氮添加對華北落葉松根際與非養分的影響

摘要：[目的]大氣氮沉降對森林根際與非根際土壤養分有重要影響。華北地區是我國氮沉降高值區之一，然而目前關于氮沉降對該地區森林土壤養分影響的閾值及其是否引起其它養分限制還不清楚。[方法]本研究以河北省木蘭林場國有林場的華北落葉松人工林為研究對象，通過多水平氮添加實驗（0、5、10、20、40、80、160 kg N·ha-1·yr-1），分析氮添加對根際和非根際土壤在全量養分、速效養分及其生態化學計量的差異影響，旨在揭示氮添加對華北落葉松人工林根際效應的影響。[結果]研究表明：1）根際土壤有機碳（SOC）、總氮（TN）、硝態氮（N03--N）和有效氮（AN）含量隨氮添加水平呈上升趨勢，且都在氮添加為80 kgN·ha-1·yr-1時達到最高值，與對照組相比增加了39.55%、36.27%、56.6g%、44.02%。2）非根際土壤NO3--N在氮添加為160 kg N·ha-1·yr-1時達到最大，與對照組存在顯著性差異，不同氮添加水平下SOC、TN、TP含量等均無顯著變化。3）隨著氮添加水平的增加，根際土壤的C：P、N：P呈上升趨勢，非根際土壤的C：P、N：P呈下降趨勢。4）相對于對照組，氮添加后土壤SOC、TN、NO3--N、AN、AP、C：P、N：P的根際效應呈增加趨勢。[結論]本研究表明，氮添加會增強根際效應，提高華北落葉松人工林根際土壤SOC、TN、NO3--N、AN的含量，且閾值均在80 kg N·ha-1·yr-1，而且氮添加會改變土壤磷元素平衡，華北落葉松人工林生長未來可能會面臨土壤磷限制。本研究可為大氣氮沉降或施肥措施下華北落葉松人工林的養分調控提供理論和科學依據。

關鍵詞：氮添加；土壤養分；化學計量學；根際效應；華北落葉松人工林

中圖分類號：S154.1 文獻標識碼：A 文章編號：1001-1498（2024）05-0195-10

自工業革命以來，工業廢氣的大量排放以及農田化肥的過度使用，導致全球氮沉降量持續增加。目前中國成為了全世界目前活性氮排放量最多的國家，其中我國華北地區的總氮沉降平均通量已達到54.5 kg N·ha-1·yr-1。氮沉降的增加不僅會影響植物光合作用，刺激植物生長，還會對土壤養分循環造成重要影響。根據植物根系對土壤的影響可將土壤分為根際土壤和非根際土壤。根際土壤通常是指植物細根周圍2mm范圍內直接受到植物根系密切影響的那一部分土壤，不同種類植物根際范圍略有差異。研究表明，根際土壤是植物細根和土壤之間接觸最密切、養分物質交換最頻繁的區域，具有重要研究價值。氮作為森林土壤中的主要限制元素，氮的添加會改變植物根系養分、生長及根際活動，從而影響根際土壤的養分特征以及與非根際土壤的差異。因此，在氮沉降加劇的背景下，研究根際與非根際土壤的養分變化具有重要意義。

研究表明，根際土壤養分含量絕大多數情況下均高于非根際土壤，存在根際效應。林莉在亞熱帶的木荷（Schima superba Gardn. et Champ.）次生林中研究發現根際土壤有機碳（SOC）含量均高于非根際土壤。Toberman等也得出相似結論，熱帶雨林中根際土壤SOC和TN含量均高于非根際土壤。氮添加對土壤養分根際效應影響有所差異。陳杰在濕地松（Pinus elliottii Engelmann.）人工林的研究中發現，在低氮（50 kg N·ha-1·yr-1）和高氮（100 kg N·ha-1·yr-1）不同氮添加水平下，根際土壤的C、N、P含量均高于非根際土壤。景航研究發現：氮添加會提高根際土壤的NO3--N含量，降低TP含量，而SOC、TN和NH4+-N含量均呈增加后降低的趨勢，低氮（30 kg N·ha-1·yr-1）處理提高了而高氮（90 kg N·ha-1·yr-1）處理卻降低了非根際土壤SOC、TN、NH4+-N和N03--N含量。但也有研究發現，長期施氮（100 kgN·ha-1·yr-1）處理下，會增加根際土壤TN和TP含量，或氮添加均可以提高根際和非根際土壤SOC、TN含量和N：P、C：P，降低TP含量。目前，關于氮添加對根際和非根際土壤養分含量、根際效應及對土壤C、N、P生態化學計量的影響的研究存在不同的結論，這可能與不同的施氮量有關，也就是生態系統過程對氮輸入量存在非線性關系。然而，目前對于森林根際效應對氮沉降的響應閾值及其超過閾值后是否會引起其它養分限制還并不清楚。

華北落葉松（Larix principis-rupprechtiiMayr.）是燕山北部山地人工林的主要樹種，具有耐寒耐旱特性，是優良的速生用材樹種，在地區碳平衡中具有重要作用。本研究以河北圍場地區的華北落葉松人工林為研究對象，通過多梯度的氮添加實驗，分析氮添加對根際和非根際土壤養分及其根際效應的影響。本研究要解決的問題是：1）華北落葉松人工林根際和非根際土壤養分對氮添加響應是否存在閾值，閾值是多少；2）氮添加是否會造成土壤其它養分元素失衡，從而導致其它養分對植物生長的限制。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

河北省承德市圍場縣孟灤林場（116°32＇～118°1＇E，41°35＇～42°40＇N），地處大興安嶺余脈、內蒙古高原和燕山余脈交匯處、灤河上游地區，地勢西北高、東南低，海拔750～2 067 m。該地區屬于半濕潤半干旱的過渡地區，冬季酷寒干燥，夏季無暑熱，且冬長春秋短，年均降水445 mm，年均溫3.3℃，雨熱同期；1月平均氣溫-13.2℃，極端最低氣溫-42.9℃，7月平均氣溫20.7℃，降水多集中在7、8月。土壤類型主要有棕壤、褐土、灰色森林土、黑土等。

1.2 樣地設置和取樣方法

2019年8月開始，在木蘭圍場國有林場孟灤分場，以華北落葉松人工林為研究對象進行試驗。該林位于山坡北部，背陰坡約為15°，土壤類型為棕壤土，當時均是植苗造林，苗齡2a，現在林齡為30 a，林地背景信息見表1，詳細信息可見本研究的前期進展。本試驗采用隨機區組設計的方法，開展不同水平的氮添加實驗，在山坡等高線一字排開設置28塊20 m × 20 m的樣地，相鄰樣地間隔10 m，設計了7個水平，每個水平4個重復，每個重復為一個小區，每個小區7個水平的氮添加樣地隨機排列。本研究通過雨量計法測定該地區的大氣濕沉降通量，發現該地區年濕氮沉降通量為5.03 kg N·ha-1·yr-1，其中88%沉積量集中于生長季5月-10月。依據該地區氮沉降的背景值，本試驗設定7個處理的氮添加量分別為0、5、10、20、40、80、160 kg N·ha-1·yr-1，其中氮添加量為0 kg N·ha-1·yr-1的是對照組（CK）。在生長季（5-10月），每月施肥一次，施肥種類為尿素。施肥時將相應質量的尿素溶于40 L水中，均勻噴灑于樣地中，對照樣地噴灑等量清水。每次噴灑量相當于1 mm降雨量，對土壤濕度無明顯影響。

于2021年8月中旬采集華北落葉松人工林根際和非根際土壤，在樣地進行表層土壤（0—10 cm）取樣。取樣方法為五點取樣，每個取樣點面積為1 m×1m，采用“抖落法”，將挖出的土壤與植物根系分離，將根系用力抖動，直至附著在根系上的土壤厚度約＜2 mm，抖落的土壤與分離的土壤為非根際土壤，未抖落的附著在根系上（厚度＜2 mm）的土壤用毛刷刷下為根際土壤，根際和非根際土壤各取樣28個，共56個樣。所有土壤樣品過2 mm篩后分為兩份：一份自然風后置于自封袋中，帶回實驗室用于土壤SOC、TN等含量測定，另一份置于自封袋于4℃冰箱保存用于土壤無機氮等含量測定。

1.3 測定方法

土壤碳（C）、氮（N）和磷（P）是必要的土壤養分，其中銨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）、有效氮（AN）和有效磷（AP）可以快速直觀反映出土壤中N、P養分的供需狀況，且會受到外源氮輸入的影響，所以本研究土壤養分的測定的指標包括土壤有機碳（SOC）、總氮（TN）、總磷（TP）、NH4+-N、NO3--N、AN、AP。土壤SOC采用重鉻酸鉀氧化法測定，土壤TN采用全自動凱氏定氮儀測定，土壤TP采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測定。土壤NH4+-N和NO3--N采用2 mol·L-1 KCl浸提法測定。土壤AN為銨態氮與硝態氮總量之和。土壤AP采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定。

1.4 數據分析

采用Excel 2019軟件對測量數據進行記錄處理；運用SpSS 26.0統計分析軟件采用單因素方差分析（ONE-WAY ANOVA）對不同氮添加水平處理下全量養分、速效養分、化學計量、根際效應進行LSD最小差異顯著性分析，采用獨立樣本T檢驗進行根際與非根際間土壤養分顯著性分析；運用Origin 2022對根際和非根際土壤各養分結果繪制柱狀圖，數據柱狀圖用平均值、標準誤和顯著性繪制，化學計量采用養分含量比，并標注顯著性（p＜0.05）；根際效應（RINR）為根際養分含量（R）／非根際養分含量（NR）。

2 結果與分析

2.1 氮添加對華北落葉松根際與非根際土壤全量養分的影響

2.1.1 根際與非根際土壤全量養分含量的變化

氮添加對華北落葉松根際與非根際土壤SOC、TN、TP的影響如圖1所示。

在氮添加處理下，根際土壤SOC含量在85.56～119.40 g·kg-1范圍內，隨著氮添加水平的增加，根際土壤SOC含量有增加趨勢，氮添加量為80、160 kg N·ha-1·yr-1時，與對照組有顯著性差異（p＜0.05）；非根際土壤SOC含量范圍在62.53～68.50 g·kg-1范圍內，隨著氮添加水平的增加，SOC含量變化不顯著。在氮添加處理下，根際土壤SOC含量均高于非根際土壤，除氮添加量為10、40 kg N·ha-1·yr-1外，根際和非根際土壤SOC含量均存在顯著性差異（p＜0.05）。

在氮添加處理下，根際土壤TN含量在2.52～3.64 g·kg-1范圍內，隨著氮添加水平的增加，TN含量有增加趨勢，氮添加量為80、160 kgN·ha-1·yr-1時，與對照組存在顯著性差異（p＜0.05）；非根際土壤TN含量在2.06～2.26 g·kg-1范圍內，隨著氮添加水平的增加，TN含量變化不顯著（p＜0.05）。在氮添加處理下，根際土壤TN含量均高于非根際土壤，除氮添加量為10 kgN·ha-1·yr-1外，根際和非根際土壤TN含量均存在顯著性差異（p＜0.05）。

在氮添加處理下，根際土壤TP含量在0.49～0.61 g·kg-1范圍內，隨著氮添加水平的增加，TP含量變化不顯著（p＜0.05）；非根際土壤TP含量在0.42～0.56 g·kg-1范圍內，隨著氮添加水平的增加，TP含量有增加趨勢，未達到顯著水平（p＜0.05）。根際土壤TP含量均高于非根際土壤，對照組根際和非根際土壤TP含量存在顯著差異（p＜0.05），其它氮添加水平下，根際與非根際土壤TP含量差異性不顯著。

2.1.2 土壤全量養分的根際效應

氮添加對華北落葉松根際與非根際土壤SOC、TN、TP的根際效應影響如圖2所示。在氮添加處理下，土壤SOC的R/NR在1.23～1.87范圍內，隨著氮添加水平的增加，土壤SOC的R/NR有增加趨勢，氮添加量為5 kg N·ha-1·yr-1時，與對照組有顯著性差異（p＜0.05）；土壤TN的R/NR在1.18～1.69范圍內，隨著氮添加水平的增加，土壤TN的R/NR呈先增加后降低趨勢，氮添加量為5、80 kg N·ha-1·yr-1時，與對照組有顯著性差異（p＜0.05）：土壤TP的R/NR在1.08～1.44范圍內，隨著氮添加水平的增加，土壤TP的R/NR沒有顯著變化（p＜0.05）。

2.2 氮添加對華北落葉松根際與非根際土壤速效養分的影響

2.2.1 根際與非根際土壤速效養分含量的變化

氮添加對華北落葉松根際與非根際土壤NH4+-N、NO3--N、AN、AP的影響如圖3所示。

在氮添加處理下，根際土壤NH4+-N含量在12.11～16.24 mg·kg-1范圍內，隨著氮添加水平的增加，NH4+-N含量呈先降低后增加趨勢，氮添加量為10 kg N·ha-1·yr-1時，與對照組有顯著性差異（p＜0.05）；非根際土壤NH4+-N含量范圍在7.80～8.66 mg·kg-1范圍內，隨著氮添加水平的增加沒有顯著變化（p＜0.05）。在氮添加處理下，根際土壤NH4+-N含量均高于非根際土壤，根際和非根際土壤NH4+-N含量有顯著性差異（p＜0.05）。

在氮添加處理下，根際土壤NO3--N含量在46.45～92.83 mg·kg-1范圍內，隨著氮添加水平的增加，NO3--N含量整體呈增加趨勢，氮添加量為80、160 kg N·ha-1·yr-1時，與對照組存在顯著性差異（p＜0.05）；非根際土壤的NO3--N含量在46.45～92.83 mg·kg-1范圍內，隨著氮添加水平的增加呈先降低后增加的趨勢，氮添加量為160 kgN·ha-1·yr-1時，與對照組存在顯著性差異（p＜0.05）。在氮添加處理下，根際土壤N03--N含量高于非根際土壤，除氮添加量為40 kg N·ha-1·yr-1外，根際和非根際土壤的NO3--N含量均存在顯著性差異（p＜0.05）

在氮添加處理下，根際土壤AN含量在61.11～107.97 mg·kg-1范圍內，隨著氮添加水平的增加，根際土壤AN含量整體呈增加趨勢，氮添加量為80、160 kg N·ha-1·yr-1時，與對照組存在顯著性差異（p＜0.05）；非根際土壤AN含量范圍在39.32～58.41 mg·kg-1范圍內，隨著氮添加水平的增加呈先降低后增加的趨勢，未達到顯著水平（p＜0.05）。在氮添加處理下，根際土壤AN含量高于非根際土壤，除氮添加量為40 kgN·ha-1·yr-1外，根際和非根際土壤AN含量均存在顯著性差異（p＜0.05）。

在氮添加處理下，根際土壤AP含量在8.61～15.46 mg·kg-1范圍內，隨著氮添加水平的增加，根際土壤AP含量有增加趨勢，氮添加量為5、80、160 kg N·ha-1·yr-1時，與對照組存在顯著性差異（p＜0.05）；非根際土壤AP含量在6.25～9.65 mg·kg-1范圍內，隨著氮添加水平的增加整體呈降低趨勢，氮添加量為5、10、20 kg N·ha-1·yr-1時，與對照組存在顯著性差異（p＜0.05）。在氮添加處理下，根際土壤AP含量高于非根際土壤，除氮添加量為0、40 kg N·ha-1·yr-1外，根際和非根際土壤AP含量均存在顯著差異（p＜0.05）。

2.2.2 土壤速效養分的根際效應

氮添加對華北落葉松根際與非根際土壤NH4+-N、NO3--N、AN、AP的根際效應影響如圖4所示。

不同梯度的氮添加處理下土壤NH4+-N、NO3--N、AN、AP均存在根際效應。在氮添加處理下，土壤NH4+-N的R/NR在1.46～1.95范圍內，隨著氮添加水平的增加，土壤NH4+-N的R/NR呈先降低后增加趨勢，氮添加量為10 kg N·ha-1·yr-1時，與對照組存在顯著性差異（p＜0.05）；土壤NO3--N的R/NR在1.16～1.91范圍內，隨著氮添加水平的增加，土壤N03--N的R/NR呈現先增加后降低趨勢，氮添加量為5 kg N·ha-1·yr-l時，與對照組存在顯著性差異（p＜0.05）；土壤AN的R/NR在1.27～2.51范圍內，隨著氮添加水平的增加，土壤AN的R/NR呈先增加后降低趨勢，氮添加量為5 kg N·ha-1·yr-1時，與對照組存在顯著性差異（p＜0.05）；土壤AP的R/NR在0.90～1.99范圍內，隨著氮添加水平的增加，土壤AP的R/NR整體呈增加趨勢，除氮添加量為10、40 kgN·ha-1·yr-1外，其他氮添加水平下土壤AP的R/NR均與對照組存在顯著性差異（p＜0.05）。

2.3 氮添加對華北落葉松根際與非根際土壤生態化學計量的影響

2.3.1 根際與非根際土壤養分化學計量的變化

氮添加對華北落葉松根際與非根際土壤C：N、C：P、N：P的影響如圖5所示。

在氮添加處理下，根際土壤C：N在26.99～34.13范圍內，非根際土壤的C：N在30.01～32.05范圍內，隨著氮添加水平的增加，根際土壤、非根際土壤C：N沒有顯著變化，且根際與非根際間土壤C：N無顯著差異（p＜0.05）。

在氮添加處理下，根際土壤C：P在149.79～254.90范圍內，隨著氮添加水平的增加，根際土壤C：P呈先增加后降低趨勢，未達到顯著水平（p＜0.05）；非根際土壤C：P在125.26～171.98范圍內，隨著氮添加水平的增加呈降低趨勢，變化不顯著（p＜0.05）。在氮添加處理下，根際土壤C：P均高于非根際土壤，氮添加量為80和160 kg N·ha-1·yr-1時，根際與非根際土壤間C：P存在顯著性差異（p＜0.05）。

在氮添加處理下，根際土壤N：P在4.68～6.55范圍內，隨氮添加水平的增加，N：P整體呈增加趨勢，未達到顯著水平（p＜0.05）；非根際土壤N：P在4.12～5.68范圍內，隨氮添加水平的增加呈降低趨勢，未達到顯著水平（p＜0.05）。在氮添加處理下，除對照組外，根際土壤N：P均高于非根際土壤，氮添加量為80和160 kg N·ha-1·yr-1時，根際與非根際土壤間N：P存在顯著性差異（p＜0.05）。

2.3.2 土壤養分化學計量的根際效應

氮添加對華北落葉松根際與非根際土壤C：N、C：P、N：P的根際效應影響如圖6所示。

在氮添加處理下，土壤C：N的R/NR在0.89～1.33范圍內，隨著氮添加水平的增加，土壤C：N的R/NR沒有顯著變化。土壤C：P的R/NR在0.93～1.89范圍內，隨著氮添加水平的增加，土壤C：P的R/NR整體呈現增加趨勢，氮添加量為80、160 kg N·ha-1·yr-l時，與對照組存在顯著性差異（p＜0.05）。土壤N：P的R/NR在0.88～1.58范圍內，隨著氮添加水平的增加，土壤N：P的R/NR整體呈現增加的趨勢，氮添加量為80 kg N·ha-1·yr-1時，與對照組存在顯著性差異（p＜0.05）。

3 討論

3.1 氮添加對華北落葉松土壤養分影響的閾值

本研究中，華北落葉松人工林根際土壤SOC、TN、NO3--N、AN含量隨著氮添加水平呈現先增加后趨于平穩的趨勢，且均在氮添加量為80 kg N·ha-1·yr-1時達到最大，因此本研究認為根際土壤SOC、TN、NO3--N、AN含量對氮添加量響應閾值為80 kg N·ha-1·yr-1。張丹等在黃土丘陵地區設置0、10、20、40、80 kg N·ha-1·yr-15個氮添加水平實驗，結果表明在氮添加80 kgN·ha-1·yr-1時SOC含量增長最多，氮添加緩解了根際微生物的氮限制，促進林下植物生長，凋落物返還到土壤中的碳增多，從而使SOC含量呈現增加的趨勢。同時，也有研究發現過度氮添加會降低地上植物多樣性和生產力，影響碳輸入，降低SOC含量，NH4+-N會發生硝化作用釋放H+降低土壤pH，減弱礦物對SOC的保護作用從而降低SOC含量。本研究中，氮添加增加了根際土壤TN含量，這與很多研究結果一致。王昭等在鼎湖山常綠闊葉林設置0、50、1 00、150、200kg N·ha-1·yr-15個氮添加水平實驗，結果表明在氮添加150 kg N·ha-1·yr-1水平下TN含量最高，顯著高于其他處理。本研究中根際土壤TN在氮添加80 kg N·ha-1·yr-1水平下含量達到閾值，繼續施氮會減少TN含量，可能是因為在缺氮地區，氮添加會一定程度上緩解了森林土壤氮限制，增加土壤氮庫，提高了土壤的TN含量，然而施氮過多會引起土壤酸化，降低土壤TN含量。李琛琛等在華北落葉松林開展的模擬氮沉降研究發現，低氮添加會促進NO3--N含量增加，高氮添加促進效果減弱。本研究中，隨著氮添加水平的增加，NO3--N含量整體呈上升趨勢，且在氮添加80 kgN·ha-1·yr-1水平下含量達到閾值，說明氮添加對土壤硝化有促進作用，促進了NO3--N的積累，然而超過閾值后的氮添加可能因為氮素積累導致根際土壤反硝化作用增強，NO3--N被還原成N2O和N2從土壤中排出，降低了NO3--N含量。與對照組相比，非根際土壤SOC、TN含量在氮添加下變化并不顯著，這可能與施氮年限較短有關。

3.2 氮添加對華北落葉松土壤磷元素的影響

磷是植物生長的必要元素，且生態系統碳氮磷循環是耦合在一起發揮作用，因此，氮輸入會改變森林土壤磷循環，從而影響植物的生長。Ren等在內蒙古荒漠草原進行氮添加試驗顯示氮添加增加了土壤AP含量。一項熱帶森林的研究表明，氮添加會促進植物對磷素的吸收，刺激了土壤酸性磷酸酶活性，加速了土壤有機物分解，從而提高土壤AP含量。本研究中，在氮添加量為5、80、160 kg N·ha-1·yr-1時顯著增加了根際土壤AP含量，且土壤N：P的根際效應呈上升趨勢。其主要原因可能也是氮添加促進華北落葉松林下植物快速生長，從而增加對磷元素的獲取，使得根系分泌促進磷轉化的酶活性提高，促進了土壤總磷向有效磷的轉化，最終提高了土壤根際AP含量，但降低土壤TP含量，使得土壤N：P的根際效應增強。土壤N：P反映了土壤對磷的固持能力，一定程度體現了土壤養分變化。氮添加刺激植物對磷的需求，加速磷的轉化，促進磷從土壤系統中輸出，使土壤TP含量減低，造成土壤N：P失衡。植物生長發育需要維持穩定的N：P，在持續的氮素輸入下，未來磷素可能會成為限制華北落葉松人工林生長的重要因素。本研究通過分析不同氮添加水平下土壤AP和N：P根際效應的變化趨勢，預測燕山北部山地華北落葉松在未來大氣氮沉降增加或氮施肥情景下可能面臨土壤磷元素的限制，因此，未來合理添加磷肥是華北落葉松人工林應對外源氮輸入的重要手段之一。

4 結論

本研究對燕山北部山地華北落葉松人工林根際與非根際土壤在全量養分、速效養分及生態化學計量在氮添加處理下的變化進行研究分析，得出以下結論：1）氮添加對根際土壤養分含量影響顯著，SOC、TN、NO3--N、AN含量隨氮添加水平增加呈上升趨勢，且均在氮添加為80 kg N·ha-1·yr-1時含量達到閾值。2）氮添加會改變土壤磷元素平衡，在未來外源氮輸入背景下華北落葉松人工林生長可能會面臨土壤磷限制的壓力。本研究可為華北落葉松人工林養分管理提供科學依據。

（責任編輯：崔貝）

基金項目：國家自然科學基金（31700377）;河北省自然科學基金（C2018204096）