土壤氮素矿化是由微生物参与的复杂土壤生物化学过程, 直接决定着氮素的有效性, 是氮素生物地球化学循环的重要环节^[1-3], 并受多种因素的影响^[4-5]。巨晓棠等^[6]和刘杏认等^[7]的研究结果表明, 土壤水分的变幅与土壤的净氮矿化率呈正相关关系; 王常慧等^[8]发现, 氮素矿化量在-10~15 ℃对温度响应微弱, 在15~35 ℃随温度升高矿化量显著增加。除土壤温度和水分, 氮素矿化还受土壤微生物活性、植被类型及植物根系等的影响。如Paul等^[9]认为, 由于微生物活性在土层中呈下降趋势, 氮素矿化势也随土壤深度的加深而迅速下降; 傅声雷等^[10]在鼎湖山的研究表明, 季风常绿阔叶林下土壤氮的矿化高于其他植被类型; Mueller等^[11]的结果表明, 土壤氮素矿化速率与根系生物量极显著正相关。因此, 这些因素直接决定着土壤氮素矿化的季节动态特征及其对土地利用等人类活动的响应, 并影响着脆弱生态系统植被恢复和环境治理的效果。

黄土高原北部不但是风蚀和水蚀交错区, 同时是农牧业交错区, 生态脆弱, 水土流失严重^[12]。该区坡地面积占土地面积的70%以上^[13], 是土地退化的主要地理单元。20世纪70年代以来, 该区采取的飞播造林、退耕还林还草等措施, 在防治水土流失和土地退化方面取得了显著效果^[14-15], 也使坡地的植被类型发生了显著变化。坡面植被的变化, 不但对坡面土壤养分的分布和吸收利用等产生影响^[16], 而且直接改变了坡面不同位置的水热环境和生物学(土壤微生物、植物根系等)特征^[17], 从而对土壤养分循环过程(特别是氮素的转化)产生影响^[18], 并对坡面植被产生反馈作用。此外, 目前开展的植被类型对土壤养分循环的影响研究中, 很少考虑采样位置和坡位因素的影响, 而不同坡位、植被周围不同位置土壤养分含量及植物根系分布差异巨大, 必将对养分转化产生影响^[19]。

本文以黄土高原北部水蚀风蚀交错带和农牧交错带核心地带的柠条(Caragana korshinskii)和油松(Pinus tabulaeformis)坡地为对象, 研究了不同坡位植被冠层下和冠层外土壤矿质氮储量和氮素矿化动态特征, 以分析植被类型、坡位和采样位置对坡地土壤氮素转化的影响, 从而为生态环境脆弱区植被恢复条件下土壤氮素有效性评价提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本研究在中国科学院水利部水土保持研究所神木侵蚀与环境试验站六道沟小流域进行, 研究区位于黄土高原水蚀风蚀交错带和农牧交错带的核心位置, 属半干旱大陆性气候, 年均气温8.4 ℃, 月均最低气温-9.7 ℃(1月), 最高气温23.7 ℃(7月), 无霜期169 d, 年均降水量437.4 mm, 主要集中在6—9月份(占全年降水量的77.4%), 年蒸发量785.4 mm。研究区生态环境脆弱, 植被退化严重^[20]。20世纪70年代末期, 为了遏制土壤侵蚀并改善生态环境, 该区的坡耕地开始弃耕, 之后自然演替为以当地优势草种本氏针茅(Bunge needlegrass)为主的草地; 80年代初期开始在弃耕草地大量种植柠条和油松。研究区土壤类型包括干润砂质新成土、淤积人为新成土和侵蚀砂壤质新成土, 土壤容重介于1.26~1.53 g·cm^-3, 土壤砂粒含量较高(66%~80%), 黏粒含量很低(9%~15%), 土壤质地为砂壤土。

1.2 试验设计和氮素矿化速率测定

2008年4月在六道沟小流域选取退耕年限相近的油松坡地和柠条坡地各3个。每个坡地按上、中、下坡位分别设置样地(10 m×10 m), 在每个样地设置冠层下和冠层外采样小区各3个。在每个小区用环刀法测定0~10 cm和10~20 cm土层土壤容重, 用原位培养法测定生长季(4—10月)土壤氮素矿化速率。

测定时, 在每个小区选取5个点, 将直径5 cm、长22 cm的聚氯乙烯管筒(矿化管)垂直压进土体, 管上端留2 cm, 用透气薄膜覆盖并扎住, 原位培养1个月左右取出矿化管, 之后将5个点土样混匀分别测定0~10 cm和10~20 cm土层土壤矿质氮(硝态氮和铵态氮)含量, 同时测定土壤含水量, 并将下一批矿化管按同样方法埋在上批矿化管附近。每次埋设矿化管时, 在矿化管周围采集0~10 cm和10~20 cm土层土壤样品, 测定矿质氮含量, 作为培养期初始矿质氮含量, 并用其分析土壤矿质氮动态变化。利用培养前后矿质氮含量的差异和实际培养天数计算土壤氮素净矿化速率。

本研究分别在4月25日(T1＇)、5月25日(T2＇)、6月21日(T3＇)、7月22日(T4＇)、8月23日(T5＇)和10月15日(T6＇)测定土壤矿质氮含量, 在4月25日—5月25日(T1)、5月25日—6月21日(T2)、6月21日—7月22日(T3)、7月22日—8月23日(T4)和8月23日—10月15日(T5)测定土壤氮素矿化速率。采集的土壤样品(包括原位培养前和培养后的样品)装入样品袋中, 带回实验室测定矿质氮含量。土壤矿质氮含量用2 mol·L^-1 KCl浸提—流动分析仪(AA3, 德国Seal公司)测定。5个培养期降水量分别为21.7 mm、63.5 mm、19.1 mm、150.6 mm和140.5 mm, 平均气温分别为12.1 ℃、21.0 ℃、23.9 ℃、20.6 ℃和9.9 ℃。

1.3 数据处理

土壤硝态氮、铵态氮和总矿质氮储量计算公式为:

$ S = {C_i} \times d \times D \times {10^{-2}} $

(1)

式中: C_i为各土层硝态氮、铵态氮和总矿质氮含量(mg·kg^-1), d为土壤容重(g·cm^-3), D为土层厚度(cm), S为相应的矿质氮储量(g·m^-2)。

土壤矿化、硝化和铵化速率计算公式为:

$ {{\rm{NR}} = ({S_{i + 1}}-{S_i})/({t_{i + 1}}-{t_i})} $

(2)

$ {{\rm{AR}} = (S{'_{i + 1}}-S{'_i})/({t_{i + 1}}-{t_i})} $

(3)

$ {{\rm{MR}} = {\rm{NR}} + {\rm{AR}}} $

(4)

式中: NR、AR和MR分别为硝化速率、铵化速率和矿化速率(g·m^-2·d^-1), S与S＇分别为相应时期硝态氮与铵态氮的储量, t_i与t_i+1为培养前后时间。

本研究中用马氏距离(Mahalanobis distance)法去除异常值(马氏距离大于2.0的测定结果为异常值), 异常值判定用JMP(10.0)软件进行; 用Microsoft Excel 2007进行数据的原始计算, 用SPSS 22.0软件进行统计分析和作图; 用成对t检验法(Paired T test)表示不同采样位置的差异显著性; 用多元方差分析检验植被类型、采样位置和采样(培养)时期或坡位对土壤硝态氮、铵态氮和矿质氮储量及硝化速率、铵化速率和矿化速率的影响。

2 结果与分析 2.1 生长季土壤水分对林型、坡位和采样位置的动态响应特征

研究区土壤水分含量呈现出明显的季节动态特征, 在生长季前期(T1和T2)和末期(T4和T5)较高, 生长季中期(T3)较低(图 1a)。如生长季前期、中期和后期土壤水分含量在0~10 cm土层分别介于2.79%~13.89%、2.48%~7.65%和2.36%~14.42%, 在10~20 cm土层分别介于3.17%~16.23%、4.70%~ 10.06%和3.97%~16.67%。土壤水分含量的季节动态受采样位置和土层的影响。总体上0~10 cm土层土壤水分变异系数(38%~51%)大于10~20 cm土层(27%~36%), 而且冠层外的变异系数(31%~51%)大于冠层内(27%~40%), 表明冠层对降水的截留作用, 使其下土壤和深层土壤对水分的变化有着较为明显的缓冲作用。此外, 不同采样位置土壤水分含量变化还与坡位有关, 如上坡位和中坡位冠层下土壤水分含量在2个土层均低于冠层外土壤, 而下坡位则与此相反(图 1b)。

2.2 生长季土壤矿质氮对林型、坡位和采样位置的动态响应特征

研究区植物生长季土壤矿质氮以铵态氮为主, 其在0~10 cm和10~20 cm土层铵态氮储量分别占矿质氮总量的61%和70%;随生长季推移, 铵态氮的比例逐渐升高, 分别从生长季初期的37%和54%增长到生长季末期的75%和82%(图 2a)。此外, 油松冠层下和冠层外土壤铵态氮占矿质氮的比例接近(分别为69%和71%), 而柠条冠层下铵态氮比例显著低于冠层外(分别为54%和67%)(图 2a)。

土壤铵态氮在生长季中期较高(图 2a), 而且不受采样位置的影响, 但受坡位及其与林型之间交互作用的显著影响(表 1)。对于油松林来说, 上坡位和中坡位土壤铵态氮(0.37 g·m^-2和0.42 g·m^-2)显著高于下坡位土壤(0.27 g·m^-2); 对于柠条林来说, 不同坡位土壤铵态氮差异不显著(图 3a)。此外, 不同类型林地冠层下和冠层外土壤铵态氮差异也不显著(表 1, 表 2), 土壤硝态氮储量随生长季推移逐渐降低, 而且油松林冠层下2个土层硝态氮(0~0.61 g·m^-2和0~1.09 g·m^-2)和冠层外相近(0~0.85 g·m^-2和0~0.94 g·m^-2), 而柠条林冠层下相应土层硝态氮(0.08~1.08 g·m^-2和0.06~0.97 g·m^-2)则高于冠层外土壤(0.06~0.92 g·m^-2和0.03~0.68 g·m^-2)(图 2b)。此外, 本研究土壤硝态氮不受坡位的影响, 如上、中、下坡位硝态氮在0~10 cm土层分别介于0.02~0.92 g·m^-2、0~1.07 g·m^-2和0~1.09 g·m^-2, 在10~20 cm土层分别介于0~0.94 g·m^-2、0~1.09 g·m^-2和0.04~1.08 g·m^-2(图 3b)。

土壤矿质氮整体上也呈现出随生长季推移而降低的趋势(图 2), 如各个处理矿质氮平均值在0~10 cm和10~20 cm土层分别从生长季初期的0.80 g·m^-2和0.56 g·m^-2降低到生长季末期的0.53 g·m^-2和0.50 g·m^-2。此外, 土壤总矿质氮受植被类型、采样位置和坡位的共同影响, 柠条林地0~10 cm和10~20 cm土层土壤矿质氮显著高于油松林地(分别为31%和28%), 且柠条冠层下土壤显著高于冠层外土壤(分别为18%和50%)(图 2和图 3)。

2.3 生长季土壤氮素矿化对林型、坡位和采样位置的动态响应特征

研究区生长季土壤氮素矿化作用在0~10 cm土层主要由硝化作用主导(占氮素矿化速率的94%±16%), 在10~20 cm土层则由硝化和铵化作用共同引起(分别占氮素矿化速率的44%±14%和56%±14%)。此外, 不同土层硝化和铵化作用对矿化速率的贡献在不同林型、采样位置和不同坡位均表现出相似的变化趋势(P > 0.1)(图 4)。

不同林型冠层下和冠层外土壤铵化速率在生长季初期较高(1.18~14.02 mg·m^-2·d^-1), 中期较低(-11.80~8.64 mg·m^-2·d^-1)(图 4a)。冠层外土壤铵化速率在0~10 cm土层高于冠层下, 在10~20 cm土层与冠层下接近(图 4a, 图 5a)。油松冠层下和冠层外以及柠条冠层下土壤铵化速率随坡位降低逐渐增大或者由负值逐渐变为正值; 柠条冠层外土壤在不同坡位均表现出铵化作用, 而且铵化速率以坡中部最高, 坡上部最低(图 5a)。

本研究中土壤硝化速率的季节动态特征与土层、林型和采样位置有关(图 4b)。油松林地0~10 cm土层硝化速率在生长季中期(3.02~34.87 mg·m^-2·d^-1)显著高于生长季初期(-65.47~-7.85 mg·m^-2·d^-1)和末期(-7.00~4.63 mg·m^-2·d^-1), 且均高于10~20 cm土层硝化速率(-14.12~3.03 mg·m^-2·d^-1), 但冠层下与冠层外差异不显著。柠条林生长季大多数时期0~10 cm土层土壤硝化速率(4.97~48.11 mg·m^-2·d^-1)高于10~20 cm土层(-6.32~27.31 mg·m^-2·d^-1), 且冠层下土壤(-0.68~32.51 mg·m^-2·d^-1)高于冠层外土壤(-6.29~6.90 mg·m^-2·d^-1)。土壤硝化速率还受坡位影响, 2种林型冠层下硝化速率以下坡位最高, 而冠层外则以下坡位最低(图 5b)。

由于0~10 cm土层氮素矿化主要由硝化作用引起, 而10~20 cm土层铵化作用占比例较大, 不同林型和采样位置下矿化速率在0~10 cm土层呈现出与硝化速率相似的季节动态特征, 在10~20 cm土层则呈现出与铵化速率相似的季节动态特征。油松林0~10 cm土层矿化速率在生长季中期显著高于生长季初期和末期, 且均高于10~20 cm土层, 但冠层下与冠层外差异不显著(图 4c)。柠条林生长季大多数时期0~10 cm土层矿化速率高于10~20 cm土层, 且冠层下高于冠层外(图 4和图 5)。2种林型冠层下矿化速率以下坡位最高, 而冠层外则以下坡位最低(图 5c)。

3 讨论 3.1 生长季土壤无机氮库的季节动态

黄土高原北部水蚀风蚀交错区生长季土壤无机氮库以铵态氮主导, 这与研究区土壤质地较粗有关。研究区土壤砂粒含量介于66%~80%, 具有较高的入渗速率^[21]。在降雨过程中, 雨水很容易从地表向深层土壤运动, 从而造成表层土壤硝态氮的淋溶损失, 使其在表层土壤的相对储量显著降低, 而铵态氮的相对储量显著增加。

不同林型冠层下和冠层外土壤铵态氮差异不显著, 可能与不同采样位置下土壤有机质含量接近有关。随有机质含量的增加, 土壤阳离子交换位点逐渐增加, 对铵态氮的吸附能力增强, 土壤铵态氮储量增加^[11]。但是研究区冠层下和冠层外土壤有机质差异不显著^[19], 因此铵态氮差异也不显著。与此相似, 研究区油松林上坡位和中坡位有机质显著高于下坡位^[19], 土壤铵态氮也因此显著高于下坡位。此外, 油松林下坡位植被生长状况优于上坡位和中坡位, 其对下坡位土壤铵态氮的吸收消耗也较大, 土壤中剩余的铵态氮因此较低。对于柠条林地来说, 由于豆科植物固定的氮素是土壤铵态氮的最直接来源^[22], 其对土壤铵态氮的影响大于植物吸收利用和不同坡位水热环境差异的影响, 而且不同坡位柠条生长状况差异不显著^[19], 因此柠条林不同坡位铵态氮差异不显著。

硝态氮和矿质氮的季节动态特征与林型和采样位置有关, 由于生长季植被的吸收作用, 土壤硝态氮和矿质氮逐渐降低, 这与肖好燕等^[23]在亚热带地区的研究结果一致。油松林冠层下和冠层外硝态氮和矿质氮差异不显著, 主要因为研究区油松根系较深^[24], 对表层土壤氮素吸收利用较弱。柠条林冠层下硝态氮和矿质氮显著高于冠层外, 这与柠条根系固氮作用有关。柠条为豆科植物, 生长过程中可以固定大气中的氮素, 不但能够满足植物生长对氮素的需求, 还向土壤中释放大量的氮素。柠条地上部分氮素含量也显著高于油松, 其凋落物向土壤的归还, 以及归还之后的矿化分解, 会显著增加土壤无机氮的储量。因此柠条林冠层下土壤硝态氮和矿质氮显著高于冠层外土壤。此外, 本研究中不同坡位硝态氮差异不显著, 表明其季节动态主要受植被作用的影响。

3.2 生长季土壤氮素矿化季节动态

本研究中0~10 cm土层土壤硝化作用占主导地位, 而10~20 cm土层硝化和铵化作用共同主导着矿化过程, 这与不同土层土壤空气中氧气含量有关。0~10 cm土层土壤与大气之间气体交换较为强烈, 土壤空气中氧气含量较高^[25], 土壤长期处于氧化状态, 利于硝化作用的进行; 而10~20 cm土层土壤与大气之间气体交换较弱, 且土壤含水量较高, 铵化作用逐渐增强, 其对矿化的贡献也逐渐增加。这也与本研究中铵化速率与土壤含水量显著正相关的结果(r=0.044, n=231, P=0.033 8)一致。

土壤水分和温度对氮素矿化有着显著影响, 硝化速率随温度的升高而增加^[26], 铵化速率也随温度和含水量的升高而增加, 但更取决于土壤水分条件^[27]。在黄土高原北部水蚀风蚀交错带, 生长季中期土壤温度较高, 而降水和土壤含水量较低, 在温度和水分的交互作用下, 硝化速率呈现较高水平, 而铵化速率呈现较低水平, 并影响着净矿化速率的季节动态。此外, 生长季中期铵化速率较低, 可能也与这一时期较为活跃的微生物活动造成的铵态氮的生物固定有关^[28]。

本研究中铵化速率受采样位置和林型的影响较小, 而硝化和矿化速率受这2个因素的显著影响。硝化与矿化速率与不同林型下植物根系分布有关。油松根系分布较深, 0~20 cm土层根系生物量较少^[24], 因此采样位置对油松林土壤硝化和矿化速率没有影响。柠条林根系分布较浅^[29], 冠层下根系生物量显著高于冠层外土壤, 而且由于柠条的固氮作用, 冠层下土壤具有较低的C/N值, 利于氮素矿化^[30]。此外, 固氮作用造成的氮素在冠层下土壤的积累也会促进土壤氮素的矿化从而使硝化和矿化速率显著高于冠层外土壤^[31]。

随着坡位的降低, 土壤温度逐渐降低, 微生物对铵的固定作用逐渐减弱, 铵化作用有所增强。硝化和矿化速率与坡位的关系则受林型和采样位置的影响。冠层下硝化和矿化速率以下坡位最高, 而冠层外则以下坡位最低, 这可能与不同坡位和采样位置土壤水分状况差异及其造成的土壤硝化细菌活性差异有关^[32]。2种林型下, 与同一采样位置其他坡位相比, 冠层内土壤含水量以下坡位较高, 该坡位对应的土壤硝化细菌活性也较高, 硝化和矿化速率也高于其他坡位; 冠层外土壤含水量以下坡位最低, 硝化和矿化速率也因此低于其他坡位。

该研究结果表明, 采样位置、植被类型和地形条件共同影响着黄土高原北部坡地生态系统土壤水分、矿质氮和氮素矿化的季节动态。因此, 在评价土地利用变化或者植被生态恢复后土壤养分循环和转化时, 需要合理设计样品采集方案, 以使研究结果更具有代表性。

4 结论

黄土高原北部水蚀风蚀交错带生长季0~10 cm和10~20 cm土层土壤矿质氮由铵态氮主导, 氮素矿化在0~10 cm土层由硝化作用引起, 在10~20 cm土层则由硝化和铵化作用共同引起。

土壤铵态氮受林型、坡位和采样位置影响较小, 硝态氮和矿质氮与林型和采样位置有关, 油松林冠层下土壤硝态氮与冠层外相近, 柠条林冠层下硝态氮高于冠层外。

土壤铵化、硝化和矿化速率受坡位、林型和采样位置的影响, 油松林地硝化和矿化速率在冠层下与冠层外差异不显著, 柠条林地冠层下土壤高于冠层外土壤; 冠层下硝化和矿化速率以下坡位最高, 冠层外以下坡位最低。