氮输入对纳帕海沼泽湿地土壤氨挥发和反硝化的影响葛潇霄

生态环境学报2011,20(12):[e-mail]基金项目：国家自然科学基金项目(41001332；40971285)；NSFC-云南联合基金项目(U0933601)；云南省科技计划项目(2008CA006)作者简介：葛潇霄(1985年生)，男，研究生，主要从事湿地生态学研究。E-mail:[e-mail]*通讯作者：田昆(1957年生)，男，教授，主要从事土壤学和湿地生态学研究。E-mail:[e-mail]郭雪莲(1979年生)，女，副教授，主要从事湿地变化与物质循环研究。E-mail:[e-mail]收稿日期：2011-10-30氮输入对纳帕海沼泽湿地土壤氨挥发和反硝化的影响葛潇霄1，田昆1,2*，郭雪莲2，王胜龙2，赖建东11.西南林业大学环境科学与工程学院，云南昆明650224；2.国家高原湿地研究中心，云南昆明650224摘要：选取纳帕海常见湿地植物茭草(Zizaniacaduciflora)和水葱(Scirpusvalidus)及其生长土壤为对象，通过培养实验，研究了3个不同氮输入水平[0g·m-2(对照，N0)、20g·m-2(N20)、40g·m-2(N40)]对茭草和水葱湿地土壤氨挥发和反硝化的影响。结果表明：氮输入促进了茭草和水葱湿地土壤氨挥发化作用，增加了湿地土壤氨挥发的累积量。适量的氮输入对湿地土壤氨挥发促进显著。在培养前期适量氮输入下的氨挥发积累量高于高水平氮输入的，随着培养时间的延长，后期适量氮输入下的积累量明显下降；而高水平氮输入处理下氨挥发积累量的明显增加，适量氮输入下茭草氨挥发积累大于水葱。氮输入增强了茭草和水葱湿地土壤反硝化作用，加快了反硝化N2O的排放。适量的氮输入促进茭草反硝化作用和反硝化损失量增加明显，培养的前期的适量氮输入处理下的反硝化作用和反硝化N2O的排放增强不明显，随着培养时间的延长，高水平氮输入处理下的反硝化损失量越明显，并且水葱较茭草更为明显。后期适量氮输入下的反硝化损失速率和反硝化损失量高于高水平氮输入，适量氮输入较高水平氮输入促进明显，高水平的氮输入限制了反硝化损失，反硝化N2O的排放总量下降，土壤中氮富集增大。关键词：氮输入；湿地土壤；氨挥发；反硝化中图分类号：X171；Q142文献标志码：A文章编号：1674-5906(2011)12-1846-07湿地作为氮的源、汇或转换器，具有促进、延缓或遏制环境恶化趋势的作用。湿地环境中氮的迁移和转化过程影响着湿地生态系统的结构和功能，并且被认为是天然湿地或人工湿地中水与土壤的主要限制性因子，是湿地营养水平的指示剂之一[1]。但由于受工业化污染和农业大量施肥的影响，氮素的大量输入已经影响到了生态系统正常运转，由此引发的水体富营养化、温室气体排放、大气污染等诸多生态环境问题正在威胁着人类的健康和生态环境安全。湿地土壤系统氮去除机制主要包括硝化一反硝化脱氮、生物吸收、氨挥发和颗粒物吸附/沉积等[2-3]。其中，反硝化和氨挥发是湿地土壤系统氮去除的主要机制。反硝化与氨挥发不但与湿地系统的氮损失过程密切相关，而且对于大气环境以及湿地系统的稳定也有着极为深刻的影响[4]。国内外对土壤反硝化和氨挥发已开展过大量研究[5-19]，但对高原湿地氨挥发和反硝化的研究却鲜见报道。高原湖泊湿地是我国湿地中的独特类型，孤立分散在高原面上，周围被高山所包围，相互之间无水道相通，处于闭合和半闭合状态。湖水主要靠降水后面山地表径流汇水补给。纳帕海为滇西北湖滨沼泽面积最大、人为干扰下退化最为典型的高原湖泊湿地类型[20]。近年来，纳帕海周围面山大面积开垦为农田，降雨后，农田施肥随地表径流汇入湖泊，过多氮素的输入不仅改变了湿地生态系统氮循环过程，还影响着湿地系统自身的调节机制。因此本文以云贵高原典型湿地纳帕海原位土壤上的湿地植物水葱和茭草为研究对象，通过氮输入控制研究其对高原湿地土壤氨挥发和反硝化的影响，以及植物对氮输入的响应，为高原湿地生态系统的保护与管理及生态评价提供参考。1研究区概况原位样品采自于云贵高原滇西北的纳帕海湿地，纳帕海湿地地处东经99°37′—99°43′，北纬27°49′—27°55′，海拔3260m，属金沙江水系。是高原地区人为干扰较具代表性的湿地，年均温度5.4℃，最冷月平均温度-3.8℃，极端最高温24.5℃，最热月平均温度13.2℃，极端最低温-25.4℃，具有高寒、年均温低、霜期长、干湿季分明及冬季漫长等特点。湿地水量补给主要依靠降水，年平均降水量619.9mm，受西南季风的影响，每年6、7月份形成大量降水，湖水位上涨，湖面面积达到3125hm2；但由于石灰岩漏水，8月后湖水退落，10月前后因秋季季风退缩再次产生降雨，湖水再次上涨并于11月后退落。湖水退落后湖面大幅度缩小，湖底暴露成为大片浅水沼泽和沼泽草甸，草甸湿地DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2011.12.026葛潇霄等：氮输入对纳帕海沼泽湿地土壤氨挥发和反硝化的影响1847也得以大面积发育。土壤主要为草甸土、沼泽土和泥炭土，植物种类主要有杉叶藻(Hippurisvulgaris)、针蔺(Eleocharisvalleculosa)、水葱、茭草、水蓼(Polygonumhydropiper)、菹草(Potamogetoncrispus)、蓖齿眼子菜(Potamogetonmaackianus)、扇叶水毛茛(Batrachiumbungei)等[20-22]。2材料与方法2.1试验设计选取群落组成、结构、密度相对一致的水葱和茭草群落，将原位湿地植物及土壤移至(1m×1m)的培养槽内，不定期加水以补充水分蒸发损失，保持水深5cm。稳定15d后开始试验。试验设1个对照N0(0g·m-2)、和2个氮输入处理N20(20g·m-2)和N40(40g·m-2)。以NH4HCO3(纯度99.9%)和NaNO3(纯度99.5%)水溶液的形式模拟外源氮均匀施入，对照仅加入等量的水，每个处理3个重复，其中N20为当地农作物的施肥水平，N40是氮施入不断增加的情况下该地区可能达到的氮水平。2.2气样采集及相关指标测试氨挥发采用通气法测定。试验采用的通气法装置由聚氯乙烯硬质塑料管制成，内径15cm，高10cm。测定过程中分别将两块厚度均为2cm，直径16cm的海绵均匀浸入磷酸甘油溶液，再将海绵置于硬质塑料管中，下层的海绵距管顶4cm，上层的海绵与管顶相平。试验前，在每个槽内随机放置3个通气法氨捕获装置取样。取样时，将通气装置下层的海绵取出，迅速按编号分别装入塑料袋中，密封，带回实验室分析。同时换上另一块刚浸过磷酸甘油的海绵。施氮后每间隔7d取一次样。上层海绵视其干湿状况3~7d更换一次。每次取样后变动捕获装置的摆放位置，开始下一次的吸收。反硝化试验采用乙炔抑制原状土柱培养法，原位测定土壤氮素的气态损失。将内径为3.6cm、长30cm聚氯乙烯硬质塑料管，插入实验槽土壤中，直至管内土柱上升到15cm处(空气体积约150mL)，顶部用橡皮塞塞住。每种处理设置3个平行，用经过处理(通过浓硫酸以除去丙酮和其它杂质)的干净乙炔气体置换培养桶中的空气，使桶中乙炔气体体积比达到10%。培养24h。次日，用20mL注射器从管中采集15mL气体注入气体采样瓶中。将气体样品带回试验室分析测定。2.3气体样品测定及数据计算分析将吸收氨气的海绵分别装入500mL的塑料瓶中，加300mL1.0mol·L-1的KCL溶液，使海绵完全浸于其中，振荡1h后，浸出液中的铵态氮用连续流动分析仪测定。N2O样品用气相色谱仪GC7900进行分析。N2O检测器ECD,检测温度为330℃，载气为高纯氮气。根据线性拟合，由箱内气体浓度的变化率计算排放通量。2.4数据分析试验数据采用SPSS13.0软件和MicrosoftExcel软件进行处理。3结果与分析3.1不同氮输入水平下湿地土壤氨挥发3.1.1氨挥发速率不同氮输入水平下湿地土壤氨挥发速率呈现明显差异(图1)，在施氮初期，N20处理氨的挥发速率最高，施氮第8d茭草和水葱群落湿地土壤N20处理分别高达2.78和2.55mg·m-2·d-1。随后挥发速率下降，培养到第16天左右下降至最低值。在16d后各处理在一定范围内波动，56d后各处理明显上升。N40和N20处理的茭草和水葱群落湿地土壤氨图1不同氮输入水平下茭草(JC)和水葱(SC)湿地土壤氨挥发速率Fig.1TheammoniavolatilizationrateofZizaniacaduciflora(JC)andScirpusvalidus(SC)wetlandsoilsunderdifferentnitrogentreatmentsSC00.511.522.53816243240485664t/d氨挥发速率/(mg·m-2·d-1)N0N20N40JC00.511.522.533.5816243240485664t/d氨挥发速率/(mg·m-2·d-1)N0N20N401848生态环境学报第20卷第12期（2011年12月）挥发速率在整个培养期相关性达到显著水平(P0.05)。N0处理茭草群落湿地土壤处理氨挥发速率在0.26~1.25mg·m-2·d-1之间上下波动，而N0处理的水葱群落湿地土壤氨挥发速率逐渐增加，由第8天的0.33mg·m-2·d-1增加到第64天的1.98mg·m-2·d-1。在培养期间N0、N20、N40处理下茭草群落湿地土壤氨挥发速率平均值分别是0.75、1.48、1mg·m-2·d-1，水葱群落湿地土壤氨挥发速率平均值分别是0.99、1.29、1.19mg·m-2·d-1。均表现为N20N40N0。3.1.2挥发积累在整个实验过程中，茭草和水葱群落湿地土壤积累氨挥发量均表现为N20N40N0，N0和N40处理的茭草群落湿地土壤的积累氨挥发量均低于水葱湿地土壤，相反N20处理下的茭草群落湿地土壤的积累氨挥发量却明显高于水葱群落湿地土壤(图2)。可见，氮输入促进了茭草和水葱群落湿地土壤的氨挥发作用，但过量的氮输入使这种促进作用减弱。不同培养阶段氮输入对茭草和水葱群落湿地土壤积累氨挥发量的影响差异显著(P0.05)(图3)。N0和N40处理茭草和水葱群落湿地土壤积累氨挥发量均为后30d高于前30d，N20处理则是后30d低于前30d。说明无氮或高氮输入下，湿地土壤氨挥发作用随时间推移逐渐增强。不同氮输入水平，不同湿地植物群落湿地土壤在不同的培养阶段积累氨挥发量也存在差异，茭草群落土壤前30d和后30d氨挥发积累都是N20N40N0。N40处理茭草群落土壤氨挥发积累量后30d明显增加，而水葱群落却是N0处理的在后30d明显增加。水葱群落土壤前3d氨挥发累积量是N20N40N0，后30d却是N0N40N20。无氮和高氮处理的水葱氨挥发作用较茭草增加快，挥发量积累量也高于茭草群落土壤。培养前后期N20处理的茭草群落土壤氨挥发积累量均高于水葱群落土壤。3.2不同氮输入水平下湿地土壤反硝化3.2.1土壤反硝化损失速率(以N2O-N计)实验结果表明：氮输入刺激了湿地土壤的反硝化作用。N0、N20、N40处理下茭草群落湿地土壤反硝化损失速率平均值分别是163.58、197.7、187.17μg·m-2·d-1，水葱湿地反硝化损失速率平均值分别是168.75、177.46、178.58μg·m-2·d-1，均表现为N20N40N0。茭草和水葱群落湿地土壤不同氮输入水平下的反硝化损失速率在整个培养期相关性达到显著水平(P0.05)，均随时间的延长而升高(图4)。茭草和水葱群落湿地土壤同一氮输入水平下的反硝化损失速率之间相关性也达到显著水平(P0.05)，其中N0处理的湿地土壤反硝化损失速率极显著(P0.01)。氮输入前15d茭草和水葱群落