土壤碳、氮含量及其动态平衡直接影响着土壤肥力和林地生产力,有机碳氮的矿化是土壤中重要的生物化学过程,直接关系到土壤中养分元素的释放与供应、温室气体的形成以及土壤质量的保持等.氮素是限制植物生长的重要营养元素,土壤中氮含量的改变对陆地生态系统碳循环过程有不同程度的影响^[1].陆地生态系统中,碳循环和氮循环紧密相连,表现出相互耦合作用,进行土壤碳氮养分研究具有重要的现实意义.氮素可限制植物光合、有机质分解、同化产物的分配以及生态系统对大气CO₂浓度升高的响应,碳氮耦合循环模型分为静态模型、土壤氮限制模型和叶氮限制模型^[2].不同碳循环过程模型表达方法的不确定性主要是由于无法深入了解氮素在呼吸作用和同化物分配过程中的作用^[1].我国农田土壤碳氮耦合特征存在区域差异,耕层土壤有机碳和全氮含量之间存在显著耦合关系^[3].不同施肥措施下碳氮功能的耦合效应不同^[4,5].国内外对土壤碳氮转化耦合特征的研究多集中在森林和农田^[6~10],很少涉及植被恢复模式下的林地.宁夏南部山区地处内陆,气候干旱,地面多山,下垫面复杂,生态环境脆弱.在国家退耕还林政策支持下,生态环境得到了改善.但是,关于不同退耕还林方式下,土壤中碳氮耦合关系尚不清楚.因此,本文选择宁南山区典型人工林地中的柠条、山桃和山杏林地土壤作为研究对象,采用PVC顶盖埋管法进行为期1 a的原位矿化培养实验,探究土壤矿化过程中林木类型及温度、水分对土壤碳氮转化速率的影响,以期为宁南山区生态系统的保护、恢复及重建工作提供理论依据. 1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于中国科学院水土保持研究所固原生态站上黄试验区(海拔1534~1822 m),它属于典型的黄土高原丘陵沟壑区,为半干旱中温带向暖温带过渡季风气候,年均气温6.9℃,年均降水量420 mm,干燥度1.55.土壤类型主要是黄土母质上发育的淡黑垆土和黄绵土^[11].主要植被恢复模式有人工草地(苜蓿Leguminosae),天然草地(长芒草Pseudoraphis bungeana Trin,百里香Thymus mongolicus,茭蒿Artemisia等),人工林地(柠条Caragana korshinskii、山桃Prunus davidiana ,山杏Prunus mandshurica等)和自然恢复草地等. 1.2 样地设置与实验设计

在野外调查的基础上,结合当地植被恢复的特点,选择柠条、山桃和山杏这3种典型人工林地作为研究样地,样地地理特性与植被概况如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 样地植被与地理概况 Table 1 Vegetation and geography status of the sampling sites 植被类型 优势种 盖度/% 伴生种 退耕年份 坡度/(°) 经纬度 海拔/m 柠条 柠条和长芒草 65 洋冰草和茭蒿 1983 9 N36°00′35.98″， E106°27′28.47″ 1649 山桃 山桃 45 长芒草 1983 18 N36°00′0.36″， E106°27′53.77″ 1632 山杏 山杏和长芒草 58 猪毛蒿 2002 4 N35°59′50.61″， E106°28′1.51″ 1617

表 1 样地植被与地理概况 Table 1 Vegetation and geography status of the sampling sites

于2012年4月中旬分别在每个样地中设置3个样方(20 m×20 m)作为3个野外重复,各样方均按"S"形多点采集0~10 cm土样混合后作为各样地背景土样.同时,采用PVC顶盖埋管法,在每个选定的样方内选择5个采样点,在每个选定的采样点,除去表层凋落物后,打入内径7 cm,高11 cm的PVC管,小心取出含有原状土柱的PVC管,顶部用透气不透水的塑料薄膜封口,下端用脱脂棉和纱布封口后放回原位,表层再恢复覆盖物.依次于2012年6月、8月、10月、12月和2013年4月中旬各采集一批PVC埋管土,同时采集2012年4月背景土作为对照,共6批土壤,相当于分别原位矿化培养0、60、120、180、240和360 d.采样时对应时间的土壤平均温度分别为11.5、19、21、9、-4和11.5℃.

土壤样品带回室内后分成2份,一部分冷冻保存,保存温度为-20℃,测定各项指标.一部分于阴凉处自然风干.进行室内分析前,将土样中的根系、石块等物质挑除,按照测定项目的需要,过不同粒径的土筛. 1.3 测定指标及其分析方法

土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K₂SO₄提取-TOC仪测定,未熏蒸土壤的TOC即为土壤可溶性有机碳(DOC);微生物生物量氮(MBN)用氯仿熏蒸-K₂SO₄浸提后用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定^[12].铵态氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃^--N)用KCl浸提后连续流动分析仪测定,土壤有机氮(SON)采用不包含硝态氮和亚硝态氮的半微量凯氏法测定土壤全氮,减去铵态氮后得到.pH用无CO₂水溶解振荡,pH计测定;土壤水分用烘干法;土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾-外加热法;可溶性有机氮(DON)是根据总可溶性氮和无机氮(NH₄⁺-N+NO₃^--N)的差值求得^[13],其中总可溶性氮是用测定微生物生物量氮时未熏蒸土壤测出.所有测定均做3个平行. 1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007进行作图分析,并对碳氮相关指标作线性回归分析,得出相关系数;用SPSS (19.0)软件对3种不同林地同一培养时间和同一林地不同培养时间土壤理化指标和微生物性质分别进行方差分析,多重比较采用Scheffe法.

净氨化速率[mg ·(g ·d)^-1]=(培养后NH₄⁺-N-培养前NH₄⁺-N)/天数

净硝化速率[mg ·(g ·d)^-1]=(培养后NO₃^--N-培养前NO₃^--N)/天数

净矿化速率[mg ·(g ·d)^-1]=[(培养后NH₄⁺-N+NO₃^--N)-(培养前NH₄⁺-N+NO₃^--N)]/天数

SOC、SON、MBC和MBN的转化速率与上述计算相同,即分别为培养后对应含量减去培养前含量,差值再除以培养天数,共5个时间段. 2 结果与分析 2.1 原位矿化过程中土壤水分和pH值的变化特征

如图 1所示,土壤平均含水率在柠条、山桃和山杏地分别为13.99%、9.95%和17.13%.山杏地中显著高于柠条和山桃地;整体上都在61~120 d (6~8月)较低,初始值(4月)较高.最低值都出现在60 d,分别比初始低6.63%、6.88%和5.28%,且前两个林地差异显著(P<0.05).最高值在柠条和山桃地都出现在0 d,而山杏林地在240 d,且比初始增加了16.28%.矿化期间土壤平均pH值在柠条、山桃和山杏地分别为8.28、8.37和8.34,山桃和山杏变化趋势基本一致,都在180 d最高,0 d最低,之间分别相差0.23,0.19,差异不显著.而柠条在240 d达到最大值,0 d最低,二者相差0.13,差异显著(P<0.05).

图 1

Fig. 1

不同大写字母表示同一植被类型不同矿化时间下差异显著，不同小写字母表示不同植被类型同一矿化时间差异显著，下同图 1 人工林地基本理化性质 Fig. 1 Soil basic physiochemical characters in different artificial forestlands

如图 2所示,土壤有机碳含量在矿化期间变化不显著,夏季(60 d)普遍较高,秋冬季(121~240 d)普遍较低.土壤有机碳平均含量在山杏、柠条和山桃地分别为10.08、9.17和8.12 g ·kg^-1.土壤DOC含量在培养后期显著增加,在360 d达最大,较培养初始增加了1.93~3.39倍;120 d最低,比初始下降41.42%~63.36%.培养期间,柠条和山桃林地DOC的平均含量显著高于山杏林地(P<0.05).土壤微生物生物量碳(MBC)含量大体呈现出0 d、360 d和121~180 d大于60 d、240 d,即春、秋季>夏、冬季的趋势.都在培养60 d (6月)时达到最小值,比0 d降低了71.3%~90.4%,山杏地显著大于山桃和柠条(P<0.05).培养180 d (10月)时均达到最大值,比0 d分别增加了145.12%、139.25%和106.53%,柠条和山桃增加显著(P<0.05).360 d时3种林地土壤MBC的含量都大于0 d,在柠条,山桃和山杏林地中增幅分别为27.41%、119.72%和140.16%.

图 2

Fig. 2

图 2 土壤原位矿化过程中碳素的变化 Fig. 2 Soil carbon distribution in soil in-situ mineralization cultivation

如图 3所示,柠条、山桃和山杏土壤SOC的平均转化速率分别为-5.45、-4.17和-0.47 mg ·(kg ·d)^-1,3种林地差异不显著.3种林地有机碳的转化速率在培养61~120 d之间都为负值,而在121~180 d为正值.其余时间,除了山杏在0~60 d、山桃在241~360 d为正外,基本都为负值.即培养过程中,有机碳总体上固定较少,矿化较多.柠条,山桃和山杏林地土壤MBC的平均转化速率分别为0.35、0.028和0.10 mg ·(kg ·d)^-1.且都在0~60 d、121~180 d和241~360 d为正值,即微生物数量增加,碳素被固定于微生物体内.61~120 d,181~240 d MBC变化速率为负值,即MBC被转化利用而减少.

图 3

Fig. 3

图 3 有机碳和微生物量碳转化速率的动态 Fig. 3 Dynamics of soil organic carbon and microbial carbon rates

如图 4所示,土壤MBC/SOC在3个林地的平均值分别为0.03、0.04和0.02,且山桃显著高于柠条和山杏.培养过程中,柠条的增幅最大,为1.18倍,山桃和山杏林地分别增加了29.7%和80.4%.MBC/SOC初始值在山杏林地显著小于柠条和山桃林地,其他时间段无显著差异.

图 4

Fig. 4

图 4 MBC/SOC的变化 Fig. 4 Changes of MBC/SOC

如图 5所示,土壤铵态氮(NH₄⁺-N)在整个培养阶段呈Z型变化,整体上降低.在61~120 d降低显著,与培养初始(0 d)相比,培养120 d时柠条土壤铵态氮含量降幅最大为76.02%.培养120 d以后其含量保持相对稳定.3种林地的平均值分别为5.10、5.35和5.07 mg ·kg^-1,在121~240 d之间含量有显著差异.土壤硝态氮(NO₃^--N)的含量整体上降低,同一林地的不同培养时期呈现出显著的差异(P<0.05).3种林地硝态氮平均值分别为11.62、2.95和3.21 mg ·kg^-1,其中柠条林地的硝态氮含量显著大于山桃和山杏,而且变化幅度最大,出现两个峰值,最大值为18.52 mg ·kg^-1.

图 5

Fig. 5

图 5 土壤矿化过程中无机氮的变化 Fig. 5 土壤矿化过程中无机氮的变化

土壤中的氮同时进行2个过程转化,一是矿化作用,即在微生物作用下将有机氮转化为无机氮,为正值;另一个是腐殖化过程,即已矿化的氮被土壤中微生物同化而形成有机氮,这一过程称为矿化氮的固持作用,为负值.如图 6所示,3种林地土壤的净氨化速率相差不大,在培养期间,61~120 d的净氨化速率最低且均为负值,241~360 d土壤净氨化速率最大,为0.017~0.033 mg ·(g ·d)^-1.土壤净硝化速率最小值也出现在61~120 d,其他时段的净硝化速率均显著大于61~120 d.土壤净硝化速率表现为柠条>山杏>山桃.3种林地土壤净矿化速率的变化趋势与净硝化速率基本一致.在整个培养过程中,最小值也出现在61~120 d,且显著小于其他时段(P<0.05).柠条在121~180 d净硝化速率和净矿化速率显著大于山桃和山杏.

图 6

Fig. 6

图 6 不同林地土壤净氨化、 净硝化、 净矿化速率动态 Fig. 6 Dynamics of soil ammonification，nitrification and mineralization rates in different artificial forestlands

如图 7所示,土壤有机氮含量表现为柠条和山桃显著大于山杏(P<0.05),平均含量分别为0.98、0.71和0.92 g ·kg^-1.同一样地不同的培养时间差异很小,整体上为下降的趋势,降幅为1.03%~17.57%.土壤可溶性有机氮(DON)原位培养1 a在3种林地都呈典型的Z型变化,且最小值出现在120 d,之后都快速增加,3种林地平均含量分别为50.93、23.37和23.46 mg ·kg^-1.整个培养期间除了360 d,3种林地DON差异不显著,其他时间段都表现为柠条地显著大于山桃和山杏.3种植被DON在360 d后分别比初始值增加了1.3倍、10.84倍和9.07倍.土壤微生物生物量氮(MBN)含量原位培养360 d后总体上增加,比初始值增加了1~4.28倍,且平均含量表现为柠条>山杏>山桃.在培养期间,MBN含量在柠条林和山杏林地变化趋势一致,120 d时(8月)达到各自的最小值,分别比0 d降低了28.5%和63.8%.180 d时,柠条地MBN达到最高值,比初始增加了10.45倍,培养360 d时显著大于0 d,增加了4.28倍.而山杏到240 d达到最大值,为92.222 mg ·kg^-1.山桃林地在培养初期0~120 d呈下降趋势,120 d达到最小值,与初始和60 d时差异显著(P<0.05),比初始值降低了81.45%,360 d时达到最大值,为92.533 mg ·kg^-1,增加了1.0倍.

图 7

Fig. 7

图 7 土壤矿化过程中有机氮变化 Fig. 7 Changes of organic carbon during soil mineralization

如图 8所示,柠条、山桃和山杏的SON转化速率平均值分别为-0.36、-0.52和0.58 mg ·(kg ·d)^-1,山杏地显著高于柠条和山桃.整体上0~180 d转化速率较大,而180 d后较低,但是差异不显著.土壤微生物量氮的转化速率在3种林地的平均值分别为0.23、0.12和0.33 mg ·(kg ·d)^-1,山杏地显著高于柠条和山桃.3种植被都在61~120 d为负值,即微生物数量减少或微生物量氮被转化,121~180 d为正值,这个时期微生物数量增加,氮素被固定.

图 8

Fig. 8

图 8 有机氮和微生物量氮的转化速率动态 Fig. 8 Dynamics of soil organic nitrogen and microbial nitrogen rates

如图 9所示,柠条、山杏和山桃地土壤MBN/SON的平均值分别为0.058、0.056和0.075,山杏显著大于柠条和山桃,MBN/SON值在3种林地都于120 d达到最小值0.01,181~360 d较高.培养期间都呈增加的趋势,增幅为1.28~4.78倍,其中柠条的增幅最大.

图 9

Fig. 9

图 9 MBN/SON 的变化 Fig. 9 Changes of MBN/SON

培养期间,土壤有机碳与全氮、微生物量碳氮、土壤可溶性碳氮、有机碳转化速率与净氨化速率、净硝化速率和MBN转化速率的相关性存在明显不同,说明不同形式的碳发生变化,不同形式的氮反应能力并不相同.设土壤全氮、MBN、DON、净氨化速率、净硝化速率和MBN转化速率这6个自变量分别为x₁、x₂、x₃、x₄、x₅和x₆,对应的应变量分别为有机碳(y₁)、MBC (y₂)、DOC (y₃)、SOC转化速率(y₄).其耦合结果如表 2所示,土壤有机碳与全氮含量、土壤微生物量碳氮之间都呈极显著正相关,而土壤可溶性有机碳氮之间呈显著正相关.

表 2(Table 2)

表 2 碳氮转化的耦合关系1) Table 2 Coupling between transformation of soil carbon and nitrogen 变量 线性方程 相关系数 R 自变量 x 应变量 y 全氮( x1) 有机碳( y1) y1=7.6957 x1+2.1012 R 1=0.669 ** MBN( x2) MBC( y2) y2=1.6761 x2+94.8059 R 2=0.793 ** DON( x3) DOC( y3) y3=3.0310 x3+64.2792 R 3=0.582 * 净氨化速率( x4) SOC转化速率( y4) y4=0.1243 x4+0.0002 R 4=0.625 * 净硝化速率( x5) y4=0.1717 x5-0.0019 R 5=0.677 ** MBN转化速率( x6) y4=0.0222 x6-0.0084 R 6=0.700 ** 1)*表示存在显著相关(P<0.05)，**表示存在极显著相关(P<0.01)，下同

表 2 碳氮转化的耦合关系1) Table 2 Coupling between transformation of soil carbon and nitrogen

将3种林地所有时间段的土壤相关指标进行相关性分析,结果如表 3所示,土壤MBC与DOC、MBN极显著正相关,与铵态氮极显著负相关,而土壤MBN与土壤水分和铵态氮极显著负相关,MBC/MBN与土壤水分极显著正相关,与DOC和有机氮显著负相关,MBC/SOC与有机氮极显著负相关.MBN/SON与土壤水分和铵态氮极显著负相关,与MBC和DOC极显著正相关.净氨化速率与pH和MBC、硝态氮、MBN显著相关.而净硝化速率和净矿化速率一致,与水分和铵态氮极显著正相关,与MBC和MBN显著负相关,说明氮素矿化与铵态氮和MBN这两种氮素形态密切相关.

表 3(Table 3)

表 3 土壤碳氮转化速率与土壤理化性质的关系 Table 3 Correlation coefficients of rates of carbon and nitrogen transformation and soil basic physiochemical characters MBC MBN MBC/MBN MBC/SOC MBN/SON 净氨化速率 净硝化速率 净矿化速率 pH 0.186 0.201 -0.086 0.195 0.222 0.299 * 0.135 0.018 水分 -0.026 -0.368 ** 0.506 ** 0.194 -0.450 ** 0.509 0.486 ** 0.529 ** SOC 0.024 0.123 -0.133 -0.290 ** 0.074 0.120 0.013 0.059 DOC 0.262 ** -0.138 -0.232 * -0.007 0.278 ** -0.185 -0.099 -0.149 NH 4+ -N -0.414 ** -0.520 ** 0.178 -0.146 -0.377 ** 0.290 ** 0.427 ** 0.434 ** NO 3- -N -0.064 0.018 -0.005 0.033 0.142 -0.254 * 0.035 -0.078 有机氮 0.027 0.097 -0.226 * -0.289 ** 0.203 * -0.067 0.013 -0.017 MBC 1 0.793 ** -0.197 0.377 ** 0.554 ** -0.267 * -0.276 ** -0.312 ** MBN 1 -0.405 ** 0.056 0.580 ** -0.422 ** -0.380 ** -0.053 **

表 3 土壤碳氮转化速率与土壤理化性质的关系 Table 3 Correlation coefficients of rates of carbon and nitrogen transformation and soil basic physiochemical characters

土壤中有机碳是微生物活动的能源,氮是构成微生物细胞的要素,碳氮含量的大小,决定于土壤碳氮输入、输出及相关土壤性质和过程.土壤中的氮绝大部分是以有机态形式存在,约占土壤全氮量的92%~98%.但有机态氮不能被植物直接吸收利用,必须通过矿化作用转化为无机态氮才可以被植物所吸收、利用.本研究采用顶盖埋管法保持了原有土壤的水分、通气性,理论上排除了植物对碳氮的吸收和无机氮淋溶,能较好地反映土壤自然矿化特征. 3.1 土壤矿化过程中碳氮转化的耦合关系

本实验得出有机碳和全氮之间存在极显著正相关关系,相关系数为0.669^**,这一结论与文献^{[5, 14]}的研究一致,说明有机碳是影响土壤氮素的主要因子,其含量变化能够影响到土壤微生物对氮的转化.杜满义等^[7]对不同深度土壤有机碳和全氮含量进行拟合,两者遵循三次多项式拟合模型,与本研究结果不一致,可能与土壤深度有关.土壤中碳氮的相互关系是通过微生物连接起来的,土壤微生物的活性对土壤有机质的分解非常重要,土壤微生物与土壤有机碳、全氮有显著相关性^[15].氮素的增加可以提高土壤微生物的活性,加速土壤有机质的分解^[16].本实验中,土壤微生物量碳氮之间存在着极显著正相关关系,相关系数达到0.793^**,这说明MBN和MBC作为生物指标时具有协同性^[17].可溶性有机碳、氮是土壤中重要的两个元素,它们在土壤中的含量、营养物质循环供给以及植物的生长等方面有紧密的联系.本实验中可溶性有机碳、氮之间存在着显著正相关关系,相关系数为0.582^*.由于其最大的特点是可溶性,可以被植物吸收利用,所以一方值降低,另一方会相应地减少;SOC转化速率与净氨化速率显著正相关,相关系数为0.625^*,与净硝化速率和MBN转化速率极显著正相关,相关系数分别为0.677^**和0.700^**,说明土壤碳氮的转化关系密切,两个过程同时进行且相互影响. 3.2 温度和水分对土壤碳氮转化及其耦合关系的影响

本研究土壤有机碳变化不显著,而MBC含量变化较大,因为与土壤有机碳相比,微生物量碳库的周转率更大,周转时间更短,所以MBC比有机碳变化更快^[18].有机碳的动态变化过程主要体现在积累/矿化过程上,61~120 d转化速率为负,即这个时期有机碳的矿化大于积累,此时MBC的转化速率与SOC同步也为负值,说明此时有机碳的矿化主要是由MBC引起,可能是由于此时土壤水分含量较低,而且土壤温度最高,土壤处于干旱缺水的状态,不利于微生物的活动.研究指出,土壤温度在0~35℃范围内,微生物活动会随着温度的升高而明显增强.在干旱缺水的情况下,水分状况将成为影响土壤微生物生物量的重要因素,水分的可利用性直接影响微生物的活性.土壤严重干旱时,土壤中微生物的活性会受到影响,微生物开始死亡或休眠^[19].土壤MBC在培养60 d时含量最低,由于这个时期处于原位培养的初期,一方面原位埋管限制了正常土壤中根系分泌物对土壤养分的供给,微生物的环境瞬间改变,导致土壤微生物群落组成及数量重新调整,对环境敏感的微生物会通过数量的变化来适应新的环境.另一方面土壤中的有机物质和无机物的减少,使得向微生物提供的营养物质减少,减慢了微生物的自身合成代谢,从而导致MBC的降低.61~120 d除了柠条林地外,有机氮的转化速率全为负值,说明此时有机氮的矿化大于固定,但是这个时期NH₄⁺-N、NO₃^--N都显著降低,即有机氮降解形成的无机氮素很快被微生物利用或者淋失,也有可能被植物根系吸收,而此时MBN同步降低,则基本排除微生物的吸收利用.由于本研究埋管深度为15 cm,处在表层土壤中,而人工林地中植被根系较深,植物根系可以从管口下端吸收淋失的无机氮素,导致无机氮素降低,其具体原因有待进一步研究.61~120 d时土壤净氨化、净硝化和净矿化速率都为负值,说明这个时期微生物对氮素的同化作用强于矿化,这是因为NH₄⁺-N含量大于NO₃^--N,NH₄⁺-N较NO₃^--N更易于为土壤微生物同化利用^[20].

121~180 d时SOC、MBC转化速率都为正,氮素的转化速率中MBN最明显,其积累量显著大于其他时间段,土壤碳氮累积大于矿化,微生物活性最大,土壤温度下降,但是水分含量最高,此时温度和水分含量适宜微生物的生长;180 d时MBC、MBN最高,这可能是因为某些微生物群落成员在较高的温度时有能力代谢那些在较低温度时不能被利用的基质^[21].说明碳氮变化同步,在土壤矿化过程中二者互相制约.

微生物商增大,说明土壤中可供微生物利用的碳增多,从而使微生物活性增大.本研究中,3种植被土壤微生物商为1%~7%,这个比例高于陈国潮等人测定的南方酸性红壤中的值^[22],这说明植被恢复对黄土高原生态破坏有一定的改善作用.土壤DOC是土壤有机碳中较易被微生物利用的部分,有机碳的解聚和溶解是其矿化的先决条件.本研究中,DOC含量在0~240 d并无显著变化,所以水分含量对DOC并无显著影响,这与李忠佩等^[23]的研究结果不一致;241~360 d DOC含量显著增加,而且MBC转化速率由负值变为正值,说明此时微生物活性增强,固定的有机碳增加.

研究表明,温度在5~25℃范围内,氮矿化速率和硝化速率与温度和水分呈正相关^[24].本研究中,净硝化速率、净矿化速率都与土壤水分呈极显著正相关关系,这与刘杏认等^[25]的研究结果一致,但是土壤水分与净氨化速率相关性不大,这是因为土壤氨化作用是氮素矿化的一个中间过程,土壤中NH₄⁺-N含量的变化受到氨化作用和硝化作用共同影响.所以,土壤净氨化速率的变化仅能从一个侧面反映土壤氮氨化作用的强弱.土壤氮素矿化作用的产物包括NH₄⁺-N和NO₃^--N,二者在土壤中可以相互转化,并受到多重因素的影响,因此二者之和的变化速率即净矿化速率更能比较客观地反映土壤氮素的矿化作用.硝化作用强度基本等同于氮素矿化作用强度^[26]. 3.3 林地类型对土壤碳氮转化及其耦合关系的影响

3种植被土壤在原位矿化一年后MBC/SOC、MBN/SON升高,随着植被类型的不同而不同,其中柠条地增加最显著.这可能是因为山杏和山桃地的地上草本数量较少,植被总盖度小,太阳光投射面积大,使得在夏季土壤表层温度相对高于柠条地,这种较高的土壤温度明显抑制微生物生长繁殖.而柠条地与之相反,其地表草本密集,使地温不至于过高,从而对微生物生长起正向促进作用.而山杏地MBC在0 d、180 d较低,这可能是因为此时山杏林地土壤含水率较高,造成氧气向土壤中扩散受阻,微生物呼吸受到抑制,土壤微生物呼吸速率较低,不利于微生物生长繁殖和生态系统的物质周转,其具体原因有待进一步研究.

研究发现,林型对氮素矿化有重要影响^[27].环境因素中温度、湿度,以及凋落物供给的差异等最终是通过影响到林下不同的微生物类群的数量、种类和活力来影响氮素矿化.植被是影响土壤氮素转化的重要因素^[28].本研究中柠条林地土壤净硝化速率、净矿化速率明显高于山桃和山杏林地,这主要是因为柠条是豆科植物,根表根瘤菌的大量存在使得根际土壤氮素养分充沛^[29].其次,不同植被恢复方式显著影响土壤有机碳和氮含量,在整个培养过程中,山桃林地的有机碳、氮含量最低,这可能与山桃林地输入土壤中枯落物量和降解难易程度有关^[30]. 4 结论

(1)整个培养过程中有机碳的转化与MBC的转化基本一致,说明有机碳含量的变化主要由MBC引起,土壤水分是影响二者含量变化的主要因素.DOC在241~360 d显著增加,主要与土壤温度上升有关.

(2)整个培养过程中,有机氮的矿化大于固定,部分无机氮素损失.柠条土壤氮素矿化速率显著高于山桃和山杏.

(3)土壤有机碳与全氮含量、土壤微生物量碳氮之间都呈极显著正相关,而土壤可溶性有机碳氮之间呈显著正相关.土壤有机碳转化速率与净氨化速率显著正相关,与净硝化速率和MBN转化速率极显著正相关.