中国陆地生态系统土壤氮矿化速率和硝化速率及影响因素——基于文献数据的统计分析

刘君政,王 鹏,*,肖汉玉,赵 君,舒 旺

1 江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室, 南昌 330022 2 江西师范大学地理与环境学院, 南昌 330022

氮(N)的供应能力是陆地生态系统初级生产力的限制性因素[1]。早期关于土壤氮循环的研究常采用净矿化速率和净硝化速率作为可被植物吸收利用的氮通量指标,但净矿化速率并不能反映土壤氮的实际转化速率[2]。15N同位素稀释技术是目前量化土壤氮总矿化速率(Nmin)和总硝化速率(Nnit)的惟一有效方法[3- 5],已被广泛应用于计算土壤氮总转化速率[6- 10],以及分析土壤含水量[11]、土壤有机质[12]、土壤C/N[13]、植物根系[14]等对土壤氮总转化速率的影响。

土壤氮总转化速率受多种因素的影响。研究表明,不同生态系统土壤Nmin和Nnit存在明显差异[3, 15- 17],可能受pH[8]、土壤C/N[3, 13]、TN[5-6, 10]、TC[18]以及不同植被类型[19]的影响。土壤理化指标值即使发生小的偏差也可能导致Nmin和Nnit在大尺度中发生明显变化[3, 5]。这些土壤理化指标存在空间异质性,土壤Nmin和Nnit可能随地理位置的不同而发生变化。因此,在大规模尺度上研究土壤Nmin和Nnit的空间格局及其影响因素,对于评估土壤氮的有效供应和人类生态系统的可持续管理具有重要意义。

目前我国关于土壤氮总转化速率的工作已经开展了许多,主要集中于单独一个或多个小区域进行,但在几个较小地点观察到的现象或潜在机制是否适用于大规模生态系统尚不清楚。Wang等[5]利用15N同位素稀释法并与文献数据结合,分析了中国温带草原土壤Nmin分布特征及控制因素；但在全国范围内陆地生态系统土壤氮矿化速率和硝化速率及影响因素尚不清楚。本次研究基于文献的统计数据,分析中国陆地生态系统土壤Nmin和Nnit的空间格局及影响因素。主要研究目的：(1)比较中国不同生态系统土壤Nmin和Nnit是否存在明显差异；(2)确定中国陆地生态系统Nmin和Nnit的影响因素。

1 材料和方法

1.1 数据收集

收集的数据按“植被类型”和“地区”分为两个层次(表1)。根据“植被类型”分为林地(林地、灌木)、草地(牧草、湿地草本和高山草甸)和农田(耕作土壤)(图1)[3]。植被类型“林地”包括雨林、阔叶林和针叶林；植被类型“草地”包括多年生草本植物和一年生草本植物；植被类型“农田”包括施肥土壤和未施肥土壤。以“秦岭—淮河”为界分为南方和北方(北方包括降水量小于800 mm青藏高原地区)。

表1 样本数据统计量

图1 中国陆地生态系统土壤Nmin和Nnit已发表文献采样点空间分布图Fig.1 Spatial distribution of sampling sites from published articles focusing on soil Nmin and Nnit in terrestrial ecosystems in China中国科学院资源环境科学数据中心：http://www.resdc.cn/

对于收集土壤在实验室中培养数周或数月的研究,选取氮转化速率的最大值[3]。在多数情况下,分析林地和草地生态系统土壤氮转化速率仅使用未接受施肥数据,然而农田生态系统或多或少接受氮肥的输入,所以土壤施肥数据也用于分析农田生态系统土壤氮转化速率。某些文献本身研究了不同生态系统土壤Nmin、Nnit,将该类文献数据拆分为不同生态系统样本数据。用于收集数据的每项研究都包括Nmin或Nnit,但并非包括所有土壤理化指标。

1.2 数据分析

在统计分析之前,除pH之外的所有数据进行log10转换消除异方差性。采用离群值删除,从分析中排除99%置信区间之外的点。采用t检验比较中国南北方地区土壤理化指标和氮总转化速率；采用单因素方差分析(ANOVA)检验林地、草地和农田生态系统土壤理化指标和土壤氮总转化速率差异；采用相关分析和逐步回归分析确定土壤理化指标与氮总转化速率之间的关系,在一元回归分析中拟合显著的土壤理化指标列为多元回归参数。所有统计分析中显著性水平P<0.05视为差异显著。数据统计分析使用SPSS 20.0,图形制作使用Origin 2016软件。

2 结果

2.1 中国南北方土壤氮总转化速率差异

表2 中国南北方土壤理化指标、总矿化速率(Nmin)和总硝化速率(Nnit)差异

2.2 中国林地、草地、农田生态系统土壤氮总转化速率差异

Nmin和Nnit在林地、草地和农田生态系统间差异显著(表3)。Nmin在草地生态系统土壤中最高,显著高于林地(P=0.002)和农田生态系统(P=0.005)；Nnit在农田生态系统土壤中最高,显著大于林地生态系统(P<0.001),与草地生态系统差异不显著(P>0.05)。

表3 中国不同生态系统土壤理化指标、总矿化速率(Nmin)和总硝化速率(Nnit)差异

2.3 全国、南北方地区及不同生态系统土壤氮总转化速率影响因素

图2 全国与南北方地区土壤Nmin与土壤理化指标关系Fig.2 Relationships between the Nmin and soil physical and chemical parameters in northern China, in southern China, and in China

图3 全国与南北方地区土壤Nnit与土壤理化指标关系Fig.3 Relationships between the Nnit and soil physical and chemical parameters in northern China, in southern China, and in China

图4 不同生态系统土壤Nmin与土壤理化指标关系Fig.4 Relationships between the Nmin and soil physical and chemical indexes in different ecosystems

图5 不同生态系统土壤Nnit与土壤理化指标关系Fig.5 Relationships between the Nnit and soil physical and chemical parameters in different ecosystems

表4 不同分类水平土壤Nmin和Nnit逐步回归方程

3 讨论

本次研究发现Nmin在草地生态系统显著高于林地和农田生态系统,在林地生态系统中最低(表3)。草地生态系统Nmin最佳拟合指标是土壤C/N,林地生态系统Nmin最佳拟合指标是TN(表4)。土壤C/N可以反映有机质分解程度。有研究表明,与高碳氮比(C/N>25)基质相比,低碳氮比(C/N<25)基质氮矿化的速率更高[31]。较高的土壤C/N说明土壤有较高的碳输入,微生物生长因受氮的限制处于缺氮状态,因此随着土壤C/N的增加通常对Nmin产生负面影响。而草地生态系统土壤C/N(12.79)显著小于林地生态系统(15.05)(表3),使草地生态系Nmin最佳拟合指标为土壤C/N。高氮素转化速率取决于土壤中高的微生物活性,而高的微生物活性归因于土壤中较高的TN含量[32-33]。林地生态系统植被结构复杂,土壤因枯枝落叶的大量输入,并通过淋溶、分解等过程向矿质层土壤提供有机质和养分[33],导致TN平均含量升高[34],影响微生物对土壤有机质的分解[35],进而影响土壤Nmin,说明在较高微生物活性下反应底物含量成为Nmin主要限制因素。然而,尽管林地生态系统TN均含量(3.57 g/kg)显著高于草地生态系统(1.70 g/kg),但其Nmin仍然显著低于草地(表3)。这可能是由于草地生态系统土壤低碳氮比和相关的微生物群落活动在Nmin调控中起重要作用[36]。此外,近年来,我国不少地区草地退化严重,植被覆盖率较低,草地生态服务功能下降[37]。草地生态系统土壤Nmin异常的高,可能是因为草地土壤结构被破坏,对土壤有机质物理保护能力降低[38],导致土壤有机质原位分解较快。

土壤理化指标被认为是控制土壤Nmin和Nnit的重要因素[19, 45-46]。然而,在草地生态系统中土壤Nmin和Nnit均与多数土壤理化指标相关性不显著(图4,图5)。Wang等[5]研究发现,土壤理化指标(SOC、pH)和气候因子在调节中国温带草原土壤氮转化中起重要作用。然而,Lang等[7]研究发现,影响土壤Nmin和Nnit的因素主要有土壤理化指标(pH、TC、TN、土壤C/N)和土地利用方式,在某些情况下,土壤中的Nmin和Nnit与土地利用方式无关[47]。Verchot等[48]在美国黄石国家公园研究发现,Nnit与TC、TN、土壤C/N等土壤理化指标都不存在显著相关。上述研究相互矛盾的结果可能归因于土地利用[39]、环境条件[49]、草种植物残余物[3]、植物类型[50]和微生物群落结构[51]的差异。因此,需要进一步研究草地生态系统土壤Nmin和Nnit的调控和潜在机制。

4 结论

本文通过收集基于室内培养实验采用15N同位素稀释技术研究氮总转化速率的121篇文献数据,分析中国陆地生态系统土壤Nmin和Nnit的空间格局及影响因素,得到以下结论：

(1)全国土壤Nmin和Nnit分别为6.03 mg N kg-1d-1和7.45 mg N kg-1d-1。北方土壤Nmin显著高于南方土壤；Nnit高于南方土壤但差异性不显著。

(2)不同生态系统土壤Nmin和Nnit的大小关系为：草地>农田>林地；农田>草地>林地。草地土壤Nmin与林地、农田差异显著,显著高于林地(P=0.002)、农田(P=0.005)；农田土壤Nnit与林地差异显著(P<0.001),与草地差异不显著(P>0.05)。