氮添加對(duì)樟樹(shù)林生長(zhǎng)的影響

鄭 威 ，閆文德，梁小翠 ，張 超 ，趙亮生

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

氮添加對(duì)樟樹(shù)林生長(zhǎng)的影響

鄭 威1,2，閆文德1,2，梁小翠1,2，張 超1,2，趙亮生1,2

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

采用人工氮添加試驗(yàn)，研究樟樹(shù)林生長(zhǎng)對(duì)不同氮添加水平（CK，0 g·m-2a-1；低氮LN，5 g·m-2a-1；中氮MN，15 g·m-2a-1；高氮HN，30 g·m-2a-1）的響應(yīng)。結(jié)果表明：施氮處理促進(jìn)了樟樹(shù)林的胸徑生長(zhǎng)，LN、MN和HN處理的胸徑生長(zhǎng)率分別高出CK處理5.29%、4.82%和14.10%。氮添加對(duì)樹(shù)高生長(zhǎng)的影響表現(xiàn)為正效應(yīng)。隨著氮添加水平的增加，其對(duì)樹(shù)高生長(zhǎng)率的促進(jìn)作用有微弱增加，LN、MN和HN處理林分胸徑生長(zhǎng)率分別高出CK處理，7.69%、8.23%和10.66%。施氮處理能明顯促進(jìn)低徑階林木的生長(zhǎng)率，但對(duì)于中徑階林木起抑制作用。施氮處理增加了土壤中有效氮含量，LN、MN和HN處理土壤中總有效氮含量分別高出對(duì)照8.47%、31.60%和28.13%。

樟樹(shù)；生長(zhǎng)率；氮添加處理；土壤有效氮含量

氮素是植物體的基本構(gòu)成元素之一，在植物生理過(guò)程中有著重要作用[1]。氮素與植物光合作用密切相關(guān)，葉綠體是葉片中氮素的主要?dú)w宿[2]，Rubisco等與光合作用相關(guān)蛋白質(zhì)的合成也與氮素供應(yīng)相關(guān)[3]。因此，可假定施氮可增加氮素缺乏生態(tài)系統(tǒng)的光合作用，從而增加森林生物量。

熱帶、亞熱帶地區(qū)是全球碳儲(chǔ)量的主要集中地區(qū)。在中緯度及高緯度生態(tài)系統(tǒng)中，已有研究表明氮有效性能直接控制陸地碳攝取和流失[4]，但在低緯度的生態(tài)系統(tǒng)中相關(guān)研究較少。亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中，凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP的營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié)規(guī)律可能與溫帶生態(tài)系統(tǒng)不一致。因?yàn)樵S多低緯度熱帶森林巖石發(fā)育成熟，含有相對(duì)豐富的N元素，而中緯、高緯地區(qū)森林表現(xiàn)為氮素缺乏[5]。

我國(guó)亞熱帶地區(qū)面積廣大、森林多樣性高，是我國(guó)陸地碳循環(huán)的重要組成部分。中南地區(qū)亞熱帶森林氮沉降非常嚴(yán)重，許多森林已超過(guò)歐洲森林氮飽和臨界值（25 kg·hm-2a-1）[6]。額外的氮輸入會(huì)給生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)多種負(fù)面影響，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡造成影響[7]。

本研究采用人工施氮實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究氮輸入升高條件下亞熱帶樟樹(shù)林Cinnamomum camphora生長(zhǎng)的的響應(yīng)情況，研究結(jié)果有助于加深對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的認(rèn)識(shí)，為評(píng)測(cè)全球氣候變化背景森林碳收支動(dòng)態(tài)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)林分是位于湖南省森林植物園的樟樹(shù)人工林（113°02′E，28°06′N(xiāo)），營(yíng)造于 1979 ～ 1982年間，后經(jīng)自然更新而成。林分平均胸徑(DBH)為14.9 cm，平均樹(shù)高12.6 m，郁閉度0.9。該地區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候, 年平均溫度17.2 ℃，1月平均溫度最低，為4.7 ℃；7月平均溫度最高，達(dá)29.4 ℃；無(wú)霜期270～300 d，年平均日照時(shí)數(shù)1 677.1 h；年平均降水量1 422 mm。

該地為典型紅壤丘陵區(qū)，海拔100 m左右，坡度在5°～15°之間；土壤類(lèi)型為第四紀(jì)更新世的沖積性網(wǎng)紋紅土和砂礫。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)同類(lèi)試驗(yàn)的氮添加水平及當(dāng)?shù)氐牡两盗縖8-9]，設(shè)置4個(gè)氮添加水平：CK (no N added)，LN (5 g·m-2a-1，MN (15 g·m-2a-1)，HN (30 g·m-2a-1)，2010年5月下旬進(jìn)行首次施氮，添加氮素為NH4NO3。各施氮水平設(shè)置3個(gè)重復(fù)樣地，大小為20 m×20 m，樣地間保留10 m寬緩沖帶。將每個(gè)樣地需要的采用NH4NO3混合20 L自來(lái)水，采用噴霧器均勻噴灑至樣地，對(duì)照樣地僅施加20 L自來(lái)水。每年施氮分兩次進(jìn)行[11]，分別于5月、10月等量施加。

表1 樟樹(shù)林的林分特征、土壤理化特性?Table 1 Stand characteristics and soil physical chemical properties in C. camphora forest

1.2.2 測(cè)試項(xiàng)目與方法

2010年4月份（施氮之前），對(duì)各樣地所有胸徑大于5cm的植物進(jìn)行每木檢尺，測(cè)定其胸徑、樹(shù)高，2012年10月份，按相同方法重復(fù)調(diào)查。將樣地林木劃分為8（2.5 cm～8.9 cm）、16（9 cm～16.9 cm）、24（17 cm～24.9 cm）和30（大于24.9 cm）4個(gè)徑階，以計(jì)算不同徑階林木對(duì)施氮的響應(yīng)。

土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的測(cè)定及計(jì)算見(jiàn)文獻(xiàn)[10]，取樣及測(cè)定時(shí)間為2011年4月份。

1.2.3 數(shù)值計(jì)算與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析用SPSS13.0軟件。采用單因子方差分析和Duncan多重比較檢驗(yàn)喬木層胸徑、樹(shù)高生長(zhǎng)在徑階和施氮處理間的差異。用Sigmaplot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮樟樹(shù)林生長(zhǎng)的影響

施氮處理前， CK、LN、MN和HN處理樣地的林分平均胸徑為13.31±0.31 cm、12.49±0.94 cm、12.99±0.90 cm和13.50±0.52 cm，各處理間胸徑差異不顯著。

圖1 施氮對(duì)樟樹(shù)林平均胸徑的影響Fig.1 Effects of nitrogen addition treatments on average DBH of C. camphora forest

LN、MN和HN施氮處理均增加了樟樹(shù)林的胸徑生長(zhǎng)，其胸徑生長(zhǎng)率分別高出CK處理5.29%、4.82%和14.10%，但各處理間胸徑生長(zhǎng)率差異不顯著。氮添加對(duì)樹(shù)高生長(zhǎng)的影響表現(xiàn)為正效應(yīng)。隨著氮添加水平的增加，其對(duì)樹(shù)高生長(zhǎng)的促進(jìn)有微弱增大，LN、MN和HN處理林分胸徑生長(zhǎng)率分別高出CK處理，7.69%、8.23%和10.66%，各處理差異沒(méi)有達(dá)到顯著水平。

2.2 不同徑階樟樹(shù)林木對(duì)氮添加的響應(yīng)

自然狀態(tài)的對(duì)照樣地中，8徑階林分擁有最高的生長(zhǎng)速率，16徑階生長(zhǎng)率最小。不同徑階樟樹(shù)林木生長(zhǎng)對(duì)氮沉降增加的響應(yīng)有所不同(圖2)。在8徑階中，施氮處理均提高了林木的生長(zhǎng)率，LN、MN和HN處理的林木生長(zhǎng)率分別高出CK處理9.09%、57.05%和45.37%，CK與MN、HN處理間差異顯著。16徑階中，僅HN處理促進(jìn)了林木的生長(zhǎng)。在24徑階，施氮處理下林木生長(zhǎng)要小于對(duì)照處理。在24徑階，LN和MN處理的林木生長(zhǎng)率顯著高于對(duì)照，HN處理顯著小于對(duì)照。可以看出，HN處理中林木生長(zhǎng)率隨徑階的增大而減小。施氮處理對(duì)8徑階林木生長(zhǎng)速率的促進(jìn)作用最大，顯著高于其他徑階。

圖2 樟樹(shù)林不同徑階林木生長(zhǎng)對(duì)氮添加的響應(yīng)Fig.2 Responses of mean DBH of different diameter classes in camphor forest to nitrogen addition

2.3 施氮處理下土壤中可利用氮

MN、HN施氮處理土壤中銨態(tài)氮含量高于CK組，但LN處理土壤銨態(tài)氮含量小于CK，MN處理顯著高于CK處理，LN、HN處理與CK處理無(wú)顯著差異。施氮處理下樟樹(shù)林土壤中硝態(tài)氮含量均較對(duì)照組有所增大，趨勢(shì)為隨施氮濃度升高而增大，LN、MN和HN處理土壤中硝態(tài)氮顯著高于CK處理。

圖3 不同施肥處理下樟樹(shù)林土壤中可利用氮的含量Fig. 3 Contents of soil available nitrogen in camphor stand treated with fertilization

LN、MN和HN處理土壤中總有效氮含量分 別 為 15.62±1.41 mg·kg-1、18.95±1.16 mg·kg-1和 18.45±1.36 mg·kg-1， 分 別 高 出 對(duì) 照 8.47%、31.60%和28.13%，MN、HN處理與CK處理間差異顯著。

3 討 論

經(jīng)過(guò)2年的施氮，施氮促進(jìn)了林木胸徑的生長(zhǎng)，且氮沉降水平越高，林木胸徑生長(zhǎng)的越快。生態(tài)系統(tǒng)為氮素限制類(lèi)型時(shí)，施氮可以提高土壤中有效氮水平，促進(jìn)林分的生長(zhǎng)。本研究中氮添加增加了土壤中硝態(tài)氮和氨態(tài)氮的量（LN處理硝態(tài)氮除外），與樊后保等的研究結(jié)果一致[11]。氮輸入能增加土壤和凋落物層中礦質(zhì)氮含量，降低硝化菌、反硝化菌與植物對(duì)礦質(zhì)氮的競(jìng)爭(zhēng)，增加土壤的礦化硝化，從而增進(jìn)土壤氮的有效性[12]。本研究中，施氮后土壤中有效氮含量出現(xiàn)增加的同時(shí)，林分生長(zhǎng)率也有所增加，可以認(rèn)為研究區(qū)樟樹(shù)林屬于氮限制生態(tài)系統(tǒng)。在其他氮添加試驗(yàn)中，相似氮添加水平下，林木生長(zhǎng)量比對(duì)照處理高出16. 36%～105. 6%[13-15]。本研究中施氮處理林木生長(zhǎng)率高出對(duì)照5.29%～14.10%，小于其他研究所得結(jié)論。原因可能在于本研究區(qū)為高氮沉降區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)可能處于近氮飽和狀態(tài)，外加氮源的輸入僅有部分被植物所吸收利用，其他氮素可能會(huì)降雨過(guò)程而流失。

氮添加對(duì)樹(shù)木的生長(zhǎng)存在明顯徑階差別。施氮能夠明顯提高8 cm徑階和30 cm徑階的林木生長(zhǎng)率，對(duì)24 cm徑階的林分生長(zhǎng)抑制作用。表明在樟樹(shù)快速生長(zhǎng)的幼樹(shù)階段，冠層增長(zhǎng)迅速，對(duì)氮素需求較大，此時(shí)施加氮肥能夠有效的提高林木的生長(zhǎng)速率。處于16 cm和24 cm徑階的林木對(duì)氮的需求很低，無(wú)需外加氮源即可滿(mǎn)足生長(zhǎng)需求，此時(shí)施氮并不能提高林分生長(zhǎng)率，反而會(huì)出現(xiàn)抑制作用。而30 cm徑階的林木，施以低、中濃度的氮肥，亦可有效增加其林分生長(zhǎng)率。

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Effect of nitrogen addition on tree growth in subtropical Cinnamomum camphora forest

ZHENG Wei1,2, YAN Wen-de1,2, LIANG Xiao-cui1,2, ZHANG Chao1,2, ZHAO Liang-sheng1,2
(1. Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China)

By using a manual nitrogen addition method, the responses of growth Cinnamomum camphora forest growth to different nitrogen addition levels [CK, 0 g·m-2a-1; 5 g·m-2a-1(low nitrogen); 15 g·m-2a-1(middle nitrogen); 30 g·m-2a-1(high nitrogen)]. The results indicate that the nitrogen addition stimulated the growth of diameter at bread height(DBH), the growth rate of DBH in LN, MN and HN plots were higher than that in CK plots separately by 5.29%, 4.82% and 14.10, the nitrogen addition with different levels had the positive effects on height growth of the trees; As the increase of nitrogen addition levels, the height growth rates have small increment, the DBH growth rates of LN, MN and HN plots were higher than that of the control’s separately by 7.69%, 8.23% and10.66%, this showed that the nitrogen addition has an obvious enhancement for low diameter class trees, and had a negative effect on medium diameter class trees;the nitrogen addition treatments increased the content of available nitrogen in soil, the contents of available nitrogen in LN, MN and HN plots were higher than that in control plot by 8.47%, 31.60% and 28.13%.

Cinnamomum camphora; growth rate; nitrogen inclution treatments; contents of soil available nitrogen

S792.23

A

1673-923X(2013)04-0034-04

2012-11-28

國(guó)家“十二五”科技支撐項(xiàng)目（2011BAD38B0204）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NCET-10-0151）；長(zhǎng)沙市科技局項(xiàng)目（K1003009-61）；中南林業(yè)科技大學(xué)青年科學(xué)研究基金重點(diǎn)項(xiàng)目（QJ2010008A）

鄭 威（1982-），男，河南安陽(yáng)人，博士研究生，主要從事城市生態(tài)學(xué)研究

閆文德（1968-），男，甘肅武威人，教授，博導(dǎo)，主要從事生態(tài)學(xué)研究；E-mail：csfuywd@hotmail.com

[本文編校：吳 彬]