氮沉降對杉木人工林土壤化學(xué)計(jì)量特征的影響

郭虎波，吳建平，袁穎紅，劉文飛，樊后保，許魯平，張子文，孟慶銀

(1.南昌工程學(xué)院生態(tài)與環(huán)境科學(xué)研究所，江西 南昌 330099； 2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045； 3.福建省沙縣官莊國有林場，福建 沙縣 365503)

氮沉降對杉木人工林土壤化學(xué)計(jì)量特征的影響

郭虎波1，2，吳建平1，袁穎紅1，劉文飛1，樊后保1，許魯平3，張子文3，孟慶銀3

(1.南昌工程學(xué)院生態(tài)與環(huán)境科學(xué)研究所，江西 南昌 330099； 2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045； 3.福建省沙縣官莊國有林場，福建 沙縣 365503)

以福建沙縣官莊國有林場杉木人工林模擬氮沉降試驗(yàn)平臺(tái)為對象，研究土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征對氮沉降(N沉降量分別為0、60、120、240 kg·hm-2·a-1)的響應(yīng)。連續(xù)7 a的試驗(yàn)結(jié)果表明：模擬氮沉降對土壤碳含量影響不顯著，對土壤氮含量和氮磷比有增加作用而對土壤磷含量有減少作用。但模擬氮沉降的效應(yīng)主要集中在表層土壤，表明加強(qiáng)對表層土壤生物地球化學(xué)循環(huán)研究可以更好地評價(jià)生態(tài)系統(tǒng)對氮沉降的響應(yīng)。

氮沉降；杉木人工林；土壤化學(xué)計(jì)量特征

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)結(jié)合了生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)基本原理，是研究生物系統(tǒng)能量平衡和多重化學(xué)元素平衡的科學(xué)，特別在C、N、P生物地球化學(xué)循環(huán)研究中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。由于C、N、P元素是重要的生命元素，其在生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)水平上都是相互聯(lián)系的整體，并且受到外界環(huán)境變化和生態(tài)系統(tǒng)本身特性的影響[2]。例如，黃土高原典型草原開展的試驗(yàn)表明氮素添加增加了植物組織的C和N含量，但是氮素添加導(dǎo)致N和P元素比例失調(diào)，反而進(jìn)一步加劇了P元素的限制現(xiàn)狀[3]。對南亞熱帶森林不同演替階段植物和土壤中N和P化學(xué)計(jì)量特征研究發(fā)現(xiàn)，在表層土壤中N和P元素含量呈現(xiàn)增加趨勢，但植物葉片中的N和P含量呈現(xiàn)減少的趨勢，并指出P元素是南亞熱帶森林重要限制性因子[4]。以往的研究集中在大尺度和植物體為對象，而對環(huán)境變化下土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量研究還不足。土壤中碳庫含量的大小也受到C、N、P比例的影響[5]，因此研究環(huán)境變化下的土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)響應(yīng)還需要更多的實(shí)例研究。

氮沉降是全球變化的核心內(nèi)容之一，據(jù)研究在過去的一個(gè)世紀(jì)中，氮沉降量是以前時(shí)期的3～5倍[6]。由于石化燃料和森林生物量消耗仍在持續(xù)，氮沉降量在本世紀(jì)還將繼續(xù)增加[7]。目前已有研究表明氮沉降增加影響森林生態(tài)系統(tǒng)的諸多方面，例如植物生長、群落多樣性和土壤酸化等[8-9]，但氮沉降對土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)方面的研究還需加強(qiáng)?；诖耍狙芯恳劳虚L期野外氮沉降試驗(yàn)平臺(tái)，以我國南方普遍造林樹種杉木為對象，探討土壤化學(xué)計(jì)量特征對氮沉降的響應(yīng)，為全面評價(jià)氮沉降對生態(tài)系統(tǒng)的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地設(shè)在福建省三明市沙縣官莊國有林場白溪工區(qū)21林班8小班南坡上，位于117°43′29″E、26°30′47″N。屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，四季氣溫溫暖適中，日照充足，年平均氣溫18.8～19.6 ℃，年均降水量1606～1650 mm，無霜期271 d。平均海拔200 m左右，土壤為山地紅壤。試驗(yàn)林為1992年?duì)I造的杉木人工林，面積6 hm2。林下植被稀疏，以芒萁(Dicranopterisdichotoma)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)、蕨(Pteridiumaquilinumvar.latiusculum)等為主。

1.2 研究方法

1.2.1 模擬氮沉降方法 2003年12月，選擇林分和立地條件相似的杉木人工林建立面積均為20 m×20 m的固定試驗(yàn)樣地12塊，樣地內(nèi)設(shè)15 m × 15 m中心區(qū)域，以便破壞性試驗(yàn)在中心區(qū)外圍的處理區(qū)進(jìn)行。采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，按氮施用量的高低設(shè)4種處理，從低到高分別標(biāo)記為N0(0 kg·hm-2·a-1，對照)，N1(60 kg·hm-2·a-1)，N2(120 kg·hm-2·a-1)，N3(240 kg·hm-2·a-1)，每種處理重復(fù)3次。于2004年1月開始進(jìn)行模擬氮沉降試驗(yàn)，每月月初按照處理水平的要求，將CO(NH2)2溶解在20 L水中，以背式噴霧器在林地人工來回均勻噴灑。對照樣地噴施同樣量的水，以減少因外加的水而造成對林木生物地球化學(xué)循環(huán)的影響。

1.2.2 取樣和處理 2011年7月每樣地挖取3個(gè)土壤剖面，分層(表層0～20 cm，中層20～40 cm，底層40～60 cm)取土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干研磨，過100目土壤篩后，裝入密封的玻璃瓶中待實(shí)驗(yàn)分析。

1.2.3 測定方法 有關(guān)項(xiàng)目測定均按常規(guī)方法[11]進(jìn)行。土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-外加熱法；全氮采用半微量凱氏定氮法；全磷采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)分析 本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003、Spss 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤C、N、P含量

由圖1可知，土壤有機(jī)碳含量在0～60 cm土層中都以N2處理最大，N3處理最小，但統(tǒng)計(jì)分析表明模擬氮沉降對土壤有機(jī)碳含量的影響都不顯著。在0～20 cm土層中，模擬氮沉降增加了土壤全氮含量，并且在N3處理顯著增加，與N0相比，增加了8.45%；在20～40 cm土層中，與N0相比，N1和N2處理顯著增加了土壤全氮含量，分別增加了20.46%、16.4%；N3處理土壤全氮含量有一定增加，但未達(dá)顯著水平；在40～60 cm土層中表現(xiàn)出與0～20、20～40 cm土層不一致的趨勢，各模擬氮沉降處理對土壤氮含量影響不明顯。土壤全磷含量在0～20 cm土層中表現(xiàn)為下降趨勢，依次為N0>N2>N3>N1，其中N1處理顯著降低土壤中全磷的含量，N2和N3處理的下降量未達(dá)到顯著差異水平；在20～60 cm土層中，模擬氮沉降對土壤全磷的影響很小，統(tǒng)計(jì)分析均未達(dá)到顯著水平。

2.2 土壤C∶N∶P化學(xué)計(jì)量比

由圖2可知，土壤碳氮比和碳磷比表現(xiàn)出與土壤有機(jī)碳含量一致的趨勢，N2處理最大，但是統(tǒng)計(jì)分析表明各處理間和各土層間差異均不顯著。僅在40～60 cm土層中N1處理土壤碳氮比值顯著減少；在20～40、40～60 cm土層中，土壤碳氮比和碳磷比從N2到N3處理間有明顯下降的趨勢。土壤氮磷比在0～20 cm土層中表現(xiàn)為上升趨勢，N0處理最小，N3處理顯著增加；在20～40 cm土層中，氮磷比值變化不明顯，各處理間未達(dá)到顯著水平；在40～60 cm土層中，氮磷比表現(xiàn)為N1處理最大，N2處理顯著下降，比對照下降22.5%，N1和N3處理對氮磷比值影響不顯著。

同一部分不同字母為差異顯著(P<0.05)。下同。圖1 模擬氮沉降對土壤C、N、P含量影響

圖2 模擬氮沉降對土壤C∶N∶P化學(xué)計(jì)量特征影響

2.3 相關(guān)性分析

通過分析不同氮沉降水平土壤有機(jī)碳(C)與全氮(N)、全磷(P)、碳氮比(C∶N)等之間的相關(guān)性(表1)可以發(fā)現(xiàn)，各土層土壤C、N、P之間的相關(guān)性均不顯著，而C與C∶N、C∶P均達(dá)到極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤全N與N∶P之間也均有顯著正相關(guān)性，其中0～20、40～60 cm土層達(dá)到極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤全N與C∶N之間在0～20、40～60 cm土層存在顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，而在20～40 cm土層相關(guān)性不顯著。土壤全P與N∶P之間也均存在顯著負(fù)相關(guān)性，其中0～20 cm達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，而與C∶P相關(guān)性不顯著(P>0.05)。所有土層土壤中C∶N與C∶P之間均達(dá)到顯著正相關(guān)，其中在20～60 cm土層達(dá)到極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表1 土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征相關(guān)分析

*：n=12，*為相關(guān)性達(dá)顯著水平(P<0.05)，**為相關(guān)性達(dá)極顯著水平(P<0.01)。

3 結(jié)論與討論

本研究表明在氮沉降后土壤有機(jī)碳含量沒有表現(xiàn)出顯著差異，僅有小幅度的變化。氮添加試驗(yàn)對土壤碳的積累效應(yīng)通常不顯著，在熱帶地區(qū)的研究表明氮沉降對總的土壤有機(jī)碳含量有促進(jìn)作用，增加的部分來源于不易分解的礦物質(zhì)相關(guān)的碳含量，而對易分解部分碳增加效應(yīng)不明顯[12-13]。主要原因有可能是氮沉降雖然在一定時(shí)期內(nèi)增加了植物的生長，但植物對地下部分的碳輸入的量并沒有同步增加[14]。植物凋落物輸入碳與輸入氮相結(jié)合成難分解的碳組分，從而增加了礦物相關(guān)的碳含量[15]。結(jié)果還發(fā)現(xiàn)在深層土壤中土壤有機(jī)碳含量變化也不明顯，可能是由于土壤微生物活性的減少，使得表層的碳輸入很難通過微生物的分解活動(dòng)到達(dá)更深的土層中，從而使得僅僅增加了表層的碳含量[14]。

由于氮的額外輸入，土壤全氮的含量通常表現(xiàn)出增加的趨勢，本試驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)模擬氮沉降增加了土壤氮含量。但是在40～60 cm土層中氮含量差異不顯著，這可能與施肥的方式和濃度有關(guān)。本試驗(yàn)中采用噴霧的形式，大部分的氮停留在表層土壤，而南方水熱同期的氣候特征使得大部分添加的氮由于揮發(fā)或淋失而損失，并沒有到達(dá)深層土壤[16]。在亞熱帶地區(qū)，氮的輸入有可能增加植物對磷元素的吸收，從而增加了對磷元素的需求，以至于減少了土壤中磷的含量[4]。本研究中0～20 cm土層中磷元素在氮沉降后減少，但由于磷元素以閉蓄態(tài)為主的生物地球化學(xué)循環(huán)，在20～60 cm土層中各處理間的磷含量并沒有表現(xiàn)出顯著差異。

由于土壤有機(jī)碳含量變化不明顯，而土壤全氮增加的幅度也不大，土壤碳氮比值在各處理和不同土層間變化一般不顯著。土壤全磷的含量比土壤有機(jī)碳含量相對較小，碳磷比值主要受到碳含量的影響，這可能是土壤碳磷比在各處理間和各土層間變化不顯著的原因。氮磷比值作為重要的化學(xué)計(jì)量特征，在0～20 cm土層中處理效應(yīng)明顯，主要是增加表層土壤氮含量和減少土壤磷含量的共同結(jié)果。而在20～60 cm土層中氮磷比值變化不顯著，說明相對于深層土壤，在表層土壤中的生物地球化學(xué)循環(huán)更為強(qiáng)烈。

總之，通過7 a的試驗(yàn)研究表明，模擬氮沉降對土壤碳影響不明顯，對土壤氮和磷有一定的影響，而且主要集中在表層土壤中。鑒于土壤化學(xué)計(jì)量特征對生態(tài)系統(tǒng)的重要指示作用，對表層土壤相關(guān)生態(tài)因子的測定可能是研究的重點(diǎn)，可以更好地評估氮沉降對生態(tài)系統(tǒng)的影響。

[1]曾德慧，陳廣生.生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)：復(fù)雜生命系統(tǒng)奧秘的探索[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，29(6)：1007-1019.

[2]賀金生，韓興國.生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)：探索從個(gè)體到生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)一化理論[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，34(1)：2-6.

[3]安卓，牛得草，文海燕，等.氮素添加對黃土高原典型草原長芒草氮磷重吸收率及C∶N∶P化學(xué)計(jì)量特征的影響[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，35(8)：801-807.

[4]劉興詔，周國逸，張德強(qiáng)，等.南亞熱帶森林不同演替階段植物與土壤中N、P的化學(xué)計(jì)量特征[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，34(1)：64-67.

[5]王紹強(qiáng)，于貴瑞.生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28(8)：3937-3947.

[6]JANSSENS I，DIELEMAN W，LUYSSAERT S，et al.Reduction of forest soil respiration in response to nitrogen deposition[J].Nature Geoscience，2010，3(5)：315-322.

[7]GALLOWAY J N，TOWNSEND A R，ERISMAN J W，et al.Transformation of the nitrogen cycle：recent trends，questions，and potential solutions[J].Science，2008，320(5878)：889-892.

[8]HOGBERG P，F(xiàn)AN H，QUIST M，et al.Tree growth and soil acidification in response to 30 years of experimental nitrogen loading on boreal forest[J].Global Change Biology，2006，12(3)：489-499.

[9]LU X，MO J，GILLIAM F S，et al.Effects of experimental nitrogen additions on plant diversity in an old-growth tropical forest[J].Global Change Biology，2010，16(10)：2688-2700.

[10]劉文飛，樊后保.杉木人工林凋落物C，N，P歸還量對氮沉降的響應(yīng)[J].林業(yè)科學(xué)，2011，47(3)：89-95.

[11]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，1999.

[12]LI Y，XU M，ZOU X.Effects of nutrient additions on ecosystem carbon cycle in a Puerto Rican tropical wet forest[J].Global Change Biology，2006，12(2)：284-293.

[13]CUSACK D，SILVER W，TORN M，et al.Effects of nitrogen additions on above-and belowground carbon dynamics in two tropical forests[J].Biogeochemistry，2011，104(1-3)：203-225.

[14]LIU L，GREAVER T L.A global perspective on belowground carbon dynamics under nitrogen enrichment[J].Ecology Letters，2010，13(7)：819-828.

[15]MORAN K K，SIX J，HORWATH W R，et al.Role of mineral-nitrogen in residue decomposition and stable soil organic matter formation[J].Soil Science Society of America Journal，2005，69(6)：1730-1736.

[16]FANG Y，GUNDERSEN P，MO J，et al.Nitrogen leaching in response to increased nitrogen inputs in subtropical monsoon forests in southern China[J].Forest Ecology and Management，2009，257(1)：332-342.

Effects of N Deposition on Soil Stoichiometric Characteristics of Chinese fir Plantation

GUO Hu-bo1，2，WU Jian-ping1，YUAN Ying-hong1，LIU Wen-fei1，F(xiàn)AN Hou-bao1，XU Lu-ping3，ZHANG Zi-wen3，MENG Qin-yin3

(1.ResearchInstituteofEcology&EnvironmentalSciences，NanchangInstituteofTechnology，Nanchang330099，Jiangxi，China； 2.CollegeofLandscapeandArt，JiangxiAgriculturalUniversity，Nanchang330045，Jiangxi，China；3.ShaxianGuanzhuangStateForestFarmofFujianProvince，Shaxian365503，F(xiàn)ujian，China)

Taking the simulated nitrogen deposition experiment field in a Chinese fir plantation Shaxian Guanzhuang State Forest Farm of Fujian Province as the researched object，this paper studied the responses of soil carbon，nitrogen，phosphorus and their stochiometric characteristics on nitrogen deposition.Which were 0，60，120 and 240 kg·hm-2·a-1.The continuous 7-year-long experiment results showed that the simulated nitrogen deposition did not effect evidently on the soil carbon content，but increased soil nitrogen concentration and ratios of N：P and decreased concentrations of soil phosphorus.The responses of stochiometric characteristics were mainly focused in the upper soil layer，which indicated that more attention should be paid to the upper soil biogeochemical cycle research in order to appropriately assess the effects of ecosystem on nitrogen deposition.

nitrogen deposition；Chinese fir plantation；soil stoichiometric characteristic

10.13428/j.cnki.fjlk.2014.01.001

2013-05-09；

2013-05-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31060109；31200406)；江西省教育廳科技落地計(jì)劃(KJLD12097)

郭虎波(1986—)，男，河北石家莊人，南昌工程學(xué)院生態(tài)與環(huán)境科學(xué)研究所碩士研究生，從事土壤生態(tài)學(xué)研究。E-mail：huboguo@hotmail.com。

樊后保(1965—)，男，江西修水人，南昌工程學(xué)院生態(tài)與環(huán)境科學(xué)研究所教授，博士，從事森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與酸沉降研究。E-mail：hbfan@nit.edu.cn。

S714.2；S791.27

A

1002-7351(2014)01-0001-05