凋落物和銨態氮添加對亞熱帶羅浮栲和杉木林土壤碳氮淋溶的影響

王夢思，馬紅亮，官曉輝，高 人，尹云鋒

(1.濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地，福建 福州 350007；2.福建師范大學地理科學學院，福建 福州 350007；3.福建省建甌萬木林自然保護區管理站，福建 建甌 353100；4.江蘇省木瀆高級中學，江蘇 蘇州 215000)

森林生態系統中植物凋落物是土壤有機質（SOM）的主要來源[1-2]，因此，凋落物的分解影響土壤氮素動態變化[3]。凋落物分解釋放的溶解性有機碳（DOC），可以快速地增加土壤DOC，提高土壤養分可用性[4]；也可通過激發效應，加快土壤有機質分解[1]。森林生態系統土壤溶解性有機氮（DON）一般認為主要來自凋落物和土壤腐殖質[5]。Huang等[6]發現，約80%的DON產生于新近凋落物層。也有研究發現，DON大部分產生自土壤原位（根系或微生物周轉）而不是凋落物層[7]。由于DON很容易礦化產生無機氮，因此，DON能反映土壤有機氮礦化的難易程度[8]。在凋落物分解過程中，降雨淋溶可加速凋落物層內有機質降解和碳釋放[9]、凋落物與土壤之間物質流動和相互影響[10]。可見，凋落物分解進入土壤的碳氮既可增加其在土壤中的保持[11]，也可通過激發作用增加碳和養分的淋溶損失[2,12]。因此，探究這些過程與土壤碳氮礦化關系是深入理解凋落物的生態地位和環境效應必不可少的。

氮沉降對凋落物分解的影響因凋落物化學性質的差異而變化[13]，可促進凋落物分解[14]、或抑制其分解[15]，甚至氮沉降可先促進后減緩其分解[16]。Fang等[17]的研究也表明，氮添加可顯著提高有豐富凋落物的表層土壤微生物的代謝活動及其對碳基質的利用，促進土壤DOC形成的同時，增強微生物對低分子量氨基酸的吸收。由于不同形態沉降氮對微生物、酶及土壤有機質的影響存在差異，比如有機氮、無機氮，銨態氮(NH4+-N)、硝態氮(NO3--N)的影響各不相同[18-20]。可見，利用同一形態氮添加可直觀揭示研究對象的響應差異，探究氮沉降對森林土壤碳氮的影響與凋落物或土壤獨自響應差異的關系。

凋落物分解輸入與土壤淋出碳氮存在差異，凋落物分解和土壤氮轉化受大氣沉降氮的影響，因此，凋落物和土壤淋溶碳氮對沉降氮響應不同。本研究以亞熱帶天然闊葉林和人工杉木林土壤和凋落物為對象，采用氮淋溶模擬氮沉降的方法，探究凋落物分解與氮沉降對土壤溶解性碳氮的影響，揭示凋落物分解對土壤碳氮影響的重要性。

1 材料與方法

1.1 研究區概況和土壤采集

萬木林自然保護區位于福建省建甌市（27°03′N，118°09′ E），該研究選取天然闊葉羅浮栲（Castanopsis fabric,CAF）林和人工針葉杉木（Cunninghamia lanceolata,CUL）林[21]為對象，于2018年12月在羅浮栲和杉木林樣地的上、中、下坡3個位置，分別按照對角線的方法選擇8個點。每個點利用寬5 cm、長25 cm的鐵鏟采集深度0～20 cm土壤約2 kg，挑除石頭、根系以及凋落物，充分混勻后，代表該位置樣品；用自封袋將所需新鮮土壤樣品密封于4 ℃冰箱保存，通過10目尼龍網收集新近凋落物（主要是葉和枝）。同時利用環刀采取原狀土以測定土壤飽和持水量（WHC）。一部分土壤過2 mm篩，用于測定基本理化性質；另一部分土壤用于室內培養試驗。土壤和凋落物基本性質見表1。

表1 土壤和凋落物基本性質Table 1 Basic properties of soil and litter

1.2 試驗設計

采用兩因素（凋落物和氮）隨機區組試驗設計，共計6個處理，分別為：凋落物（L）、土壤（S）、凋落物+土壤（LS）、凋落物+N（NL）、土壤+N（NS）、凋落物+土壤+N（NLS），每個處理3重復。

土壤經去除碎石根系等雜物，過8 mm篩，于350 mL注射器中（底面積為19.63 cm2，底部設置防土壤顆粒滲漏而允許液體滲漏裝置，即采用60目尼龍網和玻璃棉鋪墊底部），設置培養土壤于注射器10 cm高度，土壤體積為196.35 cm3，根據土壤密度（針葉林：1.2 g·cm-3；闊葉林：1.0 g·cm-3），計算該體積需土壤干質量為針葉林196.35×1.2=235.62 g，闊葉林為196.35×1.0=196.35 g。

為了研究凋落物的作用，特意增加凋落物添加量，根據野外單位面積年凋落物現存量的3倍來確定凋落物添加量，凋落物現存量針葉林為4.82 t·hm-2·a-1，闊葉林為6.57 t·hm-2·a-1[21]，計算3倍添加凋落物干質量針葉林為4.82×19.63×0.01×3=2.84 g，闊葉林為6.57×19.63×0.01×3=3.87 g。凋落物（枝葉）剪碎成約1 cm2左右碎片后，將土壤水分條件調整到60%飽和持水量（60% WHC），凋落物均勻平鋪于土壤或石英石表面。在25 ℃培養箱中（25 ℃為微生物活動提供較適宜的土壤溫度），開始為期220 d的避光培養實驗，培養期間每3 d通過稱質量法保持土壤水分恒定。

根據樣地年平均降雨量（1673.3 mm）計算淋溶水量、培養時間，設計每次加水量和加水次數，每次淋溶之后，待土壤水分下降至60% WHC以下，再行調整水分。由于凋落物分解試驗研究時間長短不同（有69 d培養試驗[12]、10個月[3]和1 a[10]的野外試驗），且考慮凋落物分解的階段性和淋溶物的差異以及本研究的目的，本研究選擇培養時間在200 d左右。

按照5次淋溶氮添加總量為每千克土壤添加120 mg N（按照淋溶次數分配依次為80+10+10+10+10 mg），每次氮添加通過淋溶氮溶液（NH4Cl）110 mL實現。預培養20 d后，開始第1次淋溶（第0 天），根據降雨氮沉降量前多后少的原則，設計第1次氮添加量為主，基于試驗土壤質量，分別為針葉林80 mg·kg-1×235.62 g=18.85 mg、闊葉林80 mg·kg-1×196.35 g=15.71 mg，以后4次（第60、120、180、220 d）淋溶的氮添加量均為針葉林10 mg·kg-1×235.62 g=2.36 mg、闊葉林10 mg·kg-1×196.35 g=1.96 mg。每次及時分析淋溶液樣品中的銨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）、總溶解性氮（TDN）、溶解性有機碳（DOC）。分析第60天和第220天土壤中的微生物生物量碳（MBC）或微生物生物量氮（MBN）。

1.3 測定和計算方法

土壤質量含水量用烘干法測定，土壤飽和持水量用環刀法測定。土壤全碳、全氮用碳氮元素分析儀（Elemantar vario MAX CN，德國）測定。NH4+-N、NO3--N、TDN濃度使用連續流動分析儀（SKALAR SAN++，荷蘭）測定。DOC使用島津TOC-VCPH/TN分析儀測定。土壤MBC和MBN采用改進的氯仿熏蒸—0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提法[22]。

淋溶液中DOC、TDN、NH4+-N、NO3--N均為5次淋溶液累積量/mg=（c0+c60+c120+c180+c220）

式中：c0、c60、c120、c180、c220分別為第0、60、120、180、220天各指標淋溶量/mg。

式中：DON為溶解性有機氮累積量/mg，TDN為總溶解性氮累積量/mg，NH4+-N為銨態氮累積量/mg，NO3--N為硝態氮累積量/mg。

土壤微生物量碳氮：

式中：?EC為熏蒸與未熏蒸土壤DOC含量的差值，?EN為熏蒸與未熏蒸土壤TDN含量的差值；KC為0.45；KN為0.54。

1.4 數據處理

采用Excel 2010和Origin 9.0軟件對數據進行處理和作圖，運用SPSS 20.0中單因素方差分析（One way ANOVA）和S-N-K檢驗法分析各處理間DOC、DON、NH4+-N、NO3--N的差異顯著性（α=0.05），運用雙因素方差分析（Two way ANOVA）統計氮添加、凋落物及二者交互作用對土壤碳、氮的影響，運用皮爾遜（Pearson）相關系數分析各指標之間的相關性。數據符合正態分布（Q-Q圖檢驗），所有數據均為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 凋落物和氮添加對淋溶液中NH4+-N和NO3--N的影響

方差分析（表2）顯示：凋落物添加對淋溶液NH4+-N的影響不顯著，但顯著降低淋溶液NO3--N。LS處理的淋溶液NO3--N較S處理分別降低了22.6%（針葉林）和29.9%（闊葉林）（圖1b）。氮添加后，NH4+-N淋出顯著增加（表2和圖1a），且NL處理遠高于NLS和NS處理；除NL處理，闊葉林淋溶液中NH4+-N顯著高于針葉林43.9%～227.0%，且NS處理的淋溶液中的NH4+-N高于NLS處理。針葉林和闊葉林淋溶液中的NO3--N，在氮添加的NL處理較L處理分別升64873.1%和1920%；與LS和S處理比較，氮添加（NLS、NS、NL）使淋溶液中的NO3--N升高了30.0%～128.6%；但NLS處理較NS處理分別降低了11.4%和23.0%。未添加氮處理（LS、S、L）的闊葉林淋溶液中NO3--N顯著高于針葉林44.7%～975.2%，但在NL處理顯著低于針葉林66.6%。

圖1 針葉林和闊葉林淋溶液NH4+-N和NO3--N的變化Fig.1 Changes of NH4+-N and NO3--N in leaching solution for the coniferous forest and broad-leaved forest

表2 氮添加和凋落物對針、闊葉林淋溶中銨態氮和硝態氮影響的方差分析（p值）Table 2 Variance analysis of the influence of nitrogen addition and litter on NH4+-N and NO3--N in the leaching of coniferous and broad-leaved forests (p value)

2.2 凋落物和氮添加對淋溶液中DON和DOC的影響

方差分析（表3）顯示：凋落物對淋溶液中的DON和DOC有顯著影響。針葉林LS處理的DON較S處理的高，而闊葉林LS處理的DON較S處理的降低了39.2%（圖2a）。L處理凋落物淋溶液中的DOC最高，且針葉林和闊葉林LS處理的DOC較S處理的分別升高了181.4%和74.6%（圖2b）。

表3 氮添加和凋落物對針、闊葉林淋溶中DON和DOC影響的方差分析（p值）Table 3 Variance analysis of the influence of nitrogen addition and litter on DON and DOC in the leaching of coniferous and broad-leaved forests (p value)

方差分析（表3）顯示：氮添加、凋落物及二者交互作用對針葉林淋溶液中的DON有顯著影響。氮添加后，NL處理針葉林淋溶液中的DON較L處理升高了972.6%；與LS和S處理比較，NLS和NS處理使淋溶液中的DON分別升高了80.9%和415.4%，但NLS處理較NS處理降低了53.7%。闊葉林僅NL處理的DON較L處理升高了147.4%；S和L處理闊葉林淋溶液中的DON分別顯著高于針葉林157.0%和108.0%，但在氮添加處理顯著低于針葉林34.5%～54.4%（圖2a）。在針葉林和闊葉林淋溶液中，NL處理較L處理的DOC分別降低了12.8%和11.1%；在針葉林NLS處理較LS處理降低了32.5%，而在闊葉林NLS處理較NS處理升高64.3%。L、NS和NL處理闊葉林淋溶液中的DOC分別顯著高于針葉林70.9%、78.3%和74.2%（圖2b）。

圖2 針葉林和闊葉林淋溶液DON和DOC的變化Fig.2 Changes of DON and DOC in leaching solution for the coniferous forest and broad-leaved forest

2.3 凋落物和氮添加對針、闊葉林土壤MBN和MBC的影響

在第60天，LS處理針葉林土壤MBN較S處理降低了60.1%（圖3a），而闊葉林土壤較S處理升高了53.2%（圖3c）；在針葉林和闊葉林，與LS和S處理比較，氮添加使土壤的MBN顯著降低27.8%～93.0%；闊葉林NLS處理較NS處理顯著升高了33.8%。與第60 d相比，220 d后，針葉林NLS、LS和NS處理土壤MBN分別顯著增加1850.0%、70.2%和690.0%，S處理顯著降低56.6%；闊葉林LS處理顯著降低38.9%，NS和S處理分別顯著增加293.2%和226.8%。可見，隨著培養針葉林土壤MBN有所降低，當凋落物存在情況下則有所增加，且氮添加使MBN增加更多。

圖3 針葉林土壤和闊葉林土壤MBN、MBC的變化Fig.3 Changes of soil MBN and MBC in the coniferous forest and the broad-leaved forest

在第60天，土壤MBC在針葉林僅NLS處理較LS處理顯著升高了74.4%（圖3b），而在闊葉林土壤僅NLS處理較LS處理顯著降低了45.0%（圖3d）。與第60天相比，220 d后，NLS、LS、NS和S處理針葉林和闊葉林土壤MBC分別顯著增加305.1%～595.1%和103.7%～194.2%。闊葉林中土壤MBN和MBC均顯著高于針葉林土壤。

2.4 各化學指標之間的相關分析

針葉林淋溶液中NO3--N與DOC呈極顯著的負相關，而與DON呈顯著正相關（表4）；闊葉林中淋溶的DOC與DON和NO3--N呈極顯著負相關，NO3--N與DON呈極顯著正相關。

表4 針葉林和闊葉林淋溶液中各指標的相關分析Table 4 Correlation analysis of each index in leaching for coniferous forest and broad-leaved forest

3 討論

3.1 凋落物對土壤碳氮的影響

凋落物（L）淋溶液的無機氮量遠低于土壤（S）（圖1），說明凋落物中溶解性氮較少，野外氮素的淋溶損失風險主要源自土壤。土壤淋溶液中存在大量的NO3--N和少量的DON，且淋溶液中NO3--N與DON正相關關系（表4），說明不但無機氮是氮淋溶損失的主要形態[23]，水溶性的有機氮也存在淋溶風險，甚至有研究顯示DON是主要的淋溶損失氮形態[24]。凋落物分解是土壤碳氮的主要來源[1-2]，且凋落物與土壤一起培養時其分解速率高于其單獨培養[25]，但本研究發現凋落物的存在并沒有增加土壤淋溶液中溶解性氮，與S處理比較，LS處理則降低土壤淋溶液中NO3--N，表明土壤表面凋落物的存在可以降低土壤氮淋溶損失，有利于氮的保持和環境友好，這對生態系統而言，意義遠大于對凋落物或土壤的單獨研究。

凋落物中可淋溶的DOC高于土壤，因此，將提高土壤DOC和影響土壤氮轉化，尤其是土壤淋溶液中的NO3--N，其與DOC是負相關關系（表4），可能DOC有利于微生物對氮的保持[26-27]，這與Ma等[28]和Cheng等[29]的研究結論類似。Ma等[28]研究表明，溶解性碳輸入對土壤氮降低的影響程度與輸入碳的量有關，且降低程度在闊葉林大于針葉林。闊葉林凋落物質量（C/N比為50.7）顯著高于針葉林（C/N比為106.7）（表1），有機碳氮易于分解、礦化，闊葉林凋落物比針葉林有較多的DOC淋溶（圖2），因此，NO3--N降低的量也遠高于針葉林土壤（圖1）。在針葉林土壤，與S處理比較，LS處理增加第220天土壤MBN；而來自闊葉林凋落物的DOC進入土壤后較針葉林被更多地利用，闊葉林土壤淋溶液DOC降低（圖2b），且釋放更多的CO2[30]，碳損失加快[25]，導致MBN并未增加。凋落物的存在提高針葉林土壤DOC和DON，而降低闊葉林土壤淋溶液DON和MBN，也可能因闊葉林凋落物和土壤有較高的單寧含量[31]，闊葉林凋落物添加通過非微生物保持[32]，在單寧的作用下[33]降低土壤無機氮。

土壤是凋落物分解產物的匯，土壤和凋落物長期相互作用，因土壤微生物代謝活性的差異，針葉林土壤(DOC)和(DON)普遍低于闊葉林[34]。由于來自凋落物淋溶液中的溶解性有機物（DOC和DON）遠高于無機物（NH4+-N和NO3--N），因此，在野外實際降雨條件下，森林地表可移動DOM的持續供給[35]，凋落物層相互影響[9,36]，進而影響土壤，使闊葉林土壤保持更多碳氮[37]。

3.2 氮添加對土壤碳氮的影響

氮添加可促進凋落物分解[38]，加快物質淋溶損失。研究顯示，歐洲赤松葉有很高的NH4+-N淋溶損失[39]。添加NH4Cl后，凋落物淋溶液回收大量的NH4+-N，說明凋落物只能截留少量的NH4+-N，而大部分NH4+-N進入土壤參與土壤氮轉化。研究表明，氮沉降因是否凋落物存在而對土壤氮匯產生不同的影響[40]。Xiong等[41]研究發現，外施氮的9.8%～13.6%保留在森林凋落物中，森林凋落物在調控施氮對森林生態系統的影響方面作用顯著。被截留的NH4+-N通過硝化作用提高了氮添加處理凋落物淋溶液的NO3--N，說明凋落物保持NO3--N的能力有限。氮添加增加了淋溶液中氮量，這與已有研究[39]一致，但與NS比較，NLS處理顯著降低闊葉林土壤淋溶液中的無機氮（圖1），且NO3--N降低量更多。究其原因，在土壤pH較低、碳含量較高的情況下，土壤以異養硝化為主[26]，在酸性針葉林土壤異養硝化是NO3--N產生的主要機理，而闊葉林不是[42]，闊葉林在保留凋落物情況下，土壤有較高的硝化潛勢[43]。因此，添加NH4Cl后，一方面闊葉林土壤硝化作用高于針葉林，可能與闊葉林土壤自養硝化增加有關，第二，闊葉林凋落物促進土壤硝化作用，增加了土壤NO3--N的淋溶；同時，土壤淋溶液NO3--N在NLS處理低于NS處理，表明在氮沉降條件下，凋落物仍具有降低土壤NO3--N淋出的作用，從而減緩對水環境的負面影響。可見，有關降雨淋溶在土壤溶解性NO3--N產生機理、凋落物促進硝化與增加NO3--N固定方面的研究，還有待深入。

在凋落物通過淋溶輸入土壤DOC的同時，無機氮添加通過消耗DOC促進土壤或凋落物有機氮的礦化，增加土壤或凋落物淋溶液DON[11]。本研究顯示，氮添加增加了針葉林淋溶液DON（圖2），可能與針葉林土壤氨化作用受到抑制有一定關系[44]，表明銨態氮沉降有促進針葉林DON淋溶損失的可能。可見，類似氮添加和凋落物特性對凋落物分解和土壤有機質影響不同的研究[20,38]、凋落物各分層生態化學計量特征差異和對氮沉降響應的不同[9,36]。在不同森林類型，土壤DON參與淋溶和氮轉化的差異及驅動機理，亟待進一步探究。

4 結論

凋落物的存在顯著降低土壤NO3--N淋溶22.6%（針葉林）和29.9%（闊葉林）；即使在氮添加情況下，凋落物也降低土壤NO3--N淋溶11.4%（針葉林）和23.0%（闊葉林），表明凋落物有利于土壤氮的保持。

凋落物可淋溶的DOC是DON的73倍（針葉林）和60倍（闊葉林），表明DOC是凋落物影響土壤的主要調節物質。

氮添加可改變針闊葉林凋落物DOC和DON輸出的變化，進而影響土壤；降雨導致的溶解性碳氮自凋落物層向下進入土壤的淋溶過程，是建立起凋落物與土壤間碳氮關系必不可少的外部條件。