魏星星， 吳江琪， 李 廣*， 王海燕， 劉帥楠， 張世康， 張 娟

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

濕地是地球上水陸間相互作用的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)，兼有水域與陸地景觀的特性，是地球上生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一[8]。濕地具有豐富生物多樣性的同時，又給人類提供了巨大的生態(tài)功能和環(huán)境效益[9]。人類活動導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)氮負(fù)荷明顯增加，使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)中氮素轉(zhuǎn)化過程發(fā)生諸多變化[10]。張安峰[11]發(fā)現(xiàn)外源氮添加促進(jìn)了濱海濕地土壤有機(jī)碳的累積礦化量。張丹等[12]發(fā)現(xiàn)外源氮添加可以促進(jìn)濕地土壤碳固定，減緩N2O排放，進(jìn)而減緩全球變暖進(jìn)程。

劉永萬等[13]對長江源區(qū)高寒沼澤草甸研究發(fā)現(xiàn)外源氮素添加使沼澤草甸土壤趨向酸化、土壤有機(jī)碳及全氮含量在返青期明顯下降、群落地上生物量增加。沈豪等[14]在青海高寒草甸研究發(fā)現(xiàn)短期高氮添加會通過抑制植物的光合能力進(jìn)而降低植物地上生物量的累積。青藏高原作為全球變化敏感區(qū)和亞洲生態(tài)安全屏障[15]，其濕地面積約為13.19×104km2，是中國重要的濕地分布區(qū)之一。目前對青藏高原濕草甸土壤的研究，主要集中在有機(jī)碳儲量和碳密度分布[16]、土壤微生物量碳氮[17]和土壤物理特征和活性有機(jī)碳[18]的研究，而對青藏高原濕草甸土壤氮素特征的研究相對較少。本研究以甘肅省甘南藏族自治州碌曲縣尕海-則岔自然保護(hù)區(qū)濕草甸土壤為研究對象，通過不同濃度的氮添加試驗，探究土壤氮組分對外源氮輸入響應(yīng)的差異性，為深入了解外源氮輸入對青藏高原濕草甸生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東北邊緣碌曲縣境內(nèi)的甘肅尕海-則岔國家級自然保護(hù)區(qū)西南部(102°05′～102°29′ E，33°58′～34°30′ N)，海拔3 430～4 300 m。該保護(hù)區(qū)面積247 431 hm2，濕地面積57 846 hm2，其中濕草甸面積51 160 hm2。該區(qū)氣候為青藏高原高寒濕潤氣候，最高氣溫以7月最高，平均為10.5℃，年均溫1.2℃，年平均日較差13.7℃，最大年較差52.5℃；年降雨量781.8 mm，其中一半集中在7至9月，年蒸發(fā)量1 150.5 mm；土壤類型主要為暗色草甸土、沼澤土和泥炭土等，有機(jī)質(zhì)含量較高[19]；植物資源豐富，植物種類共42科107屬187種，以多年生草本植物為主，主要有烏拉苔草(CarexmeyerinaKunth.)、線葉蒿(ArtemisiasubulataNakai)、散穗早熟禾(PoasubfastigiataTrin.)、無脈苔草(Carexenervis)、甘肅蒿草(Kobresiakansuensis)等[20]。

1.2 試驗設(shè)計

2019年5月，在尕海-則岔自然保護(hù)區(qū)境內(nèi)，選擇坡度平緩、植被類型一致的濕草甸為研究區(qū)域，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計試驗，以不施肥為對照組(CK)，按實(shí)際上氮的沉降量[21]來設(shè)計3個施肥梯度：低濃度處理(5 g·m-2·a-1，N5)、中濃度處理(10 g·m-2·a-1，N10)、高濃度處理(15 g·m-2·a-1，N15)。共4個處理，每個處理重復(fù)3次，共計12塊樣地，每塊樣地2 m×2 m，每個樣地之間間隔5 m。氮素添加所施肥料為尿素(CON2H4)，其含氮量為46%。施肥量分別為：空白對照(0 g·m-2)、低濃度處理(10.87 g·m-2)、中濃度處理(21.74 g·m-2)、高濃度處理(32.61 g·m-2)。于2019年5月初，在植物生長初期將尿素溶于水中用噴霧器撒施于樣地，空白撒施同樣的水分。

1.3 樣品采集與測定

分別于2019年的5到10月每月中旬，清除地表枯落物后，在12塊樣地中用土鉆取0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm層土壤樣品，相同處理相同土層的土壤組成一個混合土樣帶回實(shí)驗室內(nèi)，撿去石塊、殘根等雜物后將土樣過2 mm篩后置于4℃冰箱保存。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS Statistics 24對各因子進(jìn)行單因素方差及重復(fù)方差分析(顯著性水平0.05，置信區(qū)間為95.0%)。用origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對土壤含量的影響

圖1 土壤含量的垂直變化

2.2 氮添加處理下土壤含量的季節(jié)變化

氮添加導(dǎo)致0～40 cm層土壤SON含量具有明顯的季節(jié)變化(圖4)，在整個植物生長季內(nèi)(5—10月)，SON含量都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。其中N5，N10處理的土壤SON含量最大值出現(xiàn)在9月(158.67 mg·kg-1和155.09 mg·kg-1);N15和CK處理的最大值均出現(xiàn)在10月(142.29 mg·kg-1和118.42 mg·kg-1);N5，N10處理的土壤SON含量最小值均為8月(84.28 mg·kg-1和78.07 mg·kg-1);N15處理最小值為7月(94.09 mg·kg-1);而CK處理最小值為6月(69.09 mg·kg-1)。此外，SON含量在土壤垂直剖面上的差異顯著(P=0.000，表1)。

圖2 不同處理下各土層土壤含量的季節(jié)變化

圖3 不同處理下各土層土壤含量的季節(jié)變化

圖4 不同處理下各土層土壤SON含量的季節(jié)變化

表1 月份、處理方式、土層對土壤有效氮影響的方差分析

3 討論

氮是植物生命體維持其生長發(fā)育最重要的營養(yǎng)物質(zhì)，人為干擾會降低陸地生態(tài)系統(tǒng)氮組分循環(huán)的穩(wěn)定性[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，氮添加處理的土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性有機(jī)氮含量均顯著高于對照處理，這是因為青藏高原高寒濕草甸土壤長期處于缺乏氮素的狀態(tài)，植物和微生物的生長環(huán)境處于長期的低溫條件下，外源氮輸入能增加土壤的礦質(zhì)氮含量、促進(jìn)土壤中氮的氨化和硝化[24]，進(jìn)而增加土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性有機(jī)氮含量[25-26]。此外，隨著外源氮輸入量的增加，低濃度氮添加(N5)下的土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性有機(jī)氮含量較高，這與王書麗等[27]的研究一致，而與劉志江[28]等人在中亞熱帶杉木幼林研究相反。這是由于研究區(qū)域氣候環(huán)境(高原地區(qū)常年低溫)不同所致，在添加外源氮后，氮素不再是土壤礦化的限制性因子，提高氮濃度并不能進(jìn)一步提升土壤氮礦化速率[29]，低溫條件限制了土壤微生物活性[30]，導(dǎo)致土壤氮礦化速率下降[31]。隨著外源氮含量的增加，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性有機(jī)氮含量逐漸降低，一方面這是因為氮素添加達(dá)到一定程度后會限制礦化作用[32]，氮素添加對土壤氮礦化的調(diào)控作用存在一個閾值，當(dāng)超過這個閾值時就會顯著降低；另一方面，高寒濕草甸可能存在著一定的“氮飽和”現(xiàn)象[33]，當(dāng)?shù)剌斎肓砍^土壤中生物(可能包括非生物)對氮的需求時，土壤中微生物分解底物(有機(jī)質(zhì))的效率降低。隨著土層深度的增加，土壤可溶性有機(jī)氮含量顯著降低，這是因為研究區(qū)主要以草本植物為主，其根系主要分布于土壤表層(0～20 cm)，且根系數(shù)量隨土層垂直深度的增加而逐漸減小，同時表層土壤的水熱狀況也優(yōu)于底層土壤，因此具有硝化和氨化作用的細(xì)菌群落也大多分布于土壤表層[34]，導(dǎo)致土壤氮素含量隨土層深度的增加逐漸降低。同時氮素含量的降低也與枯落物數(shù)量有關(guān)，大量枯落物和殘根死根腐解歸還為土壤提供了豐富的碳源和氮源，隨著土層的加深，枯落物輸入量下降[35]，造成了土壤剖面上的碳素和氮素含量減少。土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量在土壤剖面上的差異并未達(dá)到顯著水平，并且在不同氮濃度添加下，土壤中的硝態(tài)氮含量低于銨態(tài)氮含量，這是由于地下水位頻繁交替變化，導(dǎo)致土壤有效氮含量之間發(fā)生轉(zhuǎn)化[36]。同時，在土壤有機(jī)物較高的高海拔地區(qū)，土壤微生物會將部分硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮[37]，最終導(dǎo)致硝態(tài)氮含量較低。

土壤中有效氮含量隨溫度和水分條件變化明顯，可溶性有機(jī)氮易受到土壤有機(jī)質(zhì)、根系活動及微生物代謝分泌產(chǎn)物或者外來添加氮等的影響[38]，氮添加將改變土壤氮素生物循環(huán)過程(氨化、硝化作用速率的改變、植物吸收、微生物的N固持量)，進(jìn)而造成土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮具有明顯的季節(jié)性差異[39]。本研究發(fā)現(xiàn)不同氮添加條件下，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性有機(jī)氮含量具有明顯的季節(jié)性變化，整體表現(xiàn)為先增加后降低的變化趨勢。銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量在7-9月較高，這是因為土壤有效氮季節(jié)動態(tài)變化是植物生長與土壤微生物活動共同作用的結(jié)果，且兩者均受溫度和水分控制[40]。一方面，研究區(qū)的降雨主要集中在7-9月，此時較高的土壤溫度促進(jìn)了土壤氮礦化速率[41]；另一方面，土壤微生物活性達(dá)到全年最強(qiáng)，植物的光合作用和呼吸作用也最為活躍[42]，這為有效氮含量的迅速增加提供有利環(huán)境條件。此外，可溶性有機(jī)氮因其具有流動性和有效性，在氮的礦化、固定等動態(tài)過程中具有不可替代的作用[43]，且植物凋落物、動植物微生物殘體分解及土壤有機(jī)質(zhì)淋溶是溶解性有機(jī)氮的主要來源[44]，故可溶性有機(jī)氮含量的季節(jié)差異主要?dú)w因于地表植被的凋落物數(shù)量和溫度對土壤微生物活動的影響[45]，以及降雨和地下水位的影響。本研究發(fā)現(xiàn)可溶性有機(jī)氮含量在9-10月達(dá)到峰值，這是因為9-10月植物進(jìn)入生長末期，研究區(qū)內(nèi)地表富集了大量凋落的植物枝葉，其進(jìn)一步分解增加了土壤中的礦質(zhì)氮含量，同時歸還到土壤中的養(yǎng)分也隨之增加[46]；另一方面植物處于生長末期，對土壤養(yǎng)分需求較少，加之溫度下降，土壤呼吸速率減弱[47]，根系生理代謝緩慢，微生物利用氮源較少，土壤有機(jī)質(zhì)礦化作用較弱[48]，更有利于可溶性有機(jī)氮的積累。

4 結(jié)論

不同濃度的氮添加處理均能顯著增加土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性有機(jī)氮含量。隨著氮添加濃度的逐漸增大，土壤有效氮受到限制的強(qiáng)度逐漸增加，即0～40 cm層土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性有機(jī)氮含量依次為N5>N10>N15。土壤可溶性有機(jī)氮含量隨著土層深度的增加顯著降低。氮添加處理的土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性有機(jī)氮含量的最小值出現(xiàn)在植物生長初期，而較大值出現(xiàn)在植物生長末期。本研究表明，如果氣候變化和人為干擾程度繼續(xù)增加，較高濃度的氮沉降會降低高寒濕草甸淺層土壤有效氮的儲存能力，加劇氮素含量的流失，造成高寒濕草甸水環(huán)境富營養(yǎng)化的危害加劇。