時期總氮礦化的重要性(公式 6, 公式7)。整個期間喬木林地、灌叢和草地表層土壤總氨化累積量分別為163.93 kg N hm2a-1、88.27 kg N hm2a-1和103.41 kg N hm2a-1,相同樣地類型在不同凍融時期有顯著差異(P<0.05)；而總硝化累積量為55.43 kg N hm2a-1、47.12 kg N hm2a-1和41.58 kg N hm2a-1,對總硝化作用來說,相同樣地類型在不同凍融時期也有顯著差異(P<0.05),并且喬木林地的總氨化和總硝化累積量最多。對于凈礦化作用來說,在相同時期不同群落類型土壤凈氨化和凈硝化累積量沒有顯著性差異(表1)。

秋季凍融期(17 d)的總氨化累積量均值占整個時期的29.5%,秋季凍融期總硝化量均值占比為57.1%；春季凍融期(32 d)總氨化占比為36%,總硝化占比為20.3%。總氨化在秋、春凍融時期與全部凍融時期占比為66%,總硝化轉化量占比為77.4%(表1)。

表1 總氮礦化累積量、凈氮礦化累積量在3種土地類型的不同時期所占比例

整體上凍融時期及3種群落類型對總氮礦化速率、凈氮礦化速率和MBN均有極顯著(P<0.01)的影響。群落結構對以上所有指標均有極顯著的影響(P<0.01),凍融期對除凈硝化速率以外所有指標都有極顯著(P<0.01)影響(表2)。

表2 凍融期及群落類型對總氮礦化速率、凈氮礦化速率和微生物量氮含量的影響

總氨化速率與總硝化速率、凈硝化速率、MBN呈極顯著的正相關關系(P<0.01),說明總氨化速率與總硝化速率之間有一定的相互影響,同時總氨化速率還受MBN的驅動作用；總硝化速率與凈硝化速率、凈氨化速率、凈硝化速率呈極顯著的正相關關系(P<0.01),其中凈氨化速率和凈硝化速率相關性較小,同時總硝化速率也受MBN的影響,總硝化速率和MBN、凈氨化速率和MBN速率為負相關關系,其中凈氨化速率和MBN速率之間呈極顯著負相關關系(P<0.01, 表3)。

表3 總氮礦化速率、凈氮礦化速率和微生物量氮含量之間相關性

2.4 土壤溫度及含水率對氮素動態的影響

在整個凍融時期,總氨化速率在整體上呈現出與土壤溫度相關關系一致的規律,但是3種群落類型的相關程度有所差異。隨著土壤溫度的升高,總氨化速率(林地和灌叢)顯著增加(P<0.05)；但MBN含量卻與土壤溫度表現相反,當土壤溫度升高時MBN(林地和草地)含量顯著降低(P<0.05, 圖3)。

圖3 土壤溫度對總氮礦化速率、凈氮礦化速率及微生物氮含量的影響Fig.3 Effects of daily mean soil temperature on gross N mineralization rate, net N mineralization rate and microbial biomass N content

當土壤含水率上升時,凈氨化速率(灌叢)、凈硝化速率(灌叢)和凈礦化速率(灌叢)顯著下降(P<0.05),而總硝化速率和土壤含水率之間沒有顯著相關關系(圖4)。

圖4 土壤溫度對總氮礦化速率、凈氮礦化速率及微生物氮含量的影響Fig.4 Effects of daily mean soil moisture on gross N mineralization rate, net N mineralization rate and microbial biomass N content

3 討論

3.1 凍融對氮礦化速率動態的影響

3.1.1 凍融對總氮礦化速率的影響

總氮礦速率能夠反應土壤氮素周轉情況和供氮能力,對認識植物獲得可利用無機氮及生態系統氮素流失的途徑起到重要作用[22]。凍融時期氮礦化速率動態變化得知,凍融過程中土壤溫度對總氨化速率和總硝化速率影響顯著(P<0.05, 圖3),凍融期的總氮礦化速率比凍結期更高(圖2)。這一觀點得到了幾項在草原、農業上研究的支持[25-26],這些研究認為在凍融時期極端低溫改變了土壤結構,影響土壤團粒大小和穩定性,繼而影響氮素的循環和流失,使得凍融條件下總氨化和總硝化速率較高,從而促進了土壤的氮礦化過程[25-26](圖2)。對比凍結期,秋季、春季凍融期的總氨化量和總硝化量占比為一半以上(表1),與內蒙古草原土壤總氮轉換量的研究結果相符[2],這一時期土壤溫度和含水率有所上升,微生物也更加活躍,土壤中氮素礦化過程增長更為明顯[27]。

3.1.2 凍融條件下總氮礦化速率與凈氮礦化速率的關系

本研究通過對比總氮礦化和凈氮礦化累積量后發現,總氮礦化累積量為83.29 kg N hm2a-1,凈氮礦化累積量為3.53 kg N hm2a-1,前者是后者的23.59倍(表1)。這一結果與前人研究相近,表明總礦化累積量和凈礦化累積量的比值約為23倍左右[9]。當森林土壤小型無機氮庫的產生和固定速率較快時,僅考慮凈礦化速率可能會低估氮的累積量[30]。對內華達山脈森林土壤的研究中,凈氨化年累積量為16—37 kg N hm2a-1,而總氨化量約為此的7倍[31]。

3.1.3 凍融條件下不同群落類型對總氮礦化速率的影響

3.2 凍融條件下土壤溫度、含水率及MBN對總氮礦化的影響

3.2.1 凍融條件下土壤溫度、含水率對總氮礦化的影響

3.2.2 凍融條件下土壤MBN含量對總氮礦化速率的影響

土壤溫度和含水率對土壤氮礦化速率的影響主要是通過改變微生物的生理特征而進行[37]。凍融過程使微生物群落數量及多樣性顯著降低,當土壤微生物死亡后,殘余微生物利用其營養物質的恢復力直接決定土壤氮礦化周轉能力[37]。隨著土壤MBN含量增加,總氨化速率顯著增加(P<0.01, 表3)。相關研究表明,凍融對土壤微生物區系、數量和酶活性上均有影響[38]。當土壤溫度下降時,土壤中冰晶體的膨脹和擴充使得微生物細胞膜和細胞壁有機械損傷,從而導致細胞形態發生變化[38]；另外當土壤水凍結時,水溶液發生濃縮,微生物細胞滲透壓失去平衡,細胞膜流動性減少,導致細胞受到傷害[38]。

在本研究中,群落類型和凍融過程對MBN有極顯著的影響(P<0.01, 表2)。這與奧地利溫帶山毛櫸林土壤觀察的現象相似,微生物生物量的周轉和演替是土壤中可利用氮的主要來源[39],凍融期土壤中MBN的累積可能會改善不同生態系統的氮利用效率(表2, 表3)。因為3種群落類型土壤的結構和孔隙度不同,當凍融事件發生時土壤孔隙中儲存的水分和氧氣均會有所變化,當氧氣擴散到達一定限度時,微生物的有氧活動減少,氮礦化速率受到影響[40]。因此土壤溫度、含水率和MBN是控制氮循環和微生物活性的主要因素。土壤氮素可利用性及其對氣候變化的響應是預測氣候變化背景下陸地生態系統碳、氮收支的關鍵之處[40]。由于全新世時期天山林區的濕度值一直在增加[41],春、秋季凍融循環過程也受到影響,總氮礦化過程對凍融循環響應的量化工作能夠在一定程度上反映陸地生態系統的氮循環過程。

4 結論

綜上所述,在天山林區,凍融期內土壤以總氨化過程為主；秋、春凍融期總氮礦化累積量占全年的一半以上,并且凍融期的總氮礦化速率相比凍結期更高；對不同的群落類型而言,凍融過程對總氨化速率和總硝化速率的影響差異明顯。未來應進一步探究凍融條件下土壤氮礦化與碳礦化的協同效應及其氮素轉化的關鍵微生物過程與機制,進而了解天山云杉森林中各類氮轉化過程之間的關聯性。