康 慧，刘 晨，孙海莲，吴建新，宝音贺西格，王占文，宋晓辉，王悦骅，王忠武，*

(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院/草地资源教育部重点实验室/农业农村部饲草栽培、加工与高效利用重点实验室/内蒙古自治区草地管理与利用重点实验室，呼和浩特 010010；2.内蒙古自治区农牧业科学院，呼和浩特 010031；3.内蒙古自治区退耕还林和外援项目管理中心，呼和浩特 010020)

草地生态系统是地球生态系统中最主要的一部分，其中内蒙古草原在我国草地生态系统中占有很重要的地位，而荒漠草原是由草原向荒漠过渡的一种草地类型，由于其独特的地理位置以及气候条件使得荒漠草原极为重要，但荒漠草原生态系统脆弱[1]，极易被气候等因素影响[2]。近些年气温随着全球变暖升高，导致降水格局发生显著变化，极端干旱事件愈发增加[3]。减少降水导致土壤干旱加剧，直接影响了微生物含量活性及植物群落结构[4]，进而导致生态系统中水、碳、氮的循环过程也发生了改变[5]。土壤氮含量是土壤重要的养分指标之一，是植物生长所需的重要营养元素，氮循环将土壤和植物紧密地联系在一起[6]，土壤中的氮含量以有机态氮和无机态氮两种形式存在，其中有机态氮占比90%[7]，但其需要土壤中的土壤微生物分解才可以转化为被植物直接吸收的无机氮[8]，这个过程也就是土壤氮矿化过程。土壤氮矿化对生态系统的结构、功能和生产力水平有着显著影响[9]，因此在短花针茅荒漠草原研究土壤氮矿化对降水量的响应就显得十分必要，这可以为草原可持续管理提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区自然概况

试验地位于内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗，为短花针茅荒漠草原，土壤类型为淡栗钙土，植被类型为短花针茅(Stipabreviflora)+无芒隐子草(Cleistagenessongorica)+冷蒿(Artemisiafrigida)；气候以干旱为主，降水少而集中，年平均降水量220mm左右。

1.2 试验设计

试验设计开始于2016年5月。在试验基地选取地势平坦、植被条件均匀的样地，采用完全随机区组设计，分别用围栏围出4个4m×4m的固定样地作为4个不同的模拟降水处理；4个降水处理随机分布，不同降水处理小区四周用防锈铁皮阻隔，防止土壤表层水分的径向流动。4个不同模拟降水处理分别为减少降水量的50%(P1)、自然降水(P2)、增加降水量的50%(P3)和增加降水量的100%(P4)，其中减少降水量的50%通过透明“V”型亚克力板对降水进行拦截，增加降水量的50%和增加降水量的100%根据样地气象站的实际降水量计算所得的降水量值每月进行一次性人工喷洒。

1.3 试验数据的测定

试验采用顶盖埋管培养法，每个样地内随机取样。取样点选择在非边缘样地，清除周边植物和枯落物，将切割为均匀长度的PVC管插入土壤10cm深，切断植物的根系，导致土壤中的铵态氮和硝态氮无法被植物生长所利用，PVC管顶端用与PVC管大小匹配的接口将聚乙烯膜固定，避免降水淋溶, 经过30d的培养，取出土样作为培养后土样，在距该点5cm处用土钻取0～10cm土样作为未培养土样，取得的土样过1mm土壤筛后用保鲜盒带回实验室进行土壤硝态氮和铵态氮的测定。土壤硝态氮和铵态氮采用流动分析仪测定，首先称取各样品10g与50ml氯化钾溶液(2mol/L)混合，置于摇床匀速震荡1h，然后静置约30min使用定性滤纸过滤，最后用流动分析仪分别测定滤液中铵态氮和硝态氮的浓度。计算公式为：

铵态氮含量或硝态氮含量=C×V/(1-W)×m

式中：C为测定所得的铵态氮浓度或硝态氮浓度(mg/L)；V为从溶样定容后分取得体积(ml)；W为土壤中水分含量(%)；m为样品称样量(g)。

铵化速率为培养后土壤的铵态氮含量减去未培养的土壤铵态氮含量除以培养天数；硝化速率为培养后土壤的硝态氮含量减去未培养的土壤硝态氮含量除以培养天数；净矿化速率为培养后与未培养的铵态氮和硝态氮的差值之和除以培养天数。

1.4 数据处理

数据采用SAS9.4软件进行方差分析，用Sigmaplot14.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同降水处理对土壤体积含水量的影响

随着降水量的增加，土壤体积含水量显著增加，增加100%降水与增加50%降水无显著(P>0.05，见图1)差异，但显著高于自然降水(P<0.05)，减少降水使土壤含水量显著降低(P<0.05)。

图1 不同降水处理土壤的体积含水量

2.2 不同降水处理对铵态氮和硝态氮含量的影响

铵态氮含量增加100%降水(P4)显著高于其他3个处理(P<0.05，见图2)，而自然降水(P2)的铵态氮含量与减少50%降水(P1)和增加50%降水(P3)无显著性差异(P>0.05)。

图2 不同降水处理的铵态氮含量

减少降水(P1)使硝态氮含量显著(P<0.05,见图3)降低，随着降水量的增加硝态氮的含量出现了先降低后增加的趋势，增加50%降水(P3)时硝态氮含量没有增加，而增加100%降水(P4)时硝态氮含量明显增加。

图3 不同降水处理的硝态氮含量

2.3 不同降水处理对铵化速率、硝化速率和净矿化速率的影响

铵化速率随着降水量的增加显著(P<0.05，见图4)降低，自然降水(P2)与增加50%降水(P3)铵化速率没有显著差异，但显著高于增加100%降水(P4)的铵化速率，增加50%降水处理的铵化速率与增加100%降水处理的铵化速率没有差异，这表明水分过多会抑制土壤的铵化速率。硝化速率对降水的响应与铵化速率对降水的响应有着明显不同，硝化速率随着降水的增加出现了明显的增加趋势(P<0.001，见图5)，自然降水的硝化速率显著低于增加50%降水和增加100%降水处理的硝化速率，但是增加50%降水的硝化速率与增加100%降水的硝化速率没有显著差异，减少降水的硝化速率与自然降水的硝化速率也没有显著差异，这表明硝化速率对水分的增加很敏感，降水增加虽然会增加土壤的硝化速率，但水分过多可能会对硝化速率起到抑制作用。

图4 不同降水处理的铵化速率

图5 不同降水处理的硝化速率

土壤的净矿化速率也随着降水的增加显著增加(P<0.05，见图6)，P1、P2的净矿化速率显著低于P3、P4的净矿化速率，而自然降水(P2)的净矿化速率与减少降水(P1)的净矿化速率没有显著差异，增加50%降水(P3)的净矿化速率与增加100%降水(P4)的净矿化速率也没有显著差异。

图6 不同降水处理的净矿化速率

3 讨论

3.1 不同降水处理铵态氮和硝态氮的含量变化

降水可以直接影响植物对土壤氮的吸收，影响土壤微生物数量、活性以及土壤 N 淋溶等过程，会直接或间接地影响土壤无机氮中铵态氮和硝态氮含量。本研究发现，在减少50%降水、自然降水和增加50%降水的情况下，降水量减少土壤铵态氮含量没有显著变化，但铵态氮含量随降水量的减少而增大，这种变化是由于随降水量的减少植物相应减少，进而对土壤中铵态氮的吸收量减少，这将导致干旱情况下土壤中铵态氮含量的增加，这与 Homyak 等人[10]的研究结果相一致。在本研究中，增加降水100%的情况下铵态氮含量显著升高，这可能是因为增加降水量可有效提高土壤水分含量，使根系分泌物增加，土壤胞外酶的活性增加，有利于提高微生物活性[11]，从而导致铵态氮含量显著增加。本研究发现，降水对硝态氮的影响有显著差异，但变化趋势并非一致，整体呈“增加-降低-再增加”趋势。在减少降水50%的情况下，硝态氮含量最低；而在增加100%降水的情况下，硝态氮含量最高。究其原因，可能是因为试验地本就属于荒漠草原，水分含量较少，在减少50%降水的情况下可能会抑制硝化速率，导致生成的硝态氮含量较少，而在自然降水情况下硝态氮含量增加，降水增加后相应减少是由于硝态氮易被雨水淋溶[12]，在增加降水量100%的情况下铵态氮含量较大，会促进硝化细菌将其转化为硝态氮[13]。这与以往的研究结果并不相同，Cregger 等[14]发现减少降水会使植物对土壤无机氮的吸收能力减弱，并且在这个过程中淋溶现象也会减少，这会导致硝态氮增加。但也有研究发现，增加降水导致土壤硝态氮含量降低，减少30%降水处理对土壤硝态氮含量影响不显著[15]。可见，降水量变化对土壤硝态氮含量的影响依然存在不一致性，说明硝态氮含量可能受其他因素影响，如植被组成、土壤类型、气候条件以及季节等，这有待于进一步研究。

3.2 不同降水处理铵化速率、硝化速率和净矿化速率的变化

氮循环过程主要是氮矿化、氨化、硝化过程，也是植物对硝态氮和铵态氮的吸收和转化[16]。在极端干旱条件下，水分是控制土壤氮矿化速率的重要因子。本试验在荒漠草原进行，此地气候干旱少雨，减少土壤含水量会直接降低微生物的活性，尤其是在生长季干旱会显著限制微生物的活动，并且降水会直接影响土壤孔隙中的养分含量和转换情况，这将会直接或间接地改变微生物的含量和活性，从而导致土壤氮矿化受到影响[17]。本研究发现，在降水梯度增加的情况下，铵化速率有显著差异，随着降水梯度增加铵化速率减小，这与徐翀的研究结果略有不同，他通过试验得出两种极端干旱均降低了土壤净氨化速率[18]。在降水梯度增加的情况下，硝化速率也有显著差异，减少降水和自然降水的硝化速率显著低于增加降水的硝化速率。有研究表明，减少降水能够显著降低土壤硝化速率[19]，这与本研究结果相似。在降水量增加的情况下，土壤净矿化速率有显著差异，减少降水和自然降水下的净矿化速率显著低于增加降水下的净矿化速率，这是由于干旱限制了微生物的活动，从而使得氮矿化速率下降，这与Borken 等[20]的研究结果相同。柳维扬等[21]发现，土壤水分与净氮矿化速率呈显著正相关关系，这与本试验结果相似。但也有研究表明，土壤湿度增加氮矿化速率和硝化速率呈下降趋势[22]；还有研究表明，土壤氮矿化速率低于其临界含水量时，土壤硝化速率与土壤含水量呈正相关关系，高于该值硝化速率与含水量呈负相关关系[23]。之所以产生不同结果，可能是因为土壤氮矿化速率在不同降水量地区受降水变化影响所致不同[22]。

4 结论

4.1增加100%降水使土壤中的铵态氮增大，减少降水对土壤铵态氮的含量没有明显影响。

4.2硝态氮含量随着水分的增加而增加，铵化速率随着降水量的增加而减小，而硝化速率则随着降水量的增加而增加，但过多降水可能会抑制硝化速率的增加。

4.3净矿化速率随着降水增加显著增加，而过多的降水又会抑制土壤的净矿化速率。