若爾蓋高寒沼澤濕地退化過程中土壤有機氮組分的演變特征*

胡 容 葉 春 蒲玉琳,? 胡嗣佳 張世熔 向 雙 賈永霞 徐小遜

（1 四川農(nóng)業(yè)大學資源學院，成都 611130）

（2 中國科學院山地生態(tài)恢復與生物資源利用重點實驗室，生態(tài)恢復與生物多樣性保育四川省重點實驗室， 中國科學院成都生物研究所，成都 610041）

（3 四川農(nóng)業(yè)大學環(huán)境學院，成都 611130）

土壤有機態(tài)氮約占全氮90%以上，是植物生長過程中有效氮的源和庫[1]。自Bremner[2]提出將有機氮分為酸解氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮、未知態(tài)氮和非酸解氮等化學形態(tài)后，人們開始關注不同施肥與耕作措施[3]、土壤類型[4]、土地利用方式[5]下土壤有機氮組分的變異特征。如化肥配施有機肥可提高水田土壤酸解有機氮及其氨基酸氮、氨基糖氮和酸解氨態(tài)氮含量[3]。草甸型水稻土以未知態(tài)氮為主，而濱海鹽漬型水稻土以酸解氨基酸態(tài)氮和氨態(tài)氮為主[6]。同一土壤在不同利用方式下有機氮組分差異明顯，如旱地土壤的全氮、酸解總氮含量均顯著低于相應的水稻土[7]。但上述研究多集中于農(nóng)田、草地和森林生態(tài)系統(tǒng)，鮮有報道土壤有機氮組分對濕地環(huán)境變化的響應。

濕地作為維持生物多樣性和自然資源的重要生態(tài)系統(tǒng)，被稱為“地球之腎”[8]。若爾蓋高寒沼澤濕地是青藏高原上面積最大的沼澤濕地，對全球氣候變化和人類干擾的敏感性高[9]。從20 世紀60年代開始，受氣候干暖化及開溝排水、放牧等人為因素的影響，沼澤向沼澤化草甸、草甸、退化草甸逆向演替，甚至出現(xiàn)沙化草甸[10]。高寒沼澤干化、甚至沙化，伴隨植被退化會給土壤碳、氮、磷、硫等重要物質(zhì)的循環(huán)帶來怎樣的影響？由此產(chǎn)生怎樣的大氣、水環(huán)境效應？近年來諸多學者圍繞這些問題主要展開了濕地退化條件下土壤有機碳及其組分變化[11-12]、土壤碳氮磷化學計量特征[13]、溫室氣體排放通量[14]等研究。土壤有機氮是濕地有效氮的主要來源，氮素的有效性通常限制濕地的凈初級生產(chǎn)力[15]。對濕地有機氮的關注，主要集中于土壤全氮儲量及剖面變化[16-17]、土壤溶解性有機氮的空間分布特征[18]，鮮有退化濕地土壤有機氮組分變化的系統(tǒng)、定量研究，有機氮組分與有效氮的耦合關系也尚不明晰。

因此，本文以若爾蓋高寒沼澤干化過程中不同退化程度沼澤濕地為對象，探討高寒沼澤濕地退化過程中土壤氮素積累和有機氮組分的演變特征，以期為深入研究高寒濕地退化過程中氮轉化的演變特征提供理論基礎，為恢復退化高寒沼澤濕地提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

若爾蓋高寒沼澤濕地位于青藏高原東北部（102°08′E～103°39′E，32°56′N～34°19′N），海拔3 400～3 800 m，為典型的大陸性高原季風氣候。最冷月1月平均氣溫-10.6℃，絕對最低氣溫-33.7℃；最熱月7月平均氣溫10.8℃，絕對最高氣溫24.6℃，年平均氣溫0.7℃。年降水量600～800 mm，平均降水量656.8 mm，其中86% 集中于4月下旬至 10月中旬。植被以沼澤植被和草甸植被為主，沼澤植物的優(yōu)勢種有木里苔草（Carex mulieensis）、毛果苔草（Carex lasiocarpa）、烏拉苔草（Carex meyeriana）等；草甸植被以草地早熟禾（Kentucky bluegrass）、車前草（Plantain）、黑褐苔草（Carex alrofusca）等植物為主[19]。

1.2 土壤樣品采集

本研究在2006—2013年開展的4 次若爾蓋沼澤濕地分布狀況的實地調(diào)查基礎上，根據(jù)濕地的水文（有無地表積水與積水程度）、年際土壤水分狀況、植被群落類型、植被蓋度和人為干擾活動等生態(tài)環(huán)境指標，將研究區(qū)退化沼澤大致分為輕度退化沼澤（Lightly degraded marsh，LDM）、中度退化沼澤（Moderately degraded marsh，MDM）和重度退化沼澤（Heavily degraded marsh，HDM）。

2015年7月利用前期的實地調(diào)查研究成果，在若爾蓋濕地自然保護區(qū)用空間代替時間法，選擇沼澤以及由沼澤退化而成的沼澤化草甸、草甸和退化草甸4 種濕地景觀，分別代表相對原生沼澤（Relatively pristine marsh，RPM）、LDM、MDM 和HDM。4 種不同程度退化濕地的生態(tài)環(huán)境狀況如表1。在花湖-熱爾大壩、向東牧場、堯拉喬-唐克、黑青喬、黑河牧場、黑河流域的中下游嫰哇段6 個采樣區(qū)設置4類景觀100 m×100 m 樣地2～3 個，每個樣地先使用GPS 定位和記錄優(yōu)勢植被類型后，在每個樣地設立3 個 1 m ×1 m 的樣方，利用原狀土取土器（Eijkelkamp，荷蘭）采集0～100 cm 土壤剖面樣品，按0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm 土層采集土樣。將同一樣地內(nèi)3 個樣方的同一土層土樣放置一起，去除雜物及植物根系、凋落物等，混合土樣，縮分至1 kg，裝入密封塑料袋。土壤樣品帶回室內(nèi)風干，研磨，過篩備用。

1.3 分析項目及方法

土壤有機氮分組采用Bremner[2]法，其中，酸解態(tài)氮測定采用6 mol·L-1HCl 酸解—凱氏半微量定氮法；酸解氨態(tài)氮測定采用MgO 蒸餾法；酸解氨態(tài)氮與氨基糖態(tài)氮測定采用磷酸鹽-硼酸鹽緩沖液蒸餾法；酸解氨基酸態(tài)氮測定采用茚三酮氧化、磷酸鹽-硼酸鹽緩沖液蒸餾法；酸解未知態(tài)氮、非酸解氮和酸解氨基糖態(tài)氮則采用差減法求得。全氮、堿解氮分別采用CuSO4-K2SO4-Se（100∶1∶1）消化、半微量凱氏定氮法和堿解擴散法測定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)分析與制圖

數(shù)據(jù)運用Excel 2010 和SPSS 19.0 進行計算和統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和鄧肯（Duncan）法分析不同退化程度濕地土壤氮素間的差異顯著性，應用皮爾遜（Pearson）相關系數(shù)分析全氮、堿解氮與有機氮組分間的相關性，多元逐步回歸分析進一步闡明有機氮組分對堿解氮的貢獻。統(tǒng)計檢驗的顯著水平為P = 0.05。利用Origin 9.0 軟件繪圖。

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2 結 果

2.1 濕地退化條件下土壤全氮與堿解氮含量及其垂直變化

如圖1所示，RPM 土壤TN 含量最高可達13.6 g·kg-1。與RPM 相比，LDM、MDM、HDM 土壤TN 含量分別降低7.2%～22.3%、33.4%～77.8%、69.4%～93.7%，且RPM、LDM 土壤TN 含量與MDM、HDM 的差異顯著（P＜0.05）。表明沼澤退化導致土壤TN 含量降低，且降低幅度隨著退化程度的加劇而增加。

隨著土層深度的增加，LDM 土壤TN 含量先降低后增加再降低，但各土層間無顯著差異。RPM、MDM 和HDM 土壤TN 含量均隨著土層的加深而顯 著降低。其中，RPM 土壤TN 含量各土層間無顯著差異（P＞0.01）；MDM 中土壤TN 含量在0～10 cm與20～100 cm 土層間、10～20 cm 與40～100 cm土層間的差異顯著（P＜0.01）；HDM 中土壤TN 含量在0～10 cm 與30～100 cm 土層間、10～30 cm與40～100 cm 土層間、30～40 cm 與60～100 cm土層間顯著差異（P＜0.01）。說明土壤TN 含量的剖面分異隨沼澤退化的加劇而增大。

1 m 深度內(nèi)，RPM、LDM 各土層堿解氮（AN）含量分別為 0.363 ～0.622 g·kg-1、 0.343 ～0.814 g·kg-1。AN 含量在RPM 與LDM 間、MDM 與HDM 間無顯著差異（P＞0.05）（圖1）。然而，RPM、LDM 各土層土壤AN 含量顯著高于MDM、HDM（P＜0.05）（圖1）。MDM 和HDM 土壤AN 含量分別較RPM 降低36.8%～80.2%、57.6%～82.2%，分別較LDM 降低51.7%～82.3%、65.2%～81.1%。說明沼澤發(fā)生中度、重度退化時，土壤AN 含量顯著降低。

圖1 濕地退化條件下土壤全氮和堿解氮含量 Fig.1 Soil total nitrogen and alkalytic nitrogen in wetland under degradation

各類濕地土壤AN 含量均隨著土層深度的增加而降低。RPM、LDM 土壤AN 含量在土層間無顯著差異（P＞0.01）；MDM 中土壤AN 含量在0～10 cm與10～100 cm 土層間、10～20 cm 與40～100 cm土層間的差異顯著（P＜0.01）；HDM 土壤中AN 含量在0～10 cm 與30～100 cm 間、0～30 cm 與80～100 cm 間的差異顯著（P＜0.01）。表明隨著沼澤退化的加劇，土壤AN 含量的剖面分異加劇。

2.2 濕地退化條件下土壤有機氮組分變化

2.2.1 土壤酸解態(tài)氮和非酸解態(tài)氮含量變化 如圖2所示，0～40 cm 深度內(nèi)，各類濕地土壤酸解氮、非酸解氮含量隨土層深度的增加而降低。4類濕地土壤酸解氮含量均大于非酸解氮，且各土層土壤酸解氮與非酸解氮含量均按RPM、LDM、MDM、HDM 的順序降低，其中，RPM 酸解氮與非酸解氮含量分別可達9.8、3.3 g·kg-1。MDM、HDM 的土壤酸解氮含量相較于 RPM 分別降低38.9%～60.9%、72.3%～78.8 % （P＜0.05）。0～20 cm 土層，HDM 土壤非酸解氮含量較RPM 降低66.1%（P＜0.05），20～40 cm 土層，MDM 和HDM土壤非酸解氮含量分別較RPM 降低58.5%、66.7%（P＜0.05），表明沼澤退化顯著降低了土壤酸解氮和非酸解氮含量，且降低幅度隨沼澤退化程度的加劇而增大。

圖2 濕地退化條件下土壤酸解態(tài)氮和非酸解態(tài)氮含量 Fig.2 Soil acidolytic N and non-acidolytic N content in wetland under degradation

2.2.2 土壤酸解氮組分含量變化 如圖3所示，隨土層深度的增加，4 類濕地土壤酸解氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、未知態(tài)氮含量均降低，除MDM 外的其余3 類濕地土壤的氨基糖態(tài)氮含量卻增加。沼澤退化顯著降低了土壤除氨基糖態(tài)氮外的其余酸解氮組分含量，且降低幅度隨退化程度的加劇而增加。其中，0～20 cm 土層HDM 土壤酸解氨態(tài)氮含量相較于RPM（2.4 g·kg-1）降低66.3%（P＜0.05）；20～40 cm 土層，MDM 和HDM 土壤酸解氨態(tài)氮含量分別較RPM（1.9 g·kg-1）降低47.4%、70.8%（P＜0.05）。MDM 和HDM 土壤氨基酸態(tài)氮含量相較于 RPM（2.9～4.0 g·kg-1）分別降低47.2%～68.6%、85.7%～86.7%（P＜0.05）。HDM 未知態(tài)氮較RPM（3.0～3.3 g·kg-1）降低62.2%～78.4%（P＜0.05）。4 類濕地土壤氨基糖態(tài)氮含量的顯著差異主要體現(xiàn)在 20～40 cm 土層，其中MDM、HDM 土層土壤氨基糖態(tài)氮含量分別較LDM（0.20 g·kg-1）降低56.1%、49.4%（P＜0.05）。

2.2.3 土壤各有機氮組分占全氮的比例 由圖4可見，土壤氨基酸態(tài)氮或未知態(tài)氮的占比最高，分別約為25.5%～30.8%、26.7%～38.1%；酸解氮中氨基糖態(tài)氮占全氮的比例最低，僅為0.9%～5.8%。

濕地發(fā)生輕度退化時，酸解氮占全氮的比例約為84.9%，增加了8.6%；而濕地中度或重度退化后，酸解氮占全氮比例卻分別降低了7.1%、10.5%。與RPM 相比，HDM 土壤氨基糖態(tài)氮與酸解氨態(tài)氮占全氮的比例分別上升了3.1%、5.5%，而氨基酸態(tài)氮的比例下降了14.9%（圖4）。

圖4 濕地退化條件下土壤有機氮各組分占全氮的比例 Fig.4 Proportions of organic nitrogen fractions to TN in wetland under degradation

2.3 濕地退化條件下有機氮組分與堿解氮的相關性

除氨基糖態(tài)氮外，盡管4 類濕地土壤全氮、堿解氮與有機氮各組分基本呈極顯著正相關關系（P＜0.01）（表2），但逐步線性回歸分析顯示，各類濕地土壤中均僅有一個氮組分進入堿解氮與氮組分的回歸擬合方程（表3）。RPM 土壤中堿解氮含量的主要影響因子是酸解氨態(tài)氮，LDM 與MDM 土壤中的主要影響因子是氨基酸態(tài)氮，HDM 中為未知態(tài)氮。

表2 濕地退化條件下土壤有機氮組分與全氮、堿解氮的相關系數(shù) Table2 Correlation coefficients of soil organic nitrogen fractions，with total nitrogen and alkalytic nitrogen in wetland under degradation

3 討 論

3.1 濕地退化對土壤氮素積累的影響

土壤氮素主要來源于凋落物與根系，水分及溫度狀況、植物群落影響著土壤氮素積累[21]。RPM 土壤TN 含量最高，由于相對原生沼澤常年積水（表1），土壤通氣性極差，微生物活性低，有機質(zhì)分解緩慢，有利于有機氮的積累[21]，全氮積累量可高達13.6 g·kg-1。RPM 向LDM 演變后，土壤處于季節(jié)性積水狀態(tài)，季節(jié)性疏干時有機質(zhì)在好氧微生物的作用下分解[22]，致使TN 含量有所降低，但與RPM 無顯著差異。當RPM 水分持續(xù)減少，退化為MDM 后，一方面土壤通氣條件得到顯著改善，有機氮的礦化增強[23]，另一方面放牧強度增大，植物在生長初期就被牛羊消耗，使得地上植被覆蓋度隨之降低（表1），枯落物歸還量大大減少，結果導致土壤TN 含量相 比RPM 降低56%（P＜0.05）。 MDM 長期超載放牧，加之鼠害頻發(fā)，植被種類與數(shù)量、蓋度大大降低，地下根系生物量與枯落物歸還量也因此大大減少（表1），至此，RPM 退化為HDM，土壤TN 含量較RPM 降低82%（P＜0.05）。因此，4 類不同退化程度濕地，由于水文狀況、植被群落特征、枯落物歸還量、地下根系、放牧等人為干擾的差異導致土壤TN 含量表現(xiàn)為：RPM＞LDM＞MDM＞HDM，與Li 等[24]的研究結果相似。

正是由于上述植被與水文、放牧等影響，高寒沼澤濕地向草甸-退化草甸演替時，土壤堿解氮含量逐漸降低，但向沼澤化草甸轉變時，土壤堿解氮含量卻增加。究其原因，與微生物數(shù)量與活性有關，因為有機氮化合物只有在微生物作用下才能轉變成堿解氮類，如酰胺、蛋白質(zhì)等小分子有機氮和無機態(tài)氮[23]。相較于沼澤而言，沼澤化草甸處于干濕交替頻繁的條件下，好氣和兼性厭氣性細菌和放線菌大量繁殖[25]，地下生物量增大（表1），根系分泌物更多，有機氮分解量增大。所以LDM 土壤堿解氮含量高于RPM。

3.2 濕地退化對土壤有機氮組分的影響

土壤有機氮組分含量及其在全氮中的分配比例常因環(huán)境條件的變化而有所差異[5]。本研究中，除氨基糖態(tài)氮外，其余各有機氮組分含量均隨著濕地退化加劇而逐漸降低（圖3），與余倩等[26]關于高寒草地沙化條件下土壤有機氮組分含量變化特征相似。究其原因與沼澤逆向演替條件下土壤全氮含量的變化一致。然而，氨基糖態(tài)氮含量隨著濕地的退化先升高后降低，在LDM 處最高，這是因為氨基糖態(tài)氮主要來源于微生物細胞壁物質(zhì)[26]，處于干濕交替環(huán)境的沼澤化草甸土壤微生物得以大量繁殖；而當沼澤演變?yōu)椴莸椤⑼嘶莸楹笪⑸飻?shù)量降低[27]。

研究表明，酸解氨態(tài)氮主要來源于土壤中的交換性銨和固定態(tài)銨，是植物吸收利用的有效氮庫[5]。本研究中，土壤氨態(tài)氮占全氮的比例隨著濕地退化呈現(xiàn)升高的趨勢。這可能是由于濕地逆向演變成草甸、退化草甸后，有機氮分解速率加快，而大部分固定態(tài)銨被固定于礦物晶格之間，釋放緩慢，造成了氨態(tài)氮相對比例增加。氨基酸態(tài)氮作為一個過渡氮庫，協(xié)調(diào)土壤氮素儲存和植物吸收有效氮之間的關系[28]。濕地退化過程中，有機氮庫中的氨態(tài)氮一部分以固定態(tài)銨的形式存在，導致可礦化氮不足以滿足植物生長，依賴更多的氨基酸態(tài)氮分解，來滿足植物的氮素需求。因此，氨基酸態(tài)氮占全氮的比例隨著濕地的退化而降低。這與王晉等[7]研究不同種植年限水稻土氨基酸態(tài)氮比例的變化趨勢相似。氨基糖態(tài)氮占全氮的比例隨著濕地的退化而增加，這可能與濕地退化后土壤微生物群落的改變有關。未知態(tài)氮和非酸解氮占全氮比例無明顯變化趨勢，是因為未知態(tài)氮由脂肪胺和芳胺等生物有效性低的含氮物質(zhì)組成[1]，非酸解氮主要存在于腐殖質(zhì)結構成分中[29]，在有機氮庫中較為穩(wěn)定、難礦化。

3.3 濕地退化條件下土壤有機氮組分對氮素有效性的貢獻

土壤中無機態(tài)及部分小分子有機態(tài)的有效氮（堿解氮）能夠較靈敏地反映土壤供氮水平[30]。本研究顯示，相對原始沼澤，土壤中酸解氨態(tài)氮是堿解氮的主要貢獻者。究其原因是由于淹水環(huán)境抑制了真菌、部分放線菌和一些硝化細菌的活性，使得土壤中累積了大量的 NH+4-N[31]。當沼澤演變?yōu)檎訚苫莸榛虿莸楹?，土壤中氨基酸態(tài)氮對堿解氮貢獻最大，與Bardgett 等[32]對棕壤型草地土壤的研究結果相似，可能是由于相較于沼澤土壤而言，沼澤化草甸通氣條件有所改善，草甸土壤通氣性大大改善，氨態(tài)氮中活性的交換性銨含量下降[33]，致使氨基酸態(tài)氮分解加快來滿足植物生長。草甸繼續(xù)退化后，甚至沙趨化或沙化后，未知態(tài)氮變?yōu)橛行У闹饕绊懸蛩?，這是由于沼澤發(fā)生嚴重退化時，人為干擾劇烈，易于礦化的氨態(tài)氮及氨基酸態(tài)氮含量大大降低，促使未知態(tài)氮向堿解氮轉化。

4 結 論

不同退化程度沼澤土壤全氮（TN）與除氨基糖態(tài)氮外的各有機氮組分含量均隨濕地退化的加劇而降低，堿解氮（AN）含量與氨基糖態(tài)氮卻隨著濕地的退化先升高后降低。濕地退化改變了有機氮組分占全氮的比例以及對氮素有效性的貢獻。隨著濕地退化程度的加劇，氨基糖態(tài)氮與氨態(tài)氮占全氮的比例上升，而氨基酸態(tài)氮的比例下降。RPM 土壤中堿解氮含量的主要影響因子是氨態(tài)氮，LDM 與MDM土壤中的是氨基酸態(tài)氮，HDM 中的為未知態(tài)氮。