氮沉降對(duì)中亞熱帶米櫧天然林土壤有效磷的影響

曾昭陽(yáng)，范躍新，林慰敏，黃鑫毅

(福建師范大學(xué) a.地理科學(xué)學(xué)院，b.濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州 350007)

0 引言

磷(Phosphorus, P)是植物體內(nèi)核苷酸、磷脂和核酸類的重要組成部分[1]，是森林生態(tài)系統(tǒng)功能維持的必需元素。普遍認(rèn)為土壤中礦物的吸附與解吸作用會(huì)影響土壤中P的溶解度，這是影響土壤磷有效性的重要因素之一[2]，而在熱帶、亞熱帶地區(qū)，由于土壤高度風(fēng)化、大部分土壤P被鐵、鋁氧化物等次生礦物固定，使得該區(qū)域的森林土壤表現(xiàn)出相對(duì)“磷缺乏”的特征[3-4]。而高額的氮沉降可能提高土壤氮有效性，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增加P需求[5]，中國(guó)由于化石燃料的燃燒和含氮化肥的使用已成為世界三大氮沉降區(qū)域之一[6-7]，尤其在中國(guó)東南沿海地區(qū)，氮沉降速率約40 kg N·hm-2·a-1[8]，這可能會(huì)進(jìn)一步加劇亞熱帶森林土壤的P限制，并影響區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。

有效磷(Available phosphorus, AP)是土壤中可以被植物和微生物有效利用的P，這部分磷雖然含量很低，但在土壤中比較容易被吸收，是反應(yīng)土壤P供應(yīng)的敏感性指標(biāo)[9]。同時(shí)土壤中微生物量磷(Microbial biomasses phosphorus, MBP)周轉(zhuǎn)快，也可被植物吸收利用，是土壤中另一個(gè)重要的潛在有效磷來(lái)源[10]。氮沉降會(huì)通過對(duì)植物根基分泌物的影響，改變土壤的理化性質(zhì)，從而影響土壤磷的轉(zhuǎn)化和利用[11]。例如，有研究表明，施氮會(huì)提高植物中的氮磷比，從而加強(qiáng)植物對(duì)磷的吸收過程[12]。已有研究嘗試探索氮沉降對(duì)土壤有效磷的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氮沉降增加了生物的P需求，導(dǎo)致土壤P有效性降低[13]，且在氮沉降初期有效磷衰減速度較快，之后氮沉降對(duì)有效磷的影響逐漸減弱[14]。但也有不同的研究結(jié)果，如Mirabello等發(fā)現(xiàn)[15]，在巴拿馬的熱帶森林土壤中，氮沉降未顯著改變土壤有效磷含量，并認(rèn)為可能是施氮加快了土壤有機(jī)磷的礦化，從而增加了有效磷的供應(yīng)。還有研究發(fā)現(xiàn)施氮后土壤有效磷含量增加[16]。由此可見，氮沉降對(duì)于土壤P有效性的影響尚存爭(zhēng)議，仍需要對(duì)不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行探索。

與全球同緯度的其他地區(qū)相比，中國(guó)亞熱帶地區(qū)降水充沛，植被類型豐富，森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力旺盛[17]。氮沉降的加劇對(duì)該地區(qū)土壤P有效性的影響，可能會(huì)改變區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)過程及其對(duì)全球變化的適應(yīng)能力。米櫧(Castanopsiscarlesii)是中國(guó)長(zhǎng)江以南的重要用材樹種之一，是亞熱帶地區(qū)典型的地帶性樹種，分布范圍廣泛，因此以中亞熱帶米櫧天然林為研究對(duì)象，設(shè)置模擬氮沉降實(shí)驗(yàn)，探究土壤P有效性對(duì)氮沉降如何響應(yīng)，以期為氮沉降背景下中亞熱帶森林土壤養(yǎng)分循環(huán)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于福建省三明市格氏栲自然保護(hù)區(qū)，地處武夷山東伸支脈(26°11′N，117°28′E)，屬于低山丘陵，土壤類型為山地紅壤，氣候類型屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫19.5 ℃，多年平均降雨量1 700 mm，主要集中在3—8月，多年平均蒸發(fā)量1 585 mm，相對(duì)濕度79%，全年無(wú)霜期約300 d。保護(hù)區(qū)中植物種類繁多，其中米櫧為優(yōu)勢(shì)種，至今已有200多年的歷史。

1.2 樣地設(shè)計(jì)

于2012年11月在格氏栲自然保護(hù)區(qū)米櫧天然林中建立模擬氮沉降長(zhǎng)期觀測(cè)樣地，共設(shè)對(duì)照(CT)、低氮(LN，40 kg·hm-2·a-1)和高氮(HN，80 kg·hm-2·a-1)3種處理，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)。樣地大小為20 m×20 m，樣地之間間隔10 m，防止互相干擾。自2012年11月開始施氮，每月月初用噴霧器在樣方內(nèi)均勻噴灑NH4NO3溶液20 L，對(duì)照處理噴灑等量的去離子水。

1.3 土壤樣品采集

2018年4月，分別按照“S”型隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，去除凋落物后用土鉆分0～10 cm和10～20 cm兩個(gè)土層取土，裝入自封袋后立即帶回實(shí)驗(yàn)室。剔除可見石塊、根系、動(dòng)植物殘?bào)w等。過2 mm篩后分成2份，一份置于4 ℃冰箱保存，用于測(cè)定微生物生物量磷，其余土樣自然風(fēng)干，用于測(cè)定基本理化性質(zhì)和土壤有效磷。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

pH值用玻璃電極pH計(jì)(STARTER300；OHAUS，美國(guó))測(cè)定，水土比為2.5∶1；土壤總碳(Soil organic carbon，SOC)和總氮(Total nitrogen，TN)用元素分析儀(Elementarvario EL III；Elementar，德國(guó))測(cè)定；稱取5 g鮮土加入20 mL 2.0 mol·L-1的KCl浸提液，振蕩離心后用定量濾紙過濾，用流動(dòng)分析儀(Skalar san++；Skalar，荷蘭)測(cè)定NH4+-N和NO3--N的含量；可溶性有機(jī)碳(Dissolved organic carbon，DOC)和可溶性有機(jī)氮(Dissolved organic nitrogen，DON)，稱取5 g鮮土加入20 mL去離子水，振蕩離心后用0.45 μm的濾膜抽濾，用總有機(jī)碳分析儀(TOC-VCPH/CPN，Shimadezu，日本)測(cè)定DOC的含量，用流動(dòng)分析儀(Skalar san++；Skalar，荷蘭)測(cè)定DON的含量[18]。

土壤有效磷測(cè)定采用M3浸提法[19]，其通用的浸提液所提取的P包括水溶性磷、Al-P、Fe-P和Ca-P的活性部分[20]。稱取3 g風(fēng)干土加入30 mL M3浸提液，振蕩離心后用無(wú)磷濾紙過濾，流動(dòng)分析儀(Skalar san++；Skalar，荷蘭)測(cè)定有效磷含量；土壤全磷(Total phosphorus, TP)采用HClO4-H2SO4法[21]，用流動(dòng)分析儀(Skalar san++；Skalar，荷蘭)測(cè)定全磷含量。

土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[22]，用總有機(jī)碳分析儀(TOC-VCPH/CPN，Shimadzu，日本)測(cè)定浸提液中總有機(jī)碳含量，計(jì)算公式：MBC=△EC/kC, 式中ΔEC為熏蒸與未熏蒸土壤有機(jī)碳含量的差值，kC為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.45；土壤微生物量磷采用氯仿熏蒸-NaHCO3浸提法[23]，用連續(xù)流動(dòng)分析儀(Skalar san++；Skalar，荷蘭)測(cè)定浸提液中磷酸根含量，計(jì)算公式：MBP=△EP/kP,式中△EP為熏蒸與未熏蒸土壤有機(jī)碳含量的差值，kP為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.4。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016和SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和LSD多重比較法檢驗(yàn)不同施氮處理下土壤有效磷、微生物量磷以及土壤理化性質(zhì)的差異顯著性(P<0.05)。用Pearson相關(guān)分析檢驗(yàn)土壤有效磷含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性。繪圖采用Origin 9.0軟件。

2 結(jié)果

2.1 土壤基本理化性質(zhì)

在0～10 cm土層，施氮后土壤pH有降低的趨勢(shì)，但未達(dá)到顯著水平。與對(duì)照相比，施氮未顯著改變土壤SOC、TN、DOC和NH4+-N的含量，但顯著增加了NO3--N和DON的含量。在10～20 cm土層中，各處理間土壤pH、SOC、TN、DOC和NH4+-N濃度均無(wú)顯著差異，HN處理下DON含量顯著高于LN和CT處理(表1)。表明施氮主要改變表層土壤的有效養(yǎng)分，而有機(jī)碳和總氮變化不顯著。

2.2 土壤有效磷、全磷

施氮處理下，0～10 cm土層的有效磷含量顯著降低，但10～20 cm土層無(wú)顯著變化。與AP不同，兩個(gè)土層的TP含量在不同處理下均無(wú)顯著差異。施氮后有效磷與全磷的比值(AP/TP)在0～10 cm土層顯著降低，但在10～20 cm土層無(wú)顯著變化。結(jié)果表明,施氮主要影響土壤有效磷的含量且對(duì)土壤表層的影響更明顯。

2.3 土壤微生物量碳和微生物量磷

與對(duì)照相比，施氮處理未顯著改變0～10 cm土層MBC的含量(圖2)，但卻顯著降低了土壤MBP的含量和增加了MBC∶MBP。在10～20 cm土層，施氮顯著增加了MBC含量和顯著降低了MBP含量，但未顯著影響MBC∶MBP。施氮后MBP的顯著降低說(shuō)明氮沉降可能加劇了土壤微生物的磷限制。

2.4 土壤有效磷含量的影響因素

采用皮爾遜相關(guān)分析檢驗(yàn)土壤有效磷與土壤因子的關(guān)系(表2)，發(fā)現(xiàn)在0～10 cm土層中，有效磷含量與MBP含量顯著正相關(guān)，與NO3--N含量極顯著負(fù)相關(guān)，而與土壤NH4+-N、SOC、TN和pH的相關(guān)性不顯著。在10～20 cm土層中，有效磷含量與各土壤因子間均無(wú)顯著相關(guān)性。

表 1 樣地土壤基本理化性質(zhì)Table 1 General situation of the experimental sample

注：CT：對(duì)照，LN：低氮(40 kg·hm-2·a-1)，HN：高氮(80 kg·hm-2·a-1)，下同；不同字母表示處理之間差異顯著(P<0.05)。

注：CT：對(duì)照，LN：低氮(40 kg·hm-2·a-1)，HN：高氮(80 kg·hm-2·a-1)，下同；誤差線為重復(fù)間的標(biāo)準(zhǔn)誤，下同; 不同大寫字母表示同一土層，不同處理間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示同一處理，不同土層間差異顯著(P<0.05)。圖 1 氮沉降對(duì)土壤有效磷與全磷含量的影響Figure 1 Effects of nitrogen deposition on soil available phosphorus and total phosphorus

表 2 土壤有效磷變化影響因子Table 2 The relationships between soil available phosphorus and soil properties

土層MBPNO3- -NNH4+ -NSOCTNpH0～10 cm相關(guān)系數(shù)0.704? -0.732??0.3480.5090.1470.472P0.0110.0070.2670.0910.6480.121n12121212121210～20 cm相關(guān)系數(shù)-0.3570.4200.1400.3180.2130.281P0.2540.1740.6640.3130.5070.376n121212121212

注：*，P<0.05；**，P<0.01。

3 討論

3.1 氮沉降對(duì)土壤微生物磷及微生物碳磷比的影響

MBP是植物可獲取的土壤有效磷的重要來(lái)源，常用于表征生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分狀況[24]。已有研究發(fā)現(xiàn)氮沉降會(huì)改變土壤MBP的含量，如meta分析顯示，施氮后微生物量平均減少15%，且施氮時(shí)間越長(zhǎng)、施氮量越大，微生物量降低幅度越大[25]。其他研究也發(fā)現(xiàn)，氮沉降會(huì)導(dǎo)致微生物固定P的能力下降，并認(rèn)為主要與施氮會(huì)造成微生物碳限制，抑制了微生物生長(zhǎng)有關(guān)[26]。也有研究結(jié)果顯示，氮沉降并不會(huì)加劇微生物的P限制，并認(rèn)為施氮會(huì)通過加快P循環(huán)速率來(lái)緩解微生物的P限制[27]。本研究中施氮顯著降低了土壤MBP的含量，同時(shí)MBC∶MBP顯著升高，這說(shuō)明氮沉降后土壤微生物P需求增加。這一方面可能是因?yàn)槭┑绊懳⑸?，減少土壤微生物量，降低了微生物的活性，使得土壤MBP含量下降[28]。另一方面，施氮可能會(huì)刺激植物生長(zhǎng)[29]，增加植物與土壤微生物的磷競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致可被微生物利用的有效磷含量下降。

注：MBC：微生物生物量碳，MBP：微生物生物量磷; 不同字母表示同一土層，不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖 2 氮沉降對(duì)土壤微生物量碳和微生物量磷的影響Figure 2 Effects of N deposition on soil microbial biomass C and P

3.2 氮沉降對(duì)土壤磷有效性的影響

土壤有效磷是指植物能直接吸收和利用的無(wú)機(jī)磷和部分小分子有機(jī)磷[30]，通常用作土壤供磷能力表征指標(biāo)[31]。其含量的變化可以直接體現(xiàn)氮沉降對(duì)土壤磷遷移和轉(zhuǎn)化的影響[32]，且有效磷和全磷含量之間并不具有固定的關(guān)系[1]，即使在全磷含量很高的情況下，磷依然容易成為植物生長(zhǎng)的限制因子[11]。

許多研究顯示，施氮與土壤有效磷變化密切相關(guān)，且因環(huán)境而異。Marklein等[33]發(fā)現(xiàn)施氮雖然可以加速熱帶亞熱帶森林土壤的有機(jī)磷礦化，但由于土壤處于磷限制狀態(tài)，使得有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為可利用磷后很快被植物和土壤微生物利用，因此有效磷含量仍未提高。Blanes等[34]在西班牙南部的研究發(fā)現(xiàn)，氮沉降后土壤活性無(wú)機(jī)磷含量呈下降趨勢(shì)，認(rèn)為與施氮導(dǎo)致土壤中的氮磷養(yǎng)分不平衡，使得植物根部對(duì)無(wú)機(jī)磷的吸收加快有關(guān)。而鼎湖山的一項(xiàng)研究表明，微生物對(duì)P的固持作用是導(dǎo)致土壤有效磷含量下降的主要原因[35]。還有研究發(fā)現(xiàn)，在N供應(yīng)充足時(shí)，生物體會(huì)將N分配給水解酶(如磷酸酶)來(lái)獲取有效磷[34]。本研究中，施氮處理未顯著影響土壤TP含量，說(shuō)明短期施氮未改變土壤磷的輸入和輸出平衡。在LN和HN處理下，土壤有效磷含量顯著降低，說(shuō)明施氮促進(jìn)了植物對(duì)土壤有效磷的吸收和利用[36]。同時(shí)，本研究區(qū)所處的中亞熱帶地區(qū)氣候溫和，濕潤(rùn)多雨，與溫帶地區(qū)相比，土壤淋溶作用強(qiáng)，風(fēng)化程度高，施氮導(dǎo)致土壤pH降低會(huì)促進(jìn)土壤中可交換性Al3+和Fe3+含量上升，Al3+和Fe3+會(huì)和土壤中的有效磷結(jié)合形成較穩(wěn)定的P，這可能也是土壤中有效磷含量減少的一個(gè)重要原因[37-38]。

3.3 土壤磷有效性變化的影響因素

Pearson分析顯示，土壤因子對(duì)有效磷含量的影響主要在0～10 cm土層中，與10～20 cm土層有效磷含量的變化相關(guān)性不顯著。且在0～10 cm土層中，有效磷含量變化主要與MBP含量、NO3--N含量顯著相關(guān)(表3)。施氮后土壤MBP降低反映了氮沉降對(duì)土壤微生物的影響，而土壤微生物的降低可能影響磷酸酶的分泌，進(jìn)而影響土壤有機(jī)磷的礦化和土壤有效磷的含量[11, 34, 39]。另一方面，微生物能通過自身代謝活動(dòng)釋放無(wú)機(jī)磷[11,33]，施氮降低微生物的數(shù)量，從而降低了這部分有效磷的來(lái)源。此外，本研究區(qū)土壤酸性較強(qiáng)(pH接近4)，氮沉降可能會(huì)增加土壤中的H+，也可能抑制磷酸酶活性和減少有機(jī)磷礦化，降低土壤有效磷含量。

4 結(jié)論

施氮顯著降低了米櫧天然林0～10 cm土層的有效磷和MBP的含量，但TP變化不顯著，說(shuō)明氮沉降主要改變表層土壤的有效磷含量，而TP對(duì)氮添加響應(yīng)不敏感。相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)表層(0～10 cm)土壤有效磷含量與MBP顯著正相關(guān)，但與NO3--N含量顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明施氮后土壤有效氮和土壤微生物量磷是有效磷變化的重要因素。未來(lái)研究還應(yīng)關(guān)注地上植物吸收與土壤磷供應(yīng)的關(guān)系，以進(jìn)一步揭示未來(lái)氮沉降背景下森林生態(tài)系統(tǒng)的磷供應(yīng)機(jī)制。