小泊湖高寒湿地土壤理化性质对氮沉降的短期响应

2021-12-14徐润宏朱锦福刘泽华

西南农业学报 2021年10期

徐润宏，朱锦福*，刘泽华*,谭梅

(1.青海师范大学生命科学学院，青海西宁 810008；2.青海师范大学青海省青藏高原药用动植物资源重点实验室，青海西宁 810008；3.青海师范大学青海省青藏高原生物多样性形成机制与综合利用重点实验室，青海西宁 810008)

【研究意义】工业化进程以来，化石燃料和农业化肥的大量使用使大气氮沉降速率不断加快，我国已成为全球三大氮沉降地区之一[1]。未来大气氮沉降的速率还将持续增加[2]，据预测，到2050年全球氮排放量将超过50 Tg/a[3]。氮沉降的不断增加可能将改变生态系统氮素利用状况，使生态系统的碳氮循环受到影响[4-6]。由此带来的环境变化、动植物多样性，生态系统演变等问题日益凸显，因此，关注氮沉降对生态系统各方面的影响具有重大意义。由于陆地生态系统的多样性、氮沉降的时空差异性、土壤的差异等因素导致氮沉降对各生态系统的影响没有一致的结论[7]。【前人研究进展】目前关于目前氮沉降的研究已在森林、草地等生态系统广泛展开，大量研究表明氮沉降会对陆地生态系结构和功能产生深刻影响，改变土壤结构，养分变化，土壤碳氮含量等[8-9]。但由于土壤碳库复杂，目前土壤养分及理化性质对氮沉降的响应结果不一，有研究表明氮沉降会增加土壤有机质、碳、氮等养分的含量[10-11]，也有研究表明氮沉降对土壤养分影响有限，作用不显著[12-13]。还有研究表明氮沉降降低了土壤pH，但对土壤全碳全氮影响不显著[14]。这些都表明，氮沉降对陆地生态系统的稳定性造成影响，并且这种影响还在不断加深，对湿地生态系统的影响也要进一步关注。目前我国对湿地的研究主要集中于植物退化和多样性保护领域，关于氮沉降的研究较少，特别是青藏高原高寒湿地。【本研究切入点】湿地生态系统是陆地生态系统向湖泊生态系统过渡地带，在物质循环、气候调节和生物多样性保护等方面发挥重要作用，其土壤是巨大的碳库[15]。我国湿地资源丰富，有湖泊湿地、沼泽草甸湿地、三江平原湿地，及青藏高原的高寒湿地等。青海湖位于青藏高原东北部，是西北干旱区和东部季风湿润区的过渡地带，对全球变化敏感[16]，青藏高原的生态发展趋势很大程度上受青海湖地区湿地的影响[17]。【拟解决的关键问题】基于此，本文以小泊湖高寒湿地土壤为研究对象，对试验区进行一年生长季的氮添加实验，对比各试验梯度下土壤理化性质的差异，以期为更好的预测湿地发展方向及湿地保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

小泊湖湿地位于青藏高原东北部青海湖流域，北纬36°78′，东经100°80′，是青海湖水位下降遗留下来的沼泽草甸湿地。平均海拔在3200 m左右，属典型高原大陆性气候雨热同季，降水多发生于5—9月，年降水量约为291～575 mm，年蒸发量约为800～2000 mm；气温较低，年平均气温在-4.6～1.0 ℃左右[18]。主要植被类型为草本植物，主要有华扁穗草(Blysmussinocompressus)、嵩草(Kobresiamyosuroides)、披碱草(Elymusdahuricus)和芦苇(PhragmitesAustralis)等[19]。

1.2 实验设计

在小泊湖湿地中，选取一块有围栏保护，地势平坦的样地，在样地中划分出12个小样方，每个小样方2 m2，每个样方间隔1 m作为缓冲带。本试验共设置4个处理，包括CK(对照试验)、N2(2 g/m2)、N5(5 g/m2)和N10(10 g/m2)，每个处理设置3个重复。以NH4NO3为氮源，按每个处理梯度称取相应的药品，自2019年6—10月(生长季)，每月中旬将对应药品溶于2000 mL水中，用喷壶均匀喷洒于相应样方中，对照试验喷洒等量的水。

1.3 样品采集与测定

2018年10月，对土壤样品进行采集，在每个样方中随机选取5个点进行采样，用螺旋取土钻按0～15、15～30 cm进行采样，将各个点取得同一层样品混匀，尽可能去除植物根系和凋落物，放入无菌自封袋中保存。将土样带回实验室后，分成两部分，一部分新鲜土样放入冰箱4 ℃冷藏保存，用于土壤含水量测定；一部分土样自然风干，过0.25 mm目筛，用于测定土壤理化性质。

土壤含水量：采用烘干法测定。称取10 g左右新鲜土样放入铝盒中，空铝盒重记为M，湿土和盒重记为M1，每个土样称取3次，再将土样和铝盒一起放入烘箱中，设置105°，24 h，带结束后称取干土和铝盒重，记为M2，计算土壤含水量。

土壤pH：用百分之一天平精确称取10 g风干过筛土样放入烧杯中，再加入25 mL的去离子水，搅拌均匀，静止30 min，用pH计(Mettler Toledo；Switzerland)测定土壤悬液的pH值。

土壤有机碳：用总有机碳分析仪(Elementa，Germany)测定有机碳含量。

土壤全碳全氮：采用意大利NC Technologies公司Costech ESC 4024元素分析仪测定。

土壤氨态氮、硝态氮的测定：全自动间断化学分析仪(CleverChem)测定。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2019和IBM SPSS Statistics 20.0软件对数据进行统计分析及作图。采用单因素方差分析、双因素方差分析和最小显著差异法(LSD)比较不同数据之间的差异；利用Pearson相关系数分析各指标之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 氮沉降对土壤含水量和pH的影响

不同浓度氮处理使土壤含水量和pH值发生了变化(图1)。土壤含水量在两土层中变化均随施氮浓度的增加呈先上升后下降的趋势，在N2处理下土壤含水量增加随后又逐渐减小，且0～15 cm土层中N5和N10处理下的土壤含水量显著低于CK处理(P<0.05)，15～30 cm土层中N5、N10处理下的土壤含水量显著低于CK处理(P<0.05)。土壤pH值在两土层中的变化一致，均随施氮浓度的增加而逐渐上升，且均在N5和N10处理下达到显著水平(P<0.05)。

2.2 氮沉降对土壤碳的影响

土壤全碳和有机碳含量均表现为上层高于下层(图2)。0～15 cm土层中土壤全碳含量在66.30～78.9 g/kg之间，15～30 cm土层中土壤全碳含量在58.23～72.87 g/kg之间；土壤有机碳在0～15 cm土层中含量为40.37～57.29 g/kg，15～30 cm土层中含量为33.93～46.27 g/kg(图2)。氮沉降在两土层中对土壤全碳和有机碳的影响趋势一致，均随施氮浓度的增加而不断降低，在15～30 cm土层中土壤全碳含量在N5和N10处理下显著低于CK处理(P<0.05)，而土壤有机碳在氮添加处理下没有显著改变(P>0.05)。

2.3 氮沉降对土壤氮的影响

氮添加对土壤全氮、氨态氮和硝态氮的影响不同(图3)。土壤全氮含量与全碳、有机碳在两土层中的分布情况一致，表现为上层高于下层土壤，0～15 cm含量为4.00～5.10 g/kg，15～30 cm土层中含量为3.37～4.10 g/kg，全氮含量在两土层中均随氮浓度的增加而逐渐减少，但影响不显著(P>0.05)。氨态氮在0～15 cm土层的含量为8.67～10.39 mg/kg，并随氮浓度的增加而逐渐减少，但影响不显著(P>0.05)；15～30 cm土层中含量为8.95～10.42 mg/kg，随氮浓度的增加逐渐减少后N10处理又增加并大于CK处理，但影响不显著(P>0.05)。硝态氮在两土层中对氮沉降的响应不同。0～15 cm土层中，硝态氮含量为6.27～13.40 mg/kg，随施氮浓度的增加而不断上升，并在N10处理下达到显著水平(P<0.05)；15～30 cm土层中硝态氮含量为5.60～7.43 mg/kg，随氮浓度的增加先下降又在N10处理下上升，不成线性关系，影响不显著(P>0.05)。

图1 不同氮处理对土壤含水量和pH的影响Fig.1 Effects of different nitrogen treatments on soil moisture content and pH

图2 不同氮处理对土壤全氮、有机碳的影响Fig.2 Effects of different nitrogen treatments on soil total nitrogen and organic carbon

图3 不同氮处理对土壤全氮、氨态氮硝态氮的影响Fig.3 Effects of different nitrogen treatments on soil total nitrogen,ammonia nitrogen and nitrate nitrogen

2.4 土壤理化性质影响因素分析

由氮添加和土层对土壤理化性质的双因素分析(表1)可知，氮添加对土壤含水量和pH的影响均达到极显著水平(P<0.01)，但土层及其两者交互作用对土壤含水量和pH的影响均不显著(P>0.05)；氮添加对全碳影响显著(P<0.05)，对有机碳影响没有达到显著水平(P>0.05)，土层对全碳和有机碳的影响分别达到极显著水平(P<0.01)和显著水平(P<0.05)，氮添加和土层的交互作用对两者没有产生显著作用(P>0.05)；氮添加及其与土层交互作用对土壤全氮、氨态氮和硝态氮的影响均没有达到显著水平(P>0.05)，但土层因素对全氮影响达到极显著水平(P<0.01)。

土壤碳氮含量与微生物息息相关，而微生物又有合适的pH和水分条件，所以，土壤理化性质之间关系密切。土壤理化性质相关性分析(表2)表明，含水量与土壤全氮、有机碳呈极显著正相关(P<0.01)，与全碳呈显著正相关(P<0.05)，与pH呈显著负相关(P<0.05)；pH与全碳、有机碳呈显著正相关(P<0.05)；全碳与有机碳、全氮呈极显著正相关(P<0.01)；有机碳与全氮呈极显著正相关(P<0.01)；氨态氮、硝态氮与土壤其他理化性质之间没有显著相关性(P>0.05)。

3 讨论

3.1 氮沉降对土壤理化性质的影响

土壤含水量的变化可引起土壤养分结构变化，从而影响植物种类及多样性，进而改变植物群落的结构[20]，高寒气候条件下，湿地水分变化更容易引起土壤养分配置的改变[21]。在本试验中发现，随着施氮梯度的增加土壤含水量虽在N2处理下有所上升但整体呈降低趋势，且上层土壤含水量普遍高于下层土壤。分析认为，氮添加增加了地上植物生物量，使植物的光合速率增加，进而导致了更快的蒸腾作用，加速了根区耗水[22]。土壤pH也是土壤健康的重要指标，本实验发现，土壤pH随氮浓度的增加而增加，并在N10处理下达到显著水平(P<0.05)，这与目前大多研究相反。已有研究表明，氮沉降对土壤有显著的酸化作用[23-24]。可能是因为高寒湿地土壤养分匮乏，受氮素限制，而外源氮的添加促进了植物对养分的吸收，导致植物根系吸收了大量的无机氮，也或者土壤本身就有一定的缓冲作用和抵抗力[25]。土壤理化性质与多种因素有关，可能与当地的环境、气候、海拔高度、植被类型等多种因素有关，具体机理还应继续长期持续的观测实验。

表1 土壤理化性质的双因素分析

表2 土壤理化性质之间的相关性分析

氮素是陆地生态系统生产力的限制元素之一[26]，全氮可在一定程度上反映土壤氮素的供应状况[27]。土壤有机碳和全氮是湿地土壤重要组分，对于土壤环境和湿地生态系统的稳定发挥重要作用[28-29]。而在大部分生态系统中，土壤氮素主要贮存在土壤有机碳库中，所以土壤有机碳和全氮关系紧密[30]。氮添加通过改变土壤氮素的转化过程对土壤有机碳产生影响[31]。本实验发现，随着氮添加浓度的上升，土壤有机碳和全氮含量逐渐下降，但影响均没有达到显著水平(图2～3；P>0.05)。这可能是因为，氮素限制了高寒湿地的生产力，氮添加在一定程度上解除了这一限制，促进了植物生长，植物促进了对土壤养分的吸收[32]，从而使有机碳和全氮含量下降。同时总氮包含土壤有机碳，其含量与有机碳变化一致，也呈下降趋势。

3.2 土壤理化性质影响因素及其之间的相关性分析

土壤是一个复杂的大环境，是植被生长主要的养分来源[39]，其理化性质与多种因素相关。本实验发现，氮添加对土壤含水量和pH产生极显著影响(P<0.01)，对全碳含量产生显著影响(P<0.05)。水分是湿地最为敏感的因素之一，pH也是土壤质量的指标之一，由于高寒湿地生态系统的脆弱性和敏感性，外源氮的添加使得土壤性质发生改变，进而土壤含水量和pH发生极显著的变化。土层对土壤全碳和全氮有极显著影响(P<0.01)，对土壤有机碳产生显著影响(P<0.05)。在本实验中，土壤碳、氮含量上层土要高于下层土，这可能是因为，氮沉降促进了微生物的分解作用，使土壤中可溶性有机碳增加，而深层土壤的微生物活性较低，从而碳、氮含量低于上层土壤[27]。含水量与全碳、全氮和有机碳之间均有良好的相关性，全碳、全氮和有机碳三者之间也具有良好的相关性。研究表明，湿地土壤含水量增加有助于土壤有机质的积累[40]，所以土壤含水量与全碳、全氮、有机碳之间关系密切，随着含水量的减少，土壤碳、氮含量也随之减少。土壤氮主要存在于土壤有机碳库中，土壤有机碳通过微生物的矿化作用释放出矿物氮供植物利用，有机碳使土壤氮素的重要来源[30,41]。所以，土壤全氮往往与土壤有机碳关系密切，而有机碳作为土壤全碳的一部分，变化也大致相近，所以都具有良好的相关性。