短期增温对内蒙古大青山油松人工林土壤净氮矿化速率的影响

李依倩 张晓璞 马秀枝 李长生 郝晨阳 田泓 吴昊 梁芝

摘要  利用頂盖埋管法，研究短期模拟增温（1年）对大青山油松人工林（Pinus tabuliformis）土壤的铵化、硝化及氮矿化速率的影响。结果表明：模拟增温显著提高了各层土壤温度，其中5、10、20、40 cm土层土壤温度分别增加了1.09、1.37、1.14、1.44 ℃，5、10、20 cm土层土壤湿度分别较CK减少了3.63%、1.91%、6.71%，40 cm土层增加1.20%。增温处理下0～10 cm土层土壤碱解氮和全氮含量较CK分别增加了54.02%和40.91%，10～20 cm 土层土壤的全氮、有机碳含量分别增加了40.00%、41.26%。增温处理下土壤净氮矿化速率呈现季节单峰曲线变化趋势，8月达到峰值。模拟增温使0～10 cm土层土壤的铵化速率和硝化速率分别降低了19%、200%，10～20 cm土层降低了6%、17%，表层和下层土壤的净氮矿化速率分别降低了52%和51%。增温处理下，随着土壤深度的增加，土壤湿度降低，这是导致土壤净氮矿化速率降低的主要原因。

关键词  模拟增温；油松人工林；氮矿化；温带森林

中图分类号  S 714   文献标识码  A   文章编号  0517-6611（2023）05-0126-06

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2023.05.029

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Short-term Warming on Soil Nitrogen Mineralization Rate of Pinus tabulaeformis Plantation in Daqingshan， Inner Mongolia

LI Yi-qian， ZHANG Xiao-pu， MA Xiu-zhi et al

（College of Agronomy， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010018）

Abstract  In this paper， the effects of short-term simulated warming （one year） on the rates of soil ammonification， nitrification and nitrogen mineralization of Pinus tabulaeformis plantation in Daqingshan were studied. The results showed that the simulated warming significantly increased the soil temperature in each layer， in which the soil temperature in 5 cm， 10 cm， 20 cm and 40 cm increased by 1.09， 1.37， 1.14 and 1.44 ℃ respectively. The soil moisture of 5 cm， 10 cm and 20 cm soil layers decreased by 3.63%， 1.91% and 6.71% respectively compared with the control， and the soil moisture of 40 cm soil layers increased by 1.20%. Under warming treatment， the contents of alkali hydrolyzable nitrogen and total nitrogen in 0-10 cm soil of Pinus tabulaeformis plantation increased by 54.02% and 40.91% respectively compared with the control， and the contents of total nitrogen and organic carbon in 10-20 cm soil increased by 40.00% and 41.26% respectively. Under warming treatment， the mineralization rate of soil net nitrogen showed a seasonal single peak curve， and reached the peak in August. The simulated warming reduced the ammonification rate and nitrification rate of 0-10 cm soil layer by 19% and 200%， 6% and 17% in 10-20 cm soil layer， and the net nitrogen mineralization rate of surface and lower soil layer by 52% and 51% respectively. Under the warming treatment， with the increase of soil depth， the soil humidity decreases. The decrease of soil humidity is the main reason for the decrease of soil net nitrogen mineralization rate.

Key words  Simulated heating;Pinus tabulaeformis plantation;Nitrogen mineralization;Temperate forests

氮是植物生长发育至关重要的元素，氮元素更多以NH4-的有机氮形式存在于土壤中［1］，而有机氮需要转化为可溶性的无机氮才能被吸收利用［2］，这一单向转化过程称为土壤氮矿化过程。土壤氮素的矿化是反映土壤供氮能力的重要因素之一，因此土壤氮矿化过程是决定森林生态系统结构与功能的重要过程。

影响氮矿化形成过程的因素较多，如土壤温度和湿度，土壤微生物活性及环境因子［3-4］。温度和湿度影响则更为明显，研究表明，在5～15 ℃ 氮矿化速率与温度的相关性较弱［5］。Nadelhoffer等［6］研究发现，在3～9 ℃时，氮矿化速率增大，9～15 ℃时没有显著相关性。在低温状态下，氮的硝化速率与温度成正比，高温状态则相反［7］。陈瑞等［8］在研究中发现增温会抑制杉木林土壤净矿化作用，对净硝化速率无影响。李旸等［9］在夜间模拟增温研究中发现增温加快了土壤氮矿化速率，降低了硝化速率。Turner等［10］研究发现，增温对土壤净氮矿化速率影响不大，在冬季增温净氮矿化速率是对照的2倍。Ineson等［11］模拟增温研究发现，试验进行的前150 d土壤硝态氮的含量显著下降，之后增加。

大青山位于内蒙古自治区呼和浩特市，是内蒙古中部重要的森林生态系统，也是整个土默特平原最大的生态屏障，对内蒙古中部的生态安全有着不可估量的意义。随着全球气温的上升，内蒙古近60年来平均每10年增温0.47 ℃［12］，陈丽霞［13］对大青山的碳氮及微生物群落动态研究发现，季节和树种能显著影响碳氮微生物量，土壤微生物量碳氮含量与土壤微生物丰度显著正相关；白静［14］在对大青山人工油松林的研究中发现，直径、树高近似正态分布，各层的生物量组分表现为乔木层＞枯落物层＞林下植被层；郝晨阳［15］在大青山通过模拟增温发现生长季土壤碳氮含量均有所降低，但均不显著。增温改变了土壤氮矿化原有的平衡速率，对整个大青山的森林生态系统稳定产生了极大的不确定性。笔者以内蒙古大青山油松人工林（Pinus tabuliformis）为研究对象，拟揭示在增温条件下土壤氮矿化的变化趋势，旨在 为该区域温带森林生态系统土壤养分管理及森林经营提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于阴山山脉中段乌素图国家森林公园附近，地理坐标为111°34′21″E，40°51′19″N，海拔1 211 m，属大陆性半干旱季风气候，年平均气温6.7 ℃，春秋气候干旱，夏季降水居多，冬季气温干燥寒冷，积雪少，年降水量300～450 mm。主要植物有油松（Pinus tabuliformis）、白扦（Piceameyeri）、青扦（Picea wilsonii Mast.）、侧柏（Platycladus orientalis）、虎榛子（Ostryopsis davidiana Decaisne）、绣线菊（Spiraea Salicifolia L.）。

1.2 试验地选取

试验开始于2019年10月，使用开顶式生长室（open top chamber，OTC）人工模拟的增温装置。选择地势平坦、环境良好的地方固定好OTC作为试验样地。OTC是聚碳酸酯（PC板，透光率90%）为材料的八面体装置，上下底面和高的直径分别为1.50、2.75、2.42 m。试验样地基本情况：树种为油松人工林，海拔1 160 m，树龄35年，坡度13°，阴坡，胸径为9.17 cm，树高9.29 m，枝下高1.66 m，东西冠幅3.40 m，南北冠幅3.87 m，郁闭度0.85。

1.3 试验设计

设置对照（CK，control）、增温（T，warming）2个处理，共计4个重复，4个CK，共8个试验小区。安装WN-30LDT多通道温湿度检测器对大青山油松人工林土壤温湿度（5、10、20、40 cm）和空气温湿度（1.5 m）进行全年动态观测，频率为0.5 h 1次。

1.4 试验方法

顶盖埋管法测定土壤氮矿化速率，不同试验小区每30 d选1个土壤培养点（6—9月），取土样前清理地表杂物，选2个PVC管的下端削尖，将其中1根用透气不透水的封口膜封住，原位培养30 d。将另1根管内的土取出，封装后将土样分成2份，用2 mm过筛后1份进行无机氮的测定，另1份用于土壤理化性质的测定。

土壤氮的净氮矿化、铵化、硝化速率计算公式：

土壤净氮矿化速率= ［（ 土壤培养后NH4+-N+ NO3--N）- （土壤初始NH4+-N+ NO3--N）］/培养天数

土壤硝化速率= （培养后NO3--N-初始NO3--N）/培养天数

土壤铵化速率= （培养后NH4+-N-初始NH4+-N）/培养天数

室内土壤分析包括土壤湿度、NH4+-N、NO3--N、土壤有机碳、全氮含量及土壤常规理化性质的测定。土壤含水量用烘干法测定，土壤容重采用环刀法测定，土壤pH采用便携式酸度计（pHS-3c）测定，碱解氮含量用碱解蒸馏法测定，有机碳含量采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定， 土壤全氮含量采用半微量凯氏法测定，土壤铵态氮（NH4+）和硝态氮（NO3-）含量采用KCL溶液浸泡随机提出后用连续流动分析仪测定。

1.5 数据分析

数据处理采用差异分析和相关性分析，采用Excel绘制成表。

差异分析：单因素方差分析增温对土壤理化性质的影响，研究不同处理方法和不同土层间的各种元素数据差异。

相關性分析：分析增温对土壤理化性质和土壤铵化、硝化、氮矿化速率的影响。

2 结果与分析

2.1 增温对土壤温度的影响

模拟增温试验中，增温处理和CK 5、10、20和40 cm土层土壤温度变化规律一致，大致呈非对称双峰曲线（图1）。2019年11月至2020年3月土壤温度随土层深度增加而升高；但在2020年4月气温有所回升时，表层土壤（5 cm）温度最高，深层土壤（40 cm）温度最低。初期增温（2019年11月至2020年3月）对5和10 cm土 层土壤温度影响较大，20 cm土层土壤温度次之，40 cm土层土壤温度最低。在生长季（6—9月）气温持续升高使土壤温度呈先升高后降低的趋势。

与CK相比，5 cm土层增温处理平均提高1.09 ℃，增温处理下5 cm土层土壤温度在2019年11月增温变化幅度最大，达2.15 ℃，试验稳定后，2020年11月增温处理下土壤温度较CK增加1.88 ℃。

10 cm土层土壤温度在增温处理下平均提高1.37 ℃，2019年11月土壤温度在增温处理下变化幅度最大，2020年11月较上年同期变化幅度下降11%，2020年4—6月土壤温度的增温幅度表现为5 cm土层大于10 cm土层，其余月份则相反。

20 cm土层土壤温度在增温处理下平均提高1.14 ℃，2020年3—8月土壤增温幅度表现为20 cm土层大于10 cm土层，其余月份则相反。

2020年1月在增温处理下40 cm土层土壤温度变化最大，为1.44 ℃，各月土壤增温幅度40 cm土层均低于20 cm土层。

2.2 增温对土壤湿度的影响

从图2可知，模拟增温试验中2个处理下5、10、20和40 cm土层土壤湿度变化规律基本一致，大致呈非对称单峰曲线，在5、10、20 cm土层增温处理的土壤湿度小于CK，在40 cm土层土壤湿度变化则相反。

与CK相比，增温处理5 cm土层土壤湿度平均减少3.63%，在2020年7—9月增温处理对5 cm土层土壤湿度影响最大，此时峰值为-10.77%；整體上，土壤湿度增温处理相比CK下降了39%。

相比CK，10 cm土层土壤湿度在增温处理下平均减少了1.91%，2019年11、12月和2020年2、4、5、6月增温处理土壤湿度大于CK，其余月份则相反，差值变化范围在1.63%～3.16%，7月出现峰值-12.81%。 总体上，土壤湿度增温处理较CK下降了16%。

相比CK，20 cm土层土壤湿度在增温处理下平均减少了6.71%，2020年7—9月，增温处理对20 cm土壤湿度影响最大，生长季减少峰值为-15.57%。整体上，土壤湿度增温处理比CK下降了64%，增温对20 cm土层土壤湿度的影响比5和10 cm土层更显著。

相比CK，40 cm土层土壤湿度在增温处理下平均增加了1.20%，8月出现峰值为3.90%。增温处理的土壤湿度比CK升高了11%，与5、10、20 cm相比，增温对40 cm土壤湿度没有影响。

2.3 增温对土壤化学性质的影响

从图3可见，0～10和10～20 cm土层增温处理的土壤pH、碱解氮、有机碳、全氮含量、C/N均高于CK。

0～10 cm土层土壤pH，增温处理（8.34）大于CK（8.27），较CK高0.85%，二者间差异不显著（P＞0.05）；10～20 cm土层土壤pH，增温处理（8.37）大于CK（8.28），增温处理比CK高1.09%，且二者间存在显著差异（P<0.05）。这说明0～10 cm土层土壤的淋溶作用强，10～20 cm土层土壤盐碱程度偏高。

而0～10 cm土层土壤碱解氮表现为增温处理（61.10 mg/kg）大于CK（39.67 mg/kg）（P＜0.05），增温处理比CK高54.02%；在10～20 cm土层土壤碱解氮表现为增温处理（44.41 mg/kg）大于CK（31.72 mg/kg）（P＜0.05），增温处理比CK高40.01%。

0～10 cm土层土壤有机碳表现为增温处理（13.73 g/kg）大于CK（9.90 g/kg），增温处理比CK高38.69%；10～20 cm土层土壤有机碳增温处理（8.03 g/kg）大于CK（5.81 g/kg），增温处理比CK高38.21%（P＞0.05）。

0～10 cm土层土壤全氮含量表现为增温处理（0.93 g/kg）大于CK（0.66 g/kg），增温处理比CK高40.91%；在10～20 cm土层表现为增温处理（0.55 g/kg）大于CK（0.39 g/kg），增温处理比CK高41.03%，2个土层的增温处理和CK间均存在显著差异（P＜0.05）。

0～10 cm土层土壤C/N表现为（14.21）大于CK（9.57），增温处理比CK高48.48%；10～20 cm土层土壤C/N表现为增温处理（14.62）大于CK（10.06），增温处理比CK高45.33%，2个处理相同土层间差异不显著（P＞0.05）。

2.4 增温对土壤铵化速率的影响

从图4可见，0～10和10～20 cm土层，增温处理和CK的土壤铵化速率整体呈减小—增大—减小的变化趋势，铵化速率由高到低依次为8、6、7、9月。

0～10 cm土层，6月（生长季初期）土壤的铵化速率表现为增温处理大于CK，生长季7—9月表现为增温处理小于CK， 6—8月二者间不存在显著差异（P＞0.05），9月二者差值最大，且二者间存在显著差异（P＜0.05）。6—9月增温处理和CK之间的差值分别为0.046 7、0.013 3、0.010 0、0.063 3 mg/（kg ·d）。与CK相比，增温处理6月上升43%，7月下降57%，8月下降 8%，9月下降64%。6—9月土壤铵化速率增温处理的变化量为0.173 3 mg/（kg ·d），CK的变化量为0.063 3 mg/（kg ·d）。增温处理增温期土壤铵化速率变化范围在-0.060 0～0.120 0 mg/（kg ·d）。

土壤10～20 cm土层，6月的土壤铵化速率表现为增温处理大于CK，9月2个处理间土壤铵化速率相同（P＞0.05），7、8月的铵化速率表现为增温处理小于CK，6—9月增温处理和CK的差值分别为0.033 3、-0.005 0、 -0.015 8、0 mg/（kg ·d）， 整体不存在显著差异（P＞0.05）。6—9月土壤铵化速率增温处理的变化量为0.070 8 mg/（kg ·d）， CK的变化量为0.037 5 mg/（kg ·d）。 6月增温处理较CK上升53%，7月下降160%，8月下降 19%，9月无变化。增温处理 10～20 cm土层土壤铵化速率变化范围在-0.008 0～ 0.830 0 mg/（kg ·d）。

2.5 增温对土壤硝化速率的影响

从图5可见，0～10 cm土层土壤硝化速率呈增大—减小趋势，月平均土壤硝化速率表现为增温处理小于CK， 6月增温处理下降为负值，6—8月逐渐上升，8月达到最大值后开始下降。6—9月CK和增温处理的差值分别为0.013 0、0.225 0、0.400 0、0.007 5 mg/（kg ·d）。 6—9月土壤硝化速率增溫处理的变化量为0.114 2 mg/（kg ·d）， CK的变化量为0.133 3 mg/（kg ·d）。与CK相比，增温处理6月下降12%，7月下降45%，8月下降41%，9月下降162%。增温处理整个生长季土壤硝化速率变化范围在-0.130 0～0.060 0 mg/（kg ·d）。

10～20 cm土层土壤硝化速率呈增大—减小—增大趋势。6、8月土壤硝化速率表现为增温处理大于CK（P＞0.05），7、8月硝化速率几乎一致，6—9月2个处理的差值分别为0.013 3、0.010 0、0.005 0、0.020 0 mg/（kg ·d），且二者间不存在显著差异（P＞0.05）。6—9月土壤硝化速率增温处理的变化量为0.135 0 mg/（kg ·d），CK的变化量为0.178 3 mg/（kg ·d）。与CK相比，增温处理6月上升9%，7、8月几乎无变化，9月下降120%。增温处理土壤硝化速率变化范围在-0.150 0～0.030 0 mg/（kg ·d）。

2.6 增温对土壤净氮矿化速率的影响

从图6可见，0～10 和10～20 cm土层土壤净氮矿化速率6—9月均呈增大—减小趋势，各土层土壤净氮矿化速率表现为0～10 cm土层大于10～20 cm土层。

0～10 cm土层土壤净氮矿化速率6月出现负值，且增温处理高于CK， 其余月份则低于CK，8月达到最大值。6—9月2个处理的差值分别为0.030 0、0.325 0、0.475 0、0.039 1 mg/（kg ·d），整体上不存在显著差异（P>0.05）。6—9月增温处理的土壤净氮矿化速率的变化量为0.042 5 mg/（kg ·d）， CK的变化量为0.073 3 mg/（kg ·d）。与CK相比，增温处理6月上升60%，7月下降48%，8月下降 22%，9月下降367%。土壤净氮矿化速率变化范围在-0.060 0～0.220 0 mg/（kg ·d），整体上，增温处理较CK下降52%。

在10～20 cm土层，6和8月的土壤净氮矿化速率表现为增温处理大于CK，7和9月表现为增温处理小于CK，6—9月差值分别0.040 0、-0.125 0、0.010 0、-0.005 0 mg/（kg ·d）， 整体上不存在显著差异（P>0.05）。6—9月增温处理土壤净氮矿化速率的变化量为0.066 6 mg/（kg ·d），CK的变化量为0.131 6 mg/（kg ·d）。 与CK相比，6月上升34%，7月下降150%，8月上升19%，9月下降160%。整体上，土壤净氮矿化速率变化范围在-0.120 0～0.060 0 mg/（kg· d），增温处理较CK下降51%。

3 讨论

一般情况下，温度和湿度均与净氮矿化速率呈正相关，该研究结果表明：温度会促进土壤氮矿化速率。随着土壤温度的升高，净氮矿化速率也随之升高，8月研究区平均温度最高，之后温度开始下降，氮矿化速率也逐渐降低，这与刘颖慧等［16］的研究结果一致。

总体而言，增温初期同一土层增温处理的土壤净氮矿化速率、铵化速率、硝化速率高于CK，增温期（7—9月）增温增湿处理的净氮矿化速率、铵化速率、硝化速率低于CK，但差异不显著，出现这种情况的原因可能是降水较少。葛晓敏等［17］在研究中发现，合适的湿度会增加土壤的长期矿化作用，增温处理下，土壤湿度更进一步减少，从而导致净氮矿化速率减弱，增温处理的氮矿化速率低于CK。通常情况温湿度会直接影响微生物的生理活动，影响土壤肥力，间接影响氮矿化速率［18］，由于增温处理导致土壤湿度降低，微生物活动进一步减弱，随着土层增加土壤湿度增大，但是增加的湿度不足以支持微生物进行氮矿化过程。周才平等［19］对温带阔叶林研究发现，土壤氮矿化的最佳条件是温度22.4 ℃、含水量0.40 kg/kg。该试验随着土壤土层的降低，虽然湿度增加，土壤温度不断降低，在不同土壤土层和不同月份的温湿度难以达到土壤氮矿化的最佳要求，这也是导致增温对土壤氮矿化的影响不显著甚至降低的主要原因之一。赵长盛等［20］研究表明，在 15%和 35%含水量时硝化速率随温度的升高而增加，25%含水量时随温度的升高先增加后降低，铵化作用随温度的升高而降低。增温初期6月土壤湿度在5%～15%，温度升高后土壤湿度开始降低，这也是增温导致铵化速率、硝化速率减小的主要原因。

土壤氮矿化速率在 25～35 ℃ 时随温度的升高急剧增大［21］。唐海龙等［22］研究发现，在 25 ℃ 时土壤氮矿化速率最大。该试验土壤温度在不同的土层几乎都不超过25 ℃，氮矿化速率始终达不到最高点所需的温度范围，这可能是导致增温处理和CK间没有显著差异的原因之一。 随着增温时间的推延，氮矿化累积量增加，8月之后氮矿化速率逐渐下降，这与王常慧等［23］的研究结果一致。8月铵化速率、硝化速率以及矿化速率数值最高，这是由于8月是植被生长旺季，植被地上现存量与凋落物量达到最大值，此时作用氮矿化的微生物最活跃，而且8月温度在一年中最高，氮矿化速率最高。

4 结论

（1）增温处理下温带油松人工林的土壤温度有所提高，各土层（5、10、20、40 cm）温度分别增加1.09、1.37、1.14、1.44 ℃，随着土壤深度的增加，土壤湿度不断降低，5、10、20 cm土壤湿度平均分别减少了3.63%、1.91%、6.71%，40 cm增加1.20%。

（2）增温处理下温带油松人工林中0～10 cm土层土壤碱解氮、全氮变化显著，分别较CK增加54.02%、40.91%，pH、碱解氮、有机碳无显著变化。10～20 cm 土壤碱解氮、全氮变化显著，分别增加40.01%、41.03%，pH变化不大，有机碳、C/N无显著变化。总体来说，增温处理下土壤的理化性质在不同土层都有所增加。

（3）增温处理下土壤铵化速率表层（0～10 cm）和下层（10～20 cm）分别降低了19%、6%，整体上呈减小—增大—减小的变化趋势，8月达到峰值［0.120 0 mg/（kg ·d）］，表层和下层的变化范围在-0.060 0～0.120 0、-0.008 0～0.830 0 mg/（kg ·d）。

增温处理下土壤硝化速率表层（0～10 cm）和下层（10～20 cm）分别降低了200%、17%，整體上呈增大—减小的趋势，8月达到峰值0.060 0 mg/（kg ·d），表层和下层的变化范围在-0.130 0～0.060 0、-0.150 0～0.030 0 mg/（kg ·d）。

模拟增温处理下土壤净氮矿化速率呈现季节单峰曲线变化趋势，模拟增温使得表层和下层土壤的净氮矿化速率分别降低了52%、51%，表层和下层的变化范围在-0.060 0～0.220 0、-0.120 0～0.060 0 mg/（kg ·d）。

增温处理下，随着土壤深度的增加，土壤湿度降低，这也是导致土壤净氮矿化速率降低的主要原因。

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