溫度對尕海退化濕地土壤硝化潛力的影響

宋良翠， 馬維偉， 李 廣， 龍永春， 常文華

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

土壤硝化作用受放牧干擾、土壤溫度和水分、土壤氮素含量、土壤性質(zhì)等諸多因素的影響。已有很多學(xué)者針對禁牧和放牧活動開展了一些草地土壤氮硝化作用方面的研究，如王雪等[5]研究認(rèn)為，放牧促進(jìn)了氮的硝化作用，有利于土壤硝化過程的進(jìn)行；而廖李容等[6]研究發(fā)現(xiàn)，禁牧顯著提高了土壤硝態(tài)氮含量，促進(jìn)了土壤氮硝化過程[6]。也有研究發(fā)現(xiàn)，適度放牧?xí)龠M(jìn)土壤中氮硝化過程的進(jìn)行，加快氮素的周轉(zhuǎn)，有利于植物吸收和利用氮素[7]。可見，不同的植被類型及放牧強(qiáng)度均會對草地土壤氮硝化作用產(chǎn)生重要影響。在全球氣候變化的背景下，溫度升高將對土壤氮硝化作用產(chǎn)生深刻影響，這些影響將可能改變植物生長速率，進(jìn)而對生態(tài)系統(tǒng)碳源匯功能產(chǎn)生影響[8]。同時(shí)，溫度還能夠改變土壤微生物的活性，是影響土壤氮硝化作用重要的調(diào)控因子[9]。Hu等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，在較高溫度區(qū)間(15～35℃)土壤氮硝化速率隨溫度升高而增加；同時(shí)，也有研究表明，溫度升高能夠促進(jìn)土壤氮硝化作用，增加土壤氮凈硝化速率[11]。以上學(xué)者的研究多集中于放牧強(qiáng)度或溫度某一單一因素對土壤硝化作用的影響，而放牧對土壤氮硝化作用受到溫度的影響，尤其是關(guān)于溫度對不同放牧強(qiáng)度土壤氮硝化的影響規(guī)律尚不清楚，這一定程度阻礙了對草地土壤氮硝化作用影響規(guī)律的認(rèn)識。

尕海濕地位于青藏高原東南緣，是青藏高原濕地的重要組成部分，也是受人類干擾影響最為嚴(yán)重的區(qū)域之一[12]。近年來，受全球氣候變暖和過度放牧等的影響，尕海濕地退化嚴(yán)重，目前對此區(qū)域的研究主要集中在生物多樣性、土壤有機(jī)碳、氮含量等方面[13-14]，對濕地退化過程中土壤硝化過程的研究未見報(bào)道。與此同時(shí)，國內(nèi)對土壤硝化作用的研究主要集中在農(nóng)田[15]、森林[16]、草原[17]和遼河保護(hù)區(qū)典型濕地土壤[18]，而對高寒濕地不同退化程度土壤硝化作用對溫度變化響應(yīng)的研究鮮有報(bào)道，尤其是關(guān)于濕地退化過程中土壤氮硝化的室內(nèi)模擬研究未見報(bào)道。鑒于此，本研究通過室內(nèi)溫度控制試驗(yàn)，以尕海濕地區(qū)不同退化程度沼澤化草甸土壤為研究對象，綜合考慮干擾強(qiáng)度和溫度對高寒濕地土壤氮硝化作用的影響，分析溫度變化對不同退化程度高寒濕地土壤硝化過程的影響規(guī)律，以期揭示高寒濕地土壤氮素的生物地球化學(xué)行為對全球氣候變暖的響應(yīng)，為高寒濕地土壤的質(zhì)量演變及氮循環(huán)過程等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤于2020年5月(非生長季)在尕海沼澤化草甸(33°58′～34°32′ N，102°09′～102°46′ E)采集，該區(qū)年平均氣溫1.2℃，年降水量781.8 m，年蒸發(fā)量1 150.5 mm。植被類型以甘肅嵩草(Kobresiakansuensis)、問荊(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)等為主[12]。供試的4種退化程度的土樣分別采集于前期團(tuán)隊(duì)研究確定的退化樣地，即未退化(UD)、輕度退化(LD)、中度退化(MD)及重度退化(HD)，樣地詳細(xì)情況見表1[19]。采用“蛇”形7點(diǎn)法用土鉆采集0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm土層土樣，混合均勻，7點(diǎn)中相同土層的土樣混合組成1個(gè)土樣，四分法取部分，去掉植物殘根和石塊。將采集樣品用保鮮袋裝好帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，磨碎后過2 mm篩，每個(gè)混合土樣重復(fù)3次，用以測定土壤硝態(tài)氮含量。土壤的基本理化性質(zhì)見表2[20]。

表1 樣地基本情況[19]

表2 土壤的基本理化性質(zhì)[20]

利用EM50數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)(Decagon Devices,Inc.,NE,USA)監(jiān)測土壤溫度數(shù)據(jù)，每10 min記錄一次數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)法測定不同土層、不同退化程度濕地土壤氮硝化作用[9]，設(shè)置4個(gè)濕地退化程度(未退化，輕度退化，中度退化，重度退化)、3個(gè)土層(0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm)，根據(jù)該區(qū)每10年氣溫上升0.4℃的特征[21]，模擬預(yù)測未來溫度繼續(xù)升高對不同退化程度濕地的影響，設(shè)置15℃，25℃，35℃3個(gè)溫度水平，共36個(gè)組合處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共108個(gè)土樣，將土樣置于15℃，25℃，35℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，使每個(gè)土樣維持在其土壤田間持水量的40%(加水后每個(gè)土樣完全潤濕)。具體試驗(yàn)過程如下：稱取過2 mm篩的風(fēng)干土100 g，放入300 mL的塑料燒杯中，根據(jù)各濕地退化程度的田間持水量，用蒸餾水調(diào)節(jié)水分含量到試驗(yàn)設(shè)計(jì)的含水量，用保鮮膜封口，并在保鮮膜上扎2～3個(gè)小孔以保持適度透氣，置于15℃，25℃，35℃的培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)期間每2～3 d用稱重法補(bǔ)充瓶內(nèi)水分，將培養(yǎng)的各個(gè)塑料燒杯內(nèi)的土樣每次稱取5 g鮮土，依次于培養(yǎng)的0 d，3 d，7 d，14 d，28 d，49 d，70 d，98 d從恒溫箱中取出塑料燒杯取樣(破壞性取樣)，每個(gè)土樣加入2 mol·L-1KCl溶液50 mL，在搖床上震蕩1 h后浸提，用MgO-代氏合金蒸餾法[22]測定土壤中的硝態(tài)氮含量。

1.3 土壤硝態(tài)氮變化量及其硝化速率計(jì)算

土壤硝態(tài)氮變化量及硝化速率(mg·kg-1·d-1)計(jì)算公式[23]：

Δti=ti+1-ti

(1)

(2)

(3)

土壤均值凈硝化速率=同一溫度條件下7次培養(yǎng)間隔的土壤凈硝化速率/7

(4)

式中，Δti表示時(shí)間間隔，Δc(NO3--N)i表示硝態(tài)氮的變化量，單位為mg·kg-1，c(NO3--N)i+1表示培養(yǎng)后的硝態(tài)氮含量，單位為mg·kg-1，c(NO3--N)i表示培養(yǎng)前的硝態(tài)氮含量，單位為mg·kg-1；ΔNRnit表示硝化速率，單位為mg·kg-1·d-1。

Q10值參考桂慧穎等[24]的方法，以25℃與15℃的比值、35℃與25℃的比值計(jì)算不同溫度范圍土壤凈硝化速率，表示溫度每升高10℃土壤凈硝化速率增加的倍數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，用SPSS 25.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)及多重比較法(LSD)分析濕地不同退化程度各變量的差異顯著性(P=0.05)。采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)分析比較濕地退化程度、溫度及二者的交互作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫度及硝態(tài)氮含量初始值變化特征

在0～40 cm土層，土壤平均溫度隨濕地退化程度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，UD，MD，HD土壤溫度分別比LD增加了0.3%，5.2%，7.7%(表3)。在同一土層，4種退化程度土壤初始硝態(tài)氮含量具有一定的差異(圖1)，在0～10 cm土層，各退化程度土壤初始硝態(tài)氮含量MD最大(3.61 mg·kg-1)，UD最小(3.13 mg·kg-1)，各退化程度間差異不顯著；在10～20 cm土層，土壤初始硝態(tài)氮含量范圍為1.06～2.81 mg·kg-1，且HD與UD，LD之間差異顯著(P<0.05)，與MD差異不顯著；在20～40 cm土層，土壤初始硝態(tài)氮含量范圍為1.00～3.23 mg·kg-1，且HD與其他退化程度差異顯著(P<0.05)。除LD和HD土壤初始硝態(tài)氮含量在20～40 cm(1.63，3.23 mg·kg-1)土層大于10～20 cm(1.49，2.81 mg·kg-1)土層外，其他各退化程度土壤初始硝態(tài)氮含量隨土層的降低而增加。

表3 不同退化程度濕地土壤溫度變化特征

圖1 不同退化程度濕地土壤初始硝態(tài)氮含量

雙因素方差分析結(jié)果顯示(表4)，退化程度、土層、退化程度和土層的交互作用對土壤初始硝態(tài)氮含量具有不同的影響。退化程度對土壤初始硝態(tài)氮含量影響不顯著，土層及退化程度和土層的交互作用對土壤初始硝態(tài)氮含量影響顯著(P<0.01)。

表4 濕地退化程度和土層交互作用下土壤初始硝態(tài)氮含量方差分析

2.2 溫度對不同濕地退化程度土壤硝態(tài)氮含量的影響

15℃，25℃，35℃條件下，4種退化程度各土層土壤硝態(tài)氮含量均隨培養(yǎng)時(shí)間的延長呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(圖2)。4種退化程度各土層土壤硝態(tài)氮含量隨溫度的變化存在一定差異：0～10 cm土層，4種退化程度(UD，LD，MD，HD)土壤硝態(tài)氮含量均值隨溫度的升高而增大，35℃最大，值分別為41.53，36.37，43.25，50.75 mg·kg-1；10～20 cm土層，UD，LD土壤硝態(tài)氮含量均值隨溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，25℃條件下UD，LD土壤硝態(tài)氮含量較15℃分別增加了0.26%，0.30%，較35℃分別增加了0.17%，0.25%，而MD，HD硝態(tài)氮含量隨溫度的升高而增大，在35℃最大，值分別為26.80，41.45 mg·kg-1；20～40 cm土層，4種退化程度土壤硝態(tài)氮含量均值隨溫度的升高先增大后減小，25℃最大，值分別為21.90，21.43，18.99，22.92 mg·kg-1。4種退化程度各溫度土壤硝態(tài)氮均隨土層的加深而減小。在同一溫度、同一土層條件下，各退化程度土壤硝態(tài)氮含量均值HD最高，且在35℃，0～10 cm土層值最大，為50.75 mg·kg-1。

圖2 各濕地退化程度在不同培養(yǎng)時(shí)間下的土壤硝態(tài)氮含量

雙因素方差分析結(jié)果表明，溫度、濕地退化程度對各土層土壤硝態(tài)氮含量影響顯著(表5)。在各土層中溫度影響大于濕地退化程度的影響，說明在各土層溫度對土壤硝態(tài)氮含量的影響比濕地退化程度的影響更顯著。溫度和濕地退化程度對各土層土壤硝態(tài)氮含量存在顯著的交互作用(P<0.01)。

表5 濕地退化程度和溫度交互作用下土壤硝態(tài)氮含量方差分析

2.3 溫度對不同濕地退化程度土壤凈硝化速率的影響

4種退化程度各土層土壤均值凈硝化速率隨溫度的變化存在一定差異(圖3)：0～10 cm土層，4種退化程度(UD,LD,MD,HD)土壤凈硝化速率均值隨溫度的升高而增大，35℃最大，值分別為1.41，1.36，1.65，1.94 mg·kg-1·d-1，15℃最小，值分別為1.07，1.02，1.03，1.07 mg·kg-1·d-1；10～20 cm土層，UD，LD，MD土壤均值凈硝化速率隨溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，25℃分別比15℃增加了0.35%，0.36%，0.31%，分別比35℃增加了0.32%，0.36%，0.11%，而HD均值凈硝化速率隨溫度的升高而增大，在35℃最大，值為1.59 mg·kg-1·d-1；20～40 cm土層，UD，LD，MD，HD土壤均值凈硝化速率均隨溫度的升高先增大后減小，25℃分別比15℃增加了0.20%，0.11%，0.11%，0.22%，分別比35℃增加了0.24%，0.05%，0.03%，0.12%。4種退化程度各溫度土壤凈硝化速率均值均隨土層的增加而減小。在同一溫度、同一土層條件下，各退化程度土壤均值凈硝化速率HD最高，且在35℃，0～10 cm土層值最大，值為1.94 mg·kg-1·d-1。

圖3 濕地不同退化程度下土壤凈硝化速率

雙因素方差分析表明，溫度、退化程度對各土層土壤硝化速率影響顯著(表6)。由F值可以看出，在0～10 cm土層，溫度的影響大于退化程度的影響，說明不同溫度間差異比濕地退化程度更顯著，而在10～20 cm和20～40 cm土層，退化程度的影響大于溫度的影響，說明退化程度間差異比溫度更顯著。0～10 cm土層和10～20 cm土層，溫度和退化程度對土壤硝化速率存在顯著的交互作用(P<0.01)。

表6 濕地退化程度和溫度交互作用下土壤硝化速率方差分析

2.4 不同濕地退化程度土壤氮凈硝化對溫度的敏感性(Q10)

4種退化程度各土層土壤凈硝化速率Q10值在各溫度間存在一定差異(圖4)。在0～40 cm土層，4種退化程度(UD，LD，MD，HD)的Q10值變化范圍分別為0.68～1.29，0.64～1.57，0.89～1.45，0.88～1.55，且各濕地退化程度土壤凈硝化速率的溫度敏感性(Q10)均表現(xiàn)為25℃/15℃>35℃/25℃(圖4)，說明凈硝化速率的增加倍數(shù)隨溫度的升高而降低。對同一土層、同一退化程度、不同溫度下土壤氮凈硝化Q10值進(jìn)行單因素方差分析：除HD在10～20 cm土層和LD在20～40 cm土層的氮凈硝化Q10值差異不顯著外，其他各退化程度的氮凈硝化Q10值在不同溫度下差異顯著(P<0.05)。

圖4 不同退化程度濕地土壤氮凈硝化的溫度敏感性

3 討論

Q10值表示溫度每升高10℃土壤凈硝化速率增加的倍數(shù)，不僅可以作為土壤氮素轉(zhuǎn)化對溫度響應(yīng)的敏感性系數(shù)[34]，也是用來衡量土壤氮素轉(zhuǎn)化對未來氣候變化響應(yīng)的重要參數(shù)。不同生態(tài)系統(tǒng)類型中土壤氮素硝化過程對溫度變化的敏感程度也有一定的差異。本研究發(fā)現(xiàn)，不同濕地退化程度土壤凈硝化速率Q10值不同，在0～40 cm土層，4種退化程度土壤的Q10值變化范圍分別為0.68～1.29，0.64～1.57，0.89～1.45，0.88～1.55，且4種濕地退化程度各土層土壤凈硝化速率的增加倍數(shù)隨溫度的升高而降低，這與Koch等[35]的研究結(jié)果一致。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，4種退化程度各土層土壤15℃升高到25℃的Q10值高于25℃升高到35℃，說明土壤凈硝化在15℃～25℃的溫度敏感性最高，這與高俊琴等[36]的研究結(jié)果一致，可能原因是在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著土壤底物的減少，硝化過程所需的酶促反應(yīng)步驟增多，所需的活化能越高，因此對溫度升高的響應(yīng)更加劇烈，從而Q10值較高[37]。

本試驗(yàn)主要采用室內(nèi)培養(yǎng)法測定，室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)排除了外界因素的影響，通過人為控制試驗(yàn)溫度和土壤含水量能夠?yàn)橥寥牢⑸锏幕顒犹峁┻m宜的生存條件。本文研究發(fā)現(xiàn)，在15℃～35℃溫度范圍內(nèi)，不同濕地退化程度土壤在不同土層對溫度的響應(yīng)不同，但升高溫度一定程度促進(jìn)了硝化過程的進(jìn)行，此研究結(jié)果可以較準(zhǔn)確地評估未來氣候變化對尕海濕地碳匯功能和氮生物地球化學(xué)循環(huán)過程的影響。但由于試驗(yàn)培養(yǎng)過程中用稱重法補(bǔ)充水分過程中會造成一定的誤差，使測定結(jié)果出現(xiàn)一定偏差，因此，要了解硝化作用對溫度的響應(yīng)，還需結(jié)合野外試驗(yàn)進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

土壤氮硝化過程中，土壤硝態(tài)氮含量及土壤凈硝化速率均值均隨濕地退化程度的加劇而增加，而隨土層加深減弱。由此說明，濕地退化增加了土壤凈硝化速率，可能會增加土壤中的可利用氮含量，降低氮素對退化濕地土壤凈初級生產(chǎn)力的限制作用。同時(shí)，各濕地退化程度土壤均值凈硝化速率的溫度敏感性(Q10)均表現(xiàn)為25℃/15℃>35℃/25℃，說明土壤凈硝化速率的增加倍數(shù)隨溫度的升高而降低。