模擬大氣氮沉降對柳杉人工土壤有機碳的影響

梁政 周琳 王鵬

摘要：指出了氮沉降引發的陸地生態系統退化和水體富營養化等生態系統“氮飽和”問題，促使一些科學家開始對氮沉降所引起生態系統退化問題開展研究。在華西雨屏區中心地帶，以人工柳杉林為研究對象，研究參照NTTREX項目和北美Harvord Forest研究設計，用NH4 N03進行N沉降處理，共設4個水平：CK（0 kg/hm-2·年）、低N（50 kg/hm-2·年）、中N（100 kg/hm-2·年）和高N（150 kg/hm-2·年）。每月以溶液方式對林地進行噴施，研究了0～20 cm土壤在施用不同氮含量的樣方中土壤有機碳含量的變化。通過1年的研究發現：土壤有機碳的含量隨著氮累積量的增加程先上升后下降的趨勢，并且除了2016年4月份那次之外，向土壤中施加Nl0比NO，N5和N15增加的有機碳要明顯多得多（P<0.01）。實驗中還發現0～10cm的土層有機碳含量與10～20cm的土層有機碳含量相比差異顯著得多（P<0.01）。

關鍵詞：氮沉降;柳杉人工林;土壤;有機碳

中圖分類號：S791

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）03-064-03

1 引言

近幾十年來，全球氣候變化及其對生態系統的影響受到人們的高度重視，其中因氮沉降引起生態系統的結構與功能的改變越來越受到科學家的關注[1-3]。中國繼歐美之后，成為世界第三大氮沉降地區，且氮沉降的速度仍然在逐年上升。目前，氮沉降的增加已造成了河口、海口和江湖等水域氮富集和陸地生態系統氮超負荷，并引起和將引起一系列嚴重的生態問題。如土壤酸化進程加快，影響樹木生長以及生態系統的功能和生物多樣性，甚至嚴重威脅生態系統的結構與功能，使森林衰退。

森林作為陸地生態系統的主體，在全球碳循環中扮演著匯（sink）、庫（pool）、源（source）的角色，具有不可替代的地位和作用[8-9]。盡管全球森林總面積僅占陸地面積的30%，但森林植被的碳庫約占植被碳庫總量的86%[10]，而且森林植被的碳固定能力和碳密度也遠高于草地和農田[7]。然而，由于土壤碳庫是陸地生態系統植物碳庫的3倍，土壤碳庫對氮沉降的響應將顯著影響全球碳循環。

柳杉（Cryptomeria fortune）常綠喬木，為我國特有種，是南方重要用材速生樹種之一，具有很高的經濟價值。而有關柳杉人工林土壤有機碳對模擬氮沉降的響應的研究還少見報道[11-13]。本文以柳杉人工林為研究對象，參照NTTREX項[4，5]和北美Harvord Forest[6-7]研究設計，通過研究模擬大氣氮沉降對柳杉人T林土壤有機碳的影響，以期為預測該地區在大氣氮沉降持續增加的情況下森林土壤的碳動態提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

研究地點位于四川省西南部雅安市雨城區石蝦子林場，距縣城27km。地理位置介于103°04'～103°07'E、30°11'～30°13'N之間，行政隸屬于雅安市雨城區上里鎮白馬村。研究區域屬四川盆地西部邊緣，地形呈南北狹長，地勢呈西北高、東南低，高低起伏懸殊，海拔977～1216m;氣候屬中亞熱帶濕潤氣候，該區處于“華西雨屏”的中心地帶，是四川省多雨中心區之一，年平均氣溫14.1～17.9℃，年降雨726.1～1774.3mm，≥10℃積溫5231℃，年均無霜期298d;年均日照時數1019.9h，全年太陽輻射總量為3640.13MJ/cm;該區云霧多，日照時數少，雨量充沛，空氣相對濕度大。土壤為中壤質和重壤質酸性、微酸性紫色土和黃壤。研究區人工林主要是柳杉純林，平均年齡25年，下木及草本主要有八角金盤（Fatsia japonica）、山杜英（Elaeocarpussylvestris）等。研究區柳杉人工林總面積280hm2，屬于長江造林局蜀西分公司集體。

2.2 樣地的設置

2012年1月在同一人工柳杉林中采用典型選樣的方法，設立立地條件基本一致的12個2m×2m的小樣方，樣方之間設大于2m的緩沖帶。分別將12個小樣方編號后進行不同梯度氮沉降處理。

2.3 氮沉降處理

施氮水平參照國內外野外施氮梯度和本區域氮沉降現狀，用NH4N03進行N沉降處理，共設4個水平：CK（Okg/hm2·年）、低N（50kg/hm2·年）、中N（100kg/hm2·年）和高N（150 kg/hm2·年）。各小樣方每月每次氮沉降需要的NH4N03質量分別是54g、110g和160g。將12個小樣方隨機分為4個區域進行4個不同水平氮沉降處理，每個水平3個重復。具體做法是將各水平所需NH4N03溶解至1L水中，于2015年1月開始，每月中旬用噴壺人工來回均勻的噴施于各樣方中，對照樣方則噴灑同樣量的水。保證各個樣方區域內除施N處理外，各樣地的其他處理均保持一致（樣方上鋪設紗窗，每月定期清除一次紗窗上新近凋落物，以保證凋落物質量不變）。

2.4 樣品的采集

在施氮半年后，每季度采一次土樣，2015年8月開始第一次野外采樣。在同一處理的每個小樣方內，去除表面土層后，分別用土鉆采集土樣，每個采樣點按I層（0～10cm）、Ⅱ層（10～20cm）分層采樣。并將每一處理組內相同層次的新鮮土樣混合均勻，無菌袋收集，裝袋風干后用作干土測定。

2.5 指標測定

土壤有機碳：重鉻酸鉀外加熱氧化法[1]。

數據處理：數據采用Excel 2007和SPSS17.O處理。

3 結果與分析

3.1 氮沉降對不同土層有機碳含量的影響

由圖1可以知道，各處理中，0～10cm的土層有機碳含量高于10～20cm的有機碳含量。由于森林地被層凋落物分解所形成的有機物首先進入土壤表層，從而使表層土壤（0～10cm）的有機碳含量高于深層土壤[12]。這也可能是由于表層凋落物的分解和大量根系主要影響0～10cm土層。雖然氮肥基本施在了表層（0—10cm），但由于凋落物和植物根系穿插作用的影響，使10～20cm土層有機碳含量也不會急劇減少[13]。方差分析表明，同月同處理中，除了N5之外，0～10土壤有機碳含量明顯高于10～20cm的有機碳含量（P<0.01）。

3.2 各層土壤有機碳含量受不同氮沉降水平的影響

其中Nl0水平影響的程度最大，NO水平影響的程度最低。本試驗結果表明，同層土壤中有機碳含量因不同氮沉降水平而異（圖1），除了2016年4月那次之外，不同氮沉降水平土壤有機碳含量從高到低的順序為：N10>N15>N5>NO，增加氮水平（即N5、Nl0和N15）的土壤與未增加氮水平（即NO）的土壤相比有機碳含量增加顯著（P<0.01）。0～10層土壤有機碳含量N5、Nl0和N15水平與NO之間差異顯著（P<0.01）;10～20cm土壤有機碳含量Nl0、N15水平與NO之間差異顯著（P<0.01）[14]。

3.3 同氮沉降水平同層土壤有機碳含量隨著時間的變化先增加后減少

土壤有機碳含量從高到低的順序為2016年4月>2016年7月> 2016年1月>2015年10月>2015年8月（圖1），并且2016年4月的有機碳含量與2016年1月和201 6年7月土壤有機碳含量相比明顯要高，其差異非常顯著（P<0.05）。

4 討論

研究結果表明，在柳杉人工林中模擬氮沉降的水平土壤中的有機碳程先增加后減少的趨勢，不同氮沉降水平同層次土壤有機碳含量從高到低的順序為Nl0>N15>N5>NO。不同層次有機碳含量以0～10cm的土壤層含量最高。本研究中各處理土壤總有機碳含量表現為表層最高，隨土層深度增加而降低的分布趨勢，其原因袁穎紅[15]等人認為可能是由于表層凋落物的分解和大量根系主要影響0～10cm[16-18].至于氮水平的增加導致的土壤有機碳含量的增加，GlatzelG[19]的研究指出，氮沉降的輸入有利于表層掉落物的分解，而分解成的有機物有利用合成腐殖質[20]，腐殖質是作為土壤有機碳最重要的儲存形式[21，22]，氮沉降的增加也就間接的導致土壤有機碳含量的增加。richard et al[23]和townsend et al[24]的研究也指出，在北半球溫帶地區，氮素施肥估計每年增加0.3～0.5PgC儲存貯存。至于氮含量的持續增加導致的土壤有機碳含量的降低，樊后保等人認為，大氣氮輸入的增加，導致了土壤酸化[25-27]，啟動了土壤腐殖質的分解[28]，這在很大程度上減少了土壤有機碳的含量，特別是在土壤氮飽和的情況下，土壤有機碳含量的下降顯得十分明顯。

從袁穎紅和樊后保等人相似的研究方法卻得出不同的結論可以看出，氮水平的增加對土壤有機碳的影響不能一概而論，不同區域、不同森林以及時間長短等都會對土壤有機碳含量產生不同的影響。因此，為充分了解大氣氮沉降對華西雨屏區人工柳杉林土壤有機碳含量的影響，對森林土壤生態系統發展和功能產生的長期后果，還需要作長期、系統的研究，深入探討大氣氮沉降對土壤有機碳的響應機制，從而為理解改變土壤有機碳含量的影響提供基礎數據。

由于本研究只有1年的實驗數據，得出的結論有一定的局限性，今后仍然需要對大氣氮沉降對人工柳杉林的影響做進一步的研究，并對土壤有機碳含量進行長期定位監測，為準確預測未來森林生態系統土壤碳庫的動態變化提供參考。

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