氮沉降對西藏高山灌叢草甸土壤理化性質(zhì)的短期影響

葉彥輝， 劉云龍， 韓艷英*， 邵小明， 唐鐸滕， 楊開軍

(1. 西藏農(nóng)牧學院， 西藏 林芝 860000； 2. 中國農(nóng)業(yè)大學， 北京 100193)

氮沉降是近幾十年來一個備受關(guān)注的環(huán)境問題，20世紀中葉以來，隨著礦物燃料燃燒、化學氮肥的生產(chǎn)和使用以及畜牧業(yè)的迅猛發(fā)展等人類活動向大氣中排放的活性氮化合物激增，大氣氮素沉降也呈迅猛增加的趨勢[1]。隨著氮沉降的增加，自然環(huán)境的變化和動植物的生存與生長以及人類的活動都受到了越來越多的影響，因此，對于氮沉降帶來的諸多影響方面的探究顯得尤為重要。

大量研究表明氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)造成了極大的影響，它改變了森林樹木的生理狀態(tài)，使得土壤養(yǎng)分發(fā)生變化，調(diào)整了物種之間的競爭動態(tài)[2-4]。目前，模擬氮沉降對土壤養(yǎng)分的影響研究結(jié)果并不完全一致。有的研究表明模擬氮沉降會增加土壤中有機質(zhì)、氮、磷的含量[5-7]，也有研究結(jié)果表明模擬氮沉降對土壤中有機質(zhì)、氮、磷、鉀的含量影響不大[8-11]。土壤可溶性有機碳是土壤中移動快、穩(wěn)定性差、易氧化、易礦化，并對植物和土壤微生物活性影響較高的那部分有機態(tài)碳[12]，雖然有關(guān)土壤可溶性有機碳來源、遷移過程及其對外界環(huán)境變化響應(yīng)的報道比較多，但都比較零散[13]。由于過程繁瑣且影響因素不單一，氮沉降對土壤有機碳庫不同組分及礦化過程的影響機制尚無定論[8]。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)和積累過程產(chǎn)生影響[14]，其對草地系統(tǒng)的影響不容忽視，對其影響的研究也刻不容緩。在國外大量開展氮沉降問題的研究報道的同時國內(nèi)對于氮沉降的研究也受到重視，但青藏高原的氮沉降研究目前仍處于不成熟階段。

青藏高原平均海拔在4 000 m以上，有著獨特的天然生態(tài)和地理條件，既是南亞、東南亞地區(qū)的“江河源”和“生態(tài)源”，也是中國乃至東半球氣候的“啟動器”和“調(diào)節(jié)區(qū)”[15]，是研究土壤養(yǎng)分對氮沉降響應(yīng)的天然優(yōu)勢試驗地。就青藏高原土壤養(yǎng)分平均含量而言，耕層土壤養(yǎng)分整體含量比較豐富，只有速效磷含量相對較低[16]。本研究擬通過在西藏林芝草地進行1年的短期氮沉降模擬試驗，研究土壤養(yǎng)分和土壤可溶性有機碳對氮沉降增加的響應(yīng)，為更好地理解和評估大氣氮沉降對該地區(qū)草地土壤養(yǎng)分和土壤可溶性有機碳的影響提供科學依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

林芝縣地處青藏高原念青唐古拉山東南麓，雅魯藏布江與尼洋河在此相匯，地處北緯29°21′～30°15′、東經(jīng)93°27′～95°17′之間，東鄰墨脫縣，南接米林縣，西部和西北部與工布江達縣交界，北部和東北部與波密縣相通。東西長177.2 km，南北寬98.6 km。林芝縣境南部為岡底斯山余脈，北部屬念青唐古拉山支脈高山地段。平均海拔3 000 m，屬溫帶濕潤季風氣候，年平均氣溫8.5℃(最冷為1月份，平均氣溫為-2℃，最熱7月份，平均氣溫20℃)，無霜期175 d左右，年日照時間2 022 h，年平均降水量654 mm，主要集中在5-9月份，占全年降水量的90%左右。土壤為洪沖積母質(zhì)，質(zhì)地偏沙，主要類型是亞高山草甸土，模擬氮沉降前土壤養(yǎng)分狀況如表1所示。研究區(qū)為高山灌叢草甸，主要有川滇高山櫟(QuercusaquifolioidesRehd. et Wils.)，三顆針(Berberisjulianae)，薔薇 (Rosamultiflora)，小葉栒子(cotoneastermicropHyllus)，夏枯草(PrunellavulgarisLinn.)，紫羊茅(Festucarubra)，委陵菜(PotentillasaundersianaRoyle)，平車前(PlantagodepressaWilld.)，狗娃花(Heteropappushispidus)等。研究區(qū)植被調(diào)查共有29科55屬59種，其中以薔薇科有8屬8種最多，菊科有4屬5種，傘形科4屬4種，禾本科和唇形科3屬4種，蓼科3屬3種，楊柳科、豆科、報春花科、石竹科、毛茛科、小檗科、鼠李科各2屬2種，滕黃科1屬2種，其余的都是單科單屬。其中薔薇科、禾本科、菊科、毛茛科、玄參科、寥科、虎耳草科、龍膽科、傘形科、忍冬科，十大科合計27屬29種，占研究區(qū)總物種數(shù)的49.15%。

表1 氮沉降前土壤的養(yǎng)分狀況Table 1 Soil nutrient status before nitrogen deposition experiment

1.2 研究方法

1.2.1氮沉降法 2014年在林芝縣布久鄉(xiāng)朱曲登村(29°28′18.8′N， 94°22′41.6″E)高山灌叢草甸設(shè)置12個5 m×5 m樣地，每個樣地保留10 m間隔，防止相互干擾。為了便于更清楚地揭示氮添加的影響，參照國際上通用的施氮量成倍增加的慣例[17]，分別設(shè)置CK(對照)、低氮LN(25 kg·hm2·a-1)、中氮MN(50 kg·hm2·a-1)、高氮HN(150 kg·hm2·a-1)4種處理，每種處理3次重復(fù)。于2014年7月-2015年7月，每月月初選擇晴天按照處理水平的要求，將每個樣方每次所需噴施的NH4NO3溶解于1 L水中，用噴霧器人工均勻噴施于樣地內(nèi)，水溶液直接噴施在草地土壤表面，對照樣地噴施同樣量的水，以減少不同處理間的差異。

1.2.2樣品采集與測定 2015年8月采集土壤，采用土鉆法在樣地內(nèi)沿對角線隨機取樣，清除凋落物，分別在0～20 cm和20～40 cm隨機取5鉆土均勻混合成一個樣品，帶回實驗室分析，采土后迅速挑出細根和碎石，自然風干，測定土壤養(yǎng)分。

1.2.3養(yǎng)分和可溶性有機碳測定 pH值采用水土比為2.5∶1水浸提，pH計(pB-10，Satorius AG德國)測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；全氮采用濃硫酸消煮，半微量凱氏定氮儀測定；全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀采用氫氧化鈉熔融法-火焰光度計測定；速效氮土壤采用1 mol·L-1KCL浸提，提取的硝態(tài)氮(NO3-N)、銨態(tài)氮(NH4+-N)含量采用流動注射分析儀(AA3型，BRAN+LUEBBE，德國)測定；速效磷采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉(NaHCO3)浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用中性醋酸銨(NH4OAC)浸提-火焰光度計測定；鈣鎂離子測定：1N NH4OAC浸提，原子吸收分光光度法測定；土壤可溶性有機碳測定：稱5.00 g土樣過2 mm篩，按土水比1：5加蒸餾水25 mL，在25℃的恒溫振蕩機上以轉(zhuǎn)速170～180 r·min-1振蕩30分鐘，以10 000 r·min-1離心10 min，取其上清液過0.45 μm的濾膜后保存于4℃條件下待測，然后用TOC儀上機測定。

1.2.4數(shù)據(jù)分析 采用Microsoft Excel 2010軟件進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析和作圖，用SPSS 20.0對各種指標進行One-way ANOVA方差分析(顯著性水平設(shè)為0.05)，多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮沉降對土壤有機質(zhì)的影響

土壤有機質(zhì)是指存在于土壤中的所含碳的有機物質(zhì)，包括各種動植物的殘體、微生物體及其會分解和合成的各種有機質(zhì)。土壤有機質(zhì)作為土壤肥力的重要指標之一，也是土壤有機復(fù)合體的主要組成部分。由圖1可知，氮沉降對0～20 cm土壤有機質(zhì)含量有顯著影響(P<0.05)，模擬氮沉降一年后，土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為MN>CK>HN>LN。20～40 cm土壤有機質(zhì)受氮沉降處理影響顯著(P<0.05)，模擬氮沉降一年后，土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為HN>MN>LN>CK，說明草地生態(tài)系統(tǒng)在一定程度上受N限制影響，外加氮處理對草地土壤有一定影響，使得土壤養(yǎng)分含量有所增加。

圖1 氮沉降對草地土壤有機質(zhì)的影響 Fig.1 Effect of nitrogen deposition on organic matter of grassland soil注：不同小寫字母表示同一土層不同氮沉降處理間差異顯著(P<0.05)，下同Note: Different lower case letters indicate significant difference between different nitrogen deposition treatments at the 0.05 level, The same as below

2.2 氮沉降對土壤N元素的影響

氮素是植物生長的重要元素之一。不同土壤層全N、速效N的含量均不相同(圖2、3)。氮沉降對0～20 cm全N和速效N影響顯著(P<0.05)。模擬氮沉降一年后，全氮含量表現(xiàn)出MN>LN>CK>HN，速效氮表現(xiàn)出HN>MN>CK>LN。在20～40 cm土層，全N和速效N受氮沉降影響顯著(P<0.05)。模擬氮沉降一年后，全N含量呈現(xiàn)升高趨勢(HN>MN>LN>CK)；速效N含量表現(xiàn)LN>CK>MN>HN變化。不同土層全N含量都有所增加，與施加氮肥有關(guān)。在0～20 cm土層速效N含量有所增加，但20～40 cm土層低于CK，可能是模擬氮沉降時間較短造成的，這個結(jié)果有待進一步研究。

圖2 氮沉降對草地土壤全N的影響Fig.2 Effect of nitrogen deposition on soil total nitrogen content

圖3 氮沉降對草地土壤速效N的影響Fig.3 Effect of nitrogen deposition on soil available nitrogen content

2.3 氮沉降對P元素的影響

磷含量是判斷土壤磷豐缺的主要指標和施肥的一個重要依據(jù)。不同土壤層全P、速效P的含量均不相同(圖4、5)。氮沉降對0～20 cm全P和速效P影響顯著(P<0.05)。模擬氮沉降后，全P含量表現(xiàn)為HN>MN>CK>LN，速效P含量表現(xiàn)為MN>LN>CK>HN。在20～40 cm土層，全P和速效P受氮

沉降影響顯著(P<0.05)。模擬氮沉降后，全P含量表現(xiàn)為HN>MN>LN>CK，速效P含量表現(xiàn)為HN>LN>CK>MN。氮的輸入刺激了微生物活性并增加了其對磷的需求，并提高了磷相關(guān)酶的活性，磷相關(guān)分解酶活性的提高增強了微生物對土壤有機質(zhì)和調(diào)落物的分解，加快了土壤中磷元素的轉(zhuǎn)換過程，從而提高土壤中速效磷的含量。

圖4 氮沉降對草地土壤全P的影響Fig.4 Effect of nitrogen deposition on soil total phosphorus content

圖5 氮沉降對草地土壤速效P的影響Fig.5 Effect of nitrogen deposition on available phosphorus content of grassland soil

2.4 氮沉降對土壤K元素的影響

K元素是土壤中含量最高的大量營養(yǎng)元素，也是植物生長必需的主要營養(yǎng)元素之一，在生物圈中含量豐富，是重要的植物生長指標。不同土層全K、速效K的含量均不相同(圖6、7)。氮沉降對0～20 cm全K和速效K影響顯著(P<0.05)。模擬氮沉降后，全K含量表現(xiàn)為MN>CK>LN>HN，速效

圖6 氮沉降對草地土壤全K的影響Fig.6 Effect of nitrogen deposition on total potassium content of grassland soil

圖7 氮沉降對草地土壤速效K含量的影響Fig.7 Effect of nitrogen deposition on available potassium content of grassland soil

2.5 氮沉降對交換性鈣鎂的影響

鎂列為僅次于N，P，K的植物第四大必需元素，植物所需的鎂主要來自于土壤，鈣是植物生長的必需營養(yǎng)元素，鈣在土壤里的變化影響著土壤的物理化學性質(zhì)，氮沉降對0～20 cm土層交換性Ca2+、交換性Mg2+影響顯著(P<0.05)(圖8)。模擬氮沉降后，交換性Ca2+表現(xiàn)為LN>MN>HN>CK，交換性Mg2+表現(xiàn)為MN>LN>HN>CK。在20～40 cm土層，交換性Ca2+、交換性Mg2+受氮沉降影響顯著(P<0.05)(圖9)。模擬氮沉降后，交換性Ca2+表現(xiàn)為HN>MN>LN>CK，交換性Mg2+含量表現(xiàn)為HN>LN>CK>MN。

圖8 氮沉降對草地土壤交換性鈣含量的影響 Fig.8 Effect of nitrogen deposition on exchangeable Ca content of grassland soil

圖9 氮沉降對草地土壤交換性鎂含量的影響Fig.9 Effect of nitrogen deposition on exchangeable Mg content of grassland soil

2.6 氮沉降對土壤pH的影響

圖10 氮沉降對草地土壤PH的影響Fig.10 Effect of nitrogen deposition on grassland soil PH

2.7 氮沉降對可溶性有機碳的影響

由圖11可知，氮沉降對0～20 cm土層可溶性有機碳含量有顯著影響(P<0.05)。模擬氮沉降一年后，可溶性有機碳表現(xiàn)為LN>HN>MN>CK。20～40 cm土層可溶性有機碳受氮沉降處理影響顯著(P<0.05)。模擬氮沉降一年后，可溶性有機碳表現(xiàn)為LN>HN>CK>MN，土壤可溶性有機碳短期內(nèi)就可對外源性擾動產(chǎn)生顯著響應(yīng)，且表層土壤可溶性有機碳較深層土壤的響應(yīng)更加敏感、快速。

圖11 氮沉降對草地土壤可溶性有機碳含量的影響Fig.11 Effect of nitrogen deposition on dissolved organic carbon content of grassland soil

3 討論

本試驗中，隨氮沉降的增加，在0～20 cm和20～40 cm土層中可溶性有機碳(DOC)的含量均呈現(xiàn)升高趨勢。但20～40 cm土層的增加量少于0～20 cm土層。外加氮素滿足了土壤微生物對氮素的需求，從而促進了凋落物的分解。氮沉降增加使土壤中可溶性酚類物質(zhì)逐漸積累，從而增加了土壤中可溶性有機碳的含量，但由于深層土壤微生物活性低，亦使表層土壤DOC含量較深層土高，這與魏春蘭研究結(jié)論一致[18]，但與齊玉春和張萌新[19-20]的結(jié)論不一致。主要原因是土壤可溶性有機質(zhì)養(yǎng)分來源于植物凋落物、土壤腐殖質(zhì)、微生物、根系及其分泌物，在一定的時空條件下受植物、微生物影響強烈，因而造成研究結(jié)果不同。

本研究發(fā)現(xiàn)，隨氮沉降增加，0～20 cm土層有機質(zhì)含量變化不明顯，20～40 cm土層有機質(zhì)含量都有所增加，此結(jié)果與郭虎波的研究結(jié)果基本一致[5]。徐雷等對福建省人工杉木林的研究發(fā)現(xiàn)，其土壤有機質(zhì)含量隨氮沉降的增加呈先升高后降低的趨勢[21]。樊后保[6]等對福建省人工杉木林進行2年模擬氮沉降處理后發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳隨氮沉降水平的增加呈下降趨勢；張莉等對武夷山南麓的福建省建陽市鄧恩桉人工純林的研究發(fā)現(xiàn)，氮沉降可顯著減少森林土壤有機質(zhì)含量[22]。而祈瑜等，李秋玲等同樣得出氮沉降對有機質(zhì)沒有顯著影響的結(jié)論[8,10]。說明適量的氮素加入，有利于促進凋落物的分解，從而提高土壤有機質(zhì)含量，而過量的氮素，可能會導(dǎo)致土壤有機質(zhì)的流失。

磷是生物體必需的大量元素之一，也是許多生態(tài)系統(tǒng)的主要限制因子，大氣氮沉降量增加可能導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)改變進而造成土壤磷循環(huán)的改變。本研究發(fā)現(xiàn)，通過氮沉降，土壤中全磷和速效磷平均含量升高，受氮沉降影響均達到顯著水平。這與涂利華、裴廣廷、徐雷[7,11,21]等的研究結(jié)果基本一致。原因可能是氮的輸入刺激了微生物活性并增加了其對磷的需求并提高了磷相關(guān)酶的活性，磷相關(guān)分解酶活性的提高增強了微生物對土壤有機質(zhì)和調(diào)落物的分解，加快了土壤中磷元素的轉(zhuǎn)換過程，從而提高土壤中速效磷的含量。

本研究發(fā)現(xiàn)，土壤全K含量在0～20 cm和 20～40 cm都呈現(xiàn)升高響應(yīng)；而速效K的含量在0～20 cm土壤中在LN和HN處理下呈現(xiàn)升高響應(yīng)，說明土壤中速效K含量的增加與氮素量或由氮素引起其他理化性質(zhì)的改變有一個閥值，超過這個閥值則會減小。同時發(fā)現(xiàn)，全K含量隨土壤深度增加而增大，而速效K則呈現(xiàn)相反趨勢。這與袁穎紅、朱仕明、樊后保[28-30]等的研究結(jié)果相反，主要原因可能與本研究氮沉降時間較短有關(guān)。

在0～20 cm土壤中，交換性鈣和交換性鎂的含量表現(xiàn)出了相同的升高響應(yīng)；而在20～40 cm土壤中兩者卻有著不同的變化趨勢，交換性鈣呈現(xiàn)升高的響應(yīng)，而交換性鎂含量則在LN和HN處理下呈現(xiàn)升高響應(yīng)，在MN處理下降低。此原因可能是氮沉降的施加，導(dǎo)致基巖的風化，隨著植物對水分的吸收進入上層土壤，而提高了Ca含量，而由于Mg2+在土壤晶體中的吸附作用，氮沉降增加初期可能會使固定態(tài)的Mg釋放，在繼續(xù)增加氮沉降量時可能影響到了其他離子與之競爭吸附位。

pH值在兩種土層中HN處理下均呈現(xiàn)了相對MN處理含量降低的趨勢，一定程度表現(xiàn)了氮沉降升高對pH有所抑制，這與目前的國內(nèi)研究結(jié)果基本一致[32-35]。

本研究所得結(jié)果與目前國內(nèi)外的研究不盡相同，原因可能是本研究開展氮沉降時間較短。目前我國關(guān)于氮沉降還沒有形成規(guī)范化的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，僅少數(shù)地區(qū)的氮沉降研究得出的結(jié)論不具有普遍性，建議今后開展長期試驗，以期找出氮沉降對生態(tài)系統(tǒng)影響的全面的普遍性結(jié)論。

4 結(jié)論

有機質(zhì)、全N、全P、全K、速效N、速效P、速效K、交換性Ca2+、交換性Mg2+的含量對模擬氮沉降比較敏感，不同程度的模擬氮沉降一年后顯著改變了0～20 cm和20～40 cm土層的有機質(zhì)、全N、全P、全K、速效N、速效P、速效K、交換性Ca2+、交換性Mg2+含量。氮沉降顯著增加了20～40 cm土壤的有機質(zhì)、N、P、K、交換性Ca2+和可溶性有機碳的含量，但對0～20 cm土層的影響較小。土壤理化性質(zhì)對氮沉降的響應(yīng)說明氮沉降在短期內(nèi)可能影響高山灌叢草甸土壤碳庫積累和土壤肥力水平。