N是植物生长和发育所需的大量营养元素之一。在许多森林生态系统中, 土壤N有效性通常是限制林木生长的主要因素(Vitousek et al., 1982; Attiwill et al., 1993)。在传统的土壤N循环范式中, 基于植物只吸收无机N和植物同微生物竞争N源能力极弱的2条关键性假设(Schimel et al., 2004), 土壤N有效性通常指的是无机N(NH₄⁺和NO₃^-)的供应速率和限制性(Chapin et al., 1986), 主要由N矿化-固持过程控制, 通常以N净矿化速率来作为评价指标。一直到20世纪90年代, 正是基于对N净矿化重要性的认可, 以及养分有效性和植物吸收是生态系统结构、功能及其过程最重要表征指标的重视, 建立和发展一种衡量生态系统有效N水平的净矿化速率的方法成为研究的焦点(Binkley et al., 1989; Schimel et al., 2004)。然而, 事实上要找到一种可以准确测定土壤N有效性的方法相当困难。无奈之下, 埋袋法(Eno, 1960)、顶盖埋管法(Lemee, 1967)、离子交换树脂法(Binkley et al., 1983)、树脂芯法(Di Stefano, 1984)等相继被研究者认为是较理想的, 并广泛应用于作为估测土壤有效N的指标。

20世纪90年代以后, 随着对净矿化速率测定技术的限制性和矿化-固持过程复杂性的认识, 特别一些生态系统中出现了N的净固持(Giblin et al., 1991; Chapin et al., 1993; Kielland, 1994), 或者净矿化量明显低于植物吸收N源所积累的量(Schimel et al., 1996; Kielland, 1997), 导致使用净矿化速率来衡量生态系统土壤N有效性的理论受到质疑(Schimel et al., 2004)。相关的科学家开始重新思考N矿化过程是否仍是N循环的核心, 并提出新的观点, 认为至少在N含量低的生态系统中, 植物可以直接吸收利用有机N作为重要的N源, 有机N吸收是N循环的快速通道(Chapin, 1995);植物能够有效地同微生物竞争来吸收N源, 从而限制微生物的生长和繁殖。此外, 研究者对森林生态系统林地表层空间异质性和根系分布的不均匀性对植物吸收有效N影响进行了重新认识, Schimel等(2004)提出生态系统N循环新的研究范式(图 1), 并指出解聚合、植物-微生物竞争、微环境的作用是今后开展N有效性研究的3个关键突破口, 解聚合是整个过程的核心。为此, 土壤N有效性估测方法成为一项新的而急待解决的研究课题。

在传统N循环模式受到挑战, 新的N循环模式刚刚提出, 新的研究方法尚待形成之际, 目前来看, 净矿化速率仍然是一个衡量N有效性的重要指标(Reich et al., 1997; Hooper et al., 1999; Chen et al., 2006)。鉴于此, 本文对野外估测森林土壤N净矿化速率的几种方法做逐一介绍, 以期能够在新的N循环模式的研究中有所发展和完善, 从而为提出新的方法提供思路和借鉴。

1 埋袋法

埋袋法形成于20世纪50年代后期, 20世纪60 —70年代在欧洲得到了广泛的应用(Kovaes, 1978), 也一度成为北美应用最广泛的N有效性测定方法。即:用土钻取出土样, 尽量不破坏其原状, 装入塑料袋中进行培养。袋子允许O₂和CO₂交换, 但阻止液体水分的交换(Gordon et al., 1987)。把装有土壤的袋子埋在林地表层以下培养1 ~ 2个月。培养期过后, NH₄⁺和NO₃^-用2 mol·L^{- 1}的KCl浸提, 用化学比色法或相应的仪器设备(如连续流动养分分析仪)测定。培养期前后浸提液中NH₄⁺和NO₃^-的差异为净矿化量。这种方法的关键在于如何确定温度、湿度、培养期以及土壤干扰等因素对N矿化过程及其有效性的影响。

利用这种方法, Nadelhoffer等(1983)研究了美国威斯康辛大学植物园内9种森林N矿化和植物吸收规律, 发现埋袋法测定的矿化率与土壤全N、有机C和C/N没有相关性, 但与树木吸收N的量(r² =0.9)和凋落物N量(r² =0.6)有很好的相关性; Vitousek等(1986)通过研究采伐和整地对火炬松(Pinus taeda)林地N矿化速率的影响, 发现其矿化速率提高了5倍, 其中硝化速率从占总净矿化速率的10 %增加到100 %; Boone (1992)对美国麻萨诸塞州松树(Pinus strobus)和糖槭(Acer saccharum)林地表层0 ~ 15 cm土壤N矿化速率研究时, 发现埋袋法与实验室厌氧培养法所估测的值均表现出明显的季节动态, 但两者变化的格局并一致; Redding等(2004)利用埋袋培养法研究了加拿大不列颠哥仑比亚中南部的英国针叶林和亚高山冷杉混交林采伐对N矿化过程的边缘效应, 发现对硝化速率的边缘效应明显, 为2 ~ 6 m, 而对氨化速率不明显。

2 顶盖埋管培养法

20世纪60年代, Lemee(1967)提出了在铝罐中培养土壤样品测定土壤N矿化速率的技术, 在铝罐两边打孔, 且顶部关闭底部开放。这一设计能够保持罐中与罐外的土壤湿度相似, 且能阻止根系的直接吸收, 并阻止下雨而导致的直接淋溶。此后, Adams等(1986a; 1986b)应用带盖的PVC管改进了这一方法, 并发现在培养期间盖子能阻止一小部分NO₃^-的流失, 且由于在野外没有最适宜的温度和湿度, 其所估测的矿化速率要低于实验室标准条件的矿化速率。同埋袋法相比, 这种方法, 具有更多的优点, 特别适应于在预备试验中证实硝酸盐从管芯的底部淋溶出来的量不大的研究区采用。因此, 在温带、寒带地区具有很好的适用性。

此方法的典型案例有: Rapp等(1979)应用Lemee的技术评估靠近地中海的意大利石松林(Pinus pinea) N矿化, 发现森林地表加上A₁层每年的矿化大约为11.5 kg·hm^-2, 这与凋落物回归的N量基本吻合。Raison等(1987)通过一系列的试验来确定影响PVC顶盖埋管法测定矿化速率的影响因素, 发现培养前过筛土壤能增加2 ~ 10倍的矿化速率, 其中硝化速率增加比例较大; 早期已施过200 kg·hm^-2N土壤的矿化速率比未施肥处理的矿化速率提高了4倍还多; 而过筛后培养测定结果却表明不存在差异, 同时发现金属管不会改变土壤温度, 同PVC管测定的矿化速率一致; 矿化速率对于培养期的长短不敏感, 打管过程的干扰对土壤N矿化过程基本没有影响; PVC管打入40 cm的深度测定2个林分矿化速率, 发现25 %N矿化量发生在15 ~ 40 cm。Knoepp等(1998)利用PVC顶盖埋管法研究了美国阿巴拉契亚地区不同海拔和植被梯度土壤N矿化速率的变化, 发现N净矿化速率和硝化速率均表现随植被类型而存在显著的变化。Chen等(2006)也利用此法研究了不同经营措施对章古台沙地樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)土壤N矿化过程的影响, 发现围栏集约经营的林地明显高于非围栏自由放牧的林地, 但硝化速率所占净矿化速率的比例是前者低于后者。

3 离子交换树脂袋法

离子交换树脂最早是应用于P有效性的测定, 到20世纪80年代才被应用来测定野外条件下的森林土壤养分有效性(Binkley et al., 1983)。具体操作包括将已知质量或体积的树脂装入尼龙网袋中, 放在土壤中培养1个月至1年, 然后用盐溶液浸提树脂吸收的离子量。实验室研究表明, 树脂袋上离子的吸附量主要取决于N矿化速率、离子形态、含水量以及同微生物和植物吸收养分的竞争能力(Binkley, 1984)。离子交换树脂袋法容易使用, 而且对环境因子比较敏感, 被认为是分析N有效性的空间和时间格局最有效的方法。树脂袋法测定出的不同生态系统和不同处理间N有效性的差异通常是显著的, 但引起差异的原因比较复杂, 既包括矿化速率引起的差异, 也包含植物吸收和微生物固持的差异, 还与离子的移动性密切相关, 为此, 如何合理地解释树脂袋的测定结果存在困难。

在森林土壤中, Binkley(1984)利用离子交换树脂袋法和厌氧培养法测定了英属哥伦比亚省的范库弗峰岛3个不同海拔林地皆伐对N有效性的影响。厌氧培养法测定结果表明, 采伐后N有效性没有变化, 而离子交换树脂袋测定结果表明砍伐后N有效性提高了7 ~ 20倍。Binkley等(1986)利用树脂袋法测定已经用埋袋法测定过的13个不同系列的生态系统的N有效性, 表明经过一个生长季节后, 树脂袋上N的积累与其他的测定方法有很好的相关性。不过, 有2个林地测出了极高的NO₃^-, 而正是这2个林地在较早的研究中发现有较高的NO₃^-的淋溶。同时发现树脂袋测定有NH₄⁺的林地, 而埋袋法测定结果却为100 %的硝化。这些发现再次说明N有效性组成与测定方法选择的差异。Waring等(1987)利用树脂袋法测定了山地铁杉(Tsuga mertensiana)生态系统不同树木死亡率下林地土壤N有效性的变化, 发现无林地和更新后幼林树脂吸附的无机N比成熟林高4倍多。Hart等(1989)利用离子交换树脂法、埋袋法和树脂芯法对美国加利福尼亚州东部内华达山脉2块林地的表层矿质土壤的N有效性进行研究时发现, 3种方法均表明幼林地土壤N有效性低于成熟林地, 但相关系数均不显著。研究者认为离子交换树脂法与环境条件如土壤水分等影响很大, 树脂芯法对土壤水分的变化反映迟钝, 而埋袋法不能反映土壤水分的变化, 为此, 需根据不同的研究对象和目标进行选择。Mo等(2003)利用离子交换树脂袋法研究了中国华南鼎湖山保护区3块不同演替阶段的热带典型林分, 发现恢复的松阔混交林地树脂吸附离子最高, 成熟的常绿阔叶林地次之, 而受到干扰的马尾松(Pinus massoniana)林地最低。陈伏生等(2006)利用此法, 研究了科尔沁沙地章古台地区不同人工林土壤有效性的状况, 发现赤松(Pinus densiflora)林>樟子松林>杨树(Populus simonii)林(P < 0.05), 同PVC顶盖埋管法测定的结果赤松林低于樟子松林和杨树林(P < 0.05), 作者在分析时指出季节间土壤N矿化速率动态变化主要受温度和水分的影响, 顶盖埋管法测定结果与此有较好的相关性, 说明顶盖埋管法能够较好地反映土壤N的实际矿化速率。而离子交换树脂袋法由于受植物根系对N的吸收影响较大, 所以在植物旺盛生长期, 其测定值较低。此外, 离子交换树脂袋法可能受土壤水分影响较大, 通常在春、秋季易发生N移动, 而易被树脂吸附, 从而导致测定值偏高, 趋向于反映土壤有效N与植物吸收N的差值。仅从测定土壤N矿化速率的准确性来说, 顶盖埋管法优于离子交换树脂袋法。但从评价土壤N有效性以及植物利用来说, 两者的结合会更加有说服力。

4 树脂芯法

Di Stefano (1984)把树脂袋法和PVC管顶盖埋管法相结合, 形成目前被认为测定N矿化速率最优的树脂芯法, 该法把上下两端均开放的管埋入土壤中, 同时管子顶部和底端均放上离子交换树脂袋。管子顶部的树脂袋可以防止其他土壤的离子而进入到管中, 底端的树脂袋可吸附从管芯淋溶出来离子。在培养期过后, 如果不考虑输入的问题, 顶端的树脂袋可丢弃, 土壤和底端的树脂袋用KCl浸提, 利用浸提出来的NH₄⁺和NO₃^-来评估培养期间N的矿化速率。此法明显优于埋袋法, 因为培养期间它允许土壤湿度的波动。而优于埋袋法和顶盖埋管法的原因在于允许矿化的产物在管芯中移出, 这样就会减少因NH₄^-和NO₃^-的积累而抑制进一步的矿化或固持。

Strader等(1988)应用树脂芯法研究了南部阿帕拉契亚山脉高海拔的红云杉(Picea rubens)和弗雷泽冷杉(Abies fraseri)林地的矿化特征, 通过连续4个培养期对19块林地每年的矿化作了测定, 发现年矿化速率为26 ~ 180 kg·hm^-2。NO₃^-占被矿化N的1 %~ 60 %。同时发现大部分被矿化的N均被吸附在树脂上, 表明允许矿化产物从树脂芯中移走具有潜在的重要性。Hart等(1989)用离子交换树脂袋、树脂芯和埋袋法比较分析了加利福尼亚地区幼龄和成熟混交针叶林地N有效性的季节变化格局, 树脂芯法测定结果表明幼龄林净矿化速率比成熟林高2倍, 且硝化作用尤其突出; 埋袋法同树脂芯法测定结果类似。同时发现树脂芯法测定过程管内土壤含水量高于周围土壤; 埋袋法出现了相反的问题, 即袋里土壤含水量低于袋外, 缘于袋中水分被蒸发却不能通过降雨来补充。Zou等(1992)采用树脂芯和埋袋法对哥斯达黎加的热带雨林不同演替阶段的林地土壤N转化速率进行研究时, 两者方法没有明显的差异, 但用树脂芯法测定的NH₄⁺比埋袋法要高一些。认为是埋袋法中微生物易发生固持而树脂芯不易发生所致。

尽管树脂芯培养法包含了埋袋法和顶盖埋管法的优点, 但是其工作量要大的多。

5 同位素¹⁵N技术

Kirkham等(1954)首先提出用数学模型分析同位素¹⁵N库稀释法测定的数据, 从而估算土壤N矿化速率。目前, 同位素¹⁵N库稀释技术已经比较普遍。一般通过添加少量¹⁵N到一个库, 观测其瞬间在被标记库的迁移来估测N转化速率。研究者假设即培养期标记库的输入和输出速率是恒定的; N通量速率与供试库的大小是成比例的。为此, 把土壤看成有效和无效N两部分,¹⁵NH₄⁺添加到土壤中后, 总NH₄⁺和¹⁵NH₄⁺用KCl浸提来度量。输入和输出NH₄⁺库的总速率的计算只需要知道最初和最后的总的NH₄⁺和¹⁵NH₄⁺库的大小即可估算, 而¹⁵NO₃^-的添加可估算总的硝化作用和NO₃^-消耗。

Van Cleve等(1980)首先在森林生态系统中应用N库稀释法, 研究美国阿拉斯加州60年生的白桦林地表层NH₄⁺、NO₃^-以及可溶和不可溶的有机N库的动态变化。分析了不同库间的通量及其周转时间, 发现北部森林可溶性有机N库的能量很大, 达到0.4 ~ 0.7 kg·hm^-2d^-1。Binkley等(1985)利用此法, 发现在2个林地针叶中和土壤中NH₄⁺和NO₃^-的¹⁵N相吻合, 而另外2个林地叶片¹⁵N比土壤有效N中的要高。Binkley等(1992)在美国华盛顿和俄勒冈州的试验林地采用好氧、厌氧、埋袋、树脂芯、¹⁵N库稀释法和生态系统N预算法同时估测了土壤N转化及其有效性时, 发现各种方法间既存在一定的相关性, 又反映了各自的特点。如, 从反映林地间的差异程度看,¹⁵N库稀释法>埋袋法>树脂芯法。Billings等(2002)利用¹⁵N同位素研究美国莫哈韦沙漠落叶灌木(Lycium spp.)土壤N的有效性的变化时, 发现CO₂浓度升高时, 有效N有下降的趋势。此方法的主要缺点在于对标记库最初的大小非常敏感。而森林土壤中NH₄⁺-N和NO₃^--N库大小的空间变异性通常较大, 因此, 在野外应用时此法的精度受到了严格的限制。

不过,¹⁵N示踪为N有效性各个组分的评估提供了很好的机会。目前来看, 它是最具潜力和发展空间的一种方法。

6 生态系统N收支

评估生态系统N素供应能力最精确的方法就是估算每年N循环的主要组成部分, 即输入、植物吸收、输出等。这些过程包含所有控制N有效性的因子。不同生态系统N收支的组成具有差异, 这种差异导致不同N组分的重要性也将有所不同, 但最重要的一些组分应包括凋落物N含量、细根周转和生物体N量等。Aber等(1985)计算了13种林地地上部分N吸收, 并把N的吸收速率与埋袋法培养所获得的矿化速率进行比较, 发现埋袋法所获得的有效N要高于生态系统N收支所测定的有效N。此后, 用其差异来计算细根产量, 进而说明2种N有效性测定方法的差异。为此, 认为生态系统N收支法评价N矿化是准确的, 不过任何偏差都会显著地改变细根产量的估测。Finzi等(2002)预算CO₂浓度升高条件下火炬松幼林生态系统N收支时, 发现随着苗木的生长, 土壤N将成为生态系统生产力的限制性因子。

生态系统N收支包含若干部分, 要对其进行全面地测定费时费力费钱, 所以研究者往往根据研究目的只测定其中某一部分来作为衡量指标。生态系统N收支法的定量研究为评价N有效性的动态变化提供了一个很好的框架。不过, 生态系统N收支还没有一个统一的标准。

7 小结

目前, 还没有一种方法能够对土壤N有效性提供一个详细而精确的评估。一般根据不同的研究目标和所强调的N循环过程的组成成分来选择相应的方法。不过, 鉴于新的N循环研究范式的提出, 以上研究方法的局限性已经毋容质疑。

在新的N循环研究范式中, 土壤N有效性该如何估测? Schimel等(2004)在提出新的研究范式时, 在方法论上就有过较为详细的讨论。首先, 在有效N高的生态系统中, N矿化仍可作为是衡量土壤N有效性的重要指标; 而在有效N低的生态系统中, N矿化只可作为一个辅助指标, 而解聚合、植物与微生物的竞争过程显得非常重要。其次, 同位素¹⁵N技术是解决生态系统N有效性测定方法的最佳途径之一, 但鉴于微环境对N转化的重要性, 如何量化植物可吸收到¹⁵N标定的N源显得非常困难。第三, 解聚合速率可考虑通过测定解聚合酶活性来表征, 但植物与微生物的竞争过程还需要利用同位素法来解决。第四, 衡量生态系统N有效性的方法也可以通过测定植物真正吸收的有效N量, 但是这存在两方面的问题, 一方面默认了植物同微生物竞争N源的能力很弱, 另一方面在森林生态系统中, 植物生物量的测定非常困难。尽管面临着如此多的问题, 但时隔不到2年, Hobbie等(2006)就成为新的研究范式的响应者, 利用¹⁵N同位素技术, 以解聚合过程为突破口, 剖析了苔原地区N循环过程。不过, 笔者认为今后N有效性研究方法上的探索仍是一项任重而道远的工作。