采伐方式對森林土壤氮初級轉化速率和凈氮轉化速率的影響

郎 漫，聶 浩，李 平＊

(1. 南京信息工程大學，江蘇省農業氣象重點實驗室，江蘇 南京 210044；2. 南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇 南京 210044)

森林土壤是森林生態系統的重要組成部分，是林木賴以生存的物質基礎。林木生長所形成的郁閉環境、枯落物的輸入、有機物質的分解等對土壤性質具有重要影響[1]。森林采伐是根據林木生長發育和人類經濟需要而進行的營林措施。森林采伐后，尤其是皆伐導致枯落物輸入減少、光照增強、溫度升高、樹冠對降水的截留量降低、土壤水分增加[2]。水、熱性質的變化改變了有機質的分解條件，勢必會對土壤中微生物的種類、數量、活性及土壤物理、化學性質產生影響[3]，進而影響由微生物參與的土壤氮轉化過程[4]。目前，已有不少研究探討了不同采伐方式對林地土壤基本理化性質和微生物性質的影響[2,5-6]，但針對采伐方式影響林地土壤氮初級轉化速率和凈氮轉化速率的研究鮮見報道。土壤中有機氮的礦化可以提供林木生長所需的無機氮，對森林系統生產力具有重要影響，而礦化產生的無機氮在土壤中的微生物固定和硝化等轉化過程影響了氮在土壤中的固持和損失。因此，研究采伐后林地土壤的氮素轉化特征，對于深入了解森林生態系統氮素營養循環及其合理經營具有重要意義。

黑龍江省地處寒溫帶，地域遼闊，森林資源豐富，是我國重要的木材生產基地。近年來由于森林砍伐導致林區生態環境遭到嚴重破壞，土壤性質發生了顯著改變[6-7]。因此，本研究以黑龍江省哈爾濱市阿城區的闊葉混交林地土壤為對象，選擇擇伐和皆伐10 年后的林地土壤，以未經砍伐的保留帶林地土壤為對照，采用室內培養試驗研究土壤氮初級礦化速率、銨態氮固定速率、硝態氮固定速率和初級硝化速率等氮初級轉化速率及凈礦化速率、凈硝化速率等凈氮轉化速率的變化對采伐方式的響應，旨在明確不同采伐方式下土壤中氮素的釋放和保存能力，揭示采伐方式對森林土壤氮素營養循環的影響，為建立合理的采伐方式，保證森林生態系統的可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗林地選擇黑龍江省哈爾濱市阿城區的闊葉混交林， 該地區位于 45°10 ′ ～45°50 ′ N、126°40′～127°39′ E 之間，屬寒溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。阿城區年平均降雨量530 mm，年平均氣溫1.5 °C，年有效積溫2 450 °C，年日照時數2 600～2 800 h，無霜期125 d。闊葉混交林主要樹種為紫椴(Tilia amurensisRupr.)、大青楊(Populus ussuriensisKom.)、樺樹(Betula platyphyllaSuk.)、裂葉榆(Ulmus laciniataMayr.)、 胡 桃 楸 (Juglans mandshuricaMaxim.)和 水 曲 柳 (Fraxinus mandschuricaRupr.)等。林下灌木主要有東北鼠李(Rhamnus schneideriLevl.)、毛榛子(Corylus mandshuricaMaxim.)、 暴馬丁香 (Syringa reticulate(Blume) H. Hara var. amurensis (Rupr.)J. S. Pringle)、 金銀忍冬 (Lonicera maackii(Rupr.) Maxim.)等，主要采伐作業方式為擇伐和皆伐。

于2020 年10 月選擇采伐年限為10 年的擇伐和皆伐跡地以及相同條件下未采伐的保留帶對照地，每種采伐類型樣地設置3 個空間重復樣區，每個空間重復樣區設置5 個采樣點，每個采樣點去除表層枯枝落葉后各采集2 個0～20 cm 土壤環刀樣，將10 個樣品混勻后作為1 個空間重復樣品。將此新鮮混合土樣過2 mm 篩，部分用于培養試驗，其余土樣風干后用于測定土壤理化性質，3 種采伐類型土壤的理化性質見表1。

表1 供試土壤的基本理化性質(平均值 ± 標準差)Table 1 Physico-chemical properties of the studied soils (means ± SD)

1.2 培養試驗

本研究采用室內培養試驗。試驗設置分別添加15NH4NO3和NH415NO3的15N 標記處理，標記豐度均為5 atom%，每個處理3 次重復。對于每種采伐方式土壤，稱取30 g 新鮮土樣(干基)至30 個250 mL 三角瓶中，將三角瓶分為兩組(每組15 瓶)，向其中一組三角瓶中均勻加入2 mL15N 標記的15NH4NO3溶液，另外一組加入等量NH415NO3溶液，使得所添加NH4+-N 和NO3--N 濃度達到20 mg·kg-1。添加氮溶液的同時補水至60%WHC(最大持水量)。將三角瓶用錫箔封口，并扎4～5 個洞以利于通氣。將所有三角瓶置于恒溫培養箱中25 ℃下黑暗培養7 d，培養期間每天打開錫箔通氣30 min，用稱重法補充蒸發損失的水分。分別在培養后的0、1、3、5、7 d 采取破壞性采樣方式每次每個處理隨機選取3 瓶，加入2 mol·L-1的KCl 溶液(液土比為2.5∶1)震蕩提取，濾液收集至100 mL 塑料瓶中用于分析NH4+和NO3-濃度及其15N 豐度。過濾后的土壤樣品用去離子水淋洗去除殘留的KCl 后于烘箱中60 ℃下烘干，磨細，用于土壤有機氮含量及其15N 豐度分析。

1.3 測定項目與方法

土壤pH 用DMP 2 mV/pH 計(Quark, Ltd,Nanjing, China)測定，水土比2.5∶1；土壤最大持水量參照Fierer 和Schimel 的方法測定[8]；土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮采用半微量開氏法測定；水溶性有機碳和水溶性有機氮用水浸提后采用有機碳氮元素分析儀測定；土壤銨態氮和硝態氮用2 mol·L-1KCl 浸提后(液土比2.5∶1)采用流動分析儀測定(Skalar, Breda, Netherlands)，培養過程中提取的土壤無機氮采用MgO-定氮合金蒸餾法測定；土壤銨態氮、硝態氮和有機氮的15N 豐度采用穩定性同位素質譜儀(Optima-EA;Micromass, Crewe, UK)測定。

1.4 數據處理與統計分析

文中氮初級轉化速率采用FLUAZ 模型擬合得出[9]。該模型采用15N 同位素成對標記法，通過測定不同培養時間土壤中NH4+和NO3-濃度及其15N 豐度的變化，即可同時計算出土壤中6 種氮初級轉化速率，分別是有機氮初級礦化速率(gm)、NH4+固定速率(ia)、NO3-固定速率(in)、初級硝化速率(gn)、初級反硝化速率(gd)和氨揮發速率(v)。該模型結合了數值方法（Runge-Kutta 算法，4 階）和非線性擬合方程（Haus-Marquardt 算法），以最小平均加權誤差（MWE，mean weighed error）為標準擬合數據，優化氮轉化過程速率參數，能夠更加準確的反映速率之間的變異，模擬的土壤氮轉化過程速率與實測值之間有很好的一致性，而且操作簡便快捷。該模型可以擬合出不同時間段的氮轉化過程速率，能夠反映氮轉化過程的動態變化趨勢。文中整個培養期間的平均氮初級轉化速率通過加權平均法計算得出[9]。

凈氮轉化速率采用以下公式計算：

式中，nn為凈硝化速率(以N 計，mg·kg-1·d-1)，nm為凈氮礦化速率(mg·kg-1·d-1)；t為培養結束時間(7 d)；t0為培養開始時間(0 d)；(NO3-)t和(NO3-)t0分別為培養結束后和培養初始時間的NO3--N 含量(mg·kg-1)；(NH4+)t和(NH4+)t0分別為培養結束后和培養初始時間的NH4+-N 含量(mg·kg-1)。

采用Origin 軟件作圖，采用SPSS 軟件進行數據處理與統計分析。

2 結果與分析

2.1 土壤無機氮含量

從圖1 可以看出，隨著培養的進行，3 種采伐方式下土壤銨態氮含量均逐漸增加(圖1A)，但增幅有所不同。與保留帶處理相比，擇伐和皆伐處理土壤銨態氮增加速率有所下降，各取樣時間土壤銨態氮含量大小順序為保留帶＞擇伐＞皆伐。培養期間各處理土壤硝態氮含量均表現為隨培養的進行緩慢增加的變化趨勢(圖1B)，各取樣時間土壤硝態氮含量大小順序為保留帶＞擇伐＞皆伐。

圖1 不同采伐方式下土壤無機氮含量Fig. 1 Contents of inorganic N in soils under different cutting methods

2.2 土壤無機氮的15N 豐度

在15NH4NO3標記處理中，3 種采伐方式下土壤銨態氮的15N 豐度逐漸下降，保留帶處理的15N 豐度下降速率最快，其次為擇伐處理，皆伐處理最慢(圖2A)。在15NH4NO3處理中，硝態氮的15N 豐度呈緩慢增加趨勢，保留帶處理的增加速率相對較快(圖2B)。在NH415NO3標記處理中，3 種采伐方式土壤銨態氮的15N 豐度接近自然豐度，沒有顯著差異(圖2C)；而土壤硝態氮的15N 豐度隨著培養的進行逐漸下降(圖2D)，其下降速率為保留帶＞擇伐＞皆伐。

圖2 不同采伐方式下土壤無機氮的15N 豐度Fig. 2 15N isotopic excess of NH4+-N and NO3--N in soils under different cutting methods

2.3 土壤氮轉化速率

采伐顯著降低了森林土壤氮初級轉化速率(圖3)和凈氮轉化速率(圖4)。與保留帶處理相比，擇伐和皆伐處理土壤氮初級礦化速率分別顯著降低了32.2%和61.8%(p＜0.05)，凈氮礦化速率分別顯著降低了43.1%和61.5%(p＜0.05)，氮初級固定速率分別顯著降低了23.3%和63.4%(p＜0.05)，銨態氮固定速率分別顯著降低了25.9%和66.2%(p＜0.05)。不同采伐方式下土壤中氮的固定以銨態氮固定為主，硝態氮固定速率很低且各處理之間沒有顯著差異(p＞0.05)。擇伐對土壤初級硝化速率和凈硝化速率沒有顯著影響，其gn/ia值與保留帶處理相比也沒有顯著差異(p＞0.05)。皆伐顯著降低了土壤初級硝化速率和凈硝化速率(p＜0.05)，但同時也顯著增加了gn/ia 值(p＜0.05)。

圖3 不同采伐方式下土壤平均氮初級轉化速率及gn/ia 值Fig. 3 Average gross N transformation rates and gn/ia ratio in soils under different cutting methods

圖4 不同采伐方式下土壤平均凈氮轉化速率Fig. 4 Average net N transformation rates in soils under different cutting methods

3 種采伐方式下土壤理化性質的差異顯著影響土壤氮轉化速率(表2)，土壤氮初級礦化速率、初級固定速率、銨態氮固定速率、凈硝化速率與pH、WHC、SOC、TN、C/N、SOCw、SONw、NH4+-N 和NO3--N 含量均呈顯著正相關，凈氮礦化速率與除C/N 比外的其他土壤性質也呈顯著正相關，而初級硝化速率與pH、SOC、TN、SOCw、SONw、NH4+-N 和NO3--N 含量均呈顯著正相關。

表2 氮初級轉化速率和凈氮轉化速率(mg·kg-1·d-1)與土壤性質的相關系數(n=9)Table 2 The correlation coefficients between gross or net N transformation rates and soil properties

3 討論

有機氮的礦化過程是將各種有機氮化合物轉化為可被植物吸收利用的銨態氮的過程，此過程速率大小對森林生態系統生產力具有重要影響[10]。我們的結果表明，森林采伐顯著影響了土壤氮素礦化過程。相比保留帶處理，擇伐和皆伐都顯著降低了土壤氮初級礦化速率和凈氮礦化速率，皆伐處理的下降程度大于擇伐處理(圖3、圖4)。Hasset 和Zak[11]基于加拿大白楊林地土壤的研究也發現，無論是擇伐還是皆伐，采伐8 年后土壤氮初級礦化速率均顯著降低，他們認為是因為采伐后土壤中微生物的數量、活性以及胞外酶的活性顯著下降所致。Forge 和Simard[3]也曾報道，加拿大不列顛哥倫比亞省白楊林地皆伐9 年后，土壤凈氮礦化速率顯著降低，這與我們的研究結果一致。本研究發現，土壤氮初級礦化速率與土壤有機碳和水溶性有機碳呈顯著正相關。土壤有機碳是土壤微生物生存的基質，能夠為微生物的生長和繁殖提供能量和底物，通常土壤有機碳含量越高，微生物活性越強，氮初級礦化速率越高[12-13]。因此，我們推測本研究中擇伐和皆伐處理土壤氮初級礦化速率的降低是由于有機碳含量的下降導致。森林土壤有機碳含量取決于兩個方面，一是枯落物輸入的數量和組成，二是降水和溫度等環境條件[14-15]。森林采伐后，林地光照明顯增加[16]，地表溫度升高[17]，這為有機質的分解提供了適宜的條件。研究指出，皆伐地表溫度變化最大，其次為擇伐處理，保留帶由于環境沒有發生任何變化，避免了由于太陽直射而導致的升溫，溫度變化最小[2]。因此，皆伐跡地微生物數量和酶活性增加，促進了凋落物層和遺留下來的大量采伐剩余物的分解；同時枯落物輸入來源減少，導致有機碳含量顯著降低。而擇伐跡地溫度變化相比皆伐跡地較小，有機質分解緩慢，而且每年仍然有相當數量的枯枝落葉輸入，從而使得有機碳含量下降比皆伐少[11]。另外，樹冠截留能減弱降雨強度，延緩地表徑流的形成，降低土壤侵蝕和水土流失[2]。擇伐處理雖然尚存一部分林木，但是已經形成較大林窗，林下植被遭到嚴重破壞，很大程度上降低了林冠對降雨的截留消能作用，導致降水產生的坡面徑流增大，有機質易遭受淋失和流失。而皆伐后林地喬木、亞喬木和林下灌木蕩然無存，表層土壤裸露，土壤緊實度增加，地表徑流和淋溶作用增強，而且伐后并未進行人工造林，從而導致有機碳含量降低程度大于擇伐處理[2]。這可能是皆伐跡地土壤氮初級礦化速率比保留帶處理的降低程度大于擇伐處理的主要原因。值得注意的是，前人研究也曾報道，森林皆伐后的最初1～4 年內，土壤氮初級礦化速率和凈氮礦化速率比采伐前顯著增加[4,18-19]，這可能是因為采伐初期抑制微生物分解活動的含酚類物質輸入減少，地表溫度升高，采伐跡地的水熱條件有利于枯落物的分解及有機質的礦化作用，有效養分溢出，土壤養分循環速率加快[19]。本研究中林地采伐后時間長達10 年，整個過程中土壤有機質持續礦化分解，且受淋溶作用和地表沖刷的影響，養分流失導致土壤貧瘠，微生物活性降低，因此土壤氮初級礦化速率顯著降低。

土壤氮初級固定速率對采伐方式的響應與土壤氮初級礦化速率相似，表現為皆伐處理顯著低于擇伐處理，擇伐處理顯著低于保留帶處理。土壤中微生物對無機氮的生物固定受土壤有機碳（尤其是易分解有效碳）含量影響[20]，因為土壤中參與氮礦化過程的微生物可以利用一系列復雜的有機碳化合物，不受碳源質量的影響，而參與氮固定過程的微生物對碳底物的質量要求較高，只能利用簡單的易分解有效碳[21]。本研究也表明，土壤氮初級固定速率與水溶性有機碳含量呈極顯著正相關(表2)。水溶性有機碳是最容易被微生物分解利用的碳組分，雖然其在土壤中的數量少，但卻對微生物活性具有重要影響[22]。本研究中皆伐和擇伐處理土壤氮初級固定速率顯著低于保留帶處理，這可能是因為森林采伐后土壤中枯枝落葉輸入量減少，使得土壤有機碳含量和水溶性有機碳含量隨之顯著降低所致(表1)。Bradley 等[23]研究也發現，加拿大不列顛哥倫比亞省的林地在皆伐4 年后土壤有效碳含量顯著降低，對無機氮的固定也顯著減少。微生物既可以利用土壤中的銨態氮，也能利用硝態氮，但是對于銨態氮的固定比例遠遠大于硝態氮，因為微生物固定銨態氮所需的能量少于硝態氮[24]。有研究指出，土壤中銨態氮含量大于0.1 μg·g-1就可以顯著抑制對硝態氮的固定[25]。本研究結果也表明，不同采伐方式下土壤中微生物對氮的固定以銨態氮為主，對硝態氮的固定速率很低，可以忽略不計。Hasset 等[11]研究了采伐8 年和10 年的白楊林地土壤，發現擇伐和皆伐處理土壤微生物數量和活性以及胞外水解酶的活性均顯著下降，導致土壤氮初級固定速率也顯著降低。由此可見，不同采伐方式可以通過影響土壤碳輸入量而影響土壤中與氮轉化相關微生物的數量和活性，進而影響土壤無機氮的固定速率。

與保留帶處理相比，擇伐處理土壤初級硝化速率和凈硝化速率的下降幅度未達顯著水平，而皆伐處理土壤初級硝化速率和凈硝化速率顯著降低(圖3、圖4)，這可能與土壤pH 的變化有關。前人研究指出，硝化細菌適宜在中性到微堿性的土壤中生存，在一定范圍內，硝化細菌的數量和活性與土壤pH 呈顯著正相關[26]。本研究結果也發現，土壤初級硝化速率和凈硝化速率均與土壤pH 呈顯著正相關(表2)，與Hasset 等[10]的結果一致。土壤酸堿性的變化比較復雜，不僅與枯落物的組成和有機質分解速度有關，同時還受氣候環境等因素的影響[15]。本研究中，擇伐10 年后土壤pH 與保留帶處理相比沒有顯著變化，這可能是因為擇伐后光照增強，水、氣、熱條件的變化促進了枯落物加速分解，產生大量酸性物質，土壤膠體鹽基離子被氫離子取代導致土壤pH 降低。但是隨著伐后時間的延長，大量酸性物質被淋溶掉，同時大量雜草入侵，土壤中灰分元素不斷增加，使得擇伐跡地土壤酸度逐漸下降，pH 值又恢復到接近采伐前的數值[5]。擇伐處理土壤pH 先下降后上升的動態變化，使得土壤初級硝化速率和凈硝化速率也沒有顯著變化(圖3、圖4)。與擇伐處理不同，皆伐跡地枯落物輸入來源相比保留帶和擇伐跡地顯著減少，土壤灰分元素含量低，且因降水產生的地表徑流和土壤侵蝕導致灰分元素流失大，釋放出來的鹽基物質少，中和量小，故皆伐跡地土壤pH 顯著降低[5,15]，土壤初級硝化速率和凈硝化速率也隨之顯著下降。

室內培養條件下，酸性森林土壤中銨態氮的主要去向有硝化和微生物固定兩個途徑。因此，初級硝化速率與銨態氮固定速率比值(gn/ia)可以用來衡量土壤中硝態氮的淋溶風險[27]。本研究結果表明，不同采伐方式對土壤氮循環的影響不同。皆伐處理的土壤初級氮礦化速率和固定速率顯著低于保留帶處理，說明實施皆伐措施后森林土壤氮素的釋放和固持能力下降，但土壤有機氮礦化速率仍然大于固定速率，土壤中盈余的銨態氮主要發生硝化作用，使得gn/ia值顯著增加(圖3)，最終導致土壤中NO3-/NH4+值相比保留帶處理顯著提高(表1)，當降雨發生時也增加了土壤中硝態氮的淋溶風險。而實施擇伐措施后，雖然土壤中氮素周轉速率也比保留帶處理顯著下降，但其下降幅度遠小于皆伐處理，且擇伐處理的土壤初級硝化速率沒有發生顯著改變，gn/ia值與保留帶處理沒有顯著差異(圖3)，因此沒有顯著改變土壤中NO3-/NH4+值(表1)。綜上所述，在進行森林采伐時，最好選用擇伐措施，以減少林地土壤硝態氮的淋溶風險，維持森林生態系統的可持續發展。

4 結論

采伐方式影響森林土壤的氮轉化過程。與不采伐的保留帶處理相比，實施擇伐和皆伐措施顯著降低了土壤有機碳和水溶性有機碳含量，進而導致土壤氮初級礦化速率、凈氮礦化速率和銨態氮固定速率顯著降低，且皆伐處理的下降幅度顯著大于擇伐。實施皆伐措施后土壤pH 顯著下降，土壤初級硝化速率和凈硝化速率也隨之顯著降低。擇伐對土壤gn/ia值和NO3-/NH4+值沒有顯著影響，而皆伐則顯著提高土壤gn/ia值和NO3-/NH4+值，同時也增加了土壤硝態氮的淋溶風險。