全 文 ：火烧对草地土壤氮总矿化、硝化及无机
氮消耗速率的影响 3
李玉中1 3 3 　祝廷成2 　李建东2 　周道玮2
(1 中国农业科学院农业气象研究所 ,北京 100081 ;2 东北师范大学草地研究所 ,长春 130024)
【摘要】　采用同位素15N 库稀释技术结合扰动较小的管型取样法 ,测定了羊草草地火烧区与未烧区不同
季节土壤氮的总矿化速率、总硝化速率、无机氮消耗速率. 结果表明 ,火烧地的氮总矿化与硝化速率在牧草
返青后的 4、5 月份均高于未烧地 , 7 月份差异不显著 ,到生长季末的 9 月份又低于未烧地 ;火烧地 NH4 + 2
N 的消耗速率 7 月份以前均高于未烧地 ,9 月份低于未烧地 ,NO3 - 2N 的消耗 4、5 份火烧地要高于未烧地 ,
7、9 月份又低于未烧地 ;火烧地土壤 NH4 + 2N 含量在 4、5 和 7 月份均高于未烧地 ,9 月份基本没有差别 ,而
NO3 - 2N 在 4、5 月份无大差别 ,7、9 月份高于未烧地.
关键词 　氮总矿化 　总硝化 　草地 　15N
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 02 - 0223 - 04 　中图分类号 　S154. 1 　文献标识码 　A
Effect of prescribed burning on grassland nitrogen gross mineralization and nitrif ication. L I Yuzhong1 , ZHU
Tingcheng2 , L I Jiandong2 , ZHOU Daowei2 (1 A grometeorology Institute , Chinese Academy of A gricultural
Sciences , Beijing 100081 , China ;2 Grassland Institute , Northeast Norm al U niversity , Changchun 130024 ,
China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (2) :223～226.
The seasonal dynamics of nitrogen gross mineralization , nitrification ,and mineral nitrogen consumption rates in
burned and unburned Leym us chinensis grasslands were studied with 15N pool dilution technique . The results in2
dicated that the gross mineralization and nitrification rates in burned area were higher than those in unburned
area in April and May , and lower than those in unburned area in September. NH4 + 2N consumption rates were
higher than unburned area in April and May , and lower in September. NO3 - 2N consumption rates were higher
than control in April and May , and lower than control in J uly and September. The NH4 + 2N concentrations were
higher in burned area in April , May and J uly , and no difference in September. NO3 - 2N concentrations were no
difference between burned and unburned areas in April and May , and higher in burned areas in J uly and Septem2
ber.
Key words 　Gross mineralization , Gross nitrification , Grasslands , 15N isotope.3 国家自然科学基金国际合作项目 (938900921) 、国家高技术研究发
展计划资助项目 (2001AA242041) .3 3 通讯联系人.
2000 - 08 - 31 收稿 ,2001 - 07 - 09 接受.
1 　引 　　言
草地火烧所产生的效果有很多不同的观
点[6 ,3 ] . 一般认为 ,在矮草草原及荒漠地区 ,于植被
稀疏、气候干旱、土壤有机氮含量低 ,火烧是不利
的[14 ,21 ] ;在高草草原 ,适宜频次、强度和时间的火烧
对植物的生长是有利的[2 ,19 ,21 ] . 草地火烧有助于土
壤微生物的活动[1 ,4 ,5 ] . 草地火烧后由于地表变黑 ,
加之去除了立枯的遮荫作用 ,致使地表太阳能吸收
量比未烧前增加 ,因而火烧地的温度同未烧地相比
升高[1 ,17 ,19 ,25 ] . 火烧后 ,群落的植物组成、生长规律
均有不同程度的变化[7 ,11 ,13 ,19 ,20 ,21 ,25 ] . 土壤 p H 增
加幅度不大 ,一般小于 0. 25 个单位[24 ] ;束缚在有机
物中的 K+ 、Ca2 + 、Mg2 + 等以可交换的形式大量出
现. 这些因子相互作用 ,导致微生物种群对养分的吸
收量增加[5 ,16 ] . 火烧后 ,尽管大量的 N 素以气态形
式损失掉[26 ] ,但土壤中的无机氮增加. 在东北的羊
草草原火烧的研究结果表明 ,适时的火烧有利于植
物生长[27 ] . 但其具体机制如火烧后土壤无机氮动
态、土壤有机氮的总矿化、硝化速率及无机氮的消耗
速率的变化还未见报道. 本研究试图从这方面做些
工作 ,为揭示草地火烧规律提供科学依据.
2 　研究地区概况与研究方法
211 　研究地区概况
研究地区位于吉林省长岭腰井子羊草草原自然保护区 ,
地理位置 123°44′～123°47′E ,44°40′～44°44′N ,海拔 140～
160 m ,地形相对高差 5～20 m.
该区属于温带半湿润、半干旱季风气候区 ,具有典型的
应 用 生 态 学 报 　2003 年 2 月 　第 14 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2003 ,14 (2)∶223～226
大陆性气候 ,温差较大 ,春季干燥多风 ,夏季温热多雨 ,秋季
温和凉爽 ,冬季寒冷少雪. 根据长岭县气象站 (123°58′E , 44°
15’N)近 30 年的气象资料统计 ,该地区年平均降水量470. 6
m ,主要集中在夏季 ,6～8 月份降水量约占全年的 70 % ,年
蒸发量 1 600. 2 mm ;年均温 4. 9 ℃,1 月均气温 - 16. 4 ℃,
平均最低温度 - 21. 8 ℃,绝对最低气温 - 37. 8 ℃; ≥10 ℃
的活动积温 2 545. 9 ～3 374. 9 ℃;无霜期 136～163 d ,年平
均日照时数 2 882. 4 h.
　　所研究的样地为羊草单优势种群落 ,伴生种有十几种.
单优势种羊草总盖度达 80 %左右 ,羊草地生物量占群落总
生物量的 90 %以上[22 ] .
212 　研究方法
　　本研究采用同位素15 N 库稀释技术结合扰动较小的管
型取样法 ,对火烧地及未烧地土壤氮转化速率进行了测定.
该技术是 Davidson 等[8 ,9 ]在前人工作的基础上对15 N 库稀释
技术改进 N 的 ,其主要原理是 :氮矿化速率的测定是通过在
土壤中加入15 NH4 + 2N ,观察 NH4 + 2N 库中由微生物矿化有
机14N 为14NH4 + 2N ,使15NH4 + 2N 的原子百分数下降来完成
的 ;硝化速率的测定是通过在土壤中加入15 NO3 - 2N ,自氧硝
化细菌将土壤中的14NH4 + 2N 转化为14 NO3 - 2N ,或由异养硝
化菌将有机14 N 转变为14 NO3 - 2N ,致使15 NO3 - 2N 原子百分
数下降. 利用这些值的变化来计算氮矿化和硝化速率 ,
NH4 + 2N 和 NO3 - 2N 的消耗由15N 的消失量计算.
　　在羊草草原保护区内 ,选择地势平坦、牧草长势基本一
致的地方作为火烧实验点. 在此实验点上 ,随机选择 3 个半
径为 3 m 左右 (面积 25～30 m2) 近圆形的地方为火烧区. 火
烧区周围设置隔带 ,隔离带宽约 5 m ,紧接隔离带的地方设
置未烧地取样区. 于 4 月上旬进行火烧实验 ,之后分别在 4、
5、7 和 9 月份在火烧区和未烧对照区各设 1 取样点. 在每个
取样点将内径约为 4 cm、高 10 cm 的柱形镀锌铁管打入所要
的土壤内 ,将另一直径约为 8 cm、高 10 cm 的柱形取样器以
同心圆的形式压入土壤 ,两个取样器同时取出. 将两个取样
器之间的土壤取出 ,放在塑料袋内混匀 ,一部分土壤立即用
2 mol·L - 1 KCl 提取 (比例为 30 g 干土∶150 ml KCl 溶液) . 剩
余的土壤做土壤含水量分析 (105 ℃,24 h 烘干) . 将内径
4cm 的土壤取样器取出 ,上部盖好盖子 ,倒置 ,将丰度为
95 %、浓度为 80μg·ml - 1 15 N 的 (15 NH4 ) 2 SO4 或 K15 NO3 分
数次 ,按每 1 g 土加入 2μg N 的比例均匀注入取样器内的土
壤. 注射完成后将底部的盖子也盖好 ,竖过来 ,放在原取样处
培养 24 h 后取出 ,将取样器内的土壤取出混匀 ,用 2 mol·
L - 1的 KCl 提取 , 提取液用 Whatman 1 号滤纸过滤. 取滤液
40 ml , 用蒸馏法[23 ]测定滤液内铵态氮或硝态氮的含量 ,馏
出液经酸化处理、浓缩 ,进行15 N 光谱分析. 氮的总矿化速率
和硝化速率按 Kirkhan 等[18 ]公式计算 :
　　m = ( M0 - M1) / t ×log ( H0 M1/ H1 M0) /
　　log( M0/ M1)
　　c = ( M0 - M1) / t ×log ( H0/ H1) / log( M0/ M1)
式中 , M0 为14 + 15N 初始的库浓度 (μg·g - 1) , M1 为14 + 15 N 培
养后库浓度 (μg·g - 1) , H0 为15N 初始的库浓度 (μg·g - 1) , H1
为15N 培养后的库浓度 (μg·g - 1) , m 为矿化速率 (μg·g - 1·
d - 1) , c 为 N 消耗速率 (μg·g - 1·d - 1) , t 为培养时间 (此处为
1) . 注入同位素15NH4 + 2N 的 NH4 + 2N 库用 M 和 H 表示 ,如
注入的是15 NO3 - 2N , NO3 - 2N 库浓度也用 M 和 H 表示 ,但
公式中的 m 要换成 n ,表示硝化速率. 本实验样本重复数为
3.测定项目包括土壤水分、NH4 + 2N、NO3 - 2N 含量等 ,测定
方法见土壤理化分析 [23 ] .
3 　结果与讨论
311 　火烧地与未烧地上壤水分比较
　　火烧地与未烧地土壤水分含量见图 1. 由图 1
可见 ,火烧地土壤水分含量几个月来一直都比未烧
地低 ,4、9 月份达到显著水平. 其主要原因是由于火
烧去除了草地的凋落物保护层 ,提高了土壤温度 ,增
加了水分蒸发量 ;另一方面火烧后牧草旺盛生长 ,蒸
腾强度增加 ,也使土壤水分含量下降.
图 1 　火烧地与未烧地土壤水分动态差异
Fig. 1 Dynamics of soil moisture in burned and unburned grasslands.
Ⅰ. 未烧 Unburned , Ⅱ. 火烧 Burned. 下同 The same below.
312 　火烧对草地土壤氮总矿化和硝化速率的影响
　　火烧地与未烧地氮总矿化和硝化速率见图 2、
3.在牧草开始返青生长的 4、5 月份 ,火烧地氮总矿
化速率显著高于未烧地 ,其中 4 月份火烧地氮矿化
速率为 21. 5μg·g - 1·d - 1 , 未烧地为 18. 0μg·g - 1·
d - 1 ;氮总硝化速率火烧地为 13. 9μg·g - 1·d - 1 ,未
烧地为 10. 6μg·g - 1·d - 1 . 4 月份火烧地氮总矿化速
率高出未烧地19. 4 % ,总硝化速率高出 31. 1 % ;5 月
份火烧地总氮矿化速率高出未烧地 41. 4 % ,总硝化
速率高出未烧地 12. 9 % ;7 月份火烧地与未烧地总
硝化速率和氮总矿化速率差异不显著 ,而 9 月份未
烧地的两种氮转化速率又要高出火烧地. 火烧地 4、
5 月份氮转化速率之所以高出未烧地是由于 :1) 草
地火烧后 ,地表变黑 ,这样就减少了火烧地对太阳能
的反射 ,使火烧地能够吸收较多的太阳能 ,增加了土
壤温度 ,而温度的升高又能利于土壤中氮转化的
细菌的活动. 因为 4、5 月份土壤温度还比较低 ,所研
422 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
图 2 　火烧地与未烧地土壤氮总矿化速率 (a)和总硝化速率 (b)比较
Fig. 2 Comparison of gross nitrogen mineralization (a) and nitrification
(b) rates in burned and unburned grassland soil.
图 3 　火烧地与未烧地土壤铵态氮 (a)和硝态氮 (b)消耗速率比较
Fig. 3 Comparison of NH4 +2N (a) and NO3 - 2N (b) consumption rates in
burned and unburned grassland soil.
究样地 4 月份土壤 10 cm 处的温度仅为零上 3～4
℃,所以此时土壤温度的升高极有利于土壤微生物
活动. 2)草地火烧后大量营养元素 (如 Ca2 + 、Mg2 + 、
K+ 以无机态形式从地上凋落物和立枯体中释放出
来. Campino [5 ] 研究结果表明 ,施钾可促进氮的矿
化、硝化作用和植物对氮的吸收. 火烧后 ,被凋落物
束缚的钾以离子的形式释放出来 ,因而在某种程度
上相当于施钾的作用. 3) 火烧后可使土壤 p H 值升
高 ,草地的 p H 值增量 < 0. 25 [24 ] . p H 值的升高在一
定范围内有助于硝化细菌的活动. 随着牧草的生长 ,
环境温度的升高 ,以及植物对 K+ 等矿质营养元素
大量吸收利用 ,7 月份火烧地同未烧地相比有助于
氮矿化和硝化作用的优势已不再存在 ,因而 7 月份
火烧地与未烧地氮的总矿化与硝化速率无大差别. 9
月份未烧地的矿化与硝化速率反而比火烧地高 ,这
可能是由于火烧地前期氮矿化与硝化速率较高 ,致
使土壤中易矿化及硝化作用的基质消耗过多 ,因而
同未烧地相比 ,其氮总矿化和硝化速率下降.
313 　火烧对 N H4 +2N 与 NO3 - 2N 消耗速率的影
响.
　　火烧地与未烧地土壤中 N H4 +2N 与 NO3 - 2N
的消耗见图 4. 在火烧地上 N H4 +2N 与 NO3 - 2N 的
消耗 4、5 月比较高 ,这与 4、5 月火烧地氮的矿化速
率、硝化速率有直接关系. 火烧地氮矿化和硝化速率
较高 ,产生较多矿质氮和钾 ,钾又促进植物对矿质氮
的吸收 ,同时火烧地由于烧掉了立枯及凋落物 ,去除
了它们的遮荫及对牧草生长的阻碍作用 ,使植物能
够茂盛地生长 ,因而返青后前几个月 ,火烧地上的牧
草较未烧地生长旺盛 ,叶片呈黑绿色. 同时 ,土壤温
度升高也有助于微生物对矿质氮的吸收利用 ,使
N H4 +2N 和 NO3 - 2N 的消耗增加. 7 月份火烧地
N H4 +2N 的消耗与未烧地相差不大 ,9 月份低于未
烧地 ,而 NO3 - 2N 的消耗在 7、9 月份均比未烧地烧
低.
314 　火烧地与未烧地土壤中 N H4 +2N 与 NO3 - 2N
比较
　　火烧地 N H4 +2N 的含量在 4、5、7 月份均高于
未烧地 (图 4) ,其中 5 月份高出未烧地 104 % ,这主
要是由于火烧后草地矿化速率高 ,使 N H4 +2N 有一
定的积累 ,9 月份两者差距不大. 火烧地与未烧地
NO3 - 2N 含量在 4、5 月份相差不大 ,7、9 月份显著
高于未烧地 ,这与火烧地 NO3 - 2N 在 7、9 月份氮的
消耗率较低和 9 月份硝化速率较高有关.
图 4 　火烧地与未烧地土壤铵态氮与硝态氮含量季节差异
Fig. 4 Seasonal dynamics of NH4 +2N (a) and NO3 - 2N ( b) in burned
and unburned grassland soil.
4 　结 　　语
　　总之 ,东北羊草草地由于降水量相对丰沛 ,适时
及适当频次的火烧可增加返青后一定时期内土壤氮
的总矿化与硝化速率 ;同时 ,火烧后一些固定在凋落
物中的养分以无机态补充到土壤中 ,有助于牧草的
生长与发育. 但火烧后 ,凋落物中的绝大多数氮以气
5222 期 　　　　　　　　　　李玉中等 :火烧对草地土壤氮总矿化、硝化及无机氮消耗速率的影响 　　　　　　　　　
态形式损失掉[26 ] ,适宜的火烧频次和火烧时间需要
深入研究.
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作者简介 　李玉中 ,男 ,1964 年生 ,博士 ,副研究员 ,主要从
事草地生态学、草坪生态、农业减灾研究 ,发表论文多篇. E2
mail :Leeyz @cja. org. cn
622 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷