外源氮輸入下土壤有機碳與土壤微生物生物量碳分形特征

朱榮瑋， 葛之葳， 阮宏華， 徐 瑾， 彭思利

（1.南京林業大學 南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京210037；2.南京林業大學 生物與環境學院，江蘇 南京 210037）

中國已成為全球氮沉降最嚴重的區域之一。長期的氮沉降可能導致森林生態系統功能受到嚴重的影響。森林土壤碳儲量約占全球土壤碳儲量的70%，其細微的變化就可能會造成大氣中二氧化碳濃度發生巨大的改變［1-2］。土壤微生物在能量傳遞與轉換、養分循環以及植被生長發育過程中扮演著重要的角色［3-5］。土壤微生物易受環境因子的影響，對土壤pH值、土壤溫度和土地利用類型等因素十分敏感［6］。外源氮輸入對土壤微生物的影響由于施氮種類、生態系統環境差異以及不同種類微生物對外源氮的施加耐受程度差異等因素而不盡相同［7-8］。土壤微生物的活性與土壤總有機碳（total organic carbon，TOC）的關系非常密切和復雜。在同種類型的土壤上，土壤微生物生物量碳（soil microbial biomass carbon，SMBC）質量分數的動態變化和土壤TOC分解進行的程度趨勢十分相似［9］；大部分類型森林植被下兩者質量分數呈極顯著相關［10］。一些學者［11］認為土地利用類型、取樣地點、人為活動影響以及土壤基本理化性質等因素存在差異，使兩者之間的內在聯系很復雜。我們認為不同量外源氮輸入下土壤TOC和SMBC并不是簡單的線性或模型相關，而是一種復雜的自相似的相關關系。因此，在研究兩者之間的規律時引入分形理論［12］，它的數學基礎是分形幾何學。BURROUGH［13］首次將分形理論運用于土壤科學的研究中，結果顯示與單純的依靠數學公式和函數分析土壤屬性的時空變化特征相比，運用分形維數更加貼切和準確。近年來，國內外很多學者也將分形理論運用于一系列土壤屬性時空變化規律的研究中［14-15］。本研究基于江蘇省鹽城東臺林場氮輸入實驗樣地，運用分形理論描述了不同量外源氮輸入對SMBC質量分數和土壤TOC質量分數隨時間變化的動態特征以及這2個指標的復雜相關關系，對預測土壤TOC的早期變化，準確反映不同經營方式下土壤碳庫的生產潛力有重大意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區設在江蘇省鹽城市境內的東臺林場，其地理位置為32°48′40″N，120°49′31″E。 東臺林場地處江蘇省中東部黃海之濱，創建于1965年，屬于暖溫帶和亞熱帶的過渡區，四季分明，常年平均氣溫為14.6℃，年均無霜期為225.0 d，年均降水量為1 051.0 mm，年均日照時數為2 169.6 h。土壤類型為脫鹽草甸土，質地為砂質壤土，pH值偏堿性。試驗樣地于2012年2月開始設立，通過人工外源氮輸入模擬未來氮沉降趨勢。根據經營管理措施和立地條件基本相同的原則，在林場內選擇11年生中林齡楊樹Populus deltoides‘I-35’人工林分。①樣地面積：大小為20 m×90 m，3個重復。②樣地內樣方設置：各個重復樣地包括5塊10 m×20 m樣方 （隨機區組實驗方法排列），樣方之間緩沖帶寬為10 m，總面積為 20 m×90 m。③實驗處理：樣方施氮量梯度處理為N0（施氮0 g·m-2·a-1，對照），N1（施氮5 g·m-2·a-1）， N2（施氮 10 g·m-2·a-1）， N3（施氮 15 g·m-2·a-1）， N4（施氮 30 g·m-2·a-1）， 在每年的生長季節 5-10月進行施氮處理， 1 次·月-1， 共施 6 次·a-1［16-17］。

1.2 樣品采集與分析方法

選用2015年期間的數據。在實驗樣地內，于4，6，8，10，12月在各個施氮樣方內隨機選取5個采樣點，用土鉆取0～10 cm層土壤。土壤樣品帶回實驗室后，將同一個施氮樣方內的5袋土壤樣品充分混合成1袋，共計75袋。將新鮮土樣分為2份，一份去雜后，過2 mm的鋼篩后進行SMBC的測定；另一份自然風干、去雜、過2 mm篩后進行土壤總有機碳（TOC）以及pH值等其他指標的測定。土壤TOC采用島津TOC-VCPH分析儀測定［18］；土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法測定［19］；土壤 pH 值采用m（土）∶m（水）=1.0∶2.5 電位法測定［20］； 土壤硝態氮（NO3--N）采用雙波長紫外分光光度法測定［21］。

利用Origin 8.5，SPSS 19.0和Excel 2016等進行數據分析和圖表處理。采用重復測量方差分析和單因素方差分析不同施氮水平土壤TOC和SMBC的差異顯著性，并對不同月份、不同量氮輸入下的土壤TOC質量分數、SMBC質量分數做多重比較（顯著性水平為0.05）。

1.3 土壤分形維度的計算

HAUSDORFF在1919年提出了連續空間的概念，也就是空間維數是可以連續變化的，它可以是整數也可以是分數，稱為豪斯道夫維數。設一個整體S劃分為N個大小和形態完全相同的小圖形，每一個小圖形的線度是原圖形的r倍，則豪斯道夫維數D=lim［logN（r）/log（1/r）］。計算的基本原理為分形集都遵循一定的標度律，即測度隨測量尺度按照一種冪指數規律而變化，即在雙對數坐標中作圖，并運用最小二乘法擬合一條直線，其斜率k與分形維數D之間有如下關系：D=f（k）。采用不同的測度，對應的函數D=f（k）也不相同，如利用變異函數法（semivariogram，SV）和根據功率譜密度法計算分維（power spectrum density，PSD）［22］等。本研究采用PSD法分析土壤TOC和SMBC隨月份變化的分形關系以及土壤TOC與SMBC的分形關系。分形PSD曲線具有下列表達冪函數關系：

式（1）中：f是頻率，在本研究中代表月份；S（f）是PSD，在本研究中代表土壤TOC，SMBC；w是PSD曲線的線性回歸所得回歸直線的斜率。斜率w與分形維數D的關系為：

式（2）中：D定量表征了土壤TOC和SMBC隨月份變化的復雜程度以及土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的復雜程度［23］。

2 結果與分析

2.1 氮輸入下土壤TOC的時間動態

氮輸入對土壤TOC質量分數影響顯著（P＜0.05），氮輸入在不同月份對土壤TOC質量分數的影響不同（圖1）。經多因素方差分析，在4，6，8，10，12月氮添加對土壤TOC質量分數影響極顯著（P＜0.01）。氮輸入處理下土壤TOC質量分數在生長季6-8月顯著降低，在非生長季10-12月、12-4月顯著增加。進一步對不同量氮輸入水平下土壤TOC質量分數做多重比較，發現不同量氮輸入水平下土壤TOC質量分數變化差異極顯著（P＜0.01）。

圖1 氮輸入下楊樹人工林土壤TOC的時間動態Figure 1 Dynamics of total organic carbon in poplar plantations under nitrogen treatment

研究區不同施氮水平下土壤TOC質量分數隨時間變化的分形維數（D）進行分析（表1）。由表1看出：N0施氮水平下土壤TOC質量分數與時間變化呈線性正相關，但未達到顯著水平；N1，N3和N4施氮水平下土壤TOC質量分數與時間變化呈線性顯著正相關；N2施氮水平下土壤TOC質量分數與時間變化呈線性極顯著正相關， 這與彭賽［24］和肖晗冉［25］的研究一致。 研究區不同施氮水平下土壤TOC質量分數隨時間變化的D變化范圍是1.805～1.949，土壤TOC質量分數隨時間變化的分維均很接近，且接近于2，同布朗粒子運動軌跡的維數2很接近，表明不同施氮水平下土壤TOC質量分數隨時間變化具有較大的隨機性和復雜性［26］。不同施氮水平下的D從大到小依次為N3，N2，N4，N1，N0，在N3和N2施氮水平下，D數值較大，在這2個施氮水平下土壤TOC質量分數隨時間變化的復雜程度更高，說明中等施氮量處理對土壤TOC質量分數隨時間變化的影響更顯著；N1施氮水平下的D值小于N2，N3和N4施氮水平下的D值，說明N1施氮水平下土壤TOC質量分數隨時間變化的復雜程度相對較小，此施氮水平處理對土壤TOC質量分數隨時間變化的影響較微弱；N4施氮水平下D值于N2和N3施氮水平下的D值，說明N4施氮水平下土壤TOC質量分數隨時間變化的復雜程度相對較小，此施氮處理對土壤TOC質量分數隨時間變化的影響較微弱。

表1 氮輸入下土壤TOC時間動態的分形特征Table 1 Dynamics fractal characteristics of total organic carbon under nitrogen treatment

2.2 氮輸入下SMBC的時間動態

氮輸入對SMBC質量分數影響極顯著（P＜0.01），氮輸入在不同月份對SMBC質量分數的影響不同（圖2）。經多因素方差分析，6和10月氮輸入對SMBC無顯著影響（P＞0.05）。4，8和12月氮添加對SMBC質量分數影響極顯著（P＜0.01）。氮添加處理下SMBC質量分數在生長季6-8月顯著增加，在8-10月生長季末其質量分數又顯著降低，在12月達到峰值。進一步對不同氮添加水平下SMBC質量分數做多重比較，發4個處理下SMBC質量分數變化差異極顯著（P＜0.01）。

對研究區不同氮水平下SMBC質量分數隨時間變化的D進行分析（表 2）。由表 2看出：N0，N1，N3，N4施氮水平下SMBC質量分數與時間變化均呈線性正相關，且達到顯著水平，不同施氮水平之間的顯著性水平差異不大。研究區不同施氮水平下SMBC質量分數隨時間變化的D變化范圍是1.728～1.963，且數值接近于2，說明SMBC質量分數隨時間變化具有較大隨機性和復雜性［27］。不同施氮水平下的D從大到小依次為 N2， N3， N1， N4， N0， N2和 N3施氮水平下的D的值較大，在這2個施氮水平下SMBC質量分數隨時間變化的復雜程度更高，說明中等施氮水平處理對SMBC質量分數隨時間變化的影響更顯著；N4施氮水平下SMBC質量分數隨時間變化的D值小于N2和N3施氮水平下的D值，說明此施氮處理對SMBC質量分數隨時間變化的影響較微弱；在N1施氮水平下SMBC質量分數隨時間變化的D值小于N2，N3和N4施氮水平下的D值，說明此施氮水平下SMBC質量分數隨時間變化的復雜程度較小，對SMBC質量分數隨時間變化的影響較微弱。

圖2 氮輸入下楊樹人工林SMBC的時間動態Figure 2 Dynamics of soil microbial biomass carbon in poplar plantations under nitrogen treatment

表2 氮輸入下SMBC時間動態的分形特征Table 2 Dynamics fractal characteristics of soil microbial biomass carbon under nitrogen treatment

2.3 氮輸入下SMBC隨土壤TOC變化的分形特征

從表3可見：在時間的動態變化作用下，研究區不同施氮水平下土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的D變化范圍是2.207～2.342，D值普遍較大，表明不同施氮水平下土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化具有較大的隨機性和復雜性［28］。不同施氮水平下的D從大到小依次為N3，N2，N4，N1，N0。在N3和N2施氮水平下，D值較大，在這2個施氮水平下土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的復雜程度更高，說明中等施氮水平處理對土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的影響更顯著；N1施氮水平下的D值小于N2，N3和N4施氮水平下的D值，說明N1施氮水平下土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的復雜程度相對較小，此施氮處理對土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的影響較微弱；N4施氮水平下D值小于N2和N3施氮水平下的D值，說明N4施氮水平下土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的復雜程度相對較小，此施氮處理對土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的影響較弱。

由表4可知：在不同施氮水平處理下，不同月份下土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的D值從大到小依次為6，10，4，8，12月。研究區不同月份下土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的D值變化范圍是1.650～6.149，D值差異較大，說明土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的隨機性和復雜性和月份有很大的相關性［23］。

表3 氮輸入下SMBC隨土壤TOC變化的分形特征Table 3 Dynamicsfractalcharacteristicsofsoilmicrobial biomasscarbon with totalorganiccarbon under nitrogen treatment

表4 不同月份SMBC隨土壤TOC變化的分形特征Table 4 Dynamicsfractalcharacteristicsofsoilmicrobial biomasscarbon with totalorganic carbon under different months

3 討論

土壤的形態和演化過程都非常復雜，想要精確恰當地描述和闡釋土壤屬性的時空特征，運用一般的變異函數達不到對土壤時空特征定量化描述的水平［29］。分形理論運用不同于傳統技術的空間分析理論，其核心分析理念自相似理論的運用更為研究土壤各種屬性的時空變異提供了一種新穎的方法［30］。將要分析和量化的土壤理化指標利用分形維數來分析其時空特征具有簡單可行的特點。

本研究結果顯示：N1氮輸入水平下土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的D值小于N2，N3和N4氮輸入水平下的D值，此氮輸入水平對土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的影響并不顯著，而N2和N3氮輸入水平對土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的影響極顯著。N2，N3中等施氮水平處理下，極顯著影響了土壤SMBC及其代謝強度，這可能是因為中等施氮水平處理促進了林地植被、地表草本植物和灌木的生長，林木凋落物和根系產物輸入上升，增加了有機質的輸入，為土壤微生物提供了更多的能源使微生物群落的生物量增加并且提高了其代謝強度。這與許多研究結果相一致。門中華［31］在研究不同的硝態氮供應水平下冬小麥Triticum aestivum植株對氮素的利用水平時發現：中等氮輸入下小麥植株具有最高的根系活力及氮素同化能力，這主要是由于中等水平的氮輸入能夠提高土壤微生物代謝強度。馬慧君等［32］在模擬氮沉降對楊樹人工林土壤微生物優勢種群結構影響的研究中，也得出了中等水平的氮輸入能夠提高土壤微生物代謝強度的結果，說明氮施加的水平在土壤肥力的增加和植物生長具有重要意義。N4施氮水平下土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的D值小于N2和N3氮輸入水平下的D值，并且N4氮輸入處理下的土壤TOC質量分數隨時間變化的D值和SMBC質量分數隨時間變化的D值均小于中等水平N2和N3，這說明過量氮輸入可能會降低林場植物的生長量、土壤微生物生物量及其活性。王曉榮等［33］在中亞熱帶櫟屬Quercus不同樹種幼苗的生長和生物量分配對短期氮沉降的響應的研究中，發現高水平氮輸入對生物量積累產生了一定的抑制作用，導致這種現象出現的原因是高氮處理植株由培養介質中吸收的氮量、植株吸氮量、根系活力、營養液pH值變化均介于中氮與低氮處理之間。門中華［31］在不同的硝態氮供應水平下冬小麥植株對氮素的利用水平的研究中也得出了這一結論。

本研究中，不同月份土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化的D從大到小依次為6，10，4，8，12月，在6月D值最大，此時土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化最具隨機性和復雜性。周義貴等［34］在川西亞高山地區米亞羅林區研究發現云杉Picea asperata低效林土壤TOC和SMBC質量分數變化均在夏季達到顯著水平，導致這種現象的原因是研究區6月氣溫較高，水分充足，林場植被根系生長旺盛，各種生命活動增加，林木凋落物及根系產物輸入上升，使得6月土壤TOC最高，此時土壤微生物新陳代謝和各種生命活動比較旺盛，對土壤TOC的作用強烈。10月植被處于生長期的末期，植被生長利用了大量的養分，使得林場土壤TOC質量分數出現了降低的趨勢。KALBITZ等［35］在研究生物降解誘導土壤溶性有機物性質變化的實驗中發現：秋季的土壤TOC質量分數出現了降低的趨勢，這主要是由于此時研究區濕熱多雨的氣候特點，土壤微生物的作用依舊比較強烈，一直在減少的土壤TOC質量分數在土壤微生物的強烈作用下，兩者質量分數的變化呈現出復雜和隨機的特性。4月土壤微生物各項生命活動開始加強，但損耗較高，此時土壤TOC輸入量也比較小，所以D值較小；8月雖然此時土壤微生物種群數量比較大，但大量土壤TOC輸入下，土壤微生物的對土壤TOC作用強度比6，10和4月微弱；12月D最小，土壤TOC質量分數隨SMBC質量分數變化受到外界影響較小，隨機性和復雜性降低。周莉［36］在巖溶環境下土壤活性有機碳和土壤呼吸動態變化的研究中發現：在冬季時土壤TOC和SMBC質量分數受外界影響較少并出現最低值，這主要是由于冬季氣溫全年最低，微生物活性降低，故SMBC和TOC質量分數均處于全年較低水平。

本研究應用分形理論研究了蘇北沿海地區楊樹人工林不同水平氮輸入下土壤TOC和SMBC之間質量分數變化的關系以及土壤TOC質量分數、SMBC質量分數隨時間變化的情況。運用分形理論分析闡釋不同施氮水平下土壤不同形式碳之間的相互關系以及隨月份變化特征簡單有效，對林業生產上制定合理的施氮策略具有很大的潛力和應用前景。從現有研究成果來看，分形理論的確提出了量化土壤屬性空間分布特征的新思路，可以成為土壤時空變化研究的重要理論基礎［37］。