土壤氮转化主要包括氨化、硝化和微生物固持3个过程，其中氨化和硝化过程统称为氮矿化过程，是土壤氮素转化的核心(陈伏生等，2004)。在森林生态系统中，氮素是植被生长最重要的限制因子，土壤中大部分氮素以有机态形式存在，不能被植物直接吸收，只有通过微生物矿化作用才能将其转化为能被植被直接吸收利用的无机态氮(铵态氮和硝态氮)(韩兴国等，1999; Deluca et al., 2002; 周才平等，2003)。氮转化过程对于森林土壤氮循环具有重要作用，与森林生态系统的氮素有效性、养分利用效率和生产力存在密切关联(Reich et al., 1997; 王斌等，2007)，也与群落演替、植物多样性、生态系统退化等存在反馈关系(Reich et al., 1997; Hungate et al., 2003; Luo et al., 2004)，还与温室气体的产生、地下水污染等全球环境问题有一定相关性(陈伏生等，2004)。土壤氮转化过程是森林生态系统重要的动态过程，受到许多因素的影响，并表现出较强的时空动态变化特征(Garten et al., 2004)。国内外学者对森林土壤氮矿化的海拔效应进行了一些研究。王斌等(2007)采用封顶埋管法对贺兰山西坡不同海拔土壤铵态氮含量和硝态氮含量以及净氮矿化速率进行了研究，结果表明土壤铵态氮和硝态氮含量随海拔降低而降低，而土壤净氮矿化速率随海拔降低呈现出明显“V”形变化规律。李菊梅等(2003)研究指出，不同海拔土壤的氮矿化速率差异与土壤全氮含量有关，而与海拔的关系不密切。Bonito等(2003)研究发现，美国南部高海拔硬木林土壤中氮矿化速率比低海拔高，从而得出土壤净氮矿化速率随海拔升高而增加的结论。还有人研究发现氮矿化速率在中海拔最高，而高海拔与低海拔较低(Powers，1990)。但迄今为止，川西亚高山不同海拔森林群落土壤氮转化动态特征及冬季土壤氮转化过程仍不清楚。

川西亚高山森林是我国西部林区的主体，在水源涵养、水土保持、生物多样性保育等方面具有十分重要的作用和地位(杨万勤等，2006)。亚高山森林往往地处高山峡谷区，具有明显的垂直海拔分布特征(刘庆，2002)。本研究选择川西理县毕棚沟自然保护区3个海拔典型森林群落：海拔3 600 m处的岷江冷杉(Abies faxoniana)原始林(A)、 海拔3 300 m外的针阔混交林(B)、海拔3 000 m外的岷江冷杉次生林(C)。采用原状土原位培养连续取样法估测几个关键时期(非生长季及生长季初期、中期和末期)的土壤净氮氨化、硝化、矿化和固持速率，旨在探讨川西亚高山氮素转化规律以及海拔和季节对土壤氮素转化的影响，为亚高山森林生产力维持和森林生态系统氮素养分管理提供理论依据。

研究区位于四川省阿坝州理县毕棚沟自然保护区(102°53′—102°57′E，31°14′—31°19′N)海拔2 458～4 619 m。地处青藏高原-四川盆地过渡地带的四姑娘山北麓，属丹巴-松潘半湿润气候，区域内年均气温2～4 ℃，最高气温(7月)23.7 ℃，最低气温(1月)－18.1 ℃。年均降水量850 mm，降水主要分布在生长季节。研究区土壤类型为有机层较厚的雏形土，主要林型有岷江冷杉原始林、针阔混交林和岷江冷杉次生林； 林下灌木主要有箭竹(Fargesia spathacea)、高山杜鹃(Rhododendron delavayi)、三颗针(Berberis sargentiana)、红毛花楸(Sorbus rufopilosa)、沙棘(Hippophae rhamnoides)和扁刺蔷薇(Rosa sweginzowii)等； 草本主要有蟹甲草(Cacalia forrestii)、高山冷蕨(Cystopteris montana)、薹草属(Carex)和莎草属(Cyperus)等。

3个海拔森林群落表层土壤(0～15 cm)基本理化性质分别为： 岷江冷杉原始林有机碳、全氮和全磷含量分别为161.40，9.50和1.20 g·kg^-1，pH为6.22； 针阔混交林有机碳、全氮和全磷含量分别为175.22，8.05和0.94 g·kg^-1，pH为6.61； 岷江冷杉次生林有机碳、全氮和全磷含量分别为160.94，9.64和1.52 g·kg^-1，pH为6.54。

本研究采用原状土原位培养连续取样法估测净氮矿化速率(Jones et al., 2006)。分4个关键时期： 非生长季节(2011-11-20—2012-04-27，NGS)、生长季初期(2012-04-27—06-24，EGS)、生长季中期(2012-06-24—08-26，MGS)、生长季末期(2012-08-26—11-20，LGS)。具体操作如下： 2011年11月20日，在3个海拔森林群落各设置4块20 m×20 m样地，在每块样地内分别随机选取3个原位培养点，在每个培养点上直接用PVC管(内径6 cm，长15 cm)相邻取样2管，1管将顶端(土壤表面一端)用通气但不透水的塑料薄膜封闭，底端用纱布和橡皮圈封好进行原位培养，另1管土柱低温保存，带回实验室过2 mm筛后，立即测定土壤含水量、铵态氮含量、硝态氮含量和微生物生物量氮含量，并作为各指标相应的初始含量。每个时期(2012年4月27日、6月24日、8月26日和11月20日)均按照上述方法进行样品采集及野外培养。

土壤含水量测定使用烘干法(105 ℃，24 h)，5 cm深处土壤温度使用纽扣式温度传感器测定(DS1921-F5#，Maxim/Dallas Semiconductor Inc.，USA)，土壤铵态氮含量采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法测定，土壤硝态氮含量采用酚二磺酸比色法测定，土壤微生物生物量氮含量采用氯仿薰蒸-硫酸钾提取法测定。

土壤氮转化速率计算公式为： ${\rm{A = }}\left({B - C} \right){\rm{/}}D$ 式中： A为土壤氮转化速率(净氨化、净硝化、净氮矿化和净氮固持速率)； B为培养后各形态氮素(铵态氮、硝态氮、微生物生物量氮)含量； C为培养前各形态氮素(铵态氮、硝态氮、微生物生物量氮)含量； D为培养天数。

采用重复测定方差分析(repeated measures ANOVA)检验海拔和季节及交互作用对土壤净氨化速率、净硝化速率、净氮矿化速率和净氮固持速率的影响，并采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)检验不同数据间的差异显著性。所有统计分析均采用SPSS16.0完成，且界定P<0.05为显著水平。

图 1显示，3个海拔5 cm深处土壤温度动态变化规律一致。土壤温度从2011年11月底至2012年2月初逐渐下降，之后迅速上升，并在2012年5月底达第一个小峰值，随后至同年9月底，土壤温度一直在相对稳定的范围内波动，从2012年9月底到11月底又急剧下降。研究期间，土壤温度除2011年12月至2012年3月在0 ℃以下外，其他时期均在0 ℃以上。3个海拔日均土壤温度最低值均出现在2月(A： －3.7 ℃； B： －3.3 ℃； C： －3.0 ℃)，最高值均出现在8月(A： 14.7 ℃；B： 15.4 ℃；C： 15.8 ℃)，且年均土温随海拔降低而升高(A： 4.8 ℃；B： 5.5 ℃；C： 6.1 ℃)。

	图 1 3 个海拔森林群落土壤温度动态变化 Fig.1 Daily dynamics of soil temperature at the 5 cm depth of three forests along elevational gradient

图 2显示，3个海拔土壤含水量季节动态存在差异。A和C海拔的土壤含水量在非生长季和生长季中期稍高于生长季初期和生长季末期，而B海拔与此相反。各个时期土壤含水量均为B海拔明显高于A和C海拔，B海拔土壤含水量为65%～77%。A海拔土壤含水量较其他2个海拔季节波动更大，在非生长季最高(55.47%～55.52%)，而在生长季初期最低(30.56%～30.78%)。C海拔土壤含水量为33.78%～42.00%。土壤含水量在海拔间基本呈现出B>A>C的规律。3个海拔土壤含水量在各时期培养前后变化规律基本一致，且变化不大。

	图 2 3 个海拔森林群落土壤水分动态变化 Fig.2 Seasonal dynamics of soil moisture of three forests along elevational gradient NGS: 非生长季Non-growing season; EGS: 生长季初期Early growing season; MGS: 生长季中期Mid-growing season; LGS: 生长季末期Late growing season; BI: 培养前Before incubation; AI: 培养后After incubation． 下同The same below．

土壤净氨化速率存在明显的季节差异(P<0.001，图 3，表 1)。3个海拔土壤净氨化速率均在生长季中期最大(0.02～0.06 mg·kg^-1d^-1)，而其他3个时期为负值(除生长季末期A海拔为0.02 mg·kg^-1d^-1外)。土壤净氨化速率在海拔间差异显著(P<0.05，图 3，表 1)，且各时期各海拔没有特定的规律。就全年平均氨化速率而言，A>B>C(图 7)。海拔与季节交互作用对土壤净氨化速率的影响也显著(P<0.001，图 3，表 1)。

	图 3 3 个海拔森林群落土壤净氨化速率季节动态 Fig.3 Seasonal dynamics of soil net ammonification rate of three forests along elevational gradient

表 1 海拔和季节对土壤氮转化速率影响的重复测定方差分析 Tab.1 Repeated measures ANOVA for effect of elevation and period to soil nitrogen transformation rates

表 1 海拔和季节对土壤氮转化速率影响的重复测定方差分析 Tab.1 Repeated measures ANOVA for effect of elevation and period to soil nitrogen transformation rates 参数 Variables 变异来源 Source of variation rate 自由度 df 平方和 Sum of squares 均方 Mean square F P 净氨化速率 Net ammonification rate 海拔Elevation 2 0. 004 0. 002 4. 928 0. 036 季节Season 3 0. 313 0. 010 73. 571 0 海拔× 时期Elevation × season 6 0. 005 0. 001 5. 900 0 净硝化速率 Net nitrification rate 海拔Elevation 2 0. 742 0. 371 0. 689 0. 527 季节Season 3 42. 359 14. 120 76. 122 0 海拔× 时期Elevation × season 6 1. 092 0. 182 0. 981 0. 457 净氮矿化速率 Net nitrogen mineralization rate 海拔Elevation 2 1. 188 0. 594 1. 000 0. 405 季节Season 3 40. 376 13. 459 69. 469 0 海拔× 时期Elevation × season 6 1. 270 0. 212 1. 092 0. 392 净氮固持速率 Net nitrgen fixation rate 海拔Elevation 2 0. 003 0. 002 1. 089 0. 377 季节Season 3 0. 257 0. 086 167. 847 0 海拔× 时期Elevation × season 6 0. 067 0. 011 21. 952 0

土壤净硝化速率存在明显的季节差异(P<0.001，图 4，表 1)。3个海拔土壤净硝化速率都呈现先高后低再高再低的趋势，各时期土壤净硝化速率表现为生长季中期>非生长季>生长季末期>生长季初期，仅生长季初期为负值(－0.80～－0.57 mg·kg^-1d^-1)，其他3个时期均为正值，且生长季中期净硝化速率达全年最高水平(1.59～2.36 mg·kg^-1d^-1)。土壤净硝化速率在海拔间差异不显著(P=0.527，图 5，表 1)，海拔与季节交互作用对土壤净氨化速率的影响也不显著(P=0.457，图 4，表 1)。全年平均硝化速率表现为A>C>B(图 7)。

	图 4 3 个海拔森林群落土壤净硝化速率季节动态 Fig.4 Seasonal dynamics of soil net nitrification rate of three forests along elevational gradient

	图 5 3 个海拔森林群落土壤净氮矿化速率季节动态 Fig.5 Seasonal dynamics of soil net nitrogen mineralization rate of three forests along elevational gradient

土壤净氮矿化速率存在明显的季节动态(P<0.001，图 5，表 1)，且与土壤净硝化动态特征相似。3个海拔土壤净硝化速率也呈现先高后低再高再低的趋势，各时期土壤净硝化速率表现为生长季中期>非生长季>生长季末期>生长季初期，且在生长季初期净氮矿化速率为负(－0.76～－0.56 mg·kg^-1d^-1)。非生长季土壤净氮矿化速率(0.67～1.02 mg·kg^-1d^-1)大于整个生长季(0.39 ～ 0.68 mg·kg^-1d^-1)。土壤净氮矿化速率在海拔间差异不显著(P=0.405，图 5，表 1)。海拔与季节交互作用对土壤净氮矿化速率的影响也不显著(P=0.392，图 5，表 1)。全年平均净氮矿化速率表现为A>C>B(图 7)。

土壤净氮固持速率存在明显的季节动态(P<0.001，图 6，表 1)，3个海拔土壤净氮固持速率在非生长季为全年最高(0.03～0.09 mg·kg^-1d^-1)，其他3个时期为负值(除生长季中期B海拔为0.09 mg·kg^-1d^-1外)，且生长季初期为全年最低水平(－0.17～－0.12 mg·kg^-1d^-1)。土壤净氮固持速率在海拔间存在差异，但差异不显著(P=0.377，图 6，表 1)，但海拔与季节交互作用对土壤净氮固持速率的影响显著(P<0.001，图 6，表 1)。全年平均净氮固持速率表现为B>A>C(图 7)。

	图 6 3 个海拔森林群落土壤净氮固持速率季节动态 Fig.6 Seasonal dynamics of soil net nitrogen fixation rate of three forests along elevational gradient

	图 7 3 个海拔森林群落年均氨化速率、硝化速率、矿化速率和固持速率 Fig.7 Annual mean rate of soil net nitrogen ammonification，nitrification，mineralization and fixation of three forests along elevational gradient

川西亚高山森林土壤硝化过程明显强于氨化过程，且对土壤氮矿化过程起主控作用，这与许多研究得出的森林土壤氮矿化以氨化为主的结论相悖(孟盈等，2001; 陈伏生等，2004)，但与李玉强等(2009)对科尔沁沙地不同生境土壤氮矿化的研究结果相似，其结果显示沙地土壤无机氮主要以硝态氮形式存在，各类生境土壤铵态氮平均含量比硝态氮低58.2%～79.7%，且土壤净硝化氮占净矿化氮的比例高达100%。土壤净氨化速率有明显的季节动态变化，在生长季初期相对较高，这与该时期硝化作用受抑制有关。由于在生长季初期川西亚高山森林土壤经强烈雪融过程，带负电荷的硝态氮易伴随雪融水从土壤中大量淋失，土壤生态系统为避免此类氮素淋失而采取某种自我保护机制来抑制硝化过程，而带正电荷的铵态氮相对稳定，因此在土壤中得以积累，氨化速率也在全年达最高水平。但是，净氨化速率在生长季中期和末期都较低，是因为土壤温度和含水量在这2个时期都相对适宜，土壤微生物活性较强，土壤经过氨化作用后，大部分铵态氮通过自养细菌的硝化作用转变成硝态氮(陈伏生等，2004)。土壤净氨化速率在海拔间差异达显著水平，从全年净氨化速率来看，随海拔升高而升高。这是因为海拔越高土壤温度越低，土壤温度较低时铵态氮不易转化成硝态氮(Cookson et al., 2007)。

土壤净硝化速率季节动态明显，且3个海拔动态特征一致。各海拔森林群落土壤净硝化速率均表现为生长季中期>非生长季>生长季末期>生长季初期。生长季初期全年最低，且为负值。一方面是该时期处于高山雪被融化期，伴随雪融水下渗作用，大量的硝态氮从土壤中流失(殷睿等，2013)； 另一方面是由于在生长季初期植被对土壤硝态氮的集中吸收，这都是造成该时期土壤净硝化速率极低的重要因素。与土壤净硝化速率相似，3个海拔下土壤净氮矿化速率的季节动态变化趋势一致，表现为非生长季最高，生长季初期最低且为负值，生长季中期显著升高，生长季末期又明显下降，这种显著的季节动态变化与土壤温度季节动态变化密切相关。普遍认为温度是影响土壤氮矿化最为主要的因素，且在一定温度范围内(同一研究区域)，氮矿化速率随温度升高而增加(Stanford et al., 1972; Zaman et al., 2004)。本研究发现，整个生长季，净氮矿化速率在土壤温度最高的生长季中期达最高值，且明显高于土壤温度较低的生长季初期和末期。但本研究也得出在气温和土壤温度较低的NGS(非生长季)，川西亚高山森林土壤净氮矿化速率同样很高。这是由于冬季频繁的冻融循环有利于土壤氮矿化过程(殷睿等，2013; 2014a，2014b)。土壤净氮矿化速率在海拔间差异未达到显著水平，这是因为海拔间土壤温差较小，不足以引起土壤净氮矿化显著差异。

土壤微生物氮固持是生态系统氮素维持的主要方式，同时，也反映着土壤微生物活性的强弱。本研究发现，土壤净氮固持速率存在明显的季节动态，3个海拔土壤净氮固持速率在非生长季为全年最高，与该区冬季微生物活性极强有关，微生物将土壤中大量的氮素固定，从而提高了生长季末期土壤净氮固持速率，这与Tan等(2011)对该区域研究得出的土壤微生物生物量氮峰值出现在冬季的结论一致。而在生长季初期、中期和末期较非生长季低，是因为在生长季植物体生长需要充足的氮素营养，大量的氮素以铵态氮的形式从死亡的微生物组织中释放出来( Veen et al. ，1984; 吴建国等，2007)。土壤净氮固持速率在海拔间差异不显著，这与各时期川西亚高山土壤净氮固持速率一直维持在一个较小的范围内波动有关。

综上所述，土壤氮素转化是森林生态系统土壤氮循环的关键过程，对于弄清森林生态系统养分利用效率、森林生产力、环境污染等问题具有极为重要的作用。川西亚高山森林土壤氮素转化速率存在明显的季节动态。该区域土壤氮矿化以硝化为主； 在冬季，显著的氮素矿化为生长季植被生长提供了充足氮素营养，同时，较强的净氮固持避免了早春氮素过多的淋失。