森林表層土壤微生物碳氮庫對大氣氮沉降增加的響應(yīng)

羅獻(xiàn)寶，梁瑞標(biāo)，王亞欣

廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西 南寧 530005

森林生態(tài)系統(tǒng)在全球碳氮循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，森林土壤碳庫約占全球土壤有機(jī)碳總量的73%（Sedjo，1993），森林土壤氮庫儲量超過森林生態(tài)系統(tǒng)氮素總量的85%（Cole和Rapp，1981）。土壤碳氮庫的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化過程是森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，研究森林土壤碳氮循環(huán)對于充分認(rèn)識森林生態(tài)系統(tǒng)與全球碳氮變化的關(guān)系具有重要意義。20世紀(jì)以來，由于人類活動(dòng)劇烈導(dǎo)致大氣中含氮化合物在全球主要生態(tài)系統(tǒng)中的沉降量迅速上升，上世紀(jì) 90年代全球陸地生態(tài)系統(tǒng)氮沉降量已高達(dá)63.5 Mt，是工業(yè)革命前的3.6倍（Stevens等，2004）。根據(jù)大氣網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)，我國東北地區(qū)長白山森林生態(tài)系統(tǒng)的氮沉降已高達(dá) 23 kg·hm-2·a-1（胡艷玲等，2009），高于歐洲地區(qū)氮沉降量。由于大氣氮沉降增加有可能在全球尺度范圍內(nèi)引起森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)特征發(fā)生改變，故該問題引起了國際社會的高度關(guān)注（Galloway和Cowling，2002；蔡玉婷等，2013）。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)碳氮轉(zhuǎn)化過程的生物因素，其自身也是土壤活性碳氮庫的重要組成部分。雖然土壤微生物量僅占土壤總有機(jī)碳的1%~3%（Laurie等，1999），但是土壤微生物在陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，在土壤碳氮循環(huán)及其對環(huán)境干擾的響應(yīng)中具有表征功能（尉海東和董彬, 2013）。雖然已有不少研究報(bào)道大氣氮沉降增加對森林土壤生態(tài)系統(tǒng)碳氮過程的影響（胡艷玲等，2009），但是森林土壤微生物對氮沉降響應(yīng)的研究尚不多見?，F(xiàn)有的關(guān)于氮沉降對土壤碳氮過程影響因素的研究多是偏重于氮素的劑量及其干擾的時(shí)效，往往忽略了氮沉降組分中的氮素形態(tài)及其伴隨離子的影響效應(yīng)。本研究通過人工模擬氮沉降增加的方式，探討溫帶森林土壤及其微生物碳氮庫對不同形態(tài)氮沉降的響應(yīng)，有助于更加全面地認(rèn)識氮沉降干擾對森林土壤碳氮庫的影響。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地位于中國科學(xué)院長白山森林生態(tài)系統(tǒng)定位站 1 號標(biāo)準(zhǔn)樣地（128°05′ E，42°24′ N），該地區(qū)屬于季風(fēng)溫帶大陸性山地氣候，年平均氣溫3.6 ℃，無霜期約120 d，年平均降雨量是855 mm，約有88%的降雨發(fā)生于4月至9月（Zhu等，2009）。研究區(qū)域坡度1°~5°，平均海拔高度738 m。植物群落類型為闊葉紅松林（屬復(fù)層異齡原始林），總郁閉度0.8，立木株數(shù)約560株·hm-2，優(yōu)勢樹種林齡約 180 a左右，以紅松（Pinus koraiensis）、紫椴（Tilia amurensis）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）、蒙古櫟（Quercus mongolica）及色木槭（Acer mono）為主要建群種，其中紅松約占林分蓄積量的30%（Zhu等，2007）。研究樣地的土壤類型是火山灰母質(zhì)發(fā)育的山地暗棕色森林土，土壤排水良好，土層厚度20~100 cm，有機(jī)質(zhì)層平均厚度約7 cm，土壤剖面的基本性質(zhì)見Xu等的研究結(jié)果（Xu等，2007）。

1.2 研究方法

本研究設(shè)計(jì)3個(gè)試驗(yàn)處理，包括對照處理和兩種氮素形態(tài)處理（NH4Cl和KNO3），野外試驗(yàn)設(shè)置4次重復(fù)（隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)），小區(qū)規(guī)格1.5 m×1.5 m并且保持間距>2 m（小區(qū)周邊3 m內(nèi)有高大喬木分布）。試驗(yàn)氮素處理劑量為 40 kg·hm-2·a-1，平均分配于生長季節(jié)的各月份（5月至10月）。模擬氮沉降自2008年9月開始實(shí)施，于每月上旬將氮肥溶液噴灑于小區(qū)（對照處理用水），模擬降雨量是 5 mm。

土壤樣品采集時(shí)間分別是2009年5月30日、7月30日以及9月29日，分別處于該研究期的春季、夏季和秋季的中間時(shí)期。用土鉆（長10 cm，直徑3 cm）在小區(qū)中隨機(jī)采集土壤樣品（由2個(gè)土鉆樣合并而成）。樣品帶回室內(nèi)去除枯枝、落葉等可辨雜物，經(jīng)3 mm孔徑土篩后在4 ℃條件下保存待分析。

土壤重量含水量用烘干法測定，土壤pH值（土水比1:2.5）用玻璃復(fù)合電極-酸度計(jì)（Thermo Orion，868，美國）測定。土壤銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）含量用 KCl浸提-比色法測定，土樣經(jīng) KCl溶液（1 mol·L-1）振蕩浸提 1 h（土液比 1:5），浸提液通過濾紙，待測液用靛酚藍(lán)比色法和硫酸銅還原-重氮化偶合比色法分別測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮（Tan，1995）。土壤微生物量碳（Soil microbial biomass carbon，SMBC）和土壤微生物量氮（Soil microbial biomass nitrogen，SMBN）含量采用氯仿熏蒸-浸提法測定（Vance等，1987），熏蒸與未熏蒸的土壤樣品用K2SO4溶液（0.5 mol·L-1）振蕩浸提60 min（土液比1:5），浸提液通過濾紙，待測液使用TOC/TN分析儀（Analytik Jena, multi TOC/TN 3000，德國）測定溶解性有機(jī)碳（Dissolved organic carbon，DOC）和溶解性總氮（Total dissolved nitrogen，TDN）的濃度，以熏蒸前后DOC和TDN的濃度差分別計(jì)算SMBC和SMBN。熏蒸與未熏蒸土壤的K2SO4浸提液還分別測定了銨態(tài)氮、硝態(tài)氮（上述比色法）和浸提液在 254 nm處的吸光度（Abs254，Shimadzu，UV-mini 1240，日本）。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)

氣象資料由中國科學(xué)院長山森林生態(tài)系統(tǒng)定位站提供。計(jì)算SMBC和SMBN的矯正系數(shù)是0.45（Jenkinson，1988；Wu和Joergensen，1990）。熏蒸與未熏蒸土壤的K2SO4浸提液中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和TDN的含量差值用于估算氯仿熏蒸所釋放的土壤微生物氮庫，包括氯仿釋放的總氮（Chloroform fumigation total nitrogen，CFTN）、銨態(tài)氮（Chloroform fumigation ammonium，CFA）、硝態(tài)氮（Chloroform fumigation nitrate，CFN）以及有機(jī)氮（總氮減去無機(jī)氮，Chloroform fumigation DON，CFDON）（Brookes等，1985）。未熏蒸土壤K2SO4浸提液的 Abs254用于計(jì)算 DOC的特征吸光系數(shù)（Specific ultraviolet absorbance，SUVA）（Jaffrain 等，2007），公式是：SUVA（L·mg-1·m-1）= 100× Abs254（cm-1）/DOC（mg·L-1），式中 Abs254 是土壤 K2SO4鹽浸提溶液在254 nm處的吸光度（1 cm光徑），系數(shù)100是將cm換算為m。

方差分析用于研究氮沉降對土壤和微生物碳氮庫的影響及其季節(jié)性變化，以多重比較（最小顯著差數(shù)法，LSD0.05）研究不同檢驗(yàn)因素之間的差異顯著性。土壤與微生物碳氮庫之間的相關(guān)關(guān)系采用Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，并對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（p< 0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象條件及氮沉降對土壤主要碳氮屬性的影響

研究地區(qū) 2009年的氣象條件符合溫帶大陸性季風(fēng)氣候“雨熱同季”的典型特征（圖1-1）。生長季中春季（5~6月）、夏季（7~8月）和秋季（9~10月）的總體趨勢是：春季升溫多小雨；夏季高溫多大雨；秋季降溫而少雨。本研究在5月、7月和9月的月末采集土壤樣品，分別處于春季、夏季和秋季的中間時(shí)期，可以較好地代表各季節(jié)土壤和微生物的屬性。觀測期5月、7月和9月的平均土溫分別是14.7 ℃、20.3 ℃和14.1 ℃，當(dāng)月降雨量分別是47.4 mm、147.6 mm和42.6 mm。

表1顯示，土壤pH值以及主要碳氮庫具有顯著季節(jié)性差異，夏季土壤pH值顯著高于春、秋季（p<0.05），可能是夏季多降雨使得土壤保持高濕度的結(jié)果。雖然土壤NH4+-N含量在不同季節(jié)間變異大，且夏季平均值最高，但是與春季和秋季的差異不顯著（p=0.36）。土壤 NO3--N季節(jié)差異顯著（p<0.05），春季高于夏、秋季。春季NO3--N高可能與此前凍融期土壤氮庫的釋放且發(fā)生硝化作用有關(guān)（傅民杰等，2009）；由于夏季多降雨而硝態(tài)氮淋溶強(qiáng)烈，因此該季節(jié)土壤最低。作為表層土壤重要的活性碳庫（Kalbitz等，2000），土壤（K2SO4浸提）DOC含量在春、夏季顯著高于秋季（表1，p<0.05），春季較高的DOC可能來自于此前凍融交替期土壤碳庫的釋放，而夏季土壤 DOC主要源于細(xì)根活躍分泌的有機(jī)物質(zhì)（Jones等，2004）。SUVA值是土壤DOC相對芳化豐度的指標(biāo)（Jaffrain等，2007），夏季根系的分泌物多是糖類物質(zhì)（芳環(huán)基團(tuán)少）（Jones等，2004），因此 SUVA值顯著低于春、秋季（表1，p<0.05）。由于氮沉降處理和季節(jié)變化無顯著交互性，因此氮處理對土壤屬性的季節(jié)變化沒有影響。

圖1 氣象條件以及土壤微生物碳、氮庫對氮沉降的響應(yīng)Fig.1 Meteorological Condition and Response of Soil Microbial Biomass Carbon and Nitrogen to N Deposition

氮沉降的研究結(jié)果顯示（表1），NH4Cl形態(tài)的氮沉降處理（簡稱NH4Cl處理，KNO3處理的意義類同）的土壤 pH值顯著低于對照和 KNO3處理（p<0.05），這與硝化致酸以及植物根系選擇吸收有關(guān)（Marschner，1996）。雖然NH4Cl處理和 KNO3處理對土壤無顯著影響（p=0.31），但是KNO3處理的土壤顯著高于對照和NH4Cl處理（p<0.05），這可能是輸入的直接結(jié)果。在本試驗(yàn)研究期間，氮沉降處理對森林表層土壤（K2SO4浸提）DOC含量及其SUVA值均無顯著影響（表1）。因此，表層土壤活性碳庫的數(shù)量和品質(zhì)對氮沉降未發(fā)生可觀測的響應(yīng)。由于研究樣地表層土壤有機(jī)質(zhì)含量較高（Xu等，2007），土壤碳素轉(zhuǎn)化過程對短期性氮干擾可能具有較強(qiáng)的緩沖能力。

表1 土壤碳氮屬性的季節(jié)性變化及其對氮沉降的響應(yīng)Table 1 Seasonal pattern of soil carbon-nitrogen properties and its response to N deposition

2.2 土壤微生物碳氮庫對氮沉降的響應(yīng)

在本研究林地中，SMBC在秋季顯著低于春、夏季（圖 1-2，p<0.05），該結(jié)果與趙玉濤的研究報(bào)告一致（趙玉濤等，2009），由于秋季降溫快且降雨少，植物根系活動(dòng)減弱，土壤微生物的活性隨之降低。雖然KNO3處理的SMBC與對照無顯著差異，但是NH4Cl處理的SMBC含量顯著降低（圖1-2，p<0.05），原因可能是NH4Cl處理引起的土壤 pH值降低對土壤微生物活動(dòng)產(chǎn)生不利影響（表 1）。SMBN 無顯著性季節(jié)差異（圖 1-3，p=0.18），KNO3處理的SMBN與對照差異不顯著（圖1-3），但是NH4Cl處理的SMBN顯著低于對照（p<0.05），說明在本研究期間（或者劑量條件），土壤微生物氮庫沒有因?yàn)榈斎朐黾佣龃螅鳱H4Cl形態(tài)的氮沉降甚至出現(xiàn)微生物氮庫減小的結(jié)果。氮沉降處理的微生物碳氮比（SMBC:SMBN）顯著高于對照處理（圖 1-4，p<0.05），表明在研究期間土壤微生物碳氮庫的構(gòu)成比例出現(xiàn)變化，即微生物氮庫相對減少。

氯仿熏蒸處理土壤過程中，土壤氮的增量主要源于微生物氮素的釋放（Brookes等，1985），而且熏蒸期間有機(jī)氮的礦化作用弱（Shen等，1984），因此熏蒸與未熏蒸土壤氮的差值可估算土壤微生物氮庫的不同形態(tài)組成。在氯仿釋放氮庫中，無機(jī)氮幾乎全是（熏蒸前后無差異），占 TN的 16%（均值），這與 Brookes的報(bào)道一致（Brookes等，1985），可能是因?yàn)橥寥牢⑸飳Φ耐蚬坛肿饔幂^弱（Vervaet等，2004）。圖1-5顯示，夏季土壤CFA（氯仿釋放的銨態(tài)氮）顯著高于春、秋季（p<0.05），而且該季節(jié) NH4Cl處理的 CFA顯著低于對照和KNO3處理（p<0.05）。雖然CFDON（氯仿釋放的有機(jī)氮）季節(jié)差異不顯著（圖 1-6，p=0.82），但是NH4Cl處理的CFDON顯著低于對照和KNO3處理（春季，p<0.05）。由于不同氮沉降處理的CFA:CFDON無顯著差異（數(shù)據(jù)未列出，p=0.54），因此，微生物量減少（SMBC低）可能是 NH4Cl處理微生物氮庫減少的原因之一。

2.3 土壤碳氮庫與微生物碳庫的相關(guān)性

基于 2009年生長季節(jié)的數(shù)據(jù)，土壤屬性與土壤微生物碳氮庫的相關(guān)系數(shù)列于表 2。結(jié)果顯示SMBC顯著正相關(guān)于土壤濕度（對照和 KNO3處理），說明土壤微生物受水分制約。由于NH4Cl處理的SMBC顯著降低（圖1-2），這種效應(yīng)可能削弱了該處理中SMBC與土壤濕度的相關(guān)性。雖然DOC是土壤微生物的重要碳源，但是在氮限制的樣地條件下，SMBC與DOC無顯著相關(guān)（對照處理）。當(dāng)土壤氮輸入增加時(shí)，SMBC顯著地正相關(guān)于 DOC而負(fù)相關(guān)于SUVA（如KNO3處理），說明氮限制緩解時(shí)，SMBC受制于土壤碳庫及其品質(zhì)（SUVA高則DOC芳化度高，難分解利用），類似效應(yīng)未出現(xiàn)在NH4Cl處理。

表2 土壤與微生物碳、氮庫的相關(guān)系數(shù)Table 2 Pearson’s Correlation Coefficient between Soil and Microbial Carbon and Nitrogen Pools

土壤微生物碳氮庫中C:N與SUVA呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（表 2對照處理），微生物碳氮比例受到土壤碳庫的品質(zhì)影響，而氮沉降處理削弱了這種關(guān)系（如 NH4Cl和 KNO3處理）。雖然對照和KNO3處理CFA與土壤分別呈極顯著和顯著正相關(guān)關(guān)系，但是NH4Cl處理卻不顯著，部分原因可能是土壤氮素轉(zhuǎn)化過程受到 Cl-的影響（Sindhu等，1967）。本研究還發(fā)現(xiàn)，氮沉降增加時(shí)土壤微生物氮庫土壤DOC顯著正相關(guān)（表2）。

3 討論

在本研究的試驗(yàn)條件下，雖然氮沉降增加對森林表層土壤主要碳氮庫尚未造成顯著影響，但是NH4Cl形態(tài)的氮沉降增加導(dǎo)致土壤pH值迅速地下降，由此推測表層土壤酸化可能是NH4Cl形態(tài)氮沉降影響森林土壤碳氮過程的關(guān)鍵機(jī)制，而同期KNO3形態(tài)氮沉降對土壤碳氮庫的影響尚不明確，這需要更長時(shí)間的觀測研究。

森林表層土壤微生物碳氮庫對KNO3形態(tài)的氮沉降輸入未表現(xiàn)出明顯的響應(yīng)，但是卻敏感地受到NH4Cl形態(tài)氮沉降增加的影響，土壤微生物碳、氮庫比對照處理總體減少 18%和32%（平均值）。因此，在NH4Cl形態(tài)氮沉降增加的作用下，森林表層土壤微生物碳氮庫的迅速減少不利于森林土壤氮素的生物固持，這將會加速森林土壤的氮素流失，引起氮沉降增加過程中森林土壤淋溶（“氮飽合”特征）增加的問題。在針對森林生態(tài)系統(tǒng)氮沉降的觀測研究中，氮素形態(tài)是除劑量和觀測時(shí)限以外的不應(yīng)忽視的重要研究因素。

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