氮素是植物需求量最大的營(yíng)養(yǎng)元素，同樣也是植物生長(zhǎng)發(fā)育必須的元素。在土壤中的氮素99%以上都以有機(jī)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(jīng)過(guò)微生物的礦化作用將其轉(zhuǎn)化為有效態(tài)的氮。氮礦化速率決定了土壤中用于植物生長(zhǎng)的氮素的可利用性，是森林生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)最重要的過(guò)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(duì)于了解森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、氮素的循環(huán)與轉(zhuǎn)化具有重要的意義[1]。

近年來(lái)，國(guó)際和國(guó)內(nèi)對(duì)氮礦化的研究逐步深入，包括不同因素對(duì)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(duì)氣候變化的響應(yīng)[9-10]等。盡管已經(jīng)開(kāi)展了大量研究，但到目前為止對(duì)土壤氮礦化動(dòng)態(tài)仍然存在許多認(rèn)識(shí)上的不足，特別是不同生態(tài)系統(tǒng)中，對(duì)于氮礦化作用的影響因素還未形成一致的結(jié)論[2,11-12]。在中國(guó)，對(duì)土壤氮礦化也進(jìn)行了較為廣泛的研究，但對(duì)亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)土壤氮礦化的研究還不多，尤其是對(duì)針闊葉混交林群落土壤的氮礦化作用鮮見(jiàn)報(bào)道。針闊葉混交林的生態(tài)功能較為豐富[13]，不僅能改善森林的生態(tài)環(huán)境，調(diào)節(jié)林內(nèi)溫度，還能夠降低蒸發(fā)強(qiáng)度，提高林內(nèi)的相對(duì)濕度，減小林內(nèi)風(fēng)速，改善土壤N、P及有機(jī)質(zhì)的含量[14-15]。因此，本研究以馬尾松樟樹(shù)混交林為研究對(duì)象，通過(guò)樹(shù)脂芯法[16]在原位測(cè)定氮礦化的速率，并且在測(cè)定結(jié)果的基礎(chǔ)上分析關(guān)鍵的環(huán)境要素與土壤氮礦化速率的關(guān)系，揭示土壤氮素礦化特征，認(rèn)識(shí)針闊混交林生態(tài)系統(tǒng)土壤氮循環(huán)的機(jī)制，以期為亞熱帶不同森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)機(jī)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(yàn)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(qū)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(wú)霜期為270~300d，日照時(shí)數(shù)年均1677.1h；雨量充沛，年平均降水量1422mm，屬典型的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。其地層主要是第四紀(jì)更新世的沖積性網(wǎng)紋紅土和砂礫，屬典型紅壤丘陵區(qū)。園內(nèi)植物種類多達(dá)2200余種，且小生境眾多，植被以人工次生林為主。

1.2試驗(yàn)材料

選擇樹(shù)齡相同或相近的馬尾松和樟樹(shù)人工混交林作為研究對(duì)象，林內(nèi)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(yàn)處于湖南雨熱同期的7、8月份，試驗(yàn)樣地的土壤溫度和濕度是一年中最高的時(shí)期。林內(nèi)土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。其主要成分為以馬尾松Pinusmassonsiana和樟樹(shù)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(shè)置

2010年7月初，在森林植物園內(nèi)選取樟樹(shù)馬尾松人工混交林群落，分別設(shè)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(duì)照(CR)，每種處理設(shè)置3個(gè)小區(qū)，共18個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)大小為3m×4m，小區(qū)間距1～5m。（1）添加凋落物的處理：收集去除凋落物處理的網(wǎng)中枯落物均勻撒在12m2的范圍內(nèi)，以后每月將周圍凋落物收集網(wǎng)收集的凋落物等面積均勻撒在添加處理的范圍內(nèi)。（2）去除凋落物處理：取12m2的樣方，清除樣方內(nèi)的凋落物，并在上方設(shè)置3m×4m的網(wǎng)用來(lái)收集凋落物，為了防止凋落物進(jìn)入該處理的范圍內(nèi)，網(wǎng)距離地面的高度設(shè)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(nèi)隔離小樣方周圍的根系，以阻止根系進(jìn)入小樣方，再小心除去小樣方內(nèi)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(nèi)隔離小樣方周圍的根系，以阻止根系進(jìn)入小樣方，再小心除去小樣方內(nèi)的所有活體植物，收集去根去除凋落物處理的網(wǎng)中的枯落物均勻撒在12m2樣方內(nèi)。之后，每月將周圍凋落物收集網(wǎng)收集的凋落物等面積均勻撒在去根添加處理的范圍內(nèi)。（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(nèi)隔離小樣方周圍的根系，以阻止根系進(jìn)入小樣方，再小心除去小樣方內(nèi)的所有活體植物，清除樣方內(nèi)的凋落物，并在上方設(shè)置3m×4m的網(wǎng)用來(lái)收集凋落物。（6）有根處理：即為對(duì)照，不做處理。

1.3.2試驗(yàn)方法

采用樹(shù)脂芯法原位測(cè)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(shù)脂芯方法的試驗(yàn)裝置包括：裝有3g陰離子交換樹(shù)脂（氯型，強(qiáng)堿性，上海匯脂樹(shù)脂廠717#樹(shù)脂）的尼龍網(wǎng)袋（70目）、PVC管（內(nèi)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(gè)樣方采樣時(shí)，首先去除地表凋落物，用2支PVC管，2只管子需同時(shí)打入地下土層，將其中的1支取出，裝入封口袋帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定土壤含水率、NH4+-N和NO3--N，其結(jié)果作為初始值。將另1支PVC管取出，盡量不破壞土壤的結(jié)構(gòu)，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(shù)脂袋與土壤的直接接觸，然后放入陰離子交換樹(shù)脂袋，再放置1張濾紙，最后放置石膏墊，石膏墊被放置在樹(shù)脂袋下部是為了避免PVC管下方土壤溶液中的NO3--N被樹(shù)脂交換吸附，并且石膏塞上的孔也能確保土壤溶液的及時(shí)排出。將PVC管裝有藥品的一頭向下，小心地放入原處進(jìn)行野外培養(yǎng)，共放置18個(gè)PVC管，培養(yǎng)30d。

1.3.3測(cè)試項(xiàng)目及方法