不同退化程度对高寒草甸土壤无机氮及脲酶活性的影响

李亚娟，刘静，徐长林，曹文侠

(1.甘肃农业大学草业学院,草业生态系统教育部重点实验室,中美草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃省草业工程实验室，甘肃 兰州 730070；2.兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730000)

土壤氮素是限制植物生长的重要因子，氮的供应与草地生态系统的生产力和群落特征直接相关[1]。草地利用方式的变化一方面导致土壤氮素的分布差异[2]，另一方面改变氮素的转化过程，影响土壤肥力和植物的吸收与利用[3-4]，因而造成土壤氮素特征的差异。土壤中氮的形态包括有机氮和无机氮，主要以有机氮为主，有机氮必须通过微生物的转化形成无机氮，才能供植物体吸收和利用[5]，而土壤脲酶酶促反应产物的氨是植物氮源之一，其活性反映了土壤有机态氮向无机态氮的转化能力和土壤无机氮的供应能力[6]。近年来，由于长期的气候演变、过度放牧、盲目开荒等导致东祁连山高寒草甸退化严重，出现了大面积的退化草地，给生态环境带来了极大压力，草地退化通过影响进入土壤的植物残体数量，改变土壤的水、空气、热量状况等方式影响土壤养分的含量，进而影响土壤和植被的稳定性[7]。因此，定量研究退化草地土壤中无机氮和脲酶活性，对揭示草地土壤氮素状况和土壤氮素循环特点具有重要意义。

前人对我国不同地区草地管理措施变化以及不同生境群落等条件下土壤氮素状况进行了广泛研究[8-11]，已经明确各种地上植被以及干扰措施的变化都会引起土壤氮素的变化，但这些研究主要针对土壤氮素总含量及储量进行分析，而对地上植被生长起关键作用的土壤无机氮的研究还比较少。随着退化程度的加剧，土壤脲酶活性存在较大差异，不同退化程度高寒草地土壤酶具有在轻度退化时活性表现为最高的普遍规律[12-13]。但是退化草地土壤脲酶与无机氮的系统研究还未见报道。因此，本研究拟对东祁连山不同退化程度高寒草地的土壤无机氮含量变化以及驱动有机氮向无机氮转化的土壤脲酶活性及其季节特征进行研究，分析高寒草地退化对土壤氮素影响的机理和原因，为区域高寒草地退化的防治和生态环境保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于东祁连山甘肃农业大学高山草原试验站，地理位置N 37°40′，E 102°32′，该地区年降水量为416 mm，多为地形雨，集中于7-9月，年蒸发量为1592 mm，年日照时间为2600 h，无绝对无霜期，仅分冷热两季。年均温0.8 ℃，1月和7月平均气温分别为-10.8和12.4 ℃。土壤类型为山地黑钙土，质地为中壤质。于研究区域选择典型的围封草地(FG)、轻度退化草地(LD)、中度退化草地(MD)和重度退化草地(HD)4种类型天然草地，其中轻度、中度和重度退化草地的确定参考柳小妮等[14]的方法进行调查和划分，每个样地面积约5 hm2，样地位置及植被构成、盖度等差异性见表1。

围封5年未放牧，植被有扁蓿豆(Melissilusruthemicus)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)、披碱草(Elymusnutans)、唐松草(Thatictrumaquilegifolium)、苔草(Carexspp.)、早熟禾(Poapratensis)、银莲花(Anemonecathayensis)，盖度100%，草高30 cm。

唐松草(Thatictrumaquilegifolium)、麻花艽(Gentianastraminea)、球花蒿(Artemisiasmithii)、披碱草(Elymusnutans)、棘豆(Oxytropisochrocephala)、银莲花(Anemonecathayensis)和毛茛(Ranunculusjaponicus)，盖度50%。

表1 不同类型样地概况Table 1 General information of the different grassland types

1.2 样品采集与处理

分别于2016年春季(4月)、夏季(7月)和冬季(11月)在FG、LD、MD和HD 4种类型天然草地用土钻法取土，每个样地随机选取3个样区，每个样区取3个样点，作为3次重复，每个样点按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 3个土层深度取样，每个样点的相同层次样品混合，用自封袋带回实验室，各样地采用GPS定位。新鲜土样分为两份，一份用于铵态氮和硝态氮含量的测定，另一份风干，过1 mm筛，用于土壤脲酶活性的测定。

1.3 测定指标与方法

土壤铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)的测定：称取10 g新鲜土，用0.01 mol·L-1CaCl2提取(液土比10∶1)，流动注射分析仪器测定[15]，仪器型号为O.I.Analytical-FS3100。无机氮总量为铵态氮和硝态氮之和。土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定[16]。

1.4 数据分析

采用Excel 2007进行数据整理与图表绘制，用SPSS 20.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同退化程度对高寒草甸土壤无机氮总量及季节动态影响

土壤无机氮是植物可直接吸收利用的地下氮素资源，土壤无机氮总量直接决定氮素供应的强度水平[17]，不同类型高寒草地土壤的无机氮总量如表2所示。

由表2可以看出，与FG相比，0～10 cm土层，春季和夏季3种不同退化程度高寒草地土壤无机氮总量均显著升高，春季LD、MD和HD分别比FG升高了39.9%、28.9%和68.4%，夏季分别升高了19.1%、28.7%和33.6%，但冬季却显著降低，LD、MD和HD分别比FG降低了20.4%、27.2%和47.4%。10～20 cm与20～30 cm土层，春季退化对土壤无机氮含量影响不大；夏季表现出FG>HD>LD>MD的规律性，差异显著(P<0.05)。冬季则表现出随退化程度加剧，土壤无机氮总量明显降低的趋势。4种类型草地土壤无机氮总量具有明显的垂直分布规律，均随土层深度的增加而降低。

表2 不同类型草地土壤无机氮含量Table 2 Soil inorganic nitrogen content of different grassland types (mg·kg-1)

注：FG：围封草地，LD：轻度退化草地，MD：中度退化草地，HD：重度退化草地。表中大写字母表示相同季节相同土层不同草地类型之间差异显著性(P<0.05),小写字母表示相同草地类型相同季节不同土层的差异显著性(P<0.05)。

Note：FG: Fenced grassland, LD: Light degraded grassland, MD: Moderate degraded grassland, HD: Heavy degraded grassland. The capital letters indicate the significant difference between different grassland types in the same soil depth and same season (P<0.05), the small letters indicate the significant difference in different soil depth of the same grassland type and same season (P<0.05).

4种草地类型土壤无机氮含量季节动态变化规律不一致，FG表现为冬季>夏季>春季，退化草地的季节动态变化规律均表现为：夏季>春季>冬季，说明退化导致高寒草地土壤无机氮的季节分布发生变化。

图1 不同类型草地0～10 cm土层NH4+-N 含量Fig.1 Soil NH4+-N content of different grassland types in 0-10 cm soil depth FG：围封草地，LD：轻度退化草地，MD：中度退化草地，HD：重度退化草地。图中柱子上大写字母表示相同季节不同草地类型之间差异显著性(P<0.05)，小写字母表示相同草地类型不同季节差异显著性(P<0.05)。下同。FG: Fenced grassland, LD: Light degraded grassland, MD: Moderate degraded grassland, HD: Heavy degraded grassland. The capital letters on the columnar indicate the significant difference between different grassland types in the same season (P<0.05), and the small letters on the columnar indicate the significant difference in different season of the same grassland type (P<0.05). The same below.

2.2 不同退化程度对高寒草甸土壤铵态氮含量及其季节动态的影响

铵态氮是土壤无机氮的重要组成部分，不同类型草地、不同季节3个土层土壤的NH4+-N含量如图1、2、3所示。由图1～3可以看出，春季3个土层的NH4+-N含量均随着退化程度的加剧而表现出升高的规律，HD最高，FG最低；夏季3个土层的NH4+-N含量均表现出先升高后降低的趋势，LD最高，HD最低；冬季0～10 cm和20～30 cm土层NH4+-N含量表现出逐渐降低的规律。说明退化对土壤NH4+-N含量的影响存在季节差异。

4种类型草地土壤NH4+-N含量的季节动态分布趋势均表现为：春季>夏季>冬季。春季土壤中NH4+-N的平均含量为43.3 mg·kg-1，夏季为30.4 mg·kg-1，而冬季仅为23.0 mg·kg-1。这也表明草地退化对NH4+-N含量的季节规律没有明显影响。4种类型草地土壤NH4+-N含量均表现出随土层加深逐渐降低的趋势，3个季节的NH4+-N含量在3个土层间差异显著(P<0.05)，但是FG表层土壤3个土层的差异不明显，而3种退化草地3个土层的差异很大。

2.3 不同退化程度对高寒草甸土壤硝态氮含量及其季节动态的影响

不同类型草地、不同季节3个土层土壤的NO3--N含量如图4、5、6所示。退化导致春季土壤NO3--N含量在土层之间的变异减小，夏季和冬季3种类型草地土壤NO3--N含量随着土层深度增加而减少，土层之间差异显著(P<0.05)，但冬季FG表现出10～20 cm>0～10 cm>20～30 cm。说明草地退化改变了土壤NO3--N含量在土壤剖面的分布规律。

图2 不同类型草地10～20 cm土层NH4+-N 含量Fig.2 Soil NH4+-N content of different grassland types in 10-20 cm soil depth

图3 不同类型草地20～30 cm土层NH4+-N 含量Fig.3 Soil NH4+-N content of different grassland types in 20-30 cm soil depth

图4 不同类型草地0～10 cm土层NO3--N 含量Fig.4 Soil NO3--N content of different grassland types in 0-10 cm soil depth

图5 不同类型草地10～20 cm土层NO3--N 含量Fig.5 Soil NO3--N content of different grassland types in 10-20 cm soil depth

4种类型草地土壤NO3--N含量的季节动态分布规律为：冬季>夏季>春季。春季土壤中NO3--N平均含量为21.7 mg·kg-1，夏季为28.5 mg·kg-1，冬季为46.5 mg·kg-1。

春季0～10 cm土层NO3--N含量差异较小，整体表现出升高的趋势，而10～20 cm和20～30 cm土层均表现出退化导致NO3--N含量降低的规律性；在夏季，0～10 cm土层NO3--N含量变化规律明显，HD含量最高，FG最低；随着退化程度的加剧，NO3--N含量表现出升高的趋势，各草地类型之间差异显著(P<0.05)；而冬季，3个土层NO3--N含量均表现出FG>LD>MD>HD 的规律性，表明随着退化程度的加剧，冬季土壤的NO3--N含量明显降低。

2.4 不同退化程度对高寒草甸土壤脲酶活性及其季节动态的影响

4种类型高寒草地不同季节3个土层的土壤脲酶活性如图7、8、9所示。在春季，相比FG，土壤脲酶活性表现出LD和MD升高，而HD下降的规律性，夏季和冬季，土壤脲酶活性在LD草地类型下降，而在MD和HD又升高的规律性，夏季各处理间差异显著(P<0.05)，而冬季的各处理间差异不显著(P>0.05)，整体上，脲酶活性HD>MD>FG>LD。

在0～10 cm和10～20 cm土层FG的脲酶活性均是冬季最高， LD和MD则表现出春季土壤脲酶活性较高，而HD 0～10 cm和10～20 cm土层脲酶活性均表现出春季最低，在冬季4种类型草地均表现出表层土壤的脲酶活性最高的特征，与其他土层差异显著(P<0.05)。

图6 不同类型草地20～30 cm土层NO3--N 含量Fig.6 Soil NO3--N content of different grassland types in 20-30 cm soil depth

图7 不同类型草地0～10 cm土层脲酶活性Fig.7 Soil urease activity of different grassland types in 0-10 cm soil depth

图8 不同类型草地10～20 cm土层脲酶活性Fig.8 Soil urease activity of different grassland types in 10-20 cm soil depth

图9 不同类型草地20～30 cm土层脲酶活性Fig.9 Soil urease activity of different grassland types in 20-30 cm soil depth

3 讨论

土壤无机氮是植物直接吸收利用的重要地下氮素宝库，对于植物生长具有至关重要的作用[18]，本研究表明草地退化对表层土壤的无机氮含量影响较大，这与Zhao等[19]、蒋双龙等[20]以及李亚娟等[21]的研究结果一致。但本研究还发现退化对土壤无机氮的影响存在季节差异，草地退化导致春、夏季表层土壤的无机氮总量升高，这主要是因为草地退化后植被盖度降低，减小了植物对土壤的保护，尤其表层土壤的矿化过程会加快[22]，而本研究中退化后冬季土壤的无机氮总量下降，这可能是由于冬季温度低，微生物的活性降低，有机氮的矿化有限，再加上植物对氮素的吸收量少，而造成土壤氮素的淋溶损失。因此，相比围封草地，退化草地更易造成土壤氮素的损失。总体来看，各草地类型土壤无机氮的季节动态规律均表现为：夏季>春季>冬季，是因为夏季温度高，植物生长旺盛，为微生物的活动提供了适宜的环境，并且加速了有机氮的矿化作用[23]，而冬季植物逐渐枯死，生长停滞，虽然植物对氮素的吸收量减少了，但由于气温低，氮转化能力也很弱[24]。

本研究发现退化导致春季表层土壤NH4+-N含量明显升高，同时土壤NH4+-N含量表现出明显的春季>夏季>冬季的规律性，张玉霞等[25]的研究结果也表明，高寒草地退化导致土壤中NH4+-N含量积累。草地退化对夏季和冬季土壤NO3--N含量影响较大，随着退化程度的加剧，夏季土壤剖面中NO3--N含量有明显增加，这可能是因为退化草地植被盖度较小，土壤直接接受太阳辐射，温度变化剧烈，土壤中有机态氮矿化速度加快，并且在通气良好的条件下，土壤中的NH4+-N在硝化细菌和亚硝化细菌的作用下，容易转变为硝态氮，而冬季则明显降低。因此，夏季防止硝态氮的淋失，保蓄并补充土壤氮素营养，对于恢复植被和区域环境保护显得非常重要。

NH4+-N带正电荷，易于被土壤胶体吸附而不易淋失，本研究中4种草地类型土壤NH4+-N含量均表现出随土壤深度的增加而降低的垂直分布规律，草地退化对土壤铵态氮的垂直分布规律并未产生明显影响。4种类型草地土壤NH4+-N含量均表现出春季>夏季>冬季的季节动态特征，这与孙志高等[26]的研究结果一致。NO3--N带负电荷，不能被土壤胶体吸附，流动性强，易发生淋溶，是土壤氮素损失的重要途径[4]。本研究中草地退化改变了冬季土壤NO3--N含量在土壤剖面的分布规律，冬季FG的NO3--N含量表现出10～20 cm>0～10 cm>20～30 cm，而退化草地均表现出0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm的变化规律，这一结果与张建贵等[27]的研究不同。NO3--N由于流动性强，其含量的季节变化特征受植被、土壤性状、气候等因素影响较大，以上因素的效应还有待进一步研究。

本研究发现相比FG，春季LD土壤脲酶活性最高，而HD则最低，表明轻度退化可能导致春季草地土壤无机氮的供应能力增加，这也符合本研究中土壤无机氮总量的研究结果，并与已有的研究结果一致[13,28-30]。 研究中发现围封草地土壤脲酶活性总体表现较低，斯贵才等[31]的研究也发现短期禁牧不会使所有土壤酶活性发生显著恢复，关于围封时间对草地土壤脲酶活性的影响还有待进一步研究。夏季和冬季，随着退化程度的加剧，脲酶活性均表现出逐渐升高的趋势，这表明夏季和冬季退化草地土壤有机态氮向无机态氮的转化能力高于围封草地，夏季土壤无机氮总量也较高，表明了土壤脲酶活性与无机氮总量的正相关性。但是退化导致冬季土壤的无机氮降低与脲酶活性的表现并不相符，这可能与土壤无机氮形态的行为有关。此外，本研究中脲酶活性随着土壤深度的增加而降低，在冬季尤其表现突出，这与黄容等[24]的研究结果一致。

土壤中无机氮含量以及驱动氮素转化的脲酶活性受土壤有机质含量、植被类型、微生物种类、土壤环境和土壤盐碱度等很多因素的影响，关于高寒地区各种影响因子的效应及其内在过程与机理还有待进一步研究。

4 结论

高寒草甸退化对表层土壤的无机氮总量影响较大，并存在季节差异，相比围封草地，春季和夏季3种不同退化程度高寒草地土壤无机氮总量均显著升高，但冬季却显著降低。高寒草甸退化对土壤无机氮形态的影响也不同，并存在季节差异，草地退化导致春季表层土壤铵态氮含量升高，而对硝态氮含量影响不大，从而导致土壤无机氮总量升高，而夏季情况正好相反，草地退化对夏季表层土壤的铵态氮含量影响不大，而硝态氮含量升高，从而导致土壤无机氮总量升高。退化对脲酶活性的影响同样存在季节差异，相比围封草地，春季轻度和中度退化草地的表层土壤脲酶活性显著提高，而中度退化草地则下降，夏季和冬季，随着退化程度的加剧，脲酶活性均表现出逐渐升高的趋势，表明轻度和中度退化加快了春季高寒草甸土壤氮素的转化，增加了土壤无机氮的供应能力。