中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤氮礦化速率和硝化速率及影響因素
——基于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

劉君政,王 鵬,*,肖漢玉,趙 君,舒 旺

1 江西師范大學(xué)鄱陽(yáng)湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330022 2 江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院, 南昌 330022

氮(N)的供應(yīng)能力是陸地生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力的限制性因素[1]。早期關(guān)于土壤氮循環(huán)的研究常采用凈礦化速率和凈硝化速率作為可被植物吸收利用的氮通量指標(biāo),但凈礦化速率并不能反映土壤氮的實(shí)際轉(zhuǎn)化速率[2]。15N同位素稀釋技術(shù)是目前量化土壤氮總礦化速率(Nmin)和總硝化速率(Nnit)的惟一有效方法[3- 5],已被廣泛應(yīng)用于計(jì)算土壤氮總轉(zhuǎn)化速率[6- 10],以及分析土壤含水量[11]、土壤有機(jī)質(zhì)[12]、土壤C/N[13]、植物根系[14]等對(duì)土壤氮總轉(zhuǎn)化速率的影響。

土壤氮總轉(zhuǎn)化速率受多種因素的影響。研究表明,不同生態(tài)系統(tǒng)土壤Nmin和Nnit存在明顯差異[3, 15- 17],可能受pH[8]、土壤C/N[3, 13]、TN[5-6, 10]、TC[18]以及不同植被類(lèi)型[19]的影響。土壤理化指標(biāo)值即使發(fā)生小的偏差也可能導(dǎo)致Nmin和Nnit在大尺度中發(fā)生明顯變化[3, 5]。這些土壤理化指標(biāo)存在空間異質(zhì)性,土壤Nmin和Nnit可能隨地理位置的不同而發(fā)生變化。因此,在大規(guī)模尺度上研究土壤Nmin和Nnit的空間格局及其影響因素,對(duì)于評(píng)估土壤氮的有效供應(yīng)和人類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)管理具有重要意義。

目前我國(guó)關(guān)于土壤氮總轉(zhuǎn)化速率的工作已經(jīng)開(kāi)展了許多,主要集中于單獨(dú)一個(gè)或多個(gè)小區(qū)域進(jìn)行,但在幾個(gè)較小地點(diǎn)觀察到的現(xiàn)象或潛在機(jī)制是否適用于大規(guī)模生態(tài)系統(tǒng)尚不清楚。Wang等[5]利用15N同位素稀釋法并與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)合,分析了中國(guó)溫帶草原土壤Nmin分布特征及控制因素；但在全國(guó)范圍內(nèi)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤氮礦化速率和硝化速率及影響因素尚不清楚。本次研究基于文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),分析中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤Nmin和Nnit的空間格局及影響因素。主要研究目的：(1)比較中國(guó)不同生態(tài)系統(tǒng)土壤Nmin和Nnit是否存在明顯差異；(2)確定中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)Nmin和Nnit的影響因素。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

收集的數(shù)據(jù)按“植被類(lèi)型”和“地區(qū)”分為兩個(gè)層次(表1)。根據(jù)“植被類(lèi)型”分為林地(林地、灌木)、草地(牧草、濕地草本和高山草甸)和農(nóng)田(耕作土壤)(圖1)[3]。植被類(lèi)型“林地”包括雨林、闊葉林和針葉林；植被類(lèi)型“草地”包括多年生草本植物和一年生草本植物；植被類(lèi)型“農(nóng)田”包括施肥土壤和未施肥土壤。以“秦嶺—淮河”為界分為南方和北方(北方包括降水量小于800 mm青藏高原地區(qū))。

表1 樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量

圖1 中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤Nmin和Nnit已發(fā)表文獻(xiàn)采樣點(diǎn)空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of sampling sites from published articles focusing on soil Nmin and Nnit in terrestrial ecosystems in China中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心：http://www.resdc.cn/

對(duì)于收集土壤在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)數(shù)周或數(shù)月的研究,選取氮轉(zhuǎn)化速率的最大值[3]。在多數(shù)情況下,分析林地和草地生態(tài)系統(tǒng)土壤氮轉(zhuǎn)化速率僅使用未接受施肥數(shù)據(jù),然而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)或多或少接受氮肥的輸入,所以土壤施肥數(shù)據(jù)也用于分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤氮轉(zhuǎn)化速率。某些文獻(xiàn)本身研究了不同生態(tài)系統(tǒng)土壤Nmin、Nnit,將該類(lèi)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)拆分為不同生態(tài)系統(tǒng)樣本數(shù)據(jù)。用于收集數(shù)據(jù)的每項(xiàng)研究都包括Nmin或Nnit,但并非包括所有土壤理化指標(biāo)。

1.2 數(shù)據(jù)分析

在統(tǒng)計(jì)分析之前,除pH之外的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)og10轉(zhuǎn)換消除異方差性。采用離群值刪除,從分析中排除99%置信區(qū)間之外的點(diǎn)。采用t檢驗(yàn)比較中國(guó)南北方地區(qū)土壤理化指標(biāo)和氮總轉(zhuǎn)化速率；采用單因素方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)林地、草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤理化指標(biāo)和土壤氮總轉(zhuǎn)化速率差異；采用相關(guān)分析和逐步回歸分析確定土壤理化指標(biāo)與氮總轉(zhuǎn)化速率之間的關(guān)系,在一元回歸分析中擬合顯著的土壤理化指標(biāo)列為多元回歸參數(shù)。所有統(tǒng)計(jì)分析中顯著性水平P<0.05視為差異顯著。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 20.0,圖形制作使用Origin 2016軟件。

2 結(jié)果

2.1 中國(guó)南北方土壤氮總轉(zhuǎn)化速率差異

表2 中國(guó)南北方土壤理化指標(biāo)、總礦化速率(Nmin)和總硝化速率(Nnit)差異

2.2 中國(guó)林地、草地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤氮總轉(zhuǎn)化速率差異

Nmin和Nnit在林地、草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)間差異顯著(表3)。Nmin在草地生態(tài)系統(tǒng)土壤中最高,顯著高于林地(P=0.002)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(P=0.005)；Nnit在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤中最高,顯著大于林地生態(tài)系統(tǒng)(P<0.001),與草地生態(tài)系統(tǒng)差異不顯著(P>0.05)。

表3 中國(guó)不同生態(tài)系統(tǒng)土壤理化指標(biāo)、總礦化速率(Nmin)和總硝化速率(Nnit)差異

2.3 全國(guó)、南北方地區(qū)及不同生態(tài)系統(tǒng)土壤氮總轉(zhuǎn)化速率影響因素

圖2 全國(guó)與南北方地區(qū)土壤Nmin與土壤理化指標(biāo)關(guān)系Fig.2 Relationships between the Nmin and soil physical and chemical parameters in northern China, in southern China, and in China

圖3 全國(guó)與南北方地區(qū)土壤Nnit與土壤理化指標(biāo)關(guān)系Fig.3 Relationships between the Nnit and soil physical and chemical parameters in northern China, in southern China, and in China

圖4 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤Nmin與土壤理化指標(biāo)關(guān)系Fig.4 Relationships between the Nmin and soil physical and chemical indexes in different ecosystems

圖5 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤Nnit與土壤理化指標(biāo)關(guān)系Fig.5 Relationships between the Nnit and soil physical and chemical parameters in different ecosystems

表4 不同分類(lèi)水平土壤Nmin和Nnit逐步回歸方程

3 討論

本次研究發(fā)現(xiàn)Nmin在草地生態(tài)系統(tǒng)顯著高于林地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),在林地生態(tài)系統(tǒng)中最低(表3)。草地生態(tài)系統(tǒng)Nmin最佳擬合指標(biāo)是土壤C/N,林地生態(tài)系統(tǒng)Nmin最佳擬合指標(biāo)是TN(表4)。土壤C/N可以反映有機(jī)質(zhì)分解程度。有研究表明,與高碳氮比(C/N>25)基質(zhì)相比,低碳氮比(C/N<25)基質(zhì)氮礦化的速率更高[31]。較高的土壤C/N說(shuō)明土壤有較高的碳輸入,微生物生長(zhǎng)因受氮的限制處于缺氮狀態(tài),因此隨著土壤C/N的增加通常對(duì)Nmin產(chǎn)生負(fù)面影響。而草地生態(tài)系統(tǒng)土壤C/N(12.79)顯著小于林地生態(tài)系統(tǒng)(15.05)(表3),使草地生態(tài)系Nmin最佳擬合指標(biāo)為土壤C/N。高氮素轉(zhuǎn)化速率取決于土壤中高的微生物活性,而高的微生物活性歸因于土壤中較高的TN含量[32-33]。林地生態(tài)系統(tǒng)植被結(jié)構(gòu)復(fù)雜,土壤因枯枝落葉的大量輸入,并通過(guò)淋溶、分解等過(guò)程向礦質(zhì)層土壤提供有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分[33],導(dǎo)致TN平均含量升高[34],影響微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解[35],進(jìn)而影響土壤Nmin,說(shuō)明在較高微生物活性下反應(yīng)底物含量成為Nmin主要限制因素。然而,盡管林地生態(tài)系統(tǒng)TN均含量(3.57 g/kg)顯著高于草地生態(tài)系統(tǒng)(1.70 g/kg),但其N(xiāo)min仍然顯著低于草地(表3)。這可能是由于草地生態(tài)系統(tǒng)土壤低碳氮比和相關(guān)的微生物群落活動(dòng)在Nmin調(diào)控中起重要作用[36]。此外,近年來(lái),我國(guó)不少地區(qū)草地退化嚴(yán)重,植被覆蓋率較低,草地生態(tài)服務(wù)功能下降[37]。草地生態(tài)系統(tǒng)土壤Nmin異常的高,可能是因?yàn)椴莸赝寥澜Y(jié)構(gòu)被破壞,對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)物理保護(hù)能力降低[38],導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)原位分解較快。

土壤理化指標(biāo)被認(rèn)為是控制土壤Nmin和Nnit的重要因素[19, 45-46]。然而,在草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤Nmin和Nnit均與多數(shù)土壤理化指標(biāo)相關(guān)性不顯著(圖4,圖5)。Wang等[5]研究發(fā)現(xiàn),土壤理化指標(biāo)(SOC、pH)和氣候因子在調(diào)節(jié)中國(guó)溫帶草原土壤氮轉(zhuǎn)化中起重要作用。然而,Lang等[7]研究發(fā)現(xiàn),影響土壤Nmin和Nnit的因素主要有土壤理化指標(biāo)(pH、TC、TN、土壤C/N)和土地利用方式,在某些情況下,土壤中的Nmin和Nnit與土地利用方式無(wú)關(guān)[47]。Verchot等[48]在美國(guó)黃石國(guó)家公園研究發(fā)現(xiàn),Nnit與TC、TN、土壤C/N等土壤理化指標(biāo)都不存在顯著相關(guān)。上述研究相互矛盾的結(jié)果可能歸因于土地利用[39]、環(huán)境條件[49]、草種植物殘余物[3]、植物類(lèi)型[50]和微生物群落結(jié)構(gòu)[51]的差異。因此,需要進(jìn)一步研究草地生態(tài)系統(tǒng)土壤Nmin和Nnit的調(diào)控和潛在機(jī)制。

4 結(jié)論

本文通過(guò)收集基于室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)采用15N同位素稀釋技術(shù)研究氮總轉(zhuǎn)化速率的121篇文獻(xiàn)數(shù)據(jù),分析中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤Nmin和Nnit的空間格局及影響因素,得到以下結(jié)論：

(1)全國(guó)土壤Nmin和Nnit分別為6.03 mg N kg-1d-1和7.45 mg N kg-1d-1。北方土壤Nmin顯著高于南方土壤；Nnit高于南方土壤但差異性不顯著。

(2)不同生態(tài)系統(tǒng)土壤Nmin和Nnit的大小關(guān)系為：草地>農(nóng)田>林地；農(nóng)田>草地>林地。草地土壤Nmin與林地、農(nóng)田差異顯著,顯著高于林地(P=0.002)、農(nóng)田(P=0.005)；農(nóng)田土壤Nnit與林地差異顯著(P<0.001),與草地差異不顯著(P>0.05)。