青藏高原退化高寒草地土壤氮矿化特征以及影响因素研究

王学霞，董世魁，高清竹，张勇，胡国铮*，罗文蓉

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京100081；2.北京师范大学环境学院，北京100875；3.西南林业大学湿地学院，云南 昆明650224)

草地是分布最广的陆地生态系统之一，占整个陆地生态系统面积的29%[1], 我国的草地占国土面积的40%以上[2]。近年来，草地环境遭受严重破坏，全球草地生态系统存在明显的退化现象[3]，中国草地生态系统也面临大范围不同程度的退化[4]。在陆地生态系统初级生产过程中，氮是最受限制的营养元素之一[5]。土壤NH4-N、NO3-N和微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen, MBN)等有效氮是评价土壤生产力高低最有效的氮素指标。草地生态系统土壤有机氮转化为NH4-N 和NO3-N的速率(土壤氮矿化速率)直接影响到草地土壤有效氮的供应能力和草地生态系统功能。草地土壤氮矿化速率受植物特征[6]、微生物群落组成和活性[7-8]、土壤温湿度[7]和土壤养分[9]等因素的影响，其中微生物起着驱动和调节土壤氮元素转化的主导作用，氨化细菌、硝化细菌等功能微生物影响氮素转化中的氨化作用、硝化作用[9-11]，决定土壤的氨化速率和硝化速率。草地退化会改变植被组成和生产力[12-13]及土壤有机质的积累和分解速率[14]、微生物的特征[12-13]，进而影响到草地生态系统土壤氮储量和氮素循环[15]。

青藏高原高寒草地生态系统因其高寒性、敏感性、脆弱性是世界性的生态系统维系与管理的难题。高寒草甸和高寒草原作为青藏高原主要的高寒草地类型，在畜牧业生产和生态服务方面发挥着巨大的作用。近几十年，由于气候异常变化，超载放牧、人为干扰等多重因素影响，整个青藏高原地区的草地大面积发生退化，生态系统功能严重受损[16-17]。国内外学者已经对退化高寒草地的特征和退化机理做了大量的研究，阐明草地退化现状及其驱动力[18]，报道了退化草地改变了植物群落结构及其稳定性、降低了植物生物量[19-21]，改变了土壤物理性质、降低了土壤养分含量[22,14]，降低了微生物生物量、固氮菌[13]和土壤酶活性[19,23]，对退化高寒草地恢复提供了一定的理论基础，但土壤氮素转化功能菌、土壤氮矿化速率对草地退化响应趋势的研究还比较少。

本研究通过野外试验与取样，对青海省门源健康和退化高寒草甸和刚察高寒草原的土壤氮矿化速率、土壤氮素转化功能微生物以及植被和土壤因子等进行分析研究，揭示退化高寒草地土壤氮矿化特点以及影响因素，对退化高寒草地土壤氮素的恢复具有重要指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概述

本研究高寒草甸的样地位于青海省门源县 (N 37°36.23′-37°37.10′, E 101°17.84′-101°19.54′)，平均海拔3100 m以上，属高寒大陆性季风气候，年均温-5 ℃，年降水量520～560 mm，植被以高山嵩草(Kobresiahumilis)、矮嵩草(Kobresiapygmaea)、苔草(Carexatrofusca)为主，伴生有早熟禾(Poacrymophila)和矮火绒草(Leontopodiumnanum)。高寒草原的样地位于青海省刚察县(N 37°10.32′-37°17.43′, E 98°49.52′-98°54.50′)，平均海拔3000 m以上，属高寒大陆性季风气候，年均温-2 ℃，年降水量400～500 mm，植被以针茅(Stipapurpurea)，羊茅 (Festucaovina)，早熟禾为主，伴生有狼毒(Stellerachamaejasma)等(图1)。

1.2 样地设置

通过实地考察，同时参照Wen等[24]对退化草地的划分标准，在研究区选择3个健康样地(50 m×50 m)和3个退化样地(50 m×50 m)作为本研究的试验样地。

本研究采用原位培养中应用广泛的盖顶PVC管法来分析自然条件下土壤的矿化特征。具体操作为：于2013年6月中旬在每个样地随机选取4个(10 m×10 m)样方，每个样方设置3个样点，去除地上植被及凋落物后，直接用PVC管(直径5 cm)埋入15 cm深处，将管顶端用通气不透水的塑料薄膜封闭，以避免降水的淋溶作用。在每个样方内，采用“S”形多点(4点)取样，除去植被及凋落物，用内径5 cm的土钻采样(0～15 cm)，然后将土样混匀组成一个混合样(每个样方1个混合样)，作为各样地的背景土样，过2 μm的筛子，放在4 ℃保存。培养60 d后，于同年8月中旬将管内土样取出，带回实验室测土壤内总的矿化氮含量。

图1 研究区位置图Fig.1 The approximate location of the experiment in the study site region

1.3 测定指标与方法

植物指标测定：在高寒草地植物旺盛生长期(8月中旬)，每个样方内选取3个1 m×1 m测定草地植被盖度、物种、地上生物量[24]。

土壤理化性质测定：采用GB 7172-1987测定土壤样品的水分(0～15 cm)，用电感耦合等离子体光谱仪(spectro arcos eop, spectro，German)测定土壤总氮(total N，TN)，用元素分析仪(vario EI，elementar, German)测定有机碳(soil organic carbon，SOC)含量；用流动分析仪(AA3，bran+luebbe, German)测定土壤NH4-N，NO3-N的含量[22]。微生物生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)采用Lin 等[25]、微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen，MBN)采用Brookes 等[26]的方法测定。

土壤氮素转化功能微生物生理群采用最大或然计数法测定。采用蛋白胨培养基培养氨化细菌，培养7 d测定其数量；采用改良的史蒂芬逊培养基B培养硝化细菌，培养14 d测定其数量[27]。采用苯酚钠—次氯酸钠比色法测定土壤中脲酶和改良茚三酮比色法测定蛋白酶的活性[27]。

1.4 计算公式

土壤矿化指标计算公式：V=(v2-v1)/t

式中：v1和v2分别为培养前后土壤中氮的含量(NH4-N，NO3-N)，mg·g-1；V为土壤的净氨化速率和净消化速率,mg·g-1·d-1;t为培养时间， d。

1.5 数据统计分析

使用SPSS 20.0软件进行观测数据和试验数据统计分析，采用Excel 2010作图。所有图表中显示的数据均为平均值±标准误(mean±SE)。运用单因素方差分析(One-way ANOVA)分析相同草地类型健康与退化草地之间的差异， 各因子之间采用Pearson相关系数法进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 草地退化对高寒草地植物和土壤特征的影响

草地退化对高寒草地植物和土壤特征的影响如表1所示。高寒草甸退化显著降低了植物盖度(F=9.98，P=0.005)、植物物种数(F=4.79，P=0.041)、固氮植物盖度(豆科植物)(F=4.47，P=0.046)、土壤含水量(F=5.89，P=0.034)；高寒草原退化显著降低了植物盖度(F=9.35，P=0.006)。退化高寒草甸和草原降低了土壤有机碳、全氮和微生物生物量碳的含量，增加了土壤pH，但是与健康草地之间差异不显著。

2.2 草地退化对土壤氮矿化速率的影响

草地退化显著降低了高寒草甸(F=4.35，P=0.048)和高寒草原土壤净硝化速率(F=4.56，P=0.044)，降低量分别为22.9%和30.1%。草地退化降低了高寒草甸和草原的净氨化速率，降低量分别为15.6%和22.9%，差异均未达到显著水平。因此，高寒草地退化降低了两类高寒草地土壤矿化速率(图2)。

表1 高寒草地植物和土壤特征Table 1 The characteristic of plant and soil in the alpine grassland

小写字母表示健康和退化草地之间在0.05水平上的差异显著性。下同。

Lowercase indicates the significant difference between healthy and degraded alpine grassland at 0.05 level. The same below.

图2 高寒草地土壤氨化速率和硝化速率Fig.2 The rate of soil ammonification and nitrification in alpine grassland HAM、DAM、HAS、DAS分别表示健康高寒草甸、退化高寒草甸、健康高寒草原和退化高寒草原。下同。HAM, DAM, HAS, DAS are short for healthy alpine meadow, degraded alpine meadow, healthy alpine steppe and degraded alpine steppe. The same below.

2.3 草地退化对土壤有效氮含量的影响

草地退化显著降低了高寒草原(F=11.45，P=0.003)和降低了高寒草甸土壤NH4-N含量，分别降低了12.1%和13.3%。草地退化也显著降低了生长季高寒草甸和草原土壤NO3-N含量(F=4.45，P=0.047；F=5.93，P=0.023)，分别降低了18.3%和19.1%。草地退化降低了高寒草甸和草原土壤微生物生物量氮含量，分别降低了7.9%和10.1%(图3)。因此，高寒草地退化降低了两类高寒草地土壤有效氮的含量。

2.4 草地退化对土壤氨化细菌、硝化细菌和酶活性的影响

草地退化降低了高寒草甸和草原硝化细菌和氨化细菌数量，分别降低了20.2%、8.9%和10.7%、21.2%，差异没达到显著水平。草地退化降低了土壤脲酶和蛋白酶的活性，但是差异也均未达到显著水平(表2)。

2.5 土壤氮矿化速率的影响因素分析

通过相关分析发现，高寒草地中硝化细菌数量与土壤含水量、pH、有机碳、硝态氮含量呈现显著正相关关系，与全氮含量呈现极显著正相关关系；氨化细菌数量与土壤含水量、全氮、铵态氮含量之间为显著正相关关系；微生物生物量碳氮与植物生物量、土壤有机碳之间为显著正相关关系；蛋白酶和脲酶与土壤含水量、土壤全氮含量之间为显著正相关关系(表3)；其他植物、土壤因子与土壤微生物数量、生物量、酶活性之间关系不密切。

图3 高寒草地土壤有效氮含量Fig.3 The content of available nitrogen in alpine grassland MBN表示微生物生物量氮。 MBN is short for microbial biomass nitrogen.

指标Factors高寒草甸Alpine meadow健康Healthy退化Degradation高寒草原Alpine steppe健康Healthy退化Degradation硝化细菌Nitrifier (CFU·g-1)533.43±68.17a 424.58±54.32a458.42±58.32a417.14±61.22a氨化细菌Ammonifier (CFU·g-1)3927.22±464.63a 3503.10±350.79a1582.11±92.72a1152.32±93.81a蛋白酶 Protease (mg Tyr·g-1·h-1)0.42±0.03a0.40±0.02a0.39±0.02a0.34±0.02a脲酶 Urease (mg NH4+·g-1·h-1)0.56±0.03a0.50±0.02a0.46±0.02a0.42±0.03a

表3 植物、土壤因子与土壤微生物数量、生物量、酶活性的相关分析Table 3 Correlation analysis of environmental factors and soil bacteria, biomass, enzyme activity

注：*表示P<0.05；**表示P<0.01。下同。

Note: * isP<0.05; **isP<0.01.The same below.

净氨化速率与氨化细菌和脲酶之间呈现极显著和显著正相关关系；净硝化速率与硝化细菌呈现极显著正相关关系；净硝化速率与MBC、MBN和蛋白酶呈现显著正相关关系(表4)，其他土壤微生物和酶活性与土壤氮矿化速率的关系不密切。

表4 土壤微生物和酶活性与土壤氮矿化速率的关系Table 4 The relationship between soil nitrogen mineralization rate and soil microbial, enzyme activities

3 讨论

3.1 微生物对高寒草地土壤氮矿化的影响

土壤氮矿化是为草地植物生长提供可利用有效氮的关键过程。土壤中氮素矿化受到土壤微生物组成及微生物活性的直接和间接影响[28-30]。土壤微生物尤其是与氮转化相关的微生物通过控制氮素矿化过程的酶，直接影响土壤氮矿化速率[31]。本研究中，高寒草地中土壤氨化速率、硝化速率与氨化细菌和硝化细菌呈现极显著正相关，而生长旺季高寒草甸和草原土壤氮素矿化趋势一致，均表现为草地退化降低了土壤净硝化速率、净氨化速率，这可能与草地退化降低了土壤氮素矿化功能微生物数量有直接关系。氨化细菌和硝化细菌主导NH4-N和NO3-N的形成过程[32-35]，该研究中退化草地的氨化速率、硝化速率和NH4-N和NO3-N含量显著低于健康草地，这是由于退化草甸和草原土壤氨化细菌和硝化细菌数量低于相应的健康草地，不利于NH4-N和NO3-N形成，与前人的研究结果一致[8]。

微生物量碳、氮是衡量土壤微生物活性的重要指标。由草地退化引起微生物量碳、氮降低，说明草地退化导致土壤微生物活性降低和土壤肥力的下降，进而影响草地氮素矿化速率[36]。土壤酶直接参与土壤中营养元素的有效化过程[37]。氮素的矿化也是通过土壤酶的催化作用来实现的，其中土壤脲酶、蛋白酶是土壤氮素转化的关键性酶，其活性的高低与土壤氮素转化强度及土壤供氮能力密切相关[38]。本研究显示，草地退化降低了土壤微生物生物量和土壤酶活性，这与卢虎等[19]的研究结果一致。因此，草地退化通过降低土壤微生物活性和酶活，进而降低了土壤的氮矿化速率。

3.2 土壤理化性质对高寒草地土壤氮矿化的影响

土壤养分、水分的含量和pH对土壤氮矿化也有直接和间接的影响[39-41]。土壤中含氮量的高低直接关系到土壤可矿化氮的库容[32]。草地生态系统土壤氮矿化速率与土壤氮含量呈显著正相关关系[32]，本研究在高寒草地生态系统中的研究结果与此一致。由此草地退化降低了高寒草甸和草原土壤全氮含量，可矿化氮减少，相应的土壤氮矿化速率降低。土壤氮素转化受土壤含水量变化的间接影响[30]，Leiros 等[40]研究发现土壤氮矿化与土壤湿度呈显著正相关关系，土壤氮矿化随土壤水分增加而增加；Cregger等[7]和秦燕等[42]的研究也得出草地土壤氮矿化变化与土壤湿度变化趋势一致，本研究中土壤氮矿化速率与土壤含水量呈现显著正相关关系结果与此一致。在高寒草地系统中，由于草地退化使得高寒草甸和草原地表植被的盖度降低，增加了地表的蒸发量，土壤含水量减少，因此草地退化导致土壤湿度降低，在一定程度上降低了高寒草甸和草原土壤氮的净矿化速率。土壤的pH对土壤微生物类群和活性起着至关重要的作用，硝化作用最适宜pH为 7.0～9.0，高寒草甸和草原中土壤的pH大于7.0，这有助于土壤中氮素的硝化作用，由于草地退化对土壤pH影响不明显，因此生长季健康和退化高寒草地土壤氮矿化均以硝化作用为主。

3.3 植物因子对高寒草地土壤氮矿化的影响

植物群落组成、生产力和凋落物通过改变土壤碳、氮源对土壤氮矿化造成一定影响[42-43]。草地退化导致高寒草甸和草原植物种类、生产力、固氮性植物减少以及盖度降低，是退化高寒草地土壤氮矿化降低的因素之一。固氮性植物降低，减少了土壤氮的固定，降低土壤中有机氮含量，减少草地氮库[6]。植物物种丰富度与土壤氮素有关微生物组成和数量密切相关，草地退化减低了植物物种，降低了固氮菌的种类和数量，降低了土壤固氮能力[13]，可能会减低土壤硝化作用[44]，也减低了微生物生物量和酶活性[37]，因此减低了土壤的氮转化速率[25-26,44]。退化高寒草甸和草原植被覆盖度降低，减少了植被对降水的截留与缓冲，增加了降水对裸地的溅蚀，造成土壤碳、氮的流失，直接影响土壤全氮、NH4-N和NO3-N含量。此外，草地退化降低了地上生物量和植物氮含量[14]，低碳、氮含量的凋落物为微生物活动提供的碳氮源有限，降低了微生物的分解和转化速率，因此可能降低了土壤NH4-N和NO3-N等有效氮的积累。

在本研究中，健康和退化高寒草甸和草原中土壤净硝化速率、净氮矿化速率均为正值，说明植物生长旺季高寒草地氮素矿化现象明显，无机氮为净积累，这可能是由于生长季高寒草地较高的土壤温湿度增加了土壤氮素矿化微生物数量和提高了微生物活性[44]。土壤氨化速率明显低于土壤硝化速率，说明高寒草甸和草原中土壤氮矿化主要为硝化作用，这可能与土壤的pH大于7.0，有助于土壤中氮素的硝化作用，而硝化细菌的数量高于氨化细菌有关。高寒草地中硝态氮的含量高于铵态氮含量，因此硝态氮是生长旺季高寒草地生态系统中可供植物利用的有效氮素，草地退化没有改变这种趋势。

4 结论

草地退化改变了植物物种组成，减少了植物多样性和固氮植物数量，降低了植被盖度和地上生物量，降低了土壤含水量、全氮和有机碳含量，降低了硝化细菌、氨化细菌数量、微生物生物量和土壤酶活性，从而导致高寒草地生态系统土壤净氨化速率和净硝化速率降低，进而降低NH4-N、NO3-N含量。

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