模擬大氣氮沉降對(duì)柳杉人工土壤有機(jī)碳的影響

梁政 周琳 王鵬

摘要：指出了氮沉降引發(fā)的陸地生態(tài)系統(tǒng)退化和水體富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)系統(tǒng)“氮飽和”問(wèn)題，促使一些科學(xué)家開(kāi)始對(duì)氮沉降所引起生態(tài)系統(tǒng)退化問(wèn)題開(kāi)展研究。在華西雨屏區(qū)中心地帶，以人工柳杉林為研究對(duì)象，研究參照NTTREX項(xiàng)目和北美Harvord Forest研究設(shè)計(jì)，用NH4 N03進(jìn)行N沉降處理，共設(shè)4個(gè)水平：CK（0 kg/hm-2·年）、低N（50 kg/hm-2·年）、中N（100 kg/hm-2·年）和高N（150 kg/hm-2·年）。每月以溶液方式對(duì)林地進(jìn)行噴施，研究了0～20 cm土壤在施用不同氮含量的樣方中土壤有機(jī)碳含量的變化。通過(guò)1年的研究發(fā)現(xiàn)：土壤有機(jī)碳的含量隨著氮累積量的增加程先上升后下降的趨勢(shì)，并且除了2016年4月份那次之外，向土壤中施加Nl0比NO，N5和N15增加的有機(jī)碳要明顯多得多（P<0.01）。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)0～10cm的土層有機(jī)碳含量與10～20cm的土層有機(jī)碳含量相比差異顯著得多（P<0.01）。

關(guān)鍵詞：氮沉降;柳杉人工林;土壤;有機(jī)碳

中圖分類號(hào)：S791

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）03-064-03

1 引言

近幾十年來(lái)，全球氣候變化及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響受到人們的高度重視，其中因氮沉降引起生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的改變?cè)絹?lái)越受到科學(xué)家的關(guān)注[1-3]。中國(guó)繼歐美之后，成為世界第三大氮沉降地區(qū)，且氮沉降的速度仍然在逐年上升。目前，氮沉降的增加已造成了河口、?？诤徒人虻患完懙厣鷳B(tài)系統(tǒng)氮超負(fù)荷，并引起和將引起一系列嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題。如土壤酸化進(jìn)程加快，影響樹(shù)木生長(zhǎng)以及生態(tài)系統(tǒng)的功能和生物多樣性，甚至嚴(yán)重威脅生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，使森林衰退。

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在全球碳循環(huán)中扮演著匯（sink）、庫(kù)（pool）、源（source）的角色，具有不可替代的地位和作用[8-9]。盡管全球森林總面積僅占陸地面積的30%，但森林植被的碳庫(kù)約占植被碳庫(kù)總量的86%[10]，而且森林植被的碳固定能力和碳密度也遠(yuǎn)高于草地和農(nóng)田[7]。然而，由于土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)植物碳庫(kù)的3倍，土壤碳庫(kù)對(duì)氮沉降的響應(yīng)將顯著影響全球碳循環(huán)。

柳杉（Cryptomeria fortune）常綠喬木，為我國(guó)特有種，是南方重要用材速生樹(shù)種之一，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而有關(guān)柳杉人工林土壤有機(jī)碳對(duì)模擬氮沉降的響應(yīng)的研究還少見(jiàn)報(bào)道[11-13]。本文以柳杉人工林為研究對(duì)象，參照NTTREX項(xiàng)[4，5]和北美Harvord Forest[6-7]研究設(shè)計(jì)，通過(guò)研究模擬大氣氮沉降對(duì)柳杉人T林土壤有機(jī)碳的影響，以期為預(yù)測(cè)該地區(qū)在大氣氮沉降持續(xù)增加的情況下森林土壤的碳動(dòng)態(tài)提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于四川省西南部雅安市雨城區(qū)石蝦子林場(chǎng)，距縣城27km。地理位置介于103°04'～103°07'E、30°11'～30°13'N之間，行政隸屬于雅安市雨城區(qū)上里鎮(zhèn)白馬村。研究區(qū)域?qū)偎拇ㄅ璧匚鞑窟吘?，地形呈南北狹長(zhǎng)，地勢(shì)呈西北高、東南低，高低起伏懸殊，海拔977～1216m;氣候?qū)僦衼啛釒駶?rùn)氣候，該區(qū)處于“華西雨屏”的中心地帶，是四川省多雨中心區(qū)之一，年平均氣溫14.1～17.9℃，年降雨726.1～1774.3mm，≥10℃積溫5231℃，年均無(wú)霜期298d;年均日照時(shí)數(shù)1019.9h，全年太陽(yáng)輻射總量為3640.13MJ/cm;該區(qū)云霧多，日照時(shí)數(shù)少，雨量充沛，空氣相對(duì)濕度大。土壤為中壤質(zhì)和重壤質(zhì)酸性、微酸性紫色土和黃壤。研究區(qū)人工林主要是柳杉純林，平均年齡25年，下木及草本主要有八角金盤(pán)（Fatsia japonica）、山杜英（Elaeocarpussylvestris）等。研究區(qū)柳杉人工林總面積280hm2，屬于長(zhǎng)江造林局蜀西分公司集體。

2.2 樣地的設(shè)置

2012年1月在同一人工柳杉林中采用典型選樣的方法，設(shè)立立地條件基本一致的12個(gè)2m×2m的小樣方，樣方之間設(shè)大于2m的緩沖帶。分別將12個(gè)小樣方編號(hào)后進(jìn)行不同梯度氮沉降處理。

2.3 氮沉降處理

施氮水平參照國(guó)內(nèi)外野外施氮梯度和本區(qū)域氮沉降現(xiàn)狀，用NH4N03進(jìn)行N沉降處理，共設(shè)4個(gè)水平：CK（Okg/hm2·年）、低N（50kg/hm2·年）、中N（100kg/hm2·年）和高N（150 kg/hm2·年）。各小樣方每月每次氮沉降需要的NH4N03質(zhì)量分別是54g、110g和160g。將12個(gè)小樣方隨機(jī)分為4個(gè)區(qū)域進(jìn)行4個(gè)不同水平氮沉降處理，每個(gè)水平3個(gè)重復(fù)。具體做法是將各水平所需NH4N03溶解至1L水中，于2015年1月開(kāi)始，每月中旬用噴壺人工來(lái)回均勻的噴施于各樣方中，對(duì)照樣方則噴灑同樣量的水。保證各個(gè)樣方區(qū)域內(nèi)除施N處理外，各樣地的其他處理均保持一致（樣方上鋪設(shè)紗窗，每月定期清除一次紗窗上新近凋落物，以保證凋落物質(zhì)量不變）。

2.4 樣品的采集

在施氮半年后，每季度采一次土樣，2015年8月開(kāi)始第一次野外采樣。在同一處理的每個(gè)小樣方內(nèi)，去除表面土層后，分別用土鉆采集土樣，每個(gè)采樣點(diǎn)按I層（0～10cm）、Ⅱ?qū)樱?0～20cm）分層采樣。并將每一處理組內(nèi)相同層次的新鮮土樣混合均勻，無(wú)菌袋收集，裝袋風(fēng)干后用作干土測(cè)定。

2.5 指標(biāo)測(cè)定

土壤有機(jī)碳：重鉻酸鉀外加熱氧化法[1]。

數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS17.O處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 氮沉降對(duì)不同土層有機(jī)碳含量的影響

由圖1可以知道，各處理中，0～10cm的土層有機(jī)碳含量高于10～20cm的有機(jī)碳含量。由于森林地被層凋落物分解所形成的有機(jī)物首先進(jìn)入土壤表層，從而使表層土壤（0～10cm）的有機(jī)碳含量高于深層土壤[12]。這也可能是由于表層凋落物的分解和大量根系主要影響0～10cm土層。雖然氮肥基本施在了表層（0—10cm），但由于凋落物和植物根系穿插作用的影響，使10～20cm土層有機(jī)碳含量也不會(huì)急劇減少[13]。方差分析表明，同月同處理中，除了N5之外，0～10土壤有機(jī)碳含量明顯高于10～20cm的有機(jī)碳含量（P<0.01）。

3.2 各層土壤有機(jī)碳含量受不同氮沉降水平的影響

其中Nl0水平影響的程度最大，NO水平影響的程度最低。本試驗(yàn)結(jié)果表明，同層土壤中有機(jī)碳含量因不同氮沉降水平而異（圖1），除了2016年4月那次之外，不同氮沉降水平土壤有機(jī)碳含量從高到低的順序?yàn)椋篘10>N15>N5>NO，增加氮水平（即N5、Nl0和N15）的土壤與未增加氮水平（即NO）的土壤相比有機(jī)碳含量增加顯著（P<0.01）。0～10層土壤有機(jī)碳含量N5、Nl0和N15水平與NO之間差異顯著（P<0.01）;10～20cm土壤有機(jī)碳含量Nl0、N15水平與NO之間差異顯著（P<0.01）[14]。

3.3 同氮沉降水平同層土壤有機(jī)碳含量隨著時(shí)間的變化先增加后減少

土壤有機(jī)碳含量從高到低的順序?yàn)?016年4月>2016年7月> 2016年1月>2015年10月>2015年8月（圖1），并且2016年4月的有機(jī)碳含量與2016年1月和201 6年7月土壤有機(jī)碳含量相比明顯要高，其差異非常顯著（P<0.05）。

4 討論

研究結(jié)果表明，在柳杉人工林中模擬氮沉降的水平土壤中的有機(jī)碳程先增加后減少的趨勢(shì)，不同氮沉降水平同層次土壤有機(jī)碳含量從高到低的順序?yàn)镹l0>N15>N5>NO。不同層次有機(jī)碳含量以0～10cm的土壤層含量最高。本研究中各處理土壤總有機(jī)碳含量表現(xiàn)為表層最高，隨土層深度增加而降低的分布趨勢(shì)，其原因袁穎紅[15]等人認(rèn)為可能是由于表層凋落物的分解和大量根系主要影響0～10cm[16-18].至于氮水平的增加導(dǎo)致的土壤有機(jī)碳含量的增加，GlatzelG[19]的研究指出，氮沉降的輸入有利于表層掉落物的分解，而分解成的有機(jī)物有利用合成腐殖質(zhì)[20]，腐殖質(zhì)是作為土壤有機(jī)碳最重要的儲(chǔ)存形式[21，22]，氮沉降的增加也就間接的導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量的增加。richard et al[23]和townsend et al[24]的研究也指出，在北半球溫帶地區(qū)，氮素施肥估計(jì)每年增加0.3～0.5PgC儲(chǔ)存貯存。至于氮含量的持續(xù)增加導(dǎo)致的土壤有機(jī)碳含量的降低，樊后保等人認(rèn)為，大氣氮輸入的增加，導(dǎo)致了土壤酸化[25-27]，啟動(dòng)了土壤腐殖質(zhì)的分解[28]，這在很大程度上減少了土壤有機(jī)碳的含量，特別是在土壤氮飽和的情況下，土壤有機(jī)碳含量的下降顯得十分明顯。

從袁穎紅和樊后保等人相似的研究方法卻得出不同的結(jié)論可以看出，氮水平的增加對(duì)土壤有機(jī)碳的影響不能一概而論，不同區(qū)域、不同森林以及時(shí)間長(zhǎng)短等都會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生不同的影響。因此，為充分了解大氣氮沉降對(duì)華西雨屏區(qū)人工柳杉林土壤有機(jī)碳含量的影響，對(duì)森林土壤生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展和功能產(chǎn)生的長(zhǎng)期后果，還需要作長(zhǎng)期、系統(tǒng)的研究，深入探討大氣氮沉降對(duì)土壤有機(jī)碳的響應(yīng)機(jī)制，從而為理解改變土壤有機(jī)碳含量的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

由于本研究只有1年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出的結(jié)論有一定的局限性，今后仍然需要對(duì)大氣氮沉降對(duì)人工柳杉林的影響做進(jìn)一步的研究，并對(duì)土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉菊秀.酸沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)影響的研究現(xiàn)狀及展望[J].生態(tài) 學(xué)雜志，2011（ 11）.

[2]任 仁.酸雨[J].化學(xué)教育，1996（7）：1～5.

[3]陳 復(fù)，柴發(fā)合，我國(guó)酸沉降控制策略[J].環(huán)境科學(xué)研究，1997（1）.

[4] Likens GE. Some aspects of air pollution on terrestrial ecosys-tems and prospects for the future[J]. Ambio， 1989 （18）： 172～178.

[5]郭永林.我國(guó)的酸雨問(wèn)題和防治[J].山西財(cái)經(jīng)大學(xué)學(xué)報(bào)（研究專 刊），2002（24）：106.

[6]丁國(guó)安，徐曉斌，王淑鳳，等，中國(guó)氣象局酸雨網(wǎng)基本資料數(shù)據(jù) 集及初步分析[J].應(yīng)用氣象報(bào)，2004， 15（增刊）：85～94.

[7]潭燕宏.中國(guó)酸沉降現(xiàn)狀[J].遼寧師專學(xué)報(bào)，2004，6 （1）：95 ～98.

[8]王美秀.酸雨問(wèn)題概述[J].內(nèi)蒙古教育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 1999， 12（2）： 25～27.

[9] Bridget A. Emmett，Bernard J. Cosby， Robert C.Ferrier， Alan Jenkins. et al. the ecosystem effects of nitrogen deposition： Simulation of nitrogen saturation in a Sitka spruce forest， Aber，Wales， UK[J]. Biogeochemistry， 1997（38）： 129-148.

[10]李德軍，莫江明，方運(yùn)霆，等.氮沉降對(duì)森林植物的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2003， 23（9）：1891-1900.

[11]LOVETT GM，L indberg S E.Atmospheric deposition and canopy interactions of nitrogen in forests[J]. Canadian Journal of Fore t Research，1993（ 23）：1603～1616.

[12] VITOUSEK PM， ABER J D， HOWARTH R W， et al. Human alternation of the global nitrogen cycle：sources and consequences[J]. Ecologica-Applications， 1997， 7（3）： 737～750.

[13]Sinsabaugh RL， Antibus RK， Linkins AE， et al. Wood decom position： nitrogen and phosphorus dynamics in relation to extra cellular enzyme activity[J]. Ecology， 1993（74）： 1586～1595.

[14] Calanni J，Berg E， Wood M， et al. Atmospheric nitrogen depo sition at a conifer forest： response of free amino acids in En gelmann spruce needles[J]. Environmental Pollution， 1999 （105）： 79～89.

[15]Makarov MI，Kiseleva VV. Acidification and nutrient imbalance in forest soils subjected to nitrogen deposition[J]. Water Air and Soil Pollution， 1995（85）： 1137～1142.

[16]Sedjo R A. The carbon cycle and global forest ecosystem[J].Water， Air，&Soil Pollution， 1993， 70（1～4） ： 295～307.

[17]Christopher S. Terrestrial hiomass and effect of deforestation on the globe carbon cycle[J]. Bioscience， 1999， 49（10） ： 769～778.

[18]Malhi Y， Grace J. Tropical forests and atmospheric carbon di-oride[J]. Trends in Ecology & Evolution， 2000， 15（18）： 332～ 337.

[19]Vitousek P M， Aber J D， Howarth R W， et al. Human altera-tion of the globel nitrogen cycle： Sources and consequences[J].Ecological Applications， 1997， 7 （3） ： 737～750.

[20]Galloway J N， Cowling E B. Reactive nitrogen and the world：200 years of change[J]. Ambio， 2002， 31（2）：64～71.

[21]Galloway J N， Aber J D，Erisman J W， et al. The Nitrogen cas-cade[J]. Bioscience， 2003， 53（4）： 341～356.

[22]Fenn M A， Aber J D， et al. Nitrogen excess in North American ecosystems： Predisposing factors， ecosystem responses， and management strategies[J]. Ecological Applications，1998，8（3） ：706～733.

[23]Hall SJ，Matson P A. Nitrogen oxide emissions after nitrogen ad-ditions in tropical forests[J]. Nature， 1999， 400（6740）： 152～155.

[24]Nihlgard B. The ammorium hypothesis an additional explanation to the forest die back in Europe[J]. Ambio，1985，14 （1） ： 2～8.

[25]Matson P A， McDowell W H， Townsend A R， et al. The glo-balization of N deposition： Ecosystem consequences in tropical environments[J]. Bio-geochemistry，1999， 46： 67～83.

[26]Magill A H， Aber J D， Bemtson G M，et al. Long-term nitro-gen saturation in two temperate forests[J]. Ecosystems， 2000， 3（3） ： 238～253.