模擬N沉降對滇中亞高山典型森林凋落物分解及土壤微生物的影響

潘 禹，宋婭麗，王克勤，張雨鑒，鄭興蕊

(西南林業大學生態與環境學院，云南 昆明 650224)

凋落物是森林生態系統養分循環的重要組分，其養分釋放作為森林營養循環過程中的關鍵環節，對植物的生長發育、土壤理化性質以及森林生態系統C、N循環均具有關鍵作用[1]。土壤微生物在土壤養分循環過程中扮演極為重要的角色，是凋落物分解過程中不可或缺的一部分[2]。凋落物分解通過改變C、N等養分元素歸還量來影響土壤微生物數量及活性，從而改變微生物養分固定量和提供植物生長的養分比例，進而影響生態系統中C、N循環[3]。

N沉降的持續增加可通過改變森林凋落物量，使植物-土壤微生物的養分格局發生變化，間接影響凋落物-土壤-土壤微生物之間的關系，對凋落物分解、土壤微生物活性、土壤C庫等造成重要影響，進而促進或抑制森林生態系統C和N的循環[4]。韓雪等[5]在對北京西山遼東櫟（Quercus liaotungensisBlume.）進行為期2年的模擬N沉降實驗時發現，N沉降減緩了凋落物的分解速率，且不同N處理顯著增加凋落物N含量，但對凋落物C含量影響不顯著；李登峰等[6]在對常綠闊葉林進行模擬N沉降實驗時發現，隨著N濃度的上升，凋落物C含量增長顯著，而凋落物N含量變化不大；魏圣釗等[7]在華西雨屏區常綠闊葉林凋落物分解中發現MBC和MBN在N處理下表現為低N促進，高N抑制；Van等[8]在北美闊葉林進行長期N處理實驗時發現MBC/MBN降低10%，微生物總生物量降低1/4。在以上模擬N沉降的研究中，國內外學者對凋落物分解多集中于單一森林類型下土壤微生物量的變化特征[9]，但對不同森林類型下凋落物分解對土壤微生物數量影響以及凋落物分解、土壤微生物量碳氮及土壤微生物數量之間關系的研究則鮮有報道。

滇中亞高山磨盤山地區位于云貴高原的西部邊緣，自然條件獨特，植被多以中山半濕性闊葉林為主[10]。本研究以該地區不同森林生態系統云南松（Pinus yunnanensisFranch.）林、華山松（Pinus armandiiFranch.）林、常綠闊葉林以及高山櫟（Quercus semicarpifoliaSmith.）林為研究對象，采用凋落物袋法，通過原位分解和模擬N沉降實驗，分析N沉降下4種不同森林凋落物分解及土壤微生物特征，研究以下兩個問題：（1）分解1年后，4種不同森林凋落物C、N含量、MBC和MBN及土壤微生物數量特征對N沉降如何響應？（2）N沉降下，凋落物生物量與土壤微生物量有何相互關系？通過以上研究，揭示N沉降下不同林分類型下凋落物與土壤微生物在C、N生物地球化學循環機制中的作用，為滇中亞高山森林管理和建設提供科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

試驗地位于云南省玉溪市磨盤山森林定位研究站(23°46′18″～23°54′34″ N，101°16′06″～101°16′12″ E)，海拔2 215.8 m。該地區山地氣候特征較為顯著，且位于亞熱帶南北兩部氣候交匯處，屬于中亞熱帶氣候，年均氣溫15℃，年均降水量為1 050 mm，降水主要集中在5—10月。研究區域森林覆蓋率達85%以上，植被垂直分布特征較為明顯，主要的林分類型有針葉林、高山矮林以及常綠闊葉林等。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 于2017年11月，分別收獲4種林分的新鮮凋落物，相同林分的凋落物充分混勻。風干后，分別準確稱取10 g裝入大小為20 cm × 20 cm的分解袋（孔徑為1 mm）。以析因設計法于2018年1月在4種森林下各設置3個20 m × 20 m的樣地，在每個樣地中隨機設置4個3 m × 3 m的小樣方，對應4種不同施N濃度，減少樣地環境對土壤微生物量的影響。樣方之間距離大于10 m，防止相互干擾。將前期準備好的凋落物袋均勻擺放在各樣方中（各3個重復），并對各樣方中的凋落物噴施NH4NO3溶液（模擬N沉降）。

本實驗N沉降水平主要參考北美地區Harvard Forest以及華西地區所布設的實驗[11-12]，并結合我國 西 南 地 區 及 本 地 區 年 沉 降 量(3.84 g·m-2·a-1)，N沉降共設定4個水平：對照（CK，0 g·m-2·a-1）、低N（LN，5 g·m-2·a-1）、中N（MN，15 g·m-2·a-1）、高N（HN，30 g·m-2·a-1），每個水平3個重復。將1年的使用量分為均等的12份，從2018年1月初開始，遵循上述各水平對樣方進行施N處理，對照組施相同量的水。除施N外，其他措施保持一致，樣地情況如表1。

表1 4種森林類型研究樣地概況Table 1 Geophysical characteristics of the investigating plots in four forest types

1.2.2 樣品的采集 施N處理1年后，于2019年1月，對各林分各處理樣方中的凋落物進行取樣，各樣方取凋落葉和枝各3袋，清除袋中的雜物，風干。在取凋落物的同時，采集0～5、5～10和10～20 cm土壤樣品，每個樣方用隨機數字定位法隨機取5鉆，將同一林分中同一N沉降處理下相同土層的土樣充分混合。

1.2.3 樣品的測定 凋落物在恒溫干燥箱內烘干，粉碎并過篩。采用重鉻酸鉀-外加熱硫酸氧化法(LY/T 1237—1999)測定碳含量[10]，采用半微量凱氏定氮法(LY/T 1269—1999)測定氮含量[10]。

土壤微生物量碳（MBC）和土壤微生物量氮（MBN）采用氯仿熏蒸浸提法測定[13]。土壤微生物計數采用瓊脂膜法[14]。MBC、MBN分別用下式[15]求得：

MBC=EC/kC

MBN=EN/kN

式中：EC、EN分別為熏蒸和未熏蒸浸提液中土壤有機碳、全氮的差值；kC、kN為轉化系數，分別為0.38、0.54。

1.3 數據處理

數據統計分析利用SPSS25.0軟件完成。采用雙因素方差分析，分析不同森林類型和N沉降下C、N含量，各組分C/N均以質量比表示；采用多因素方差分析，分析不同森林類型，不同土層，不同N沉降下微生物生物量C、N、微生物數量，各組分微生物生物量C/N均以質量比表示，顯著性水平設定為α= 0.05。

2 結果分析

2.1 N沉降對凋落物碳氮含量的影響

由圖1可知，分解1年后不同N沉降下，各林分類型凋落物C含量平均值總體表現為：云南松林 ＞ 高山櫟林 ＞ 華山松林 ＞ 常綠闊葉林。與CK相比，常綠闊葉林凋落物C含量均顯著增加（2.56%～8.16%）；LN和MN下華山松林凋落葉C含量分別降低2.35%和1.13%，HN下增加1.24%，LN下凋落枝降低2.67%；高山櫟林C含量則與常綠闊葉林趨勢相同；HN下云南松林凋落葉和枝C含量分別增加3.97%和4.09%。

圖1 4種森林類型凋落物C含量、N含量及碳氮比Fig.1 Litter C and N content and C/N in four forest types

各林分類型凋落物N含量平均值總體表現為：高山櫟林 ＞ 常綠闊葉林 ＞ 華山松林 ＞ 云南松林。隨著N沉降的增加，常綠闊葉林下凋落物N含量均顯著增加（P＜ 0.05），與CK相比，凋落葉增加27.18%～69.01%，凋落枝增加12.76%～26.78%；華山松林凋落物N含量總體呈現上升趨勢（增加22.37%～60.29%）；高山櫟林MN下凋落葉和枝比CK顯著增加13.02%和11.74%；云南松林HN下凋落葉和枝N含量比CK顯著增加67.67%和22.29%。

不同林分類型凋落物C/N在不同N沉降處理下變化范圍在36.39～96.55之間。隨著N沉降的增加，4種林分類型凋落物C/N總體均呈下降趨勢。與CK相比，常綠闊葉林凋落葉降低25.11%～36.00%，凋落枝降低15.99%～16.29%；華山松林凋落葉降低19.20%～34.28%，凋落枝降低37.91%；MN下高山櫟林凋落葉和枝分別降低8.10%和9.08%；云南松林凋落葉降低2.66%～2.91%，凋落枝降低20.94%～37.92%。

2.2 N沉降對土壤微生物量碳氮含量的影響

由圖2可知，不同N沉降下，4種林分類型土壤MBC質量分數變化范圍在104.20～1 041.99 mg.kg-1之間，相同土層不同森林類型平均值表現為云南松林 ＞ 常綠闊葉林 ＞ 高山櫟林 ＞ 華山松林，云南松林MBC比其他3個林分高出23.27%～60.34%；不同土層相同森林類型表現為0～5 ＞ 5～10 ＞ 10～20 cm，0～5 cm分別為5～10 cm和10～20 cm的1.36和2.08倍。隨著N沉降的增加，常綠闊葉林3個土層的MBC均逐漸降低（10.00%～66.67%）；華山松林則呈先增加后降低的趨勢，在LN處達到最高值（555.73 mg.kg-1）；高山櫟林在0～5 cm和5～10 cm土層逐漸降低，10～20 cm呈波動趨勢；云南松林則與華山松林趨勢相同。

圖2 4種森林類型土壤MBC的變化Fig.2 Variation of soil microbial biomass carbon (MBC) in four forest types

由圖3可知，不同N沉降下，4種林分類型土壤MBN質量分數變化范圍為19.09～109.57 mg.kg-1，相同土層不同森林類型平均值表現為云南松林 ＞ 常綠闊葉林 ＞ 高山櫟林 ＞ 華山松林，云南松林MBN比其他3個林分高出24.86%～60.54%；。不同土層相同森林類型表現為0～5 ＞ 5～10 ＞ 10～20 cm，0～5 cm分別為5～10 cm和10～20 cm的1.28和1.70倍。隨著N沉降的增加，常綠闊葉林和高山櫟林3個土層的MBN均逐漸降低（4.66%～58.40%和5.15%～62.70%）；華山松林則呈先增加后減少的趨勢，且在LN處達到最高值（54.90 mg.kg-1）（P＜0.05）；云南松林則呈波動趨勢。

由圖4可知，不同N沉降下，4種林分類型土壤MBC/MBN變化范圍在5.31～11.26之間。不同土層相同森林類型，總體差異不顯著（P＞ 0.05）。隨著N沉降的增加，常綠闊葉林3個土層的MBC/MBN呈波動趨勢，但均在MN處達到最高值11.15；華山松林總體呈先增加后降低的趨勢，0～5 cm和5～10 cm土層峰值出現在MN（11.26和11.17），10～20 cm則出現在LN（9.68）；高山櫟林和與云南松林則呈波動趨勢。

圖4 4種森林類型土壤MBC/MBN的變化Fig.4 Variation of soil MBC/MBN in four forest types

2.3 N沉降對土壤微生物數量的影響

由圖5可知，不同N沉降下，4種林分類型土壤微生物數量變化范圍在43.81～1 021.24 × 106個，相同土層不同森林類型平均值表現為云南松林 ＞ 常綠闊葉林 ＞ 華山松林 ＞ 高山櫟林，云南松林土壤微生物數量比其余3個林分高出6.89%～82.44%。不同土層相同森林類型下，常綠闊葉林和高山櫟林表現為10～20 ＞ 5～10 ＞ 0～5 cm，10～20 cm分別為5～10 cm和0～5 cm的1.33倍和2.51倍，華山松林和云南松林則呈波動趨勢。隨著N沉降的增加，3個土層中，常綠闊葉林微生物數量總體呈現先增加后減小的趨勢，高山櫟林總體呈現上升趨勢，且差異性顯著（P＜ 0.05）；華山松林和與云南松林呈波動趨勢。

圖5 4種森林類型土壤微生物數量的變化Fig.5 Variation of soil microbial counts in four forest types

2.4 凋落物碳氮、土壤微生物量變異分析

如表2所示，森林類型、施N水平對凋落葉和枝的C、N和C/N的影響均影響極顯著（P＜ 0.01）。森林類型和施N水平的交互作用對凋落葉C、凋落葉C/N和凋落枝C均呈極顯著影響（P＜ 0.01），對凋落葉N和凋落枝C/N達到顯著影響（0.01 ＜P＜0.05），對凋落枝N影響不顯著（P＞ 0.05）。凋落葉和枝的C、N和C/N均表現為：森林類型影響最大，施N水平次之，森林類型和施N水平交互作用最小。森林類型對凋落枝N影響最大，凋落葉C/N最小；施N水平對凋落枝C影響力最大，凋落枝C/N最小；交互作用對凋落枝C影響力最大，凋落枝N最小。

表2 凋落葉和枝C、N以及C/N變異分析Table 2 Analysis of variations of C, N and C/N in leaf and twig litter

方差分析表明（表3），各變異來源及其交互作用對土壤微生物量C、N及數量均存在極顯著影響，其中森林類型對三者影響最大(F值分別為304.21、1 777、2 586.9)；而對于MNC/MBN，除了森林類型和土壤深度交互作用對其無明顯影響外，其余各變異來源也均對其存在顯著或極顯著影響，其中土壤深度影響最大(F值為18.18)。

3 討論

3.1 凋落物基質質量對N沉降的響應

凋落物分解是森林生態系統C、N循環的關鍵構成部分，同時也是物質及能量轉換的重要銜接[16]。本研究中，模擬N沉降下常綠闊葉林和高山櫟林凋落枝和葉在分解1年后C含量均顯著增加，華山松林和云南松林C含量在LN下減小，HN下增加。這與鼎湖山自然保護區季風常綠闊葉林[6]和內蒙古大興安嶺林場落葉松林(Larix gmeliniiRupr.)[17]凋落物C含量研究結果一致。而江龍[18]的研究發現HN處理顯著降低了柳杉(Cryptomeria fortuneiHooibrenk.)凋落物有機C含量，促進了有機C的釋放，這可能是該研究試驗地位于華西雨屏區，海拔較低（1 216 m），其N沉降施用量（0.5～1.5 g·m-2·a-1）遠小于本試驗（5～30 g·m-2·a-1），未達到凋落物C含量降低的水平。

本研究中，模擬N沉降下4種林分類型凋落物在分解1年后N含量均顯著增加，原因可能是隨著外源N的持續輸入，凋落物中相對比較難分解的成分（如木質素等）與其進一步結合，構成不易分解的物質（如腐殖質等），使N不斷富集，導致凋落物N含量升高[19]。而4種林分類型凋落物在分解1年后C/N均顯著降低，這與瑞典南部地區櫟樹(Quercus roburL.)林[20]和福建沙縣杉木(Cunninghamia lanceolataLamb.)林[21]的研究結果一致；而Zhou等[22]在西北地區則發現，施加N素使常綠闊葉林凋落物C/N呈上升趨勢。可見，目前國內外N沉降對凋落物基質質量的影響并無統一認識，其差異可能與研究地域環境、植物類型、凋落物分解階段、外源N素的選擇等因素相關，具體原因有待進一步探究。

3.2 土壤微生物特征對N沉降的響應

土壤微生物量受到土壤環境、森林類型及氣候等多種生態因子的影響，其中，森林類型是重要的因素之一[23]。本研究中，云南松林和常綠闊葉林的MBC和MBN含量均高于華山松林和高山櫟林，這可能是由于研究區云南松林和常綠闊葉林腐殖質層較厚、植被密度和物種豐富度均較高。而常綠闊葉林和高山櫟林各土層的土壤MBC和MBN含量均隨著N沉降的增加呈現減小趨勢，華山松林和云南松林則相反。土壤MBC和MBN含量減小可能是由于過量的N素進入土壤致使土壤酸化，鹽基離子減少，從而土壤中的Al3+含量上升，破壞微生物細胞，進而降低土壤微生物的活性[24]；同時，過量的N抑制了木質素降解酶活性，加強了微生物C限制，從而降低微生物量[25]。土壤MBC和MBN含量增加可能與森林生態系統處于N限制有關，此時外源N的添加會提高地表生物的生產量，使凋落物養分歸還速率加快，進而提高土壤微生物生物量和活性[26]，這與太岳山油松(Pinus tabulaeformisCarr.)林[27]的研究結果一致。本研究中，不同N沉降下的MBC和MBN含量均伴隨土層的加深呈現減小的趨勢，原因可能是土壤真菌數量和有機質隨著土層的增加而降低，通氣情況減弱限制土壤微生物的生長和繁殖，從而導致深層土壤微生物量減少。

土壤MBC/MBN可以作為反饋該區域微生物種類變化及土壤N供給狀況的一個指標[28]。研究表明，MBC/MBN在3～5時，土壤微生物群落中占據優勢的為細菌，而在4～15時則為真菌[29]。本研究4種森林類型MBC/MBN介于5.31～11.26間，說明滇中亞高山4種森林類型土壤微生物群落中真菌為優勢種；本研究中N沉降對不同林分類型不同土層MBC/MBN影響各有差異，HN處理降低了MBC/MBN，使得土壤微生物群落由真菌向細菌群落轉變。這可能是由于真菌在N環境受限制中占據主導地位，但隨著N素的增加，細菌將逐漸取代真菌的地位[30-31]。

本研究中，常綠闊葉林、華山松林和高山櫟林土壤微生物數量隨著土層深度的增加呈上升趨勢，這可能是由于實驗樣品采集時間為冬季，低溫對微生物數量產生了顯著影響。張德楠等[32]在對十萬大山地區典型次生闊葉林土壤微生物的研究中證實了這一點，即低溫會在一定程度上限制微生物的活性，減少繁殖，降低數量。本研究4個林分類型中微生物數量總體表現出與MBC和MBN一致的趨勢，即低N促進高N抑制，而凋落物C和N含量與土壤微生物量相關分析中也表現出它們之間存在緊密的關系。

3.3 森林類型、土壤深度和施N水平對凋落物C、N和土壤微生物量的影響

本研究中，土壤深度、施N水平、森林類型和施N水平交互作用、土壤深度和施N水平交互作用對MBC、MBN、MBC/MBN和微生物計數均具有極顯著影響，森林類型對除MBC/MBN外的因子也均呈極顯著影響，三因素交互均對各因子呈顯著或極顯著影響，這與王澤西等[33]在川西亞紅杉林(Larix mastersianaRehd.)進行N處理實驗時所得結果相一致。說明土壤微生物對環境變化極為敏感，養分元素的輸入、土壤pH等因素的變化均會影響微生物數量和活性[29]。本研究中，森林類型對MBC、MBN和微生物計數影響最高，這可能是由于不同森林類型土壤微生物分布和種類差異較大。本研究中，土壤深度對MBC/MBN影響最高，其原因可能是表層土壤含有大量C源，微生物對C的吸收會加強自身活性，進而使表層土壤中真菌和細菌種類增多，亞層及以下土壤中C含量減小，同時氧氣流通變差，導致真菌數量劇減，致使不同土層下MBC/MBN變化較大。本研究通過模擬N沉降實驗揭示了4種不同森林凋落物C、N含量、MBC和MBN及土壤微生物數量的響應情況，但對于N沉降增加或降低土壤微生物量是否與針葉林或闊葉林的林型有關，目前相關論證較少，仍需進行深入研究。此外，為了更深入了解N沉降對凋落物和土壤微生物量的影響，今后應以土壤中微生物群落結構和功能特征為研究重心。

4 結論

施N 1年后，N沉降下4種林分類型凋落葉和枝C含量和N含量總體均呈增加趨勢，C/N呈降低趨勢；土壤MBC/MBN變化范圍在5.31～11.26之間；土壤微生物數量隨N沉降的增加呈低N促進、高N抑制的趨勢；相同N處理下土壤微生物量隨土層加深而降低，N沉降對垂直分布格局影響不顯著。N沉降對常綠闊葉林和高山櫟林的土壤MBC和MBN呈抑制作用，且隨著N沉降的增大，抑制作用越顯著；N沉降對云南松林和華山松林的土壤MBC和MBN表現為低N促進，高N抑制。