模擬氮沉降下滇中亞高山森林凋落物養分元素釋放特征

張乃木，宋婭麗，王克勤，張雨鑒，潘禹，鄭興蕊

西南林業大學生態與環境學院，云南 昆明 650224

隨著人類對化石燃料、工業化肥需求的快速增加以及人口和畜牧業發展，氮沉降成比例增加，且對森林生態系統的生物地球化學循環過程影響越來越嚴重（Vitousek et al.，1997；Liu et al.，2013；吳建平，2014）。中國已成為全球三大氮沉降集中區之一，年均氮沉降量從20世紀80年代（13.2 kg·hm?2）到 21 世紀初（21.1 kg·hm?2）增加了近 60%（Galloway et al.，2008；Liu et al.，2013）。森林作為陸地生態系統中最為重要的一環，直接承受了大量的氮沉降（鄭世偉，2014）。研究表明，氮沉降對森林生態系統的影響是動態的，具有正、負兩種效應。一方面，氮沉降能在一定程度上促進植物葉綠素的合成，進而對植物的生長起到了促進的作用（魯顯楷等，2019）；另一方面，過量的氮沉降會導致森林生態系統內的土壤酸化（Du et al.，2014）、養分流失（Mao et al.，2017）、生物多樣性下降（Sala et al.，2000）等問題，對植物生長發育（Xia et al.，2008）、土壤動物、微生物（刁嬋等，2019）生長等也有不同程度的影響，對生態系統形成明顯的負效應。

作為森林生態系統的重要組成部分，凋落物在養分循環和元素流通中起到了重要作用（Austin et al.，2006），其在森林生態系統中可視為植物生長發育和土壤養分循環之間的連接紐帶，養分的高低間接反應了林地內生產力水平大小（曾昭霞等，2010）。不同濃度的氮沉降會因環境、凋落物特征、分解階段的差異等原因對凋落物分解產生不同的作用，其結果主要有促進（劉文飛等，2019）、抑制（Yang et al.，2019）和無顯著影響（鐵烈華等，2018）。目前關于氮沉降對凋落物分解的影響研究主要集中于對凋落物分解過程的影響等方面。肖銀龍等（2013）認為外源N的添加對凋落物分解起到了促進作用，但宋學貴等（2007）和周世興等（2016）認為氮沉降對其有抑制作用。而氮沉降對森林凋落物分解的影響會因凋落物類型產生差異（陳翔，2014），葉、枝在凋落物各組分中占絕對優勢，通常占凋落物總量的90%左右（吳承禎等，2000），且氮沉降會影響凋落葉、枝等器官的C、N、P含量（沈芳芳等，2019）。目前，凋落物養分釋放特征對氮沉降響應的研究尚有不足（涂利華等，2011），且多以單一的凋落葉為研究對象（鐵烈華等，2018），并以低中海拔區域單一林分研究居多（劉文飛等，2019；沈芳芳等，2019），針對亞熱帶中高海拔地區中不同林分凋落物對氮沉降的響應則鮮有報道。因此，本研究以滇中亞高山的4種典型森林生態系統常綠闊葉林（Evergreen broad-leaf forest）、高山櫟林（Quercus semicarpifolia forest）、華山松林（Pinus armandii forest）、云南松林（Pinus yunnanensis forest）為研究對象，采用凋落物分解袋法，通過人工模擬大氣氮沉降，研究該森林生態系統內的4種林分下的凋落葉和枝的養分釋放特征、影響因素以及生態化學計量比，旨在為預測該區域森林生態系統養分循環以及對氮沉降增加的響應提供理論依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究地區位于云南省玉溪市磨盤山國家森林定位研究站，海拔為1260.0—2614.4 m，屬云南熱帶與亞熱帶的過渡氣候帶，是典型的中亞熱帶氣候，年降水量為1050 mm，年均氣溫15 ℃，具體自然條件參見文獻（張雨鑒等，2019）。樣地情況見表1。

表1 各林分類型樣地基本情況Table 1 Basic situation of sample sites of different forest types

1.2 實驗設計

1.2.1 樣地設置

于2017年11月，在4種林分下放置凋落物采集框，采集新近凋落的凋落葉和凋落枝（常綠闊葉林主要樹種為米櫧、光葉柯和糙皮樺等），凋落枝以3—5 mm為標準進行采集，各林分的凋落物帶回實驗室經過充分的風干和混勻后，分別準確稱凋落葉和枝各10 g后，裝入尼龍網分解袋中（分解袋大小為 20 cm×20 cm，上下表面網孔孔徑為 1 mm×1 mm）。2018年1月在磨盤山森林內選擇具有代表性的常綠闊葉林、高山櫟林、華山松林、云南松林4種林分，每種林分設置3個20 m×20 m的樣地，每塊樣地間設大于3 m的緩沖帶。在每塊樣地中隨機設4個3 m×3 m的小樣方（即每種森林類型分別設置12個小樣方，用于4種氮沉降處理，各處理共3個重復樣方），將準備好的凋落物袋均勻的放置在各樣方的枯落物下、土層上，相鄰凋落物分解袋之間至少保持2 cm間距以免相互影響。

1.2.2 施氮處理

施氮水平參照福建沙縣、四川華西雨屏區和四川洪雅等區域對模擬氮沉降處理的實驗設置（李仁洪等，2010；涂利華等，2011；沈芳芳等，2018），并結合試驗區氮沉降量水平及該地區未來可能的氮沉降趨勢，本實驗設定氮沉降處理分4個水平：對照（CK，N 0 g·m?2·a?1）、低氮（LN，N 5 g·m?2·a?1）、中氮（MN，N 15 g·m?2·a?1）和高氮（HN，N 30 g·m?2·a?1），每個水平 3 個重復。將 1 年的施用量均分成12份，自2018年1月起，每月中旬對各樣方進行定量模擬氮沉降處理，以NH4NO3為氮源進行施氮，各處理除施氮外，其他措施均保持一致。

1.2.3 樣品采集與測定

自2018年2月起，于每月中旬隨機采集各樣方中的凋落葉3袋和凋落枝3袋共袋，取回分解袋后，對袋中侵入的根系和泥沙等進行清除，將風干的凋落物樣品經 65 ℃烘干至恒定質量、粉碎并過100目篩后供元素測定。凋落物中的碳含量采用重鉻酸鉀-外加熱硫酸氧化法（LY/T 1237—1999）測定；氮含量采用半微量凱氏定氮法（LY/T 1269—1999）測定，磷含量采用鉬銻抗比色法（LY/T 1270—1999）進行測定，鉀含量用火焰光度計法進行測定（LY/T 1234—1999）。

1.3 數據處理

元素殘留率（R）的計算方法為：

式中，Ct為 t凋落物元素含量（mg·g?1），mt為t凋落物干質量（g），C0為初始元素含量（mg·g?1），m0為初始干質量（g）（李仁洪等，2010）。

實驗數據用Excel和SPSS 22統計分析軟件進行處理分析，采用Canoco 5軟件進行冗余分析，對不同森林類型凋落葉和枝的C、N、P、K含量和殘留率采用單因素方差分析（One-Way ANOVA）進行分析，并用Duncan法進行多重比較，采用雙因素方差分析法（Two-way ANOVA）分析林型和氮處理水平對凋落葉和枝的C、N、P、K殘留率的影響，顯著性差異檢驗在0.05水平。

2 結果與分析

2.1 凋落葉、枝養分含量變化對氮沉降的響應

如圖1和圖2所示，凋落葉和枝的C含量在氮沉降 12個月后總體呈減小態勢，減幅分別為7.27%—14.94%和6.13%—18.78%；N含量則相反，除 GS外均表現出凋落葉 N含量減小（2.55%—19.96%），枝N含量增加（9.53%—49.58%）；凋落葉的P含量在CL和GS中表現為增加（51.94%和5.49%），在HS和YN中表現為減少（24.77%和24.43%），而枝與之相反；凋落葉K含量除YN增加 3.25%，其他林分均表現為下降，降幅為9.69%—14.87%，枝在CL表現為升高（1.60%），其他林分均為下降（11.21%—14.35%）。凋落葉和枝 N 含量在 GS中最高（10.71 mg·g?1），分別為CL、HS、YN的1.08、1.60、2.13倍；凋落葉和枝P含量以CL的含量最高（1.28 mg·g?1），GS的最低（0.59 mg·g?1），含量大小表現為 CL>HS>YN>GS；凋落葉的 K 含量平均為 8.36 mg·g?1，是枝的 1.56倍。4種林分類型不同元素含量除C含量和CL的N含量外，N、P、K在其他林分類型中均表現為凋落葉>凋落枝，且均差異顯著（P<0.05）。

圖1 不同氮處理12個月后凋落葉的養分含量特征對比Fig.1 Comparison of element contents of litter leaves under different nitrogen treatments

圖2 不同氮處理下凋落枝的元素含量對比Fig.2 Comparison of element contents of litter branches under different nitrogen treatments

2.2 凋落葉、枝養分殘留率對氮沉降的響應

由表2可知，4種林分下凋落葉和枝的元素釋放在不同的氮沉降條件下差異顯著（P<0.05）。在氮沉降12個月后，經過4種濃度氮沉降處理的凋落葉和枝的 C元素殘留率分別為 CK（55.50%和72.48%）、LN（56.24%和72.40%）、MN（57.68%和75.35%）和HN（62.15%和77.50%），在不同林分間表現相同，均呈現出釋放的狀態，元素殘留率隨著N濃度的增加而增加，表明氮沉降對凋落物C的抑制作用。

表2 凋落葉和枝的元素殘留率Table 2 Element residue rate of leaves and branches of litter

凋落物 N的釋放在不同林分間略有差異，CL和GS凋落葉和枝表現為富集狀態，其元素殘留率除CK外均大于100%，其余為釋放狀態，在氮沉降條件下，凋落葉和枝在HM濃度下表現為N殘留率最高（83.95%和 138.64%），CK最低（60.99%和102.42%），均表現為隨著N濃度的增加而增加，即氮沉降對其有一定的抑制作用。凋落枝除HS的LN和YN的HN外，在4種林分中均表現為富集狀態。P和K元素則表現相同，除在CL中凋落葉表現為富集外，其余林分均呈現出釋放的狀態。

2.3 氮沉降下凋落葉、枝的C/N、C/P特征

表3可知，凋落物的C/N和C/P在在氮沉降12個月后前后各林分間的表現不盡相同。分解 12個月后，凋落葉和枝的C/N除HS外總體上均降低；凋落葉C/P在CL、GS和HS中降低，YN中增加，凋落枝C/P則在CL中降低，其余3種林分中增加。

表3 分解后的凋落葉和枝化學計量比Table 3 Stoichiometric ratio of leaf and branch of litter after decomposition

氮沉降對凋落葉和枝在氮沉降 12個月后的影響在不同林分間略有差異，C/N整體上隨著N濃度的增加而降低，而在HS的凋落葉則表現為LN增加，MN和HN降低。CL凋落葉變化最大，LN、MN和 HN較 CK分別減小 21.67%、33.52%和56.25%；而凋落枝以HS變化最大，LN、MN和HN較CK分別減小39.67%、21.45%和61.07%。凋落葉和枝的C/P在GS和YN中表現為隨著N濃度的增加而降低，但在CL中表現為LN增加（7.37%和5.78%），HN減小（4.84%和 0.27%、14.46%和0.20%）；在HS中表現為LN和MN增加，HN減小，較CK分別增加2.52%和1.26%、4.99%和5.99%，減小19.50%和44.11%。

2.4 氮沉降下凋落葉、枝養分釋放的影響因素

不同氮處理、林分類型及其兩者交互程度對凋落葉、枝的元素殘留率的的影響各不相同。從表 4可看出，在凋落葉中，林分類型對C、N、P和K殘留率的影響最大，其F值分別為766.93、139.72、242.19和41.85，均達顯著性水平（P<0.05），不同的施氮水平影響次之，不同林分與施氮水平對元素殘留率的影響最弱。

表4 凋落葉和枝元素殘留率在林分類型和施氮水平差異的雙因素方差分析Table 4 Analysis of variance of two factors on the difference between nutrient surplus rate of leaves and branches of litter and the level of tree species and nitrogen application

不同林分類型對凋落枝C、N、P 3種元素殘留率影響最大，均達顯著性水平（P<0.05），其次為施氮水平；而 K殘留率受不同施氮水平的影響最大，受林分類型的影響次之，其值均達顯著性水平（P<0.05）。

冗余分析同樣說明林分類型和施氮水平的變化影響元素殘留率。由表4（表4為解釋量和對應的重要性和顯著性，用于補充圖3）、表5和圖3可看出，在凋落葉中，二者解釋了元素殘留率49.74%的變化，其中林分類型的貢獻率最大（41.61%），其次是施氮水平（8.13%）。凋落葉中，林分類型和施氮水平共解釋了63.17%的變化，林分類型貢獻最大（58.83%）。

表5 氮沉降和林分類型因子的解釋的顯著性檢驗結果Table 5 Significance test results of explanation of nitrogen deposition and stand type factors

圖3 元素殘留率與氮沉降和林分類型的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis (RDA) of element residual rate in nitrogen deposition and stand type

3 討論

3.1 氮沉降下不同樹種凋落葉、枝養分釋放特征

凋落物的分解過程受到其自身特性（如養分元素）和環境等的影響（劉文飛等，2019）。在凋落物的分解過程中，養分釋放分為3種模式，直接釋放、富集-釋放、淋溶-富集-釋放（葛曉改等，2014）。在本研究中，凋落葉和枝經過氮沉降12個月后，在養分釋放上表現出釋放或者富集的狀態。氮沉降在短期總體上對CL、GS和YN的元素含量及養分釋放起到了抑制作用，在本研究中使用的 N源為NH4NO3，涂利華等（2011）、周世興等（2016）、韓雪等（2014）研究采用的N源與本研究一致，結果相同，即氮沉降對凋落物的養分釋放總體產生了抑制作用。也有研究表明隨著施氮水平的提升，LN和MN水平表現出促進了元素的釋放，僅在HN時抑制的結論（張毓濤等，2016；劉文飛等，2019）。分析原因是施用N源不同，后者N源為CO(NH2)2，而CO(NH2)2是有機態N，不能被土壤吸附，會隨著雨水流失，同時 CO(NH2)2在土壤中轉化時可積累大量的銨離子，會導致pH升高2—3個單位，而pH的升高一定程度上會促進元素的釋放。

4種林分凋落葉和枝的C含量在氮沉降12個月后均顯著下降（3.60%—19.68%和 3.80%—23.70%），這是由于在分解過程中，凋落葉包含了可溶性有機碳、碳水化合物和木質素、纖維素等成分，易受到雨水等的沖刷和溶解，造成較快的分解，表現為直接釋放（楊萬勤，2007）。在研究中，除HS以外的3種林分的C元素釋放均表現為受氮沉降的抑制，且抑制作用表現出隨著N濃度的提高而增強。

涂利華等（2011）對華西雨屏區苦竹撐綠雜交竹（Bambusa pervariabilis×Dendrocala mopsi）的研究發現，氮沉降對凋落物N元素的釋放起到了顯著抑制作用，且表現為隨著氮沉降濃度的增加，抑制作用越大，同時其他元素的釋放也受到一定程度的抑制。在本研究中，CL、GS和YN下的N殘留率與CK相比均有顯著提升（P<0.05），且總體上表現出隨著氮沉降濃度的增加而增加的趨勢（1.29%—52.92%），其原因可能是與木質素和纖維素的分解受到抑制有關，外源性無機態N與凋落物分解過程中產生中間產物會結合，生成難分解的物質，同時白腐真菌能產生木質素酶，而N添加能抑制白腐真菌的生長，進而對木質素酶的活性產生抑制，導致分解速率降低，在養分釋放中表現為凋落物中的 N含量的升高以及元素殘留率的升高（張琴，2014）。值得指出的是，GS凋落葉和枝MN元素均表現出富集的狀態，這可能是因為GS葉片為革質，不易分解，在施氮12個月以后N殘留率增加7.61%—24.10%。

在本研究中，各林分在不同氮處理下表現出HS中LN和MN促進P元素的釋放，HN抑制P元素的釋放，其余林分表現為抑制釋放。由于受NO3－淋溶的影響，K+離子也會隨之淋失，表現在不同氮處理下，LN對K元素釋放有一定的促進作用，而隨著施氮濃度的提高，在MN和HN則表現為抑制。原因可能是氮沉降下，一方面會引起土壤MNO3－大量淋溶，基礎陽離子如K+、Al3+、Mg2+等陽離子的濃度會隨之增大，流動性提高，從而對土壤P的有效性產生影響；另一方面由于氮沉降會引起土壤中的離子增加，游離出的離子如Al3+與土壤中的活性磷酸鹽結合，從而抑制植物對 P的吸收利用（Macklon et al.，1994；劉文飛等，2011；陳美領等，2016）。

3.2 氮沉降下凋落葉、枝C/N、C/P變化特征

在同一氣候帶內，凋落物質量是影響凋落物分解的主導因素，而凋落物的C/N是衡量凋落物質量的重要指標。本研究中氮沉降在一定程度上降低了C/N，在CL和HS兩種林分下尤為明顯，分析原因可能是N元素隨氮沉降濃度的增加而增加，而C元素增加幅度較小，表現出C/N的減小。C/N隨著氮沉降的增加而降低，同時對凋落物的分解和元素的釋放產生了抑制，其原因可能與土壤微生物群落結構在持續N輸入下逐漸由真菌變為細菌，從而使凋落物分解速率降低（Allison et al.，2007）。C/P的大小可用于表征植物受P元素的限制格局（盧廣超，2014）。仲米財等（2013）認為將C/P為230時作為分解凋落物固持P的臨界值。本研究中C/P范圍在262—977，均高于230的臨界值，說明較多的P被固定。隨著氮沉降的增加，土壤微生物逐漸以細菌為主，容易由于高C/P而受P限制，有機質中礦化的P會被微生物固持（王晶苑等，2013），從而影響P的釋放，增加了P的殘留率。

3.3 氮沉降下凋落葉、枝養分釋放的影響因素

在凋落物分解過程中，4種林分下的凋落葉和枝的養分釋放受到不同因素的影響。在本研究中，雙因素和冗余分析均表明凋落葉的C、N、P、K殘留率和凋落枝的C、N、P殘留率均受林分類型的影響最大，受施氮水平的影響較小，其原因可能是 4種林分的林分組成和環境不同導致的。研究表明，林分組成和群落結構可以通過對凋落物產量和質量以及林內微氣候的作用而對凋落物的養分固定和釋放模式產生影響（鄧仁菊等，2010）；同時，在凋落物組織中包含有易分解成分和難分解有機成分（如木質素、纖維素和多酚類物質等），其含量的多少是主要的控制凋落物分解的化學因素（張毓濤等，2016）。本研究的4種林分類型中，CL下由于物種多樣性豐富，凋落物易破碎等原因，在分解初期有多種微生物和酶參與，促進了凋落物營養元素的釋放；而HS和YN凋落葉和枝的質地較硬，初期難以破碎，且地上難分解的凋落物較多，需待結構崩潰后分解，元素釋放加速（Kaspari et al.，2008）。

4 結論

經過12個月的模擬氮沉降實驗，不同濃度氮沉降對凋落葉和枝的分解總體上呈現出抑制作用。GS和CL凋落葉和枝的C、N含量隨著氮沉降濃度的上升而表現為抑制；HS和YN的P和K含量在LN是表現為促進作用，MN和HN表現為抑制作用。

4種林分凋落葉和枝在不同的氮沉降條件下，C元素的養分釋放均表現為釋放狀態，N、P、K元素的釋放在不同林分和組分間表現略有差異，CL的凋落葉和GS的凋落葉和枝中表現出富集狀態，其余為釋放狀態。

氮沉降條件下，4種林分的凋落葉的C、N、P和K以及凋落枝的C、N和P元素均受林分類型的影響最大，而凋落枝的 K元素受氮沉降的影響最大。氮沉降對森林生態系統產生的影響長期的，本研究初步揭示了凋落物的元素釋放對氮沉降為期一年的短期響應，而未來可考慮更長時間的定位監測分析，加入更多如地理因子如坡度、海拔，土壤理化因子如濕度、溫度的測定與分析，以更全面的揭示全球變化對凋落物分解的影響及其機制。