氮沉降對濕地小葉章土壤氮素的影響

付曉玲，王繼豐，劉贏男，王建波，倪紅偉

(1.黑龍江省科學院自然與生態研究所，哈爾濱 150040； 2.黑龍江省林業科學院，哈爾濱 150081)

隨著化肥用量和化石燃燒量的不斷增加，大量氮素排放到大氣中，最終沉降到植物生態系統，通過淋溶儲存在土壤中，參與生態系統的氮循環[1-2]。實驗證明，活性氮的排放和沉降量的增加已經對各種生態系統過程和特征產生了很大影響[3-7]。

濕地主要包括天然或人工沼澤地、泥炭地及水域地帶，作為一種獨特的生態系統，發揮著涵養水源、調節氣候、凈化污染物、保持水土、存儲碳庫、為物種提供棲息地等重要作用。三江平原是我國目前保持最完好、濕地類型最全的原始濕地，生物多樣性十分豐富，也是具有重要代表性和國際意義的濕地生態系統[8]。小葉章(Calamagrostisangustifolia)是三江平原的典型草甸、沼澤化草甸的建群植物和優勢植物[9-11]。以三江平原典型濕地——小葉章濕地為研究對象，采用15N示蹤技術，通過野外原位控制實驗，分析不同氮沉降水平下，土壤中氮素分配的變化規律，探討氮素土壤中的分配策略，為濕地生物多樣性保護和生態恢復及濕地資源管理等提供科學依據。

1 材料和試驗方法

1.1 研究地概況

本實驗在黑龍江省科學院自然與生態研究所三江平原濕地生態定位研究站——洪河國家級自然保護區內。洪河國家級自然保護區位于我國黑龍江省三江平原的東北部，總面積21 835 173 hm2。研究區土壤類型主要有白漿土、草甸土和沼澤土等，由于氣候、地理、水文等因素的綜合作用，形成了大面積沼澤、草甸等低濕植被，以濕生、濕中生、沼生的禾本科、莎草科植物為主，局部地區有島狀森林出現，主要植被類型有草甸和沼澤，優勢植物有小葉章(Calamagrostisangustifolia)、狹葉甜茅(Glyceriaspiculosa)、毛果苔草(Carexlasiocarpa)、漂筏苔草(Carexpseudo-curaica)等。

在實驗站內，選擇具有典型性和代表性的小葉章群落作為研究對象。小葉章為建群種和優勢種，蓋度達80%以上，主要伴生植物有小白花地榆(Sanguisorbaparviflora)、翻白蚊子草(Filipendulaintemedia)、澤芹(Siumsuave)、千屈菜(Lythrumsalicaria)、廣布野豌豆(Viciacracca)等。

1.2 實驗設計

模擬氮沉降通過施用雙標記硝酸銨(15NH415NO3)來實現。試驗站內設置3個處理樣地(5 m×5 m)，每個樣地分為3個1 m×1 m的小區，中間有1 m寬的緩沖區隔開。這3個小區隨機設置為CK：0 g 氮/m2(對照)、N1：4 g 氮/m2(低氮)、N2：8 g氮/m2(高氮)。

采用靜態暗箱-氣相色譜法對N2O排放通量進行觀測。實驗前期埋設底座，底座采用不銹鋼制成，長×寬×深=50 cm×50 cm×20 cm。底座4個方向的側壁上均鉆有直徑2 cm左右的孔，有利于底座內部與外部水分和養分的交換。底座固定到樣地后就不再取下，直到整個實驗結束，這樣有利于采樣點的固定，去除取樣空間異質性。

樣地設置完畢，施氮之前大約有15 d的穩定時間。經過15 d的穩定期后，施加15N標記的15NH415NO3。

1.3 穩定同位素比率測定及數據分析

用Elementar Isoprime 100同位素質譜儀(中國農業大學，中國)測定δ15N，數據采用Microsoft Excel 2010和Sigmaplot 10.0做圖，數據分析采用SPSS19.0 for Windows軟件進行分析處理。δ15N數據采用單因素方差分析(Univariate)，鑒別主效應的差異顯著性，各處理多重比較采用最小顯著差數法(LSD)。

2 結果與分析

2.1 小葉章濕地土壤銨態氮的動態變化

從圖1可以看出，在生長季內，N1和N2處理土壤銨態氮的含量隨著施氮時間的推后均呈下降趨勢。在施氮初期(6月份)，不同處理表現出不同的變化特征，N1處理逐漸上升，N2處理逐漸下降，之后一直到生長末期，兩處理均表現出一致的變化規律，經方差分析，兩處理間差異均未達到顯著水平(P>0.05)，說明外源氮輸入并未顯著提高土壤中銨態氮的含量。6月份土壤中較高的銨態氮含量一方面與此間氮沉降量大及積雪融化氮輸入有關，另一方面則與5月份以后氣溫逐漸回升、土壤解凍、微生物活動逐漸加強、有機氮礦化速率增加有關，使得上一年累積的氮得以釋放。

圖1 小葉章土壤銨態氮動態變化Fig.1 Dynamical changes of ammonium nitrogen of Calamagrostis angustifolia soil

2.2 小葉章濕地土壤硝態氮的動態變化

從圖2可以看出，在生長季內，N1和N2處理土壤硝態氮的含量均呈現相似的變化規律，經方差分析，兩處理間差異均未達到顯著水平(P>0.05)。兩處理硝態氮含量在7月末前變化較平穩，之后則呈 “M”形，并于8月9日和9月11日達到峰值。7月末，硝態氮含量較低，可能是植物生長旺期對氮素需求量較大，也可能是大量降水導致土壤硝態氮淋失。8月以后出現的兩個峰值，可能是由于降水減少及成熟期植物吸收的硝態氮較少。

2.3 小葉章濕地土壤銨態氮中15N含量的動態變化

從圖3可以看出，在生長季內，不同處理小葉章土壤銨態氮中15N含量變化趨勢相似。施氮初期，土壤銨態氮中15N含量變化平緩，到7月初達到第一個峰值，分別為1.71 mg/kg和2.99 mg/kg，而后8月初迅速下降到低點，到生長末期有緩慢上升的趨勢，到枯萎期又迅速達到第2個峰值，分別為2.54 mg/kg和3.05 mg/kg。雖然在施氮初期土壤銨態氮含量較高，但其中15N含量不高，可能NH4+-N此間被植物大量吸收用于生長；生長旺期，植物主要吸收NO3--N，對NH4+-N吸收作用減弱，導致土壤中吸附大量的NH4+-N ；枯萎期，土壤中較高的NH4+-N，說明此時植物趨于枯萎，對土壤中的NH4+-N需求量降低。

圖2 小葉章土壤硝態氮動態變化Fig.2 Dynamical changes of nitrate nitrogen of Calamagrostis angustifolia soil

圖3 小葉章土壤銨態氮中15N含量動態變化Fig.3 Dynamical changes of 15N contents of ammonium nitrogen of Calamagrostis angustifolia soil

2.4 小葉章濕地土壤硝態氮中15N含量的動態變化

從圖4可以看出，在生長季內，不同處理小葉章土壤硝態氮中15N含量變化趨勢相似，隨著施氮時間的延長，土壤硝態氮中15N含量逐漸降低。施氮初期，不同處理土壤銨態氮中15N含量緩慢上升，N2處理較N1處理先達到最高值，而后一直到生長末期兩處理均緩慢下降。到了雨季和植物生長高峰，土壤中的NO3--N除部分被植物吸收外，還有相當一部分被淋失，導致其含量逐漸下降。

2.5 小葉章濕地土壤Ndff動態變化

不同生長時期，小葉章濕地土壤Ndff也不同，在不同N處理下，小葉章濕地土壤Ndff隨施氮時間的延長而變化的動態曲線如圖5所示。在N1、N2處理下，小葉章土壤Ndff隨時間變化的趨勢基本一致，均為隨著施氮時間的延長而緩慢波動。處理與對照的差異達到極顯著水平(P<0.01)，不同處理小葉章土壤Ndff雖然存在一定差異，但均未達到P<0.05的顯著水平。

圖4 小葉章土壤硝態氮中15N含量動態變化Fig.4 Dynamical changes of 15N contents of nitrate nitrogen of Calamagrostis angustifolia soil

圖5 小葉章土壤Ndff%動態變化Fig.5 Dynamical changes of Ndff% of Calamagrostis angustifolia soil

2.6 小葉章濕地土壤15N的殘留率

從圖6可以看出，N1和N2處理小葉章濕地土壤15N的殘留率均表現為相似的變化規律，呈“W”型。其中，初期土壤中的外源氮殘留較少，可能與外源氮中氨揮發和反硝化損失及供給植物吸收有關；在成熟期和生長末期，小葉章地上器官向根部轉移，導致土壤外源氮殘留率增加。經方差分析表明，N1和N2處理間差異達到極顯著水平(P<0.01)，說明外源氮的增加顯著提高土壤殘留率。

圖6 小葉章土壤15N殘留率動態變化Fig.6 Dynamical changes of 15N residual rate of Calamagrostis angustifolia soil

3 結論

不同氮沉降水平下，三江平原小葉章濕地土壤銨態氮的動態變化呈下降趨勢。在生長季內，N1和N2處理土壤。硝態氮的含量均呈現相似的變化規律，硝態氮含量在7月末前變化較平穩，之后則呈“M”形，差異不顯著(P>0.05)。N1和N2處理土壤銨態氮中15N含量變化趨勢相似，均在7月初達到第一個峰值，枯萎期又迅速達到第2個峰值。N1和N2處理土壤硝態氮中15N含量隨著施氮時間的延長呈逐漸降低趨勢。土壤15N含量(Ndff%)，處理與對照的差異達到極顯著水平(P<0.01)，不同處理間未達到P<0.05的顯著水平。N1和N2處理小葉章濕地土壤15N的殘留率均表現為相似的變化規律，呈“W”型，處理間差異達到極顯著水平(P<0.01)。