唐海龍，王景燕，黃帥，龔偉，周于波

(1.四川農(nóng)業(yè)大學林學院，林業(yè)生態(tài)工程四川省重點實驗室，四川 成都 611130；2.中國科學院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室,江蘇 南京 210008)

氮素作為植被生長發(fā)育的必須大量元素，是植物吸收合成蛋白質、核酸和生長激素等重要物質的成分之一[1].土壤中的氮元素主要以有機態(tài)形式存在，有機氮需在土壤微生物等作用下，轉化為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮才能被植物吸收利用[2].有研究發(fā)現(xiàn)植物體內積累的氮素主要來源于土壤[3].土壤氮礦化速率與有機氮含量、C∶N、微生物種類和數(shù)量，以及土壤水熱條件等關系密切，而土壤溫度和水分條件是影響土壤氮及其他營養(yǎng)元素礦化的關鍵因素.Knoepp等[4]的研究發(fā)現(xiàn)，土壤溫度在25～35 ℃之間和水分含量接近田間持水量時氮礦化量最大；Stanford等[5]的研究發(fā)現(xiàn)，在一定土壤濕度范圍內，氮礦化與土壤濕度呈顯著正相關；沈玉芳等[6]的研究發(fā)現(xiàn)，一定的溫度范圍內(-4.0～40 ℃)，隨溫度升高氮礦化量和礦化速率均增大，且較高溫度有利于促進硝化作用.

四川盆地西部邊緣地區(qū)由于其高降水量和中亞熱帶濕潤氣候，被稱為“華西雨屏”[7]，是以陰濕為主要特征的罕見的氣候地理單元[8].常綠闊葉林作為華西雨屏區(qū)的地帶性植被，具有重要的生態(tài)功能.迄今為止，有關華西雨屏區(qū)氮礦化的研究主要集中在氮沉降[9]、降雨量[10]、植被類型[11]、林窗大小[12]和人工林種植密度[13]對該地區(qū)土壤氮含量及氮礦化的影響，而目前有關水熱條件對華西雨屏區(qū)土壤氮礦化的研究只有柳杉人工林[14].未對該地區(qū)地帶性植被的常綠闊葉林土壤氮礦化未見文獻報道，而現(xiàn)代化和集約化的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使CO2等溫室氣體集中且過量排放，全球平均氣溫不斷上升[15]，從而影響土壤元素的礦化速率.基于此，本研究擬以華西雨屏區(qū)常綠闊葉林土壤為對象，采用室內培養(yǎng)法研究土壤氮素礦化對溫度和水分含量變化的響應，為華西雨屏區(qū)常綠闊葉林土壤供氮潛力評價和預測區(qū)域性水熱變化對該地區(qū)土壤氮素礦化影響提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省沐川縣國有林場(E 103°47′～103°49′，N 28°29′～28°54′)，海拔1 100～1 550 m，坡度25°～35°，屬亞熱帶濕潤季風氣候，地帶性植被屬亞熱帶常綠闊葉林[16].試驗區(qū)域代表性林分的喬木層樹種主要包括木荷(Schimasuperba)、白毛新木姜子(Neolitseaaurata)、潤楠(Machiluspingii)、總狀山礬(Symplocosbotryantha)等.常綠闊葉林林分密度為525株/hm2，平均樹高為21.2 m，平均胸徑為25.1 cm，林分郁閉度為0.9.試驗地土壤為黃壤，表層土壤(采集0～20 cm的土壤混合樣品)基本理化性質：有機碳86.2 g/kg，全氮5.6 g/kg，堿解氮318.3 mg/kg，有效磷5.5 g/kg，速效鉀112.8 g/kg.

1.2 試驗設計與指標測定

根據(jù)典型性和代表性的原則分別在坡向、坡度、坡位和海拔高度基本一致的常綠闊葉林中建立20 m×20 m的調查樣地共3個，于2016年4月中旬在每個標準地內采用蛇形5點取樣法采集表層(0～20 cm)土壤混合樣品.土壤經(jīng)室內自然通風處晾干挑去雜物磨細過篩后，測定土壤理化性質(包括：有機碳、全氮、堿解氮、有效磷和有速鉀)和土壤礦質氮(NH4+-N和NO3--N).采用室內培養(yǎng)法測定溫度和濕度對土壤氮礦化的影響，設置4個溫度水平(5、15、25和35 ℃)和4個土壤水分水平(20%、40%、60%和80%的田間持水量(FWC))，溫度和濕度采用全因子試驗設計(正交試驗設計)，共16個處理，每個處理3次重復.具體操作如下：稱取過2 mm的風干土10 g于100 ml培養(yǎng)瓶中，調制瓶內土壤含水量使其達到試驗設計要求的水分含量，用保鮮膜封住瓶口并用小針均勻刺10個小孔(以保持適度透氣)后，放入不同溫度的人工氣候箱中進行培養(yǎng)，培養(yǎng)期間每隔3 d通過稱重法補充瓶內水分，培養(yǎng)30 d后測定土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量[17].用相同的方法測定培養(yǎng)前土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量.

測定方法：土壤有機碳采用重鉻酸鉀-外加熱法；全氮采用半微量凱式法；堿解氮采用堿解擴散法；有效磷采用0.03 mol/L NH4F+0.025 mol/L HCl浸提法；速效鉀采用1 mol/L乙酸銨浸提-火焰光度法；銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分別采用0.5 mol/L K2SO4浸提后靛酚藍比色法和紫外分光光度法[18].

凈氨化速率=(土壤培養(yǎng)后NH4+-N-土壤初始NH4+-N)/培養(yǎng)天數(shù)

凈硝化速率=(土壤培養(yǎng)后NO3--N-土壤初始NO3--N)/培養(yǎng)天數(shù)

凈礦化速率=(土壤培養(yǎng)后無機氮-土壤初始無機氮)/培養(yǎng)天數(shù)

土壤氮礦化的溫度敏感性(Q10)[19]，計算公式如下：

Q10=exp(10×B)

式中，Q10為溫度每增加10 ℃土壤氮礦化速率增加的倍數(shù)；B為溫度反應系數(shù).

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0和Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，不同水熱處理土壤各變量之間的顯著性檢驗采用單因子方差分析(ANOVA)和最小顯著極差法(SSR).

2 結果與分析

2.1 水熱條件對土壤凈氨化作用的影響

由圖1可知，溫度和水分對常綠闊葉林土壤凈氨化速率影響顯著(P<0.05).各處理中，以60%FWC+25 ℃處理的凈氨化速率最高，且顯著高于其他處理；以20%FWC+5 ℃處理的最低，且顯著低于其他處理.各水分處理下，凈氨化速率隨水分含量的增加呈先增加后降低的趨勢變化，在60%FWC時達到最大值(圖1)；60%FWC的平均凈氨化速率分別比20%、40%和80%FWC的增加37.6%、11.8%和15.3%，各水分處理間差異顯著(圖2).各溫度處理下，凈氨化速率隨溫度升高呈先增加后降低的趨勢變化(圖1)，在25 ℃時達到最大值，25 ℃的平均凈氨化速率分別比5 ℃、15 ℃和35 ℃的增加67.9%、24.1%和17.8%，且各溫度處理間差異顯著(圖3).

2.2 水熱條件對土壤凈硝化作用的影響

由圖1可知，溫度和水分對凈硝化速率影響顯著(P<0.05).各處理中，以60%FWC+25 ℃處理的凈硝化速率最高，且顯著高于其他處理；以20%FWC+5 ℃處理的最低，且顯著低于其他處理.各水分處理下，凈硝化速率均隨水分含量的增加呈先升高后降低的趨勢變化，在60%FWC時達到最大值(圖1)；60%FWC的平均凈硝化速率分別比20%、40%和80 %FWC時的增加34.5%、10.3%和17.4%，且各水分處理間差異顯著(圖2).各溫度處理下，凈硝化速率也隨溫度的升高呈先增加后降低的趨勢變化，在25 ℃時達到最大值(圖1)；25 ℃的平均凈硝化速率分別比5、15、25 ℃的增加57.7%、18.8%和12.8%，各溫度處理間差異顯著(圖3).

不同小寫和大寫字母及括號中小寫母分別表示處理間凈硝化速率、凈氨化速率和氮凈礦化速率差異顯著(P<0.05).There were significant differences in net nitrification rate,net ammonification rate and net nitrogen mineralization rate between different lower and upper case letters and parentheses respectively (P<0.05),the same below.圖1 不同水熱條件下土壤氮凈礦化速率Figure 1 Soil net nitrogen mineralization rate under different temperatures and moistures

圖2 不同水分含量條件下土壤氮凈礦化速率Figure 2 Soil net nitrogen mineralization rate under different moistures

圖3 不同溫度條件下土壤氮凈礦化速率Figure 3 Soil net nitrogen mineralization rate under different temperatures

2.3 水熱條件對土壤氮凈礦化的影響

由圖1可知，溫度和水分對氮凈礦化速率影響顯著(P<0.05).各處理中，以60%FWC+25 ℃處理的氮凈礦化速率最高，且顯著高于其他處理；以20%FWC+5 ℃處理的最低，且顯著低于其他處理.各水分處理下，氮凈礦化速率隨水分含量的增加呈先增加后降低的趨勢變化，在60%FWC時達到最大值(圖1)；60%FWC處理的平均氮凈礦化速率分別比20%、40%和80%FWC處理的增加60.0%、12.6%和19.3%，且各水分處理間差異顯著(圖2).各溫度處理下，氮凈礦化速率隨溫度的升高呈先增加后降低的變化規(guī)律，在25 ℃時達到最大值(圖1)；25 ℃處理的平均氮凈礦化速率分別比5、15、25 ℃處理的增加177.0%、27.6%和18.8%，各溫度處理間差異顯著(圖3).各水熱處理的凈氨化速率均高于凈硝化速率，氮凈礦化作用產(chǎn)生的無機氮中銨態(tài)氮占54.1%～61.7%.說明該區(qū)域常綠闊葉林表層土壤氮礦化形成的無機氮中硝態(tài)氮比例較大，在多雨條件下易造成潛在的氮淋失.

2.4 不同水分條件下土壤氮凈礦化對溫度的敏感性

由圖4可知，各水分處理下土壤凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率的Q10值的變化范圍為0.78～2.99，且Q10均呈現(xiàn)出15 ℃/5 ℃>25 ℃/15 ℃>35 ℃/25 ℃的變化規(guī)律.凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率的Q10值15 ℃/5 ℃的均顯著高于25 ℃/15 ℃和35 ℃/25 ℃的，說明常綠闊葉林土壤氮礦化在5～15 ℃范內對溫度最敏感，且隨溫度的升高Q10值逐漸降低.

不同小寫字母表示在相同水分含量不同溫度條件下凈氨化速率(凈硝化速率或氮凈礦化速率)比值(15 ℃/5 ℃、25 ℃/15 ℃和35 ℃/25 ℃)間差異顯著(P<0.05).(15 ℃/5 ℃、25 ℃/15 ℃和35 ℃/25 ℃分別表示15 ℃與5 ℃、25 ℃與15 ℃和35 ℃與25 ℃間凈氮礦化速率、氨化速率及硝化速率的比值.The ratio of net ammoniation rate (net nitrification rate or net nitrogen mineralization rate under the same moisture content and different temperatures (15 ℃/5 ℃,25 ℃/15 ℃ and 35 ℃/25 ℃) has significant difference (P<0.05).The ratios of net nitrification rate,net ammonification rate and net nitrogen mineralization rate between 15 ℃ and 5 ℃,25 ℃ and 15 ℃,35 ℃ and 25 ℃,respectively.圖4 不同水熱條件下土壤凈氨化速率、凈硝化速率和凈氮礦化速率Figure 4 Soil net ammonification rate,net nitrogen mineralization rate and net nitrification rate under different moistures and temperatures

2.5 水熱條件對氮礦化的交互作用

由圖5可知，溫度和水分對土壤氮素礦化具有顯著的交互作用.隨溫度升高和水分含量增加，土壤凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢變化.通過擬合得出氮凈礦化速率(y1)與水分含量(x1)和溫度(x2)的二元二次回歸方程為：y=-2.378 0+10.643 0x1+0.305 9x2-9.596 6x12-0.006 1x22+0.014 4x1x2(R2=0.962，n=48)，根據(jù)方程可估算出常綠闊葉林土壤在溫度為為25.8 ℃和水分含量為57.4%FWC時可獲得較高氮凈礦化速率.對氨化速率(y2)和硝化

速率(y3)擬合二元二次回歸方程得到：y2=-1.567 1+6.279 2x1+0.195 2x2-0.5639x12-0.003 9x22+0.011 3x1x2(R2=0.959)和y3=-0.810 9+4.363 8x1+0.110 7x2-3.957 7x12-0.002 2x22+0.003 2x1x2(R2= 0.957)，根據(jù)以上方程可估算出常綠闊葉林土壤在25.7～25.8 ℃和56.2%～58.3% FWC時可獲得較高的凈氨化速率和凈硝化速率.

3 討論

土壤溫度對氮礦化過程的影響較大，在一定溫度范圍內，溫度升高通常有利于提高土壤氮礦化速率[20].高建梅等[21]的研究發(fā)現(xiàn)，隨海拔降低，溫度逐漸升高，土壤氮凈礦化速率和凈硝化速率升高.Sierra等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，在20～40 ℃范圍內土壤氮礦化隨溫度升高而升高.Ineson等[23]的研究發(fā)現(xiàn)，溫度升高增加了土壤氮礦化量.在5～35℃范圍內，土壤氮素礦化速率與土壤溫度呈正相關.本研究結果發(fā)現(xiàn)，隨溫度升高土壤凈氨化、凈硝化和氮凈礦化速率均逐漸升高，且在25 ℃達到最大值之后，隨溫度的升高而降低.這與高建梅等[21]、Sierra等[22]和Ineson等[23]的研究結果有一定差異，可能與各研究中的土壤類型及其理化性質差異引起氮礦化速率對溫度的響應不同有關[24].也可能是在一定范圍內，培養(yǎng)溫度升高引起土壤微生物數(shù)量和分解活力的增加[25]，利于氮礦化速率的升高；而超過最適溫度后，導致土壤微生物活性下降，且土壤中氨的揮發(fā)增強[26]，土壤中的有效性氮含量也隨之降低，導致實際測得的氮礦化速率降低.

圖5 水熱條件對土壤氮礦化的交互作用Figure 5 The three-dimensional diagram of interaction effect on soil net ammonification rate of moistures and temperatures

土壤水分是土壤生化反應和物理性質的重要載體[27]，土壤有效水分能通過制約土壤微生物的生長和活性來影響土壤的元素礦化，且土壤水分與礦化速率存在顯著相關性[28].Steven等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，氮礦化速率最高的土壤水分含量介于57%和78%田間持水量(平均為65%)之間，過高或過低的土壤水分含量均不利于土壤氮礦化速率的提高.Sde等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，N礦化隨土壤含水量的增加而增加(0%～20%water-filled pore space，WFPS).本研究發(fā)現(xiàn)，土壤凈氨化、凈硝化和氮凈礦化速率隨土壤含水量的增加逐漸增加，當土壤含水量為60%FWC時達到最大值，之后又隨土壤含水量的增加而降低.這與前人研究結果基本一致，可能是土壤水分增加到一定值后，土壤中氧氣含量降低，導致土壤微生物活力和數(shù)量降低，氨化和硝化速率也隨之降低；此時厭氧的反硝化菌活性增強，硝態(tài)氮反硝化成為N2O和N2[31]，因而呈現(xiàn)出土壤硝態(tài)氮含量隨土壤水分含量的增加而降低，氮凈礦化速率也降低.由于全球氣候變化引起的季節(jié)性干旱和短期強降雨等極端氣候會引起土壤含水量過低或過高，都會降低土壤氮礦化速率，而使土壤供氮能力階段性下降，且強降雨還可能提高土壤氮素的淋失和溫室氣體N2O的排放.

土壤溫、濕度是影響氮礦化的最重要的環(huán)境因子，在一定溫濕度范圍內，氮礦化速率與水分和溫度呈正相關，且存在一定的交互作用.虎瑞等[32]的研究發(fā)現(xiàn)，土壤水熱條件對氮礦化速率存在顯著交互作用，且在25 ℃和78%FWC時土壤的氮礦化速率最高.李悅等[33]的研究發(fā)現(xiàn)，9～40 ℃土壤氮礦化與溫度呈顯著正相關，而與土壤水分呈先增加后降低的變化趨勢，在25 ℃和80% WHC時氮礦化速率最快.本研究采用室內培養(yǎng)法建立了土壤水熱條件對土壤凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率的二元二次模型方程，并估算出土壤凈氨化作用、凈硝化作用和氮凈礦化作用的最適土壤溫度和含水量分別為25.7～25.8 ℃和56.2%～58.3%FWC.這與虎瑞等[32]和李悅等[33]的研究結果有一定差異，可能與不同研究地的土壤環(huán)境和生態(tài)類型不同有關；與石微等[14]對華西雨屏區(qū)柳杉人工林土壤氮礦化的研究中最佳水熱組合為32.9 ℃和64.1 %FWC，也有一定的差異，說明在相同土壤類型下，不同林分的土壤理化性質對土壤氮礦化速率也有一定的影響.

Q10值表示10 ℃的溫度區(qū)間內土壤氮素礦化速率增加的倍數(shù)，不僅可作為土壤氮礦化對溫度響應的敏感性系數(shù)[24]；也是衡量土壤氮礦化對未來氣候變化響應的重要參數(shù).不同生態(tài)系統(tǒng)類型的土壤氮素礦化對溫度變化的敏感程度也有一定的差異，Koch等[34]的研究發(fā)現(xiàn)，在0～30 ℃范圍內，高寒地區(qū)土壤Q10值隨溫度的升高而降低，Q10值的范圍為1.5～1.8.石薇等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，柳杉人工林土壤凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率在5～15 ℃的Q10值均最大，且與15～35 ℃的Q10值差異顯著，Q10值的范圍為0.9～1.6.高俊琴等[35]的研究發(fā)現(xiàn)，高寒濕地沼澤土和泥炭土氮凈礦化速率溫度系數(shù)Q10值為0.9～4.5，Q10值在15～25 ℃時最高，對溫度最為敏感.本研究發(fā)現(xiàn)，土壤凈氨化、凈硝化和氮凈礦化速率Q10值為0.8～3.0，Q10值在15 ℃/5 ℃時最高.這與石薇等[14]研究結果類似，與Koch等[34]、高俊琴等[35]研究結果有一定差異，可能與林分類型和氣候區(qū)域差異有關.

4 結論

隨溫度升高和水分含量增加，華西雨屏區(qū)黃壤的土壤凈氨化速率、凈硝化速率和氮凈礦化速率均呈先增加后降低的趨勢變化，過高的溫度和水分含量均會抑制土壤氮礦化.通過擬合二元二次回歸方程估算出溫度和水分含量分別為25.8 ℃和57.4% FWC時，可獲得最大土壤氮凈礦化速率.其中，土壤氮礦化在5～15 ℃范內對溫度最敏感.氣候變暖在一定程度上有利于提高華西雨屏區(qū)常綠闊葉林土壤供氮能力.