長白山天然次生林土壤微生物量對氮沉降的響應

單文俊,邢亞娟,2,閆國永,韓士杰,張軍輝,王慶貴,*

1 黑龍江大學農業資源與環境學院,哈爾濱 150080 2 黑龍江省林業科學研究所, 哈爾濱 150081 3 中國科學院沈陽應用生態研究所,沈陽 110016

隨著人口攀升和人類活動加劇,工業化發展迅速,大規模使用化石燃料和肥料,導致大氣活性氮含量快速增加[1],再通過降雨、降塵等方式重新回到地球表面形成氮沉降[2]。與19世紀工業革命起始階段相比,現時大氣氮沉降量增加近兩倍[3],并呈逐年上漲趨勢[4]。預測到2050年,大氣氮沉降量將再翻一番[3]。我國成為繼歐洲和北美之后的世界三大氮沉降區之一[5],形勢不容樂觀。

氮沉降增加對陸地生態系統有顯著的影響[6]。森林作為陸地生態系統的重要組成部分,對人類社會具有很高的服務價值。大氣氮沉降影響森林生態系統碳、氮循環,對其功能產生影響。研究表明,氮沉降加劇會降低植物多樣性[6]、改變土壤微生物量和群落結構[7]、減緩凋落物分解速率[8]、導致土壤酸化[9]、影響森林養分循環[10]等。土壤微生物種類多、數量大,在森林生態系統養分循環中扮演驅動者的角色,對土壤養分循環具有重要作用[11]。土壤微生物量碳(MBC)、氮(MBN)可作為衡量土壤微生物量大小的標準之一,也可作為土壤肥力狀況的生物學指標,并且與其他肥力指標如土壤有機質、全氮(TN)、全磷(TP)、速效鉀和堿解氮等存在正相關關系[12]。氮沉降加劇,引起土壤酸化,Al3+、Mn2+等有害金屬離子含量上升,土壤緩沖能力下降,造成土壤碳氮比失衡等負面影響,導致土壤微生物量下降、功能減弱,對森林生態系統產生不利影響[13]。也有研究指出,氮沉降對土壤微生物量有促進作用或無影響[14]。

天然次生林是森林資源中面積最大的類型,其面積一直在擴大。經營好次生林,不僅可以緩解我國木材緊缺問題,增加以森林為棲息環境的動植物資源,而且在維持與提高環境效益方面也具有重要意義。本研究以長白山白樺(Betulaplatyphylla)山楊(Populusdavidiana)天然次生林為研究對象,模擬不同氮沉降量對次生林土壤微生物量的影響,探討溫帶次生林微生物量與養分循環對氮沉降的響應,進而揭示氮沉降對溫帶次生林生態系統功能的影響,為評估次生林對氮沉降的微生物響應機制提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 樣地概況及氮添加控制試驗

本研究控制試驗樣地位于吉林省白山市露水河林業局(127°29′—128°02′E,42°24′—42°49′N),林型為白樺山楊天然次生林。研究地區為典型的大陸性季風氣候,冬季漫長、寒冷,夏季降水多且氣溫較高,春秋兩季較短。年平均氣溫為2.7℃,年平均降水量為872 mm,海拔922.5 m,土壤為山地暗棕色森林土。本研究于2006年開始進行氮添加控制試驗,選擇海拔、坡度、植被組成相對均質的天然白樺山楊林地布設9塊樣地,樣地面積30 m×30 m,樣地之間間隔10 m,防止土壤氮聯通?？刂圃囼灩苍O計3個處理,即對照(0 kg N hm-2a-1)、低氮(LN,25 kg N hm-2a-1)和高氮(HN,50 kg N hm-2a-1),每個處理重復3次。每年在生長季5—9月上旬施用NH4NO3,為消除樣地間水分差異,對照樣地噴灑同量純凈水。試驗樣地pH(4.84±0.58)、TN((7.58±1.25) g/kg)、總有機碳(TOC)((140.3±11.6) g/kg)、TP((1.40±0.52) g/kg)[15]。

1.2 樣品采集與測試方法

土壤樣品采集時間分別為2016年春(5月)、夏(7月)、秋(9月)3個季節。每塊樣地隨機取5個點,去除枯枝落葉層。取土深度分為上層(0—10 cm)和下層(10—20 cm),將5個點的樣品混合,去除植物根莖和碎石等雜物?；旌蠘悠愤\輸途中冰鮮保存,帶回實驗室立即測定土壤MBC和MBN。

土壤MBC、MBN測定采用氯仿熏蒸浸提法。浸提樣品使用德國耶拿Multi N/C? 3100總有機碳/總氮分析儀進行測定[16-17]。采用如下公式計算：

MBC/N=EC/N/ kEC/N

式中,EC/N為熏蒸土壤減未熏蒸土壤,kEC/N為轉換系數,土壤MBC和MBN均為0.45[18]。

土壤pH用酸度計測量。土壤全碳(TC)采用干燒法,取1 g干樣品放入HT1500燃燒爐中燃燒。在高純氧(99.99%)環境中,樣品在1200℃下充分燃燒,用Multi N/C? 3100總有機碳/總氮分析儀對釋放的CO2進行測定,每個樣品3—5 min,重復3次。數據由電腦自動記錄。TN用硫酸雙氧水硝煮法[19],硝煮樣品經過定容后用Multi N/C? 3100總有機碳/總氮分析儀測定。TP采用酸溶-鉬銻抗比色法。土壤熏蒸前后浸提液通過Multi N/C? 3100總有機碳/總氮分析儀測定土壤可溶性有機碳(DOC)、氮(DON)。

1.3 數據處理方法

應用Excel 2010進行數據錄入和簡單處理。利用SPSS 20.0軟件進行數據分析。利用 ANOVA方差分析對土壤MBC和MBN、pH、TC、TN、TP以及DOC、DON進行季節和氮處理間差異顯著性比較。用LSD多重比較分析同一處理季節間和氮處理間的土壤MBC、MBN的差異。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質對氮沉降的響應

由表1可見,上層土壤pH在春、夏兩季氮處理下(LN、HN)顯著低于對照處理(CK),秋季HN顯著低于其他兩個處理。土壤TC春季CK和LN顯著高于HN,夏季LN低于CK和HN,秋季HN顯著高于CK和LN。春、夏兩季氮處理下(LN、HN)土壤TN顯著高于CK,秋季3種處理差異均不顯著。HN和LN處理下土壤TP顯著高于CK,春、夏兩季差異顯著,秋季差異不顯著。DOC和DON在氮處理下,只在夏季和秋季與CK存在差異。氮處理導致下層土壤pH值下降。LN對土壤TC和TN有促進作用。氮處理在夏季對土壤TP有促進作用,秋季有抑制作用。氮處理對下層土壤DOC和DON沒有顯著影響(表2)。

2.2 土壤微生物量對氮沉降的響應

2.2.1 土壤MBC對氮沉降的響應

如圖1所示,連續10年氮添加,上層土壤MBC在春季氮處理下(LN和HN)顯著低于CK,LN較CK下降6.2%,HN較CK下降20.8%；夏季CK和LN差異不顯著,與HN差異極顯著,HN較CK降低46.9%；秋季HN較CK升高14.2%,LN較CK降低23.3%(圖1)。下層土壤MBC春季LN和CK差異不顯著,與HN差異極顯著,CK與HN差異顯著,LN較CK升高1.9%,HN較CK降低5.6%；夏季3種處理之間均差異極顯著,LN較CK上升37.1%,HN較CK降低17.2%；秋季CK與LN和HN都表現為極顯著差異,HN、LN較CK都降低24.3%(圖1)。

表1 氮沉降對上層土壤理化性質的影響

CK：對照處理,Stands for the control treatment；LN：低氮處理,Low nitrogen deposition treatment；HN：高氮處理,High nitrogen deposition treatment

表2 氮沉降對下層土壤理化性質的影響

圖1 氮沉降對土壤微生物量碳的影響Fig.1 Effects of nitrogen deposition on soil microbial biomass carbon

2.2.2 土壤MBN對氮沉降的響應

如圖2所示,上層土壤MBN春季LN與CK差異極顯著,HN與CK差異顯著,LN較CK上升11.6%,HN較CK上升6.1%；夏季3種處理之間差異都極顯著,LN較CK降低9.3%,HN較CK降低48.9%；秋季3種處理之間差異都極顯著,LN較CK上升45.2%,HN較CK升高34.2%(圖2)。下層土壤MBN春季HN與CK差異極顯著,LN與CK差異顯著,LN較CK上升5.1%,HN較CK上升7.7%；夏季3種處理之間均差異極顯著,LN較CK下降37.2%,HN較CK下降8.3%；秋季HN與CK、LN都差異極顯著,HN較CK升高75.7%,LN較CK升高3.5%(圖2)。

圖2 氮沉降對土壤微生物量氮的影響 Fig.2 Effects of nitrogen deposition on soil microbial biomass nitrogen

2.2.3 土壤MBC/MBN對氮沉降的響應

由表3可見,春季上層土壤MBC/MBN,3種處理之間差異極顯著,LN比CK降低0.55,HN比CK降低0.88；下層土壤LN比CK降低0.12,差異不顯著,HN比CK降低0.47,差異極顯著。夏季上層土壤MBC/MBN,LN與HN差異顯著,與CK存在極顯著差異,LN比CK升高0.65,HN比CK升高0.18；下層土壤,LN比CK升高5.24,差異極顯著,HN比CK降低0.48,差異顯著。秋季上層土壤MBC/MBN,3種處理之間差異極顯著,LN比CK降低2.85,HN比CK降低0.89；下層土壤3種處理之間差異都極顯著,LN比CK降低5.01,HN比CK降低8.05。總體來看,氮沉降降低了春季和秋季土壤MBC/MBN,提高了夏季土壤MBC/MBN。季節動態表現為：CK土壤微生物量從春季到秋季表現出升高趨勢,而氮添加處理(LN和HN)都表現為先升高后降低的趨勢。

表3 氮沉降對土壤微生物量碳氮比的影響

2.3 氮沉降背景下土壤微生物量影響因素及其相關性分析

由表4可見,氮添加(N,N addition)、季節差異(S,Season)和土層深度(D,Depth)對土壤微生物量影響顯著,且兩兩因素之間存在交互作用,3種因素間互作(N×S×D)影響顯著。說明氮添加處理并不是唯一影響土壤微生物量的因素,季節差異和土層深度也是影響土壤微生物量的主要因素。氮添加、季節差異和土層深度都是影響土壤pH的主要因素,N×S對土壤pH影響極顯著,N×D、S×D,以及N×S×D對土壤pH的影響都不顯著。

表4 土壤微生物量碳(MBC)、氮(MBN)多因素方差分析

由表5可見,各因素與土壤MBC相關分析得出,氮添加處理的上、下兩層土壤MBC與pH存在負相關關系。CK的上層土壤MBC與TC正相關(P<0.01),與TN和TP負相關(P<0.05)。而LN的TP與MBC正相關(P<0.01)。DOC在上層土壤HN處理下與MBC負相關(P<0.01)。上層土壤DON與MBC在LN處理下正相關(P<0.01),下層土壤DON與MBC在CK和LN處理下均存在正相關關系(P< 0.01)。

表5 土壤微生物量碳與土壤理化性質相關性分析

** 表示極顯著相關(P<0.01)； * 表示顯著相關(P<0.05)

由表6可見,氮處理的上層土壤LN的MBN與pH負相關(P<0.01),下層土壤HN的pH與之正相關(P<0.01)。上層土壤CK的TP與MBN存在負相關(P<0.01),LN的TP與之存在正相關(P<0.05)。氮處理的上、下層土壤DOC與MBN均負相關(P<0.01),上、下層土壤CK的TN均與MBN負相關(P<0.05),下層土壤LN的TN與MBN負相關(P<0.01)。總體來看,MBC與MBN之間存在顯著的正相關關系。

表6 土壤微生物量氮與土壤理化性質相關性分析

** 表示極顯著相關(P<0.01)；* 表示顯著相關(P<0.05)

3 討論

3.1 氮沉降對土壤理化性質的影響

土壤TC和DOC都可作為表征土壤碳庫的重要指標[22],Silveira研究顯示氮沉降對土壤TC的影響并不顯著,這可能是因為土壤總有機碳庫變化是長期過程,而且施氮在提高植物初級生產力的同時,也限制了有機質的分解[23]。周紀東對內蒙草原氮添加頻度和強度研究也得出了相同結論[24]。土壤DOC是土壤活性有機質,可以被土壤微生物或植物根系吸收利用,有研究顯示土壤DOC并不隨氮沉降發生規律性變化[25]。有研究則指出氮沉降對土壤DOC含量有抑制作用,且隨著氮沉降量的增加而加強[26]。Nadelhoffer試驗則得出了相反的結論,氮沉降導致土壤DOC含量增加[27]。本研究土壤DOC含量隨季節變化表現不同,可能受到不同季節土壤溫度和水分、微生物、根分泌物、凋落物量等因素的影響。

土壤氮素是植物生長的重要元素之一,土壤TN和DON也是衡量土壤氮肥的重要指標。有研究顯示,氮沉降并沒有增加土壤TN,可能是土壤微生物和植物對外源氮的吸收和氮的揮發,從而導致TN維持在穩定水平[28-29]。本研究氮沉降對上層土壤TN影響不顯著,但LN促進了下層土壤TN,這可能是因為氮素的長期淋溶和下層土壤生物作用減弱導致土壤下層氮積累。閆聰微等研究表明土壤DON隨氮沉降增加而增加[30],但元曉春等研究指出,氮沉降對土壤DON沒有顯著影響[31]。本研究與元曉春等的研究結論相似,這可能是由于土壤中氮的礦化速率隨氮沉降增大而增加所導致。

土壤磷被認為是森林生態系統除氮限制外的第二大限制因子[32]。氮沉降主要通過改變土壤碳氮比、微生物組成、與磷循環有關酶類和土壤鐵、鋁離子流動性而改變土壤磷循環[33]。張繼舟研究指出,氮沉降并沒有改變土壤TP[34],也有研究指出氮沉降增加了土壤TP[35]或降低[25]。本研究氮沉降在春、夏兩季增加TP,但秋季對下層土壤TP有抑制作用。

3.2 氮沉降對土壤MBC、MBN的影響

氮沉降主要通過改變土壤理化性質、酶活性、微生物群落結構和凋落物分解速率來改變土壤微生物量。本研究土壤微生物量隨土層深度而減少,這與周嘉聰結論一致[36]。隨著土壤層加深,土壤中有機質含量降低、土壤微生物可利用物質含量下降、氣體交換減少等導致微生物含量下降。

本研究土壤微生物量具有明顯的季節動態,且MBC和MBN表現不一致。MBC和MBN春季最高、秋季最低,與趙玉濤等[37]在該試驗樣地的結論相似?？赡苁且驗榇杭局参飫傞_始生長,對土壤中營養物質的需求并不強烈,到夏季生長旺盛階段,對營養物質的吸收加強,微生物可利用營養物質含量下降導致微生物量下降。秋季下降可能是由于溫度限制了土壤微生物生長。在中國南方地區,由于秋季溫度不是主要限制因子,周世興等[38]得出土壤微生物量反而升高,原因是秋季凋落物增加了土壤中微生物可利用營養物質。

本研究中,氮沉降量對土壤微生物量影響也有顯著作用。LN使上層土壤MBC降低,但對下層土壤在春、夏兩季有促進作用,HN則抑制MBC,這與郭依秋等[39]得出的結論相似。Jana等[40]在哈佛森林試驗表明,氮沉降降低MBC可能與土壤微生物群落結構發生變化有關。MBC降低可能是由于氮添加使得土壤酸化[41],隨著添加氮的向下淋溶,底層土壤中可利用氮含量增加,進而對下層土壤微生物產生促進作用[42]。氮添加對MBN在春、秋兩季有促進作用,但是在夏季有抑制作用。涂利華等[43]研究指出,氮添加增加了不同季節土壤MBN,本研究中夏季的研究結果與其存在差異。氮沉降導致土壤MBC和MBN反映不一致可能是由于土壤微生物群落結構發生變化[44]。氮添加具有營養富集效應,可使喜氮微生物或者利用小分子物質的微生物優先生長,氮沉降通過對土壤碳、氮轉換酶的抑制或促進而改變土壤微生物量,特別是與木質素與纖維素分解有關的酶[45-46]。氮沉降還可以通過改變凋落物中碳氮比和木質素/氮,進而影響微生物對凋落物的分解。氮沉降早期,土壤酶、凋落物長期處于氮限制狀態,氮添加可能對微生物分解凋落物產生促進作用,導致微生物量增加[47-48]；而在氮飽和地區則會出現抑制作用。

3.3 氮沉降背景下影響土壤微生物量的其他因素

森林土壤微生物量對氮沉降的響應還受到林型、土壤采集時間和深度等因素的影響。郭萍萍等研究指出,氮沉降降低了0—10 cm土壤微生物量,但對下層土壤沒有影響[49]。Grayston指出不同植物種類具有不同的微生物群落,由于不同植物分泌酶等物質的不同,根系周圍的微生物存在差異[50]。土壤微生物量存在明顯的季節變化,微生物的生長與土壤的干濕交替、植物生長對養分的利用等有關。有研究指出,在生長季土壤微生物量的峰值出現在夏季,因為夏季具有較好的水熱條件,有利于微生物生長[41,51]。有研究則得出不同結論,夏季由于植物生長旺盛,對土壤養分利用率較高,微生物可利用養分受到限制,導致生物量降低；秋季植物生長速度下降,對養分需求減弱,土壤微生物可利用養分增加,導致生物量增加[52]。本研究由春季到秋季,土壤微生物量呈遞減趨勢,可能是因為在春季土壤中可利用的氮素經過冬季的積累,可充分滿足土壤微生物生長所需,且土壤濕度在冬季融雪后也得到改善；夏季由于干濕交替加劇,植物生長對養分消耗增加,土壤微生物量下降；秋季由于植物生長減慢、氣溫降低,進一步抑制了土壤微生物生長。有研究也表明長白山天然次生林土壤有效氮含量隨生長季而呈遞減趨勢[15]。氮添加強度對土壤微生物量也會產生不同影響,表現出LN促進和HN抑制[49,24],也有研究發現LN和HN處理同時促進或同時抑制[53]。

4 結論

長白山天然次生林土壤pH在氮沉降的作用下降低。上層土壤TC、TN在氮沉降下變化較小,卻顯著增加了下層土壤TC、TN的含量。氮沉降增加了土壤春、夏兩季TP含量,但在秋季LN處理對TP有抑制作用,且下層土壤作用顯著。氮沉降對土壤DOC、DON的影響不顯著。

上層土壤MBC春季到秋季為遞減趨勢,下層土壤春季到秋季為先升后降趨勢,且上、下層土壤差異顯著。氮處理在春季對上層土壤MBC有抑制作用,HN在夏季表現出抑制作用,在秋季有促進作用,LN在秋季有抑制作用。在春、夏兩季LN對下層土壤MBC有促進作用,秋季有抑制作用,HN在3個季節都有抑制作用。土壤MBN表現為上、下層土壤由春季到秋季遞減的趨勢,且上、下層土壤MBN差異顯著。氮處理促進了春、秋兩季土壤MBN,但是在夏季有抑制作用。氮沉降降低了春季和秋季土壤MBC/MBN,提高了夏季土壤MBC/MBN。

氮添加強度、季節變化和土層深度對土壤微生物量的影響都很顯著,且三者之間的互作明顯,說明氮沉降對長白山天然次生林土壤微生物量的影響并非單獨作用。在同一區域研究中,氮沉降對土壤微生物量的影響表現出時空動態,即時間動態表現為不同季節,空間動態表現為不同土層。未來研究在重視年際變化的同時,也要注重時空動態對氮沉降作用表現出的差異。