杉木人工林土壤氮礦化對(duì)長期氮添加和季節(jié)的響應(yīng)

楊仕明，蔡乾坤，劉文飛，吳建平

（1. 云南大學(xué) 云南省植物繁殖適應(yīng)與進(jìn)化生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；2. 云南大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院云南省高校土壤生態(tài)與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；3. 南昌工程學(xué)院 江西省退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099）

1980?2010年間，中國陸地區(qū)域氮沉降平均增加了7.9 kg·hm?2，是世界上最大的活性氮排放國之一[1?2]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，氮沉降一部分被冠層截留，另一部分進(jìn)入土壤[3]，直接或間接影響地上地下生物地球化學(xué)循環(huán)和生物多樣性等[4]。土壤氮素有效性對(duì)植物生長至關(guān)重要，植物能夠利用氮素進(jìn)行代謝，但植物吸收的大部分土壤氮?jiǎng)t是經(jīng)礦化作用形成的無機(jī)氮，只能吸收小部分有機(jī)氮[5]。氮礦化是土壤氮循環(huán)的關(guān)鍵過程，通過調(diào)控土壤養(yǎng)分供給等物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)影響生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和功能[6?7]。因此，研究氮沉降背景下森林生態(tài)系統(tǒng)無機(jī)氮?jiǎng)討B(tài)對(duì)森林管理與經(jīng)營具有重要意義。研究認(rèn)為：氮輸入對(duì)氮素轉(zhuǎn)化速率的影響包括促進(jìn)[8]、抑制[9]和無影響[10]。中國陸地大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)處于氮限制狀態(tài)，受碳氮耦合作用影響，少量氮輸入能夠增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯[11?12]，對(duì)大氣二氧化碳(CO2)升高等全球變化形成負(fù)反饋。隨大氣氮沉降持續(xù)增加，過量氮輸入使得土壤氮飽和或過飽和[13]，導(dǎo)致土壤酸化[14]，并引發(fā)一系列生態(tài)后果[15]。土壤氮素轉(zhuǎn)化受到微生物特征、氣候因子與土壤理化性質(zhì)等生物與非生物因素共同調(diào)控[7, 16]，但不同生態(tài)系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化速率的驅(qū)動(dòng)因素具有差異性[17]。研究表明：杉木Cunninghamia lanceolata對(duì)氮沉降響應(yīng)較為敏感[18]，但由于其生長快、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，成為中國南方亞熱帶地區(qū)重要的造林樹種之一[19?20]。本研究以福建省沙縣官莊國有林場的杉木人工林為研究對(duì)象，設(shè)置氮添加梯度進(jìn)行氮沉降模擬試驗(yàn)，并利用野外原位培養(yǎng)與實(shí)驗(yàn)室分析相結(jié)合，旨在探究土壤無機(jī)氮與氮素轉(zhuǎn)化對(duì)不同氮添加和季節(jié)變化的響應(yīng)，為研究區(qū)杉木人工林土壤健康管理與可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)福建省沙縣官莊國有林場(26°30′N，117°43′E)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，平均海拔約200 m，無霜期約271 d。該地區(qū)雨熱同期，夏季氣溫高，且降雨量大。年平均氣溫約19.6 ℃，最熱月為7月(28.8 ℃)，最冷月為 1月 (10.5 ℃)。年平均降水量約 1 660.0 mm，降水量最大月為 6月 (230.2 mm)，最小月為12月(31.6 mm)；各季節(jié)土壤含水量為23.6%～27.8%。研究區(qū)杉木人工林土壤為紅壤，林下植被稀疏，主要植物有五節(jié)芒Miscanthus floridulus、烏毛蕨Blechnum orientale、芒萁Dicranopteris pedata和菝葜Smilax china等。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照文獻(xiàn)[13]設(shè)置12個(gè)林分和土壤立地條件相似的20 m×20 m樣方，為減少不同樣方施肥處理的相互干擾[8]，在每個(gè)樣方內(nèi)劃定15 m×15 m的核心區(qū)和外圍緩沖區(qū)。2003年末進(jìn)行的樣方本底調(diào)查發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)杉木林齡為 12 a，密度約 1 700株·hm?2，平均樹高約 12.0 m，平均胸徑約 16.1 cm。土壤pH約4.68，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.21 g·kg?1，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為14.86、22.09和5.22 mg·kg?1[21]。2004年初，依據(jù)氮沉降背景值，選擇尿素為氮源模擬氮沉降；設(shè)置4個(gè)梯度的氮添加處理：對(duì)照 (N0，0 g·m?2·a?1)、低氮 (N1，6 g·m?2·a?1)、中氮 (N2，12 g·m?2·a?1)和高氮 (N3，24 g·m?2·a?1)，每處理3個(gè)重復(fù)；按處理要求將尿素溶于20 L水，于每月初用噴霧器均勻噴灑在各樣方中。

利用PVC管蓋法原位研究土壤氮礦化速率[22]，該方法切斷了植物根系并阻斷水氣交換，可能會(huì)對(duì)微生物活動(dòng)產(chǎn)生影響，但有研究[23]證明對(duì)原位氮礦化影響相對(duì)較小，因此可用于原位估計(jì)森林土壤氮礦化。分別于2013年6月、9月、12月和2014年3月，在每個(gè)樣方內(nèi)選3個(gè)土壤性質(zhì)基本相同的點(diǎn)，將3個(gè)長為15.0 cm、直徑為3.5 cm的PVC管打入各土壤表層10 cm，標(biāo)記為P0(上下管口鏤空都不做處理，打入后即取土)、P1(上管口用保鮮膜封住，培養(yǎng)3個(gè)月后取土)和P2(上下管口鏤空不做處理，培養(yǎng)3個(gè)月后取土)。將取回的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室過篩、混勻后，測定并分析土壤pH、有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等理化性質(zhì)。

1.3 指標(biāo)測定與計(jì)算

于2013年6月起按季度進(jìn)行為期1 a的土壤pH、有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等指標(biāo)測定。理化性質(zhì)測定方法參考文獻(xiàn)[23]和[24]，氮素轉(zhuǎn)化速率計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[25]。公式為：

式(1)～(4)中：A為無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，B為硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，C為銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；A1為P1土樣的無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，A0為P0土樣的無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，B1為P1土樣的硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，B0為P0土樣的硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，A2為P2土樣中的無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Rm、Rn分別為凈氮礦化速率、硝化速率，Rl為淋溶速率。質(zhì)量分?jǐn)?shù)單位為 mg·kg?1，速率單位為 mg·kg?1·月?1。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用雙因素方差分析法(two-way ANOVAs)檢驗(yàn)季節(jié)和氮添加對(duì)土壤無機(jī)氮庫質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氮素轉(zhuǎn)化速率的影響，用最小差異顯著法(LSD)檢驗(yàn)處理間的顯著性，用R 4.0.4進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用Excel 2016繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要理化性質(zhì)

由表1可知：氮添加對(duì)土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和碳氮比(C/N)影響顯著，不同水平氮處理下，土壤pH、有機(jī)質(zhì)與碳氮比顯著降低(P＜0.05)，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著提高(P＜0.05)。具體表現(xiàn)為：在所有處理中，土壤均為酸性，土壤pH 3.85～4.28。有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.32～30.57 g·kg?1，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1.35～1.67 g·kg?1，碳氮比為 8.9～13.3。此外，無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 39.41～76.17 mg·kg?1，其中銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 27.14～44.51 mg·kg?1，高于硝態(tài)氮 (12.27～31.67 mg·kg?1)。

表1 不同氮添加處理土壤主要理化和養(yǎng)分性質(zhì)Table 1 Main soil physicochemical and nutrient properties under different N addition

2.2 氮添加與季節(jié)變化對(duì)無機(jī)氮及其組分的影響

由表1可知：銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨氮添加梯度顯著增加，從小到大依次為N0、N1、N2、N3。銨態(tài)氮占無機(jī)氮的比例(58.4%～68.9%)高于硝態(tài)氮(31.1%～41.6%)，但銨態(tài)氮/硝態(tài)氮隨氮添加梯度增加而逐漸降低。相對(duì)于N0，N1、N2和N3處理下無機(jī)氮年平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別顯著增加了29.1%、58.9%和93.3%，銨態(tài)氮為18.6%、44.1%和64.0%，硝態(tài)氮為52.2%、91.6%、158.1%，硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加幅度大于銨態(tài)氮。另外，季節(jié)對(duì)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響顯著，但對(duì)總無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不顯著，且氮添加與季節(jié)無交互作用(P＞0.05，表2)。在各季節(jié)間，夏秋2季銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高于冬春2季，而硝態(tài)氮?jiǎng)t相反，無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在季節(jié)間變化不大(圖1)。

表2 氮添加和季節(jié)影響氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的雙因素方差分析Table 2 Effects of N addition, season, and their interactions on N mass fraction as indicated by two-way ANOVAs

圖1 0～10 cm 土層銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 1 Mass fractions of ammonium, nitrate and inorganic N in 0?10 cm soil layer

2.3 氮添加與季節(jié)變化對(duì)氮轉(zhuǎn)化速率的影響

雙因素方差分析和LSD多重比較表明：氮添加和季節(jié)處理對(duì)Rm、Rn和Rl的影響顯著(P＜0.05)，且季節(jié)和處理對(duì)凈氮礦化有交互影響(P＜0.05，表3)。在氮添加方面，N3顯著促進(jìn)了氮礦化，各處理下土壤凈氮礦化速率從大到小依次為N3、N2、N1、N0。硝化與淋溶速率對(duì)氮添加的響應(yīng)趨勢與凈氮礦化具有相似性。此外，在季節(jié)方面，冬季凈氮礦化為負(fù)值，表現(xiàn)為氮固定，而冬季的淋溶也為負(fù)。不同季節(jié)土壤氮素轉(zhuǎn)化速率不同，但所有處理下均表現(xiàn)為夏季高、冬季低，秋季逐漸降低和春季逐漸回升的規(guī)律。不同季節(jié)氮素轉(zhuǎn)化速率從大到小依次為夏季、秋季、春季、冬季(圖2)。

表3 氮添加和季節(jié)影響氮素轉(zhuǎn)化速率的雙因素方差分析Table 3 Effects of N addition, season, and their interactions on N transformation rates as indicated by two-way ANOVAs

圖2 0～10 cm 土層土壤凈氮礦化速率、硝化速率和淋溶速率Figure 2 Soil N mineralization, nitrification and leaching rates in the 0?10 cm soil layer

3 討論

3.1 氮添加對(duì)氮礦化的影響

土壤中全氮主要包括有機(jī)氮和無機(jī)氮，無機(jī)氮大部分由銨態(tài)氮和硝態(tài)氮組成[26]。本研究發(fā)現(xiàn)：氮添加顯著增加了無機(jī)氮及組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與NIE等[8]研究結(jié)果相似；表明外源氮輸入能夠增加土壤氮養(yǎng)分，原因可能是氮添加為氮礦化提供了充足氮源，提高了硝化細(xì)菌等微生物多樣性及活性，增強(qiáng)了微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解與吸收，產(chǎn)生相對(duì)較多的銨態(tài)氮與硝態(tài)氮[27]。本研究中土壤無機(jī)氮以銨態(tài)氮形式為主，與CHEN等[13]在鼎湖山闊葉林土壤中發(fā)現(xiàn)銨態(tài)氮占優(yōu)勢的結(jié)果一致。土壤pH可能是造成無機(jī)氮差異的重要因素，因?yàn)檠芯繀^(qū)土壤pH為3.85～4.28，遠(yuǎn)低于硝化細(xì)菌適宜土壤pH(6.7～8.3)[28]。酸性土壤條件下，硝化細(xì)菌活性弱，施加的氮素(尿素)主要被脲酶轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，造成銨態(tài)氮在土壤中累積[29]；同時(shí)由于硝酸根帶負(fù)電荷，更容易淋失[25]，進(jìn)一步導(dǎo)致硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。本研究發(fā)現(xiàn)：銨態(tài)氮/硝態(tài)氮隨氮添加的升高而降低，這可能是由于外源氮添加對(duì)微生物活性產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)，并隨氮添加效應(yīng)增強(qiáng)[30]。氮素施加激發(fā)了處于休眠或具有潛在活性的微生物增長，增加了微生物對(duì)能耗較小的銨態(tài)氮利用[26]，從而導(dǎo)致銨態(tài)氮在無機(jī)氮中的比例下降。

氮沉降通過影響土壤氮素儲(chǔ)量進(jìn)而影響土壤氮礦化過程，而該過程受非生物因素和生物因素共同調(diào)控[7]。研究區(qū)為酸性土，土壤pH隨施肥量增加顯著降低[4]。一般認(rèn)為，土壤酸化通過降低硝化細(xì)菌等微生物多樣性與活性抑制氮礦化作用[6]。本研究發(fā)現(xiàn)：較低的土壤pH下凈氮礦化速率更高，與李一凡等[30]在重慶縉云山常綠闊葉林發(fā)現(xiàn)土壤銨化、硝化速率等隨土壤pH增加而下降的結(jié)果一致。推測原因是，長期氮添加下，與氮礦化相關(guān)的微生物適應(yīng)了酸性環(huán)境，而較高的土壤pH下有機(jī)氮素轉(zhuǎn)化受到抑制[31]。另外，碳氮比也在氮素轉(zhuǎn)化過程中也扮演重要作用，充足氮素條件下，微生物處于碳限制，導(dǎo)致氮素轉(zhuǎn)化速率通常與碳氮比變化相反[5]。本研究發(fā)現(xiàn)：隨氮添加升高碳氮比顯著下降。然而，土壤氮礦化對(duì)氮添加響應(yīng)具有閾值，過高的氮輸入也會(huì)降低微生物活性，導(dǎo)致產(chǎn)生的胞外酶下降，反而降低土壤氮礦化速率，使得土壤生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到氮飽和或過飽和[32]。本研究暫未發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，一方面是因?yàn)檠芯繀^(qū)杉木人工林母質(zhì)氣候等非生物環(huán)境和微生物群落組成和多樣性等生物條件不同，而不同生態(tài)系統(tǒng)中氮礦化對(duì)不同氮沉降水平響應(yīng)存在差異性[7, 24]。另一方面，研究區(qū)杉木林種植于1992年，“S”型曲線生長的杉木林仍處在速生階段，對(duì)氮素等養(yǎng)分的需求較高[33]。

土壤硝化作用是氮循環(huán)的關(guān)鍵過程，能夠改變土壤氮的有效性及促進(jìn)反硝化作用，并刺激氧化亞氮(N2O)的排放，該過程受到土壤性質(zhì)和氣候特征等因素所影響[16]。本研究發(fā)現(xiàn)：硝化速率、淋溶速率對(duì)氮添加的響應(yīng)規(guī)律與凈氮礦化速率具有相似性，這表明土壤中各種氮素轉(zhuǎn)化通量關(guān)系密切[23]。由于有機(jī)氮礦化為硝化過程提供更多的基質(zhì)，礦化產(chǎn)生的一部分銨態(tài)氮不穩(wěn)定，經(jīng)異養(yǎng)硝化立即轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮[34]，因而硝化速率也隨氮添加梯度增大。本研究利用PVC管蓋法測定了原位最大潛在淋溶速率[22?23]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：高氮處理顯著促進(jìn)淋溶速率，造成了更多無機(jī)氮淋失，這與王甜等[35]在三峽庫區(qū)秭歸縣人工種植的柑橘Citrus reticulata園中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果相似。淋溶成分以硝態(tài)氮為主，會(huì)通過徑流、滲透和反硝化還原為N2O等途徑流失[36]。本研究中，硝態(tài)氮隨氮添加梯度在無機(jī)氮中占比逐步增大，增加了潛在淋溶風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 季節(jié)變化對(duì)氮礦化的影響

氣溫和降水是影響無機(jī)氮及其組分的最主要?dú)夂蛞蜃覽37?38]。本研究發(fā)現(xiàn)：季節(jié)變化對(duì)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮影響顯著，這與肖好燕等[39]對(duì)亞熱帶地區(qū)天然林、格氏栲Castanopsis kawakamii人工林和杉木人工林土壤礦質(zhì)氮研究結(jié)果一致。在本研究中土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)夏秋高于冬春，而硝態(tài)氮?jiǎng)t正好相反。原因一方面是夏秋季杉木林正處于生長季，會(huì)吸收大量硝態(tài)氮從而減少硝態(tài)氮累積[38]。另一方面，夏秋季降雨量大，帶負(fù)電荷的硝態(tài)氮淋失加劇[25]；而在雨量小的冬春季，銨態(tài)氮在硝化微生物作用下轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，使得硝態(tài)氮累積，銨態(tài)氮減少。因此，表現(xiàn)出2種無機(jī)氮組分在夏秋季和冬春季相反的季節(jié)格局。

研究發(fā)現(xiàn)季節(jié)也對(duì)氮素轉(zhuǎn)化速率影響顯著，均呈現(xiàn)夏季高，冬季低的季節(jié)動(dòng)態(tài)。通常不同季節(jié)造成土壤溫濕度產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響微生物的豐度、多樣性和活性等，改變與氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)酶的分泌，對(duì)土壤氮素循環(huán)過程產(chǎn)生影響[25]。在本研究中，各季節(jié)土壤含水率相差不大(23.22%～27.33%)，但土壤溫度夏季明顯高于冬季[40]，推測該研究區(qū)人工杉木林土壤氮素轉(zhuǎn)化季節(jié)動(dòng)態(tài)主要驅(qū)動(dòng)因子為溫度。因此，在全球變暖背景下，需要進(jìn)一步監(jiān)測氮循環(huán)對(duì)變暖的響應(yīng)。

4 結(jié)論

本研究利用野外原位試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室分析相結(jié)合，探究了氮添加梯度和季節(jié)變化對(duì)人工杉木林土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響。研究發(fā)現(xiàn)高氮添加顯著增強(qiáng)了氮素轉(zhuǎn)化速率，土壤無機(jī)氮養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨氮添加梯度增加而增大，有利于杉木吸收和生長，但同時(shí)由于氮素淋溶增加，加大了土壤無機(jī)氮損失的風(fēng)險(xiǎn)，影響土壤養(yǎng)分維持和土壤健康。因此，在未來氮沉降與全球變暖的背景下，需要繼續(xù)監(jiān)測杉木人工林土壤氮養(yǎng)分庫和轉(zhuǎn)化速率，為杉木人工林土壤健康管理和可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)指導(dǎo)。