氮沉降對中國森林土壤CO2通量的影響

楊長青,朱 艷,蔡衛(wèi)紅,張 林

(1.四川省林業(yè)調查規(guī)劃院,四川 成都 610081;2.廣安市廣安區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設局,四川 廣安 638000)

在過去幾十年，由于大量化石燃料的燃燒和人類農業(yè)施肥的增加[1]，導致大氣中過多的氮通過沉降的方式進入地表[2]，改變了土壤碳循環(huán)[3]。土壤中根系和微生物呼吸向大氣中排放CO2是森林生態(tài)系統碳循環(huán)的關鍵環(huán)節(jié)之一[4]，并可能受到大氣氮沉降的影響。各國科學家在全球范圍內開展了大量模擬氮沉降實驗[5]，已有研究結果表明，模擬氮沉降既可能增加[6]也可能減少[7]森林土壤CO2通量，說明氮沉降的這種作用在方向和作用強度上都具有很大的不確定性。

通過野外模擬氮沉降對森林土壤CO2通量影響的實驗數據，綜合評估了氮沉降對中國森林土壤CO2通量的可能影響，并分析了造成這種影響的潛在因素，如土壤氮循環(huán)、微生物活性等?？紤]到不同森林類型、不同施氮方式可能造成的影響，分別探討了氮沉降對土壤CO2通量的影響在不同森林類型之間的差異，以期為氣候變化背景下森林可持續(xù)經營管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據篩選標準

采用中國引文數據庫(www.cnki.net)檢索發(fā)表于2017年7月之前在中國森林開展的土壤—大氣CO2通量數據。檢索詞為“氮沉降” (或“氮沉降”)、“CO2” (或“土壤呼吸”)和“森林土壤”，文獻類型為期刊論文，僅收集野外原位監(jiān)測數據，排除實驗室培養(yǎng)實驗。所有數據只控制一個變量，即有、無氮沉降(對照和氮沉降)，其他條件與當地環(huán)境條件一致且無其他處理。所有數據須可從文中直接提取出樣本量、平均值和標準差(或標準誤)。如數據以圖的形式體現，則用Engauge Digitizer 4.1軟件(Free Software Foundation Inc.,Boston,MA,USA)提取。同時提取樣地地理位置(經緯度)、海拔、年均溫和年降水量，如不能從該文直接提取，則從在該樣地開展實驗的其他文獻中提取。篩選出21篇文獻[8～28]中提取數據414條(見表1)。

表1 樣地概況

1.2 分類標準

為了解不同森林類型、氣候帶、植物功能類型、優(yōu)勢樹種、施氮方式和水平對土壤CO2通量的影響，將森林類型分為原始林、次生林和人工林，氣候帶分為熱帶、亞熱帶和溫帶，植物功能類型分為闊葉林、針葉林、針闊混交林和竹林，優(yōu)勢樹種分為常綠和落葉樹種，施氮方式分為硝酸銨和尿素，施氮水平分為<50、50～100、100～200、200～300和>300 kg N·hm-2·a-1。

1.3 數據計算與分析

采用效應值(Response ratio,lnR)衡量氮沉降對森林土壤CO2通量的影響。該值為處理組(施氮)與對照組(不施氮)之商的自然對數，計算如下：

lnR=ln(Xt/Xc)

式中，Xt和Xc分別為處理組(施氮)與對照組(不施氮)土壤CO2通量的平均值。

效應值的頻率分布應服從正態(tài)分布，且滿足高斯(Gauss)方程(R2=0.67,P<0.001;見圖1)。為減小誤差，對滿足某一分類標準的所有效應值進行加權得到加權的效應值(weighted response ratio,lnRR)和95%置信區(qū)間(95% confidence intervals,CI)?？紤]到某些分類標準中樣本量較小，采用重復采樣的方法(499次迭代)以減小偏差。同時，對不同分類標準的效應值進行組間異質性檢驗。以上分析在MetaWin 2.0中完成。如果95% CI均沒有與加權效應值重疊，則氮沉降處理對土壤CO2通量的影響視為顯著(P<0.05)。

加權效應值轉換為百分比變化(P,%)，采用以下公式計算：

P(%)=(elnRR-1)×100

圖1 效應值正態(tài)分布

圖2 氮沉降對中國森林土壤CO2通量的影響注:效應值代表氮沉降的作用強度:正值表示正作用，負值表示負作用。誤差線代表95%置信區(qū)間:誤差線穿過效應值為0 (虛線處)時表示氮沉降作用不顯著，沒有穿過則表示作用顯著(P<0.05)。95%置信區(qū)間上限和下限不等是由于對樣本量較小的數據進行重復采樣所造成。數值代表樣本量。(下同)。

2 結果與分析

2.1 氮沉降對不同森林類型土壤CO2通量的影響

總體上看，氮沉降顯著降低了森林土壤CO2通量的8.7% (P<0.05;見圖2和表2)。氮沉降對森林土壤CO2通量的影響在不同植物功能類型之間存在差異(P<0.001;見表3)。具體來講，氮沉降對竹林土壤CO2通量的影響較大(降低了36%)，而對闊葉林、針葉林和針闊混交林均無顯著影響(P>0.05;見表2)。氮沉降對常綠樹種和落葉樹種林地也無顯著影響(P>0.05)。對不同森林類型而言，氮沉降顯著降低了次生林和人工林土壤CO2通量的30% 和8.7% (P<0.05)，而對原始林無顯著影響。對不同氣候帶而言，氮沉降顯著增加了熱帶森林土壤CO2通量(12.1%)，降低了亞熱帶森林土壤CO2通量(9.7%)，而對溫帶森林無顯著影響。

表2氮沉降對中國森林土壤CO2通量影響的百分比變化

分類類型百分比變化(%)顯著性(P)總計-8．72(0．25)<0．05森林類型原始林-5．34(1．11)次生林-29．54(7．06)<0．05人工林-8．74(0．33)<0．05氣候帶熱帶12．1(3．8)<0．05亞熱帶-9．66(0．34)<0．05溫帶-6．15(0．98)植物功能類型闊葉林2．11(0．42)針葉林1．08(1．08)混交林-2．92(3．75)竹林-35．97(0．67)<0．05優(yōu)勢樹種常綠樹種2．54(0．32)落葉樹種-0．13(2．19)

注:括號內為標準誤。P<0.05代表差異顯著。

表3 氮沉降對森林土壤CO2通量的影響差異

注:加粗的顯著性水平表示氮沉降對森林土壤CO2通量的影響在不同類型間差異顯著(P<0.05)。

2.2 施氮方式和水平對森林土壤CO2通量的影響

不同施氮種類(硝酸銨或尿素)對森林土壤CO2通量無顯著影響(P=0.61)，但不同施氮水平有顯著影響(P=0.012;見表4)。施加硝酸銨顯著降低了森林土壤CO2通量的8.9% (P<0.05)而施加尿素則無顯著影響(見圖3)。施加<100 kg N·hm-2·a-1的氮肥對森林土壤CO2通量無顯著影響，但施加>100 kg N·hm-2·a-1的氮肥顯著降低了森林土壤CO2通量(4.7%～19%;見表4)。

表4施氮方式和水平對中國森林土壤CO2通量影響的百分比變化

分類類型百分比變化(%)顯著性(P)施肥方式硝酸銨-8．87(0．27)<0．05尿素-0．97(3．24)施肥水平<50-5．07(0．58)(kgN·hm-2·a-1)50～1000．89(1．63)100～200-14．23(0．8)<0．05200～300-19．12(1．46)<0．05>300-4．74(1．08)<0．05

注:括號內為標準誤。P<0.05代表差異顯著。

圖3 不同施氮方式和水平對中國森林土壤CO2通量的影響

2.3 氮沉降對森林土壤無機氮、微生物量和酶活性的影響

氮沉降顯著增加了森林土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度的4.4和5.7倍(P<0.05;見表5)，顯著增加了森林土壤微生物生物量碳(13.8%)而降低了微生物生物量氮(13.2%)，顯著降低了土壤磷酸酶活性(14%,P<0.05)，但對尿酶無顯著影響(P>0.05;見圖4)。

表5氮沉降對中國森林土壤無機氮、微生物生物量和酶活性影響的百分比變化

分類類型百分比變化(%)顯著性(P)無機氮氨態(tài)氮444．28(44．29)<0．05硝態(tài)氮573．35(52．88)<0．05微生物生物量微生物生物量碳13．79(0．53)<0．05微生物生物量氮-13．23(3．05)<0．05酶活性脲酶32．63(7．07)磷酸酶-14．38(1．85)<0．05

注:括號內為標準誤。P<0.05代表差異顯著。

圖4 氮沉降對中國森林土壤無機氮、微生物生物量和酶活性的影響

3 討論

3.1 氮沉降對中國森林土壤CO2通量的影響

大氣中過多的氮通過干、濕沉降的方式進入森林土壤[2]，抑制微生物活性[29]，進而降低土壤有機質分解和CO2排放、提高土壤碳庫貯量[30]。通過整理目前野外測定的中國森林土壤CO2通量的氮沉降實驗，平均降低了中國森林土壤CO2通量的8.7%(見表2)。這與Liu和Greaver[5]的研究結果(降低8%)非常接近，但這一結果遠遠高于Zhou等[31]的評估(1.44%)。

氮沉降對不同林地土壤CO2通量的影響存在差異。如氮沉降對天然原始林的影響較小，而對次生林和人工林的影響較大，對針、闊葉林的影響較小而對竹林的影響較大(見圖2)，這表明天然林內較為穩(wěn)定的立地條件能有效緩沖氮沉降對土壤結構、養(yǎng)分循環(huán)和微生物的沖擊，能更好地維持自身結構的穩(wěn)定性。

另外，不同施氮方式和水平也存在較大差異。土壤中無機氮的直接輸入會快速被植物根系和土壤微生物吸收、利用，因此其作用比有機氮沉降更為快速且影響更大(見圖3)。相反，施加有機氮對土壤結構、微生物有較好的保護作用[32]。

3.2 氮沉降對森林土壤氮循環(huán)和微生物活性的影響

大量研究表明，氮沉降降低土壤中參與氮循環(huán)相關微生物的豐度和多樣性[33]，減緩土壤養(yǎng)分循環(huán)[34]。但另一方面，氮沉降(尤其是無機氮的添加)很大程度上直接增加了土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度，如Zak等[35]發(fā)現氮沉降增加了土壤硝態(tài)氮濃度的2.9倍。Lu等[36]也發(fā)現，在大尺度平均水平上，氮沉降分別增加了土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度的4.3倍和47%。這表明土壤中過多的氮極大地促進植物生長[37]，而土壤中原有的氮循環(huán)受到抑制，進而破壞原有生態(tài)系統的穩(wěn)定性。

綜上所述，氮沉降抑制森林土壤微生物活性，降低土壤呼吸進而減小土壤CO2通量。但這種影響在不同森林中具有差異，如對原始林的影響較小而對退化的次生林、人工林及竹林影響較大，這對森林經營管理提供了重要的參考價值。

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