模擬氮沉降對長白山興安落葉松林土壤有機碳庫的短期影響

張揚 裴亞蒙 任昊曄

摘要：? 以凈月潭國家森林公園興安落葉松林為研究對象，以NH4NO3為原料模擬4個強度的氮沉降，分析土壤總有機碳（TOC）、易氧化有機碳（ROC）、溶解性有機碳（DOC）和微生物量碳（MBC）的動態(tài)變化。研究結果表明：低氮沉降量（L，50 kg N yr-1 ha-1）提高了TOC、ROC、DOC和MBC濃度，但除MBC外均未達到顯著性水平;中氮沉降量（M，100 kg N yr-1 ha-1）提高了TOC和DOC濃度，降低了ROC和MBC濃度;高氮沉降量（H，150 kg N yr-1 ha-1）提高了ROC和MBC濃度，降低了TOC和DOC濃度。

關鍵詞：? 氮沉降;? 興安落葉松林;? 土壤有機碳

中圖分類號：? ?S 714. 8， S 791. 222? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001 - 9499（2019）03 - 0022 - 04

由于燃燒化石燃料和施用氮肥等人類活動，大氣中活性氮的含量不斷增加[ 1 ， 2 ]，并通過氮沉降進入陸地生態(tài)系統(tǒng)[ 3 ]，打破了原本相對封閉的氮循環(huán)過程，對生產(chǎn)力、生物質(zhì)分配和碳循環(huán)等過程產(chǎn)生了深刻影響[ 4 ， 5 ]。生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)存在耦合關系，氮供給狀況對植物的物質(zhì)生產(chǎn)、分配、循環(huán)等過程具有重要作用，并通過凋落物分解、細根周轉和土壤呼吸等影響土壤碳庫的積累。土壤碳庫是森林碳庫重要組成部分，容量是植被碳庫的2～3倍，是大氣碳庫的2倍，其微小變化將對全球碳循環(huán)乃至氣候變化產(chǎn)生影響[ 6 ]。土壤碳庫包括了不同的有機碳組分，各組分具有不同的循環(huán)特點，對氮沉降的響應存在差異[ 7 ]。由于土壤碳庫積累過程比較復雜，對于氮沉降的作用目前沒有一致性結論，尤其對于TOC、ROC、DOC和MBC等活性碳組分的比較研究還很少。本文通過模擬氮沉降環(huán)境，分析興安落葉松林土壤有機碳動態(tài)變化情況，有助于準確了解氮沉降對長白山地區(qū)興安落葉松林生態(tài)系統(tǒng)的影響。

1 試驗地概況

試驗地位于長春市凈月潭國家森林公園（43°46′57″N，125°28′15″E），該地區(qū)屬長白山余脈的低山丘陵地帶，海拔220～406 m。屬溫帶半干旱與半濕潤季風氣候的過渡性氣候區(qū)，年平均氣溫4.7 ℃，平均最高氣溫28.3 ℃，平均最低氣溫-22.4 ℃，平均相對濕度69%，年平均降水量645.3 mm。土壤主要為白漿化暗棕壤，厚度15～50 cm。該地區(qū)優(yōu)勢樹種為興安落葉松（Larix gmelinii）、樟子松（Pinus sylvestris var. mongholica）、油松（Pinus tabuliformis）、紅松（Pinus koraiensis）等。

2 試驗材料與方法

2. 1 試驗材料

主要試驗材料包括：土鉆、自封袋、保溫箱、土壤刀、NH4NO3、氯仿、噴霧器、2 mm篩、0.25 mm篩，TOC自動分析儀（luqui TOCII，Elementer，Germany）。

2. 2 試驗方法

2. 2. 1 試驗設計

在凈月潭國家森林公園中，隨機設置3塊標準地（20 m×30 m），樣地之間距離至少8 m，每個樣地內(nèi)沿對角線方向設置4個小樣方（5 m×5 m）進行氮沉降模擬試驗。試驗共設4個處理，包括低氮沉降量（L，50 kg N yr-1 ha-1）、中氮沉降量（M，100 kg N yr-1 ha-1）、高氮沉降量（H，150 kg N yr-1 ha-1）和對照處理（CK）。氮源選用NH4NO3，將每個處理的年施氮量均分成6份，自2017年4月開始，每月初將其溶于2L水中，采用噴霧器對林下土壤均勻噴施，對照處理噴灑等量的水。

2. 2. 2 土壤采集和處理

2017年5～10月，采集土壤樣品，在每塊氮沉降處理樣地內(nèi)隨機選取5個點，清除地表凋落物，使用土鉆取0～20 cm土樣，將各采樣點樣品混勻，篩除土壤中的動植物殘體，裝入自封袋，標記并放入保溫箱低溫保存。土樣帶回試驗室后，新鮮土樣過2 mm篩，測定MBC和DOC濃度，MBC測定采用氯仿熏蒸浸提法[ 8 ]，DOC測定參考張甲珅的方法[ 9 ]。自然風干土樣過0.25 mm篩，測定TOC濃度，采用重鉻酸鉀容量法測定;過百目篩，測定ROC濃度，測定方法參考Garten[ 10 ]。

2. 2. 3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel整理數(shù)據(jù)，使用SPSS22.0進行Kolmogorov-Smirnov正規(guī)性檢驗。采用Levene進行方差齊性檢驗，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncan檢驗比較不同氮處理下各參數(shù)間的差異（α=0.05）[ 11 - 13 ]。使用Sigmaplot 13.0作圖，分析土壤總有機碳（TOC）、易氧化有機碳（ROC）、溶解性有機碳（DOC）和微生物量碳（MBC）等指標的動態(tài)變化情況[ 14 - 15 ]。

3 結果與分析

3. 1 氮沉降對土壤有機碳不同組分的影響

由氮沉降對土壤有機碳不同組分的影響（表1）可以看出，相對于CK，L處理分別提高TOC、ROC、DOC和MBC濃度為8.72%（p>0.05）、6.47%（p>0.05）、18.11%（p>0.05）、44.16%（p<0.05）;M處理分別提高了TOC和DOC濃度7.94%（p>0.05）、4.62%（p<0.05），分別降低了ROC和MBC濃度7.41%（p>0.05）、13.46%（p>0.05）;H處理分別提高了ROC和MBC濃度15.66%（p>0.05）、10.66%（p>0.05），分別降低了TOC和DOC濃度5.38%（p>0.05）、14.32%（p<0.05）。

3. 2 氮沉降對TOC濃度的影響

由模擬氮沉降條件下TOC濃度月動態(tài)（圖1）可以看出，在4種模擬氮沉降處理下，興安落葉松林TOC濃度呈先下降再升高趨勢，最大值出現(xiàn)在5月（87.05 g·kg-1），最小值出現(xiàn)在8月（67.42 g·kg-1），除了這兩個月外，其他各月無顯著性差異。在L處理下，TOC濃度各月無顯著差異，5～9月的各月TOC濃度均與CK存在顯著性差異，分別提高了10.56%、10.98%、10.79%、14.20%和7.41%。在M處理下，8月TOC濃度顯著低于5、6月，較CK分別提高了15.14%、14.75%、11.60%、12.80%和7.64%，10月無顯著性差異。在H處理下，TOC濃度各月間無顯著性差異，9月較CK降低了12.29%。

3. 3 氮沉降對ROC濃度的影響

由模擬氮沉降條件下ROC濃度月動態(tài)（圖2）可以看出，在4種模擬氮沉降處理下，興安落葉松林ROC濃度在5～10月呈波動下降趨勢，各月間無顯著性差異，最大值出現(xiàn)在5月（17.27 g·kg-1），最小值出現(xiàn)在7月（10.40 g·kg-1）。在L處理下，ROC濃度在7～9月顯著高于CK，分別提高了32.04%、18.82%和12.30%，其余月份無顯著差異。在M處理下，ROC濃度變化較復雜，除6、10月外均與CK存在顯著性差異，5月提高了14.54%，7、8、9月分別降低了16.94%、28.72%和11.44%。在H處理下，ROC濃度在5、10月無顯著性差異，6、7、8、9月分別降低了18.72%、28.93%、27.34%和40.82%。

3. 4 氮沉降對DOC濃度的影響

由模擬氮沉降條件下DOC濃度月動態(tài)（圖3）可以看出，在4種模擬氮沉降處理下，興安落葉松林DOC濃度在5～10月呈波動下降趨勢， 最大值出現(xiàn)在5月（89.63 mg·kg-1），最小值出現(xiàn)在10月（36.72 mg·kg-1）。在L處理下，DOC濃度除9月外均顯著高于CK，5、6、7、8、10月分別提高了19.87%、26.88%、21.53%、25.59%和38.99%。在M處理下，DOC濃度除9、10月外均顯著高于CK，5、6、7、8月分別提高了24.54%、17.58%、20.02%和22.12%。在H處理下，DOC濃度在8、10月顯著低于CK，分別降低了20.08%和22.39%，其余月份不存在顯著性差異。

3. 5 氮沉降對MBC濃度的影響

由模擬氮沉降條件下MBC濃度月動態(tài)（圖4）可以看出，在4種模擬氮沉降處理下，興安落葉松林MBC濃度在5～10月呈波動上升趨勢， 最大值出現(xiàn)在9月（1 170.66 mg·kg-1），最小值出現(xiàn)在5月（352.70 mg·kg-1）。在L處理下，MBC濃度與CK存在顯著性差異，5～10月分別提高了13.59%、39.43%、76.93%、70.20%、21.70%和11.40%。在M處理下，6～8月MBC濃度與CK存在顯著性差異，分別提高了19.75%、32.53%和32.32%，5、9、10月不存在顯著性差異。在H處理下，5～8月MBC濃度與CK存在顯著性差異，分別提高了20.09%、17.68%、26.90%和26.37%，9、10月不存在顯著性差異。

4 結 論

試驗結果表明，低氮沉降量（L）提高了TOC、ROC、DOC和MBC濃度，但除MBC外未達到顯著性水平;中氮沉降量（M）提高了TOC和DOC濃度的同時降低了ROC和MBC濃度;高氮沉降量（H）提高了ROC和MBC濃度的同時，降低了TOC和DOC濃度;中氮和高氮沉降量下，DOC濃度降低達到了顯著水平。這說明，在長白山興安落葉松林土壤環(huán)境中，低、高氮環(huán)境可提高ROC水平，中氮環(huán)境可降低ROC水平。低、中氮環(huán)境可提高DOC水平，高氮環(huán)境可降低DOC水平。高、中、低氮環(huán)境均可提高MBC，其中，低氮環(huán)境的提高效果較為顯著。本研究分析了氮沉降對興安落葉松土壤不同組分有機碳庫的短期影響，但由于氮沉降對土壤有機碳的影響機制較為復雜，要解釋這種變化的原因需要進一步定量研究，以對氮沉降的影響做出更具體的判斷。

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（責任編輯：? ?王 巖）