氮沉降對米槁凋落葉分解過程中土壤養分的影響

劉濟明，唐子燕，李佳，陳夢 ，劉歡

(1.貴州大學林學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學森林生態研究中心，貴州 貴陽 550025)

氮沉降作為全球三大變化驅動因素之一，已經引起陸地生態系統初級生產力和生物地球化學碳、磷循環的許多變化[1].化石燃料、化肥的大量使用及集約化的畜牧業等一系列人類活動，明顯增加了外源氮向陸地生態系統的輸入[2]，使得陸地和水生生態系統具有較高的氮沉降，進而引起生物多樣性的變化、生態系統初級生產力及土壤養分平衡等一系列生態問題[3-4].

凋落物，通常包括植物的落葉、落枝、落果、落皮和碎屑物等[5].凋落物分解是土壤有機質初期形成的主要來源，具有構建土壤質地、維持土壤肥力、調控微生物代謝的作用，是陸地生態系統物質循環的重要組成部分[6].在全球氮沉降不斷加劇的背景下，氮沉降增加可能通過對凋落物分解的影響而深刻地影響著生態系統的物質循環和能量轉換過程，進而影響生態系統的穩定.雖然目前氮沉降的研究已涉及到許多方面，如草原[7]、城市綠地[8]及不同類型的森林[9-11]等，但氮沉降對凋落物分解時土壤養分影響的研究還少之又少，且仍存有爭議.通過研究凋落物分解過程中土壤養分對氮沉降的響應，探討氮沉降條件下凋落物分解時土壤養分含量的變化規律，有利于深入了解氮沉降-凋落物分解-土壤相互作用的養分循環機制，揭示不斷加劇的氮沉降環境對生態系統物質循環過程中土壤養分的影響.

米槁(Cinnamomummigao)為樟科樟屬常綠喬木，是貴州省的地道中藥材，不僅可作為藥用植物，也可作為工業原料、香料等，是一種用途廣、開發利用價值高的植物，有很好的開發及應用前景.本研究以米槁凋落葉為研究對象，進行野外氮沉降模擬試驗，為后續的種群發展以及人工種植和管理提供科學依據.

1 材料和方法

1.1 野外試驗地概況

試驗樣地選取在貴州省羅甸縣祥林村(E 106°23′～107°03′、N 25°04′～25°45′)，海拔242～1 400 m，熱量充足，日照時間和無霜期長，年均溫為20.35 ℃，年積溫5 750～6 500 ℃，無霜期335～349 d，年總日照時數1 298～1 600 h，年降水量1 200 mm，屬于春早、夏長、秋遲、冬短的亞熱帶濕潤型氣候，為米槁生長的典型生境,優良的自然環境使其成為發展米槁種植的重要基地.當地為典型的山地類型，土壤類型有紅壤、赤紅壤、黃紅壤，主要植物物種有楓香(Liquidambarformosana)、紅椿(Toonaciliata)、木姜子(Litseapungens)、柄翅果(Burretiodendronesquirolii)、野生荔枝(Litchichinensisvar.euspontanea)、榕樹(Ficusmicrocarpa)、木棉(Bombaxmalabaricum)等[12].

1.2 試驗方法

試驗以貴州省干濕氮沉降總和低于全國平均氮沉降水平15 g/(m2·a)為依據[13]，設置4塊3 m×5 m的樣地并編號，設置低氮(N1，5 g/(m2·a)、中氮(N2，15 g/(m2·a)、高氮(N3，30 g/(m2·a)和對照(CK，0 g/(m2·a)4個氮沉降處理，每個處理3個重復.根據每個樣方所需噴灑的不同氮濃度溶液，將不同量的NH4NO3溶解在自來水中，采用噴霧形式均勻噴灑至樣地，對照樣方噴灑等量的水.自2018年1月起每隔3個月進行一次噴施，即在1、5、9月等量施氮.

于2018年1月稱取10.00 g風干好的凋落葉裝入網袋中，隨機放置在相應的已清除枯枝落葉層的樣地中，各尼龍網袋間保持一定的水平距離.分別采集0～5、5～10、10～20 cm的土樣測定初始土壤養分含量.隨后每隔1個月在分解袋所在的土壤中心點采集土樣，將土樣置于通風陰涼處晾干后磨碎，并篩出通過1.00 mm和0.25 mm孔徑篩的土樣，分組標記測定土壤養分含量，土壤養分初始背景值見表1.

表1 不同土層土壤的初始養分含量Table 1 Nutrient contents in different soil layers

1.3 指標測定

參照《土壤農化分析》[14]，分別制備5 mL消煮液，采用堿解-擴散吸收法測定全氮含量，采用堿熔-鉬銻抗比色法測定全磷含量，采用消煮液-火焰光度法測定全鉀含量；分別取2.00 g和5.00 g過2 mm孔徑篩的風干土壤測定水解氮和有效鉀含量，水解氮含量采用堿解-擴散吸收法；有效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法；有效磷含量采用NH4F-HCl比色法；有機質含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法.

1.4 數據處理

用Exce 2010 軟件進行數據整理，R語言系統3.6.2借助ggplot 2擴展包中的ggstatsplot函數對數據進行方差分析，并繪制圖形.

2 結果與分析

2.1 氮沉降對米槁凋落葉分解過程中土壤有機質的影響

在米槁凋落葉分解過程中，11月份時0～5 cm土壤有機質含量大小依次為：N2>N1>N3>CK；5～10 cm土層有機質含量大小依次為：CK>N3>N2>N1；10～20 cm土層有機質含量大小依次為：CK>N2>N1>N3.由圖1～3可知，土壤有機質隨著氮沉降的不斷輸入整體變化趨勢較平穩，在7月份時有下降趨勢隨后又繼續平緩變化，不同土層之間有機質含量始終是按照0～5 cm>5～10 cm>10～20 cm變化.對比對照組與施氮組，可以看出同一土層下施氮組的有機質含量比對照組高且在試驗后期較為明顯.在9～11月份時不同土層之間有機質含量差異增大.在試驗過程中施氮組要比對照組有機質含量高且差異顯著(P<0.05)，說明施加外源氮促進了土壤有機質的積累.

圖1 不同氮沉降處理下對土壤有機質含量的影響Figure 1 Impact on soil organic content by different levels of nitrogen deposition

2.2 氮沉降對米槁凋落葉分解過程中土壤全氮、水解氮含量的影響

由圖2可以看出，3月、5月與11月土壤全氮的含量有上升的趨勢，具有季節變化性.同一土層不同處理之間差異不顯著，其中3月份各土層全氮含量的上升速度最快(P<0.05).施氮處理不同土層土壤全氮含量雖然比對照組含量要高，但是并沒有達到顯著性水平.表明與對照組相比，添加外源氮對土壤全氮含量無明顯影響.在11月時，米槁凋落葉分解過程中0～5 cm土層水解氮含量大小依次為：N2>N3>N1>CK，5～10 cm土層水解氮含量大小依次為：N3>N2>N1>CK，10～20 cm土層水解氮含量大小依次為：N3>N2>N1>CK.由圖3可知，隨著氮沉降的不斷輸入，土壤水解氮含量整體呈現逐漸上升的趨勢，并在試驗最后達到最大值.施氮組水解氮含量比對照組含量高.整體對比低氮、中氮和高氮3組處理，中氮組的水解氮含量比低氮和高氮組的水解氮含量高(P<0.05).說明氮添加對土壤水解氮含量具有促進作用，但是高氮組對土壤水解氮的影響比低中氮組對水解氮的影響小.

圖2 不同氮沉降處理下對土壤全氮含量的影響Figure 2 Impact on soil total nitrogen by different levels of nitrogen deposition

圖3 不同氮沉降處理下對土壤水解氮含量的影響Figure 3 Impact on soil hydrolyzable nitrogen by different levels of nitrogen deposition

2.3 氮沉降對米槁凋落葉分解過程中土壤全磷、有效磷含量的影響

由圖4可知，土壤全磷含量隨著氮沉降的輸入整體表現為逐漸減少的趨勢，且3月最高，11月最低.除3月和7月外，其他月份的不同處理中土壤全磷含量整體變化趨勢為先減后增再減.0～5 cm土層整體施氮組全磷含量比對照組全磷含量低(P<0.05)，表明施氮處理對土壤全磷含量有明顯的抑制作用，高濃度下抑制作用最強.5～10、10～20 cm土層各處理間差異不顯著(P>0.05)，但是整個試驗期間土壤全磷含量是呈下降狀態.隨著氮沉降的不斷輸入，土壤有效磷含量整體表現為先增后減的趨勢(圖5).不同土層之間有效磷含量具有顯著性差異(P<0.05)，并且有效磷含量隨著土層越深含量越少.不同的處理組之間也具有一定的差異性，在1～5月份對照組土層有效磷的含量要大于施氮組(表層土壤表現尤為明顯)，說明氮添加初期對土壤有效磷具有一定抑制作用，在7～11月份對照組有效磷含量依舊大于施氮組N2與N3，但是施氮組N1有效磷含量大于對照組，表明試驗后期低氮對土壤有效磷具有促進作用，高氮條件具有抑制作用.

圖4 不同氮沉降處理下對土壤全磷含量的影響Figure 4 Impact on soil total phosphorus content by different levels of nitrogen deposition

圖5 不同氮沉降處理下對土壤有效磷含量的影響Figure 5 Impact on soil available phosphorus content by different levels of nitrogen deposition

2.4 氮沉降對米槁凋落葉分解過程中土壤全鉀、有效鉀含量的影響

土壤全鉀含量整體表現為不斷下降的變化趨勢(圖6).根據不同土層全鉀含量的變化可以看出，0～5 cm土層在1～5月呈現出凹型(CK與N3組全鉀含量較高)且施氮組要小于對照組，即CK>N3>N1>N2，在試驗后期可以發現0～5 cm層變化表現為中間高兩端低，說明高氮處理初期對土壤表層全鉀含量較敏感.雖然土壤全鉀含量整體呈現出前期低抑高促，后期為低促高抑的一個變化，但施氮組土壤全鉀含量與對照組之間無顯著差異(P>0.05)，施氮組對土壤全鉀含量無明顯影響.除5月份N3組有效鉀含量比對照組高以外，其他月份的施氮組有效鉀含量都比對照組低(P<0.05).根據圖7可以看出，隨氮沉降濃度的增加，土壤有效鉀含量整體呈現先增加后下降的趨勢.不同土層的有效鉀含量在1～3月份有明顯的差異性(P<0.05)，并且表現為0～5 cm土層>5～10 cm土層>10～20 cm土層，5月份0～5 cm和5～10 cm土層高氮組含量較高，低中施氮組含量較對照組要小.7～11月份0～5 cm施氮組要比對照組土壤有效鉀含量要低，對照組不同土層間具有差異性，其中高氮組對土壤有效鉀有一定的敏感性，5～10 cm與10～20 cm間土壤有效鉀含量相近不具有顯著性(P>0.05)，表明施氮處理后期對土壤有效鉀具抑制作用，氮濃度越大抑制效果越明顯.

圖6 不同氮沉降處理下對土壤全鉀含量的影響Figure 6 Impact on soil total potassium matter by different levels of nitrogen deposition

圖7 不同氮沉降處理下對土壤有效鉀含量的影響Figure 7 Impact on soil available potassium matter by different levels of nitrogen deposition

3 討論

土壤有機質由土壤中的腐殖質、動植物殘體和微生物體組成，其中凋落物是森林生態系統中土壤有機質的主要來源[13].土壤水解氮主要包括無機氮以及易水解的有機態氮，在土壤中雖然不穩定，容易被生物活動和土壤水熱條件影響發生改變，但是水解氮可以作為一個判斷土壤近期可利用氮素含量多少的重要指標[15].本研究表明，氮沉降顯著增加米槁凋落葉分解過程中各土壤有機質和水解氮含量.根據不同土層有機質含量的變化可以看出，0～5 cm土層有機質含量的變化幅度最大，對氮沉降濃度的增加最為敏感.施氮組促進了米槁凋落葉過程中土壤有機質的含量且在試驗后期表現出明顯差異.這與Entwistle等[16]研究結果相似，認為長期施氮會使凋落物分解速率下降，類木質素化化合物的氧化程度加深，從而使土壤有機質含量增加.唐劍東[17]研究發現施氮處理顯著增加了土壤有機質的含量，是因為添加氮素增加了凋落物的數量和植物細根生物量、改變了土壤動物和微生物活性以及降低了土壤有機碳的礦化速率.結合本試驗地的實際情況，施氮組表層土壤有機質的增加是因為表層土壤中具有較高的細根生物量，其細根周轉會帶來有機質的輸入.本研究發現3組不同濃度施氮組比對照組土壤水解氮的含量高，且在9月和11月份時差異顯著，說明在氮沉降對土壤水解氮含量具有積累作用，這與沈芳芳等[18]試驗結果相同.而且不同濃度的施氮處理中還是可以看出，N3條件下要比N1和N2水解氮含量要低一點，可能是在N3條件土壤中的氮含量達到了富集的狀態.根據不同土層土壤水解氮含量的變化可以發現：只有1、3、11月份的0～5 cm土層土壤水解氮含量是最大的，其他月份中10～20 cm土層土壤水解氮的含量最大，產生這種現象可能的原因是淺層土壤硝化作用較強，然而氣溫對土壤水解氮的硝化作用有一定影響，溫度低使土壤水解氮硝化速率降低，造成低溫月份淺層土壤水解氮剩余增多[19].與汪金松等[20]的研究結果一樣，本研究發現氮沉降對土壤中全氮含量無明顯影響.

本研究中，模擬氮沉降對米槁凋落葉分解過程中土壤全磷表現為抑制作用，對有效磷含量表現出低濃度促進高濃度抑制的作用.森林生態系統的磷主要來源于土壤巖石磷礦物的風化作用和植物的殘體凋落歸還，在森林生態系統中一般認為磷元素是僅次于氮元素的限制因素[21].本研究結果發現在模擬氮沉降處理中，土壤全磷含量隨氮濃度的增加整體呈現下降的趨勢，外源氮的添加可使土壤養分由氮限制轉化成磷限制，但土壤有效磷含量卻表現出低濃度氮沉降下增加、高濃度氮沉降下減少，這與蔡乾坤等[22]研究結果相似，原因是外源氮添加提高了米槁凋落葉分解過程中土壤磷酸酶活性，促進了土壤中全磷向有效磷的轉化[23].

4 結論

米槁凋落葉分解過程中土壤養分整體呈現出隨著土壤土層深度的加深而降低的變化.氮沉降對米槁凋落葉分解過程中土壤有機質含量有微促進作用；從土壤水解氮的整體變化可以看出，施氮組要比對照組水解氮的含量高，氮沉降對土壤水解氮具有促進作用；土壤全磷整體表現為逐漸下降且施氮組與對照組具有顯著差異，土壤有效鉀含量隨著氮沉降濃度的增加整體減少，氮沉降對米槁凋落葉分解過程中土壤全磷和有效鉀含量有明顯的抑制作用；米槁凋落葉分解過程中土壤有效磷含量在低濃度氮沉降下增加，而高濃度氮沉降下減少；氮沉降對米槁凋落葉分解過程中土壤全鉀和全氮含量無顯著影響.可見氮沉降影響了米槁凋落葉分解過程中土壤養分含量，進而可以影響米槁的土壤生活環境，本研究只解釋了土壤環境中米槁凋落葉分解時氮沉降對土壤養分的影響，但土壤環境中還有其他環境因素比如微生物等，所以氮沉降對米槁的土壤環境的影響機制還需結合其他環境因素作進一步研究.