亞熱帶次級森林演替過程中模擬氮磷沉降對土壤微生物生物量及土壤養分的影響

王全成,鄭 勇,*,宋 鴿,金圣圣,賀紀正

1 福建師范大學濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地, 福州 350007 2 福建師范大學地理科學學院, 福州 350007

氮(N)和磷(P)是陸地生態系統限制植物生長的主要養分因子,在植物的生長、發育和繁殖等過程中起著關鍵的作用,影響著生態系統的生產力和生態過程[1]。由于大量的化石燃料燃燒、含N化肥使用及畜牧業的發展等,使得大量活性N進入大氣[2],含N化合物隨后通過降水(塵)方式返回地表,形成大氣N沉降。目前我國已成為全球三大N沉降集中區域之一,尤其在我國東部地區更為嚴重,其N沉降速率已達50—55 kg hm-2a-1[3]。大氣N沉降會增加土壤中N素有效性,促進植物生長。同時,熱帶和亞熱帶森林土壤風化嚴重,大部分P與鋁和鐵絡合物相結合,導致土壤P素不易被利用[4],而N沉降會進一步降低土壤P的有效性。養分有效性會改變土壤微生物的活性,進而影響微生物對有機質的分解以及土壤養分的數量和遷移[5]。毋庸置疑,N、P沉降顯著改變了土壤性狀和微生物特征,而目前關于N、P沉降對土壤性狀和微生物特征影響的研究多集中在表層(0—15 cm或0—20 cm)土壤。例如,張秀蘭等[6]在亞熱帶杉木人工林研究發現低水平N、P添加顯著提高0—5 cm土壤水溶性有機碳含量。Yang等[7]針對東北落葉松的研究發現N添加降低了0—10 cm土壤無機P的有效性、微生物量磷和酸性磷酸酶的活性。此外,以往多數N、P添加研究在同一林分開展[8],鮮有研究比較不同森林演替階段土壤特性對N、P添加的響應。考慮到不同森林演替階段對土壤N、P的需求不同[9],因此在N、P沉降背景下,對森林生態系統不同演替階段土壤微生物特性的研究具有重要的意義。

亞熱帶常綠闊葉林在我國南方廣泛分布,約占國土面積的1/4,同時也是世界主要森林植被類型之一[17]。浙江古田山國家級自然保護區地處中亞熱帶,是國際生物多樣性保護的熱點地區[18],其地帶性植被是以老齡常綠闊葉林為核心,周圍分布次生常綠闊葉林[19],為比較研究亞熱帶次生常綠闊葉林提供了天然實驗樣地。本研究以亞熱帶年輕和老年常綠闊葉林土壤為研究對象,以人工定量施肥模擬N、P沉降實驗,探討亞熱帶次級森林不同演替階段土壤微生物生物量以及八種主要的土壤養分指標等對N、P沉降的響應；分析土壤微生物生物量與養分之間的相關性。一般認為,N沉降對大多數生態系統土壤微生物生物量的影響呈負效應[20],且可能加劇亞熱帶地區土壤中P的限制作用[21]。因此假設：(1)N沉降會減少土壤微生物生物量；(2)N、P沉降對土壤微生物量的影響在不同森林演替階段存在一定差別；(3)N、P沉降同時發生時,P的影響更大。本文試圖從土壤微生物生物量和土壤養分的角度揭示亞熱帶次級森林生態系統演替過程中對N、P輸入的響應,為全面評估外源N、P輸入對亞熱帶森林土壤的影響提供基礎數據；這將對未來全球環境變化背景下,如何保護我國的亞熱帶森林資源、實現干擾生態系統的植被恢復與重建等具有重要的理論和實踐意義。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

研究地點位于浙江省衢州市開化縣的古田山國家級自然保護區(29°10′19.4″—29°17′41.4″N, 118°03′49.7″—118°11′12.2″E)。該區域受季風影響大,屬我國中亞熱帶濕潤季風氣候區。年均溫為15.3℃,最冷1月平均溫4.1℃,最熱7月平均溫27.6℃,無霜期達到250 d。年均降雨量為1964 mm,年均降水天數約143 d,相對濕度為92.4%。研究區基巖由花崗巖和片麻巖組成,土壤質地均由砂質壤土和粉質壤土組成[22],土壤類型為紅壤,呈酸性。本區屬典型的亞熱帶常綠闊葉林植被類型,優勢樹種為甜櫧(Castanopsiseyrei)、木荷(Schimasuperba)、短柄枹(Quercusserrata)、石櫟(Lithocarpusglaber)和檵木(Loropetalumchinese)等[23]。

1.2 試驗設計

依托中德國際合作項目(BEF—China)于2008年建立的亞熱帶不同次級森林演替階段的比較研究樣地(Comparative Study Plots, CSPs),針對年輕(<40 a)和老年(>85 a)兩種演替階段森林(兩種類型林地的林分存在一定差異,但是優勢種基本相同),每個演替階段選擇4處樣方地點(重復),共8個CSP的樣方(海拔為251—620 m)。該8個樣方作為我們N、P添加實驗的不施肥對照(Ctrl)；并且在選定的8處對照樣方地點周圍,分別新建立了另外3個樣地(30 m×30 m,中間20 m×20 m為核心區；樣方間距大于20 m),進行施肥處理,即氮添加(N)、磷添加(P)、氮磷添加(NP)。每種森林演替設置4個施肥處理(Ctrl, N, P, NP),每個處理4個重復,總計32個樣方。氮的施用量為10 g m-2a-1,以尿素即CO(NH2)2的形式添加；磷的施用量為10 g m-2a-1,以重鈣磷肥(Ca(H2PO4)2·H2O, TSP)的形式添加。施肥方式為均勻地撒到樣地內,每年頻率為3月、7月共兩次,每次施肥量為全年的一半,試驗始于2015年3月。

1.3 取樣與指標測定方法

土壤樣品采集于2019年6月。在每個樣方的核心區(20 m×20 m)隨機選取10個取樣點,取樣時先移除地表的枯枝落葉,然后用直徑為3.5 cm的土鉆,分別取表層(0—15 cm)、次表層(15—30 cm)和下底層(30—60 cm)三個土層,相同土層土壤混勻,分取約500 g裝袋,冰袋保鮮條件下帶回實驗室。挑去碎石及可見的根系,過2 mm篩后土壤樣品分為兩份：一份置于4℃冰箱冷藏,用于土壤速效養分、MBC及MBN的測定；另一份自然風干后,過100目,用于土壤TC、TN和TP等指標的測定。

1.4 數據處理

2 研究結果

2.1 N、P添加對年輕林和老年林不同土層土壤MBC和MBN的影響

研究結果表明,N添加對MBC和MBN無顯著影響,但P添加顯著影響土壤MBN,森林演替階段顯著影響土壤MBC,不同土層之間MBC和MBN均存在顯著性差異(表1)。有些土壤因子之間存在顯著的交互作用,例如,N添加與P添加兩因子、演替階段和土層兩因子、以及N添加、P添加和土層三因子交互顯著影響土壤MBN。P添加和土層兩因子,以及P添加、演替階段和土層三因子之間交互作用對土壤MBC和MBN均具有顯著性影響(表1)。

表1 土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)及養分的四因素方差分析(F值)

兩種演替階段的各施肥處理下土壤MBC和MBN均隨著土壤深度增加而降低(圖1)。與不施肥Ctrl相比,N和P添加處理對年輕林土壤MBC含量無顯著影響,但P和NP添加后,年輕林次表層土壤MBN含量較對照分別增加32%和24%(P<0.05)；同時,P和NP添加后,老年林表層土壤MBC含量分別增加69%和56%,次表層土壤中MBC分別增加78%和75%(P<0.05),表層土壤MBN含量分別增加86%和76%(P<0.05)。與年輕林相比,在NP添加處理下,老年林表層和次表層土壤MBC含量分別增加36%和46%(P<0.05)；在Ctrl和N添加處理下,老年林表層土壤中MBN含量分別降低36%和32%(P<0.05)。

圖1 氮、磷添加對亞熱帶森林年輕林和老年林不同土層土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)的影響

2.2 N、P添加對年輕林和老年林不同土層土壤主要養分含量的影響

圖2 氮、磷添加對亞熱帶森林年輕林和老年林不同土層土壤養分的影響

2.3 不同森林演替階段土壤MBC和MBN與養分的相關性分析

圖3 基于土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)的冗余分析

圖4 不同森林演替階段土壤養分與MBC和MBN的相關性分析

3 討論

3.1 亞熱帶次級森林演替過程中土壤MBC和MBN對N、P添加的響應

土壤微生物生物量是微生物在土壤中發揮功能的物質載體,在陸地生態系統土壤C、N循環中發揮著至關重要的作用[28],同時由于其周轉速度快、靈敏度高,可以直接或間接地反映土壤肥力狀況和土壤環境質量的微小變化[29]。在兩種演替階段森林中,不施肥對照及各N、P添加處理下土壤MBC和MBN均隨著土壤深度增加而降低,表明土壤微生物通常在表層土壤中數量最多、因而生物量最高。亞熱帶森林地表積聚的大量凋落物,為表層土壤微生物提供了豐富營養物質,更有利于微生物的生存和生長[30]。

N添加對兩種演替階段亞熱帶森林土壤微生物生物量均無顯著影響,不支持假設1。與其他養分因子相比,速效N與MBC、MBN相關性較弱,從而導致N添加對土壤微生物生物量無顯著影響。類似地,Tian等[31]在溫度地區研究發現N添加對MBC和MBN均無顯著影響；同樣在亞熱帶,N添加對松樹林和混交林土壤MBC無顯著影響[32]。通常認為N添加會降低土壤中微生物生物量[20],類似地,Wu等[33]研究發現較高N添加減少中亞熱帶森林土壤微生物生物量。但也研究表明N添加對森林土壤微生物生物量存在正效應,類似地,Cusack等[34]研究發現N添加提高熱帶森林土壤微生物生物量；以上研究結果不一致的原因可能是森林土壤微生物生物量對N沉降的響應存在氣候帶和植被類型之間的差異,且依賴于養分輸入的劑量[35]。與假設2一致,研究發現養分添加處理對土壤微生物生物量的影響依賴于森林演替階段,P和NP添加顯著增加了老年林表層和次表層土壤微生物生物量。Liu等[36]在南亞熱帶鼎湖山地區不同演替階段森林研究發現,P添加顯著增加老齡林土壤微生物生物量,但對種植年限較短的松林和混交林土壤微生物生物量無顯著影響。這可能是由于森林土壤P素主要源自礦物的風化作用,一般認為森林生態系統在演替后期P素相對匱乏[37],即老年林可能比年輕林更易受P限制,P添加增加了老年林土壤速效P的含量(圖2),促進了微生物生長,進而增加微生物生物量。考慮到N添加對土壤微生物生物量的影響較小,因此NP處理對老年林土壤微生物量的正效應主要由P添加貢獻,支持我們的假設3。

3.2 亞熱帶次級森林演替過程中土壤養分對N、P添加的響應

土壤C、N和P含量是土壤肥力的基礎并決定養分的有效性,在土壤的物質循環和能量流動,以及多元素平衡中起著關鍵作用[38]。兩種演替森林中,各施肥處理下土壤養分含量均隨著土壤深度增加而降低。森林的凋落物歸還土壤,為表層土壤提供了豐富的C源和大量可利用有機物質,隨著土層深度增加,下底層土壤養分只能靠上層降解產物的浸透和根細分泌物及其產物[39],顯然中下底層土壤養分理應低于表層土壤。

N、P添加對兩種演替階段土壤TC,可能是TC對外界干擾的響應相對不敏感,在短時間內變化不顯著。類似地,Ma等[40]在海南島熱帶森林的研究發現,N、P添加對土壤SOC含量無顯著影響。Tang等[41]在初級和次級熱帶山地森林研究發現N添加對土壤DOC含量沒有顯著影響,與本研究一致,可能由于N添加對土壤微生物沒有顯著影響,導致微生物對土壤SOC的分解無顯著變化。熱帶亞熱帶地區土壤高度風化,大部分的P被鐵鋁氧化物所固定,導致土壤P的有效性低[4],一般認為P是限制森林生產力的重要因素[42]。有研究發現,外源性P輸入可以增強微生物的活性,加速熱帶缺P土壤的C礦化,有利于促進土壤SOC的分解[43],增加土壤DOC含量。例如Mori等[44]在泰國熱帶雨林研究發現P添加顯著增加土壤DOC含量。然而,Cleveland等[45]在熱帶森林研究發現P添加通過增加P含量從而降低可溶性有機質(DOM)中C/P比,反過來,DOM中P含量的提升,促進了微生物對DOM的礦化,從而減少土壤中DOC的含量。本區域可能是二者綜合導致P添加對土壤DOC沒有顯著影響,有待進一步研究加以驗證。雖然N、P添加和演替階段對土壤TC和DOC沒有顯著影響,但TC和DOC仍然是土壤養分的重要組成部分,也是影響土壤微生物生物量的關鍵因子。

P和NP添加顯著增加了兩種森林演替階段表層和次表層土壤AP以及表層土壤TP的含量。類似地,Lin等[51]在亞熱帶天然常綠闊葉林研究發現,P添加增加土壤AP含量,促進了微生物的生長繁殖。Wang等[52]在鼎湖山季風常綠闊葉林研究發現,P和NP添加顯著增加土壤TP和AP含量,與本文研究一致。對比兩種不同森林演替階段,在施NP處理中,老年林表層和次表層土壤AP含量顯著低于年輕林,可能是老年林土壤MBC高于年輕林,對AP的需求與利用高于年輕林；同時,NP養分添加對年輕林土壤MBC沒有顯著影響,但提高了老年林土壤MBC(圖1),增加了老年林對AP的需求,從而降低了老年林土壤中AP含量。

3.3 亞熱帶次級森林演替過程中土壤微生物生物量與土壤養分的相關性

土壤微生物生物量與土壤養分之間的關系十分密切,土壤微生物生物量是土壤養分的供給源和儲備庫[53],而土壤養分含量則可以直接地影響土壤微生物生物量。土壤微生物生物量與8種土壤養分均有顯著的正相關關系,且TC、TN和DOC是土壤微生物生物量的主要控制因子。類似地,Jia等[54]在黃土高原次生森林演替中發現土壤MBC和MBN均與土壤SOC和TN含量顯著正相關；楊寧等[55]研究發現土壤MBC和MBN均與SOC、TN、AN和TP呈顯著正相關,該研究結果與本研究相一致,說明土壤微生物生物量可在一定程度上反映土壤養分狀況[56]。同時,土壤養分是微生物生長過程中重要的營養元素和能量來源,提高土壤養分含量也可以提高微生物活性并增加其生物量。在八種土壤養分因子中,年輕林土壤TC、TN、DOC和DON是土壤微生物生物量的主要控制因子；老年林土壤中更為重要的主控因子則為TC、TN、TP和DOC。這些養分因子(如TC、TN、DOC)或許更能敏感地反映土壤微生物生物量的變化,未來應該優先關注這些相對更為重要的因子。

4 結論