氮添加對遼東山區落葉松人工林土壤碳氮的影響

魏文俊，顏廷武，王葉紅，王祥福，張慧東*

(1.遼寧省林業科學研究院，遼寧 沈陽 110032；2.撫順市林業發展服務中心，遼寧 撫順 113006；3.國家林業和草原局西北林業調查規劃設計院，陜西 西安 710048)

1 研究區概況

研究區位于遼寧省西豐縣境內的冰砬山森林生態站(124°45′～125°15′E，42°20′～42°40′N)。屬吉林哈達嶺的西南延續地帶，低山丘陵地貌，平均海拔為500～600 m。屬溫帶季風氣候，7月氣溫最高，平均氣溫為23.2℃，極端高溫35.2℃；1月氣溫最低，平均氣溫-17.2℃，極端低溫-41.1℃；具有典型的山區氣候特征，年均氣溫5.2℃，年均降水量684.8 mm，年均蒸發量1 379.8 mm，無霜期133 d。以暗棕色森林土為主，其次為棕色森林土，土壤多為粉沙壤土和壤土質地，土層深厚，有機質含量高，pH值為6～7。現存森林植被為以蒙古櫟Quercusmongolica等為主的天然次生林和以長白落葉松Larixolgensis等樹種為主的人工林。

2 研究方法

2.1 試驗設置

2.2 土壤呼吸速率測定

在每個氮素添加處理的樣方內，隨機設置3個土壤呼吸速率的觀測點。每個觀測點安置1個PVC土壤呼吸測定環(直徑21.34 cm、高11.43 cm，插入土壤深度為10 cm)。利用Licor-8100便攜式二氧化碳紅外氣體分析儀測定土壤呼吸速率。每次測定前，用剪刀緊貼地表剪除土壤呼吸測定環內的草本。土壤呼吸速率測定在2015-2018年的5-10月進行，每月上、下旬選擇晴好天氣各進行1次測量。Licor-8100便攜式二氧化碳紅外氣體分析儀自動記錄土壤呼吸速率，每個樣點重復3次，每次測量時間為5 min。土壤呼吸速率測定在上午9：00-11：00進行，多數研究結果證明這一時段的土壤呼吸速率更接近于當日日平均值[10]。

2.3 氣象因子測定

在測量土壤呼吸速率的同時，利用Licor-8100附帶的溫濕度傳感器在樣點附近測量10 cm深土壤溫度和土壤體積含水量；同時利用生態站森林小氣候梯度觀測系統對研究區的大氣溫度、相對濕度和5 cm、10 cm、15 cm的土壤溫度等進行補充。

2.4 土壤樣品采集及其土壤碳、氮指標測定

2015-2017年的生長季每月中旬，在每個氮添加處理樣方中，沿對角線用土鉆(直徑為2.5 cm)隨機采集10個土壤樣品，然后均勻混合成1個樣品，采集深度為10 cm。將采集的土壤樣品分為兩等份，立即用2 mm土壤篩篩去礫石和植物根系，帶回實驗室盡快處理樣品。樣品4 ℃冷藏，用于測定土壤銨態氮和硝態氮以及微生物量碳、氮含量。土壤銨態氮采用2 mol·L-1KCl浸提-靛酚藍比色法測定，土壤硝態氮采用酚二磺酸比色法測定。土壤微生物生物量碳、氮含量(簡稱土壤微生物量碳、氮含量)的測定采用氯仿熏蒸提取-Multi C/N 3100儀器分析法[11]。

2.5 數據處理

利用SPSS17.0進行雙因素方差分析，分析氮素形態和施氮水平對土壤性質(土壤銨態氮、硝態氮、微生物量碳和氮含量)的影響差異。采用指數模型擬合土壤呼吸速率與10 cm深度土壤溫度之間的關系(公式1)。

Rs=aebT10

(1)

式中：Rs是土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1)；T10是10 cm深度土壤溫度(℃)；a和b分別是方程系數。

運用擬合得到的指數模型中的參數以及森林小氣候梯度觀測系統獲得的10 cm深度土壤溫度連續觀測數據來估算不同氮添加處理下土壤碳排放量(公式2)。

FiCO2=∑Rs10×600

(2)

式中：FiCO2為各氮處理下碳排放量(g C·m-2)；i為不同氮添加處理；Rs10是每10 min的土壤呼吸速率；600表示10 min內包含600 s。

3 結果與分析

3.1 落葉松人工林土壤呼吸速率及碳排放量對氮添加的響應

注：和分別為低、中和高添加水平；和分別為低、中和高添加水平；CK為對照。下圖同。

3.2 氮添加對落葉松人工林土壤可利用氮素影響

表1 氮添加對土壤可利用氮素影響雙因素方差分析

圖2 氮素添加落葉松人工林的土壤銨態氮和硝態氮含量

3.3 氮添加對落葉松人工林土壤微生物生物量碳氮的影響

圖3 氮素添加下落葉松人工林的土壤微生物生物量碳和微生物氮含量

通過氮素形態和氮添加水平對土壤微生物特性影響的雙因素方差分析得到，氮素形態對土壤微生物生物量碳有顯著的影響，但氮添加水平對土壤微生物生物量碳的影響并不顯著；氮素形態對土壤微生物生物量氮有極顯著的影響，氮添加水平同樣對土壤微生物生物量氮沒有顯著影響(表2)。

表2 氮添加對土壤微生物特性影響的雙因素方差分析

4 結論與討論