武夷山中亚热带常绿阔叶林土壤氮矿化的季节动态

2019-08-22葛晓敏陈水飞周旭徐辉胡亚萍江宝兴丁晖

生态环境学报 2019年7期

葛晓敏，陈水飞，周旭，徐辉，胡亚萍，江宝兴，丁晖*

1. 生态环境部南京环境科学研究所自然保护与生物多样性研究中心/国家环境保护武夷山生态环境科学观测研究站/武夷山生物多样性综合观测站/国家环境保护生物安全重点实验室，江苏南京 210042；2. 福建省武夷山生物研究所，福建武夷山 354300

土壤中的氮绝大部分以有机态的形式存在，约占全氮量的92%－98%。然而大多数的有机态氮不能被植物直接吸收利用，必须通过微生物矿化作用将有机氮转化为无机氮才可以被植物吸收利用。氮矿化过程是土壤提供氮素养分的重要过程，矿化速率决定了植物生长对土壤氮素的可利用性（Koblerg et al.，1997）。氮矿化也是森林生态系统氮素循环最重要的过程之一，其对于揭示生态系统功能、生物地球化学循环本质具有重要意义。

土壤氮矿化过程受许多因素综合作用的影响，环境因子（如土壤温湿度、pH等）影响土壤生物的组成和结构，对氮矿化具有重要的调节作用。土壤温度是影响微生物活性一个重要驱动因子，其在调节土壤氮矿化和氮的有效性方面起着重要的作用（Kabba et al.，2004；Wang et al.，2006）。大量室内培养或野外研究发现净氮矿化速率随温度的升高而增加（Dalias et al.，2002；Yin et al.，2012），但也有研究表明，在5－15 ℃范围内，氮矿化速率与温度的相关性较弱（Lang et al.，2010；高俊琴等，2008）。多数研究认为，在一定的湿度范围内，土壤氮矿化速率与土壤湿度呈显著的线性正相关关系，但是，当土壤含水量超过一定范围时，氮矿化速率会明显下降（李贵才等，2001；周才平等，2003）。此外，海拔梯度和季节变化引起的土壤温湿度等生态因子的变化，也有可能影响土壤氮矿化速率。有研究发现，森林土壤净氮矿化速率随海拔升高而增加（Knoepp et al.，1998；Bonito et al.，2003），也有研究得出相反的结果（刘金玲等，2012；刘琪璟等，2009），还有研究认为，土壤净氮矿化速率与海拔无直接关系，其主要由土壤C/N所决定（李菊梅等，2003）。陈书信等（2014）的研究表明，苏北沿海地区杨树林、杨农复合、草地和农田等 4种不同土地利用方式的土壤氮矿化速率季节变化显著，最大值出现在春季。孙磊（2012）研究则表明，香樟（Cinnamomum camphora L.）、杨树（Populus L.）和广玉兰（Magnolia grandiflora L.）3种典型生态防护林带的土壤氮硝化速率和氮矿化速率在夏季达到最大值；张文文等（2016）在苏北沿海地区的研究也表明杨树人工林、农田、杨农复合林 3种土地利用类型的土壤净氮矿化速率在夏季或秋季最大。

武夷山是中国重要生态功能区和生物多样性保护优先区域，武夷山保存了世界同纬度带最完整、最典型、面积最大的中亚热带原生性森林生态系统，其水源涵养、土壤保持及维系生物多样性等重要生态功能对保障华东地区乃至全国的生态安全具有举足轻重的作用。目前，对武夷山地区中亚热带常绿阔叶林的研究主要集中在物种组成与群落结构特征、土壤微生物群落特征、土壤呼吸以及土壤有机碳矿化特征等方面（吴则焰等，2014；金裕华，2012；丁晖等，2015；施政，2007；周焱等，2008），对该地区土壤氮矿化过程研究不足。本研究采用原位土柱-离子交换树脂包法，通过野外原位试验研究了武夷山常绿阔叶林生态系统土壤氮矿化过程和规律，分析了不同坡位土壤氮矿化过程以及与之相关的土壤温度和湿度对土壤氮矿化的影响，为武夷山常绿阔叶林生态系统氮素养分管理和生物多样性保护提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于武夷山国家自然保护区，研究地点处于武夷山市星村镇四新村附近，地理位置为27°35′24.23″N，117°45′55.43″E。该区域属中亚热带季风湿润气候，年平均气温17.0－18.4 ℃，平均相对湿度75%－84%，年降水量1800 mm，年平均日照时数1910.2 h，无霜期227－246 d。红壤为境内分布最广的一种地带性土壤。常绿阔叶林是武夷山的地带性森林植被，分布面积很大，多分布在海拔350－1400 m之间。

研究样地海拔450－580 m，呈长方形，投影面积 9.6 hm-2（400 m×240 m），样地坡度 10－50°。乔木层主要有米槠（Castanopsis carlesii）、毛锥（Castanopsis fordii）、甜槠（Castanopsis eyrei）等常绿阔叶树种；灌木层主要有赤楠（Syzygium buxifolium）、微毛柃（Eurya hebeclados）、杜茎山（Maesa japonica）等；草本层主要有中华里白（Hicriopteris chinensis）、狗脊（Woodwardia japonica）、芒萁（Dicranopteris dichotoma）和蕨状薹草（Carex filicina）等（丁晖等，2015）。

2 材料与方法

2.1 试验设计与采样

2017年 1月，选择研究区南坡的上坡（U）、中坡（M）和下坡（L）为小样地，每个坡位小样地随机设置3个5 m×5 m的样方作为重复。3个坡位不同土层（0－10 cm土层和10－20 cm土层）的土壤基本理化性质见表1。

分别于2017年1月17日－4月19日（春季）、2017年4月20日－7月18日（夏季）、2017年7月19日－10月25日（秋季）、2017年10月26日－2018年1月16日（冬季）采用原位土柱-离子交换树脂包法（ISC-IERB）测定原位土壤氮矿化速率。从2017年1月17日开始，在研究样地的样方内设置土壤原位氮矿化装置，即将长10 cm，外径5 cm，内径4.6 cm的PVC管用环刀托和铁锤将其分别打入不同的土层中，取出 PVC管，将装有离子交换树脂和石英砂的长3 cm、外径5 cm、内径4.6 cm的PVC管紧连在土柱PVC管上，将其原位埋入土壤中。每个离子交换树脂包中含Amberjet阴阳离子交换树脂22 g∶（阴阳=2∶1）。每个样方每个土层各设置4个PVC管。每次取回埋置的PVC管后，在邻近样地上再埋置一批新的 PVC管，同时取回一定量的土壤样品，作为土壤氮矿化的初始值，于实验室内分析土壤和树脂中的铵态氮、硝态氮含量以及土壤中的微生物生物量氮含量。

表1 试验样地土壤基本理化性质Table 1 Basic soil physical and chemical properties of soil in the plot of an evergreen broad-leaved forest

此外，自2017年4月开始，在每个坡位上安装1台Em50土壤水分监测系统（DECAGON，美国），每半个小时自动监测、记录不同坡位不同土层土壤温度和湿度。

2.2 测定方法

土壤含水量测定采用 105 ℃烘干称重法；pH值的测定采用电位法（水∶土=2.5∶1）；土壤容重的测定采用环刀法；采用2 mol·L-1KCl浸提土壤样品，铵态氮含量测定采用靛酚蓝比色法，硝态氮含量测定采用紫外分光光度法；土壤有效钾采用1 mol·L-1乙酸铵浸提-原子吸收分光光度计测定（Solaar Unicam 969 AAS，USA）；土壤经风干后，过 0.25 mm筛，使用H2SO4-HClO4消煮，全量N含量采用靛酚蓝比色法测定，全量P含量采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法测定，全量K和Mg含量由原子吸收分光光度计测定（Solaar Unicam 969 AAS，USA）（中国科学院南京土壤研究所，1978；中华人民共和国林业部科技司编，1991；鲁如坤，1999）；土壤微生物生物量氮（MBN）含量采用氯仿薰蒸-浸提法提取，靛酚蓝比色法测定（吴金水等，2006）。

2.3 计算方法

式中，ω(mineral N)为矿质氮质量分数，mg·kg-1；Ramm为铵化速率，mg·kg-1·d-1；Rnit为硝化速率，mg·kg-1·d-1；Rmin为净氮矿化速率，mg·kg-1·d-1；ω(Pre NH4+-N)为培养前 NH4+-N 质量分数；ω(Post NH4+-N)为培养后NH4+-N质量分数；ω(Pre NO3--N)为培养前NO3--N质量分数；ω(Post NO3--N)为培养后NO3--N质量分数；t为培养天数。纳入计算的NH4+-N和NO3--N包含土壤和树脂包中树脂吸附的NH4+-N和NO3--N。

2.4 数据处理

运用 Microsoft Excel 2007进行数据整理及绘图，SPSS 18.0进行数据处理，采用两因素方差分析（Two-way ANOVA）检验坡位和季节及其交互作用对土壤铵态氮、硝态氮、氨化速率、硝化速率、净氮矿化速率和土壤微生物生物量氮的影响，并采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）检验不同数据间的差异显著性，采用Pearson相关性分析检验土壤温湿度与土壤矿质氮、微生物生物量氮含量和矿化速率间的相关关系。

3 结果与分析

3.1 不同坡位土壤温度和湿度的动态变化

由图1可知，武夷山地区中亚热带常绿阔叶林土壤温度总体上呈单峰变化。不同坡位不同土层土壤月平均温度表现为8月最高，2月最低。上坡、中坡、下坡0－10 cm土层土壤年平均温度分别为16.9、17.1、17.3 ℃；上坡、中坡、下坡10－20 cm土层土壤年平均温度分别为17.1、17.3、17.4 ℃，呈现坡位越高，土壤温度越低的特征。不同土层土壤年平均温度表现为0－10 cm土层（17.1℃）＜10－20 cm土层（17.3 ℃）。

不同坡位不同土层土壤月平均湿度表现为6月最大，10月或11月最小。上坡、中坡、下坡的0－10 cm土层土壤年平均湿度分别为0.266、0.232、0.214 m3·m-3，呈现土壤湿度随坡位上升而增加的变化趋势；上坡、中坡、下坡10－20 cm土层土壤年平均湿度分别为 0.221、0.225、0.226 m3·m-3，表现为土壤湿度随坡位上升而降低。不同土层土壤年平均湿度表现为0－10 cm土层（0.237 m3·m-3）＞10－20 cm 土层（0.224 m3·m-3）。

3.2 不同坡位土壤铵态氮、硝态氮、矿质氮含量和净氮矿化量的季节变化

研究期间，各坡位的土壤铵态氮和氮含量含量存在明显的季节差异（图2，表2）。总体上，各坡位夏季和秋季的土壤铵态氮含量（12.02－81.78 mg·kg-1）高于春季和冬季（4.86－44.89 mg·kg-1），且随着坡位上升土壤铵态氮含量逐渐增大；就不同土层而言，0－10 cm土层土壤铵态氮含量（6.09－81.78 mg·kg-1）高于10－20 cm土层的含量（4.86－52.37 mg·kg-1）。上坡0－10 cm土层，秋季的土壤硝态氮含量显著高于其他季节（P＜0.05）；不同坡位土壤硝态氮含量大致表现为上坡和下坡较高，中坡较低。土壤矿质氮（铵态氮与硝态氮之和）含量的变化趋势与土壤铵态氮基本一致，表明铵态氮是该地区土壤矿质氮的主要组成。坡位与采样季节的交互作用对土壤铵态氮和矿质氮含量有显著影响（P＜0.05）。

表2 武夷山常绿阔叶林不同坡位和季节对土壤矿质氮含量、矿化速率和MBN含量的方差分析Table 2 Analysis of variance (P values) for soil mineral nitrogen contents, nitrogen mineralization rates and MBN content to slope position and season

图1 不同坡位不同土层土壤温度和湿度动态变化Fig. 1 Temporal fluctuations of soil temperature and moisture in different slope positions of different soil layers

如表3所示，不同土层不同坡位的土壤净氮矿化量存在季节差异。上坡土壤净氮矿化量在 4－7月间最大，0－10 cm和10－20 cm土层分别为56.3 kg·hm-2和 50.3 kg·hm-2；下坡 7－10 月土壤净氮矿化量显著高于其他培养时期（P＜0.05）。0－10 cm土层土壤年净氮矿化量为 42.4－131.4 kg·hm-2·a-1，高于 10－20 cm 土层的 44.0－93.0 kg·hm-2·a-1；不同土层的年净氮矿化量表现为上坡＞中坡或下坡。

3.3 不同坡位土壤微生物生物量氮含量的季节变化

不同坡位不同季节间的土壤MBN含量存在一定差异（图3，表2）。2个土层土壤MBN含量总体趋势表现为夏季和秋季（7.49－73.60 mg·kg-1）较高，春季（11.69－22.47 mg·kg-1）次之，冬季（5.50－14.21 mg·kg-1）最低；就不同坡位而言，总体上表现为上坡高于中坡和下坡。其中0－10 cm土层，夏、秋两季上坡土壤的MBN含量显著高于中坡或下坡（P＜0.05）。

3.4 不同坡位土壤铵化速率、硝化速率和净氮矿化速率的季节变化

如图4所示，不同季节不同坡位的土壤铵化速率和硝化速率存在一定差异。在0－10 cm土层中，总体上，2017年4－7月和7－10月的土壤铵化速率高于其他培养时期。铵化速率的坡位变化中，上坡高于中坡和下坡；而在10－20 cm土层中，4－7月和7－10月上坡土壤的铵化速率显著高于中坡和下坡（P＜0.05）。0－10 cm土层土壤铵化速率（-0.13－1.13 mg·kg-1·d-1）总体上大于 10－20 cm 土层（-0.10－0.74 mg·kg-1·d-1）。2017 年 4－7 月间的土壤硝化速率（0.013－0.025 mg·kg-1·d-1）显著高于其他培养时期（P＜0.05）。土壤净氮矿化速率的总体变化趋势与铵化速率基本一致。坡位与采样季节的交互作用对土壤铵化速率、硝化速率和净氮矿化速率均有显著影响（P＜0.05）（表 2）。

表3 不同土层和坡位土壤净氮矿化量Table 3 Soil in situ net N mineralization accumulation in different slope positions of various soil depths (0-10 and 10-20 cm) at different sampling times in an evergreen broad-leaved forest

图2 不同坡位不同土层土壤铵态氮、硝态氮和矿质氮含量季节变化Fig. 2 Seasonal fluctuations of soil NH4+-N, NO3--N and mineral N contents in different slope positions of various soil depths (0-10 cm and 10-20 cm)

图3 不同坡位不同土层土壤MBN含量季节变化Fig. 3 Seasonal fluctuations of soil MBN content in different slope positions of various soil depths (0-10 and 10-20 cm)

图4 不同坡位不同土层土壤铵化、硝化和净氮矿化速率的季节变化Fig. 4 Seasonal fluctuations of soil ammonification rate, nitrification rate and net N mineralization rate in different slope positions of various soil depths(0-10 cm and 10-20 cm)

3.5 土壤温湿度与土壤矿质氮、微生物生物量氮含量和矿化速率的相关分析

如表 4所示，土壤温度与铵态氮、矿质氮和MBN含量呈显著正线性相关（P＜0.05），与硝化速率呈极显著正线性相关（P＜0.01）；土壤湿度与铵化速率、硝化速率和净N矿化速率呈极显著正线性相关（P＜0.01）。

4 讨论

4.1 季节、坡位和土层因素对土壤矿质氮含量及矿化速率的影响

氮矿化是森林生态系统氮循环过程中的重要一环，氮矿化速率往往决定了植物生长所能吸收利用的氮含量（林贵刚等，2012；王光军等，2009）。本研究结果显示，武夷山地区常绿阔叶林大样地土壤铵态氮是土壤矿质氮的主要组成，土壤矿化过程中铵化作用起决定性作用。这一结果与李巍等（2015）和徐宪根（2009）等在武夷山地区的研究结果一致，也与前人在其他地区的研究结果一致（莫江明等，1997；孟盈等，2001；陈伏生等，2004）。武夷山地区矿质氮含量出现铵态氮占主导的现象，主要与土壤的pH值有关，中性或碱性土壤最适宜硝化作用的进行，而经过前期调查发现武夷山地区土壤的pH值在4.4－4.9之间，土壤呈酸性，不利于该地区土壤硝化作用的进行。也有研究认为出现这一情况是由于森林生态系统根系层pH值低并富含单宁，因而硝化细菌数量少，硝化速率低，而这一现象也可能是生态系统保存氮的一种机制（沙丽清等，2000）。

表4 土壤温湿度与土壤矿质氮、微生物生物量氮含量和矿化速率的相关分析Table 4 Correlation coefficient (r) between soil temperature or moisture and soil mineral N, MBN contents, or N mineralization rates(included 0-10 and 10-20 cm soil layer)

坡位与海拔密切相关，一般坡位越高，海拔越高。本研究结果显示，武夷山地区常绿阔叶林生态系统土壤铵态氮和矿质氮含量、铵化速率和净氮矿化速率，总体上随着坡位升高而增大。这一结果与殷睿等（2013）的研究结果一致，Bonito et al.（2003）的研究也发现美国南部高海拔硬木林土壤中氮的矿化速率比低海拔处高。高海拔地块土壤铵态氮和铵化速率较高，可能是因为海拔越高土壤温度越低，土壤温度较低时铵态氮不易转化成硝态氮（Cookson et al.，2007），致使铵态氮积累，表现为铵态氮含量较大。且随着坡位的上升，研究样地土壤pH值，尤其是上层土壤的pH值越低（表1），较低的pH值也会在一定程度上抑制硝化细菌的繁殖和生长，弱化硝化作用，硝化速率和硝态氮含量相对较低。

土壤有机氮的矿化主要受控于土壤微生物，而微生物的种类、数量与活性在一定程度上又受土壤温度和湿度的影响，所以土壤温度与湿度是影响土壤氮矿化的2个重要外部因子（葛晓敏等，2015），然而土壤温湿度与不同季节的气候条件密切相关。本研究发现季节性的气候变化造成的土壤温度和湿度变化是影响武夷山地区常绿阔叶林生态系统土壤原位氮矿化的主要因素之一。随着季节变化，土壤矿质氮含量的高低与土壤生物活性、土壤有效氮的淋失及植物的吸收等相关。本研究结果显示土壤温度最大值出现在8月，土壤湿度最大值出现在6月，二者的最低值分别在2月和11月，即土壤温度最大值出现在夏季，最低值出现在冬季。总体上，土壤铵态氮、矿质氮含量以及铵化速率、硝化速率和净氮矿化速率均表现为夏季最高，秋季次之，冬季最低。这一结果与Yan et al.（2015）在苏北杨树人工林内的研究结果一致。这主要是因为在夏、秋季，武夷山地区进入雨季，降水量增大，气温逐渐升高，土壤温湿度较高，有利于土壤微生物及土壤酶活性的提高，进而加速有机氮的矿化，而在深秋入冬季节，该地区进入干季，气温下降，降雨减少，土壤微生物活性逐渐下降，致使土壤的矿化速率减弱。其他地区研究结果则与武夷山地区有所不同，如内蒙古鄂尔多斯地区研究结果显示表土层（0－10 cm）铵态氮和硝态氮的最大值均出现在春季（史作民等，2004），黑龙江凉水自然保护区各林型 A0层土壤铵态氮和硝态氮的含量为春季高于夏季，峰值出现在秋季（许翠清等，2008）。可见，由于研究地点的不同，土壤理化性质、生物特性以及气候特征都存在差异，从而使不同研究区所得出的结论有所不同。

土壤湿度也是影响土壤硝态氮含量的主要因素之一。本研究发现，该地区土壤铵态氮和总矿质氮含量与土壤湿度呈正线性相关关系（表4），而硝态氮含量则与土壤湿度呈负线性相关关系，这可能是因为过高的土壤湿度或含水量影响土壤的通气结构，不利于土壤硝化细菌的生长。此外，较高的土壤含水量会导致土壤反硝化作用增强，造成大量硝态氮以氧化亚氮（N2O）形式从土壤逸失到大气中，进一步造成硝态氮的损失。最后，硝态氮带负电荷，极易在该地区大量降水时随降水淋溶流失，导致硝态氮含量较低，而铵态氮为可交换态阳离子，易被带负电荷的土壤粘粒和胶体所吸附，不易从土壤中淋溶流失。总之，该地区土壤总无机氮库主要由铵态氮组成，可能是气候、土壤和植被等多因子综合作用的结果。

土层差异对武夷山地区常绿阔叶林土壤氮矿化也存在一定影响。本研究结果表明，不同土层间的土壤矿质氮含量、氮矿化速率差异明显。随着土层加深，上层土壤矿质氮含量均大于下层，这与徐宪根（2009）在武夷山的研究结果，韩玉萍等（1998）和杨万勤等（2001）在缙云山的研究结果一致。上层土壤（0－10 cm）的矿化速率高于下层土壤（10－20 cm），这主要是因为上层土壤的有机质含量高于下层，微生物分解矿化的底物丰富（Arunachalam et al.，1998），其次，上层土壤的理化性质优于下层土壤，更利于微生物的生长繁殖及生物活性的提高。然而，上层土壤相较于下层土壤，其对气候变化的响应更加敏感，气候波动对上层土壤N矿化的影响也高于下层土壤。

4.2 季节、坡位和土层因素对土壤 MBN含量的影响

土壤微生物在森林生态系统养分循环中具有重要作用（Singh et al.，1989）。微生物的种群结构和数量与土壤理化性质密切相关（Xue et al.，2006）。而微生物生物量氮（MBN）是活性氮库中最重要的氮素形态之一，是土壤有效氮的来源之一，其轻微的变化可以影响土壤氮素循环过程和森林土壤的供氮能力。本研究结果表明，上层（0－10 cm）土壤中的微生物生物量氮显著高于下层（10－20 cm）土壤，这主要是因为不同土层氧气有效性和土壤有机质含量不同，进而影响土壤微生物的生长速率，致使微生物生物量不同（Cao et al.，2008）。

坡位差异对土壤MBN含量也有一定影响。研究结果表明，不同土层不同季节的土壤MBN含量总体表现为上坡高于中坡和下坡，即海拔较高的样地土壤MBN含量高于海拔较低的样地。这一结果与殷睿等（2013）在川西亚高山不同海拔森林发现不同采样时期微生物生物量氮基本随海拔降低呈升高的趋势的结果有所不同。前人的研究认为海拔越低，土壤温度越高，微生物活性越强，则微生物生物量氮越高（Li et al.，2004）。出现这一差异可能是因为该地区研究样地不同坡位间土壤温差较小，温度变化不是影响土壤MBN含量的主要因素，而土壤有机质含量、植物根系分布等综合因素导致的土壤微生物和土壤酶活性的差异可能是主导不同坡位间土壤MBN含量差异的主要因素。

研究结果显示，武夷山地区常绿阔叶林生态系统土壤MBN含量在秋季和夏季较高，春季次之，冬季最低；MBN含量的季节动态变化规律与该地区土壤铵态氮、矿质氮含量随季节的动态变化基本一致。这主要是因为秋季和夏季是武夷山地区的雨季，高温高湿的土壤环境利于土壤微生物的生长繁殖，相反地，春季和冬季是该地区的干季，不利于土壤微生物的繁殖与生长，而且MBN作为活性氮库中最重要的氮素形态之一，在干季时可作为有效氮源，为植物的生长提供生长所需氮素，进而导致其在干季时含量较低。然而，不同研究者在不同研究地点得出的结论也不尽相同。Piao et al.（2000）在中国西南喀斯特地区的研究发现土壤微生物生物量碳在冬季最高，夏季最低；而 Amold et al.（1999）在云杉（Picea asperata Mast.）和冷杉（Abies fabri （Mast.）Craib）混交林中发现微生物生物量及活性随土壤温度、湿度和基质有效性的季节模式的变化而变化，土壤微生物生物量氮一般在春秋季最高，夏冬季最低。出现这种微生物生物量不同的季节变化模式可能主要是因为不同生态系统土壤微生物组成结构不同，而不同的微生物种类对季节变化的响应有一定的差异。

氮是植物生长和发育所需的大量营养元素，是调节森林生态系统生产量、结构和功能的关键元素之一。本研究基本探明了武夷山常绿阔叶林生态系统土壤有机氮矿化的坡位效应和季节动态变化的基本规律，在今后的研究工作中，将持续开展该生态系统的气象、水文、土壤性质等环境因子的监测，以及植被多样性的长期观测，探讨环境因子对武夷山常绿阔林生态系统生物多样性的影响，为该地区生物多样性保护研究与管理提供一定的理论依据。