謝梅珍， 趙 林， 吳曉東， 周華云， 岳廣陽(yáng)

（1.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室藏北高原冰凍圈特殊環(huán)境與災(zāi)害國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044）

0 引言

多年凍土為溫度在0℃以下，存在兩年或兩年以上的巖土層［1］。我國(guó)的高緯度多年凍土主要分布在東北大、小興安嶺地區(qū)，高海拔多年凍土主要分布在西部高山及青藏高原地區(qū)，多年凍土總面積約2.15×106km2，占國(guó)土總面積的22.3%［2］。其中青藏高原地區(qū)多年凍土的實(shí)際面積為1.06×106km2［3］。在多年凍土區(qū)，活動(dòng)層的凍融循環(huán)過(guò)程中，土壤會(huì)發(fā)生一系列的熱量交換及水分遷移［4］，這些變化會(huì)進(jìn)一步影響土壤中養(yǎng)分的生物化學(xué)循環(huán)［5-9］。氮素在自然界中以不同形態(tài)的含氮分子或離子形式存在，通過(guò)礦化，硝化、反硝化以及固定過(guò)程在生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)，在維持生態(tài)平衡中占有非常重要的地位［10］，在氣候變化的大背景下，青藏高原土壤氮循環(huán)受到顯著影響［11-12］。因此，了解青藏高原土壤中各形態(tài)氮素的動(dòng)態(tài)變化特征以及與環(huán)境因子的關(guān)系對(duì)于揭示氮循環(huán)對(duì)氣候變化的響應(yīng)有重要的意義。

土壤可利用氮與微生物量氮組分比大分子有機(jī)氮更容易被轉(zhuǎn)化或被微生物及植物吸收利用［13］，這些氮組分的季節(jié)變化與植物生長(zhǎng)有密不可分的關(guān)系，例如在青藏高原及北極地區(qū)，土壤可利用氮含量在植物生長(zhǎng)旺盛期降低，在植物生長(zhǎng)季后期或非生長(zhǎng)季初期升高，且土壤微生物量氮含量在生長(zhǎng)季也受到與植物之間養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)的限制［14-16］。除了植物吸收對(duì)土壤可利用氮與微生物量氮庫(kù)的影響之外，土壤水熱狀況也是氮組分季節(jié)變化的重要驅(qū)動(dòng)因子［17-18］。在多年凍土區(qū)，活動(dòng)層的凍融循環(huán)分為夏季融化過(guò)程、秋季凍結(jié)過(guò)程、冬季降溫過(guò)程及春季升溫4個(gè)階段［4］，在活動(dòng)層凍融循環(huán)過(guò)程中，土壤熱量交換及水分遷移過(guò)程復(fù)雜，尤其在凍融交替季節(jié)［19-21］。另有研究表明，土壤可利用氮在冬春交替季/積雪融化季節(jié)有所升高［22-23］，土壤微生物量亦會(huì)受到雪深的影響［24-25］，這些現(xiàn)象對(duì)于氮淋失或減輕后續(xù)季節(jié)氮對(duì)植物生長(zhǎng)的限制作用有非常重要的影響［26］。這些研究闡述了不同季節(jié)土壤可利用氮與微生物量氮的動(dòng)態(tài)變化情況，但是，在青藏高原多年凍土區(qū)，整個(gè)凍融循環(huán)期或連續(xù)的生長(zhǎng)季與非生長(zhǎng)季中氮的季節(jié)變化與驅(qū)動(dòng)因子的作用還不清楚。

青藏高原多年凍土區(qū)主要的草地生態(tài)系統(tǒng)有高寒沼澤草甸、高寒草甸、高寒草原及高寒荒漠，其中高寒草甸及高寒草原分別占有植被分布區(qū)域面積的48.59%和27.96%［27］。本研究通過(guò)對(duì)青藏高原高寒草甸及高寒草原2個(gè)不同典型草地生態(tài)系統(tǒng)下土壤可利用氮（銨態(tài)氮NH4+-N、硝態(tài)氮NO3--N及可溶性有機(jī)氮DON）及微生物量氮（MBN）的季節(jié)變化特征進(jìn)行分析，揭示青藏高原高寒草甸及高寒草原草地生態(tài)系統(tǒng)下不同氮組分季節(jié)變化規(guī)律及其與環(huán)境因子之間的關(guān)系，為多年凍土區(qū)氮循環(huán)模式及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究位于青藏高原多年凍土區(qū)腹地，該地區(qū)具有典型的干旱高原氣候，且分布有連續(xù)多年凍土。選擇2個(gè)典型的高寒草地生態(tài)系統(tǒng)，包括風(fēng)火山高寒草甸及特大橋高寒草原生態(tài)系統(tǒng)作為研究區(qū)（圖1）。風(fēng)火山高寒草甸及特大橋高寒草原研究區(qū)的海拔分別為4 896 m及4 563 m，年平均氣溫分別為-4.3℃及-4.0℃，活動(dòng)層厚度分別為2.0 m及3.4 m，年均降水量分別為386 mm及350 mm，降水主要集中分布在夏季［16］。兩個(gè)研究區(qū)年平均積雪天數(shù)小于15天［28］。多年凍土區(qū)活動(dòng)層凍融循環(huán)分為4個(gè)階段：夏季融化期、秋季凍結(jié)期、冬季降溫期以及春季升溫期。植物生長(zhǎng)季為5月至9月，非生長(zhǎng)季為10月至次年4月，風(fēng)火山高寒草甸主要植物種類為高山嵩草（Kobresiapygmaea）、矮嵩草（Kobresiahumilis）等，總植被蓋度及地上生物量分別為80%及138.5 g·m-2，特大橋高寒草原主要植物種類為青藏苔草（Carexmorrcrofti）、紫花針茅（Stipapurpurea）等，總植被蓋度及地上生物量分別為23.3%及43.7 g·m-2。研究區(qū)土壤性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)土壤性質(zhì)Table 1 Soil properties of the study area

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

1.2 樣品采集與分析

從2016年4月至2017年3月，每個(gè)月初進(jìn)行土壤樣品采集，其中2016年12月及2017年2月未采樣。植被調(diào)查在2016年8月初進(jìn)行。本研究使用隨機(jī)采樣方法。在每個(gè)研究區(qū)中，選擇平坦且植被均勻處隨機(jī)設(shè)置3個(gè)5 m×5 m大小采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)間距至少5 m。采樣時(shí)使用直徑為3.5 cm的土鉆進(jìn)行采樣，采樣深度為0～10 cm。每個(gè)采樣點(diǎn)中采集3個(gè)樣品混合后形成1個(gè)混合土樣，因此，每個(gè)研究區(qū)收集到9個(gè)原始土壤樣品，并混合成為3個(gè)土樣。將采集好的混合土樣立即裝入自封袋，儲(chǔ)存在裝有冰袋的保溫箱中送回實(shí)驗(yàn)室。將樣品過(guò)2 mm篩，移除礫石及植物凋落物后分成兩份，一份儲(chǔ)存到4℃冰箱中用于測(cè)定土壤NH4+-N、NO3--N、DON及MBN含量，一份在室內(nèi)陰涼處風(fēng)干，用于測(cè)定土壤全氮含量（TN）及pH值。具體方法如下：土壤可利用氮為NH4+-N、NO3--N、DON的總和，其中NH4+-N的測(cè)定利用2 mol·L-1KCl溶液提取后在間斷分析儀（SmartchemTM200）上用苯酚鈉比色法測(cè)得；NO3--N的測(cè)定利用2 mol·L-1KCl溶液提取后在間斷分析儀（SmartchemTM200）上用硫酸肼比色法測(cè)得；DON采用土壤可溶性全氮與無(wú)機(jī)氮之間的差別計(jì)算得出；MBN的含量使用氯仿熏蒸后經(jīng)過(guò)0.5 mol·L-1K2SO4溶液提取與高溫消煮，與未熏蒸的差值得出；TN用凱氏定氮法測(cè)定（Foss8400）；SOC采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；pH值用酸度計(jì)（PHS-3C型酸度計(jì)）測(cè)定；土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤顆分采用具有不同直徑篩孔的土篩測(cè)定。土壤10 cm處溫度由Campbell Scientific Inc測(cè)定，觀測(cè)精度為±0.03℃，土壤10 cm處體積含水量使用TDR-100測(cè)定，觀測(cè)精度為±3%。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及差異顯著性檢驗(yàn)；采用重復(fù)測(cè)量方差分析比較2種草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮組分含量的差異，顯著性水平設(shè)定為α=0.05；采用皮爾森相關(guān)系數(shù)表示土壤活性氮組分與環(huán)境因子（土壤全氮、土壤pH、土壤溫度及土壤含水量）的相關(guān)性。采用Origin 8.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果

2.1 土壤性質(zhì)

土壤溫度在高寒草甸中變化幅度較高寒草原略小。在2個(gè)研究區(qū)中，土壤溫度均為7月最高，1月最低。土壤水分在高寒草甸中高于高寒草原。在2個(gè)研究區(qū)中，土壤水分均在生長(zhǎng)季初期升高，在生長(zhǎng)季保持全年內(nèi)的較高水平，隨后在11月下降（圖2）。

圖2 土壤溫度與水分狀況Fig.2 Soil temperature and soil volumetric water content conditions

高寒草甸中土壤TN在生長(zhǎng)季初期略有下降，生長(zhǎng)季結(jié)束后逐漸升高；高寒草原中土壤TN含量在全年內(nèi)保持穩(wěn)定。高寒草甸及高寒草原土壤TN的年內(nèi)平均含量分別為1.85 g·kg-1及0.25 g·kg-1（圖3）。

圖3 土壤全氮（TN）含量的年內(nèi)變化Fig.3 Monthly variation of soil TN content

2.2 土壤可利用氮及微生物量氮的季節(jié)變化

在2個(gè)研究區(qū)中，土壤NH4+-N的變化趨勢(shì)相似，且年內(nèi)變化顯著。在活動(dòng)層凍融交替季，高寒草甸土壤NH4+-N含量較高，高寒草原含量較低。在生長(zhǎng)季初期，2種草地生態(tài)系統(tǒng)土壤NH4+-N急劇下降，在6月至10月之間保持穩(wěn)定，在11月又快速上升。總體上看，土壤NH4+-N在非生長(zhǎng)季含量高于生長(zhǎng)季。高寒草甸及高寒草原中土壤NH4+-N年內(nèi)平均含量分別為7.57 mg·kg-1及4.13 mg·kg-1（圖4）。

圖4 土壤銨態(tài)氮（NH4+-N）含量的年內(nèi)變化Fig.4 Monthly variation of soil NH4+-N content

土壤NO3--N在2個(gè)研究區(qū)中變化趨勢(shì)相似，在生長(zhǎng)季初期呈升高趨勢(shì)，在生長(zhǎng)季末期及非生長(zhǎng)季初期呈降低趨勢(shì)。在非生長(zhǎng)季中期與深度凍結(jié)期，土壤NO3--N含量升高，隨后在凍融交替季節(jié)下降。高寒草甸及高寒草原土壤NO3--N年內(nèi)平均含量分別為8.45 mg·kg-1及6.28 mg·kg-1（圖5）。

圖5 土壤硝態(tài)氮（NO3--N）含量的年內(nèi)變化Fig.5 Monthly variation of soil NO3--N content

土壤DON在2個(gè)研究區(qū)的變化趨勢(shì)有所不同，在高寒草甸地區(qū)，土壤DON含量在5月呈上升趨勢(shì)，隨后下降保持穩(wěn)定，直至1月再次上升；在高寒草原中，土壤DON含量在生長(zhǎng)季逐漸下降，在非生長(zhǎng)季逐漸上升，次年3月又有所下降。高寒草甸及高寒草原土壤DON年內(nèi)平均含量分別為16.29 mg·kg-1及8.79 mg·kg-1（圖6）。

圖6 土壤可溶性有機(jī)氮（DON）含量的年內(nèi)變化Fig.6 Monthly variation of soil DON content

土壤MBN含量在高寒草甸中變化劇烈，在高寒草原中變化趨勢(shì)較平緩。在高寒草甸中，土壤MBN含量從4月至6月急劇上升，隨后急劇下降，在非生長(zhǎng)季初期和凍結(jié)初期又有所上升。在高寒草原中，土壤MBN含量在5月有所上升，隨后下降，在生長(zhǎng)季中期至非生長(zhǎng)季初期期間再次上升，隨后在非生長(zhǎng)季緩慢下降。在高寒草甸及高寒草原中土壤MBN年內(nèi)平均含量分別為41.96 mg·kg-1及5.10 mg·kg-1（圖7）。

圖7 土壤微生物量氮（MBN）含量的年內(nèi)變化Fig.7 Monthly variation of soil MBN content

2.3 土壤可利用氮、微生物量氮與環(huán)境因子之間的關(guān)系

土壤NH4+-N與MBN在不同采樣時(shí)間及草地生態(tài)系統(tǒng)與采樣時(shí)間的交互作用下均具有顯著差異，土壤NO3--N與DON在不同草地生態(tài)系統(tǒng)之間具有顯著差異，在不同采樣時(shí)間及其與草地生態(tài)系統(tǒng)的交互作用下差異不顯著（表2）。

表2 土壤氮組分兩因素重復(fù)測(cè)量方差分析Table 2 Results from two-way repeated-measures ANOVA analysis of soil nitrogen fractions

在高寒草甸區(qū)，土壤可利用氮與含水量之間的相關(guān)系數(shù)為-0.98，呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤MBN與TN之間的相關(guān)系數(shù)為0.69，呈顯著正相關(guān)；在高寒草原區(qū)，土壤可利用氮與TN之間的相關(guān)系數(shù)為0.78，呈顯著正相關(guān)（表3）。

表3 土壤可利用氮、微生物量氮與環(huán)境因子之間的皮爾森相關(guān)系數(shù)Table 3 Pearson’s correlation coefficients among soil available nitrogen，MBN and environmental factors

3 討論

3.1 土壤可利用氮及微生物量氮的季節(jié)變化

土壤可利用氮各組分的含量在不同的草地生態(tài)系統(tǒng)中季節(jié)變化趨勢(shì)相似，說(shuō)明在研究區(qū)域內(nèi)，不同草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)土壤中各組分可利用氮的季節(jié)變化趨勢(shì)的影響較小。影響土壤可利用氮季節(jié)變化的主要因素有微生物分解轉(zhuǎn)化，植物與微生物的吸收利用以及淋失等因素［16］。本研究中2個(gè)研究區(qū)域均位于青藏高原腹地，具有類似的氣候條件與植被生長(zhǎng)時(shí)期，可能導(dǎo)致了在不同草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤可利用氮組分具有相似的季節(jié)變化趨勢(shì)。

在整個(gè)采樣期中，土壤NH4+-N在生長(zhǎng)季較低，而NO3--N在生長(zhǎng)季較高。硝化作用與反硝化作用在調(diào)節(jié)土壤NH4+-N與NO3--N的平衡中起到重要作用［29-30］，研究表明在一定范圍內(nèi)土壤水分含量升高有利于增強(qiáng)硝化作用［31］。在青藏高原風(fēng)火山高寒草甸及特大橋高寒草原地區(qū)，表層土壤含水量達(dá)不到使土壤處在厭氧環(huán)境下的含量，因此表層土壤中主要以硝化作用為主。青藏高原降雨主要發(fā)生在夏季，此時(shí)土壤含水較高，可促進(jìn)硝化作用的發(fā)生，使土壤中NO3--N含量升高，且生長(zhǎng)季中較強(qiáng)的氨氧化作用使土壤NH4+-N含量保持在較低的水平［30］。本研究中，高寒草甸地區(qū)土壤NH4+-N含量在凍融交替季節(jié)（4月）高于高寒草原，F(xiàn)reppaz等［32］、李源等［33］認(rèn)為，凍融可能導(dǎo)致土壤中不可利用的有機(jī)膠體中NH4+-N的釋放，且凍融作用可破壞土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)使其更易分解為小分子物質(zhì)［34］。在本研究中，高寒草甸土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于高寒草原，因此在高寒草甸地區(qū)，土壤受凍融作用的影響，可能釋放出更多的NH4+-N，導(dǎo)致在高寒草甸土壤中NH4+-N含量高于高原草原。土壤DON可被微生物礦化分解為無(wú)機(jī)氮，或被植物直接吸收利用［35-36］，在氮地球化學(xué)循環(huán)及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定方面占有很重要的作用［37］。本研究中，土壤DON在生長(zhǎng)季有所下降，這可能與生長(zhǎng)季土壤DON被植物吸收以及此時(shí)期淋溶損失有較大關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，土壤團(tuán)聚體呈負(fù)電性，因此同為負(fù)電性的DON不易被吸附，導(dǎo)致其易在土壤含水量較高的生長(zhǎng)季隨水分遷移淋失，含量下降。

土壤微生物是土壤評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)［10］，土壤MBN可表征土壤中微生物的活性［38-39］。本研究中，在生長(zhǎng)季，土壤MBN在2種草地生態(tài)系統(tǒng)中均呈下降趨勢(shì)。在高原上植物更傾向于吸收NO3--N，微生物更傾向于吸收NH4+-N［40］。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤中NH4+-N含量在生長(zhǎng)季較低，這可能導(dǎo)致了土壤MBN含量在生長(zhǎng)季減少。凍融作用對(duì)土壤微生物的影響受環(huán)境條件的制約，一方面凍融交替可導(dǎo)致微生物死亡分解［41］，使土壤中現(xiàn)有微生物活性下降［32］；另一方面死亡的微生物殘?bào)w中釋放的養(yǎng)分可供幸存微生物使用，可激發(fā)殘留微生物活性［42］。本研究中，土壤融化過(guò)程中（4月）微生物氮含量較低，而凍結(jié)過(guò)程中（10月）土壤微生物量氮含量略有上升。這可能是由于在融化期，凍融作用導(dǎo)致大量微生物死亡，而在凍結(jié)期土壤水分變化較小，為幸存微生物提供了較為穩(wěn)定的生存環(huán)境，使土壤中殘留微生物的活性緩慢增強(qiáng)［42］。在10月至3月，高寒草甸中土壤MBN含量呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，而高寒草原中呈緩慢下降趨勢(shì)。研究表明，土壤溫度、含水量及其相互作用可導(dǎo)致不同草地類型土壤MBN含量變化趨勢(shì)不同［15］。高寒草原地區(qū)土壤含水量小于高寒草甸地區(qū)，冬季土壤凍結(jié)可使高寒草原地區(qū)土壤未凍水含量進(jìn)一步降低，進(jìn)而影響土壤中微生物活性［15］。此外，土壤MBN在2種不同草地生態(tài)系統(tǒng)中變化趨勢(shì)相似，而波動(dòng)幅度差異較大。由于高寒草甸土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富，土壤中具有更多的可供分解周轉(zhuǎn)的底物，而在高寒草原中，土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，微生物僅可利用有限的底物，使得高寒草甸土壤MBN變化幅度大于高寒高原［43］。

3.2 土壤可利用氮、微生物量氮與環(huán)境因子的關(guān)系

土壤可利用氮與MBN的季節(jié)變化受到環(huán)境因子的驅(qū)動(dòng)［15，24］。本研究中，土壤溫度與土壤水分對(duì)土壤可利用氮與MBN的影響不明顯，甚至在高寒草甸中土壤水分與可利用氮呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)現(xiàn)象，這可能是由于本研究中土壤水分主要受降水的影響［44］。降水主要集中在夏季［45］，此時(shí)植被對(duì)土壤氮養(yǎng)分的吸收較強(qiáng)烈，減弱了土壤水分對(duì)土壤可利用氮與MBN的作用效果。在不同的草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤可利用氮、土壤MBN與環(huán)境因子之間關(guān)系存在差異，其中土壤TN在2種草地生態(tài)系統(tǒng)中分別與MBN及可利用氮呈正相關(guān)。土壤TN可提供被微生物分解利用的底物，因此土壤TN含量是直接限制土壤可利用氮與MBN含量的因素之一。此外，盡管土壤pH值與可利用氮及MBN在本研究中無(wú)顯著相關(guān)性，但有研究表明，土壤pH值可以影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)以及酶活性［38］，可能會(huì)進(jìn)一步影響土壤MBN。

多年凍土地區(qū)具有氣候條件獨(dú)特，生態(tài)系統(tǒng)較敏感的特點(diǎn)，這些地區(qū)氮循環(huán)過(guò)程更容易受到氣候變化的影響。目前，在青藏高原對(duì)于氮循環(huán)各個(gè)環(huán)節(jié)與環(huán)境因子之間的關(guān)系還缺乏長(zhǎng)期規(guī)律的野外觀測(cè)數(shù)據(jù)支持。因此，繼續(xù)在長(zhǎng)時(shí)間序列上對(duì)青藏高原土壤氮進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)加深氮循環(huán)的認(rèn)識(shí)具有重要的科學(xué)意義。

4 結(jié)論

本研究分析了青藏高原地區(qū)2種典型的草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤可利用氮及MBN的季節(jié)變化，結(jié)果表明，2種草地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤可利用氮組分與MBN均存在明顯的季節(jié)波動(dòng)。土壤可利用氮及MBN在2種不同草地生態(tài)系統(tǒng)中季節(jié)變化趨勢(shì)相似，風(fēng)火山地區(qū)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中土壤MBN變化幅度大于特大橋地區(qū)高寒草原生態(tài)系統(tǒng)，此外，不同的可利用氮組分變化趨勢(shì)不同。研究區(qū)中不同草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)土壤氮組分季節(jié)變化趨勢(shì)影響較小，而風(fēng)火山地區(qū)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤中較高的土壤有機(jī)質(zhì)含量使土壤MBN具有較大的變化空間。土壤TN可影響土壤氮組分含量的季節(jié)變化，但在不同的草地生態(tài)系統(tǒng)中其影響模式不同。