文海燕，傅 華，牛得草，張永超

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，甘肅 蘭州 730020)

氮素作為構(gòu)成一切生命的重要元素，是生態(tài)系統(tǒng)的主要限制因子，大部分陸地生態(tài)系統(tǒng)均受氮素營養(yǎng)的限制[1-2]。但是，工業(yè)革命以來，大量氮肥的使用和化石燃料的燃燒使生態(tài)系統(tǒng)中氮的輸入量在上一個世界增加了3～5倍[3-4]，該狀況的加劇及時間的延長、陸地生態(tài)系統(tǒng)的多樣性、各地區(qū)氮輸入特征的差異等因素使得陸地生態(tài)系統(tǒng)對氮沉降的響應(yīng)機(jī)制變得相當(dāng)復(fù)雜[5-7]。

氮沉降將可能在很大程度上改變陸地生態(tài)系統(tǒng)可利用氮素的狀況，從而對生態(tài)系統(tǒng)碳氮元素的循環(huán)和蓄積過程產(chǎn)生影響[8]。土壤全氮(Total Nitrogen，TN)含量不僅是衡量土壤氮素供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)，也是土壤肥力的基礎(chǔ)；氮沉降對土壤TN含量的影響，現(xiàn)在有增加[9-10]、減少[11]和保持不變[12]3種研究結(jié)果。輕組(Light Fraction，LF)是指小于一定密度(1.6～2.5 g·cm-3)的土壤有機(jī)質(zhì)，是由相對新鮮、簡單、分解程度較輕的有機(jī)殘體組成，具有相對迅速的周轉(zhuǎn)速率[13]。輕組有機(jī)氮(Light Fraction Organic Nitrogen，LFON)是輕組部分的氮含量，占土壤TN的比例較高，能夠在土壤TN變化之前反映因管理措施等人為活動或自然變化所引起的土壤微小變化；同時，還是土壤養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動力。因此，它對土壤肥力保持、土壤碳氮收支以及全球變化具有重要意義[14]。

我國的黃土高原半干旱區(qū)的土地面積約為62萬km2[15]，占世界黃土分布的70%，為世界最大的黃土堆積區(qū)，是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分。本研究通過對黃土高原天然草地進(jìn)行氮素添加，分析土壤TN和LFON含量對氮素添加的響應(yīng)，以期為草地系統(tǒng)碳氮循環(huán)和全球氣候變化研究提供基礎(chǔ)資料，為草地養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗地概況 研究地點(diǎn)位于甘肅省榆中縣蘭州大學(xué)黃土高原國際地面氣候與環(huán)境監(jiān)測站圍封草地內(nèi)，地處35°57′ N，104°09′ E，該地區(qū)地貌為黃土高原殘塬梁峁溝壑，屬于大陸性半干旱氣候，海拔為1 965.8 m，年均降水量為382 mm，年均蒸發(fā)量1 343 mm，年均氣溫6.7 ℃，年日照時數(shù)約2 600 h，無霜期90～140 d。植被類型為黃土高原半干旱典型草原，主要植物有長芒草(Stipabungeana)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、賴草(Leymussecalinus)等，土壤類型為灰鈣土[16]。

1.2試驗設(shè)計 選擇地勢平緩，地形(海拔、坡向)一致的地段，選取面積為4 hm2的圍封草地(2005年開始圍封)。小區(qū)面積：4 m×5 m，6個氮素添加梯度處理，每處理5個重復(fù)，30個小區(qū)，完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。氮素梯度分別為N0(0)、N1(1.15 g·m-2)、N2(2.3 g·m-2)、N3(4.6 g·m-2)、N4(9.2 g·m-2)和N5(13.8 g·m-2)。于2009年開始實(shí)施氮素梯度處理，氮肥選用尿素，施加時間為每年的6月底 。為減少氮素的損失，選擇在下雨時進(jìn)行氮添加。添加的具體方法：將尿素溶解于5 L水中，用灑壺均勻噴灑在每個小區(qū)內(nèi)，灑壺噴灑等量水在對照樣地。

1.3土樣采集和分析方法 于2010年9月在每個小區(qū)內(nèi)按對角線等距用土鉆取3個點(diǎn)混合為一個樣本，取樣深度分別為0～10、10～20和20～40 cm，將土壤帶回實(shí)驗室自然風(fēng)干，一部分過2 mm篩用于測定土壤LFON含量，另一部分過0.25 mm篩測定土壤TN含量。

輕組分離方法采用的是Gregorich和Ellert[17]的分組方法：稱取25 g過2 mm篩的土壤樣品，將土壤置于250 mL的離心管中，在離心管中加入50 mL密度為1.7 g·mL-1的NaI溶液，搖勻后放在200 r·min-1的振蕩器上震蕩1 h，然后在3 000 r·min-1的條件下離心20 min，最后將浮于NaI溶液表面的組分傾倒在已裝有0.45 μm的尼龍濾紙的漏斗內(nèi)，抽氣過濾，留在濾紙上面的部分即為所需的輕組(LF)。輕組先用0.01 mol·L-1的CaCl2溶液洗滌，然后再用至少75 mL蒸餾水洗滌多次。之后把濾紙上的輕組轉(zhuǎn)移到50 mL的小燒杯中，提取過程進(jìn)行兩次，將小燒杯靜置24 h，放在60 ℃的烘箱中烘72 h后稱重。提取的輕組部分研細(xì)過0.25 mm篩，用有機(jī)元素分析儀(Thermo CHNS/O Elemental Analyzer，F(xiàn)lashEA1112，USA)測定輕組部分的氮濃度。

1.4結(jié)果計算及數(shù)據(jù)處理

輕組干物質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)=(輕組質(zhì)量/土壤質(zhì)量)×100%；

LFON含量=輕組氮濃度(g·kg-1)×(輕組質(zhì)量/土壤質(zhì)量)；

LFON占土壤TN的比例=(LFON/TN)×100%。

數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，選用單因素方差分析(ANOVA)判斷不同氮添加處理間各含量的差異，LSD法進(jìn)行多重比較。采用Excel軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

隨著施氮水平的增加，土壤表層(0～10 cm)的TN含量呈先升高后降低的趨勢，整體沒有統(tǒng)計學(xué)差異，最高值出現(xiàn)在N2梯度(圖1)。10～20和20～40 cm土層的TN含量隨氮添加梯度亦未表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05)。

輕組干物質(zhì)量為0.33%～1.67%，其中表層為1.16%～1.67%，10～20 cm土層為0.39%～0.62%，20～40 cm土層為0.33%～0.36%(圖2)。隨著氮添加量的增加，表層土壤的輕組干物質(zhì)質(zhì)量逐漸增加，N1～N5處理的輕組干物質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別比N0高5.5%、21.0%、26.5%、31.4%和44.6%；且N4和N5處理的輕組干物質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)顯著高于N0處理(P<0.05)。氮添加處理對10～20和20～40 cm的輕組干物質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)無顯著影響(P>0.05)。

圖1 不同氮素添加水平對土壤TN含量的影響Fig.1 Influence of nitrogen addition treatments on TN content of the soil

氮素添加對于各處理表層土壤LFON含量有顯著影響，N2～N5處理的表層LFON含量均顯著高于N0處理(P<0.05)；N2～N5各處理間的表層LFON含量差異不顯著(P>0.05)。氮添加對10～20和20～40 cm土層LFON含量無顯著影響。研究結(jié)果表明，黃土高原典型草原土壤的LFON含量(N0)隨著深度的增加而逐漸降低，表層的LFON含量分別是10～20和20～40 cm土層的1.7和5.5倍(圖3)。

黃土高原典型草原土壤的LFON/TN為1.81%～11.12%，其中，表層土壤為7.72%～11.12%，10～20 cm土層為4.74%～5.95%，20～40 cm土層為1.81%～2.05%；說明黃土高原典型草原土壤的LFON/TN在土壤剖面上表現(xiàn)出明顯的層次性，并且隨土層深度的增加而逐漸降低(圖4)。N2～N5處理的LFON/TN顯著高于N0和N1處理(P<0.05)，N2～N5氮添加處理的LFON/TN差異不顯著(P>0.05)。氮添加對10～20和20～40 cm土層LFON/TN無顯著影響。

3 討論與結(jié)論

土壤中的輕組代表新鮮殘體和穩(wěn)定的腐殖質(zhì)之間的一個短暫的碳氮庫，輕組中不同分解程度的動植物殘體是微生物的主要食物來源，在土壤中轉(zhuǎn)化速率非?？欤瑢r(nóng)業(yè)管理措施的變化反應(yīng)比較敏感，因而也是重要的植物速效養(yǎng)分庫[18]。土壤輕組部分一般占土壤質(zhì)量的0.1%～15%，并且不同土地利用類型差異較大，農(nóng)田的輕組干物質(zhì)量一般較低，在0.18%～2.39%，草地和灌木的輕組干物質(zhì)量分別為0.13%～8.24%和1.8%～3.2%，而森林的輕組干物質(zhì)量一般較高，為0.6%～14.7%[19]。在黃土高原典型草原土壤0～40 cm土層，輕組干物質(zhì)量僅為0.33%～1.67%；說明在黃土高原典型草原土壤輕組部分占土壤質(zhì)量的比例相對較低，這可能和黃土高原典型的氣候條件、嚴(yán)重的土壤風(fēng)蝕和較少的動植物殘體輸入等因素相關(guān)。

圖2 不同氮素添加水平對土壤輕組干物質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的影響Fig.2 Influence of nitrogen addition treatments on mass proportion of soil light fraction

圖3 不同氮素添加水平對土壤LFON含量的影響Fig.3 Influence of nitrogen addition treatments on LFON content of the soil

圖4 不同氮素添加水平對土壤LFON/TN的影響Fig.4 Influence of nitrogen addition treatments on LFON/TN of the soil

耕作管理措施以及土地利用變化對碳氮積累的影響主要發(fā)生于表層土壤，尤其是短時期內(nèi)[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，氮素的添加顯著影響表層(0～10 cm)的土壤LFON含量和LFON/TN，而對10～40 cm土層無顯著影響。氮添加顯著增加了表層輕組干物質(zhì)質(zhì)量，由于輕組部分主要來源于地上凋落物和地下根系[19]，所以，本研究中LFON的顯著增加可能就是氮素添加造成更多的凋落物和根系歸還土壤的結(jié)果。

氮素是構(gòu)成一切生命體的重要營養(yǎng)元素，而土壤TN含量是土壤中速效氮、遲效氮和無效氮的一個總體指標(biāo)，在一定程度上能反映土壤氮素的供應(yīng)狀況[21]。在氮限制的華西雨屏區(qū)苦竹林生態(tài)系統(tǒng)，施氮一年后土壤的TN含量顯著增加[22]。在黃土高原典型草原生態(tài)系統(tǒng)實(shí)施氮添加的初期，0～40 cm土層的土壤TN含量沒有顯示出統(tǒng)計學(xué)上的差異。這可能是由于施氮使土壤微生物的活性增強(qiáng)[23]，加快了土壤有機(jī)氮的分解使其含量降低；同時，施氮后植物的快速生長消耗了土壤中大量的無機(jī)氮，因此，土壤TN含量沒有顯著增加[24]。本研究表明，在黃土高原典型草原實(shí)施氮添加的初期，土壤TN含量沒有顯著變化，但是土壤LFON含量和LFON/TN隨著氮梯度的增加顯著增加；說明表層土壤的LFON含量對氮素添加很敏感，在TN還沒有表現(xiàn)出明顯變化之前就已經(jīng)有了顯著變化，所以，土壤LFON含量和LFON/TN可以更敏感地反映土壤氮特征的變化。

[1] Vitousek P M,Howarth R W.Nitrogen limitation on land and in the sea:How can it occur[J].Biogeochemistry,1991,13:87-115.

[2] Hooper D U,Johnson L.Nitrogen limitation in dryland ecosystems:responses to geographical and temporal variation in precipitation[J].Biogeochemistry,1999,46:247-293.

[3] Galloway J N，Townsend A R，Erisman J W，etal．Transformation of the Nitrogen Cycle：Recent Trends，Questions，and Potential Solutions[J]．Science，2008，320：889-892．

[4] Galloway J N．The global nitrogen cycle：Changes and consequences[J]．Environmental Pollution，1998，102：15-24．

[5] Bobbink R，Hornung M,Roelofs J G M.The effects of air-borne nitrogen pollutants on species diversity in natural and semi-natural European vegetation[J].Journal of Ecology,1998,86:717-738.

[6] Fenn M E,Baron J S,Allen E B,etal.Ecological effects of nitrogen deposition in the western United States[J].Bioscience,2003,53(4):404-420.

[7] Matson P A,McDowell W H,Townsend A R,etal.The globalization of N deposition:Ecosystem consequences in tropical environments[J].Biogeochemistry,1999,46:67-83.

[8] 竇晶鑫,劉景雙,王洋,等.模擬氮沉降對濕地植物生物量與土壤活性碳庫的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2008,19(8):1714-1720.

[9] Vourlitis G L,Pasquini S,Zorba G.Plant and soil N response of southern Californian semi-arid shrublands after 1 year of experimental N deposition[J].Ecosystems,2007,10(2):263-279.

[10] Zhu W X,Hope D,Gries C,etal.Soil characteristics and the accumulation of inorganic nitrogen in an arid urban ecosystem[J].Ecosystems,2006,9(5):711-724.

[11] 王強(qiáng).模擬大氣氮沉降對閩北森林土壤理化性質(zhì)及森林碳動態(tài)的影響[D].福州：福建農(nóng)林大學(xué),2006.

[12] Peterjohn W T,Schlesinger W H.Nitrogen loss from deserts in the southwestern United States[J].Biogeochemistry,1990,10(1):67-79.

[13] Six J ,Conant R T ,Paul E A ,etal.Stabilization mechanisms of soil organic matter:Implications for C-saturation of soils[J].Plant and Soil,2002,241:151-176.

[14] Bremer E,Janzen H H,Johnston A M.Sensitivity of total,light fraction and mineralizable organic matter to management practices in a Lethbridge soil[J].Canadian Journal of Soil Science,1994,74:131-138.

[15] 山侖,徐炳成.黃土高原半干旱地區(qū)建設(shè)穩(wěn)定人工草地的探討[J].草業(yè)學(xué)報,2009,18(2)：1-2.

[16] 董曉玉,傅華,李旭東,等.放牧與圍封對黃土高原典型草原植物生物量及其碳氮磷貯量的影響[J].草業(yè)學(xué)報,2010,19(4):175-182.

[17] Gregorich E G,Ellert B H.Light fraction and macro organic matter in mineral soils.In:Carter M R.Soil Sampling and Methods of Analysis[A].Boca Raton,F L：Lewis Publishers,1993：397-407.

[18] Janzen H H,Campbel C A,Brandt S A,etal.Light-fraction organic matter in soils from long-term crop rotations[J].Soil Science Society of America Journal,1992,56:1799-1806.

[19] Boone R D.Light fraction soil organic matter:Origin and contribution to net nitrogen mineralization[J].Soil Biology and Biochemistry,1994,26:1459-1468.

[20] 謝錦升,楊玉盛,解明曙,等.土壤輕組有機(jī)質(zhì)研究進(jìn)展[J].福建林學(xué)院學(xué)報,2006,26(3):281-288.

[21] 樊后保,袁穎紅,王強(qiáng),等.氮沉降對杉木人工林土壤有機(jī)碳和全氮的影響[J].福建林學(xué)院學(xué)報,2007,27(1):1-6.

[22] 涂利華,胡庭興,張健,等.模擬氮沉降對華西雨屏區(qū)苦竹林土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分的影響[J].植物生態(tài)學(xué)報,2011,35(2):125-136.

[23] Schaeffer S M,Evans R D.Pulse additions of soil carbon and nitrogen affect soil nitrogen dynamics in an arid Colorado Plateau shrubland[J].Oecologia,2005,145(3):425-433.

[24] 魏金明,姜勇,符明明,等.肥添加對內(nèi)蒙古典型草原土壤碳、氮、磷及pH的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志,2011,30(8):1642-1646.