模擬氮沉降對云杉人工林土壤有機碳組分及理化性質的影響

喬楓，史偉，薛元杰

1. 國家林業局西北林業調查規劃設計院，陜西 西安 710048；2. 中國科學院成都生物研究所生態恢復重點實驗室，四川 成都 610041

碳循環在地球生態系統的物質循環與能量交換中起著重要作用。土壤作為植被生長的主要載體，在碳循環系統中扮演著重要的角色（王紹強等，1999）。土壤有機碳是植被碳庫的2.5倍，制約著植物的光合作用和生長發育，是生物化學循環中重要的生態因子（王紹強等，2000；彭新華等，2004）。土壤有機碳的組成形態不同，其土壤的肥力影響也不盡一致；土壤有機碳能夠直接影響土壤微生物新陳代謝等活動，進而影響植物的生長。另外，土壤微生物也能夠產生生物碳，雖然數量較少，但能夠參與整個生態循環，進而促進土壤養分循環，加速腐殖質分解。不同土壤有機碳組分在土壤循環過程中發揮著各自的作用，因此具體探究不同有機碳組分，能夠更好地研究土壤有機碳質量，從而為改善土壤結構和養分等提供有益參考（張英英等，2017）?；钚杂袡C碳是土壤有機碳中最為活躍的那一部分碳，能夠充分被微生物吸收利用，同時能夠改善土壤結構、提升植物養分供給，對促進植物的生長具有顯著的作用，因此，研究土壤活性有機碳有助于更好地研究土壤結構、增強植物養分供給，反映有機碳的抗氧化程度和利用難易程度（張忠啟等，2015；廖丹等，2015）。

隨著工業化的迅猛發展和人類活動的加劇，各類含氮化合物（氮肥、汽車尾氣等）被大量排放，尤其是煤等礦物質燃燒產生了大量碳氮化合物，大氣氮沉降問題日益突出，已成為全球性問題（劉彩霞等，2015）。中國已然成為全球第三大氮沉降危險區（李德軍等，2015；王晶苑等，2013）。就全球而言，氮沉降已然成為整個生態系統面臨的生態現象，氮沉降量的增加為森林的生態循環帶來了新的挑戰（張煒等，2015）。長期的高氮輸入顯著提升了土壤的礦化速度，加劇土壤的酸化，進而帶來土壤板結、養分不足等問題，不利于植物的生長發育（樊后保等，2007；段洪浪等，2009；陳浩等，2012；方華等，2015）。當前，國內外有關氮沉降對森林生態系統碳循環影響的研究已經引起了足夠大的關注，這對于碳循環的研究具有重要的意義（陳美領等，2016）。例如，Magnani et al.（2007）認為南方和北方的土壤具有較為顯著差異的碳含量，但這種差異能夠較好地通過氮沉降進行相應的解釋。國內學者樊后保等（2015）通過對福建國有林場進行長期的觀測研究分析發現，氮沉降對杉木Cunninghamia lanceolata林生態循環具有重要的影響作用。莫江明等（2004）將鼎湖山的馬尾松Pinus massoniana及混交林作為研究對象，探究氮沉降在森林生態循環中的主要影響效果，并對其影響機理進行了分析。然而，在眾多的研究中，對于深入到氮沉降對森林生態系統土壤碳組分的研究尚不多見，而碳組分，特別是土壤活性有機碳，只要發生微小的變化，就可對森林生態系統的碳循環產生重要作用，因此，深入探究氮沉降對森林生態系統土壤碳組分的研究對于研究生態系統碳循環具有重要意義。

大氣氮素以無機態和有機態形式發生沉降，二者分別占總氮沉降量的70%和30%左右（方運霆等，2004）。其中，無機氮素形態主要以硝態氮和銨態氮為主，而有機氮沉降形態主要為尿素和氨基酸（李德軍等，2003）。有研究表明，與無機氮相比，施用有機氮其生態系統環境受到的干擾相對較?。ɡ畹萝姷?，2003）。此外，與礦化、硝化作用一樣，氮施加引起的反硝化作用的影響與施加氮的類型有關，尿素比其他氮肥更容易刺激反硝化作用的發生，可能是因為：（1）尿素促進硝化作用而提供了硝酸鹽源；（2）尿素提高了土壤pH值；（3）尿素水解使含碳化合物向可溶性方向轉換，進而為反硝化菌提供能量源。另一方面，礦質氮肥施加和隨后的鹽度增加可能引起滲透脅迫而抑制異養微生物的活動（王暉等，2008；吳迪等，2015）。

四川的高山針葉林作為長江重要的生態屏障之一，在上世紀中葉，遭受了大量采伐，雖然后續也種植了大量的人工林，但因其過度采伐，超過了生態承受能力，導致大面積自然林消失。其中人工林以大面積的粗枝云杉Picea asperata為主，形成了較為單一的樹種結構，物種多樣性水平低下，其土壤肥力遠不如原始林（龐學勇等，2003）。目前多從地上部分對川西地區針葉林開展相應的研究，對土壤的研究也多從養分方面開展，而有關氮沉降對土壤有機碳組分的影響尚不多見。結合華南地區前人關于氮沉降的研究，本研究采用尿素進行氮沉降模擬，研究氮沉降對川西針葉林土壤有機碳組分的影響，以期為該區土壤優化和林業資源管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本實驗區位于四川阿壩地區的米亞羅鎮（31°11'～31°47'N，102°35'～103°31'E），屬于岷江上游，因其地形地貌和氣候特殊，形成了較為獨特的山地季風氣候，四季分明。冬天雖然較為寒冷，但日照時間較充足；全年降雨集中在夏季，年均降雨量近800 mm。該地區海拔高達3300 m，坡度約為23°，平均氣溫約為 9 ℃。該地區的原生樹種主要是岷江云杉 Picea asperata，屬于亞高山針葉林，生長在2400 m以上地區，上世紀50年代以后原始森林被大量采伐，故而形成了懸鉤子 Rubus crataegifolius及箭竹Pseudosasa japonica等灌叢，后進行了粗枝云杉的人工種植。本研究于2015年7月開展了相應的底值調查，具體結果如表1所示。

模擬氮沉降實驗即以人工噴氮的方式對未來的氮沉降趨勢進行模擬。本研究參照前人類似研究設計（Fenn et al.，1998），按氮施用量的高低，設置4種處理，采用隨機區組設計，從低到高分別標記為 N0（0 kg·hm-2·a-1，對照），N1（60 kg·hm-2·a-1），N2（120 kg·hm-2·a-1），N3（240 kg·hm-2·a-1），每種處理重復3次（樣地面積為100 m×100 m），樣地之間留10 m寬的緩沖帶。2015年12月建立樣地后，于2016年1月開始進行模擬氮沉降處理，每月月初以溶液的形式將氮素噴灑于樣地地面。按照處理水平的要求，將尿素[CO(NH2)2]溶解在20 L水中，以背式噴霧器在林地人工來回均勻噴灑。對照樣地噴施等量水，以減少因處理之間的差異。

表1 各樣地的主要林分特征Table 1 The characteristics of the sampling sites

1.2 土壤樣品采集

于2017年9月中旬，對4種樣地進行取樣，每個樣地內隨機設置5個采樣點，每個采樣點間距在10 m以上，每個采樣點重復取5個土壤樣品作為平行，5個平行樣品之間間隔2 m，為了保證取樣的一致性，所取樣的土壤坡度均小于5°。采用四分法留取1 kg左右土樣，取樣深度為0～20 cm混合土樣（除去表層的枯落物層）；所取樣品分為兩部分，一部分鮮土現場過2 mm篩后于4 ℃保溫冰箱中保存用于測定土壤微生物量，另一部分帶回實驗室風干后去除雜質后對其養分和有效養分進行測定。在取樣點附近挖取剖面測定土壤容重（環刀法，g·cm-3），并計算土壤總孔隙度（%）。

1.3 土壤樣品測定

土壤理化性質及養分含量的測定：土壤容重（BD）采用烘干法，計算土壤孔隙度（TPO）；機械組成采用激光粒度分析儀測定；pH采用電極電位法（1∶2.5土水比）測定；土壤有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；土壤全氮（TN）采用全自動凱氏定氮法測定；土壤全磷（TP）采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；有效磷（AP）采用 NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；全鉀（TK）和有效鉀（AK）采用火焰分光光度法測定（鮑士旦，2000）。

土壤有機碳組分的分離：將土壤研磨過 0.25 mm篩，60 ℃水浴鍋蒸干，然后60 ℃烘干12 h，冷卻，稱重。易氧化有機碳（EOC）采用 K2MnO4氧化-比色法測定（張俊華等，2010）；顆粒有機碳（POC）采用濕篩法測定（黃雪夏等，2007）；輕質有機碳（LFOC）采用浮選法測定（楊君瓏等，2017）；水溶性有機碳（WSOC）采用TOC分析儀測定（Phoenix 8000，Teledyne Tekmar公司，美國）（曾婷婷等，2016）；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸提取法測定（SMBC），熏蒸和未熏蒸處理的碳含量之差，再乘以轉換系數K（EC）即可得到生物量碳，即BC=2.64EC（吳金水，2006）。

1.4 統計分析

利用Excel 2003和SPSS 18.00軟件對數據進行單因素方差分析（One-way ANOVA），采用鄧肯新復檢驗法進行差異顯著性檢驗。所有數據測定結果以平均值±標準誤的形式表達。通徑分析（Path Analysis）用于研究自變量（土壤理化性質和養分）和因變量（土壤有機碳組分）之間的相互關系、作用方式。通過通徑分析，能夠找出自變量對因變量影響的直接效應和間接效應。為了進一步研究在氮添加模式下土壤理化性質和養分對土壤有機碳組分的影響，于SPSS軟件中對土壤理化性質和養分進行通徑分析，明確其對有機碳組分的貢獻程度。

2 結果與分析

2.1 氮沉降對土壤粒徑組成及理化性質的影響

表2反映了氮沉降對人工林土壤機械組成及理化性質的影響，其中1～0.05 mm土壤所占比例范圍為18.25%～21.79%，平均值為19.89%，基本表現為：N3>N2>N1>N0，其中N3>N2差異不顯著（P>0.05），顯著高于N0（P<0.05）；0.05～0.002 mm土壤所占比例范圍為 54.60%～56.86%，基本表現為：N3>N2>N1>N0，其中 N3和 N2差異不顯著（P>0.05），二者顯著高于 N1和 N0（P<0.05）；<0.002 mm土壤所占比例范圍為21.35%～26.98%，基本表現為：N3>N2>N1>N0，其中N0和N1差異不顯著（P>0.05），二者顯著高于 N2 和 N3（P<0.05）。BD變化范圍在1.03～1.26 g·cm-3之間，隨N處理水平的增加而降低，其中N0和N1顯著高于N2和N3（P<0.05），而N2和N3差異不顯著（P>0.05）；TPO與BD變化趨勢相反，隨N處理水平的增加而增加，其中N0、N1和N2差異均不顯著，三者顯著低于 N3（P<0.05）；土壤 pH值變化范圍在6.58～7.02之間，隨 N處理水平的增加而降低，其中N1和N2顯著高于N3和N4（P<0.05）。

表2 氮沉降對土壤粒徑組成及理化性質的影響Table 2 Effects of simulated nitrogen deposition on soil mechanical composition and physico-chemical properties in Picea asperata plantation in Sichuan

2.2 氮沉降對土壤養分含量的影響

由表3可知，在N添加基礎上，土壤養分（除了 TP）和有效養分均呈現出一致性規律，隨著 N處理水平的增加而增加。土壤有機碳質量分數變化范圍為 12.56～16.78 g·kg-1，平均值為 15.51 g·kg-1，其中N2和N3差異不顯著（P>0.05），N0和N1差異不顯著（P>0.05），N2和N3顯著高于N0和N1（P<0.05）；TN 變化范圍為 0.98～1.67 g·kg-1，平均值為 1.29 g·kg-1，不同 N 處理下差異均顯著（P<0.05）；TK 變化范圍為 15.23～29.78 mg·kg-1，平均值為21.26 mg·kg-1，其中N1和N0差異不顯著（P>0.05），二者顯著低于 N2和 N3（P<0.05）；AP變化范圍為20.08～39.78 mg·kg-1，平均值為26.94 mg·kg-1，不同 N 處理下差異均顯著（P<0.05）；AK變化范圍為75.23～91.07 mg·kg-1，平均值為8.22 mg·kg-1，其中 N1和 N0差異不顯著（P>0.05），N3顯著高于N1和N0（P<0.05）。

2.3 氮沉降對土壤有機碳組分的影響

氮沉降對土壤活性、輕組和顆粒有機碳含量的影響見表4，由表可知，EOC、POC、LFOC、WSOC和SMBC明顯受氮沉降的影響。EOC、POC、LFOC、WSOC均呈現出一致性規律，隨N處理水平的增加而增加。EOC變化范圍為1.26～1.69 mg·kg-1，平均值為 1.46 g·kg-1，其中 N0和 N1差異不顯著（P>0.05），二者顯著低于 N2和 N3（P<0.05）；POC變化范圍為1.42～1.72 mg·kg-1，平均值為1.54 mg·kg-1，其中 N0和 N1差異不顯著（P>0.05），二者顯著低于N2和N3（P<0.05）；LFOC變化范圍為 1.32～2.23 mg·kg-1，平均值為 1.80 mg·kg-1，不同處理下差異均顯著（P<0.05）；WSOC變化范圍為 6.98～12.56 mg·kg-1，平均值為 9.37 mg·kg-1，其中N0和N1差異不顯著（P>0.05），二者顯著低于N2和N3（P<0.05）；SMBC變化范圍為69.85～197.46 mg·kg-1，平均值為 120.70 mg·kg-1，不同處理下差異均顯著（P<0.05）。

2.4 土壤活性碳與總有機碳的比例關系

易氧化有機碳分配比例是指其占土壤有機碳含量的多少，可用于表征土壤有機碳的穩定性，比例越高，說明土壤碳穩定性越差。由表 5可知，EOC/SOC比例變化范圍為10.03%～13.46%，變異系數范圍在8.56%～12.47%之間，基本表現為N3>N2>N1>N0，其中N1和N0差異不顯著（P>0.05），二者顯著低于N3和N2（P<0.05），說明氮沉降對土壤EOC/SOC有顯著影響。土壤微生物量碳占有機碳的百分比稱為微生物熵。微生物熵的變化反映了土壤中輸入的有機質向微生物量碳的轉化效率、土壤中碳損失和土壤礦物對有機質的固定。土壤SMBC/SOC比例變化范圍在0.56%～1.57%，基本表現為 N3>N2>N1>N0，其中不同處理間的 SMBC/SOC比例差異均顯著（P<0.05）。

表3 氮沉降對土壤養分含量的影響Table 3 Effects of simulated nitrogen deposition on soil nutrients in Picea asperata plantation in Sichuan

表4 氮沉降對土壤碳組分的影響Table 4 Effects of simulated nitrogen deposition on soil organic carbon fractions in Picea asperata plantation in Sichuan

表5 EOC/SOC和SMBC/SOC比例Table 5 Effects of simulated nitrogen deposition on the ratio of EOC/SOC and SMBC/SOC

2.5 土壤有機碳組分與土壤環境因子的通徑分析

表6和表7反映了環境因子對土壤EOC、POC、LFOC、WSOC和SMBC影響的通徑系數。由表6可知，1～0.05 mm粒徑和TPO對土壤有機碳組分產生直接效應；<0.002 mm和pH對土壤有機碳組分產生間接效應；土壤理化性質對土壤有機碳組分產生的總效應值具體表現為 1～0.05 mm>pH>TPO=(<0.002) mm>BD>0.05～0.002 mm。

表7反映了土壤養分對土壤有機碳組分影響的通徑系數。不同養分對土壤有機碳組分產生直接和間接負作用，SOC、TN和 AK對土壤有機碳組分產生直接效應；TK和AP對土壤有機碳組分產生間接效應；總效應值大小依次為 SOC>TN>AK>TK>TP>AP。

3 討論

本研究中氮沉降對土壤理化性質和養分的影響并不一致，土壤孔隙度與其容重具有相反變化趨勢，土壤pH隨著N濃度的增加而降低，與此同時，氮沉降增加了土壤養分含量，對TP沒有明顯的影響，氮沉降通過降低土壤pH值，增大土壤孔隙度，促進了土壤微生物代謝活動，使養分增加，進而促進了土壤有機碳的分解（鄔建紅等，2015；陳志杰等，2016）。Schuur et al.（2015）研究發現，土壤微生物在土壤有機碳的分解中起著重要的作用，尤其是微生物的數量及活性。本研究中，SOC、TN和pH對POC的直接作用最大，pH值的降低導致有機碳各組分的增加。由此可知，在氮沉降處理下，pH值的降低和孔隙度的增加，加速了微生物的代謝活動，氮沉降在一定程度上促進了SOC的增加，有利于土壤有機碳的累積。

有研究發現，高濃度N并沒有抑制土壤微生物量碳，在正常水平下，土壤微生物量碳呈現增長的變化趨勢，當濃度較低氮進入土壤后微生物能夠及時將之消化吸收，但是短時間內如果高濃度氮進入土壤，則很容易導致微生物數量下降，多余的氮難以被及時消化吸收，很可能以 NO3-的方式形成淋溶，最終導致土壤酸化，酸化使Al3+等有毒離子釋放從而形成鋁毒，制約微生物的生長及活動（許凱等，2014）。長時間的氮輸入很容易導致微生物量碳減少，且氮影響生物量分配，制約著土壤的理化特性，土壤生物量下降和土壤酸化問題也將更加明顯，對地下微生物新陳代謝等活動形成顯著抑制作用。一定量的碳氮進入土壤將為微生物提供更為充足的可吸收碳氮，從而有利于微生物的新陳代謝等活動（林偉等，2016）。龍鳳玲等（2014）研究發現，對于多數人工林而言，一般處于氮限制的狀態，當氮限制緩解時，植物會為地上部分分配更多的碳，地下微生物量會發生相應的下降。就人工林生態系統而言，微生物群落具有相對穩定的結構，能夠更好地應對氮素沉降，在氮沉降過程中能夠發生較為明顯的固氮作用。

表6 土壤有機碳組分與土壤理化性質的通徑分析Table 6 Pathway analysis between soil organic carbon fractions and soil physico-chemical properties

表7 土壤有機碳組分與土壤養分的通徑分析Table 7 Pathway analysis between soil organic carbon fractions and soil nutrients

大量研究發現，枯枝落葉及生物殘體等一定量的腐殖質分解能夠顯著促進土壤有機碳的積累，提高土壤肥力（張建華等，2017）。本研究中，N輸入增加了枯枝落葉等凋落物，為微生物提供了更多的能量，從而釋放更多的可溶性有機碳，另外，微生物數量的增多也能夠促進腐殖質的分解速度和質量，提升土壤肥力，改善土壤結構；此外，根的活動加速，根系分泌速度顯著加快，能夠產生更多的有機碳（游成銘等，2016）。例如，全權等（2015）研究發現，氮沉降能夠對土壤木質素的分解形成抑制作用，進而提升土壤有機碳含量。馬芬等（2015）認為，氮沉降能夠對可溶性酚類物質積累起促進作用，也能夠促進可溶性碳的增加。經過長時間的氮輸入發現，有機碳的淋溶會相應加快，含量降低。通徑分析結果表明，土壤有機碳組分的影響因素具有多樣性，其中1～0.05 mm粒徑和TPO能夠對之產生直接的作用，而0.002 mm以下粒徑及pH間接影響有機碳組分；土壤養分對有機碳組分產生的是負向影響，且SOC、TN、AK能夠產生直接負作用，TK、AP則產生間接的負向影響。因此，氮沉降能夠促進云杉人工林有機碳組分的穩定性，對有機碳積累具有促進作用。

4 結論

（1）氮沉降對土壤理化性質和養分的影響較為明顯，隨著氮濃度的增加，土壤總孔隙度（TPO）和土壤容重（BD）呈相反的變化趨勢，土壤養分（有機碳SOC、全氮TN、全鉀TK、有效磷AP和有效鉀AK）隨著N濃度的增加而增加，說明氮沉降對土壤養分起到了一定的促進作用。然而，長期的氮沉降是否仍然對土壤養分起促進作用，還需要后續試驗進行驗證。

（2）土壤易氧化有機碳（EOC）、顆粒有機碳（POC）、輕組有機碳（LFOC）、水溶性有機碳（WSOC）、微生物量碳（SMBC）、EOC/SOC比例和微生物熵（MBC/SOC）均隨N濃度的增加而增加。通徑分析表明，SOC、TN和 AK對土壤有機碳組分產生直接效應，TK和AP對土壤有機碳組分產生間接效應，說明氮沉降能夠促進云杉人工林有機碳組分的穩定性，有效養分對有機碳積累貢獻更大，其機理還有待進一步研究。

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