徐潤(rùn)宏，朱錦福*，劉澤華*,譚 梅

(1.青海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810008；2.青海師范大學(xué)青海省青藏高原藥用動(dòng)植物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008；3.青海師范大學(xué)青海省青藏高原生物多樣性形成機(jī)制與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008)

【研究意義】工業(yè)化進(jìn)程以來，化石燃料和農(nóng)業(yè)化肥的大量使用使大氣氮沉降速率不斷加快，我國(guó)已成為全球三大氮沉降地區(qū)之一[1]。未來大氣氮沉降的速率還將持續(xù)增加[2]，據(jù)預(yù)測(cè)，到2050年全球氮排放量將超過50 Tg/a[3]。氮沉降的不斷增加可能將改變生態(tài)系統(tǒng)氮素利用狀況，使生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)受到影響[4-6]。由此帶來的環(huán)境變化、動(dòng)植物多樣性，生態(tài)系統(tǒng)演變等問題日益凸顯，因此，關(guān)注氮沉降對(duì)生態(tài)系統(tǒng)各方面的影響具有重大意義。由于陸地生態(tài)系統(tǒng)的多樣性、氮沉降的時(shí)空差異性、土壤的差異等因素導(dǎo)致氮沉降對(duì)各生態(tài)系統(tǒng)的影響沒有一致的結(jié)論[7]。【前人研究進(jìn)展】目前關(guān)于目前氮沉降的研究已在森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)廣泛展開，大量研究表明氮沉降會(huì)對(duì)陸地生態(tài)系結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生深刻影響，改變土壤結(jié)構(gòu)，養(yǎng)分變化，土壤碳氮含量等[8-9]。但由于土壤碳庫(kù)復(fù)雜，目前土壤養(yǎng)分及理化性質(zhì)對(duì)氮沉降的響應(yīng)結(jié)果不一，有研究表明氮沉降會(huì)增加土壤有機(jī)質(zhì)、碳、氮等養(yǎng)分的含量[10-11]，也有研究表明氮沉降對(duì)土壤養(yǎng)分影響有限，作用不顯著[12-13]。還有研究表明氮沉降降低了土壤pH，但對(duì)土壤全碳全氮影響不顯著[14]。這些都表明，氮沉降對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響，并且這種影響還在不斷加深，對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響也要進(jìn)一步關(guān)注。目前我國(guó)對(duì)濕地的研究主要集中于植物退化和多樣性保護(hù)領(lǐng)域，關(guān)于氮沉降的研究較少，特別是青藏高原高寒濕地?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】濕地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)向湖泊生態(tài)系統(tǒng)過渡地帶，在物質(zhì)循環(huán)、氣候調(diào)節(jié)和生物多樣性保護(hù)等方面發(fā)揮重要作用，其土壤是巨大的碳庫(kù)[15]。我國(guó)濕地資源豐富，有湖泊濕地、沼澤草甸濕地、三江平原濕地，及青藏高原的高寒濕地等。青海湖位于青藏高原東北部，是西北干旱區(qū)和東部季風(fēng)濕潤(rùn)區(qū)的過渡地帶，對(duì)全球變化敏感[16]，青藏高原的生態(tài)發(fā)展趨勢(shì)很大程度上受青海湖地區(qū)濕地的影響[17]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】基于此，本文以小泊湖高寒濕地土壤為研究對(duì)象，對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行一年生長(zhǎng)季的氮添加實(shí)驗(yàn)，對(duì)比各試驗(yàn)梯度下土壤理化性質(zhì)的差異，以期為更好的預(yù)測(cè)濕地發(fā)展方向及濕地保護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

小泊湖濕地位于青藏高原東北部青海湖流域，北緯36°78′，東經(jīng)100°80′，是青海湖水位下降遺留下來的沼澤草甸濕地。平均海拔在3200 m左右，屬典型高原大陸性氣候雨熱同季，降水多發(fā)生于5—9月，年降水量約為291～575 mm，年蒸發(fā)量約為800～2000 mm；氣溫較低，年平均氣溫在-4.6～1.0 ℃左右[18]。主要植被類型為草本植物，主要有華扁穗草(Blysmussinocompressus)、嵩草(Kobresiamyosuroides)、披堿草(Elymusdahuricus)和蘆葦(PhragmitesAustralis)等[19]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在小泊湖濕地中，選取一塊有圍欄保護(hù)，地勢(shì)平坦的樣地，在樣地中劃分出12個(gè)小樣方，每個(gè)小樣方2 m2，每個(gè)樣方間隔1 m作為緩沖帶。本試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，包括CK(對(duì)照試驗(yàn))、N2(2 g/m2)、N5(5 g/m2)和N10(10 g/m2)，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。以NH4NO3為氮源，按每個(gè)處理梯度稱取相應(yīng)的藥品，自2019年6—10月(生長(zhǎng)季)，每月中旬將對(duì)應(yīng)藥品溶于2000 mL水中，用噴壺均勻噴灑于相應(yīng)樣方中，對(duì)照試驗(yàn)噴灑等量的水。

1.3 樣品采集與測(cè)定

2018年10月，對(duì)土壤樣品進(jìn)行采集，在每個(gè)樣方中隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，用螺旋取土鉆按0～15、15～30 cm進(jìn)行采樣，將各個(gè)點(diǎn)取得同一層樣品混勻，盡可能去除植物根系和凋落物，放入無菌自封袋中保存。將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，分成兩部分，一部分新鮮土樣放入冰箱4 ℃冷藏保存，用于土壤含水量測(cè)定；一部分土樣自然風(fēng)干，過0.25 mm目篩，用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

土壤含水量：采用烘干法測(cè)定。稱取10 g左右新鮮土樣放入鋁盒中，空鋁盒重記為M，濕土和盒重記為M1，每個(gè)土樣稱取3次，再將土樣和鋁盒一起放入烘箱中，設(shè)置105°，24 h，帶結(jié)束后稱取干土和鋁盒重，記為M2，計(jì)算土壤含水量。

土壤pH：用百分之一天平精確稱取10 g風(fēng)干過篩土樣放入燒杯中，再加入25 mL的去離子水，攪拌均勻，靜止30 min，用pH計(jì)(Mettler Toledo；Switzerland)測(cè)定土壤懸液的pH值。

土壤有機(jī)碳：用總有機(jī)碳分析儀(Elementa，Germany)測(cè)定有機(jī)碳含量。

土壤全碳全氮：采用意大利NC Technologies公司Costech ESC 4024元素分析儀測(cè)定。

土壤氨態(tài)氮、硝態(tài)氮的測(cè)定：全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀(CleverChem)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019和IBM SPSS Statistics 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及作圖。采用單因素方差分析、雙因素方差分析和最小顯著差異法(LSD)比較不同數(shù)據(jù)之間的差異；利用Pearson相關(guān)系數(shù)分析各指標(biāo)之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮沉降對(duì)土壤含水量和pH的影響

不同濃度氮處理使土壤含水量和pH值發(fā)生了變化(圖1)。土壤含水量在兩土層中變化均隨施氮濃度的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，在N2處理下土壤含水量增加隨后又逐漸減小，且0～15 cm土層中N5和N10處理下的土壤含水量顯著低于CK處理(P<0.05)，15～30 cm土層中N5、N10處理下的土壤含水量顯著低于CK處理(P<0.05)。土壤pH值在兩土層中的變化一致，均隨施氮濃度的增加而逐漸上升，且均在N5和N10處理下達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

2.2 氮沉降對(duì)土壤碳的影響

土壤全碳和有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為上層高于下層(圖2)。0～15 cm土層中土壤全碳含量在66.30～78.9 g/kg之間，15～30 cm土層中土壤全碳含量在58.23～72.87 g/kg之間；土壤有機(jī)碳在0～15 cm土層中含量為40.37～57.29 g/kg，15～30 cm土層中含量為33.93～46.27 g/kg(圖2)。氮沉降在兩土層中對(duì)土壤全碳和有機(jī)碳的影響趨勢(shì)一致，均隨施氮濃度的增加而不斷降低，在15～30 cm土層中土壤全碳含量在N5和N10處理下顯著低于CK處理(P<0.05)，而土壤有機(jī)碳在氮添加處理下沒有顯著改變(P>0.05)。

2.3 氮沉降對(duì)土壤氮的影響

氮添加對(duì)土壤全氮、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響不同(圖3)。土壤全氮含量與全碳、有機(jī)碳在兩土層中的分布情況一致，表現(xiàn)為上層高于下層土壤，0～15 cm含量為4.00～5.10 g/kg，15～30 cm土層中含量為3.37～4.10 g/kg，全氮含量在兩土層中均隨氮濃度的增加而逐漸減少，但影響不顯著(P>0.05)。氨態(tài)氮在0～15 cm土層的含量為8.67～10.39 mg/kg，并隨氮濃度的增加而逐漸減少，但影響不顯著(P>0.05)；15～30 cm土層中含量為8.95～10.42 mg/kg，隨氮濃度的增加逐漸減少后N10處理又增加并大于CK處理，但影響不顯著(P>0.05)。硝態(tài)氮在兩土層中對(duì)氮沉降的響應(yīng)不同。0～15 cm土層中，硝態(tài)氮含量為6.27～13.40 mg/kg，隨施氮濃度的增加而不斷上升，并在N10處理下達(dá)到顯著水平(P<0.05)；15～30 cm土層中硝態(tài)氮含量為5.60～7.43 mg/kg，隨氮濃度的增加先下降又在N10處理下上升，不成線性關(guān)系，影響不顯著(P>0.05)。

圖1 不同氮處理對(duì)土壤含水量和pH的影響Fig.1 Effects of different nitrogen treatments on soil moisture content and pH

圖2 不同氮處理對(duì)土壤全氮、有機(jī)碳的影響Fig.2 Effects of different nitrogen treatments on soil total nitrogen and organic carbon

圖3 不同氮處理對(duì)土壤全氮、氨態(tài)氮硝態(tài)氮的影響Fig.3 Effects of different nitrogen treatments on soil total nitrogen,ammonia nitrogen and nitrate nitrogen

2.4 土壤理化性質(zhì)影響因素分析

由氮添加和土層對(duì)土壤理化性質(zhì)的雙因素分析(表1)可知，氮添加對(duì)土壤含水量和pH的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，但土層及其兩者交互作用對(duì)土壤含水量和pH的影響均不顯著(P>0.05)；氮添加對(duì)全碳影響顯著(P<0.05)，對(duì)有機(jī)碳影響沒有達(dá)到顯著水平(P>0.05)，土層對(duì)全碳和有機(jī)碳的影響分別達(dá)到極顯著水平(P<0.01)和顯著水平(P<0.05)，氮添加和土層的交互作用對(duì)兩者沒有產(chǎn)生顯著作用(P>0.05)；氮添加及其與土層交互作用對(duì)土壤全氮、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響均沒有達(dá)到顯著水平(P>0.05)，但土層因素對(duì)全氮影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

土壤碳氮含量與微生物息息相關(guān)，而微生物又有合適的pH和水分條件，所以，土壤理化性質(zhì)之間關(guān)系密切。土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析(表2)表明，含水量與土壤全氮、有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與全碳呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與pH呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；pH與全碳、有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；全碳與有機(jī)碳、全氮呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；有機(jī)碳與全氮呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；氨態(tài)氮、硝態(tài)氮與土壤其他理化性質(zhì)之間沒有顯著相關(guān)性(P>0.05)。

3 討 論

3.1 氮沉降對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

土壤含水量的變化可引起土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)變化，從而影響植物種類及多樣性，進(jìn)而改變植物群落的結(jié)構(gòu)[20]，高寒氣候條件下，濕地水分變化更容易引起土壤養(yǎng)分配置的改變[21]。在本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著施氮梯度的增加土壤含水量雖在N2處理下有所上升但整體呈降低趨勢(shì)，且上層土壤含水量普遍高于下層土壤。分析認(rèn)為，氮添加增加了地上植物生物量，使植物的光合速率增加，進(jìn)而導(dǎo)致了更快的蒸騰作用，加速了根區(qū)耗水[22]。土壤pH也是土壤健康的重要指標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤pH隨氮濃度的增加而增加，并在N10處理下達(dá)到顯著水平(P<0.05)，這與目前大多研究相反。已有研究表明，氮沉降對(duì)土壤有顯著的酸化作用[23-24]?？赡苁且?yàn)楦吆疂竦赝寥鲤B(yǎng)分匱乏，受氮素限制，而外源氮的添加促進(jìn)了植物對(duì)養(yǎng)分的吸收，導(dǎo)致植物根系吸收了大量的無機(jī)氮，也或者土壤本身就有一定的緩沖作用和抵抗力[25]。土壤理化性質(zhì)與多種因素有關(guān)，可能與當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境、氣候、海拔高度、植被類型等多種因素有關(guān)，具體機(jī)理還應(yīng)繼續(xù)長(zhǎng)期持續(xù)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。

表1 土壤理化性質(zhì)的雙因素分析

表2 土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性分析

氮素是陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的限制元素之一[26]，全氮可在一定程度上反映土壤氮素的供應(yīng)狀況[27]。土壤有機(jī)碳和全氮是濕地土壤重要組分，對(duì)于土壤環(huán)境和濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)揮重要作用[28-29]。而在大部分生態(tài)系統(tǒng)中，土壤氮素主要貯存在土壤有機(jī)碳庫(kù)中，所以土壤有機(jī)碳和全氮關(guān)系緊密[30]。氮添加通過改變土壤氮素的轉(zhuǎn)化過程對(duì)土壤有機(jī)碳產(chǎn)生影響[31]。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著氮添加濃度的上升，土壤有機(jī)碳和全氮含量逐漸下降，但影響均沒有達(dá)到顯著水平(圖2～3；P>0.05)。這可能是因?yàn)?，氮素限制了高寒濕地的生產(chǎn)力，氮添加在一定程度上解除了這一限制，促進(jìn)了植物生長(zhǎng)，植物促進(jìn)了對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收[32]，從而使有機(jī)碳和全氮含量下降。同時(shí)總氮包含土壤有機(jī)碳，其含量與有機(jī)碳變化一致，也呈下降趨勢(shì)。

3.2 土壤理化性質(zhì)影響因素及其之間的相關(guān)性分析

土壤是一個(gè)復(fù)雜的大環(huán)境，是植被生長(zhǎng)主要的養(yǎng)分來源[39]，其理化性質(zhì)與多種因素相關(guān)。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氮添加對(duì)土壤含水量和pH產(chǎn)生極顯著影響(P<0.01)，對(duì)全碳含量產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)。水分是濕地最為敏感的因素之一，pH也是土壤質(zhì)量的指標(biāo)之一，由于高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和敏感性，外源氮的添加使得土壤性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而土壤含水量和pH發(fā)生極顯著的變化。土層對(duì)土壤全碳和全氮有極顯著影響(P<0.01)，對(duì)土壤有機(jī)碳產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)。在本實(shí)驗(yàn)中，土壤碳、氮含量上層土要高于下層土，這可能是因?yàn)椋两荡龠M(jìn)了微生物的分解作用，使土壤中可溶性有機(jī)碳增加，而深層土壤的微生物活性較低，從而碳、氮含量低于上層土壤[27]。含水量與全碳、全氮和有機(jī)碳之間均有良好的相關(guān)性，全碳、全氮和有機(jī)碳三者之間也具有良好的相關(guān)性。研究表明，濕地土壤含水量增加有助于土壤有機(jī)質(zhì)的積累[40]， 所以土壤含水量與全碳、全氮、有機(jī)碳之間關(guān)系密切，隨著含水量的減少，土壤碳、氮含量也隨之減少。土壤氮主要存在于土壤有機(jī)碳庫(kù)中，土壤有機(jī)碳通過微生物的礦化作用釋放出礦物氮供植物利用，有機(jī)碳使土壤氮素的重要來源[30,41]。所以，土壤全氮往往與土壤有機(jī)碳關(guān)系密切，而有機(jī)碳作為土壤全碳的一部分，變化也大致相近，所以都具有良好的相關(guān)性。

4 結(jié) 論

(1)氮沉降使土壤含水量下降，土壤pH升高，且影響極顯著。

(2)氮沉降使土壤碳、氮含量發(fā)生變化。全碳、有機(jī)碳、全氮和氨態(tài)氮隨氮濃度的增加而下降，且對(duì)全碳含量影響顯著；硝態(tài)氮在兩土層中的影響不同，在0～15 cm土層隨氮濃度增加而增加，且在N10處理下達(dá)到顯著水平，在15～30 cm土層中隨氮濃度上升而減少。

(3)土壤無機(jī)氮與其他理化性質(zhì)關(guān)系不緊密，但土壤其他組分之間均有顯著的相關(guān)性。