温度和水分对华西雨屏区毛竹林土壤氮矿化的影响

桂慧颖，李雪江，王景燕，龚 伟，黄 帅，唐海龙，周于波

（1.四川农业大学林学院/林业生态工程四川省重点实验室，成都 611130；2.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008；3.剑阁县翠云廊古柏自然保护区管理局，四川 广元 628317）

氮素是植物生长所需的大量元素之一，植物吸收的氮素主要来源于土壤有机氮的矿化和氮肥的施用[1]。在土壤微生物的作用下，有机态含氮化合物被分解为无机态氮（NH4+-N和NO3--N），同时释放出能量，为植物和土壤微生物提供养分和能量。氮素矿化过程是微生物参与分解的过程，其种群类型、数量、活性的变化都会导致氮矿化速率发生改变，而温度和水分又直接影响土壤微生物的活性和生物化学过程，使温度和水分成为影响土壤氮矿化最重要的环境因子[2-3]。近年来国内外学者多采用室内控制法研究不同生态系统（包括森林[4-6]、农田[7-8]、草地[9-11]、湿地[12]等）土壤氮矿化，不同生态系统土壤氮矿化对温度和水分变化的响应程度不同，整体表现为土壤温度和水分是影响氮矿化的重要因子，有显著的交互作用，对氮矿化速率有强烈的控制作用，且在一定范围内呈正相关，并建立了相应的模型预测温度和水分变化对氮矿化速率的影响[11，13]，其结果对了解不同生态系统生产力和氮素循环有重要的指导意义。在全球气候变化背景下，气候异常可能会改变不同区域的降水和温度，进而影响氮素循环。土壤氮矿化过程又是影响植物生长和陆地植被生产力的关键因素[14]，因此有必要就氮矿化对温度和水分变化的响应进行研究。

华西雨屏区是成都平原向川西高原过渡的地带，地势抬升强烈，由四川盆地西进的暖湿气流易在此区域形成地形雨，造成该区域降水量远高于周边地区[15-16]。因此该地区的土壤硝态氮易随降雨淋失，且随土壤含水量的增加和含氧量的减少，硝态氮更容易在厌氧条件下被反硝化细菌转换为氮气流失到大气中，在造成环境问题的同时减少土壤氮含量。目前有关华西雨屏区土壤氮矿化的研究报道较少[4]。毛竹是该区域重要的笋竹两用林之一，对生态环境改善和绿山富民具有重要的作用。因此，采用室内控制试验，以该区域毛竹林为对象，研究土壤氮矿化对温度和水分变化的响应，建立相关模型以估算毛竹林土壤供氮潜力，为研究人工林生态系统氮素循环及评价温度和水分变化对该区域土壤供氮潜力的影响提供基础资料。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于海拔1 100～1 550 m的四川省沐川县国有林场（103°47′～103°49′E，28°29′～28°54′N），属亚热带湿润季风气候，地带性植被为亚热带常绿阔叶林[17]。年平均气温为12.8℃，年平均降水量为1 780 mm。试验地林分为毛竹（Phyllostachys heterocycla）林，是1988年天然林皆伐后于1989年人工植苗形成的纯林，林分密度为6 000株/hm2，平均高度为13.1 m，平均胸径为9.5 cm，林分郁闭度为0.8。试验地土壤为黄壤，土壤 pH值为4.26，田间持水量（FWC）为 663.7 g/kg。表层（0～20 cm）土壤基本理化性质：有机碳 44.4 g/kg，全氮 3.4 g/kg，碱解氮133.7 mg/kg，有效磷 2.1 g/kg，速效钾 51.1 g/kg。

1.2 实验设计

土壤氮矿化采用室内培养法，温度和湿度采用全因子试验设计，设置5、15、25和35℃ 4个温度水平，土壤含水量设置20%、40%、60%和80%的田间持水量（FWC）4个水平，共有16个温度和水分组合处理，每个处理3次重复[4]。具体操作如下：称取过2 mm土筛的风干土10 g于100 mL培养瓶中，调制瓶内土壤含水量使其达到试验设计要求，用保鲜膜封住瓶口并用小针均匀刺10个小孔（以保持适度透气），然后放入不同温度的人工气候箱中进行培养，培养期间每隔3 d通过称重法补充瓶内水分，培养30 d后测定土壤中铵态氮和硝态氮含量。

1.3 样品采集与测定

于2016年4月中旬在毛竹林内建立坡向、坡度、坡位和海拔高度基本一致的3个20 m×20 m标准地，采用蛇形5点取样法采集表层（0～20 cm）土壤混合样品。经室内自然通风处晾干，挑去杂物磨细过筛后，测定土壤理化性质和土壤矿质氮本底值。

土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法；全氮采用半微量凯式法；碱解氮采用碱解扩散法；有效磷采用 0.03 mol/L NH4F+0.025 mol/L 盐酸浸提法；速效钾采用1 mol/L乙酸铵浸提-火焰光度法；铵态氮和硝态氮分别采用2 mol/L KCl浸提后靛酚蓝比色法和紫外分光光度法[18]。

土壤净氨化速率（NAR，net ammonification rate）、净硝化速率（NNR，net nitrification rate）和氮净矿化速率（NNMR，net nitrogen mineralization rate）按如下公式计算：

净氨化速率（NAR）=（土壤培养后NH4+-N-土壤初始NH4+-N）/培养天数

净硝化速率（NNR）=（土壤培养后NO3--N-土壤初始NO3--N）/培养天数

氮净矿化速率（NNMR）=（土壤培养后无机氮-土壤初始无机氮）/培养天数

Q10值参考石薇等[4]的方法以15℃与5℃、25℃与15℃和35℃与25℃间净氨化速率、净硝化速率或氮净矿化速率的比值计算，表示温度每升高10℃土壤净氨化速率、净硝化速率或氮净矿化速率增加的倍数。

1.4 数据处理

数据统计和分析采用SPSS 20.0软件进行，采用双因素方差分析（Two-way ANOVA）检验温度和水分及其交互作用对净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率的影响，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差异法（SSR）检验不同温度和含水量处理条件下土壤各变量之间的显著性差异，采用线性回归分析拟合氮矿化与温度、水分的二次函数模型，使用Matlab和Excel作图。

2 结果与分析

2.1 温度和水分对土壤净氨化作用的影响

不同温度和水分组合处理对毛竹林土壤净氨化速率影响显著（P＜0.05），60%FWC+25 ℃处理的净氨化速率显著高于其他处理，20%FWC+5℃处理净氨化速率则显著低于其他处理（图1）。在各温度处理条件下，净氨化速率随FWC的增加呈先增加后降低的变化趋势，在60%FWC时达到最大值。60%FWC时的平均净氨化速率分别是20%、40%和80%FWC 时的 1.86、1.32 和 1.22 倍，且不同土壤含水量间差异显著（图2）。在各水分处理条件下，土壤净氨化速率随温度的增加也呈先增加后降低的变化趋势，在25℃时达到最大值。25℃条件下的平均净氨化速率分别是 5、15 和 35 ℃时的 2.20、1.20 和 1.13倍，且不同土壤温度处理间差异显著（图3）。

图1 不同温度和水分处理条件下土壤氮净矿化速率Figure 1 Soil net nitrogen mineralization rate under different temperatures and moistures treatment

图2 不同水分含量条件下土壤氮净矿化速率Figure 2 Soil net nitrogen mineralization rate under different moistures

图3 不同温度条件下土壤氮净矿化速率Figure 3 Soil net nitrogen mineralization rate under different temperatures

2.2 温度和水分对土壤净硝化作用的影响

不同温度和水分组合处理对毛竹林土壤净硝化速率影响显著（P＜0.05），60%FWC+25 ℃处理的净硝化速率显著高于其他处理，20%FWC+5℃处理净硝化速率则显著低于其他处理（图1）。在各温度处理条件下，净硝化速率随FWC的增加呈先增加后降低的变化趋势，在60%FWC时达到最大值。60%FWC时的平均净硝化速率分别是20%、40%和80%FWC 时的 1.72、1.12 和 1.29 倍，且不同土壤含水量间差异显著（图2）。在各水分处理条件下，土壤的净硝化速率随温度的增加也呈先增加后降低的变化趋势，在25℃时达到最大值。25℃条件下的平均净硝化速率分别是 5、15 和 35 ℃时的 2.00、1.17 和 1.11倍，且不同土壤温度处理间差异显著（图3）。

2.3 温度和水分对土壤氮净矿化的影响

不同温度和水分组合处理对毛竹林土壤氮净矿化速率影响显著（P＜0.05），60%FWC+25 ℃处理的氮净矿化速率显著高于其他处理，20%FWC+5℃处理氮净矿化速率则显著低于其他处理（图1）。在各温度处理条件下，氮净矿化速率随FWC的增加呈先增加后降低的变化趋势，在60%FWC时达到最大值。60%FWC时的平均氮净矿化速率分别是20%、40%和 80%FWC 时的 1.79、1.29 和 1.25 倍，且不同土壤含水量间差异显著（图2）。在各水分处理条件下，土壤氮净矿化速率随温度的增加也呈先增加后降低的变化趋势，在25℃时达到最大值。25℃条件下的平均氮净矿化速率分别是5、15和35℃时的 2.10、1.19 和 1.12 倍，且不同土壤温度处理间差异显著（图 3）。

各处理的净硝化速率稍低于净氨化速率，占到土壤氮净矿化速率的43.9%～49.1%，说明毛竹林土壤铵态氮较多地转化成硝态氮。如果矿化产生的硝态氮不能及时被植物和微生物吸收利用，就容易在此研究区多雨条件下被淋失或在厌氧条件下被反硝化。

2.4 温度和水分对土壤氮矿化的交互影响

由表1可知，温度和水分及其交互作用对毛竹林土壤净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率影响显著（P＜0.05）。一定范围内，升高温度和增加水分含量可提高土壤的净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率。通过回归分析拟合土壤净氨化速率（y1）、净硝化速率（y2）和氮净矿化速率（y3）与含水量（x1）和温度（x2）的二元二次函数模型（图4），其回归方程分别 为 y1=-3.588 59-0.001 72+0.014 00x1x2+4.073 82x1+0.082 20x2-0.732 95（R2=0.931）、y2=-3.287 92-0.001 33+0.005 81x1x2+3.653 77x1+0.065 81x2-0.567 19（R2=0.922）和 y3=-6.876 51-0.003 05+0.019 81x1x2+7.727 59x1+0.148 01x2-1.300 14（R2=0.932）。由以上方程可得出，毛竹林土壤在61.9%FWC和26.4℃条件下可获得最大净氨化速率，在57.9%FWC和26.1℃条件下可获得最大净硝化速率，在60.0%FWC和26.2℃条件下可获得最大氮净矿化速率。通过以上方程可估算毛竹林土壤在不同温度和水分条件下的氮净矿化速率和矿化量，进而评价毛竹林土壤供氮潜力。

2.5 不同水分条件下土壤氮净矿化对温度的敏感性|

各水分处理条件下，土壤净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率的 Q10值在 0.857～1.904 之间，且该值在各含水量处理下均呈现出15℃/5℃＞25℃/15℃＞35℃/25℃的变化规律（图5）。说明土壤净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率的增加倍数随

温度的升高而降低。此外，无论以净氨化速率、净硝化速率或氮净矿化速率计，5℃升高到15℃的Q10值显著高于15℃升高到25℃以及25℃升高到35℃的Q10值，说明毛竹林土壤氮矿化在5～15℃间的温度敏感性最高。

表1 温度和水分对氮矿化效应的ANOVA分析Table 1 ANOVA analysis of the effect of temperature and moisture on nitrogen mineralization

图4 氮矿化作用对温度和田间持水量的响应模型图Figure 4 Model diagram of the response of nitrogen mineralization to temperature and field water holding capacity

图5 不同温度和水分处理条件下土壤净氨化速率、净硝化速率和净氮矿化速率Figure 5 Soil net ammonification rate，net nitrogen mineralization rate and net nitrification rate under different moistures and temperatures treatment

3 讨论

土壤是自然界氮素循环的重要发生场所，土壤中的氮素绝大多数以含氮有机化合物的形式贮存起来[19]。有机氮通过氮矿化过程转换成植物可吸收利用的无机氮，这一过程受多种因子的影响，其中温度和水分是最重要的影响因子[20-21]。国内外普遍采用室内控制温度和水分的方法研究土壤氮素矿化过程，前人的研究表明温度变化对土壤氮矿化有影响。如暖温带落叶阔叶林土壤硝化速率和氮净矿化速率在5～25℃条件随温度升高而增加，超过25℃后随温度升高而降低[5]；红杉林和云冷杉林土壤净硝化速率表现为：低于25℃时随温度升高而增加，超过25℃时呈下降趋势[6]。本研究发现，温度变化对毛竹林土壤净氨化、净硝化和氮净矿化影响显著。在5～35℃范围内随温度升高，土壤净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率呈先上升达到阈值（25℃）后下降的变化规律。这与前人的研究结果一致，即一定范围内的升温有利于提高土壤的氮矿化速率。可能的原因是，温度对土壤氮矿化速率的影响是通过改变土壤微生物的生理特性而进行的[22]，微生物的碳需求量随温度的升高而增加，从而导致NH4+-N释放量和溶解有机氮含量的增加，表现为氮净矿化速率升高。微生物活动需消耗土壤养分，随养分含量的减少，微生物活性下降，群落组成发生改变，最终导致土壤氮矿化速率下降。此外通过拟合方程得出26℃为毛竹林土壤氮矿化的最适宜温度，这一结果与刘颖慧等[10]和赵琦齐等[12]的结果有一定差异，前者发现40℃条件下内蒙古草原土壤的氮矿化量最大，后者发现太湖湖滨带土壤在35℃条件下有最大氮矿化量。出现差异的原因可能与各生态系统的气候条件、土壤有机质含量和植被类型等不同而导致土壤微生物对温度变化的响应不同有关。

在一定范围内土壤水分含量的增加可促进氮素矿化，但在不同类型生态系统中最适宜于土壤氮矿化的含水量范围有一定差异。如沙质草地土壤在9.5%FWC条件下可获得净硝化速率和氮净矿化速率的最大值[9]，辐射松（Pinus radiate）林和农田土壤在100%FWC条件下的氮净矿化速率最高[23]。本研究发现，将毛竹林土壤分别在20%～80%FWC下培养，通过拟合方程得出最适宜于土壤净氨化、净硝化和氮净矿化的土壤含水量分别为61.9%、57.9%和60.0%FWC。这与上述的研究结果有较大差异，可能的原因与不同类型生态系统土壤具有不同的土壤类型、有机质质量和pH值等有关。相关研究发现土壤微生物随土壤类型而变化，土壤质地是影响微生物生物量和活动的重要因子，土壤有机质质量直接影响到参与分解的微生物是否容易获得自身繁殖所需要的氮素从而影响氮矿化[2]。土壤理化性质上的差异可能是导致本研究和上述两研究中土壤微生物对土壤水分的生态响应不同的另一原因。另外，本研究还发现，随土壤含水量的增加，净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率均呈先增加后降低的变化规律，这与周才平等[5，11]的结果相似，其原因可能在于水分会通过控制微生物的生长和活性而影响土壤的氮矿化过程[24-25]。当土壤水分含量过高，土壤孔隙充满水分，使土壤溶液中的溶解氧浓度降低，抑制硝化细菌的活性，此时NH4+-N的固持大于硝化作用，且反硝化细菌活性增强，NO3--N易反硝化成为N2O和N2，使氮净矿化速率下降。因此，调节适宜的土壤含水量有利于提高土壤供氮能力。

温度敏感性是衡量土壤氮矿化对气候变化响应的重要参数，Q10表示适宜温度范围内，温度每升高10℃生物化学反应速度增加的倍数[26]。多数学者利用Q10值表示土壤氮矿化的温度敏感性，即温度每升高10℃氮矿化速率增加的倍数，其变化规律因地理区域不同而异[27-28]。如欧洲针叶林土壤和祁连山高寒草甸土氮矿化Q10值均随温度升高而降低[29-30]；武夷山土壤氮矿化Q10值在15℃升高到25℃时最高[31]。本研究发现，Q10值变动范围为 0.857～1.904，Q10值在各水分含量下均呈现出15℃/5℃＞25℃/15℃＞35℃/25℃的变化规律，说明土壤的净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率的增加倍数随温度的升高而降低。这与欧洲针叶林[29]、祁连山高寒草甸[30]的研究结果相同，而与武夷山不同[31]，这可能与不同研究区域的土壤理化性质和微生物区系不同有关，武夷山属典型的丹霞地貌[32]，特殊的地质条件造就了与森林土壤和高寒草甸土不同的土壤质地和微生物类群等，导致Q10值变化规律不同。此外，毛竹林地土壤氮矿化对温度的敏感性在5～15℃最高。据报道，若尔盖高寒湿地土壤氮矿化在15～25℃最敏感[33]；武夷山不同海拔土壤氮矿化在15～25℃对温度的敏感性较高[31]；太湖湖滨带近水区土壤氮矿化在5～15℃最敏感，中水区和远水区在25～35℃最敏感[10]。因此，不同海拔和地理区域的土壤氮矿化对温度的敏感性不同，可能与各研究区土壤理化性质不同有关，但具体原因有待于进一步研究。

4 结论

温度和水分及其交互作用对毛竹林土壤净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率影响显著。最有利于毛竹林土壤氮净矿化作用的温度条件为26.2℃，水分条件为60.0%FWC。土壤净氨化速率、净硝化速率和氮净矿化速率的Q10值为0.857～1.904，毛竹林土壤氮矿化在5～15℃间最敏感。毛竹林土壤氮矿化过程中形成的硝态氮比例较高,易在该区多雨条件下被淋失或在厌氧条件下被反硝化。土壤氮净矿化速率（y3）与含水量（x1）和温度（x2）的二元二 次回归方 程为 y3=-6.876 51x12-0.003 05x22+0.019 81x1x2+7.727 59x1+0.148 01x2-1.300 14（R2=0.932），由此方程可估算毛竹林土壤在不同温度和水分条件下氮净矿化速率和矿化量，结果有助于评估温度和水分变化对土壤氮矿化的影响。