氮添加對人工油松林土壤碳組分的影響

李志聰, 何莉蓉, 吳 陽, 喬磊磊, 薛 萐,3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

土壤有機(jī)質(zhì)(Soil Organic Matter,SOM)是土壤肥力的基本屬性和本質(zhì)特征，在促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)的形成、提高土壤保肥能力和緩沖性促進(jìn)供應(yīng)養(yǎng)分等方面具有重要作用，同時(shí)也與全球氣候變化密切相關(guān)[1]。作為土壤的重要組成部分，可為植物提供養(yǎng)分來源，也為微生物的生命活動(dòng)提供能量來源[2]，是評價(jià)土壤肥力和土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[3]。土壤有機(jī)碳作為土壤有機(jī)質(zhì)的一部分，是指存在于土壤有機(jī)物質(zhì)中碳元素的含量，其變化受穩(wěn)定性的影響。土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性是指土壤有機(jī)質(zhì)在當(dāng)前條件下抵抗干擾和恢復(fù)原有水平的能力[4]，它是由土壤本身性質(zhì)與外在的環(huán)境因子之間的相互作用決定的[5]。土壤有機(jī)碳可分為性質(zhì)不同和分解程度不同的碳組分[6]，其含量及組分的變化會(huì)影響土壤肥力和土壤與大氣之間碳素的交換平衡[7]。已有研究根據(jù)氧化能力土壤有機(jī)碳(SOC)分為4個(gè)組分，按照氧化能力分別為C1，C2，C3和C4，其中C1和C2組分主要包括輕組有機(jī)碳，其與土壤有效利用以及大團(tuán)聚體的形成有密切關(guān)系[8-9]，屬于活性有機(jī)碳(Cactive)；C3和C4組分與那些更穩(wěn)定的化合物有關(guān)，很難被微生物的活動(dòng)影響[9-10]，屬于惰性有機(jī)碳(Cpassive)；進(jìn)一步根據(jù)各組分的氧化性和穩(wěn)定性，可采用土壤中活性有機(jī)碳和惰性有機(jī)碳所占比例可用來評價(jià)土壤質(zhì)量[12-14]。

氮元素是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要限制因子之一[11]。自工業(yè)革命時(shí)期以來，人類活動(dòng)向大氣中排放了大量的含氮化合物，導(dǎo)致這些氮化物在大氣中不斷累積并沉降到陸地和水域生態(tài)系統(tǒng)中[15]。從18世紀(jì)到20世紀(jì)后期，人類活動(dòng)導(dǎo)致的活性氮排放量增加了10倍之多，超過了自然陸地生態(tài)系統(tǒng)中制造的活性氮，預(yù)計(jì)到2050年，全球氮沉降量將增加至200 Tg/a[16]。而在中國，2010年平均氮沉降量為2.11 g/(m2·a)[17]。大氣氮沉降會(huì)在一定程度上緩解土壤氮素含量不足的狀況，從而促進(jìn)植物的生長，提高植物生物量，增加植被對有機(jī)碳的輸入[18-19]，同時(shí)降低枯落物分解和土壤呼吸[18,20]。然而也有研究表明氮沉降對碳循環(huán)的影響是短暫的[21-22]，而對土壤碳庫貯存的影響是可以忽略的[23-24]。此外，過度氮添加也會(huì)對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，如土壤酸化、養(yǎng)分不平衡與虧缺、病蟲害等[24-27]，從而對土壤碳貯存產(chǎn)生負(fù)面影響[28]?？梢姡捎谘芯刻幚頃r(shí)間、測定指標(biāo)的差異，所得結(jié)論差異較大，特別是氮沉降如何影響土壤碳庫貯存及其機(jī)制目前還沒有一個(gè)較為公認(rèn)的認(rèn)識(shí)。因此，本文選擇黃土高原植被恢復(fù)中分布最廣泛的主要樹種之一——油松(PinustabuliformisCarr.)作為研究對象，通過氮添加模擬氮沉降，分析土壤有機(jī)碳及其不同活性組分的變化規(guī)律，為認(rèn)識(shí)黃土高原典型森林生態(tài)系統(tǒng)在應(yīng)對全球變化過程中土壤的響應(yīng)機(jī)制，和評價(jià)全球變化對生態(tài)脆弱區(qū)碳匯效應(yīng)以及區(qū)域林業(yè)經(jīng)營和生態(tài)建設(shè)提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究區(qū)位于陜西省延安東南部宜川縣鐵龍灣林場(110°06′E，35°39′N)，試驗(yàn)設(shè)在松峪溝陽坡典型油松林，坡度25°，土壤類型為灰褐色森林土。試驗(yàn)區(qū)屬黃龍山系，海拔1 000～1 200 m，年平均氣溫9.8℃，年平均降水量574.4 mm，多集中在7—9月。土壤表層有機(jī)質(zhì)含量豐富，達(dá)13.6 mg/g。林下土壤屬堿性土，pH值約8.6，每100 g干土陽離子交換量為13.01 mg，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.39 mg/g。供試驗(yàn)用油松人工林為1963年植造，現(xiàn)保存1 400～1 800株/hm2，樹高9.5～12.5 m，胸徑10～12 cm，郁閉度0.70。

在油松人工林地，用鐵絲隨機(jī)圍封面積為100 m2試驗(yàn)用小區(qū)16塊，保證各小區(qū)之間立地條件一致。共設(shè)置4個(gè)氮添加處理，分別為對照(CK)，低氮沉降量(N3)，中氮沉降量(N6)，高氮沉降量(N9)。年施氮量分別為0，3，6，9 g/(m2a),肥料選用尿素。每年4月、6月、8月、10月份分4次等量噴施。每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)樣地重復(fù)，重復(fù)樣地間隔為5 m。自2014年4月份開始，采用噴霧器對林下土壤直接噴施來模擬氮沉降，對照樣方噴灑等量的水，每次施肥于雨前1天噴施，以盡量減少尿素?fù)]發(fā)。

1.2 樣品采集與分析

2015年10月采集土壤樣品。在每個(gè)小區(qū)采用多點(diǎn)采樣法進(jìn)行樣品采集，取樣深度為0—20 cm和20—40 cm，每個(gè)樣地采集的樣品先去除凋落物和石粒后，充分混勻，風(fēng)干，過1 mm和0.25 mm篩，用于土壤活性有機(jī)碳組分和土壤基本理化性質(zhì)的測定，基本化學(xué)性質(zhì)見表1。

土壤總有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；全氮(TN)采用半微量凱氏法測定；硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用1 mol/L的KCl溶液浸提后，分別采用紫外分光光度計(jì)法和全自動(dòng)流動(dòng)分析儀測定；土壤pH值采用pH值計(jì)測定(水土比為2.5∶1)。活性有機(jī)碳含量測定采用Loginow等[29]的氧化法測定：根據(jù)不同濃度(33，167，333 mmol/L)KMnO4濃度的變化將土壤總有機(jī)碳(SOC)分成高活性組分(C1)、中活性組分(C2)、低活性組分(C3)和穩(wěn)定性組分(C4)4個(gè)組分，C1，C2和C3組分之和構(gòu)成了易氧化有機(jī)碳(COC)。Cactive(活性碳組分)=C1+C2，Cpassive(惰性碳組分)=C3+C4。土壤活性系數(shù)計(jì)算：活性系數(shù)=(C1/COC)×3+(C2/COC)×2+(C1/COC)×1。

表1 土壤基本化學(xué)性質(zhì)

注:同列不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)，下表同。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理以及做圖基于Excel 2016；不同施氮處理的土壤之間各指標(biāo)的差異性檢驗(yàn)采用SPSS 23.0中的ANOVA進(jìn)行方差分析；多重比較采用Duncan，LSD方法(p<0.05)。利用Canoco 4.5軟件對不同活性有機(jī)碳組分與土壤pH值、土壤總有機(jī)碳(SOC)、土壤全氮(TN)、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮之間的關(guān)系進(jìn)行冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對土壤SOC及其活性組分的影響

不同氮添加水平對土壤有機(jī)碳及其組分具有顯著影響，但是不同組分和土層深度表現(xiàn)不一(圖1)。在表層，SOC，C1，C2和C4變化規(guī)律相似，整體隨氮添加量增加呈先增加后降低的趨勢，在N3達(dá)到最大值，除C3外均達(dá)到顯著水平，隨后逐漸降低在N9達(dá)到最低值，和CK沒有顯著性差異；氮添加對C3沒有顯著影響。氮添加對下層土壤SOC及其組分影響較小，僅對SOC和C4的影響達(dá)到顯著水平，N6和N9顯著高于CK和N3處理。

2.2 氮添加對土壤碳組分的分配及土壤活性系數(shù)的影響

相對于各組分含量，氮添加對不同組分在總有機(jī)碳的分配影響較小(表2)，在表層僅C1/SOC達(dá)到顯著水平，其中在N3顯著降低，隨后逐漸升高，和CK沒有顯著差異。在下層C1/SOC，C4/SOC和COC/SOC影響達(dá)到顯著水平，其中C1/SOC和COC/SOC先降低后升高，N6達(dá)到最低值，除C2/SOC，C4/SOC外顯著低于CK；C4/SOC則先升高后降低，N6時(shí)達(dá)到最高值且顯著高于CK。4個(gè)組分中C4占SOC比率最高，達(dá)74.3%～87.3%，其中下層土壤略高于上層土壤。Cactive占SOC的8.4%～17.1%，上層土壤高于下層土壤，氮添加降低了上層土壤Cactive/SOC，但降幅未達(dá)到顯著水平；Cpassive占SOC的82.9%～91.6%，下層土壤高于上層土壤。

注：不同字母表示氮添加處理在各土層存在顯著差異(p<0.05)。

圖1 氮添加對油松林土壤不同有機(jī)碳組分的影響

注：0—20 cm為上層土壤，20—40 cm為下層土壤。同列不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

2.3 土壤碳組分與其他因子之間的冗余分析

冗余分析(RDA)表明不同土層深度影響土壤碳庫組分的因子存在差異(圖2)。在上層土壤，SOC和C1，C4顯著正相關(guān)，TN和C3，Coc關(guān)系最為密切，pH值、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮與除過C2組分外的其他組分呈負(fù)相關(guān)。在下層土壤，pH值、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮與C1，Coc關(guān)系密切，TN和SOC是影響C2和C4的主要影響因子。

圖2土壤有機(jī)碳組分與環(huán)境因子的冗余分析

3 討 論

土壤有機(jī)碳(SOC)含量是輸入土壤的生物殘?bào)w等有機(jī)物質(zhì)的輸入和微生物分解作用為主的有機(jī)質(zhì)損失之間的一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡結(jié)果[30-31]，氮添加通過影響碳素輸入與輸出的過程從而對SOC產(chǎn)生影響，但是由于氣候、施氮量、植被類型、土壤立地等因素，目前有關(guān)氮添加對SOC影響的結(jié)論還有較大差異。本研究表明氮添加會(huì)導(dǎo)致SOC先升高后降低，這主要由于土壤氮素在黃土丘陵區(qū)相對匱乏，隨著氮添加數(shù)量的增大，土壤中可利用的氮素增大，促進(jìn)了植物光合作用和根系的生長，進(jìn)入土壤總的碳素來源增多，從而SOC逐漸增加。但是隨著氮素繼續(xù)增大，氮素出現(xiàn)飽和，對植物的生長影響從促進(jìn)逐漸改為抑制，因此相對于N6處理，N9處理的SOC顯著降低，這與Zhang等[32]的研究結(jié)果相似，他們認(rèn)為在氮添加為6 g/(m2·a)時(shí)達(dá)到拐點(diǎn)，如果再升高就會(huì)對土壤系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用。研究還發(fā)現(xiàn)下層土壤SOC在顯著增大，這個(gè)主要和氮添加方式和養(yǎng)分淋溶有關(guān)，由于表層噴施氮素，對下層影響相對較少，而隨著氮素的向下淋溶過程，下層土壤氮素逐漸增加，從而SOC得到提高。

活性碳移動(dòng)快，穩(wěn)定性差，易氧化、礦化可作為養(yǎng)分被植物吸收利用，盡管其占全碳的比例很小，但在調(diào)節(jié)土壤碳素轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分流方面起著重要作用，較有機(jī)質(zhì)能更準(zhǔn)確、靈敏地反映土壤理化性狀的變化和碳庫平衡[33]。本研究中氮添加雖然增加了Coc組分的含量，但并未達(dá)到顯著水平，這可能主要和施氮時(shí)間較短有關(guān)。而相對于Coc組分，氮添加卻顯著改變了C1，C2和C4組分含量，對C3含量沒有顯著影響，表明C1組分可以更加靈敏地反映氮素添加對土壤碳庫平衡的影響，這和姚旭等[34]的研究結(jié)果相似，他們研究認(rèn)為短期氮添加主要是通過影響不同團(tuán)聚體粒徑中土壤中活性碳組分來影響土壤碳素過程，在短時(shí)期內(nèi)氮素添加會(huì)更容易導(dǎo)致植物根系分泌物、微生物代謝物產(chǎn)生變化，從而使土壤活性碳組分得到變化。理論上隨著氮添加，土壤C/N降低，氮素的限制作用降低，促進(jìn)了微生物生長，對有機(jī)物的降解能力增強(qiáng)，另一方面改變了土壤和凋落物的元素構(gòu)成，土壤質(zhì)量提高，有利于有機(jī)物分解，土壤活性系數(shù)增大。但是我們的研究卻并未發(fā)現(xiàn)氮添加增大土壤活性指數(shù)，相反在表層土壤中各處理均存在一定程度的降低，其中N9顯著低于CK，下層沒有顯著差異，這可能由于油松中單寧等難降解物質(zhì)較多，對氮添加后的碳素分解響應(yīng)較弱，而高濃度的氮添加抑制了植物和微生物的作用，導(dǎo)致土壤活性系數(shù)降低。

土壤活性碳組分占有機(jī)碳的比例是反映土壤碳活性的一個(gè)重要指標(biāo)，其值越大，說明土壤碳的活性越大，穩(wěn)定性越差，有機(jī)碳越容易被微生物和植物吸收利用，土壤碳庫質(zhì)量越高[35-37]。在本研究中Coc/SOC在12.7%～25.7%，整體維持在一個(gè)較低比例，略低于韓新輝[37]和Zhang等[32]的研究結(jié)果，表明在該區(qū)域SOC整體含量較低，而活性有機(jī)碳含量較低，微生物的分解作用相對較弱，土壤質(zhì)量整體不高。氮添加并未改變上層Coc的比例，下層則呈現(xiàn)不同程度的降低，這主要和氮添加的方式與時(shí)間有關(guān)。研究進(jìn)一步表明在上層Coc組分中，C1和C2組分為主要組分，氮添加降低了二者在Coc中所占比例，說明隨著氮添加，C/N降低，SOC分解能力降低，高和中等活性的有機(jī)碳逐漸轉(zhuǎn)化為低等活性的有機(jī)碳。而下層氮添加增大了C1和C2在Coc中所占比例，這主要和植物根系生長有關(guān)。同時(shí)上述結(jié)果表明采用不同活性組分在反應(yīng)土壤碳活躍程度上比Coc更具有靈敏性。

RDA分析表明不同土層影響活性有機(jī)碳組分的因素不同，其中上層土壤中TN和SOC與各組分關(guān)系最為密切，是影響活性有機(jī)碳組分的主要因素，證明了氮添加會(huì)通過影響土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量來對各組分產(chǎn)生影響。下層土壤pH值、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和Coc，C1等組分關(guān)系密切，而與TN的關(guān)系較弱，說明氮添加后隨著淋溶等作用，改變了下層土壤屬性從而影響活性碳組分。

4 結(jié) 論

黃土丘陵區(qū)油松人工林短期氮添加后，隨著氮添加含量的增大，上層土壤SOC及其C1，C2和C4組分含量先增加后降低，在N3達(dá)到最大值，對下層土壤SOC及其組分影響較小。氮添加對不同碳組分在總有機(jī)碳中的分配比例影響較小，4個(gè)組分中C4所占比例最大，達(dá)74.3%～87.3%，其中下層土壤略高于上層土壤。氮添加對土壤碳庫活性系數(shù)影響相對較小，僅在表層N9處理下影響達(dá)到顯著水平。研究表明短期氮添加可以改變土壤碳庫構(gòu)成，但是并未增加土壤碳庫活度，其中C1和C2組分可以更靈敏地反映氮添加對土壤碳庫的影響。但是由于本研究涉及碳庫代謝機(jī)理方面的研究較少，因此今后需要加強(qiáng)相關(guān)方面的工作，比如微生物、根系等在土壤碳庫轉(zhuǎn)化過程中的作用。

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