降雨频率变化对尕海湿草甸土壤氮组分的影响

2022-09-24秦昊德吴江琪魏星星王海燕徐国荣

干旱区研究 2022年4期

秦昊德，李广，吴江琪，魏星星，王海燕，徐国荣

（甘肃农业大学林学院，甘肃兰州 730070）

氮素是植物从土壤中获取量最大的营养元素［1］，是植物生命体维持其生长发育不可或缺的营养元素，其含量直接影响着湿地生态系统初级生产力的大小［2］。土壤氮素包括有机氮和无机氮，不能被植物根系直接吸收利用的有机氮占90%以上［3］，必须通过微生物的矿化作用转化为铵态氮（Ammonium nitrogen, NH+4-N）和硝态氮（Nitrate nitrogen，NO-3-N）才能被植物吸收利用［4］，是植物在生长发育、组织形成以及各种生理生化过程中的重要营养源［5］。土壤氮素转化直接影响着土壤氮循环，而土壤氮循环在生态系统中扮演着重要的角色，对碳循环、水土保持等生态系统服务功能有着直接的影响［6］。因此，研究湿地生态系统的氮循环过程及其影响因素对高寒湿地生态恢复与保护具有重要意义。

在全球气候变化的影响下，降水格局也发生了显著改变，主要包括降水频率、降水量的改变和极端降雨事件的频发［7］。目前，有关极端降水的研究主要集中于极端降水的时空变化规律、极端降水与大气环流的关系等方面［8］。IPCC 第五次报告指出，1981—2010 年间全球破纪录降水事件比自然变化情景预测增加了12%［9］，降水格局的改变直接影响着高原生态系统土壤氮素循环以及转化过程。目前，有学者在不同地区开展了模拟降水格局改变的相关研究，如武丹丹等［10］在青海高寒矮嵩草草甸研究发现，增加降水使铵态氮和硝态氮分别增加了74.7%和154%。王岩等［11］在晋北盐碱化草地的研究发现，增加50%降水处理，土壤净氮矿化速率表现出明显的季节变化，并且土壤无机氮含量显著提高。Xiang 等［12］在加利福尼亚草原的研究发现，干湿交替显著提高土壤表层氮矿化速率。杨浩等［13］在内蒙古克氏针茅草原的研究发现，不同类型的增雨对土壤氮矿化潜力影响不同，高强度低频率的增雨有利于土壤氮矿化潜力的提高。可以看出，降水格局的改变对不同类型草地土壤氮素的影响存在差异，而降水变化对高寒湿草甸土壤氮素的影响研究相对较少，一定程度上阻碍了对降水格局变化背景下高寒湿草甸土壤氮循环的深入认识。

尕海湿草甸位于青藏高原的东部，随着全球降水格局发生改变，青藏高原地区的极端降水事件呈现增加趋势［14］，深刻影响着尕海湿草甸生态系统的氮素循环与转化。目前，对于尕海湿草甸的研究多集中在植被不同退化梯度下土壤理化特征［15］、酶活性特征［16］以及温室气体通量［17］等方面，而降水格局改变背景下尕海湿草甸土壤氮组分的研究鲜有报道。因此，本研究通过分析比较尕海湿草甸在不同降雨频率下土壤氮组分含量特征及季节动态，探明该地区在不同降雨频率对土壤氮组分含量的影响，揭示在降水格局改变的大背景下尕海湿草甸土壤氮组分的变化规律。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

尕海湿草甸地处甘肃省甘南藏族自治州碌曲县尕海-则岔国家级自然保护区（33°58′～34°32′N，102°09′～102°46′E），海拔3430～4300 m，是青藏高原湿地的重要组成部分，也是维系甘南高原生态平衡的重要部分［18］，其泥炭资源在保护生物多样性和储水特别是储存碳汇方面具有重要的生态意义。尕海湿草甸区域为青藏高原大陆性季风气候，全年气温较低，日照时间较长。年平均气温为1.2 ℃，年平均日较差为13.7 ℃，冬季长夏季短，冬季年均可达240 d，无绝对无霜期。年均降水量781.8 mm。土壤类型主要包括暗色草甸土、沼泽土、泥炭土等，植被类型以嵩草（Kobresia maquensis）、唐松草（Thalictrum aquilegifolium）、藏嵩草（Kobresia tibetica）、华扁穗草（Blysmus sinocompressus）为主［19］。

1.2 试验设计

2019年5月，在尕海-则岔湿地自然保护区境内选取典型湿草甸区域，设置15 块样地，单个样地面积为2 m×2 m，每个样地间隔5 m。通过收集自然降雨，基于25 mm 的灌溉量设置5 种不同梯度的降雨频率来模拟该地区的极端降水输入［20-21］：CK只接收自然降雨；DF1 每周浇灌1 次，共475 mm（19 次×25 mm）；DF2每2周浇灌1次，共225 mm（9次×25 mm）；DF3 每3 周浇灌1 次，共150 mm（6 次×25 mm）；DF4每4 周浇灌1 次，共100 mm（4 次×25 mm）。每种处理重复3次，所有处理均接收自然降雨。于2019年5—10 月植物生长季，以模拟极端环境降雨为控制手段，对每种处理进行灌溉，使雨水均匀入渗土壤。

1.3 样品采集与测定

于2019 年5 月20 日、6 月17 日、7 月16 日、8 月19日、9月13日和10月10日，清除地表凋落物等杂物后，在样地内采用“蛇”形五点法，分0～10 cm、10～20 cm 和20～40 cm 土层，用土钻（直径20 mm）采集土壤样品，将每个处理的同一土层土壤装入自封袋，取回实验室清除植物残根、碎石等杂物后，将土壤过2 mm 土筛后均匀分为3份作为3次重复，用于实验测定。采用半微量凯氏法测定土壤TN，MgO-戴氏合金蒸馏法测定土壤NH+4-N和NO-3-N含量［22］。

1.4 数据处理

运用IBM SPSS Statistics 24.0 软件对测定的土壤全氮、铵态氮、硝态氮数据进行Two-Way ANOVA分析和显著性检验（显著性水平0.05，置信区间为95.0%），OriginPro 2018和Excel进行图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同降雨频率下土壤氮组分含量的季节变化

如图1所示，土壤硝态氮具有明显的季节动态，植物生长季初期和末期的土壤硝态氮含量较低，7—8 月生长旺期含量较高。整个生长季（5—10月），降雨频率的增加提高了0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土层的硝态氮含量。硝态氮的季节变化整体呈“单峰”曲线，降雨频率增加，硝态氮的峰值明显变高，而峰值并未提前到来。整体来看，降雨频率的增加提高了生长季0～40 cm土层硝态氮的含量，且硝态氮的峰值显著升高。

图1 不同降雨频率土壤硝态氮含量的季节变化Fig.1 Seasonal variation of soil nitrate nitrogen content with different rainfall frequency

如图2所示，土壤铵态氮具有明显的季节变化，植物生长季初期和末期的铵态氮含量较低，7—8月生长旺期含量较高。整个生长季（5—10 月），降雨频率的增加提高了0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层的铵态氮含量，降雨频率增加，铵态氮的峰值明显变高，而峰值并未提前到来。整体来看，降雨频率的增加提高了生长季0～40 cm 土层铵态氮的含量，且铵态氮的峰值显著升高。

图2 不同降雨频率土壤铵态氮含量的季节变化Fig.2 Seasonal variation of soil ammonium nitrogen content with different rainfall frequency

2.2 不同降雨频率下土壤氮组分含量垂直分布特征

双因素方差分析结果显示（表1），降雨频率对硝态氮有极显著影响（P＜0.01），对铵态氮和全氮有显著影响（P＜0.05）；土层深度对3 个氮组分有显著影响（P＜0.05）；降雨频率和土层变化对3 个氮组分有显著的交互作用（P＜0.05）。

表1 降雨频率、土层交互作用下土壤氮组分方差分析Tab.1 Variance analysis of soil nitrogen content under the interaction of treatment and soil layer

如图3a 所示，不同降雨频率下，尕海湿草甸土壤硝态氮含量存在显著差异（P＜0.01，图3a 和表1）。与CK 相比，降雨频率的增加提高了硝态氮含量；在不同降雨频率间，随降雨频率梯度的增加，土壤硝态氮含量呈先增大后减小的趋势，在不同土层间变化一致。0～40 cm 土层具体表现为：DF2（31.63 mg·kg-1）＞DF3（27.26 mg·kg-1）＞DF4（26.81 mg·kg-1）＞DF1（25.47 mg·kg-1）＞CK（20.96 mg·kg-1），最大值出现在DF2 处理下，为31.63 mg·kg-1，最小值在CK处理，为20.96 mg·kg-1。在垂直剖面上，5个处理的硝态氮含量均随土层深度的增加呈减小趋势，且各土层间差异显著（P＜0.05，图3a和表1）。

如图3b 所示，不同降雨频率下，尕海湿草甸土壤铵态氮含量存在显著差异（P＜0.05，图3b 和表1）。与CK 相比，降雨频率的增加提高了铵态氮含量。随降雨频率的梯度增加，土壤铵态氮含量呈先增大后减小的趋势，在不同土层间变化一致。0～40 cm 土层具体表现为：DF3（35.19 mg·kg-1）＞DF4（34.24 mg·kg-1）＞DF2（32.25 mg·kg-1）＞DF1（28.62 mg·kg-1）＞CK（28.76 mg·kg-1），最大值出现在DF3处理下，为35.19 mg·kg-1，最小值在CK 处理，为28.76 mg·kg-1。在垂直剖面上，5个处理的铵态氮含量均随土层深度的增加呈减小的趋势，且各土层间差异极显著（P＜0.01，图3b和表1）。

图3 不同降雨频率土壤硝态氮、铵态氮、全氮含量的垂直变化Fig.3 Vertical change of soil nitrate nitrogen,ammonium nitrogen and total nitrogen content in different rainfall frequency

如图3c 所示，不同降雨频率下，尕海湿草甸土壤全氮含量存在显著差异（P＜0.05，图3c 和表1）。与CK 相比，降雨频率的增加降低了全氮含量。随降雨频率的梯度增加，土壤全氮含量呈先减小后增大的趋势，在不同土层间变化一致。0～40 cm 土层具体表现为：CK（2.70 g·kg-1）＞DF1（2.49 g·kg-1）＞DF2（2.37 g·kg-1）＞DF4（2.32 g·kg-1）＞DF3（2.23 g·kg-1），最大值出现在CK处理下，为2.70 g·kg-1，最小值在DF3 处理，为2.23 g·kg-1。在垂直剖面上，5 个处理的全氮含量随土层深度的增加呈减小的趋势，且各土层间差异极显著（P＜0.01，图3c和表1）。

2.3 不同降雨频率下土壤硝态氮和铵态氮占全氮的比例

如图4 所示，在垂直剖面上，不同降雨频率0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土层铵态氮的占比均高于硝态氮。0～40 cm 土层，铵态氮各处理的全氮占比为1.17%、1.36%、1.57%、1.54%、1.06%，硝态氮的全氮占比为1.02%、1.34%、1.26%、1.18%、0.78%，铵态氮占比均高于硝态氮。

图4 土壤硝态氮、铵态氮占全氮的比例Fig.4 Percentage of soil nitrate nitrogen and ammonium nitrogen to total nitrogen

3 讨论

3.1 降雨频率对尕海湿草甸土壤氮组分季节动态的影响

3.2 降雨频率对尕海湿草甸土壤氮组分含量的影响

此外，土壤氮含量随土层深度的增加而减少，浅层氮含量明显高于深层，这与董云霞［41］的研究结果相似。研究区主要以草本植物为主，植物根系集中于土壤表层0～20 cm 处，土壤氮素的累积主要来源于地表枯落物及植被根系的分解转化［42］，土壤表层的枯落物数量多，水热条件等外界因素作用强烈，枯落物分解速率快，随土层深度的增加，枯落物的输入量与植被根系减少，微生物数量与活性下降，其分解速率降低，可供降解的有机质变少，土壤氮素含量随之降低。