凋落物和氮添加對亞熱帶森林土壤浸提氮組分的影響

王夢思 ，林偉 , ，馬紅亮 *，尹云鋒 ，高人

1. 福建師范大學地理科學學院，福建 福州 350007；2. 福建師范大學濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地，福建 福州 350007；3. 廣西玉林實驗中學，廣西 玉林 537000

氮素是森林生態系統中主要的生長限制因子，與森林群落組成、生產力、植物多樣性等都具有密不可分的關系（Grant，2014）。土壤可溶性氮作為土壤活躍的氮組分易淋溶流失（殷睿等，2013），水溶性和交換性氮可用于衡量土壤肥力（鐘珍梅等，2017）。Gerardh et al.（2009）研究發現，酸解性SON含量可比中性鹽浸提含量高出10倍以上，水浸提的土壤無機氮含量比K2SO4浸提的高（鄒玉亮等，2012）。銨態氮、硝態氮等可溶性氮含量雖少，但森林植被對其的時空干擾動態在退化生態系統恢復與重建中具有重要意義（歐江等，2015），且用不同浸提劑序列浸提土壤氮素的含量和特征不一樣。因此，不同氮組分對土壤氮素循環和轉化過程具有不同程度的調節作用。目前，有關碳組分（Buckingham et al.，2008；王春燕等，2016；李志聰等，2018）的研究較多，而關于氮組分的研究大多集中于對比不同植被間（趙溪等，2010）、水熱關系間（趙路紅等，2018）的氮組分差異，而對氮添加對不同浸提劑浸提土壤氮組分的影響研究鮮見報道。

自工業革命以來，礦物燃料燃燒、含氮化肥使用等活動導致大氣氮沉降急劇增加（Bai et al.，2010）。據預計，全球輸入陸地生態系統的活性氮將由 1995年的 86 Tg增加到 2050年的 135 Tg（Fowler et al.，2013）。有研究表明，氮添加使土壤氮更多地以有機氮的形式增加，且降低土壤pH值（陳冠陶等，2018），使土壤酸化，降低土壤微生物呼吸速率，從而影響土壤呼吸（肖勝生等，2018）。Yan et al.（2008）發現氮輸入使木質素與NO3--N、NH4+-N結合形成穩定化合物儲存在土壤中，氮添加能顯著增加土壤水溶性氮，影響K2SO4浸提的土壤總氮和氨基酸的含量（郭景恒等，2011；Chen et al.，2013）。在森林生態系統，凋落物分解影響土壤氮動態（Zhou et al.，2015），以及土壤有機質分解、氮素轉化和微生物活性等過程（Jiang et al.，2013）。唐佐芯等（2018）發現葉凋落物輸入可增加土壤無機氮含量、土壤微生物生物量氮和土壤酶活性，能有效維持和提高林地土壤質量。Chen et al.（2015）研究表明，凋落物分解能提高土壤水溶性有機氮含量，影響土壤凈氮礦化；甚至，Turner et al.（2017）認為凋落物分解物質的輸入、土壤氮組分間的轉化以及氮的礦化，是參與氮循環的重要環節，氮沉降和土壤氮素轉換間存在緊密聯系。因此，分析氮沉降和凋落物對土壤氮組分的影響是準確評價和理解其對土壤氮動態影響的基礎。

本研究以福建省建甌市萬木林自然保護區針闊葉林為研究對象，在去除凋落物和保留凋落物條件下，通過不同氮添加處理來探討亞熱帶森林土壤氮組分對氮沉降的響應。測定土壤水溶性氮，交換性氮，酸解性氮組分中的無機氮、總可溶性氮、可溶性有機氮、土壤惰性氮組分，以及微生物生物量氮，闡明凋落物和氮添加對各氮組分含量的影響以及各組分之間的相關性，以期為生態系統中的氮素轉化與固持問題研究提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與樣地設計

研究區位于福建省建甌市萬木林自然保護區（27°03′N，118°09′E），平均海拔為 554 m，氣候類型屬于亞熱帶季風氣候，年均溫為 18.8 ℃，年均降水量為1673.3 mm，無霜期約為290 d；土壤類型為微酸性山地紅壤。為了研究中亞熱帶不同植被類型土壤浸提氮對氮沉降的響應，本研究選取了保護區內以羅浮栲林（Castanopsis fabri，CAF）為優勢種的天然林和以杉木林（Cunninghamia lanceolata，CUL）為優勢種的人工林為研究對象。用土鉆采集0～15 cm土層，測定土壤pH、全碳、全氮，試驗樣地主要特征見表1。

2009年9 月，在羅浮栲天然林和杉木人工林的中坡布置試驗樣地，采用二因素三重復區組設計，即2種凋落物處理方式，3個施氮水平，3個重復，共18個試驗小區，每個試驗小區面積為2 m×2 m，各處理間隔10 m以上，以防止相互干擾。其中，凋落物處理方式為去除凋落物層（去凋）和保留凋落物層（留凋）；施氮水平為對照（CK，0 kg·hm-2·a-1）、低氮（LN，30 kg·hm-2·a-1）和高氮（HN，100 kg·hm-2·a-1），以 NH4NO3為氮源，用蒸餾水將其配制成所需氮濃度梯度溶液，分別于每年的5月、9月、12月均勻噴灑于樣地土壤表面，CK處理噴灑等量蒸餾水。從2012年9月開始調整施肥量：對照（CK，0 kg·hm-2·a-1）、低氮（LN，75 kg·hm-2·a-1）和高氮（HN，150 kg·hm-2·a-1）。

1.2 采樣與樣品分析

2014年8 月，在每個試驗小區內，使用土鉆按照對角線（即4個角+對角線中點）采集0～15 cm土層，將相同樣地的土壤均勻混合，室內風干，去除砂石、根系等雜質后，過2 mm篩，待用。新鮮土壤用不同的浸提劑（水、0.5 mol·L-1K2SO4、2.5 mol·L-1H2SO4、13 mol·L-1H2SO4）按照水土比（V:m=5:1）逐步浸提獲取各氮組分。具體操作如下：

（1）水溶性氮：稱取相當于20 g干土的鮮土，注入100 mL蒸餾水浸提土壤，振蕩、過濾，其濾液用于無機氮（NH4+-N、NO3--N）、可溶性有機氮（SON）、可溶性總氮（TSN）測定，剩余的土壤用蒸餾水沖洗3次后風干，待浸提。

（2）交換性氮：稱取步驟（1）風干土壤8 g，注入40 mL 0.5 mol·L-1K2SO4浸提土壤，其他操作同步驟（1），剩余的土壤用蒸餾水沖洗3次后風干，待浸提。

（3）酸解性氮：稱取步驟（2）風干土壤1 g，加入 5 mL 2.5 mol·L-1H2SO4溶液，在 105 ℃下水解3 h，隨后用20 mL蒸餾水沖洗并轉移到50 mL離心管中，振蕩、離心、過濾，獲得的濾液待測；往剩余土壤中加入2 mL 13 mol·L-1H2SO4溶液，常溫下振蕩 12 h后用蒸餾水稀釋使其濃度為 1 mol·L-1，105 ℃下水解3 h，再用20 mL蒸餾水沖洗并轉移到50 mL離心管中，置于搖床中振蕩1 h（250 r·min-1），最后離心 10 min（4000 r·min-1），過0.45 μm濾膜，獲得的濾液待測。

難溶于酸的那部分惰性氮（RN）采用差減法計算，用元素分析儀測得的土壤全氮含量減去用各種浸提劑獲得的土壤可溶性氮總含量之和的差即為惰性氮含量。

土壤微生物生物量氮采用氯仿熏蒸浸提法測定（吳金水等，2006）。稱取兩份新鮮土樣（約相當于烘干土8.0 g）于平面皿中，放入真空干燥器內，再放入一只盛有無水乙醇氯仿的小燒杯，真空抽氣，氯仿沸騰約5 min后，黑暗處熏蒸24 h，然后反復抽真空以排除氯仿，并用0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提，振蕩30 min，過濾。對照土樣不進行熏蒸處理，直接用0.5 mol·L-1K2SO4浸提、振蕩和過濾。濾液用于微生物生物量氮測定。

表1 試驗樣地基本概況Table 1 Basic characteristics of experimental plots

1.3 測定方法

使用連續流動分析儀（SKALAR SAN++，荷蘭）測定土壤浸提液中的NH4+-N、NO3--N和TSN含量，SON含量為TSN與無機氮（NH4+-N、NO3--N）之差；土壤全碳全氮用碳氮元素分析儀（Elemantar Vario MAX CN，德國）測定。

土壤惰性氮含量計算：

式中，ωRN為惰性氮質量分數，mg·kg-1；ωTN為土壤全氮質量分數，mg·kg-1。ωITN為蒸餾水浸提的氮質量分數，mg·kg-1；ωIITN為硫酸鉀浸提的氮質量分數，mg·kg-1；ωPITN為弱酸浸提的氮質量分數，mg·kg-1；ωPIITN為強酸浸提的氮質量分數，mg·kg-1。

惰性氮指數可反映土壤中難被利用的氮含量變化情況，在土壤氮素循環中起重要作用，計算式為（Rovira et al.，2002）：

式中，IRN為惰性氮指數，%；ωRN為惰性氮質量分數，mg·kg-1；ωTN為土壤全氮質量分數，mg·kg-1。

土壤微生物生物量氮含量計算：

ωMBN=ωEN/KEN

式中，ωMBN為土壤微生物生物量氮質量分數，mg·kg-1；ωEN為熏蒸土樣與未熏蒸土樣全氮之差，mg·kg-1；KEN為轉化系數，取 0.54（Rainer，1996）。

1.4 數據處理

測定結果均以土壤干重計算，運用Excel 2003對數據進行統計處理并計算平均值和標準偏差。采用 SPSS 18.0中的單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）分析不同氮添加處理間的差異顯著性；采用三因素方差分析氮添加、林分、凋落物及其交互作用；采用線性回歸模型分析 SON與 MBN的相關性；采用 Pearson簡單相關系數雙側檢驗各氮組分之間的相關性。運用Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 凋落物和氮添加對不同浸提劑浸提森林土壤NH4+-N含量的影響

各處理中水、硫酸鉀、弱酸和強酸浸提的NH4+-N平均含量分別占總NH4+-N含量的1.0%、5.5%、57.8%和35.7%（圖1a），林分顯著影響水和強酸浸提土壤NH4+-N含量（表2），水和強酸浸提的 CAF土壤中 NH4+-N平均含量分別比 CUL高163.1%和 41.6%。凋落物顯著影響水和弱酸浸提NH4+-N，留凋處理比去凋處理分別高 47.4%和15.0%。氮添加僅對硫酸鉀浸提土壤NH4+-N有顯著影響，CUL-B中LN分別比CK、HN增加57.1%和35.0%。氮添加、林分和凋落物交互作用對 4種浸提劑浸提土壤NH4+-N影響不顯著。

表2 不同氮添加、林分、凋落物對土壤浸提氮組分的三因素方差分析Table 2 Results of three-factor ANOVA comparing nitrogen addition, forest types, litter and their interaction on NH4+-N, NO3--N, TSN and SON in different extracts

圖1 氮添加對不同浸提劑浸提土壤氮組分含量的影響Fig. 1 Effect of nitrogen addition on the soil NH4+-N (a), NO3--N (b), SON (c) and TSN (d) in soil extracts for two forests

2.2 凋落物和氮添加對不同浸提劑浸提森林土壤NO3--N含量的影響

各處理中水、硫酸鉀、弱酸和強酸浸提的NO3--N平均含量分別占總NO3--N含量的18.8%、0.8%、40.0%和40.3%。CUL土壤中水、硫酸鉀、弱酸和強酸浸提的NO3--N平均含量分別比CAF顯著高60.8%（P=0.004）、73.0%（P=0.003）、-14.4%（P=0.046）和-16.3%（P=0.013）（圖 1(b)，表 2）。凋落物顯著影響水和弱酸浸提以及強酸浸提的NO3--N。與留凋處理相比，去凋處理水浸提NO3--N平均含量顯著降低了51.8%，而弱酸和強酸分別顯著提高了 25.5%和19.3%。氮添加對水和硫酸鉀浸提的NO3--N有顯著影響，CAF-B土壤中浸提的總NO3--N含量表現為 LN顯著低于 CK，水浸提的NO3--N表現為HN顯著高于CK（118.4%）和LN（72.2%），而弱酸浸提的CK顯著高于LN（55.0%）。CUL-A中水和硫酸鉀浸提NO3--N平均含量表現為HN比CK分別顯著增加588.8%和158.7%。氮添加、林分和凋落物三者交互作用僅對弱酸浸提土壤NO3--N有顯著影響。

2.3 凋落物和氮添加對不同森林土壤浸提SON含量的影響

各處理中水、硫酸鉀、弱酸和強酸浸提的SON平均含量分別占總SON含量的0.6%、3.2%、60.0%和 36.2%（圖 1c）。林分顯著影響水、硫酸鉀和弱酸浸提的SON含量（表2），CAF中SON平均含量分別比CUL顯著高34.0%、117.9%和21.1%。與去凋處理相比，留凋處理中弱酸和強酸浸提 SON平均含量分別顯著增加13.6%和25.1%。氮添加對不同方法浸提的 SON的影響不顯著。氮添加和林分交互作用對硫酸鉀浸提的 SON有顯著影響。氮添加、林分和凋落物三者交互作用僅對水浸提的土壤SON有顯著影響。

2.4 凋落物和氮添加對不同森林土壤浸提TSN含量的影響

各處理中水、硫酸鉀、弱酸和強酸浸提的SON平均含量分別占總SON含量的1.2%、3.8%、58.7%和36.3%（圖1d）。林分顯著影響硫酸鉀、水和弱酸浸提的土壤 TSN（表 2），與 CUL土壤相比，CAF中硫酸鉀、水和弱酸浸提的TSN平均含量分別顯著增加 48.5%、13.3%和 13.1%。留凋處理中水、弱酸和強酸浸提的TSN平均含量比去凋處理分別顯著增加 26.4%、13.3%和 19.9%。氮添加僅對水浸提的土壤TSN有顯著影響，CUL-A中水浸提的TSN含量表現為HN顯著高于LN（77.0%）和CK（50.5%），CUL-A中總TSN表現為HN顯著高于CK（24.8%）。三者的交互作用對浸提的土壤TSN影響不顯著。

圖2 氮沉降和凋落物對不同土壤惰性氮指數IRN和MBN含量的影響Fig. 2 Effect of nitrogen addition and litter on inert nitrogen index (IRN, a) and the content of MBN(b) in soils

2.5 凋落物和氮添加對不同森林土壤 IRN和 MBN含量的影響

如圖 2(a)所示，林分對 IRN影響不顯著。去凋處理中 IRN比留凋處理高 34.9%，氮添加顯著降低了 2種林分土壤中 IRN（P=0.000），降幅為64.7%～82.2%；去凋處理比留凋處理降幅更大，CAF-A和CUL-A土壤IRN均表現為HN顯著低于CK（73.5%和72.5%）。如圖2(b)所示，林分顯著影響MBN含量（P=0.000），CAF的MBN平均含量顯著高于 CUL（119.3%），且 CAF-B高于 CAF-A（38.5%，P=0.002）。氮添加對MBN含量的影響不顯著。

2.6 土壤浸提氮的相關性分析

由圖3可知，土壤微生物生物量氮與用水、硫酸鉀和弱酸浸提的SON含量具有顯著的正相關性。由R2可知，用弱酸浸提的SON對微生物的有效程度最高，其次為硫酸鉀和水，用強酸浸提的 SON對微生物的有效程度最低。

土壤各組分氮之間顯著的正相關性主要體現在不同的氮形態上；且水浸提組分與其他組分的相關性低于硫酸鉀浸提的（表 3）。水溶性和交換性NO3--N與SON呈負相關，而各組分NH4+-N與SON呈正相關（表4）。

3 討論

3.1 凋落物對不同土壤浸提劑浸提森林土壤氮組分的影響

圖3 土壤微生物生物量氮與土壤各浸提有機氮的相關性Fig. 3 Correlation analysis between soil microbial biomass nitrogen and soil extractable organic nitrogen

表3 不同浸提劑浸提氮組分、氮素之間的相關分析Table 3 Correlation analysis between different nitrogen components and nitrogen by different extracts solution

凋落物分解是土壤有效氮的重要來源。在2個林分中，留凋處理中浸提的土壤總 SON含量高于去凋處理，而凋落物中較難分解的木質素、多酚等會影響 SON的釋放，說明去凋處理相當于去除了一部分外源 SON（楊秀虹等，2013）。去除凋落物減少養分輸入土壤，降低土壤持水能力，加快養分流失，最終導致土壤碳氮含量降低（鄭衛國等，2011），這與本研究中留凋處理TSN含量顯著高于去凋處理的結果一致，而且也不利于惰性組分的累積。闊葉林凋落物現存量（表1）、留凋處理的可溶性有機氮（圖 1c）、MBN含量（圖 2b）和留凋處理SON占TSN的比例平均值均高于針葉林，因此，林分顯著影響土壤NH4+-N和NO3--N含量（表2）。本研究區羅浮栲天然林土壤活性有機質中可溶性糖比杉木人工林高（高艷等，2014），說明闊葉林土壤由活性有機氮礦化而來的無機氮含量比針葉林高。針葉樹種凋落物中含有較多難分解的、疏水性芳香族化合物，而闊葉樹種凋落物中含有較多易變的、親水性低分子量化合物。因此，闊葉林植物利用無機氮的有效性高，這些物質的性質差異在釋放和分解過程中也會造成土壤碳氮組分的不同（Kalbitz et al.，2003）。由于亞熱帶不同植被類型對土壤活性有機質（微生物量碳氮、水溶性有機碳氮、輕組有機質）有顯著影響（Wang et al.，2011），闊葉天然林中SON占TSN的比例顯著高于針葉林（閆聰微等，2012）。

Xing et al.（2010）發現土壤MBN與土壤SON呈顯著正相關，這與本研究結果一致（圖3），說明微生物群落在森林土壤有機氮動態轉化中扮演重要角色。Rovira et al.（2002）發現 13 mol·L-1H2SO4獲得的有機質大多數為凋落物腐殖質中較難分解的物質，其中含有氧化縮合的氨基酸、多肽、酚類物質和木質素類等不易被微生物分解的物質，故強酸性SON與MBN的相關性較弱。而用水、硫酸鉀和弱酸浸提的SON與MBN具有極顯著的正相關性（圖3），且Oades et al.（1979）用H2SO4分兩步水解土壤發現獲得的有機質都主要來源于微生物，說明這部分 SON顯著影響土壤微生物氮的固定和礦化，能夠為微生物提供大量的能量來源。

3.2 氮添加對不同土壤浸提劑浸提森林土壤氮組分的影響

氮添加對各水溶性氮形態的影響不同。辛奇等（2017）發現，由于研究區域土壤氮貧瘠和植物生物量提高會增加植物對溶解性氮素的需求從而減弱水溶性氮對氮添加的響應。本研究中，留凋羅浮栲林土壤浸提 NO3--N含量隨施氮量的增加而減少，氮添加提高土壤微生物活性從而加速了硝化進程（華茜，2016），促進NO3--N的利用（Kalbitz et al.，2003）和流失（Gundersen et al.，1998），使土壤氮含量減小。而留凋杉木林土壤浸提的總NO3--N和NH4+-N都隨施氮的增加而增加，可能是有效氮的增加會抑制杉木人工林中木質素分解酶的產生，且NO3--N和NH4+-N都可能與木質素或酚類化合物結合，形成難分解的腐殖化合物，降低氮分解速率，從而提高土壤氮積累（Berg et al.，1997；呂超群等，2007）。杉木林土壤中水溶性NO3--N含量隨氮添加量增加而顯著增加，而NH4+-N沒有明顯變化，可能原因是氮添加通過SON的增加來促進異養硝化，使土壤NO3--N積累。植物生物量隨施氮量的增加而提高，多吸收的這部分NH4+-N與氮添加的部分NH4+-N抵消了，這與Gundersen et al.（1998）研究結果類似。

表4 不同氮組分中各氮素之間的相關分析Table 4 Correlation analysis between nitrogen in different nitrogen components

氮添加使得去凋杉木人工林水溶性 SON顯著降低，說明外源氮添加可促進土壤微生物分解凋落物（辛奇等，2017），以釋放更多的SON，或SON礦化增加水浸提的無機氮含量（圖 1）。裴廣廷等（2015）研究也發現，亞熱帶森林土壤中添加的低分子化合物（氨基酸）能迅速轉化為無機氮，且氨基酸的半衰期較短（Ma et al.，2016）。VonLützow et al.（2007）發現酸溶液能有效酸解土壤中的碳水化合物和蛋白質，剩下的相當大一部分難酸解的惰性有機質主要以未分解的木質素結構存在于土壤中。本研究發現，2個林分惰性氮指數在土壤中的含量隨施氮的增加而下降（圖2），酸解獲得的SON隨著施氮的增加而增加（圖1），可能原因是氮添加促進土壤木質素的降解，更容易產生溶解性的碳水化合物和含氮化合物。與本研究不同，Craine et al.（2007）認為，在氮有效性較低的情況下，凋落物分解加快，以從惰性有機質中獲取更多的氮。因此，氮添加降低土壤惰性氮指數是否是短期效應還需要深入研究。

3.3 組分之間的關系

研究發現，用不同浸提劑浸提的土壤氮含量和特征不一樣，植物吸收和微生物分解利用的氮組分本身存在差異，因此，氮組分的變化被用來預測土壤SON礦化和氮流失（Zhong et al.，2003）。Chen et al.（2008）發現用水和鹽溶液浸提獲得的森林土壤SON含量變化范圍是1～448 mg·kg-1，本研究中水和硫酸鉀浸提的 SON也在此范圍，而用硫酸浸提的SON是382～1132 mg·kg-1，顯著高于這個水平，說明酸解土壤氮組分可能是最大的SON庫，為其他形態氮的轉化提供氮源。本研究發現，用硫酸鉀浸提的NH4+-N和SON遠高于用水浸提的，說明土壤中有效的 NH4+-N（Murphy et al.，2000）和 SON（Chen et al.，2013）主要以交換態存在，影響土壤氮的有效性。由于水浸提的NO3--N與硫酸鉀浸提的呈正相關（r=0.695）（表3），說明水溶性NO3--N主要受交換性的影響。而水浸提的 NH4+-N與硫酸鉀浸提的SON呈正相關（r=0.623）（表4），可能是交換性SON礦化形成的 NH4+-N因附著位置飽和而不能被就地保護從而進入水中，導致水浸提的NH4+-N增多；然而這并不一定會增加水溶性 NO3--N，因為其與硫酸鉀浸提的 SON 呈負相關（r=0.462）（表 4）?？梢?，SON變化對NH4+-N的動態的影響最直接，正如Eshetu et al.（2013）發現的被土壤粘土和粘粒聚合物保護的部分 SON可能為補充某部分氮而釋放到土壤中，Kalbitz et al.（2000）也發現土壤水溶性氮的形成依賴于交換性氮的分解速率。因此，僅用某一氮組分研究土壤碳氮轉化及其對氮沉降的響應，會忽略組分特征的一些細微變化。不同組分中的氮以及不同形態氮之間存在的相互關系，還有待進一步研究。正如氮添加對每一氮匯的影響可以解釋整個土壤氮素轉化對氮沉降響應的差異（Chen et al.，2018），采用更加全面、系統的分級開展氮組分研究可能對評估土壤氮的有效性、穩定與貯存更為有效。

4 結論

（1）4種浸提劑浸提的土壤氮組分含量差異顯著，活性庫小，惰性庫大。用硫酸鉀、水浸提的SON與土壤微生物生物量呈顯著相關性，說明土壤水溶性和交換性 SON是參與土壤中氮礦化和硝化作用的重要組分。

（2）水溶性氮對凋落物的響應最明顯，留凋處理有利于惰性氮的分解，且林分顯著影響土壤有機氮庫的大小。

（3）在去凋杉木人工林中，氮添加促進了土壤水溶性和交換性NO3—N的含量；土壤SON含量受施氮影響不明顯，而施氮顯著降低了土壤惰性氮，說明氮添加對羅浮栲天然林和杉木人工林土壤活性和惰性氮組分的影響有所差異，闊葉天然林土壤氮組分對氮添加的響應更明顯。