不同年齡杉木林土壤氮礦化及其對施肥增溫的響應(yīng)

陳 瑞 ，項(xiàng)文化 ，2，徐 曉 ，田大倫 ，2，劉 佳 ，方 晰 ，2

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410004；2.湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，湖南長沙 410004；3.湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長沙410007）

氮是植物生長中不可缺少的營養(yǎng)元素，但在森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤中，除氮極端缺乏條件下植物能吸收簡單有機(jī)氮（DON）外[1]，99%以上的氮是不能被植物直接吸收利用，需要經(jīng)過微生物的礦化作用轉(zhuǎn)化為有效氮才能被植物吸收利用。有效氮一般以銨態(tài)氮（NH4-N）、硝態(tài)氮（NO3-N）等形態(tài)存在[2]。有效氮的供應(yīng)狀況往往影響森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，因此森林土壤中氮的礦化過程對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和氮循環(huán)起著十分重要的作用[3]。同時(shí)，氮的有效性與微生物的活動、植物吸收的過程、氮的固定有著緊密的聯(lián)系[4]。

國際上普遍采用實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)法（Laboratory incubation）來控制土壤溫度和水分進(jìn)而研究土壤氮的礦化過程。溫度是影響氮礦化過程中最主要的環(huán)境因子之一，施肥也會提高土壤的供氮能力。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對溫度、水分等環(huán)境因子[5-6]、施有機(jī)或無機(jī)肥對礦化的影響[7]、不同森林類型以及不同土地利用類型土壤氮礦化差異進(jìn)行了的研究[8-9]。土壤的凈礦化速率與溫度呈正相關(guān)；而凈硝化速率在低溫段與溫度正相關(guān)，在高溫段則呈負(fù)相關(guān)，而且整個(gè)培養(yǎng)期硝態(tài)氮的變化不大[3]；落葉林的土壤比針葉林的土壤顯示出更高的氮礦化率[10]；其中，落葉林土壤的硝化速率很高，而針葉林土壤中卻是很低或者幾乎沒有[11]。

杉木是我國南方主要的用材林樹種，不同年齡階段杉木對土壤養(yǎng)分特別是氮的需求不同[12-13]。在杉木林的生產(chǎn)實(shí)踐過程中施肥以及未來全球氣候變化（如溫度升高）等對土壤氮礦化產(chǎn)生怎樣的影響，目前還缺乏這些方面的研究。筆者在湖南省會同縣選擇3個(gè)不同年齡的杉木人工林，并用闊葉林為對照，采用實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)法控制溫度和施肥量，研究其土壤氮礦化速率，為進(jìn)一步探討杉木林土壤氮循環(huán)和氮供應(yīng)狀況及其對施肥、溫度升高的響應(yīng)提供理論依據(jù)。

1 研究地點(diǎn)及樣地概況

研究在湖南省會同縣進(jìn)行，屬典型的中亞熱帶濕潤性氣候，年平均溫度為16.8°C，年平均降水量在1 100～1 400 mm之間，年平均相對濕度約為80%。地貌為低山丘陵，地層屬于震旦紀(jì)板溪系灰綠色變質(zhì)板頁巖，土壤為山地黃壤。

土壤樣品來源于3個(gè)研究地點(diǎn)，共4塊試驗(yàn)地，其中第1、2塊分別設(shè)立在湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（26°50′N ，109°45′）的試驗(yàn)基地 II、III集水區(qū)內(nèi)，海拔 270 ～ 400m，II、III集水區(qū)內(nèi)分別為1996年和1988年?duì)I造的第2代杉木林。II集水區(qū)林分年齡13 a，平均樹高9m，胸徑8 cm，林分2 490株/hm2。III集水區(qū)林分年齡21 a，平均樹高13.3 m，胸徑16.1 cm，林分密度1 967株/hm2。II、III集水區(qū)林下代表性植被有杜莖山、柃木、拔葜、狗脊等。第3塊設(shè)立在與生態(tài)站相距2 km的廣坪鎮(zhèn)楊家渡村桃子沖（27°50′N，109°45′E），海拔290 ～410 m，坡度15°～30°之間，為 2007 年?duì)I造的杉木林，林齡2 a，平均樹高為2 m，平均胸徑為4 cm。第4塊設(shè)立在湖南會同鷹嘴界國家自然保護(hù)區(qū)（26°50′N，109°54′E） 的次生闊葉林內(nèi)，海拔 330～370m，主要組成樹種為擬赤楊、楓香、青岡、南酸棗，林分密度1 596株/hm2，平均胸徑10.9 cm，平均樹高10.1m，每公頃基徑總面積22.18m2。

2 研究方法

2.1 土樣采集

在4個(gè)不同林地中的山頂、山坡、山腳分別設(shè)置3塊20 m×30 m小樣方，構(gòu)成3個(gè)重復(fù)。2009年6月，在4個(gè)林地的12個(gè)小樣方內(nèi)采集0～10 cm的土樣，每3個(gè)重復(fù)土樣充分混合在一個(gè)布袋，共有12個(gè)，供實(shí)驗(yàn)使用。并取一定重量的土樣裝入鋁盒內(nèi)做含水率測定，同時(shí)用環(huán)刀法測定土壤容重。采集的土樣立即帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍。

2.2 實(shí)驗(yàn)處理方案

把12個(gè)小樣方采集的土樣過1 mm的土篩，每個(gè)森林類型的一部分混合后分別裝入12個(gè)250 mL的錐形瓶，每個(gè)錐形瓶放入100 g新鮮土樣。其中，6 瓶按照 10 g/m2施入硝酸銨（NH4NO3）肥料，另外6瓶不作處理。瓶口用塑料保鮮膜封口，膜上扎若干小眼以通氣。然后每一森林類型分別將3瓶對照和3瓶施肥處理放入兩個(gè)培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，其中一個(gè)培養(yǎng)箱的溫度設(shè)定為16.8°C（與試驗(yàn)地年平均氣溫一致），另一個(gè)溫度設(shè)定為 18.8°C（增加 2°C），培養(yǎng)時(shí)間為23 d。剩余部分土樣用作理化性質(zhì)測定。

2.3 樣品理化分析

用于測定土壤含水量的土壤樣品放入105°C左右烘箱內(nèi)6 h烘干至恒重，測定土壤含水率。取一部分新鮮土樣風(fēng)干后過篩，用吸管法測定土壤的質(zhì)地；半微量凱氏法測定全氮含量；重鉻酸鉀外加熱法測定土壤總有機(jī)碳（TOC）；氫氧化鈉熔融法測定土壤全氮和全鉀的含量；按土水比為1∶5的比值來測定土壤pH值。培養(yǎng)前后的土壤用酚二磺酸比色法測定NO3-N的含量，氯化鉀浸提法測定NH4-N含量。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)培養(yǎng)后與初始值的差值來計(jì)算土壤氮凈礦化速率，即土壤凈礦化速率=（培養(yǎng)后的NH4+-N量-培養(yǎng)前的NH4+-N量）/培養(yǎng)天數(shù)；土壤凈硝化速率=（培養(yǎng)后的NO3--N量-培養(yǎng)前NO3--N的量）/培養(yǎng)天數(shù)。

以土壤pH值、容重、質(zhì)地、有機(jī)碳、NH4+-N、NO3--N、全氮、全鉀、C/N為因變量，不同森林類型為自變量，通過方差分析比較不同森林類型之間的差異。以凈礦化速率、凈硝化速率為因變量，以不同森林類型、不同溫度和施用肥料為自變量進(jìn)行方差分析，比較不同森林類型、增溫和施肥之間土壤氮礦化差異。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析在JMP軟件中進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 4種森林類型的土壤特征比較

闊葉林的pH值、容重、土壤壤粒含量、土壤黏粒含量均要比杉木林的低（表1）。闊葉林的土壤沙粒含量比杉木林的高，差異顯著。在不同年齡杉木林中，2 a杉木林土壤的pH值最低。土壤容重、砂粒含量、含水量均隨著杉木林年齡的增長呈現(xiàn)遞增的趨勢，各年齡林分土壤之間差異顯著；土壤黏粒卻隨著杉木年份的增長呈現(xiàn)遞減趨勢（表1）。

表2 3個(gè)不同年齡杉木人工林及闊葉林土壤化學(xué)性質(zhì)比較

闊葉林土壤的有機(jī)碳含量比杉木林高（表2），全P含量卻比杉木林的低。各林齡的杉木林中13 a杉木林土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、NH4+-N含量均最高，2 a杉木林土壤全鉀和C/N上含量最高（表2）；而NO3--N在21 a杉木林土壤中含量最高，不同年齡杉木林NO3--N含量具有顯著性（表2）。

表1 3個(gè)不同年齡杉木人工林及闊葉林土壤物理性質(zhì)比較

3.2 4種不同森林類型土壤氮礦化速率差異

圖1 不同林地土壤在不同處理類型下的礦化速率

不同森林類型的礦化速率（p=0.001 7）和硝化速率（p=0.002 3）差異顯著。闊葉林土壤凈礦化和凈硝化速率最低（圖1）；而在不同年齡杉木林中，21 a杉木林土壤凈礦化速率最高，13 a杉木林凈礦化速率最低（圖1），不同年齡階段杉木林隨著年齡的增長凈硝化速率呈遞增的趨勢，2 a生杉木林凈硝化速率最低，21 a杉木林凈硝化速率最高（圖1）。

3.3 增溫和施肥對不同森林類型土壤氮礦化的影響

3.3.1 增溫和施肥對不同森林類型土壤凈礦化化速率的影響 溫度對各森林的土壤凈礦化速率影響差異顯著（p=0.003 4），在年平均氣溫16°C基礎(chǔ)上增加2°C后，杉木林的凈礦化速率下降，表明升溫對杉木林土壤凈礦化速率有抑制作用，闊葉林的凈礦化速率比對照組略有所增加（圖1）。施肥對各森林土壤凈礦化速率影響沒有達(dá)到顯著水平（p=0.436 2），闊葉林土壤的凈礦化速率在施肥后仍然最低，杉木林隨著林齡增加，施肥對杉木林土壤凈礦化速率的影響增大，21 a的杉木人工林土壤凈礦化速率最高（圖1）。

表3 不同因子對不同林地土壤氮礦化、硝化速率影響的方差分析

增溫與施肥對各森林土壤凈礦化速率的相互作用影響不顯著（p=0.779 2），增溫和施肥后各森林土壤凈礦化速率低于僅施肥后的凈礦化速率，但明顯高于對照和僅增溫的凈礦化速率。

3.3.2 增溫和施肥對不同森林類型土壤凈硝化速率的影響 溫度對各森林的土壤凈硝化速率影響差異不顯著（p=0.201 5），闊葉林土壤凈硝化速率最低，隨著林齡增長杉木林土壤的凈硝化速率呈遞增的趨勢（圖1）。施肥對各森林土壤凈礦化速率影響沒有達(dá)到顯著水平（p=0.848 3），但是施肥后闊葉林和杉木土壤凈硝化速率明顯增加（圖1）。

增溫與施肥對各森林土壤凈硝化速率的相互作用影響不顯著（p=0.8975），在13 a杉木林土壤中凈硝化速率最高，增加也最快；21 a杉木林施肥同時(shí)增溫條件下凈硝化速率與僅施肥條件下的沒有差異（圖1）。增溫與施肥后，各森林的土壤凈硝化速率總體上比施肥組的高，說明溫度和施肥對硝化反應(yīng)起著促進(jìn)作用（圖1）。

4 結(jié)論與討論

溫度對土壤氮礦化速率的影響，主要是通過改變微生物的生化過程和耗氧量[14]，氮礦化一般隨溫度而升高[3]。由于次生闊葉林土壤的含水率本身就比杉木林土壤低，因此即便溫度升高，微生物在升溫但是水分不夠的情況下，活躍度變化不大。而不同年齡杉木林土壤中的微生物在升溫后，開始活躍，顯示出溫度對不同森林土壤凈礦化速率影響差異顯著（p=0.003 4）。有研究表明溫度從17°C上升到30°C，氨態(tài)氮將逐漸提高，本試驗(yàn)溫度還沒有增加到達(dá)到影響的范圍是導(dǎo)致凈礦化速率降低的原因之一。硝化細(xì)菌在酸性土壤上，硝化反應(yīng)受到抑制，升溫也不能對其起到促進(jìn)作用，因此溫度對各森林的土壤凈硝化速率影響差異不顯著（p=0.201 5）。

施肥后，土壤中有機(jī)碳含量相對下降，由于土壤微生物礦化作用大于同化作用，容易造成氮素?fù)p失，降低了土壤中C/N比，使得土壤凈礦化速率加快。而在有充足氧氣的供應(yīng)下，土壤微生物氮的礦化作用大于自身吸收。土壤氮礦化受到pH值以及砂礫比例影響大于受到微生物的作用，從而使得施肥對不同森林土壤凈礦化速率和凈硝化速率影響沒有達(dá)到顯著水平。

土壤無機(jī)氮的動態(tài)變化是土壤有機(jī)氮的礦化作用、土壤淋溶作用、植物根系的吸收相互作用的結(jié)果[9]，同時(shí)受環(huán)境條件和土壤特征的影響。研究通過試驗(yàn)控制將土壤單獨(dú)放在錐形瓶中培養(yǎng)，溫度和土壤水分等試驗(yàn)條件相同，還阻隔了雨水淋溶以及植物根系的吸收，排除了環(huán)境因子對氮礦化的影響。因此，各森林土壤特征如土壤的pH、含水率、C/N和土壤微生物的不同是影響森林土壤氮礦化的主要原因。

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