模擬氮沉降對(duì)武夷山亞熱帶常綠闊葉林土壤呼吸的影響

孫海燕，趙俊平，肖艷玲，馮建偉，張占貴

1. 東北石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2. 東北石油大學(xué)國(guó)際交流合作處，黑龍江 大慶 163318；3. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071001

CO2濃度增加導(dǎo)致全球氣候變暖已是不爭(zhēng)的事實(shí)，威脅著人類(lèi)的生存和發(fā)展。因此，在全球氣候變化背景下，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與收支研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一（陶波等，2001；曹明奎等，2004；賀云龍等，2017）。土壤呼吸是土壤與大氣進(jìn)行碳交換的主要過(guò)程，全球每年通過(guò)土壤呼吸作用釋放的碳為75 Pg（黃麟等，2016）。土壤呼吸速率很小的變化都將使大氣CO2濃度和土壤碳吸存發(fā)生巨大的改變。在全球尺度，森林土壤呼吸釋放的CO2量為77 Pg·a-1，僅次于全球總初級(jí)生產(chǎn)力（100～120 Pg·a-1），大于全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的凈初級(jí)生產(chǎn)力（50～60 Pg·a-1）（梁萌杰等，2016；楊延征等，2016；方精云等，2015）。因此，森林土壤呼吸在全球碳循環(huán)中起著極其重要的作用。氮素作為森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分限制因子，可以直接或間接影響土壤呼吸（王棣等，2014）。近幾十年來(lái)，由于礦物燃料燃燒、含氮化肥大量使用及畜牧業(yè)迅猛發(fā)展等人類(lèi)活動(dòng)向大氣中排放的含氮化合物越來(lái)越多，使得大氣氮沉降量不斷增加，而且在未來(lái)幾十年將繼續(xù)增加（李銀等，2016；曹叢叢等，2014）。因此，研究氮沉降增加對(duì)森林土壤呼吸的影響具有重大意義。

氮沉降的增加已經(jīng)對(duì)各種生態(tài)系統(tǒng)的特征和過(guò)程產(chǎn)生了很大影響（郭亮等，2016）。近年來(lái)的研究表明，氮沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的影響主要表現(xiàn)為促進(jìn)、抑制或無(wú)影響3種作用（閆鐘清等，2016；劉世榮等，2015；謝宗強(qiáng)等，2017），氮沉降增加對(duì)各種森林生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的影響存在很大的不確定性。全球三大氮沉降區(qū)為北美、歐洲和中國(guó)，關(guān)于森林土壤呼吸對(duì)大氣氮沉降增加響應(yīng)的研究，主要集中在北美和歐洲（李英濱等，2016），中國(guó)關(guān)于氮沉降增加對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的影響只有少量報(bào)道，其所研究的森林類(lèi)型主要為受人類(lèi)活動(dòng)影響較大的溫帶和亞熱帶森林，而且多集中在北亞熱帶和南亞熱帶（陳書(shū)濤等，2017；張建華等，2017），而對(duì)武夷山亞熱帶熱帶闊葉林生態(tài)系統(tǒng)的研究較少。本研究以武夷山亞熱帶常綠闊葉林為對(duì)象，在測(cè)定該地區(qū)大氣氮沉降背景值的情況下，研究土壤呼吸對(duì)模擬大氣氮沉降的初期響應(yīng)，并探討其響應(yīng)機(jī)制，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。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

N添加樣地設(shè)在福建武夷山森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)站（27.71°N，117.75°E），海拔630 m，平均坡度31°，坡向南偏西10°。該地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤(rùn)。年平均氣溫17.5 ℃，年平均相對(duì)濕度 78%～84%，年降水量1486～2150 mm，年霧日平均達(dá)120 d（福建武夷山森林生態(tài)定位觀測(cè)研究站氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)）。實(shí)驗(yàn)樣地土壤類(lèi)型為黃壤，平均土層厚度為60 cm，樣地局部區(qū)域可達(dá)100 cm以上，土壤pH值4～5。

試驗(yàn)樣地為中亞熱帶常綠闊葉米櫧（Castanopsis carlesii）林，植被保存相對(duì)完好，層次分明，物種豐富。森林垂直結(jié)構(gòu)分為3層：（1）喬木層（>5 m）植物主要有米櫧、刨花潤(rùn)楠（Machilus pauhoi）、絲栗栲（Castanopsis fargesii）、羅浮錐（Castanopsis faberi）、少葉黃杞（Engelhardtiafenzlii）、杉木（Cunninghamia lanceolata）等；（2）灌木層（0.3～5.0 m）植物主要有樹(shù)參（Dendropanaxdentiger）、柃木（Eurya japonica）、彎蒴杜鵑（Rhododendron henryi）、榕葉冬青（Ilex ficoidea）、虎皮楠（Daphniphyllum oldhami）等；（3）草本層（＜0.3 m）物種稀少，主要有砂仁（Amomum villosum）、狗脊（Woodwardia japonica）、綠色白發(fā)蘚（Leucobryum chlorophyllosum）等（向元彬等，2016）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

武夷山氮添加試驗(yàn)始于2016年7月，共設(shè)置3個(gè)氮添加梯度和1個(gè)對(duì)照，N添加梯度分別為對(duì)照（N0，0 kg·hm-2·a-1）、低氮（N1，50 kg·hm-2·a-1）、中氮（N2，100 kg·hm-2·a-1）和高氮（N3，150 kg·hm-2·a-1）。每種處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共12塊樣地。樣地大小為20 m×20 m，重復(fù)內(nèi)相鄰樣地預(yù)留≥5 m的間隔，不同重復(fù)間相距10～15 m。在每一樣地內(nèi)距4條邊線留2.5 m邊緣帶，樣地中心帶劃分出9個(gè)5 m×5 m的小樣格。氮添加安排在每年生長(zhǎng)季1—12月進(jìn)行。每月初，按照不同處理梯度的要求，將相應(yīng)質(zhì)量的NH4NO3溶于30 L水中，用肩背式噴霧器將其均勻噴灑于試驗(yàn)樣地林冠層，對(duì)照樣地噴灑相同量的水。

1.3 土壤呼吸測(cè)定方法

在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)安置3個(gè)PVC連接環(huán)，用于土壤呼吸速率的定期測(cè)定。本試驗(yàn)使用 LI-8100分析系統(tǒng)（LI-cor Inc．，Lincoln，NE，USA）測(cè)定土壤呼吸速率。氮沉降2個(gè)月后每月底（晴天無(wú)風(fēng)）在人工模擬氮沉降前測(cè)定各處理土壤呼吸速率1 d。測(cè)定時(shí)間為 8：00—18：00，每個(gè)月測(cè)定 3 次，同時(shí)用土壤溫度和濕度傳感器分別測(cè)定5 cm深度的土壤體積含水量和土壤溫度。野外數(shù)據(jù)測(cè)定完成后，利用Li-8100土壤呼吸速率分析軟件進(jìn)行分析，得到土壤呼吸速率。斷根處理的呼吸速率為異養(yǎng)呼吸速率（Rh），自養(yǎng)呼吸速率（Ra，Ra=Rs-Rh）由土壤總呼吸速率（無(wú)切斷根系處理的小區(qū)測(cè)定的土壤呼吸速率）減去異養(yǎng)呼吸速率所得。

本研究中土壤呼吸速率為 Rs，單位為μmol·m-2·s-1，測(cè)定 0～5 cm 土壤溫度 t、含水量 W，之后對(duì)三者進(jìn)行相應(yīng)的擬合分析（劉玉槐等，2017）：

式中，a、b、c、K均為擬合參數(shù)；

土壤呼吸溫度敏感性系數(shù)Q10：

土壤呼吸速率與其溫度之間存在指數(shù)關(guān)系，土壤溫度利用自動(dòng)記錄儀獲取，并計(jì)算出土壤CO2通量（周世興等，2016）：

運(yùn)用 SPSS 20.0對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD多重檢驗(yàn)法檢驗(yàn)土壤呼吸速率在不同處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

3.1 常綠闊葉林土壤溫度和含水量動(dòng)態(tài)特征

圖1表明：在試驗(yàn)期內(nèi)，常綠闊葉林土壤溫度表現(xiàn)出先增后減的變化趨勢(shì)；土壤溫度的最小值均出現(xiàn)在1月和12月，此時(shí)0～5 cm和5～10 cm土壤溫度分別為15.1 ℃和15.2 ℃；土壤溫度最大值則出現(xiàn)在8月，此時(shí)0～5 cm和5～10 cm深處的土壤溫度分別為23.5 ℃和19.8 ℃。4—7月，試驗(yàn)區(qū)土壤溫度不斷升高，降雨量也逐漸增多，良好的水熱條件不僅有利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育，促進(jìn)植物根系呼吸，而且可以加快凋落物分解速度，增強(qiáng)微生物種群數(shù)量及其活性，進(jìn)而提高土壤微生物呼吸；8月正好處于伏旱期，降雨量明顯減少，土壤含水量在整個(gè)試驗(yàn)期處于最高值，此時(shí)土壤溫度也達(dá)到最高，一定程度上提高了土壤呼吸速率。

圖1 常綠闊葉林土壤溫度和含水量動(dòng)態(tài)特征Fig. 1 The dynamic characteristic of soil temperature and moisture in subtropical evergreen broad-leaved forest

3.2 氮沉降對(duì)常綠闊葉林土壤呼吸的影響

由圖2可知，常綠闊葉林土壤總呼吸（Rs）存在明顯的季節(jié)規(guī)律，總體上呈單峰曲線，不同氮處理下峰值均出現(xiàn)在 8月，其大小基本表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0。雙因素方差分析表明時(shí)間和氮添加處理對(duì)土壤總呼吸、異養(yǎng)呼吸均有顯著影響（P＜0.05）（表1）。常綠闊葉林土壤自養(yǎng)呼吸（Rh）均存在明顯的季節(jié)格局，且變化趨勢(shì)相似，總體呈單峰型，不同氮處理下其峰值均出現(xiàn)在8月，其大小基本表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0。常綠闊葉林土壤自養(yǎng)呼吸（Ra）規(guī)律性不明顯，總體上隨季節(jié)呈增加趨勢(shì)，并且氮沉降對(duì)土壤自養(yǎng)呼吸表現(xiàn)出一定的抑制效應(yīng)。

表1 時(shí)間和氮添加處理對(duì)土壤總呼吸（Rs）、異養(yǎng)呼吸（Rh）及自養(yǎng)呼吸（Ra）影響的雙因子方差分析Table 1 Two-way ANOVA of concentration and time of nitrogen deposition on soil total soil respiration (Rs), autotrophic respiration (Ra)and heterotrophic respiration (Rh)

3.3 土壤呼吸速率與土壤溫度和含水量的關(guān)系

圖2 氮沉降對(duì)土壤總呼吸（Rs）、自養(yǎng)呼吸（Ra）及異養(yǎng)呼吸（Rh）的影響Fig. 2 Effect of nitrogen deposition on soil total respiration (Rs), autotrophic respiration (Ra) and heterotrophic respiration (Rh)N0-0 kg·hm-2·a-1 N; N1-50 kg·hm-2·a-1 N; N2-100 kg·hm-2·a-1 N; N3-150 kg·hm-2·a-1 N, the same below

表2 土壤呼吸和組分與土壤溫度的指數(shù)關(guān)系Table 2 Exponential relationship between soil respiration and soil temperature

常綠闊葉林土壤總呼吸與土壤溫度呈顯著的指數(shù)關(guān)系（表2），其響應(yīng)具體表現(xiàn)在，低高氮（N1，N3）處理和中氮（N2）處理在一定程度上分別提高和降低了土壤呼吸Q10。N0、N1、N2、N3處理下土壤總呼吸的Q10分別為1.52、1.57、1.44、1.56。各氮處理水平下，土壤自養(yǎng)呼吸與土壤溫度呈顯著的指數(shù)關(guān)系，氮沉降對(duì)兩灌叢土壤異養(yǎng)呼吸溫度敏感性的影響不同，N2和N3處理提高了土壤異養(yǎng)呼吸溫度敏感性，而N1處理降低了其溫度敏感性，N0、N1、N2、N3處理下的Q10分別為1.68、1.63、1.78、1.86。各氮處理水平下，土壤異養(yǎng)呼吸與土壤溫度呈顯著的指數(shù)關(guān)系，氮沉降對(duì)兩灌叢土壤異養(yǎng)呼吸溫度敏感性的影響不同，N2和N3處理提高了土壤異養(yǎng)呼吸溫度敏感性，而N1處理降低了其溫度敏感性，N0、N1、N2、N3處理下的Q10分別為 1.62、1.57、1.82、1.73。

整個(gè)試驗(yàn)期測(cè)得的不同氮濃度的土壤呼吸速率與0～5 cm和5～10 cm土層土壤含水量之間的關(guān)系用二次曲線擬合的效果最好（表 3），其決定系數(shù)R2分別為0.156～0.354和0.239～0.387，明顯低于土壤呼吸速率與土壤溫度關(guān)系方程的R2值，這表明土壤呼吸速率與土壤含水量之間的相關(guān)性較弱，中氮和高氮處理能夠略微提高二者之間的相關(guān)性，但是其影響（提高作用）并不明顯，低氮處理反而降低了二者之間的相關(guān)性。其主要原因可能是該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)性氣候特征，降水比較豐富，林地蓄水持水能力較強(qiáng)。從整個(gè)試驗(yàn)期來(lái)看，土壤含水量保持在相對(duì)較高的狀態(tài)，故水分不是限制土壤呼吸的關(guān)鍵因子，土壤含水量對(duì)土壤呼吸的影響遠(yuǎn)小于土壤溫度對(duì)土壤呼吸的影響。

表3 土壤呼吸與土壤含水量的指數(shù)關(guān)系Table 3 Exponential relationship between soil respiration and soil moisture

3.4 氮沉降對(duì)常綠闊葉林土壤呼吸年通量的影響

由圖3可知，N0、N1、N2和N3處理的土壤總呼吸年碳排放量分別為5.67、5.98、6.22和4.22 t·hm-2·a-1，低氮和中氮處理的排放比對(duì)照高出5.46%和9.70%，二者排放量幾乎相同，排放量均低于對(duì)照。由圖還可知，氮沉降增加了異養(yǎng)呼吸，而高氮抑制了異養(yǎng)呼吸，各氮處理的異養(yǎng)呼吸年排放量分別為 3.77、3.93、5.08 和 3.49 t·hm-2·a-1。雙因素方差分析結(jié)果表明（表 4），時(shí)間和氮添加處理對(duì)土壤總呼吸、異養(yǎng)呼吸年通量均有顯著影響，其中土壤異養(yǎng)呼吸年通量影響較大（P＜0.05）。

表4 時(shí)間和氮添加處理對(duì)土壤總呼吸（Rs）、異養(yǎng)呼吸（Rh）年通量的雙因子方差分析Table 4 Two-way ANOVA of concentration and time of nitrogen deposition on the annual flux of soil total respiration (Rs) and heterotrophic respiration (Rh)

3 討論

圖3 氮沉降對(duì)常綠闊葉林土壤呼吸年通量的影響（n=36）Fig. 3 Effect of nitrogen deposition on the annual flux of soil total respiration（n=36）

本研究中，土壤呼吸隨季節(jié)變化而不同，在 8月間呼吸作用最強(qiáng)，而1月氣溫較低的情況下土壤呼吸也明顯減弱，這與多數(shù)學(xué)者的研究成果基本一致（武倩等，2016；齊玉春等，2015；李英濱等，2016）。研究發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸受到溫度的制約，在溫度相對(duì)較高的情況下土壤呼吸作用增強(qiáng)，二者變化趨勢(shì)基本一致。大量學(xué)者研究認(rèn)為，溫度能夠顯著影響土壤呼吸（王棣等，2014；劉紅梅等，2016），本研究證實(shí)了這一觀點(diǎn)。就0～5 cm、5～10 cm深度土壤而言，土壤溫度與土壤呼吸率呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，主要受根系活動(dòng)的影響，同時(shí)受根系微生物的分解等新陳代謝的影響，最終導(dǎo)致土壤呼吸發(fā)生了明顯的改變（韓雪等，2014；潘占磊等，2016）；當(dāng)溫度適當(dāng)升高，微生物活性將得以提升，土壤呼吸也有所提高（馬國(guó)霞等，2017；陶寶先等，2016）。也有研究表明，土壤溫度與呼吸之間的相關(guān)性較為明顯，對(duì)于熱帶、亞熱帶甚至北溫帶而言，其地表溫度與土壤呼吸存在極顯著相關(guān)性（王棣等，2014；郭偉等，2018）。本研究建立了土壤溫度與土壤呼吸的指數(shù)模型，在溫度不斷提升的情況下，土壤呼吸作用明顯加強(qiáng)，與前人的研究一致（顧峰雪等，2016；閆鐘清等，2016）。本試驗(yàn)中，Q10的范圍在1.52～1.57，處于全球Q10范圍之內(nèi)（周世興等，2016；武倩等，2016；劉紅梅等，2017），不同地區(qū)土壤具有不同的特性，其呼吸受到溫度的制約程度也不一致。此外，對(duì)照組的Q10遠(yuǎn)高于施氮處理的Q10值，說(shuō)明在氮沉降處理的情況下，土壤呼吸對(duì)溫度的敏感性下降。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸速率與其含水量間存在一定的相關(guān)性，但是相關(guān)性水平較低，即使在氮沉降添加后依然無(wú)法提升其相關(guān)性水平，主要是該區(qū)域降雨較為豐沛，就整個(gè)研究期來(lái)講，其土壤含水量比較充足，對(duì)植被及微生物的活動(dòng)沒(méi)有限制作用（呂茹冰等，2017；邱睿等，2015），故含水量并未對(duì)土壤呼吸速率造成特別明顯的制約作用。在發(fā)生明顯氮沉降的情況下，土壤的碳氮比受到制約，微生物的分解作用等代謝活動(dòng)受到的影響較為明顯，并導(dǎo)致土壤的氮礦化速率提升，在綜合影響之下土壤CO2釋放量受到干預(yù)（Zhang et al.，2014；Maaroufi et al.，2015）；氮沉降能顯著影響土壤呼吸，但是氮沉降的程度不同，其帶來(lái)的影響也不盡相同，適度的氮沉降能夠促進(jìn)土壤呼吸，而過(guò)度的氮沉降會(huì)抑制土壤呼吸作用，但這依然存在較高程度的不確定性（Du et al.，2014；Chen et al.，2017）。本研究發(fā)現(xiàn)，氮沉降對(duì)土壤呼吸起限制作用，這與國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者的研究成果基本一致，主要是原因在于，第一，氮沉降背景下土壤會(huì)加快硝化作用，使得其pH值下降，最終因土壤酸化而使得植物呼吸作用減弱；第二，在氮沉降的影響之下微生物的分解作用及代謝活動(dòng)受限，獲取養(yǎng)分的能力減弱，導(dǎo)致微生物數(shù)量減少，繁殖能力受到制約，最終不利于土壤呼吸效果的提升；第三，氮沉降使得氨態(tài)、硝態(tài)形式的氮增加，直接對(duì)有機(jī)質(zhì)分解酶產(chǎn)生影響，導(dǎo)致腐殖質(zhì)等有機(jī)質(zhì)難以有效分解，地表腐殖質(zhì)覆蓋等直接降低土壤呼吸（Gao et al.，2014）。森林土壤呼吸的影響因素具有多樣性，土壤特質(zhì)、森林物種分布、氮沉降水平等都將影響之，為了進(jìn)一步探究氮沉降帶來(lái)的影響，需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)研究，從多個(gè)方面探討土壤呼吸的影響因素。

實(shí)證研究表明，土壤的溫度及濕度能夠顯著影響土壤的呼吸，二者的綜合作用能夠制約土壤呼吸，且能夠共同解釋土壤呼吸機(jī)理，此外，綜合影響因子解釋度高于單一因子對(duì)土壤呼吸的作用機(jī)理。換言之，與單因素影響模型相比，溫度和濕度共同影響下的雙因素模型具有更高的擬合度。本研究中，盡管氮濃度不同，但是含水量與土壤呼吸之間的二次曲線擬合度較好，0～5 cm土層的土壤含水量與土壤呼吸的決定系數(shù) R2為0.156～0.354，而 5～10 cm 土層的決定系數(shù)為0.239～0.387，明顯低于土壤呼吸與溫度之間的方程決定系數(shù)，說(shuō)明盡管土壤呼吸受到溫度及水分的雙重影響，但是與水分相比，土壤呼吸受溫度的影響更強(qiáng)；在中氮、高氮水平下二者的相關(guān)性得到了略微提升，低氮反而導(dǎo)致了相關(guān)性的下降，主要是該區(qū)域氣候濕潤(rùn)，林地能夠發(fā)揮較好的蓄水效果，使得該區(qū)域水分不對(duì)植物生長(zhǎng)等產(chǎn)生不利影響，因此水分對(duì)土壤呼吸的影響較?。╖hou et al.，2014；Leff et al.，2015）。

氮沉降對(duì)荊條（Vitex negundo L.）灌叢生長(zhǎng)季的土壤呼吸沒(méi)有產(chǎn)生明顯影響，而長(zhǎng)期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施氮一定程度促進(jìn)了土壤呼吸，這主要與施肥時(shí)間不長(zhǎng)、期間降雨量下降有關(guān)。在植物生長(zhǎng)季節(jié)，N2、N3處理對(duì)于土壤異養(yǎng)呼吸起到了促進(jìn)作用，因?yàn)榈两翟黾恿思?xì)根生物量（Lu et al.，2014；Gomez-Casanovas et al.，2016），導(dǎo)致微生物代謝活動(dòng)增強(qiáng)。氮添加后的土壤呼吸效果不僅受到氮沉降的影響，還受到土壤對(duì)氮的利用能力制約，一般情況下，適量的氮沉降有利于微生物活動(dòng)，改善土壤結(jié)構(gòu)，最終對(duì)土壤呼吸起到一定促進(jìn)作用；但是高氮會(huì)降低微生物活性，對(duì)根系呼吸起抑制作用（Lu et al.，2014；Gomez-Casanovas et al.，2016）。

4 結(jié)論

（1）亞熱帶常綠闊葉林土壤土壤呼吸速率具有明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化，總體呈單峰型，其峰值均出現(xiàn)在8月；生長(zhǎng)季氮沉降對(duì)土壤總呼吸均無(wú)顯著影響（P>0.05）。

（2）土壤總呼吸與土壤溫度呈顯著的指數(shù)關(guān)系，低高水平氮處理（N1，N3）提高了土壤呼吸Q10值，中氮（N2）降低了Q10。土壤含水量對(duì)土壤呼吸的影響遠(yuǎn)小于土壤溫度對(duì)土壤呼吸的影響。

（3）低氮促進(jìn)了土壤呼吸年通量，而高氮抑制了土壤呼吸年通量；氮沉降對(duì)土壤呼吸、異養(yǎng)呼吸年通量有顯著影響，其中N2對(duì)土壤呼吸、異養(yǎng)呼吸年通量影響最大（P>0.05）。