貴州石漠化地區(qū)生物結皮對土壤氮礦化的影響

趙 鑫，陳 棟，郭冠廷，吳嬌嬌，張遠東，龍林梅，龍明忠，李曉娜

（1.貴州師范大學 喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；2.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州 貴陽 550001；3.興義民族師范學院 生物與化學學院，貴州 興義 562400；4.貴州民族大學 生態(tài)環(huán)境工程學院，貴州 貴陽 550025）

喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)氮儲量低下，氮流失現(xiàn)象普遍存在[1-2]，如何減少土壤氮在該生態(tài)系統(tǒng)中的流失，提高土壤氮的積累是目前亟待解決的重要問題。土壤氮礦化是土壤中氮循環(huán)的重要過程，它可以改變土壤中氮的組成，影響土壤中氮的累積和分布。因此，加強對喀斯特石漠化地區(qū)土壤氮礦化的研究可為該地區(qū)土壤氮流失問題提供解決思路和方法。

生物土壤結皮（以下簡稱生物結皮）是由土壤顆粒與不同比例的光自養(yǎng)生物（如藍藻、藻類、地衣、苔蘚）和異養(yǎng)生物（如細菌、真菌、古生菌）之間緊密結合而形成的，這些生物生活在土壤中或直接生活在土壤的最上層，土壤顆粒在這些耐受極端干旱生境能力強的生物群的作用下黏結在一起，形成連續(xù)的硬層覆蓋在地面上[3]。生物結皮在改善土壤養(yǎng)分狀況、水土保持、土壤碳循環(huán)與氮循環(huán)、促進土壤微生物和植被演替以及提高生物多樣性等方面具有重要作用[4-9]。生物結皮在喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)中廣泛發(fā)育，顯著促進土壤氮積累，為植被的生長發(fā)育提供了良好的先決條件[10-15]，在喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)過程中起著不可忽視的作用[7]。國內外對生物結皮氮礦化開展了一些研究，揭示了溫度和水分是影響生物結皮土壤氮礦化的重要因素[16-20]，生物結皮對氮礦化的影響存在季節(jié)動態(tài)變化[21-25]。然而，這些研究主要集中于干旱和半干旱荒漠地區(qū)，目前對于喀斯特石漠化地區(qū)生物結皮氮礦化的研究尚未見報道。中國南方喀斯特地區(qū)主要包括湖北、湖南、廣東、廣西、重慶、四川、貴州和云南，雖然也有干旱、高溫、土壤貧瘠等環(huán)境特征，但其與干旱、半干旱荒漠區(qū)仍有本質區(qū)別：受亞熱帶濕潤氣候影響，該區(qū)年降雨量大多在1 000 mm 以上，雨量充沛，實為工程性干旱；該區(qū)雖水土流失嚴重，土層薄而貧瘠，但土壤的水熱條件較荒漠地區(qū)卻有利得多。

因此，在貴州省關嶺-貞豐花江石漠化綜合治理示范區(qū)使用原狀土柱封頂埋管培養(yǎng)法監(jiān)測不同季節(jié)土壤無機氮庫含量以及土壤氮礦化速率，探討不同類型生物結皮覆被對土壤氮礦化的影響，旨在揭示生物結皮在喀斯特石漠化地區(qū)氮循環(huán)中的作用。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

關嶺-貞豐花江石漠化綜合治理示范區(qū)位于貴州省關嶺縣以南、貞豐縣以北的花江北盤江大峽谷兩岸（25°37′40″～25°42′30″N、105°35′00″～105°43′20″E），是典型的喀斯特高原峽谷石漠化區(qū)，海拔500～1 200 m，相對高差700 m，總面積47.91 km2。年平均氣溫18.4 ℃，最低溫6.6 ℃，最高溫32.4 ℃，多年平均降水量約1 100 mm，5—10 月降雨量占全年的83%。土壤類型以石灰?guī)r、泥灰?guī)r為成土母質的石灰土為主[26]。由于亞熱帶干熱河谷氣候及人類活動破壞，大部分地區(qū)因長期而強烈的水土流失而導致基巖裸露，石漠化十分嚴重，占示范區(qū)總面積的73.10%。其中，潛在石漠化18.41%、輕度石漠化29.22%、中度石漠化12.40%、強度石漠化12.85%。

研究區(qū)森林覆蓋率很低，原生林為亞熱帶常綠落葉針闊混交林，但在人類活動的影響下，遭到破壞，目前主要為次生林。喬木主要有青岡（Cyclobalanopsis glauca）、圓柏（Sabina chinensis）、光皮樺（Betula luminifera）等，灌木主要有插田泡（Rubus coreanus）、金銀花（Lonicera japonica）、清香木（Pistacia weinmanniifolia）等，人工林主要有花椒（Zanthoxylum bungeanum） 、枇 杷（Eriobotryajaponica）、火龍果（Hylocereus undatus）、柑橘（Citrus reticulata）、核桃（Juglans regia）。生物結皮主要發(fā)育在經(jīng)濟林下，少量存在于耕地周圍裸地上，顏色多為綠色、黑綠色，少量為黑色。苔蘚結皮優(yōu)勢種主要有毛口蘚（Trichostomum brachydontium）、纖枝短月蘚（Brachymenium exile）等；藻-蘚混生結皮（以下簡稱混生結皮）優(yōu)勢種主要為毛口蘚（Trichostomum brachydontium）、念 珠 藻（Nostoc commune）和鞘絲藻（Lyngbyasp.）等。

1.2 樣地設置及樣品采集

于2020 年10 月在研究區(qū)選擇3 個人類活動干擾較輕且具有典型性和代表性的花椒林地作為樣地（20 m×20 m，樣地信息見表1），各樣地中均發(fā)育有苔蘚結皮和混生結皮（圖1a）。對各樣地中的裸地（無結皮）、混生結皮和苔蘚結皮分別設置3 個大小為3 m×3 m 的樣方作為3 個重復，并采用原狀土柱封頂埋管法（圖1b）測定這3 種類型土壤在不同季節(jié)的無機氮庫含量和氮礦化速率。上述操作可以保持土壤原狀，避免土壤受到外界環(huán)境的影響，從而更準確地測量土壤氮礦化速率。在埋管之前，采集各樣地中不同類型生物結皮0～3 cm 土壤，用于土壤質地、含水量和pH 值等土壤理化性質的測定（表2）。

圖1 貴州石漠化地區(qū)生物結皮類型（a）及原位埋管試驗（b）Fig.1 Biocrust types（a）and in-situ tube embedding experiment（b）in the rocky desertification areas of Guizhou

表2 貴州石漠化地區(qū)3種類型土壤理化性質Tab.2 Soil physicochemical properties of three kinds of soil in the rocky desertification areas of Guizhou

分別于2020 年10—11 月（秋季）、2021 年1—2月（冬季）、2021 年4—5 月（春季）、2021 年7—8 月（夏季）4 個時段且在天氣晴朗時對各樣地實行采樣，每次采樣均在1 d 內完成。去除各樣地中的地表凋落物后，在盡可能保證土壤結構完整的情況下，分別在3 種類型土壤的樣方內小心埋入2 個半徑2.5 cm、長6 cm 的PVC 管，露出地面3 cm，并使用聚乙烯膜覆蓋，然后用橡皮筋在距離管口2 cm 處進行束扎；在各樣方中僅取出其中一個原狀土柱，使用尺寸合適的鋁蓋將兩端蓋住并編號（管內土壤深度為0～3 cm），將采集的PVC 管置于存放有多個冰袋的泡沫保溫箱中，并在采樣當天迅速運回實驗室，測定各樣地所采原狀土的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，作為初始值；另一個原狀土柱在培養(yǎng)1個月后取出，使用同樣的方法采集并測定銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量，作為培養(yǎng)后的值，并在采集完后測量土壤3 cm處的溫濕度。然后重新埋入2 個新PVC 管，使用同樣的方法進行采集和培養(yǎng)。以此類推，共埋入4次。

1.3 指標測定

分別使用次氯酸鹽-苯酚浸提靛酚藍比色法和水楊酸比色法測定銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量[27]；土壤 質地分為黏 粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）和砂粒（0.05～2 mm）3 個等級，使用激光粒度分析儀（Mastersize 2000，Malvern 儀器有限公司，UK）進行測定；土壤含水量采用烘干法測定；土壤pH 值使用pH 計測定，水土比為2.5∶1；土壤溫度和濕度使用土壤溫濕度計（TR-6，北京順科達科技有限公司）測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

按以下公式進行氮礦化速率[23]的計算：

土壤凈氨化速率=（培養(yǎng)后銨態(tài)氮含量-培養(yǎng)前銨態(tài)氮含量）/30 d （1）

土壤凈硝化速率=（培養(yǎng)后硝態(tài)氮含量-培養(yǎng)前硝態(tài)氮含量）/30 d （2）

土壤凈氮礦化速率=（培養(yǎng)后無機氮含量-培養(yǎng)前無機氮含量）/30 d （3）

采用Excel 2021 進行數(shù)據(jù)整理，運用IBM SPSS Statistics 27 進行數(shù)據(jù)分析，并使用Origin 2022 作圖。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和LSD（Least significant difference）進行方差分析與多重比較，檢驗不同結皮類型和裸地間土壤無機氮含量和氮礦化速率的差異性，采用Pearson相關系數(shù)分析土壤溫度和濕度與土壤無機氮庫和土壤氮礦化速率間的相關關系。

2 結果與分析

2.1 貴州石漠化地區(qū)生物結皮對土壤無機氮庫的影響

為了探究生物結皮對土壤無機氮庫的影響，分別測量了裸地、混生結皮和苔蘚結皮在春、夏、秋、冬四季的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和無機氮含量（圖2）。

圖2 貴州石漠化地區(qū)3種類型土壤無機氮庫的季節(jié)動態(tài)變化Fig.2 Seasonal dynamic changes of soil inorganic nitrogen pool in three soils in the rocky desertification areas of Guizhou

如圖2a 所示，3 種類型土壤的銨態(tài)氮含量均表現(xiàn)為夏季＞春季＞秋季＞冬季。苔蘚結皮的銨態(tài)氮含量在秋、春和夏季均顯著高于其他2種類型土壤，分別為混生結皮的1.64、1.69、1.94 倍，分別為裸地的3.36、3.43、4.83 倍。混生結皮則在秋、春兩季顯著高于裸地，分別為裸地的2.05、2.02倍。裸地夏季的銨態(tài)氮含量顯著高于冬季，苔蘚結皮和混生結皮夏季則顯著高于其他季節(jié)。

如圖2b 所示，苔蘚結皮和混生結皮的硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為夏季最高。苔蘚結皮春、夏季的硝態(tài)氮含量顯著高于秋季，其他2 種土壤類型在四季均沒有顯著差異。除秋季外，其他季節(jié)硝態(tài)氮含量都是苔蘚結皮最高、裸地最低。苔蘚結皮的硝態(tài)氮含量在冬、春和夏季分別為裸地的3.57、4.04、4.81 倍，并顯著高于裸地，且苔蘚結皮夏季的硝態(tài)氮含量顯著高于混生結皮?；焐Y皮的硝態(tài)氮含量則在冬夏兩季顯著高于裸地，分別為裸地的3.17、2.79 倍。

無機氮含量在不同類型土壤同一季節(jié)中及同一類型土壤不同季節(jié)中的變化規(guī)律與硝態(tài)氮含量變化趨勢相似（圖2c）。

2.2 貴州石漠化地區(qū)生物結皮對土壤氮礦化速率的影響

為了進一步探究生物結皮對土壤氮礦化的影響，分別測量了裸地、混生結皮和苔蘚結皮在春、夏、秋、冬四季的凈氨化速率、凈硝化速率以及凈氮礦化速率（圖3）。

圖3 貴州石漠化地區(qū)3種類型土壤氮礦化速率的季節(jié)動態(tài)變化Fig.3 Seasonal dynamic changes of soil nitrogen mineralization rate in three soils in the rocky desertification areas of Guizhou

如圖3a 所示，裸地的凈氨化速率表現(xiàn)為秋季＞夏季＞春季＞冬季，其他2 種類型土壤的凈氨化速率表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季，3種類型土壤的冬季凈氨化速率整體上均顯著低于其他季節(jié)。夏季苔蘚結皮的凈氨化速率顯著高于其他2 種土壤類型，分別為混生結皮和裸地的1.90、6.08倍，其他季節(jié)則沒有顯著差異。

如圖3b所示，裸地和混生結皮的凈硝化速率表現(xiàn)為秋季＞夏季＞春季＞冬季；苔蘚結皮則為春季＞夏季＞秋季＞冬季，且苔蘚結皮的凈硝化速率在冬季顯著低于其他季節(jié)。苔蘚結皮夏季的凈硝化速率顯著高于其他2 種土壤類型，分別為裸地和混生結皮的3.18、2.05 倍；春季顯著高于裸地，為裸地的4.09倍；其他季節(jié)3種類型土壤沒有顯著差異。

如圖3c所示，裸地和混生結皮的凈氮礦化速率表現(xiàn)為秋季＞夏季＞春季＞冬季；苔蘚結皮為夏季＞春季＞秋季＞冬季，且苔蘚結皮的凈氮礦化速率在夏季顯著高于冬季。苔蘚結皮的凈氮礦化速率在春季和夏季顯著高于其他2 種土壤類型，春季分別為裸地和混生結皮的3.73、2.25倍，夏季分別為裸地和混生結皮的3.64、2.01倍。此外，苔蘚結皮四季的總凈氮礦化速率比混生結皮和裸地分別增加了1.17、2.49倍。

2.3 貴州石漠化地區(qū)土壤溫度和濕度對土壤無機氮庫和氮礦化速率的影響

2.3.1 貴州石漠化地區(qū)生物結皮對土壤溫度和濕度的影響 如圖4a 所示，苔蘚結皮、混生結皮和裸地的土壤溫度均表現(xiàn)為冬季最低（分別為14.97、14.89、15.13 ℃），夏季最高（分別為30.17、29.49、28.95 ℃）。土壤濕度在四季均表現(xiàn)為苔蘚結皮＞混生結皮＞裸地（圖4b）。苔蘚結皮、混生結皮和裸地的土壤濕度均為冬季最低（分別為28.48%、22.16%、17.80%）、秋季最高（分別為40.98%、34.52%、21.27%）。

圖4 貴州石漠化地區(qū)3種類型土壤溫濕度的季節(jié)動態(tài)變化Fig.4 Seasonal dynamic changes of soil temperature and moisture in three soils in the rocky desertification areas of Guizhou

2.3.2 貴州石漠化地區(qū)土壤溫濕度與土壤無機氮庫及氮礦化速率間的關系 土壤溫濕度與土壤無機氮含量及氮礦化速率在各季節(jié)均存在顯著相關性（圖5）。土壤溫度與土壤無機氮庫、氮礦化速率的關系以正相關為主，并表現(xiàn)為在秋季和冬季時影響更明顯。其中，秋季土壤溫度與凈氮礦化速率、凈硝化速率和硝態(tài)氮含量呈顯著正相關關系，冬季則與銨態(tài)氮含量和凈氨化速率呈顯著和極顯著正相關關系，與凈氮礦化速率呈顯著負相關關系。土壤濕度與土壤無機氮庫、氮礦化速率的關系以負相關為主，并表現(xiàn)為在春季和夏季時影響更明顯。其中，春季與除凈氨化速率以外的其他指標均呈顯著或極顯著負相關關系，冬季則與所有指標均呈極顯著負相關關系。

圖5 貴州石漠化地區(qū)土壤溫濕度與土壤無機氮庫及氮礦化速率的相關性Fig.5 Correlation of soil temperature and moisture with soil inorganic nitrogen pool and nitrogen mineralization rate in the rocky desertification areas of Guizhou

3 結論與討論

3.1 貴州石漠化地區(qū)土壤無機氮庫和凈氮礦化速率的季節(jié)動態(tài)

本研究結果表明，苔蘚結皮與混生結皮的3 種氮含量均表現(xiàn)為夏季最高；而3 種類型土壤的凈氨化速率、凈硝化速率和凈氮礦化速率均為冬季最低。相關性分析結果表明，土壤溫濕度與土壤氮礦化存在顯著相關關系，是影響氮礦化的關鍵環(huán)境因素。這與較多學者的研究結果[20，28-31]相似?；ńC合治理示范區(qū)作為典型的干熱河谷，夏季最高氣溫可達32.4 ℃，導致土壤溫度較高。土壤溫度升高可給予土壤微生物良好的生長環(huán)境，提高微生物豐富度，同時提高微生物的代謝速度和活性，進而促進微生物分泌大量與氮轉化相關的酶[32]，可能促進了氮礦化速率和有效氮含量的增加；冬季土壤溫度和濕度都比較低，土壤濕度過低會降低微生物活性，可能使氮礦化受阻，降低土壤氮礦化速率[33]。

本研究中，苔蘚結皮土壤無機氮含量和凈氮礦化速率從春季到夏季呈上升趨勢，而秋季卻低于春夏兩季，這可能是秋季苔蘚結皮土壤濕度過高所致。多項研究表明，土壤氮礦化速率會隨著土壤濕度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢[17，19，29]?；ńC合治理示范區(qū)雨季為5—10 月，隨著降水量的增加，土壤濕度也升高，在秋季土壤濕度達到最高。土壤濕度過高會導致氧氣不足，降低微生物活性，從而減緩氮礦化速率。此外，3種土壤類型的凈氨化速率、凈硝化速率和凈氮礦化速率在冬季均很低甚至為負值（尤其是苔蘚結皮），冬季較低的溫度可能抑制了土壤氮礦化過程，這可能意味著貴州花江石漠化綜合治理示范區(qū)冬季的土壤氮循環(huán)以氮固定為主。

3.2 貴州石漠化地區(qū)生物結皮對土壤無機氮庫和氮礦化速率季節(jié)動態(tài)的影響

本研究結果表明，生物結皮在四季均提高了土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及無機氮的含量。主要原因可能是生物結皮中微生物豐富度及微生物分泌的有關氮轉化的酶（如與氨化作用有關的脲酶以及與硝化作用有關的硝酸還原酶）含量高于裸地。生物結皮對土壤養(yǎng)分的積累為微生物提供了良好的生存環(huán)境，增加了微生物生物量并刺激微生物產(chǎn)生了更多的酶[34-35]。土壤脲酶和硝酸還原酶的活性對土壤氮元素獲取具有重要意義，土壤中的有機氮在它們的作用下可以分解為無機氮，從而為植物所利用[36]。本團隊之前的研究[11-12]也證明了在花江石漠化綜合治理示范區(qū)，苔蘚結皮和混生結皮（藻-蘚混生結皮）中的微生物豐富度均顯著高于裸地，且苔蘚結皮中的脲酶和硝酸還原酶含量也均顯著高于裸地。此外，本研究結果與虎瑞等[23]在騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)關于蘚類結皮對土壤氮礦化季節(jié)動態(tài)作用的研究結果存在部分差異，其研究結果主要表現(xiàn)為蘚類結皮的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量春季高于裸地，而夏秋季節(jié)則相反。研究結果存在差異的原因可能是，與位于亞熱帶濕潤地區(qū)的花江石漠化綜合治理示范區(qū)不同，騰格里沙漠位于西北溫帶干旱地區(qū)，氣溫高、降水稀少，夏秋兩季是蘚類結皮的生長季，相對于春季存活難度更大，對養(yǎng)分需求較高，與土壤微生物間對無機氮產(chǎn)生競爭作用，從而吸收了礦化氮的一部分，裸地則由于缺乏對礦化氮的利用而沉積下來[23-24]。

秋季混生結皮土壤硝態(tài)氮和無機氮含量均高于苔蘚結皮，這與銨態(tài)氮趨勢相反。其原因可能是秋季苔蘚結皮土壤濕度高于混生結皮。有研究表明，在相同溫度下，土壤凈硝化速率隨著土壤水分含量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢[29]，水分過高不利于土壤氮礦化[37]。

本研究結果表明，苔蘚結皮的凈氨化速率、凈硝化速率和凈氮礦化速率在夏季均顯著高于冬季，且苔蘚結皮的上述3 個指標在夏季均顯著高于裸地。首先，可能是花江石漠化綜合治理示范區(qū)夏季溫度遠高于冬季，高溫促進了土壤凈氮礦化水平，增加了土壤氮有效性[23]；其次，可能是苔蘚結皮對土壤養(yǎng)分的積累促進了微生物活性增加，從而增強了氮礦化作用[38]。徐軍山等[20]的研究表明，苔蘚結皮凈氮轉化速率、酶活性、微生物生物量碳氮和氮轉化功能基因豐度均顯著高于無結皮土壤。本團隊之前的研究[11，39]也表明，在花江石漠化綜合治理示范區(qū)，苔蘚結皮銨態(tài)氮和全氮含量以及土壤細菌豐富度均顯著高于裸地。

本研究中，苔蘚結皮四季的總凈氮礦化速率相比于混生結皮和裸地分別增加了1.17、2.49 倍。國內外也有研究發(fā)現(xiàn)，荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，生物結皮的土壤氮礦化速率顯著高于無結皮土壤（為無結皮土壤的2～3 倍）[16，20]，這與本研究結果相似。然而，與本研究結果略有差異的是，不同類型草原生態(tài)系統(tǒng)中，放牧僅輕微增加了土壤凈氮礦化速率（提高0.68%）[40]；森林生態(tài)系統(tǒng)中，不同森林群落也僅使土壤凈氮礦化速率提高0.25～1.30 倍[41]。這表明在退化生態(tài)系統(tǒng)中，生物結皮能夠在微環(huán)境尺度內對土壤氮礦化過程具有顯著促進作用。

綜上，3 種不同類型土壤無機氮庫與氮礦化速率的季節(jié)動態(tài)特征明顯，生物結皮尤其是苔蘚結皮顯著提升了花江石漠化綜合治理示范區(qū)土壤無機氮庫和氮礦化速率；土壤溫濕度顯著影響了土壤氮礦化，土壤溫度與濕度分別是秋冬季與春夏季土壤氮礦化的主要影響因素。因此，喀斯特石漠化地區(qū)生物結皮的形成和發(fā)育可有效促進氮礦化過程，是影響該區(qū)域氮循環(huán)的重要生物因素之一。