不同退化程度對高寒草甸土壤無機氮及脲酶活性的影響

李亞娟，劉靜，徐長林，曹文俠

(1.甘肅農業大學草業學院,草業生態系統教育部重點實驗室,中美草地畜牧業可持續發展研究中心,甘肅省草業工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730000)

土壤氮素是限制植物生長的重要因子，氮的供應與草地生態系統的生產力和群落特征直接相關[1]。草地利用方式的變化一方面導致土壤氮素的分布差異[2]，另一方面改變氮素的轉化過程，影響土壤肥力和植物的吸收與利用[3-4]，因而造成土壤氮素特征的差異。土壤中氮的形態包括有機氮和無機氮，主要以有機氮為主，有機氮必須通過微生物的轉化形成無機氮，才能供植物體吸收和利用[5]，而土壤脲酶酶促反應產物的氨是植物氮源之一，其活性反映了土壤有機態氮向無機態氮的轉化能力和土壤無機氮的供應能力[6]。近年來，由于長期的氣候演變、過度放牧、盲目開荒等導致東祁連山高寒草甸退化嚴重，出現了大面積的退化草地，給生態環境帶來了極大壓力，草地退化通過影響進入土壤的植物殘體數量，改變土壤的水、空氣、熱量狀況等方式影響土壤養分的含量，進而影響土壤和植被的穩定性[7]。因此，定量研究退化草地土壤中無機氮和脲酶活性，對揭示草地土壤氮素狀況和土壤氮素循環特點具有重要意義。

前人對我國不同地區草地管理措施變化以及不同生境群落等條件下土壤氮素狀況進行了廣泛研究[8-11]，已經明確各種地上植被以及干擾措施的變化都會引起土壤氮素的變化，但這些研究主要針對土壤氮素總含量及儲量進行分析，而對地上植被生長起關鍵作用的土壤無機氮的研究還比較少。隨著退化程度的加劇，土壤脲酶活性存在較大差異，不同退化程度高寒草地土壤酶具有在輕度退化時活性表現為最高的普遍規律[12-13]。但是退化草地土壤脲酶與無機氮的系統研究還未見報道。因此，本研究擬對東祁連山不同退化程度高寒草地的土壤無機氮含量變化以及驅動有機氮向無機氮轉化的土壤脲酶活性及其季節特征進行研究，分析高寒草地退化對土壤氮素影響的機理和原因，為區域高寒草地退化的防治和生態環境保護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于東祁連山甘肅農業大學高山草原試驗站，地理位置N 37°40′，E 102°32′，該地區年降水量為416 mm，多為地形雨，集中于7-9月，年蒸發量為1592 mm，年日照時間為2600 h，無絕對無霜期，僅分冷熱兩季。年均溫0.8 ℃，1月和7月平均氣溫分別為-10.8和12.4 ℃。土壤類型為山地黑鈣土，質地為中壤質。于研究區域選擇典型的圍封草地(FG)、輕度退化草地(LD)、中度退化草地(MD)和重度退化草地(HD)4種類型天然草地，其中輕度、中度和重度退化草地的確定參考柳小妮等[14]的方法進行調查和劃分，每個樣地面積約5 hm2，樣地位置及植被構成、蓋度等差異性見表1。

圍封5年未放牧，植被有扁蓿豆(Melissilusruthemicus)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)、披堿草(Elymusnutans)、唐松草(Thatictrumaquilegifolium)、苔草(Carexspp.)、早熟禾(Poapratensis)、銀蓮花(Anemonecathayensis)，蓋度100%，草高30 cm。

唐松草(Thatictrumaquilegifolium)、麻花艽(Gentianastraminea)、球花蒿(Artemisiasmithii)、披堿草(Elymusnutans)、棘豆(Oxytropisochrocephala)、銀蓮花(Anemonecathayensis)和毛茛(Ranunculusjaponicus)，蓋度50%。

表1 不同類型樣地概況Table 1 General information of the different grassland types

1.2 樣品采集與處理

分別于2016年春季(4月)、夏季(7月)和冬季(11月)在FG、LD、MD和HD 4種類型天然草地用土鉆法取土，每個樣地隨機選取3個樣區，每個樣區取3個樣點，作為3次重復，每個樣點按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 3個土層深度取樣，每個樣點的相同層次樣品混合，用自封袋帶回實驗室，各樣地采用GPS定位。新鮮土樣分為兩份，一份用于銨態氮和硝態氮含量的測定，另一份風干，過1 mm篩，用于土壤脲酶活性的測定。

1.3 測定指標與方法

土壤銨態氮(NH4+-N)和硝態氮(NO3--N)的測定：稱取10 g新鮮土，用0.01 mol·L-1CaCl2提取(液土比10∶1)，流動注射分析儀器測定[15]，儀器型號為O.I.Analytical-FS3100。無機氮總量為銨態氮和硝態氮之和。土壤脲酶活性采用靛酚藍比色法測定[16]。

1.4 數據分析

采用Excel 2007進行數據整理與圖表繪制，用SPSS 20.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同退化程度對高寒草甸土壤無機氮總量及季節動態影響

土壤無機氮是植物可直接吸收利用的地下氮素資源，土壤無機氮總量直接決定氮素供應的強度水平[17]，不同類型高寒草地土壤的無機氮總量如表2所示。

由表2可以看出，與FG相比，0～10 cm土層，春季和夏季3種不同退化程度高寒草地土壤無機氮總量均顯著升高，春季LD、MD和HD分別比FG升高了39.9%、28.9%和68.4%，夏季分別升高了19.1%、28.7%和33.6%，但冬季卻顯著降低，LD、MD和HD分別比FG降低了20.4%、27.2%和47.4%。10～20 cm與20～30 cm土層，春季退化對土壤無機氮含量影響不大；夏季表現出FG>HD>LD>MD的規律性，差異顯著(P<0.05)。冬季則表現出隨退化程度加劇，土壤無機氮總量明顯降低的趨勢。4種類型草地土壤無機氮總量具有明顯的垂直分布規律，均隨土層深度的增加而降低。

表2 不同類型草地土壤無機氮含量Table 2 Soil inorganic nitrogen content of different grassland types (mg·kg-1)

注：FG：圍封草地，LD：輕度退化草地，MD：中度退化草地，HD：重度退化草地。表中大寫字母表示相同季節相同土層不同草地類型之間差異顯著性(P<0.05),小寫字母表示相同草地類型相同季節不同土層的差異顯著性(P<0.05)。

Note：FG: Fenced grassland, LD: Light degraded grassland, MD: Moderate degraded grassland, HD: Heavy degraded grassland. The capital letters indicate the significant difference between different grassland types in the same soil depth and same season (P<0.05), the small letters indicate the significant difference in different soil depth of the same grassland type and same season (P<0.05).

4種草地類型土壤無機氮含量季節動態變化規律不一致，FG表現為冬季>夏季>春季，退化草地的季節動態變化規律均表現為：夏季>春季>冬季，說明退化導致高寒草地土壤無機氮的季節分布發生變化。

圖1 不同類型草地0～10 cm土層NH4+-N 含量Fig.1 Soil NH4+-N content of different grassland types in 0-10 cm soil depth FG：圍封草地，LD：輕度退化草地，MD：中度退化草地，HD：重度退化草地。圖中柱子上大寫字母表示相同季節不同草地類型之間差異顯著性(P<0.05)，小寫字母表示相同草地類型不同季節差異顯著性(P<0.05)。下同。FG: Fenced grassland, LD: Light degraded grassland, MD: Moderate degraded grassland, HD: Heavy degraded grassland. The capital letters on the columnar indicate the significant difference between different grassland types in the same season (P<0.05), and the small letters on the columnar indicate the significant difference in different season of the same grassland type (P<0.05). The same below.

2.2 不同退化程度對高寒草甸土壤銨態氮含量及其季節動態的影響

銨態氮是土壤無機氮的重要組成部分，不同類型草地、不同季節3個土層土壤的NH4+-N含量如圖1、2、3所示。由圖1～3可以看出，春季3個土層的NH4+-N含量均隨著退化程度的加劇而表現出升高的規律，HD最高，FG最低；夏季3個土層的NH4+-N含量均表現出先升高后降低的趨勢，LD最高，HD最低；冬季0～10 cm和20～30 cm土層NH4+-N含量表現出逐漸降低的規律。說明退化對土壤NH4+-N含量的影響存在季節差異。

4種類型草地土壤NH4+-N含量的季節動態分布趨勢均表現為：春季>夏季>冬季。春季土壤中NH4+-N的平均含量為43.3 mg·kg-1，夏季為30.4 mg·kg-1，而冬季僅為23.0 mg·kg-1。這也表明草地退化對NH4+-N含量的季節規律沒有明顯影響。4種類型草地土壤NH4+-N含量均表現出隨土層加深逐漸降低的趨勢，3個季節的NH4+-N含量在3個土層間差異顯著(P<0.05)，但是FG表層土壤3個土層的差異不明顯，而3種退化草地3個土層的差異很大。

2.3 不同退化程度對高寒草甸土壤硝態氮含量及其季節動態的影響

不同類型草地、不同季節3個土層土壤的NO3--N含量如圖4、5、6所示。退化導致春季土壤NO3--N含量在土層之間的變異減小，夏季和冬季3種類型草地土壤NO3--N含量隨著土層深度增加而減少，土層之間差異顯著(P<0.05)，但冬季FG表現出10～20 cm>0～10 cm>20～30 cm。說明草地退化改變了土壤NO3--N含量在土壤剖面的分布規律。

圖2 不同類型草地10～20 cm土層NH4+-N 含量Fig.2 Soil NH4+-N content of different grassland types in 10-20 cm soil depth

圖3 不同類型草地20～30 cm土層NH4+-N 含量Fig.3 Soil NH4+-N content of different grassland types in 20-30 cm soil depth

圖4 不同類型草地0～10 cm土層NO3--N 含量Fig.4 Soil NO3--N content of different grassland types in 0-10 cm soil depth

圖5 不同類型草地10～20 cm土層NO3--N 含量Fig.5 Soil NO3--N content of different grassland types in 10-20 cm soil depth

4種類型草地土壤NO3--N含量的季節動態分布規律為：冬季>夏季>春季。春季土壤中NO3--N平均含量為21.7 mg·kg-1，夏季為28.5 mg·kg-1，冬季為46.5 mg·kg-1。

春季0～10 cm土層NO3--N含量差異較小，整體表現出升高的趨勢，而10～20 cm和20～30 cm土層均表現出退化導致NO3--N含量降低的規律性；在夏季，0～10 cm土層NO3--N含量變化規律明顯，HD含量最高，FG最低；隨著退化程度的加劇，NO3--N含量表現出升高的趨勢，各草地類型之間差異顯著(P<0.05)；而冬季，3個土層NO3--N含量均表現出FG>LD>MD>HD 的規律性，表明隨著退化程度的加劇，冬季土壤的NO3--N含量明顯降低。

2.4 不同退化程度對高寒草甸土壤脲酶活性及其季節動態的影響

4種類型高寒草地不同季節3個土層的土壤脲酶活性如圖7、8、9所示。在春季，相比FG，土壤脲酶活性表現出LD和MD升高，而HD下降的規律性，夏季和冬季，土壤脲酶活性在LD草地類型下降，而在MD和HD又升高的規律性，夏季各處理間差異顯著(P<0.05)，而冬季的各處理間差異不顯著(P>0.05)，整體上，脲酶活性HD>MD>FG>LD。

在0～10 cm和10～20 cm土層FG的脲酶活性均是冬季最高， LD和MD則表現出春季土壤脲酶活性較高，而HD 0～10 cm和10～20 cm土層脲酶活性均表現出春季最低，在冬季4種類型草地均表現出表層土壤的脲酶活性最高的特征，與其他土層差異顯著(P<0.05)。

圖6 不同類型草地20～30 cm土層NO3--N 含量Fig.6 Soil NO3--N content of different grassland types in 20-30 cm soil depth

圖7 不同類型草地0～10 cm土層脲酶活性Fig.7 Soil urease activity of different grassland types in 0-10 cm soil depth

圖8 不同類型草地10～20 cm土層脲酶活性Fig.8 Soil urease activity of different grassland types in 10-20 cm soil depth

圖9 不同類型草地20～30 cm土層脲酶活性Fig.9 Soil urease activity of different grassland types in 20-30 cm soil depth

3 討論

土壤無機氮是植物直接吸收利用的重要地下氮素寶庫，對于植物生長具有至關重要的作用[18]，本研究表明草地退化對表層土壤的無機氮含量影響較大，這與Zhao等[19]、蔣雙龍等[20]以及李亞娟等[21]的研究結果一致。但本研究還發現退化對土壤無機氮的影響存在季節差異，草地退化導致春、夏季表層土壤的無機氮總量升高，這主要是因為草地退化后植被蓋度降低，減小了植物對土壤的保護，尤其表層土壤的礦化過程會加快[22]，而本研究中退化后冬季土壤的無機氮總量下降，這可能是由于冬季溫度低，微生物的活性降低，有機氮的礦化有限，再加上植物對氮素的吸收量少，而造成土壤氮素的淋溶損失。因此，相比圍封草地，退化草地更易造成土壤氮素的損失。總體來看，各草地類型土壤無機氮的季節動態規律均表現為：夏季>春季>冬季，是因為夏季溫度高，植物生長旺盛，為微生物的活動提供了適宜的環境，并且加速了有機氮的礦化作用[23]，而冬季植物逐漸枯死，生長停滯，雖然植物對氮素的吸收量減少了，但由于氣溫低，氮轉化能力也很弱[24]。

本研究發現退化導致春季表層土壤NH4+-N含量明顯升高，同時土壤NH4+-N含量表現出明顯的春季>夏季>冬季的規律性，張玉霞等[25]的研究結果也表明，高寒草地退化導致土壤中NH4+-N含量積累。草地退化對夏季和冬季土壤NO3--N含量影響較大，隨著退化程度的加劇，夏季土壤剖面中NO3--N含量有明顯增加，這可能是因為退化草地植被蓋度較小，土壤直接接受太陽輻射，溫度變化劇烈，土壤中有機態氮礦化速度加快，并且在通氣良好的條件下，土壤中的NH4+-N在硝化細菌和亞硝化細菌的作用下，容易轉變為硝態氮，而冬季則明顯降低。因此，夏季防止硝態氮的淋失，保蓄并補充土壤氮素營養，對于恢復植被和區域環境保護顯得非常重要。

NH4+-N帶正電荷，易于被土壤膠體吸附而不易淋失，本研究中4種草地類型土壤NH4+-N含量均表現出隨土壤深度的增加而降低的垂直分布規律，草地退化對土壤銨態氮的垂直分布規律并未產生明顯影響。4種類型草地土壤NH4+-N含量均表現出春季>夏季>冬季的季節動態特征，這與孫志高等[26]的研究結果一致。NO3--N帶負電荷，不能被土壤膠體吸附，流動性強，易發生淋溶，是土壤氮素損失的重要途徑[4]。本研究中草地退化改變了冬季土壤NO3--N含量在土壤剖面的分布規律，冬季FG的NO3--N含量表現出10～20 cm>0～10 cm>20～30 cm，而退化草地均表現出0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm的變化規律，這一結果與張建貴等[27]的研究不同。NO3--N由于流動性強，其含量的季節變化特征受植被、土壤性狀、氣候等因素影響較大，以上因素的效應還有待進一步研究。

本研究發現相比FG，春季LD土壤脲酶活性最高，而HD則最低，表明輕度退化可能導致春季草地土壤無機氮的供應能力增加，這也符合本研究中土壤無機氮總量的研究結果，并與已有的研究結果一致[13,28-30]。 研究中發現圍封草地土壤脲酶活性總體表現較低，斯貴才等[31]的研究也發現短期禁牧不會使所有土壤酶活性發生顯著恢復，關于圍封時間對草地土壤脲酶活性的影響還有待進一步研究。夏季和冬季，隨著退化程度的加劇，脲酶活性均表現出逐漸升高的趨勢，這表明夏季和冬季退化草地土壤有機態氮向無機態氮的轉化能力高于圍封草地，夏季土壤無機氮總量也較高，表明了土壤脲酶活性與無機氮總量的正相關性。但是退化導致冬季土壤的無機氮降低與脲酶活性的表現并不相符，這可能與土壤無機氮形態的行為有關。此外，本研究中脲酶活性隨著土壤深度的增加而降低，在冬季尤其表現突出，這與黃容等[24]的研究結果一致。

土壤中無機氮含量以及驅動氮素轉化的脲酶活性受土壤有機質含量、植被類型、微生物種類、土壤環境和土壤鹽堿度等很多因素的影響，關于高寒地區各種影響因子的效應及其內在過程與機理還有待進一步研究。

4 結論

高寒草甸退化對表層土壤的無機氮總量影響較大，并存在季節差異，相比圍封草地，春季和夏季3種不同退化程度高寒草地土壤無機氮總量均顯著升高，但冬季卻顯著降低。高寒草甸退化對土壤無機氮形態的影響也不同，并存在季節差異，草地退化導致春季表層土壤銨態氮含量升高，而對硝態氮含量影響不大，從而導致土壤無機氮總量升高，而夏季情況正好相反，草地退化對夏季表層土壤的銨態氮含量影響不大，而硝態氮含量升高，從而導致土壤無機氮總量升高。退化對脲酶活性的影響同樣存在季節差異，相比圍封草地，春季輕度和中度退化草地的表層土壤脲酶活性顯著提高，而中度退化草地則下降，夏季和冬季，隨著退化程度的加劇，脲酶活性均表現出逐漸升高的趨勢，表明輕度和中度退化加快了春季高寒草甸土壤氮素的轉化，增加了土壤無機氮的供應能力。