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氮素是植物需求量最大的營養元素，同樣也是植物生長發育必須的元素。在土壤中的氮素99%以上都以有機形式的氮存在，而這種形式的氮素不能直接被植物吸收，需要經過微生物的礦化作用將其轉化為有效態的氮。氮礦化速率決定了土壤中用于植物生長的氮素的可利用性，是森林生態系統氮素循環最重要的過程之一。研究森林土壤中NH4+-N、NO3--N的礦化速率及影響其礦化作用的因素對于了解森林生態系統生產力、氮素的循環與轉化具有重要的意義[1]。 近年來，國際和國內對氮礦化的研究逐步深入，包括不同因素對土壤氮礦化的影響、土壤之間氮礦化的作用[2-4]、森林群落的氮礦化速率及其影響因子[5-8]、土壤氮礦化對氣候變化的響應[9-10]等。盡管已經開展了大量研究，但到目前為止對土壤氮礦化動態仍然存在許多認識上的不足，特別是不同生態系統中，對于氮礦化作用的影響因素還未形成一致的結論[2,11-12]。在中國，對土壤氮礦化也進行了較為廣泛的研究，但對亞熱帶森林生態系統土壤氮礦化的研究還不多，尤其是對針闊葉混交林群落土壤的氮礦化作用鮮見報道。針闊葉混交林的生態功能較為豐富[13]，不僅能改善森林的生態環境，調節林內溫度，還能夠降低蒸發強度，提高林內的相對濕度，減小林內風速，改善土壤N、P及有機質的含量[14-15]。因此，本研究以馬尾松樟樹混交林為研究對象，通過樹脂芯法[16]在原位測定氮礦化的速率，并且在測定結果的基礎上分析關鍵的環境要素與土壤氮礦化速率的關系，揭示土壤氮素礦化特征，認識針闊混交林生態系統土壤氮循環的機制，以期為亞熱帶不同森林生態系統碳氮循環機制研究提供重要的參考資料。 1材料與方法 1.1研究地概況 試驗樣地位于湖南省森林植物園，113°02′～113°01′E，28°06′～28°07′N，海拔46～114m，坡度5°～25°，核心區面積約4356hm2。年平均氣溫17.2℃，1月最冷，平均4.7℃，極端最低溫度-11.3℃；7月最熱，平均氣溫29.4℃，極端最高氣溫40.6℃；無霜期為270~300d，日照時數年均1677.1h；雨量充沛，年平均降水量1422mm，屬典型的亞熱帶濕潤季風氣候。其地層主要是第四紀更新世的沖積性網紋紅土和砂礫，屬典型紅壤丘陵區。園內植物種類多達2200余種，且小生境眾多，植被以人工次生林為主。 1.2試驗材料 選擇樹齡相同或相近的馬尾松和樟樹人工混交林作為研究對象，林內8:00平均氣溫為27.64℃，地下5cm土壤平均溫度26.8℃，最高與最低5cm土壤溫度相差4℃，濕度變化幅度3%。試驗處于湖南雨熱同期的7、8月份，試驗樣地的土壤溫度和濕度是一年中最高的時期。林內土壤理化性質見表1。其主要成分為以馬尾松Pinusmassonsiana和樟樹Cinnamomumcamphora為主，林下植被有青岡Cyclobalanopsisglauca、大青Cleredendrumcwtophyllum、白櫟Quercusfabri、山礬Symplocoscaudate、苦櫧Castanopsissclerophylla、毛泡桐Paulowwniatomentosa等；草本植物有淡竹葉Lophatherumsinense、雞矢藤Paederiascandens、酢漿草Oxalis.comiculata、商陸Phytolaccaacinosa和腎蕨Nephrolepisauriculata等。 1.3研究方法 1.3.1樣地設置 2010年7月初，在森林植物園內選取樟樹馬尾松人工混交林群落，分別設置添加凋落物(LAR)、去除凋落物(LRR)、去根添加凋落物(LANR)、去根(CNR)、去根去除凋落物(LRNR)5種處理和對照(CR)，每種處理設置3個小區，共18個小區，每個小區大小為3m×4m，小區間距1～5m。（1）添加凋落物的處理：收集去除凋落物處理的網中枯落物均勻撒在12m2的范圍內，以后每月將周圍凋落物收集網收集的凋落物等面積均勻撒在添加處理的范圍內。（2）去除凋落物處理：取12m2的樣方，清除樣方內的凋落物，并在上方設置3m×4m的網用來收集凋落物，為了防止凋落物進入該處理的范圍內，網距離地面的高度設為0.5m。（3）去根處理：在12m2的樣方周圍挖壕深至植物根系分布層以下（約0.5m），然后用厚塑料膜插入壕溝內隔離小樣方周圍的根系，以阻止根系進入小樣方，再小心除去小樣方內的所有活體植物，盡量保持原狀土壤表層。（4）去根添加凋落物處理：在12m2的樣方周圍挖壕深至植物根系分布層以下（約0.5m），然后用厚塑料膜插入壕溝內隔離小樣方周圍的根系，以阻止根系進入小樣方，再小心除去小樣方內的所有活體植物，收集去根去除凋落物處理的網中的枯落物均勻撒在12m2樣方內。之后，每月將周圍凋落物收集網收集的凋落物等面積均勻撒在去根添加處理的范圍內。（5）去根去除凋落物處理：在12m2的樣方周圍挖壕深至植物根系分布層以下（約0.5m），然后用厚塑料膜插入壕溝內隔離小樣方周圍的根系，以阻止根系進入小樣方，再小心除去小樣方內的所有活體植物，清除樣方內的凋落物，并在上方設置3m×4m的網用來收集凋落物。（6）有根處理：即為對照，不做處理。 1.3.2試驗方法 采用樹脂芯法原位測定土壤中的NH4+-N、NO3--N含量及凈氮礦化速率和凈硝化速率。樹脂芯方法的試驗裝置包括：裝有3g陰離子交換樹脂（氯型，強堿性，上海匯脂樹脂廠717#樹脂）的尼龍網袋（70目）、PVC管（內徑4.0cm，高15cm）、中部有小孔的石膏塞（厚度約0.4cm）和2張濾紙。在每1個樣方采樣時，首先去除地表凋落物，用2支PVC管，2只管子需同時打入地下土層，將其中的1支取出，裝入封口袋帶回實驗室，測定土壤含水率、NH4+-N和NO3--N，其結果作為初始值。將另1支PVC管取出，盡量不破壞土壤的結構，用螺絲刀去除底部約2cm厚的土壤。在騰出的空間中放入1張濾紙，防止樹脂袋與土壤的直接接觸，然后放入陰離子交換樹脂袋，再放置1張濾紙，最后放置石膏墊，石膏墊被放置在樹脂袋下部是為了避免PVC管下方土壤溶液中的NO3--N被樹脂交換吸附，并且石膏塞上的孔也能確保土壤溶液的及時排出。將PVC管裝有藥品的一頭向下，小心地放入原處進行野外培養，共放置18個PVC管，培養30d。 1.3.3測試項目及方法#p#分頁標題#e# 土壤NH4+-N用2mol/LKCl浸提-蒸餾法測定；土壤NO3--N用酚二磺酸比色法,采用7220型分光光度計測定；陰離子交換樹脂吸附的NO3--N用1.5mol/L的硫酸提取，NO3--N含量采用酚二磺酸比色法測定。野外試驗前對樹脂吸附NO3--N能力的測定結果表明，該樹脂能夠吸附95%的NO3--N。 1.3.4計算與分析 計算公式見式（1）和式（2）。Cn=(CA銨+CA硝+CE硝)-(CB銨+CB硝)；(1)Rn=[(CA銨+CA硝+CE硝)-(CB銨+CB硝)]/t。(2)式中：Cn表示土壤凈氮礦化量；CA銨表示培養后銨態氮量；CA硝表示培養后的硝態氮量；CE硝表示樹脂吸附的硝態氮量；CB銨表示培養前銨態氮量；CB硝表示培養前的硝態氮量；Rn表示土壤凈氮礦化速率；t表示培養時間。 1.3.5統計分析 數據統計采用單因子方差分析，進行不同處理條件下凈氮礦化量和凈氮礦化速率的比較，分析軟件和作圖工具分別采用SPSS13.0和Excel2003。 2結果與分析 2.1土壤有效氮含量 添加和去除凋落物處理土壤中有效氮含量（見圖1）的差異顯著(P<0.05)，添加凋落物處理中的有效氮含量比對照高22.61%，去除凋落物處理比對照低47.97%。去根添加凋落物處理中的有效氮含量比去根處理高21.06%，去根去除凋落物處理比去根處理低11.64%。表明凋落物處理對土壤中有效氮含量有明顯的影響，呈現出添加凋落物>對照>去除凋落物。在對照、添加凋落物的情況下有效氮含量表現為：有根處理>去根處理，但是在去除凋落物的情況下則相反，表現為去根處理>有根處理，這可能是因為去根處理的土壤中仍然殘留了部分未分解的細根，增加了土壤的有機質含量，且有根處理樣地植物根系增加了有效氮的消耗。 2.2培養前后NH4+-N、NO3--N含量的變化 樟樹馬尾松混交林中，培養前后添加凋落物、去根添加凋落物和對照的NO3--N含量差異顯著（P<0.05），其它處理差異不顯著，而NH4+-N含量差異均不顯著（見圖2）。經過30d的培養，去除、添加凋落物和對照3種處理的土壤中均表現出NH4+-N含量下降，NO3--N含量明顯上升。經過培養后NH4+-N含量減少，減少量分別為對照(4.07mg/kg)>添加凋落物(2.73mg/kg)>去根添加凋落物(1.30mg/kg)>去根(0.96mg/kg)>去除凋落物(0.75mg/kg)>去根去除凋落物(-0.05mg/kg)；NO3--N含量增加，增加量分別為添加凋落物(14.83mg/kg)>去根添加凋落物(7.32mg/kg)>對照(4.96mg/kg)>去根(1.93mg/kg)>去除凋落物(0.28mg/kg)>去根去除凋落物(-0.68mg/kg)。NH4+-N、NO3--N含量添加凋落物處理變化較大，說明碳輸入對土壤氮礦化有促進作用，硝化作用加強。去除凋落物處理后變化趨勢較小，且去根去除掉落物與另外4種處理變化趨勢相反，可能是由于除去碳輸入，微生物養分缺失，使微生物數量減少，氮礦化作用不明顯。培養結束后，土壤NH4+-N含量大于NO3--N含量，仍然是無機氮的主要存在形式。 2.3凈氮礦化量和凈氮礦化速率 添加凋落物、去根添加凋落物、去根、去除凋落物、去根去除凋落物5種處理和對照的累計凈氮礦化量分別為12.10、6.03、0.96、-0.46、-0.63、0.89mg/kg。去除凋落物和去根去除凋落物2種情況出現負值說明部分無機氮以氣體形式散失，由反硝化作用引起的氮損失可能是導致凈氮礦化量和凈氮礦化速率出現負值的主要原因。經過30d的培養累計凈氮礦化速率為添加凋落物(0.403mgkg-1d-1)>去根添加凋落物(0.201mgkg-1d-1)>去根(0.032mgkg-1d-1)>對照(0.030mgkg-1d-1)>去除凋落物(-0.015mgkg-1d-1)>去根去除凋落(-0.021mgkg-1d-1)。 3結論與討論 培養前后土壤中的NH4+-N含量除添加凋落物處理外均大于NO3--N含量，說明NH4+-N仍然是無機氮的重要存在形式。有凋落物的4種情況均表現出硝化作用，NH4+-N向NO3--N轉化，但不同處理方式轉化的速率不同，有根和去根的情況下均表現為添加凋落物>對照。這主要是因為對凋落物的不同處理影響了分解凋落物向土壤中的養分釋放，進而改變土壤養分的可利用性。添加凋落物可以增加凋落物層的細菌和真菌的總生物量，去除凋落物可以減少真菌總生物量[17]。微生物的數量直接決定了硝化作用的強度。添加和去除凋落物能夠改變凋落物層，影響土壤微生物群落，進而影響土壤中的氮含量。 3種凋落物處理的情況下凈銨化量和凈硝化量均表現為：有根土壤>去根土壤，表明根對土壤氮礦化作用有一定影響，這可能是由根際碳沉積對土壤微生物的影響造成的。根際沉積[18]在植物根際碳消耗中占有相當大的比重，根分泌物作為信號物質，能夠在微生物與植物根系之間建立一種均衡關系，同時，也是根際微生物有機營養物質的重要來源。研究表明不同植物種類或同種植物在不同發育階段，其根系分泌物在組分和量上均有一定差異，且不同組分對根際微生物的生態效應亦不同[19]。許多微生物的數量與根際分泌物的積累呈正相關。例如，在小麥的生長發育過程中，隨著根系分泌物的增加，根際環境中反硝化細菌數明顯增加[20]。有關本試驗所在混交林中土壤微生物對氮礦化的影響尚需進一步研究。 目前已知的影響森林土壤氮礦化的因素很多，并且氮礦化過程十分復雜[21-23]。本試驗通過對樟樹馬尾松混交林添加凋落物、去除凋落物、去根添加凋落物、去根、去根去除凋落物5種處理，研究改變碳輸入對樟樹馬尾松混交林氮礦化的影響，有助于人們對亞熱帶森林生態系統土壤氮循環過程的全面理解。由于本研究只是樣地設置1個季度的試驗數據，還有一定的局限性．今后還需要系統地、長期地定位觀測。