环境科学  2016, Vol. 37 Issue (2): 697-702   PDF    
引用本文
林俊杰, 张帅, 刘丹, 周斌, 肖晓君, 马慧燕, 于志国. 季节性温度升高对落干期消落带土壤氮矿化影响[J]. 环境科学, 2016, 37(2): 697-702.
LIN Jun-jie, ZHANG Shuai, LIU Dan, ZHOU Bin, XIAO Xiao-jun, MA Hui-yan, YU Zhi-guo. Effect of Seasonal Temperature Increasing on Nitrogen Mineralization in Soil of the Water Level Fluctuating Zone of Three Gorge Tributary During the Dry Period [J]. Environmental Science, 2016, 37(2): 697-702.
季节性温度升高对落干期消落带土壤氮矿化影响
林俊杰1,5, 张帅1, 刘丹2, 周斌3, 肖晓君1, 马慧燕1, 于志国4    
1. 重庆三峡学院三峡库区水环境演变与污染防治重庆高校市级重点实验室, 重庆 404100;
2. 重庆三峡职业学院农林科技系, 重庆 404100;
3. 辽宁省气象科学研究所, 沈阳 110166;
4. 南京信息工程大学水文气象学院, 南京 210044;
5. 中国科学院重庆绿色智能技术研究院中国科学院水库水环境重点实验室, 重庆 400714
收稿日期: 2015-06-16; 修订日期: 2015-09-17.
基金项目: 国家自然科学基金项目(41301248);中国科学院水库水环境重点实验室开放基金项目(RAE2014BA01B);重庆高校市级重点实验室开放基金项目(WEPKL2013MS-06)
作者简介: 林俊杰(1982~),男,博士研究生,讲师,主要研究方向为环境土壤学,E-mail:ybu_lin@126.com
摘要: 为揭示季节性温度升高对消落带落干期土壤氮矿化的影响,分别采集三峡支流澎溪河消落带上游和下游两个水文断面,155 m(低)、 165 m(中)和175 m(高)这3个水位高程表层土壤,结合落干期气温变化特点,在25℃ 和35℃ 两个温度下进行恒温培养. 结果表明,消落带土壤总氮和硝态氮在上游断面和高水位高程含量更高,而下游和低水位高程含量更低,铵态氮分布与其相反. 硝态氮是无机氮的主要存在形式,占无机氮的57.4%~84.7%. 相同培养温度下,氨化、 硝化、 净氮矿化速率均表现为随水位高程增加,随流域断面由下至上而显著增加(P < 0.05); 总体上,在水位高程和流域断面上均表现为:温度升高使硝化速率和净氮矿化速率显著增加(P < 0.05),而对土壤氨化速率无显著影响(P > 0.05).
关键词: 三峡支流     氮矿化     温度升高     落干期     消落带    
Effect of Seasonal Temperature Increasing on Nitrogen Mineralization in Soil of the Water Level Fluctuating Zone of Three Gorge Tributary During the Dry Period
LIN Jun-jie1,5, ZHANG Shuai1, LIU Dan2, ZHOU Bin3, XIAO Xiao-jun1, MA Hui-yan1, YU Zhi-guo4    
1.Key Laboratory of Water Environment Evolution and Pollution Control in Three Gorges Reservoir, Chongqing Three Georges University, Chongqing 404100, China;
2.Department of Agricultural and Forestry Science and Technology, Chongqing Three Gorges Vocation College, Chongqing 404100, China;
3.Liaoning Institute of Meteorological Science, Shenyang 110166, China;
4.College of Hydrometeorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China;
5.Key Laboratory of Reservoir Aquatic Environment, Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China
Abstract: To reveal the effect of seasonal temperature increasing on nitrogen mineralization in soil of the water level fluctuating soil zone of three gorge reservoir areas in the Yangtze river tributary during the dry period, surface soils were collected from the water level fluctuating zone of Pengxi river crossing two hydrological sections, i.e. upstream and downstream and three water level altitudes, 155 m (low), 165 m (middle) and 175 m (high). We incubated the soil at 25℃ and 35℃ to determine the transformation rates of nitrogen in soil of Pengxi river basin during the dry period. The result showed that TN and NO3--N contents in the soil of upstream section and higher (175 m) altitude of water level were higher than those in downstream and low (165 m) altitude of water level, whereas the pattern for NH4+-N was different, with higher NH4+-N contents in downstream and low water level. The inorganic nitrogen was dominated by NO3--N, which accounted for up to 57.4%-84.7% of inorganic nitrogen. Generally, soil ammoniation, nitration and net N mineralization increased with the rising water level altitude and stream sections(P < 0.05). In summary, nitration and net N mineralization significantly increased with increasing temperature, (P < 0.05), while ammoniation showed no difference(P > 0.05).
Key words: Three Gorge Tributary     nitrogen mineralization     temperature increasing     dry period     water level fluctuating zone    


土壤氮库绝大部分以有机态形式存在，而大部分植物无法直接利用有机氮[1]，必需通过土壤氮矿化过程在微生物的作用下将有机氮转化为铵态氮(NH+4-N)和硝态氮(NO3--N)等无机氮加以利用，而无机氮极易通过淋溶、 淹水胁迫等作用进入水体，从而增加了水体富营养化等问题发生的潜在风险[2]. 土壤氮矿化主要受凋落物输入[3]、 土壤微生物[4]、 土壤根际过程[5]等生物因素的影响. 近年来，土壤温度、 湿度[6]和pH值[7]等环境因子的影响也得到了广泛的关注. 温度是控制土壤氮矿化的重要驱动，土壤净硝化、 净氮矿化速率均表现为随温度升高而增加[8, 9]. 也有研究表明，水分变化是影响氮素矿化的重要因素，如前期研究证明温带草地土壤水分变化量与土壤净氮矿化速率呈正相关关系[10]，水分对草原土壤氮矿化起控制作用[11]. 也有研究认为，氮素的矿化和硝化作用受土壤含水量和土壤温度共同影响，且土壤含水量相关性更显著[12]. 葛晓敏等[13]通过研究不同温湿条件下杨树人工林土壤氮矿化特征发现，土壤净氮矿化量与温度呈极显著正相关关系，且适宜的湿度更有利于土壤氮的长期矿化.

三峡库区水位周期性涨落，在淹水期消落带浸没于水下，气温较低，而随夏季来临消落带进入落干期，气温呈季节性升高且土壤暴露在空气中，使落干-淹水过程环境因子和生物因子差异明显[14]. 三峡支流蓄水期水流缓慢，氮素进入水体不易稀释扩散，可能对水生态安全造成潜在风险，因此，在落干期温度升高条件下，探讨三峡支流消落带落干-重新加湿过程对土壤氮矿化(氨化作用和硝化作用)的影响对控制三峡支流水体富营养化问题具有重要意义. 本研究通过室内温度控制实验，以三峡支流澎溪河落干期消落带土壤为对象，分析温度升高对三峡支流消落带落干期土壤净氮矿化速率的影响，以期为探明季节性温度升高对三峡支流消落带土壤氮向水体输入氮通量变化以及对水体富营养化潜在风险提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区域与样品采集

澎溪河位于长江上游、 重庆东北部，N30°49′30″-31°41′30″、 E107°55′48″-108°54′之间，年均温18.5℃,年均降水1 100 mm. 由于三峡工程特殊的调蓄水制度，使库区水位12月上涨至175 m，6月消落至145 m，年际周期性涨落. 本研究于2014年6月，库区水位最低，消落带裸露期间，采集三峡支流澎溪河消落带上游(渠口镇)和下游断面(双江镇)，155、 165和175 m这3个水位高程的表层样品(0～20 cm)，每个采样点由3个随机样品混合而成(图 1)，置于保温箱内，带回实验室(4℃保存).

图 1 澎溪河流域采样点站位示意 Fig. 1 Sampling sites in the Pengxi River
1.2 水位涨落及落干期气温变化

2010-07-2014-07三峡库区万州站水位波动见图 2(a)，由于三峡大坝特殊的调蓄水制度，每年1月左右水位开始消落，到7月左右逐渐水位下降到145 m完成落干过程，之后水位逐渐上升，到11月左右水位上升至175 m完成重新加湿过程，并维持最高水位2个月左右. 不同水位高程消落带的淹水时间相差较大，155、 165和175 m水位高程消落带的淹水历时平均为282、 171和60 d. 本研究区气温变化见图 2(b),由2012-2014年全年平均气温统计数据显示，消落带落干期(4-7月)，无论日均最高温还是最低温均升高约10℃左右.

图 2 水位年际涨落及落干期温度变化 Fig. 2 Annual change of water level and temperature change during the dry period
1.3 土壤培养

原位新鲜土样，每个点5次重复，培养实验前测定土壤理化性质，分别在25℃ 和35℃ 自制三型聚丙烯培养器中培养，并用喷雾称重法调节土壤含水量，用穿孔封口膜保持水分恒定，培养30 d后的土壤用于测定铵态氮和硝态氮含量. 部分土样经风干、 过筛后测定pH、 NH+4、 NO3-、 TC、 TN. 土壤pH值采用0.01 mol ·L-1 CaCl2 浸提法、 铵态氮采用靛酚蓝比色法、 硝态氮采用1 mol ·L-1 KCl浸提比色法、 总碳、 氮用元素分析仪(意大利EA3000)以及土壤粒径组成采用比重计法测定.

1.4 计算方法

采用文献[15, 16]中氮矿化速率的方法，公式如下:

土壤净氮矿化速率[mg ·(kg ·30 d)-1]=(土壤培养30 d后的NO3--N+NH+4-N)-(土壤初始NO3--N+NH+4-N)

硝化速率[mg ·(kg ·30 d)-1]=(土壤培养30 d后的NO3--N)-(土壤初始NO3--N)

氨化速率[mg ·(kg ·30 d)-1]=(土壤培养30 d后的NH+4-N)-(土壤初始NH+4-N)

1.5 统计方法

利用SigmaPlot 12.5图形绘制，Microsoft Excel 2010进行数据处理，IBM SPSS Statistic 20数据统计，在进行不同水位高程(155、 165和175 m)相关参数比较时，数据分别为上游和下游相同高程相应参数的均值. 同样，在比较上游和下游断面相应参数差异时，数据分别为相同断面3个水位高程相应参数的均值.

2 结果与分析 2.1 消落带土壤基本理化性质

从表 1可见，研究区土壤总碳含量为(5.88±4.33) g ·kg-1，总氮为(0.53±0.19) g ·kg-1，土壤NH+4-N含量为(6.38±3.61)mg ·kg-1，占总氮的1.20％，NO3--N含量为(17.35±7.37) mg ·kg-1，占总氮的3.28％. 消落带土壤铵态氮含量分布趋势为：水位高程上，155 m>165 m>175 m； 流域断面上，下游>上游(P<0.05). 而硝态氮和总氮含量分布趋势在水位高程上均表现为155 m<165 m<175 m，但155和165 m之间无显著差异(P>0.05)，在流域断面上均为下游<上游(P<0.05). 砂砾在土壤粒径组成中占比最高(49.02%±14.38％)，其次为粉粒(35.8%9±12.08％)、 黏粒(15.08%±2.70％).

表 1 消落带土壤基本理化性质 1) Table 1 Basic physicochemical properties of the soils in the water level fluctuating zone
2.2 温度对土壤氨化速率的影响

由图 3可见，土壤氨化速率均随温度升高而降低，但差异不显著(P>0.05). 相同培养温度下(25℃ 或35℃)，155 m水位高程消落带的土壤氨化速率均为负值且显著低于165 m和175 m水位高程(P<0.05)，但165 m和175 m水位高程之间土壤氨化速率无显著差异[P>0.05，图 3(a)]. 相同培养温度下(25℃ 或35℃)，下游消落带土壤氨化速率为负值且显著低于上游消落带[P<0.05，图 3(b)].

ns表示25℃和35℃处理之间无显著性差异(P>0.05)； 不同小写字母表示25℃水位高程(或流域断面)之间差异 显著性(P<0.05)，不同大写字母表示35℃水位高程(或流域断面)之间差异显著性(P<0.05)图 3 温度升高对土壤氨化速率的影响 Fig. 3 Effect of temperature increasing on soil ammonification rate
2.3 温度对土壤硝化速率的影响

由图 4(a)可见，消落带土壤硝化速率随温度升高而增大，其中165 m和175 m显著增加(P<0.05)，而155 m增加不显著(P>0.05). 相同温度下(25℃ 或35℃)，155 m和165 m水位高程消落带的土壤硝化速率均显著低于175 m水位高程(P<0.05)，但155 m和165 m水位高程之间土壤硝化速率无显著差异[P>0.05，图 4(a)]. 由图 4(b)可见,温度升高使流域上游和下游断面消落带土壤硝化速率均显著增加(P<0.05). 相同温度下(25℃或35℃)，下游消落带土壤硝化速率均低于上游消落带，但25℃ 时两者差异不显著(P>0.05)，而35℃ 时两者差异显著(P<0.05).

* 为25℃和35℃处理之间差异显著性(P<0.05)，ns为无显著差异； 不同小写字母为25℃水位高程(或流域断面)之间差异显著性， 不同大写字母为35℃水位高程(或流域断面)之间差异显著性(P<0.05)，下同图 4 温度升高对土壤硝化速率的影响 Fig. 4 Effect of temperature increasing on soil nitrification rate
2.4 温度对土壤净氮矿化速率的影响

由图 5可见，无论水位高程[图 5(a)]之间还是流域断面之间[图 5(b)]，土壤净氮矿化速率均随温度升高而显著增加(P<0.05). 由图 5(a)可知，25℃ 时155 m和165 m水位高程消落带的土壤净氮矿化速率显著低于175m水位高程(P<0.05)，但155 m和165 m水位高程之间无显著差异(P>0.05)，35℃ 时土壤净氮矿化速率表现为：155 m<165 m<175 m. 由图 5(b)可见，温度升高使流域上游和下游断面消落带土壤净氮矿化速率均显著增加(P<0.05). 相同温度下(25℃ 或35℃)，下游消落带土壤硝化速率均低于上游消落带(P<0.05).

图 5 温度升高对土壤净氮矿化速率的影响 Fig. 5 Effect of temperature increasing on soil net nitrogen mineralization rate
3 讨论

澎溪河消落带土壤总氮、 NO3--N、 NH+4-N随水位高程和水文断面变化差异显著(表 1)，表现为总氮、 NO3--N在低水位高程及下游断面含量明显降低，而在高水位高程和上游断面消落带土壤中含量更高，铵态氮分布与总氮和硝态氮分布相反(表 1). 可能原因为土壤硝态氮带负电荷及溶水性使其更易进入水体[17]，而由于不同水位高程和流域断面消落带土壤干湿循环周期的差异性[18]，低水位高程和下游断面消落带淹水历时更长，通过矿化产生的硝态氮易于进入水体，表现为硝态氮含量更低，而高水位高程和上游断面消落带经历的淹水时间相对更短，硝态氮进水水体相对较少，表现为硝态氮含量更高. 可见，淹水历时不同导致消落带土壤中氮素含量存在明显差异，而落干后重新加湿过程增加了土壤中氮素的转化速率，潜在增加了进一步进入水体的风险. 另外，研究表明硝态氮更易吸附于黏粒、 粉粒[19]，而受干湿循环影响，三峡支流澎溪河低水位高程和下游断面消落带土壤中砂粒比例更高，而黏粒、 粉粒流失. 随着粒级的由细到粗，土壤氮素进一步向水体释放，使低水位高程和下游断面消落带土壤中硝态氮含量较低.

土壤氨化是有机氮通过好氧微生物分解产生铵态氮的过程[20]. 在澎溪河高水位高程[图 3(a)]和上游断面[图 3(b)]消落带土壤氨化速率显著更快，可能为高水位高程、 上游断面土壤暴露空气时间相对更长，好氧微生物活性更高，土壤有机氮大量分解为无机态氮，氨化速率、 硝化速率相对较高[21]. 总体上，高水位高程、 上游断面消落带土壤NO3--N含量更高、 铵态氮含量低，但氨化速率高(图 3)，可能原因为与氨化速率相比，硝化速率更快，使氨化作用产物(NH+4-N)作为硝化作用反应物转化NO3--N，导致NO3--N累积而NH+4-N消耗[22]. 另外，本研究区土壤pH值偏中性(表 1)，NH+4-N不易通过挥发形式损失[23, 24]，说明高水位高程、 上游断面土壤NH+4-N含量较低不是NH3挥发造成的.相反，低水位高程和下游断面氨化速率较低，而铵态氮含量却更高，可能为干湿循环导致其淹水胁迫时间更长，长期缺氧不利于NH+4-N向NO3--N的转化，且NH+4-N带正电荷易被土壤吸附，不易流失，铵态氮积累[25]. 土壤净氮矿化与土壤水分含量呈显著负相关[26]，土壤在淹水通气不畅情况下，厌氧的反硝化细菌能将NO3-还原成N2 O和N2，进而降低净矿化速率[27]. 本研究表明，低水位高程和下游断面淹水时间长，表现为氨化、 硝化、 净氮矿化速率均较低.

总体上，本研究中较高培养温度促使土壤硝化速率和净氮矿化速率显著增加[28]，但对氨化速率影响不显著. 赵琦齐等[8]研究了温度对太湖湖滨带不同水分梯度土壤氮矿化的影响，温度升高均显著增加了不同湿度土壤硝化和净氮矿化速率，这与本研究结果一致. 葛晓敏等[13]探讨了不同温湿度下杨树人工林土壤氮矿化特征，也发现土壤净氮矿化与温度呈显著正相关. 李玉霖等[29]研究了不同湿度条件下模拟增温对科尔沁沙质草地土壤氮矿化的影响，研究发现湿度是影响土壤氮矿化增温效应的重要因素，土壤湿度小于8.5％时，增温使土壤净氨化速率较对照明显提高； 但土壤湿度为11.8％和15.2％时，增温处理使土壤净氨化速率较对照显著降低； 土壤湿度为8.5%和11.8%时，增温使土壤净硝化速率和净矿化速率显著升高，而湿度较低时无显著差异，这与本研究的结论高度吻合. 因此，落干期季节性温度升高，提高氮可利用性，促进消落带植被短期生长，但随水位重新上涨后可能加速氮素进入水体，对消落带植被生长和生态系统结构与功能形成负反馈作用，增加蓄水期三峡支流水体富营养化风险.

由于三峡库区较低水位落干期历时较短，造成本实验无法在野外原位条件下研究消落带土壤氮矿化特征，而且落干-重新加湿过程与温度升高对消落带土壤氮矿化的内在机制尚不清楚，还有待于今后作进一步研究.

4 结论

本研究发现季节性温度升高是控制三峡支流澎溪河不同水位高程和不同流域断面消落带落干期土壤净氮矿化速率的关键因素，而消落带淹水历时不同也造成消落带氮素在水位高程和流域断面上分布差异明显. 因此，落干期季节性温度升高-重新加湿过程可能是三峡支流水体富营养化频发的不可忽略的因素.

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