短期增温对内蒙古大青山油松人工林土壤净氮矿化速率的影响

摘要  利用顶盖埋管法，研究短期模拟增温（1年）对大青山油松人工林（Pinus tabuliformis）土壤的铵化、硝化及氮矿化速率的影响。结果表明：模拟增温显著提高了各层土壤温度，其中5、10、20、40 cm土层土壤温度分别增加了1.09、1.37、1.14、1.44 ℃，5、10、20 cm土层土壤湿度分别较CK减少了3.63%、1.91%、6.71%，40 cm土层增加1.20%。增温处理下0～10 cm土层土壤碱解氮和全氮含量较CK分别增加了54.02%和40.91%，10～20 cm 土层土壤的全氮、有机碳含量分别增加了40.00%、41.26%。增温处理下土壤净氮矿化速率呈现季节单峰曲线变化趋势，8月达到峰值。模拟增温使0～10 cm土层土壤的铵化速率和硝化速率分别降低了19%、200%，10～20 cm土层降低了6%、17%，表层和下层土壤的净氮矿化速率分别降低了52%和51%。增温处理下，随着土壤深度的增加，土壤湿度降低，这是导致土壤净氮矿化速率降低的主要原因。

关键词  模拟增温；油松人工林；氮矿化；温带森林

中图分类号  S 714   文献标识码  A   文章编号  0517-6611（2023）05-0126-06

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2023.05.029

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Short-term Warming on Soil Nitrogen Mineralization Rate of Pinus tabulaeformis Plantation in Daqingshan， Inner Mongolia

LI Yi-qian， ZHANG Xiao-pu， MA Xiu-zhi et al

（College of Agronomy， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010018）

Abstract  In this paper， the effects of short-term simulated warming （one year） on the rates of soil ammonification， nitrification and nitrogen mineralization of Pinus tabulaeformis plantation in Daqingshan were studied. The results showed that the simulated warming significantly increased the soil temperature in each layer， in which the soil temperature in 5 cm， 10 cm， 20 cm and 40 cm increased by 1.09， 1.37， 1.14 and 1.44 ℃ respectively. The soil moisture of 5 cm， 10 cm and 20 cm soil layers decreased by 3.63%， 1.91% and 6.71% respectively compared with the control， and the soil moisture of 40 cm soil layers increased by 1.20%. Under warming treatment， the contents of alkali hydrolyzable nitrogen and total nitrogen in 0-10 cm soil of Pinus tabulaeformis plantation increased by 54.02% and 40.91% respectively compared with the control， and the contents of total nitrogen and organic carbon in 10-20 cm soil increased by 40.00% and 41.26% respectively. Under warming treatment， the mineralization rate of soil net nitrogen showed a seasonal single peak curve， and reached the peak in August. The simulated warming reduced the ammonification rate and nitrification rate of 0-10 cm soil layer by 19% and 200%， 6% and 17% in 10-20 cm soil layer， and the net nitrogen mineralization rate of surface and lower soil layer by 52% and 51% respectively. Under the warming treatment， with the increase of soil depth， the soil humidity decreases. The decrease of soil humidity is the main reason for the decrease of soil net nitrogen mineralization rate.

Key words  Simulated heating;Pinus tabulaeformis plantation;Nitrogen mineralization;Temperate forests

氮是植物生长发育至关重要的元素，氮元素更多以NH4-的有机氮形式存在于土壤中［1］，而有机氮需要转化为可溶性的无机氮才能被吸收利用［2］，这一单向转化过程称为土壤氮矿化过程。土壤氮素的矿化是反映土壤供氮能力的重要因素之一，因此土壤氮矿化过程是决定森林生态系统结构与功能的重要过程。

影响氮矿化形成过程的因素较多，如土壤温度和湿度，土壤微生物活性及环境因子［3-4］。温度和湿度影响则更为明显，研究表明，在5～15 ℃ 氮矿化速率与温度的相关性较弱［5］。Nadelhoffer等［6］研究发现，在3～9 ℃时，氮矿化速率增大，9～15 ℃时没有显著相关性。在低温状态下，氮的硝化速率与温度成正比，高温状态则相反［7］。陈瑞等［8］在研究中发现增温会抑制杉木林土壤净矿化作用，对净硝化速率无影响。李旸等［9］在夜间模拟增温研究中发现增温加快了土壤氮矿化速率，降低了硝化速率。Turner等［10］研究发现，增温对土壤净氮矿化速率影响不大，在冬季增温净氮矿化速率是对照的2倍。Ineson等［11］模拟增温研究发现，试验进行的前150 d土壤硝态氮的含量显著下降，之后增加。

大青山位于内蒙古自治区呼和浩特市，是内蒙古中部重要的森林生态系统，也是整个土默特平原最大的生态屏障，对内蒙古中部的生态安全有着不可估量的意义。随着全球气温的上升，内蒙古近60年来平均每10年增温0.47 ℃［12］，陈丽霞［13］对大青山的碳氮及微生物群落动态研究发现，季节和树种能显著影响碳氮微生物量，土壤微生物量碳氮含量与土壤微生物丰度显著正相关；白静［14］在对大青山人工油松林的研究中发现，直径、树高近似正态分布，各层的生物量组分表现为乔木层＞枯落物层＞林下植被层；郝晨阳［15］在大青山通过模拟增温发现生长季土壤碳氮含量均有所降低，但均不显著。增温改变了土壤氮矿化原有的平衡速率，对整个大青山的森林生态系统稳定产生了极大的不确定性。笔者以内蒙古大青山油松人工林（Pinus tabuliformis）为研究对象，拟揭示在增温条件下土壤氮矿化的变化趋势，旨在 为该区域温带森林生态系统土壤养分管理及森林经营提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于阴山山脉中段乌素图国家森林公园附近，地理坐标为111°34′21″E，40°51′19″N，海拔1 211 m，属大陆性半干旱季风气候，年平均气温6.7 ℃，春秋气候干旱，夏季降水居多，冬季气温干燥寒冷，积雪少，年降水量300～450 mm。主要植物有油松（Pinus tabuliformis）、白扦（Piceameyeri）、青扦（Picea wilsonii Mast.）、侧柏（Platycladus orientalis）、虎榛子（Ostryopsis davidiana Decaisne）、绣线菊（Spiraea Salicifolia L.）。

1.2 试验地选取

试验开始于2019年10月，使用开顶式生长室（open top chamber，OTC）人工模拟的增温装置。选择地势平坦、环境良好的地方固定好OTC作为试验样地。OTC是聚碳酸酯（PC板，透光率90%）为材料的八面体装置，上下底面和高的直径分别为1.50、2.75、2.42 m。试验样地基本情况：树种为油松人工林，海拔1 160 m，树龄35年，坡度13°，阴坡，胸径为9.17 cm，树高9.29 m，枝下高1.66 m，东西冠幅3.40 m，南北冠幅3.87 m，郁闭度0.85。

1.3 试验设计

设置对照（CK，control）、增温（T，warming）2个处理，共计4个重复，4个CK，共8个试验小区。安装WN-30LDT多通道温湿度检测器对大青山油松人工林土壤温湿度（5、10、20、40 cm）和空气温湿度（1.5 m）进行全年动态观测，频率为0.5 h 1次。

1.4 试验方法

顶盖埋管法测定土壤氮矿化速率，不同试验小区每30 d选1个土壤培养点（6—9月），取土样前清理地表杂物，选2个PVC管的下端削尖，将其中1根用透气不透水的封口膜封住，原位培养30 d。将另1根管内的土取出，封装后将土样分成2份，用2 mm过筛后1份进行无机氮的测定，另1份用于土壤理化性质的测定。

土壤氮的净氮矿化、铵化、硝化速率计算公式：

土壤净氮矿化速率= ［（ 土壤培养后NH4+-N+ NO3--N）- （土壤初始NH4+-N+ NO3--N）］/培养天数

土壤硝化速率= （培养后NO3--N-初始NO3--N）/培养天数

土壤铵化速率= （培养后NH4+-N-初始NH4+-N）/培养天数

室内土壤分析包括土壤湿度、NH4+-N、NO3--N、土壤有机碳、全氮含量及土壤常规理化性质的测定。土壤含水量用烘干法测定，土壤容重采用环刀法测定，土壤pH采用便携式酸度计（pHS-3c）测定，碱解氮含量用碱解蒸馏法测定，有机碳含量采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定， 土壤全氮含量采用半微量凯氏法测定，土壤铵态氮（NH4+）和硝态氮（NO3-）含量采用KCL溶液浸泡随机提出后用连续流动分析仪测定。

1.5 数据分析

数据处理采用差异分析和相关性分析，采用Excel绘制成表。

差异分析：单因素方差分析增温对土壤理化性质的影响，研究不同处理方法和不同土层间的各种元素数据差异。

相关性分析：分析增温对土壤理化性质和土壤铵化、硝化、氮矿化速率的影响。