半干旱區(qū)土地利用方式對土壤碳氮礦化的影響

杜寧寧，邱莉萍，，張興昌，程積民

（1.西北農林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌712100）

半干旱區(qū)土地利用方式對土壤碳氮礦化的影響

杜寧寧1，邱莉萍1，2，張興昌2，程積民2

（1.西北農林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌712100）

通過研究云霧山草原自然保護區(qū)草地、農地、灌木林土壤有機碳和氮的含量和礦化特征，分析了半干旱黃土區(qū)不同土地利用方式對土壤碳氮循環(huán)的影響。結果表明，土壤有機碳和全氮平均含量在草地轉變?yōu)檗r地后分別降低了53%和64%，在轉變?yōu)楣嗄玖值睾蠓謩e降低了54%和44%。不同土地利用方式下土壤有機碳礦化速率均隨土層深度的增加逐漸降低，降幅介于29%～46%之間；有機碳礦化比例則逐漸增加，增幅介于45%～67%之間。土壤氮素礦化速率、礦化比例和硝化速率均隨土層加深逐漸降低，而且0～20 cm土層氮素礦化體現(xiàn)為硝化過程和銨態(tài)氮的固定作用，且硝化過程占主導作用；40～80 cm土層硝化過程和銨化過程的比例接近，表明深層土壤氮素礦化由硝化過程和銨化過程共同主導。草地轉化為農地和灌木林地后有機碳礦化速率顯著降低，其降低幅度隨土層加深逐漸減?。坏袡C碳礦化比例則有所增加，其增幅隨土層加深而增大。草地利用方式發(fā)生變化后，土壤氮素礦化速率和礦化比例、硝化速率和銨化速率均顯著降低，這些指標在表層土壤以草地轉變?yōu)檗r地后降低較多，在深層土壤以草地轉變?yōu)楣嗄玖值亟档洼^多。綜上，半干旱黃土區(qū)草地轉變?yōu)檗r地和灌木林地后，土壤碳氮循環(huán)強度和有效性顯著降低，因此應避免草地向其它利用方式的轉變。

半干旱黃土區(qū)；利用方式；有機碳礦化；有機氮礦化

土壤有機碳氮礦化是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是目前生態(tài)學和全球變化研究的熱點［1］。影響土壤碳氮礦化的因素主要包括土壤溫度、土壤含水量、pH、土壤微生物、外源有機物和土地利用方式的轉變等［2－3］。其中，土地利用方式轉變不但能通過改變土壤有機物質輸入和輸出量直接影響土壤碳氮礦化［4］，而且可以通過改變土壤理化性狀、微生物性質、活性碳氮的含量和組成、土壤溫度和水分狀況等，間接影響土壤碳氮礦化過程。因此，土地利用方式對土壤碳氮礦化的影響更為復雜，并且會改變土壤碳氮有效性及其在生態(tài)系統(tǒng)中的作用［5－6］，是目前的研究熱點。

全球干旱半干旱地區(qū)占陸地面積的41%，承載了38%的人口，對全球氣候變化和人類活動響應敏感［7－9］。作為干旱半干旱地區(qū)重要的生態(tài)系統(tǒng)，草地在防治荒漠化和水土流失、維持生態(tài)系統(tǒng)功能等方面起著重要作用［10－11］。然而，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和土地利用強度的增加，半干旱區(qū)草地逐漸轉變?yōu)槠渌恋乩梅绞?，生態(tài)系統(tǒng)退化加?。?2－13］。如過去十幾年間，草地向其它土地覆蓋類型轉化的面積以每年20.87%的速率增加［14］，造成了嚴重的土地沙化和退化。因此，有必要研究人類活動對脆弱生態(tài)區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)過程和功能的影響，而土地利用方式變化后土壤碳氮過程的響應特征是該研究的關鍵［15－16］?；诖?，本研究以半干旱黃土區(qū)土地不同利用方式為研究對象，分析了0～80 cm土層土壤碳氮含量和礦化指標的響應特征，以期為干旱半干旱區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)主要生態(tài)過程與人類活動之間的互饋關系提供科學依據(jù)，并為生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供實踐指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在寧夏固原云霧山草原自然保護區(qū)內（106°24′～106°28′E，36°13′～36°19′N）進行。該區(qū)位于黃土高原腹地，是我國黃土高原半干旱區(qū)面積最大的典型草原生態(tài)系統(tǒng)。該區(qū)南北長11 km，東西寬 5.5 km，面積 6 700 hm2。海拔 1 800～2 148m，年均氣溫4℃～6℃，≥0℃的積溫2 370℃～2 880℃，月均溫7月最高，為24℃，1月最低，為－14℃，年均降水量400～450mm，蒸發(fā)量1 500～1 700mm，無霜期112～137 d（4月中旬至9月末）。土壤為黃土母質上發(fā)育的灰褐土，主要草地類型有長芒草（Stipɑ bungeɑnɑ）＋百里香（Thymusmongolicus）＋星毛委陵菜型（Potentillɑɑcɑulis）和長芒草（Stipɑbungeɑnɑ）＋鐵桿篙（Artemisiɑsɑcrorum）＋冷篙（Artemisiɑfrigidɑ）＋星毛委陵菜型（Potentillɑɑcɑulis），其中叢生禾本科植物本氏針茅在該區(qū)分布范圍最廣。

1.2 土壤樣品采集及測定方法

本研究選取地形地勢和坡度相似的草地、農田和灌木林地為研究樣地，土地利用方式變化前3個樣地的土壤類型、植被組成相似，自然條件相同，土壤理化性質相似。草地主要植被為長芒草和鐵桿篙；灌木林地于1982年在草地上建植，主要植被為檸條（Cɑrɑgɑnɑkorshinskii Kom）和少許長茅草；農地于1982年由草地開墾而來，主要作物為玉米（Zeɑ mɑys L.）和土豆（Solɑnum tuberosum）。

于2009年在各樣地隨機布設5個采樣小區(qū)（30 m×30m）。每個小區(qū)內隨機選取3個樣點用土鉆（直徑9 cm）分別采集 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm土層土壤樣品，3個樣點土樣分層混合組成混合土樣，揀出植物根系和植物殘體后，過篩風干備用。

取一部分風干土壤樣品研磨過0.25 mm篩，用于測定土壤有機碳和全氮含量。土壤有機質和全氮含量用VARIO ELⅢ CHO分析儀（Elementar，德國）測定。土壤有機碳礦化采用室內恒溫培養(yǎng)－堿液吸收法測定，具體方法為稱取10.0 g土壤樣品置于250mL玻璃組織培養(yǎng)瓶底部，內置盛有5 mL 0.5 mol·L－1NaOH溶液的小玻璃瓶，土壤濕度用蒸餾水調至其田間持水量的60%，在25℃條件下培養(yǎng)7天。分別于培養(yǎng)的第 1、3、5、7天用 0.5 mol·L－1的HCl滴定測定NaOH溶液吸收的CO2量，計算培養(yǎng)過程中CO2的釋放量，根據(jù)CO2的釋放量計算出培養(yǎng)期內土壤有機碳的礦化量。同時用KCl浸提－流動分析儀分別測定培養(yǎng)前后的土壤硝態(tài)氮（NO3－）和銨態(tài)氮（NH4＋）含量，計算土壤氮素礦化量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進行預處理，采用SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。用ANOVA分析方法檢驗各處理在 P＜0.05顯著水平上的差異，如差異顯著采用Duncan法在 P＜0.05顯著水平上進行多重比較。采用Sigma Plot10.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤碳氮分布

研究區(qū)3種土地利用方式下土壤有機碳和全氮含量均隨土層深度增加而降低（圖1）。草地、農地和灌木林地土壤有機碳含量分別介于7.15～21.53、4.84～10.20 g·kg－1和 2.44～9.98 g·kg－1之間，全氮含量分別介于 0.75～2.10、0.64～0.76 g·kg－1和0.25～1.18 g·kg－1之間；所有處理 C／N介于 7～10之間。

圖1 不同土地利用方式下土壤有機碳、氮和碳氮比的剖面分布特征Fig.1 Distributions of soil OC，total N concentration and C／N ratio in soil profile under different land use

草地轉變?yōu)檗r地和灌木林地后土壤有機碳和全氮含量顯著降低，但對土壤C／N比影響較小。2種土地利用轉變方式下，0～20 cm土層有機碳降幅相近，分別為52.62%和53.64%，而草地轉變?yōu)檗r地后土壤0～20 cm土層全氮含量降低幅度大于轉變?yōu)楣嗄玖值?，降幅分別為63.69%和43.75%；20～80 cm土層，有機碳和全氮含量的降低均以草地轉變?yōu)楣嗄玖值剌^大。

2.2 土壤有機碳礦化特征

研究區(qū)草地、農地和灌木林地土壤有機碳礦化速率均隨土層深度的增加逐漸降低，降幅分別為45.87%、28.95%和 45.02%（圖 2）；有機碳礦化比例則隨土層深度的增加逐漸增加，增幅分別為44.68%、67.28%和 64.34%（圖 2）。

草地轉化為農地和灌木林地后有機碳礦化速率顯著降低，其降低幅度隨土層深度的增加逐漸減小，而且2種土地利用轉變方式之間差異不顯著，如草地轉變?yōu)檗r地后0～60 cm土層有機碳礦化速率降低了25%～43%，轉變?yōu)楣嗄玖值睾?～80 cm土層有機碳礦化速率降低了16%～52%。然而，這2種土地利用轉變方式增加了有機碳礦化比例，而且其增幅隨土層深度的增加而增大，如在草地轉變?yōu)檗r地后，隨土層深度增加，有機碳礦化比例的增幅從25.48%增加到55.99%，在草地轉變?yōu)楣嗄玖值睾髲?6.62%增加到61.85%。這些結果表明，半干旱黃土區(qū)草地利用方式發(fā)生變化后，土壤有機碳的穩(wěn)定性有所降低，而且深層土壤降低幅度較大。

2.3 土壤氮素礦化特征

研究區(qū)3種土地利用方式下土壤氮素礦化速率、礦化比例和硝化速率均隨土層深度的增加逐漸降低（圖3），其平均值分別從0～10 cm的 0.873 ug·g－1·d－1、0.030和 2.294 ug·g－1·d－1降低到 60～80 cm的 0.014 ug·g－1·d－1、－0.032和 0.091 ug·g－1·d－1。土壤銨化速率則隨土層深度的增加逐漸增大，所有處理的平均值從 0～10 cm的 －1.420 ug·g－1·d－1增加到 60～80 cm的 －0.077 ug·g－1·d－1。此外，硝化和銨化作用占土壤氮素礦化的比例因土層而異，對于0～20 cm土層來說，氮素礦化表現(xiàn)為硝化過程和銨態(tài)氮的固定作用，而且硝化過程占主導作用，如硝化速率介于 1.345 ug·g－1·d－1和 3.805 ug·g－1·d－1之間，而銨化速率介于 －1.660 ug·g－1·d－1和 －0.785 ug·g－1·d－1。對于 40～80 cm土層來說，硝化過程和銨化過程的比例接近，如硝化速率和銨化速率分別介于 0.040～0.387 ug·g－1·d－1和－0.385～0.523 ug·g－1·d－1，表明深層土壤氮素礦化由硝化過程和銨化過程共同主導。

草地利用方式發(fā)生變化后，土壤氮素礦化指標顯著降低，其降幅受土地利用變化方式和土層的影響。草地轉變?yōu)檗r地后，氮素礦化速率、礦化比例和硝化速率在表層土壤（0～20 cm）降低較多，在深層土壤（20～80 cm）降低較少；土壤銨化速率降低幅度則與此相反。草地轉變?yōu)楣嗄玖值睾?，氮素礦化速率在不同剖面的降幅相差較小，表層土壤硝化速率降低幅度較大，深層土壤較小，而氮素礦化比例和銨化速率降幅與此相反。此外，土壤氮素礦化指標的降低在表層土壤以草地轉變?yōu)檗r地后降低較多，在深層土壤以草地轉變?yōu)楣嗄玖值亟档洼^多。

圖2 不同土地利用方式對土壤有機碳礦化速率和礦化比例的影響Fig.2 The effect of different land use on soil OCmineralization rate and proportion

圖3 不同土地利用方式對土壤有機氮礦化的影響Fig.3 The effect of different land use on soil Nmineralization

3 討 論

3.1 半干旱區(qū)土地利用方式變化對土壤碳氮的影響

本研究表明半干旱區(qū)土地利用方式發(fā)生變化將造成土壤有機碳和全氮的損失。草地轉變?yōu)檗r地后土壤有機碳和全氮的降低主要是因為土壤耕作引起土壤結構破壞，造成土壤結構體對土壤碳氮保護作用的減小。如Qiu等［16］在云霧山的研究結果表明，草地開墾后土壤大團聚體含量減少78%～87%，而土壤有機碳和全氮含量減少60%。此外，草地轉變?yōu)檗r地后顯著降低地上部和根系生物量，進而減少土壤中新鮮有機碳和氮素的輸入。一方面，草地植物多為多年生植物，地上部生物量會在地表逐年積累，是土壤碳氮的主要來源［17］；而農地地上部生物量在作物收獲季節(jié)被收獲移走，地表所剩余的植物殘留物很少［18］，不足以補充土壤有機碳和全氮損失。另一方面，草地根系生物量顯著高于農地，而且在土壤剖面的分布較深［19］，草地轉變?yōu)檗r地后將會顯著降低土壤中根系有機碳和氮的輸入，從而造成土壤碳氮損失。農地施肥后也會對土壤碳氮產生影響。農地施用的氮肥多為化學肥料，施入土壤中會流失一部分［20］，而且作物吸收的氮隨著作物的收獲而移出［21］，其對土壤氮素的補充有限?；瘜W氮肥的施用還會促進土壤中原有有機碳的礦化損失［22］，造成有機碳含量的降低。

草地轉變?yōu)榱值睾笸寥捞嫉淖兓c氣候條件有關，如Wei等［23］發(fā)現(xiàn)，在黃土高原相對干冷地區(qū)，草地轉變?yōu)榱值睾笸寥捞嫉兴鶕p失，而在相對暖濕地區(qū)，土壤碳氮有所積累。本研究中，云霧山草原保護區(qū)年均溫和降水量分別為6℃和350～400mm，屬于較為干冷地區(qū)，草地轉變?yōu)楣嗄玖值睾蟛焕诘厣虾偷叵律锪康男纬珊突謴?，土壤碳氮輸入減少。此外，草地轉變?yōu)榱值貢r對土壤的擾動將會造成土壤結構體的破壞，如Qiu等［24］發(fā)現(xiàn)，該區(qū)草地轉變?yōu)闄帡l林地可以降低78%～87%的土壤大團聚體。這些大團聚體的破壞使土壤結構喪失了對土壤碳氮的保護作用，造成了土地利用轉變初期的土壤碳氮損失，而由于研究區(qū)灌叢生物量較小，這些損失在灌叢建造后不能得到補充，土壤碳氮含量因此顯著低于草地土壤。由于土壤碳氮循環(huán)過程相互耦合，土壤有機碳和全氮有著較為一致的比例關系［25］，因此本研究中土壤碳氮比不受土地利用方式變化的影響。

3.2 半干旱區(qū)土地利用方式變化對土壤碳氮礦化的影響

本研究中草地轉變?yōu)槠渌梅绞胶笥袡C碳礦化速率顯著降低，可能與土壤中有機碳含量顯著降低有關。隨著有機碳的損失，可礦化碳的量逐漸減少，礦化速率因此降低。如 Franzlucbber等［26］研究結果表明農田中土壤有機碳礦化率隨土層加深而遞減。本研究中土地利用變化后有機碳含量的變化量與礦化速率的變化量呈極顯著正相關關系（R2＝0.82，P＜0.0001）。此外，土地利用方式變化后，土壤中活性有機碳的來源和數(shù)量也發(fā)生變化，并對礦化速率產生影響。如Blair等［27］的研究結果表明新南威爾士地區(qū)的天然植被土壤進行耕作后，土壤有機碳、活性有機碳和非活性有機碳含量都有不同程度的下降。此外，這2種土地利用變化方式顯著增加了土壤有機碳礦化比例，而且深層土壤的增幅大于表層土壤，這是因為土地利用方式發(fā)生變化后，土壤有機碳降低幅度（32%～75%）大于有機碳礦化速率（15%～52%），表明草地轉變?yōu)檗r地后深層土壤有機碳降低，而且深層土壤有機碳損失的潛力增大，這與王謝等［28］的研究結果一致。

本研究中上層土壤有著較高的硝化速率，這與上層土壤通氣狀況較好有關。研究區(qū)土壤為輕壤質地，而且年降水量較低，土壤通氣良好，有利于土壤硝化過程的進行。此外，上層土壤有機碳和全氮含量較高，為微生物活動提供了較為豐富的碳源和氮源，微生物對土壤無機氮（主要是銨態(tài)氮）的固定作用也較強，因此上層土壤銨態(tài)氮的微生物固定作用所占比例也較大（負的銨化速率）。對于深層土壤來說，大氣中的氧氣向下的擴散作用逐漸減弱，硝化作用減弱；同時，由于微生物活動所需的碳源和氮源逐漸減少，微生物對銨態(tài)氮的固定作用也降低。本研究中不同土層氮素礦化的主導過程與王玉紅等［29］在相同地區(qū)的研究結果一致。

草地轉變?yōu)檗r地和灌木林地后，土壤氮素礦化的4個指標均顯著降低，表明這2種土地利用變化方式不但造成了土壤氮素的損失，而且減弱了氮素轉化速率和有效性。土壤氮素礦化指標的降低，主要與土壤氮素含量的降低有關，如本研究中土地利用變化后土壤氮素含量的變化量與土壤氮素礦化速率和硝化速率的變化量呈極顯著正相關關系（R2＝0.828和 0.838，P＜0.0001）。此外，這些氮素礦化指標的降低還與土壤微生物活性的降低有關。前期的研究結果表明這2種土地利用變化方式分別造成約45%和17.5%的土壤微生物碳的降低。

土壤碳氮循環(huán)與有效性不但與生態(tài)系統(tǒng)主要生態(tài)過程有關，而且決定著脆弱生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能［30］，是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和功能評價的重要指標。本研究結果表明，半干旱黃土區(qū)土地利用方式變化后，土壤碳氮循環(huán)強度和有效性顯著降低，這不但不利于研究區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)功能和結構的維持和穩(wěn)定，而且使土壤成為大氣碳氮的潛在來源。因此，對于半干旱黃土區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)來說，應該維持現(xiàn)有的草地管理模式，避免草地向農地或其它利用方式的轉變。

4 結 論

1）半干旱黃土區(qū)草地轉變?yōu)檗r地和灌木林地顯著降低了土壤有機碳和全氮含量，但對土壤C／N比無顯著影響。

2）研究區(qū)土壤有機碳礦化速率均隨土層深度的增加逐漸降低，有機碳礦化比例則逐漸增加；氮素礦化速率、礦化比例和硝化速率均隨土層加深逐漸降低，而且0～20 cm土層氮素礦化以硝化過程為主；40～80 cm土層氮素礦化由硝化作用和銨化作用共同主導。

3）草地轉化為農地和灌木林地后有機碳礦化速率顯著降低，礦化比例則有所增加，氮素礦化指標均顯著降低；土壤碳氮礦化指標的變化程度與土層和土地利用變化方式有關。

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Effect of land use on m ineralization of soil carbon and nitrogen in sem i-arid grasslands

DU Ning-ning1，QIU Li-ping1，2，ZHANG Xing-chang2，CHENG Ji-min2
（1.College of Resourcesɑnd Environment，Northwest A＆F University，Yɑngling，Shɑɑnxi 712100，Chinɑ；2.Stɑte Key Lɑborɑtory of Soil Erosionɑnd Drylɑnd Fɑrming on the Loess Plɑteɑu，Institute of Soilɑnd Wɑter Conservɑtion，Chinese Acɑdemy of Sciencesɑnd Ministry ofWɑter Resources，Yɑngling，Shɑɑnxi 712100，Chinɑ）

To understand the effects of land use on the cycling of OC and N in soils of semiarid grassland，we analyzed the distribution andmineralization of OC and N in soils collected from grassland，cropland and shrub-land in Yunwu mountain natural grasslands.The results showed that averaged concentration of OC and N in soils decreased by 53%and 64%after conversion of grassland to cropland，and by 54%and 44%after conversion to shrub-land，respectively.Themineralization rate of OC declined with increasing of soil depth，with a range of 29%～46%decrease，while the proportion ofmineralized OC increased with soil depth，with a range of 45%～67%increase.The conversion of grassland to cropland or shrubland significantly decreased OCmineralization rate but increased the proportion ofmineralized OC.The decrease in OCmineralization rate declined，while increase of OCmineralization proportion increased with soil depth.Themetrics of Nmineralization declined with soil depth.For the 0～20 cm depth，themineralization was characterized by the nitrification and immobilization of ammonium，and was dominated by nitrification.For the 40～80 cm depth，both nitrification and ammonification contributed tomineralization of N.The conversion ofgrassland to cropland or shrub-land decreased themetrics of Nmineralization.For the top soils，these decreaseswere greater for the conversion of grassland to cropland，while for the deep soils，the decreaseswere greater for the conversion to shrub－land，when compared with each other.These results indicated that the cycling and availability ofOC and N in grassland were significantlydecreased after conversion of grassland to cropland or shrub-land in this semiarid region.Therefore，such land use changes should be avoided from the aspect of soil OC and N sequestration.

semiarid loess region；land use；organic carbonmineralization；Nmineralization

S154.1

A

1000-7601（2017）05-0073-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.05.11

2016-07-20

2016-09-26

國家自然科學基金項目（41471244）；省自然科學基金項目（2015JQ4103）

杜寧寧（1990—），女，甘肅白銀人，碩士，研究方向為土壤碳氮循環(huán)。E-mail：1562303945＠qq.com。

張興昌（1965—），男，陜西武功人，研究員，主要從事生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)方面的研究。E-mail：zhangxc＠m(xù)s.iswc.ac.cn。