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氮(N)的可用性深切影响着生态系统的生产力和地球化学过程。土壤中超过90%的N以有机态形式存在,并不具有直接的生物可利用性,因此氮矿化速率不仅是衡量土壤氮库周转速率的核心指标,同时决定了土壤的供氮能力[1]。团聚体是土壤的基本单元结构,它的形成包含了复杂的生化和物理过程,土壤氮矿化的实质是各个粒径的团聚体氮矿化的整合结果。排除机械外力因素,不同粒径的团聚体被认为是由不同种类的黏合剂胶结而成,因此它们的稳定性并不相同[2]。有报道指出,较小粒径的团聚体具有更大的比表面积,因此可以吸附更多的可矿化有机物质,而较大粒径的团聚体中的有机物质由于空间和氧气扩散有限等原因,与微生物和胞外酶接触的概率会下降,因此较小粒径的团聚体将具有更高的氮矿化速率[3];但也有观点认为相比于小粒径的团聚体,新鲜有机质会首先进入大粒径团聚体,因此大粒径团聚体中的活性有机质含量更高,也将更先被利用和矿化[4]。总体来说,对于团聚体粒径与氮矿化的关系尚有待讨论。
土壤氮矿化同时受到众多因子的调控,其中土壤水分和温度在众多非生物因素中起到主导作用[5]。温度作为影响土壤氮矿化的主控因子,一般认为,温度增加会促进土壤氮矿化,如Katrin等[6]报道土壤净氨化和净硝化与温度成正比。另外,一项 Meta分析显示全球变暖导致净氮硝化和净氮矿化分别增加了52%和32%[7]。但一项在长白山开展的研究中发现,氮矿化与温度没有显著关系[8]。周于波等[9]通过培养研究发现,土壤净氮矿化速率在5 ~26.5 ℃范围内随温度升高而增加,之后随温度升高而显著降低。土壤水分解释了在全球尺度上17%的氮矿化变异,且对森林生态系统的贡献高于农业生态系统和草原生态系统[10]。传统观点认为水分的增加会提高氮矿化速率,如Stanford等[11]、Knoepp等[12]的研究发现,氮矿化速率在土壤水分接近田间持水量时达到最高。但是在该领域的研究结果并不统一,如Guntiñas等[13]报道,氮矿化在土壤含水量为60%~70%田间持水量时达到最高。众多学者证实土壤水分和温度对土壤氮矿化速率的影响存在显著交互作用,如Jennife[14]在针阔混交林的研究中发现,土壤净硝化和净氮矿化速率均显示出随土壤含水量和温度升高而增加的趋势,温度和水分共同解释了83%的土壤氮矿化变异。因此,厘清温度和水分对森林土壤氮矿化的影响及其交互效应,对提高生态系统生产力具有指导意义。
CO2等温室气体排放增加导致的气温上升已经成为全球生态系统正在面临的挑战。林地碳汇是中国碳汇绝对主体,在总量中占比约为80.7%,发展和保护森林生产力已经成为减缓气候变化的重要举措之一[15]。《中国气候变化蓝皮书(2022)》指出[16],我国近几十年来的气温上升速率显著高于同期全球平均水平,其中中部地区升温速率为0.23 ℃·(10 a)−1,同时伴有1.24 mm·(10 a)−1 的降水量增加速率[17]。三峡库区地处北亚热带,夏季高温多雨,是长江中下游重要的生态屏障,但同时也是我国典型的生态系统稳定性较为脆弱的地区[18]。但目前针对该地区森林生态系统在全球气温升高和降水增多背景下的土壤氮矿化特征鲜有报道。本研究以三峡库区马尾松-栓皮栎针阔混交林为研究对象,研究土壤水分、温度及二者的交互作用对土壤净氮转化作用的影响,以期为预测该地区温室效应和降水增多背景下的土壤养分循环提供数据支撑和为当地人工林生产力的提升提供理论依据。
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马尾松-栓皮栎针阔混交林土壤不同粒径团聚体的理化性质和质量比例如表1所示。土壤pH和速效钾含量随团聚体粒径变化没有出现显著差变化。土壤全氮、有机质含量以及微生物生物量碳、氮均在大团聚体中最低,在微团聚体中最高;而土壤速效磷含量随粒径变化规律与之相反。团聚体的重量比例随粒径减小呈现倒“V”变化,从高到低为小团聚体>中团聚体>大团聚体>微团聚体。
大团聚体
Large macroaggregates中团聚体
Coarse aggregate小团聚体
Small macroaggregates微团聚体
Microaggregate全氮
Total N/ (g·kg−1)1.41 ± 0.14 b 2.55 ± 0.26 a 2.76 ± 0.28 a 2.81 ± 0.57 a 土壤有机质
Soil organic matter/(g·kg−1)17.79 ± 2.61 c 24.85 ± 3.12 b 29 ± 5.01 ab 32.13 ± 3.38 a 速效磷
Available phosphorus/(mg·kg−1)13.11 ± 0.55 a 13.61 ± 0.48 a 13.35 ± 0.33 ab 11.81 ± 1.15 b 速效钾
Available potassium/(mg·kg−1)103.47 ± 1.21 a 102.7 ± 1.35 a 102.3 ± 2.15 a 103 ± 1.18 a 土壤酸碱度
pH (H2O)5.35 ± 0.26 a 5.02 ± 0.08 a 5.12 ± 0.1 a 5.28 ± 0.34 a 微生物量碳
Microbial biomass C/(mg·kg−1)244.69 ± 41.15 c 252.76 ± 15.97 bc 321.72 ± 62.34 ab 376.61 ± 7.15 a 微生物量氮
Microbial biomass N/(mg·kg−1)40.49 ± 0.16 b 44.64 ± 4.34 b 56.97 ± 5.65 a 64.38 ± 6.47 a 质量比例
Weight proportions
of aggregates in soil0.21 ± 0.04 c 0.29 ± 0.29 b 0.39 ± 0.04 a 0.11 ± 0.01 d 注:不同小写字母标注代表在0.05检验水平上差异显著,下同
Notes: Different small letters indicate significant difference at 0.05 test level, the same belowTable 1. Physicochemical characteristics of aggregates with different particle sizes
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不同粒径团聚体净氨化速率( RminNH4+-N)随水热变化的响应如图1所示,温度、土壤含水量以及粒径均对团聚体净氨化速率产生了显著影响。整体分析,微团聚体的净氨化速率整体最高。当土壤含水量为0.6 FCW、培养温度为25 ℃时,土壤团聚体净氨化速率均>0 mg N kg−1·d−1,说明在该条件下,4个粒径的团聚体中均净增了NH4+-N。由图2A~D可知,4个粒径的团聚体净氨化速率随水热条件变化响应拟合出的二元二次方程并不相同。由图2可估算出大团聚体、中团聚体、小团聚体和微团聚体的净氨化速率最大值分别出现在含水量为0.63 FCW、0.68 FCW、0.70 FCW和0.75 FCW;温度为22.3、20.5、23.0和23.5 ℃。
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不同粒径团聚体净硝化速率( RminNO3−-N)在12种培养条件下随水热变化的响应如图3与净氨化速率相似,温度、土壤含水量以及粒径均对团聚体净硝化速率产生了显著影响( p<0.01)。整体分析,当土壤含水量为0.6 FCW、培养温度为25 ℃时,土壤团聚体净硝化速率最高。随团聚体粒径减小,净硝化速率存在上升趋势。由图4A~D可估算出大团聚体、中团聚体、小团聚体和微团聚体的净硝化速率最大值分别出现在含水量为0.58 FCW、0.57 FCW、0.60 FCW和0.61 FCW以及温度为24.9、25.5、27.5和25.7 ℃。
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如图5所示,不同粒径团聚体净氮矿化速率(RminN)是净氨化速率与净硝化速率的之和,4种粒径的团聚体在12种水热培养条件下净硝化速率对净氮矿化速率的贡献均超过85%。温度、土壤含水量以及粒径均对团聚体净氮矿化速率产生了显著影响( p <0.01)。当土壤含水量为0.6 FCW、培养温度为25 ℃时,土壤团聚体净氮矿化速率最高。与净硝化速率相似,净氮矿化速率存在随团聚体粒径减小而上升的趋势。由图6A~D可估算出大团聚体、中团聚体、小团聚体和微团聚体的净氮矿化速率最大值分别出现在含水量为0.61 FCW、0.57 FCW、0.58 FCW和0.62 FCW以及温度为23.9、22.7、24.5和26.7 ℃。
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4种粒径团聚体的净氨化、净硝化和净氮矿化速率的 Q10随水分变化数值如表2所示。大团聚体在各土壤水分处理下净氨化、净硝化和净氮矿化速率的Q10分别在−1.39~2.75、−4.84~1.96和−0.83~1.84之间;中团聚体在各土壤水分处理下净氨化、净硝化和净氮矿化速率的Q10分别在0.01~5.65、−4.32~1.92和−0.36~1.94之间;小团聚体在各土壤水分处理下净氨化、净硝化和净氮矿化速率的Q10分别在−1.22~2.49、−0.39~3.19和0.10~4.39之间;微团聚体在各土壤水分处理下的净氨化、净硝化和净氮矿化速率的Q10分别在−0.92~2.02、−2.11~9.46和−0.84~1.74之间,并整体在0.6 FWC、15 ℃/25 ℃时温度敏感性最大。
0.4 FCW 0.6 FCW 0.8 FCW 5 ℃/15 ℃ 15 ℃/25 ℃ 25 ℃/35 ℃ 5 ℃/15 ℃ 15 ℃/25 ℃ 25 ℃/35 ℃ 5 ℃/15 ℃ 15 ℃/25 ℃ 25 ℃/35 ℃ 净氨化速率
Net
ammonification
rate大团聚体
(2 000~8 000 μm)0.69 ± 0.14 b 2.75 ± 0.93 b −1.39 ± 0.32 b 1.25 ± 0.28 c 1.26 ± 0.28 c 1.25 ± 0.26 c 1.36 ± 0.30 b 1.64 ± 0.29 b 0.83 ± 0.15 cd 中团聚体
(1 000~2 000 μm)0.31 ± 0.07 b 5.65 ± 11.49 a 0.01 ± 0.03 b 1.47 ± 0.24 bc 1.89 ± 0.31 ab 0.76 ± 0.05 de 1.55 ± 0.24 b 2.24 ± 0.36 a 0.65 ± 0.05 d 小团聚体
(250~1 000 μm)1.08 ± 0.11 b 1.97 ± 0.13 b −1.22 ± 0.20 b 1.17 ± 0.08 cd 1.92 ± 0.36 a 0.70 ± 0.11 e 1.18 ± 0.08 bc 2.49 ± 0.52 a 0.48 ± 0.09 d 微团聚体
(<250 μm)0.49 ± 0.2 bc 1.41 ± 0.49 a −0.92 ± 0.05 e 1.58 ± 0.31 a 1.43 ± 0.29 a 0.57 ± 0.08 b 2.02 ± 0.59 a 1.68 ± 0.42 a 0.47 ± 0.07 b 净硝化速率
Net
nitrification
rate大团聚体
(2 000~8 000 μm)−0.62 ± 0.15 de −4.84 ± 1.13 f 0.09 ± 0.00 cd 1.71 ± 0.39 a 1.66 ± 0.21 a 0.74 ± 0.08 b 1.96 ± 0.49 a 1.76 ± 0.23 a 0.68 ± 0.07 b 中团聚体
(1 000~2 000 μm)0.93 ± 0.17 ab 0.33 ± 0.14 bc −4.32 ± 0.24 f 1.69 ± 0.44 a 1.35 ± 0.25 a 0.57 ± 0.06 b 1.92 ± 0.71 a 1.55 ± 0.37 a 0.47 ± 0.07 b 小团聚体
(250~1 000 μm)0.06 ± 0.01 c 3.19 ± 6.10 a −0.39 ± 0.02 c 1.52 ± 0.27 a 1.56 ± 0.25 a 0.64 ± 0.04 b 1.76 ± 0.33 a 1.74 ± 0.28 a 0.54 ± 0.03 b 微团聚体
(<250 μm)9.46 ± 3.71 b −2.11 ± 0.67 c 0.11 ± 0.02 c 1.58 ± 0.06 a 1.81 ± 0.06 a 0.62 ± 0.04 b 1.70 ± 0.04 a 1.83 ± 0.01 a 0.58 ± 0.04 b 净氮矿化速率
Net
N mineralization
rate大团聚体
(2 000~8 000 μm)1.45 ± 0.29 c 1.14 ± 0.13 c −0.83 ± 0.13 c 1.51 ± 0.10 a 1.52 ± 0.25 a 0.62 ± 0.10 b 1.53 ± 0.14 a 1.84 ± 0.28 a 0.51 ± 0.10 b 中团聚体
(1 000~2 000 μm)0.92 ± 0.22 b 1.89 ± 0.31 b −0.36 ± 0.12 b 1.11 ± 0.06 b 1.52 ± 0.13 a 0.69 ± 0.11 c 1.15 ± 0.03 C 1.94 ± 0.26 a 0.57 ± 0.09 d 小团聚体
(250~1 000 μm)0.10 ± 0.02 b 4.39 ± 6.75 a 0.31 ± 0.02 b 1.35 ± 0.18 ab 1.48 ± 0.19 a 0.81 ± 0.04 c 1.49 ± 0.24 b 1.71 ± 0.18 ab 0.74 ± 0.04 d 微团聚体
(<250 μm)0.92 ± 0.17 b 0.19 ± 0.04 b −0.84 ± 0.33 b 1.10 ± 0.20 b 1.49 ± 0.25 a 0.70 ± 0.09 c 1.13 ± 0.20 c 1.74 ± 0.32 ab 0.67 ± 0.08 d Table 2. Fluctuate in Q10 values in aggregates of net ammonification, net nitrification, and net nitrogen mineralization rates under different soil moisture treatments
Response of Nitrogen Mineralization in Soil Aggregates to Changes in Soil Moisture and Temperature in the Three Gorges Reservoir Area's Typical Plantation
- Received Date: 2023-06-12
- Accepted Date: 2023-08-31
- Available Online: 2024-04-27
Abstract: