氮沉降对湿地小叶章土壤氮素的影响

付晓玲，王继丰，刘赢男，王建波，倪红伟

(1.黑龙江省科学院自然与生态研究所，哈尔滨 150040； 2.黑龙江省林业科学院，哈尔滨 150081)

随着化肥用量和化石燃烧量的不断增加，大量氮素排放到大气中，最终沉降到植物生态系统，通过淋溶储存在土壤中，参与生态系统的氮循环[1-2]。实验证明，活性氮的排放和沉降量的增加已经对各种生态系统过程和特征产生了很大影响[3-7]。

湿地主要包括天然或人工沼泽地、泥炭地及水域地带，作为一种独特的生态系统，发挥着涵养水源、调节气候、净化污染物、保持水土、存储碳库、为物种提供栖息地等重要作用。三江平原是我国目前保持最完好、湿地类型最全的原始湿地，生物多样性十分丰富，也是具有重要代表性和国际意义的湿地生态系统[8]。小叶章(Calamagrostisangustifolia)是三江平原的典型草甸、沼泽化草甸的建群植物和优势植物[9-11]。以三江平原典型湿地——小叶章湿地为研究对象，采用15N示踪技术，通过野外原位控制实验，分析不同氮沉降水平下，土壤中氮素分配的变化规律，探讨氮素土壤中的分配策略，为湿地生物多样性保护和生态恢复及湿地资源管理等提供科学依据。

1 材料和试验方法

1.1 研究地概况

本实验在黑龙江省科学院自然与生态研究所三江平原湿地生态定位研究站——洪河国家级自然保护区内。洪河国家级自然保护区位于我国黑龙江省三江平原的东北部，总面积21 835 173 hm2。研究区土壤类型主要有白浆土、草甸土和沼泽土等，由于气候、地理、水文等因素的综合作用，形成了大面积沼泽、草甸等低湿植被，以湿生、湿中生、沼生的禾本科、莎草科植物为主，局部地区有岛状森林出现，主要植被类型有草甸和沼泽，优势植物有小叶章(Calamagrostisangustifolia)、狭叶甜茅(Glyceriaspiculosa)、毛果苔草(Carexlasiocarpa)、漂筏苔草(Carexpseudo-curaica)等。

在实验站内，选择具有典型性和代表性的小叶章群落作为研究对象。小叶章为建群种和优势种，盖度达80%以上，主要伴生植物有小白花地榆(Sanguisorbaparviflora)、翻白蚊子草(Filipendulaintemedia)、泽芹(Siumsuave)、千屈菜(Lythrumsalicaria)、广布野豌豆(Viciacracca)等。

1.2 实验设计

模拟氮沉降通过施用双标记硝酸铵(15NH415NO3)来实现。试验站内设置3个处理样地(5 m×5 m)，每个样地分为3个1 m×1 m的小区，中间有1 m宽的缓冲区隔开。这3个小区随机设置为CK：0 g 氮/m2(对照)、N1：4 g 氮/m2(低氮)、N2：8 g氮/m2(高氮)。

采用静态暗箱-气相色谱法对N2O排放通量进行观测。实验前期埋设底座，底座采用不锈钢制成，长×宽×深=50 cm×50 cm×20 cm。底座4个方向的侧壁上均钻有直径2 cm左右的孔，有利于底座内部与外部水分和养分的交换。底座固定到样地后就不再取下，直到整个实验结束，这样有利于采样点的固定，去除取样空间异质性。

样地设置完毕，施氮之前大约有15 d的稳定时间。经过15 d的稳定期后，施加15N标记的15NH415NO3。

1.3 稳定同位素比率测定及数据分析

用Elementar Isoprime 100同位素质谱仪(中国农业大学，中国)测定δ15N，数据采用Microsoft Excel 2010和Sigmaplot 10.0做图，数据分析采用SPSS19.0 for Windows软件进行分析处理。δ15N数据采用单因素方差分析(Univariate)，鉴别主效应的差异显著性，各处理多重比较采用最小显著差数法(LSD)。

2 结果与分析

2.1 小叶章湿地土壤铵态氮的动态变化

从图1可以看出，在生长季内，N1和N2处理土壤铵态氮的含量随着施氮时间的推后均呈下降趋势。在施氮初期(6月份)，不同处理表现出不同的变化特征，N1处理逐渐上升，N2处理逐渐下降，之后一直到生长末期，两处理均表现出一致的变化规律，经方差分析，两处理间差异均未达到显著水平(P>0.05)，说明外源氮输入并未显著提高土壤中铵态氮的含量。6月份土壤中较高的铵态氮含量一方面与此间氮沉降量大及积雪融化氮输入有关，另一方面则与5月份以后气温逐渐回升、土壤解冻、微生物活动逐渐加强、有机氮矿化速率增加有关，使得上一年累积的氮得以释放。

图1 小叶章土壤铵态氮动态变化Fig.1 Dynamical changes of ammonium nitrogen of Calamagrostis angustifolia soil

2.2 小叶章湿地土壤硝态氮的动态变化

从图2可以看出，在生长季内，N1和N2处理土壤硝态氮的含量均呈现相似的变化规律，经方差分析，两处理间差异均未达到显著水平(P>0.05)。两处理硝态氮含量在7月末前变化较平稳，之后则呈 “M”形，并于8月9日和9月11日达到峰值。7月末，硝态氮含量较低，可能是植物生长旺期对氮素需求量较大，也可能是大量降水导致土壤硝态氮淋失。8月以后出现的两个峰值，可能是由于降水减少及成熟期植物吸收的硝态氮较少。

2.3 小叶章湿地土壤铵态氮中15N含量的动态变化

从图3可以看出，在生长季内，不同处理小叶章土壤铵态氮中15N含量变化趋势相似。施氮初期，土壤铵态氮中15N含量变化平缓，到7月初达到第一个峰值，分别为1.71 mg/kg和2.99 mg/kg，而后8月初迅速下降到低点，到生长末期有缓慢上升的趋势，到枯萎期又迅速达到第2个峰值，分别为2.54 mg/kg和3.05 mg/kg。虽然在施氮初期土壤铵态氮含量较高，但其中15N含量不高，可能NH4+-N此间被植物大量吸收用于生长；生长旺期，植物主要吸收NO3--N，对NH4+-N吸收作用减弱，导致土壤中吸附大量的NH4+-N ；枯萎期，土壤中较高的NH4+-N，说明此时植物趋于枯萎，对土壤中的NH4+-N需求量降低。

图2 小叶章土壤硝态氮动态变化Fig.2 Dynamical changes of nitrate nitrogen of Calamagrostis angustifolia soil

图3 小叶章土壤铵态氮中15N含量动态变化Fig.3 Dynamical changes of 15N contents of ammonium nitrogen of Calamagrostis angustifolia soil

2.4 小叶章湿地土壤硝态氮中15N含量的动态变化

从图4可以看出，在生长季内，不同处理小叶章土壤硝态氮中15N含量变化趋势相似，随着施氮时间的延长，土壤硝态氮中15N含量逐渐降低。施氮初期，不同处理土壤铵态氮中15N含量缓慢上升，N2处理较N1处理先达到最高值，而后一直到生长末期两处理均缓慢下降。到了雨季和植物生长高峰，土壤中的NO3--N除部分被植物吸收外，还有相当一部分被淋失，导致其含量逐渐下降。

2.5 小叶章湿地土壤Ndff动态变化

不同生长时期，小叶章湿地土壤Ndff也不同，在不同N处理下，小叶章湿地土壤Ndff随施氮时间的延长而变化的动态曲线如图5所示。在N1、N2处理下，小叶章土壤Ndff随时间变化的趋势基本一致，均为随着施氮时间的延长而缓慢波动。处理与对照的差异达到极显著水平(P<0.01)，不同处理小叶章土壤Ndff虽然存在一定差异，但均未达到P<0.05的显著水平。

图4 小叶章土壤硝态氮中15N含量动态变化Fig.4 Dynamical changes of 15N contents of nitrate nitrogen of Calamagrostis angustifolia soil

图5 小叶章土壤Ndff%动态变化Fig.5 Dynamical changes of Ndff% of Calamagrostis angustifolia soil

2.6 小叶章湿地土壤15N的残留率

从图6可以看出，N1和N2处理小叶章湿地土壤15N的残留率均表现为相似的变化规律，呈“W”型。其中，初期土壤中的外源氮残留较少，可能与外源氮中氨挥发和反硝化损失及供给植物吸收有关；在成熟期和生长末期，小叶章地上器官向根部转移，导致土壤外源氮残留率增加。经方差分析表明，N1和N2处理间差异达到极显著水平(P<0.01)，说明外源氮的增加显著提高土壤残留率。

图6 小叶章土壤15N残留率动态变化Fig.6 Dynamical changes of 15N residual rate of Calamagrostis angustifolia soil

3 结论

不同氮沉降水平下，三江平原小叶章湿地土壤铵态氮的动态变化呈下降趋势。在生长季内，N1和N2处理土壤。硝态氮的含量均呈现相似的变化规律，硝态氮含量在7月末前变化较平稳，之后则呈“M”形，差异不显著(P>0.05)。N1和N2处理土壤铵态氮中15N含量变化趋势相似，均在7月初达到第一个峰值，枯萎期又迅速达到第2个峰值。N1和N2处理土壤硝态氮中15N含量随着施氮时间的延长呈逐渐降低趋势。土壤15N含量(Ndff%)，处理与对照的差异达到极显著水平(P<0.01)，不同处理间未达到P<0.05的显著水平。N1和N2处理小叶章湿地土壤15N的残留率均表现为相似的变化规律，呈“W”型，处理间差异达到极显著水平(P<0.01)。