生物炭和氮沉降對落葉松人工林土壤呼吸及其理化性質的影響1)

胡琛 賀云龍 黃金蓮 雷靜品

(國家林業和草原局林木培育重點實驗室(中國林業科學研究院林業研究所)，北京，100091)

崔鴻俠 唐萬鵬 馬國飛 榮道軍

(湖北省林業科學研究院) (神農架國家公園管理局) (廣東省樟木頭林場)

土壤是陸地生態系統中最大的碳庫[1]，有機碳含量高于全球植被和大氣的總和[2]，有機碳分解對氣候變化反饋和氣候預測是一個巨大且潛在的不確定性來源[3]。土壤呼吸是土壤碳庫向大氣輸出的主要途徑[4-5]，是全球陸地生態系統中第二大碳排放來源[6]。

人類活動極大地增加了全球陸地生態系統中的氮沉降[7-8]，氮沉降在調節地下生物地球化學過程、森林生產力和微生物生物量及其活動方面起著重要作用，最終影響土壤呼吸[9-10]。Zheng et al.[11]在中國溫帶森林中進行了模擬大氣氮沉降試驗，表明氮沉降對生長季CO2累積釋放量降低了7.47%；Yan et al.[12]在長白山自然保護區進行的試驗表明，在生長季對闊葉紅松混交林施氮促進了CO2的排放；而Li et al.[9]對亞熱帶毛竹林進行的模擬氮沉降試驗表明，土壤平均增加1 kg·hm-2·a-1氮，相應土壤CO2排放量增加470 kg·hm-2·a-1，當氮添加量超過60 kg·hm-2·a-1的飽和閾值時，土壤CO2排放量會下降。不同的森林類型和不同的氮添加量對土壤呼吸影響效應并不一致，說明氮添加對土壤呼吸的影響是一個復雜的過程[8]。

生物炭作為一種土壤改良劑和土壤有機碳源[13]，在改善土壤質量和功能等方面已經被廣泛研究并應用[14-16]。農業生產中，在土壤中添加生物炭可以增加土壤碳儲量，它對土壤肥力和作物生產力有重要的作用[17]，而作為一種緩解氣候變化的工具，生物炭在土壤中的應用可以增加土壤的固碳作用以及減少CO2的排放[15，18-19]。因此，使用生物炭進行土壤改良被認為是在全球范圍內提高土壤肥力和減緩氣候變化的手段[20]。生物炭的施用對土壤呼吸的影響因試驗方法和土壤質地的不同而不同[15]。Li et al.[21]研究表明生物炭的施用顯著降低了亞熱帶竹林土壤的異養呼吸，認為這可能是通過森林管理調節亞熱帶人工林土壤呼吸的關鍵；Marjo et al.[22]對北方森林添加生物炭的試驗表明，生物炭不會對北方森林土壤的CO2排放產生重大或長期的影響，也不會導致土壤碳儲量的減少；Zhou et al.[15]研究表明，生物炭的應用對亞熱帶森林土壤呼吸的影響不顯著。

雖然模擬氮沉降和添加生物炭都會對土壤呼吸和土壤碳儲量等產生影響，但是目前關于模擬氮沉降和添加生物炭的研究大多數是獨立進行，在模擬氮沉降下，添加生物炭對土壤呼吸及其理化性質影響的研究還很少。神農架地處我國秦巴山地，是全球同緯度地區生物多樣性、生態系統類型、生物演化等方面的杰出代表，生態地位十分重要[23-24]。人工林面積占神農架森林面積的30%左右[25]，但是總體上質量不高，經濟和生態效益較低[26]。本研究通過神農架落葉松人工林的模擬氮沉降和添加生物炭處理試驗，分析氮沉降和生物炭對土壤呼吸和土壤理化性質的影響，探討提升土壤質量和土壤固碳的方法，為神農架地區人工林土壤碳庫管理提供理論依據，也為我國人工林的科學經營提供參考。

1 研究區概況

研究區位于湖北省神農架林區(109°56′～110°58′E、31°15′～31°57′N)，該林區為神農架的主體，海拔398～3 105.2 m，屬于北亞熱帶季風氣候區。全年日照時間1 858.3 h，年均氣溫12.2 ℃，1月氣溫最低，7月氣溫最高，年降水量800～2 500 mm，無霜期220 d左右。選取神農架林區森林生態系統國家定位觀測研究站的落葉松(Larixgmelinii)人工林為研究對象，林齡約40 a，土壤類型為山地黃棕壤[27]。林下灌木種類主要有：莢蒾(Viburnumdilatatum)、菝葜(Smilaxchina)、蓬蘽(Rubushirsutus)等。草本主要有：大戟(Euphorbiapekinensis)、耬斗菜(Aquilegiaviridiflora)、鴨兒芹(Cryptotaeniajaponica)等。落葉松人工林樣地的海拔1 790 m，坡度9°～15°，坡向為東北向，林分密度943.75株·hm-2，平均樹高22.40 m，平均胸徑21.70 cm，土壤孔隙度70.36%。

2 材料與方法

2.1 實驗設計

2019年4月份在落葉松人工林內選擇坡位、坡向、覆蓋率相似的地方劃分6塊10 m×20 m的大樣地，各樣地間距50 m以上。每塊樣地內設置2個3 m×3 m的樣地，在每個樣地中選擇盡量平坦的地方放置測定土壤呼吸的PVC環(內徑20 cm，高10 cm)，每個呼吸環上部距土壤表面約3 cm。將12個樣地隨機劃分為對照(CK)、添加氮素(處理1)、添加生物炭(處理2)以及添加氮素和生物炭(處理3)共4種處理，每種處理3個重復。CK不添加任何肥料；處理1使用尿素模擬氮沉降，以100 kg·hm-2·a-1氮的量，平均分成5等份，從2019年5月開始，每月中旬或下旬，對施氮樣方進行施氮，具體方法是將尿素溶解在清水中，使用噴霧器相當于0.1 mm的降水量均勻噴灑，其他處理噴灑等量的清水，于5月26日、6月30日、7月14日、8月14日、9月21日進行處理；處理2以10 t·hm-2生物炭的量[21-22]，在2019年7月11日以人工播撒的方式一次性添加，施用的生物炭采用市場上銷售的木屑炭粉，生物炭的成分：有機碳778.37 g·kg-1、全氮9.84 g·kg-1、全磷10.89 g·kg-1、全鉀0.67 g·kg-1；處理3施氮肥的時間和施肥量與處理1的處理相同，施用生物炭的時間和施用量與處理2的處理相同。

2.2 土壤呼吸的測定

2019年5—9月每次施肥前和施肥后各選擇一天晴朗日，使用Li-8100A土壤碳通量儀進行土壤呼吸速率(Rs)的測定，時間為09:00—17:00，為減小溫濕度變化帶來的誤差，按照CK、處理1、處理2、處理3、CK的順序，測完其中一個處理的一個重復后，接著測下個處理的一個重復，每個呼吸環測定兩次呼吸取平均值。同時使用儀器自帶的溫度和濕度傳感器測定每個樣方土表下5 cm處的土壤溫度(T)和濕度(SWC)。

2.3 土壤化學性質的測定

2019年9月24日在每個樣方距離呼吸環1 m的位置使用土鉆采集0～10 cm土層的土壤樣品，在實驗室陰干后過篩用于土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)和全磷(TP)的測定。有機碳的測定是以硫酸亞鐵為標準溶液，將容量法的滴定手段改為光度測定手段，在波長585 nm處對土壤有機碳進行比色(酶標儀型號：Multiskan GO 1510；制造商：Thermo Fisher Scientific OyRatastie 2；產地：Vantaa Finland)測定；全氮的測定采用凱氏定氮法；全磷的測定是以混合酸高溫消解土壤樣品，采用鉬銻抗比色法進行測定。

2.4 數據處理

土壤呼吸速率與土壤溫度的關系模型為：Rs=aebT。式中，Rs為土壤呼吸速率，T為土壤溫度(℃)，a和b為待定參數[4，28]。

土壤呼吸速率的溫度敏感性指數用Q10表示，它是指土壤溫度升高10 ℃所引起的Rs變化的倍數[4，28-29]。土壤呼吸速率的溫度敏感性指數的公式為：Q10=e10b。式中，b為土壤呼吸速率與土壤溫度模型中的參數。

采用Excel 2019進行數據初步整理；SPSS 25進行方差分析、顯著性檢驗、相關性分析和曲線擬合；Origin 2018進行繪圖。

3 結果與分析

3.1 落葉松人工林生長季土壤溫度、濕度和土壤呼吸速率的變化特征

由表1可知，落葉松人工林生長季土壤5 cm深處的溫度(T)變化總體呈單峰曲線的趨勢，最高值出現在7月末，最低值出現在9月末，極大值和極小值分別為(18.59±0.84)℃和(10.97±0.12)℃。7月13日、9月21日和9月22日，處理1、處理2和處理3的T均顯著高于CK(P<0.05)，其中均是處理3的T最高；其余時間4種處理的T均無顯著差異(P>0.05)。

表1 不同處理土壤溫度動態變化

處理土壤溫度/℃7月14日7月15日7月22日8月16日9月21日9月22日CK(14.45±0.45)a(15.33±0.32)a(18.04±0.47)a(16.87±0.21)a(10.97±0.12)c(10.97±0.12)c處理1(16.30±0.72)a(15.53±0.41)a(17.89±0.42)a(17.17±0.43)a(11.70±0.10)b(11.70±0.10)b處理2(15.27±1.28)a(13.91±1.72)a(18.59±0.84)a(17.83±0.64)a(11.61±0.24)b(12.10±0.25)ab處理3(16.55±0.59)a(15.68±0.42)a(17.91±0.45)a(17.18±0.43)a(12.53±0.03)a(12.53±0.03)a

由表2可知，生長季土壤5 cm深處的濕度(SWC)變化沒有明顯規律，多集中在20%～40%。8月16日，處理1、處理2和處理3的SWC均顯著低于CK(P<0.05)，而處理1、處理2和處理3的土SWC均無顯著差異(P>0.05)；其余時間4種處理的SWC均無顯著差異(P>0.05)。

表2 不同處理土壤濕度動態變化

處理土壤濕度/%7月14日7月15日7月22日8月16日9月21日9月22日CK(34.48±2.35)a(31.00±1.71)a(37.32±1.56)a(27.78±2.02)a(35.97±3.77)a(34.28±2.29)a處理1(30.38±2.03)a(23.57±2.25)a(37.72±1.72)a(16.85±0.32)b(24.58±0.75)a(31.02±3.81)a處理2(28.42±4.59)a(24.32±3.93)a(29.10±5.62)a(13.40±4.17)b(20.40±6.23)a(33.00±1.55)a處理3(29.57±4.05)a(23.80±2.30)a(32.82±0.99)a(14.52±0.74)b(37.35±2.35)a(26.68±6.28)a

由表3可知，落葉松林土壤呼吸速率(Rs)的變化趨勢與土壤溫度(T)的變化趨勢基本一致，最大值出現在7月22日，最小值出現在9月21日。處理1模擬氮沉降后，5月、6月和9月份的Rs均低于CK，但二者差異均不顯著(P>0.05)；7月和8月份的Rs分別比CK增加了189.84%和95.70%，二者差異顯著(P<0.05)。處理2在7月進行生物炭添加后，處理2的Rs高于CK，二者差異顯著(P<0.05)；8月份和9月份，處理2和CK的Rs均無顯著差異(P>0.05)。7月對處理3進行模擬氮沉降后，該處理的Rs在短期內達到整個生長季的最大值，顯著高于CK(P<0.05)，8月對處理3進行模擬氮沉降后，該處理的Rs在短期內顯著高于其他3種處理(P<0.05)。9月各處理Rs間均無顯著差異(P>0.05)。

表3 不同處理土壤呼吸速率動態變化

處理土壤呼吸速率/μmol·m-2·s-17月14日7月15日7月22日8月16日9月21日9月22日CK(2.49±0.42)b(2.54±0.48)b(3.48±0.58)a(2.40±0.44)c(1.71±0.23)a(1.79±0.27)a處理1(1.84±0.31)b(7.37±1.46)a(3.27±0.43)a(4.70±0.74)b(1.03±0.25)a(1.40±0.44)a處理2(4.70±0.75)a(3.83±0.6)ab(4.56±0.97)a(2.35±0.37)c(1.94±0.42)a(2.00±0.29)a處理3(3.08±0.12)b(7.39±0.91)a(3.06±0.16)a(6.65±0.02)a(1.53±0.15)a(2.86±1.01)a

由表4可知，生長季內落葉松人工林4種處理土壤呼吸速率的平均值為：處理3為3.01 μmol·m-2·s-1、處理2為2.90 μmol·m-2·s-1、處理1為2.50 μmol·m-2·s-1、CK為2.28 μmol·m-2·s-1，處理1、2和3的平均Rs分別比CK提高了9.94%、27.45%和32.23%，各處理間差異均不顯著(P>0.05)。

表4 生長季不同處理土壤呼吸速率

3.2 落葉松人工林生長季土壤呼吸速率與土壤溫濕度的關系

由表5可知，4種處理的Rs均與T存在極顯著的指數正相關(P<0.01)。T分別解釋生長季CK、處理1、處理2和處理3土壤呼吸速率變化的33.4%、28.9%、19.1%和38.6%。其中，處理1、處理2明顯低于CK，而處理3高于CK，說明氮沉降和生物炭的單獨使用會降低土壤呼吸的穩定性，而二者交互作用則會增加土壤呼吸的穩定性。

Q10分析表明，處理1和處理3的Rs對T的變化最為敏感，處理2的Rs溫度敏感性與CK無顯著差異，說明生物炭添加對Rs的溫度敏感性影響較小，單獨施氮以及氮沉降下的生物炭添加可以明顯提高土壤呼吸的溫度敏感性。

表5 土壤呼吸與土壤溫度的回歸模型以及溫度敏感性指數(Q10)

3.3 土壤呼吸速率與土壤因子的相關性

通過土壤呼吸速率與土壤理化性質間的相關性分析，土壤呼吸速率與土壤溫度呈極顯著正相關關系(P<0.01)，相關系數為0.439；土壤呼吸速率與土壤濕度、有機碳、全氮和全磷的相關性均不顯著，說明土壤溫度是土壤呼吸變化的主要影響因素，而土壤濕度、有機碳、全氮和全磷的變化對土壤呼吸沒有明顯的影響。

3.4 模擬氮沉降和添加生物炭后，土壤有機碳、全氮和全磷質量分數的變化

由表6可知，對落葉松人工林土壤0～10 cm土層樣品的分析表明，處理3的土壤有機碳(SOC)、土壤全磷(TP)、土壤全氮(TN)、土壤全磷(TP)質量分數均顯著高于其他處理(P<0.05)，CK、處理1和處理2的土壤SOC和TN土壤全磷(TP)質量分數之間均沒有顯著差異(P>0.05)。處理3的SOC質量分數為52.98 g·kg-1，分別比CK、處理1和處理2提高了26.48%、22.88%和17.30%；處理3的土壤TN質量分數為2.88 g·kg-1，分別比CK、處理1和處理2提高13.24%、13.41%和15.99%。土壤全磷(TP)質量分數CK最小，與其他處理差異顯著(P<0.05)，而處理1、處理2和處理3的土壤TP質量分數之間均沒有顯著差異(P>0.05)。處理1、處理2和處理3的土壤TP質量分數分別比CK提高9.99%、6.92%和8.90%。

表6 不同處理土壤養分質量分數 g·kg-1

4 討論

4.1 模擬氮沉降和添加生物炭對落葉松人工林土壤呼吸的影響

雖然關于森林氮沉降方面的研究有很多，但是對森林氮沉降后的去向及其保持機制的了解有限[30]，增加土壤氮有效性對土壤呼吸作用造成的影響也未完全了解[8]。本研究的模擬氮沉降試驗中，5月26日、6月30日、9月21施氮后土壤呼吸均沒有明顯變化，而7月14日、8月14日施氮后，施氮肥處理的土壤呼吸速率均在短期內出現明顯升高。這種情況與該地區落葉松人工林土壤的原始氮含量較高和微生物活性的變化有關。該地區氮含量豐富，難以成為植物和微生物的限制因子[31-32]，所以模擬氮沉降初期對土壤呼吸產生的作用很小。隨著溫度的升高和氮的積累，森林生產力和微生物活動模式逐漸改變[8-9]，氮的利用率也開始提高[32]，隨之對土壤呼吸產生了影響，使處理1的土壤呼吸速率明顯高于CK。由于生物炭在化學和生物方面的性質，人們普遍認為它在土壤固碳方面具有重要的應用價值[33]，然而，因為森林類型、熱解溫度、生物炭用量和實驗方法等的不同，生物炭對土壤呼吸的作用有增加[15，34]、抑制[21]和沒有明顯影響[35]3種結果。在生物炭添加初期對土壤呼吸有明顯的促進作用，這種情況與生物炭自身的性質有很大關系，生物炭添加短期內會釋放有機分子作為有機碳源被微生物利用[20，36]，從而使土壤呼吸增高。

4.2 模擬氮沉降和添加生物炭對落葉松人工林土壤理化性質的影響

本研究中，模擬氮沉降處理、添加生物炭處理以及二者交互處理的土壤溫度在7月13日和9月份均顯著高于對照處理，其中均以交互處理的土壤溫度最高，而其余時間4種處理的土壤溫度間均無顯著差異。表明模擬氮沉降和添加生物炭在一定程度上增加了土壤溫度，而二者的交互作用要大于單獨處理帶來的影響。各處理土壤濕度的動態變化沒有明顯規律，施肥處理的土壤濕度在8月16日均顯著低于對照處理，而其余時間4種處理的土壤濕度間均無顯著差異。這主要與本試驗中落葉松人工林土壤的下滲能力、土壤蒸發與植物的蒸騰作用、冠層的郁閉度等在不同樣方間的差異有關[29]。本實驗中生物炭直接添加于樣方表面，在一段時間內存在于樣地凋落物層上方，使得對應樣地吸收太陽輻射的能力增強，從而對土壤溫度的升高產生一定的作用。本試驗中，處理1與CK的土壤全氮質量分數沒有顯著差異，由于本試驗中氮肥施用量低，模擬氮沉降后，氮在短期內完成高效循環[30]，無法形成有效氮匯，使處理1的土壤全氮質量分數沒有明顯變化。對比賀美等[37]對黑土長期定位單施氮肥的試驗結果，即使氮肥施用量達165 kg·hm-2·a-1氮，對土壤全氮質量分數也沒有顯著提高。生物炭作為土壤改良劑，提高土壤肥力仍是一個具有爭議的話題[19]，其對土壤質量指標的影響是有限或鮮為人知[13]。有研究表明，在土壤中施用生物炭的量達6～12 t·hm-2才能有效改善土壤質量[19]。本試驗中，處理2與CK相比，土壤有機碳和土壤全氮質量分數均沒有明顯差異，說明在該地區單施生物炭對土壤肥力的影響微弱。本試驗中土壤養分變化最明顯的是處理3，該處理的土壤有機碳和土壤全氮質量分數均顯著高于其他處理，表明氮沉降下生物炭的施用是增加土壤肥力的有效手段。這種情況與生物炭的性質有關，其特有結構和化學特性能夠對氮進行吸附[14]，而生物炭的pH值以及孔隙結構、表面積和礦物質等物理性質可以對土壤生物群落發揮重要作用[20]。在模擬氮沉降的情況下添加生物炭，二者的結合要比單施氮素或碳素所產生的作用復雜。

4.3 土壤溫度對落葉松人工林土壤呼吸的影響

有研究表明，土壤溫度每升高4 ℃，年土壤呼吸增加34%～37%[3]。本研究中相關分析表明，土壤呼吸速率與土壤溫度存在極顯著的正相關關系，說明落葉松人工林土壤呼吸的主要影響因子是土壤溫度。這與段北星等[28]對大興安嶺北部不同類型興安落葉松林的研究和姜艷等[38]對亞熱帶林分土壤呼吸與土壤溫度關系的研究結果一致。土壤呼吸的溫度敏感性指數(Q10)與地理位置、生態系統類型、土壤生物和底物質量等多種因素有關[4]。本研究中處理1明顯增大了Q10值，處理2對Q10值沒有明顯的影響，而模擬氮沉降下添加生物炭則明顯增大了土壤呼吸的Q10值，說明二者相互作用可以增強土壤呼吸對土壤溫度的敏感性，進一步證明生物炭與氮共同施用后的復雜作用。由本研究只有一個生長季的試驗數據，氮和生物炭的添加量均只有一個濃度，所以實驗結果有一定的局限性，今后需通過長期監測，進一步理解氮沉降下添加生物炭對土壤呼吸和土壤理化性質的影響機制。

5 結論

神農架落葉松人工林生長季土壤呼吸的主要影響因子為土壤溫度。4種處理的平均土壤呼吸速率間沒有顯著差異，模擬氮沉降處理和添加生物炭處理均會在短期內使土壤呼吸速率升高，模擬氮沉降下添加生物炭增加了土壤有機碳和土壤全氮質量分數，而施肥處理均有助于土壤全磷質量分數的增加。