氮磷濕沉降對2種林型紅松林土壤活性有機碳及養(yǎng)分的影響1)

李常準 陳立新 段文標 李少然 李亦菲 于穎穎 朱佳慧 趙戈榕

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

土壤有機碳是土壤碳的重要組成部分。Blair et al.[1]把土壤有機碳分為活性有機碳和惰性有機碳，且前者對施肥、凋落物等處理反應敏感。Haynes[2]研究表明，土壤有機碳在短時間內變化非常小，很難檢測到其變化。土壤活性有機碳是土壤有機碳的一部分，對外部環(huán)境變化響應非常敏感，而且能夠在不同程度上反映土壤有機碳的有效性和時效性，因此，土壤活性有機碳可作為土壤碳庫穩(wěn)定性的指示因子。土壤活性有機碳和土壤養(yǎng)分的供給與植物生長有密切關系。土壤活性有機碳包括土壤易氧化有機碳、輕組碳、顆粒有機碳。土壤易氧化有機碳對外部環(huán)境變化響應非常敏感，土壤易氧化有機碳的含量在很大程度上取決于土壤有機碳的含量。土壤輕組碳主要是未分解或半分解狀態(tài)的植物根系和植物殘體以及新鮮的凋落物和微生物殘體[3]。土壤輕組碳在碳氮循環(huán)中起著重要作用[4]，且對施肥等措施十分敏感。一般認為，土壤顆粒有機碳是處于新鮮的動植物殘體和腐殖化有機物之間暫時的或過渡的有機碳庫。土壤顆粒有機碳是吸引微生物的物質[5]，易被微生物利用并發(fā)生礦化分解[6]。土壤顆粒有機碳是土壤活性有機碳的組成，也是土壤有機碳活性的一個重要指標。土壤養(yǎng)分包括土壤有機碳、全磷、全氮等。氮是大多數(shù)陸地植物生長的限制因子，土壤全氮是土壤有機質的重要組成部分，可以表征土壤養(yǎng)分變化，是研究土壤肥力的基礎。土壤磷是限制植物生長發(fā)育的重要養(yǎng)分，并且是植物生存的重要物質基礎和環(huán)境條件。碳氮比會影響土壤中碳氮循環(huán)，體現(xiàn)土壤有機物的分解速率。施肥可以改變土壤養(yǎng)分，改變土壤氮磷化學計量關系。林業(yè)上經(jīng)常使用施加氮肥促進植物生長[7]。1980—2010年，中國的氮濕沉降水平增加了近25%[6]，氮沉降普遍增加，促進了森林碳匯功能。

氮沉降對土壤活性有機碳及土壤養(yǎng)分(土壤碳氮磷)的影響，在學術界尚存有爭議。氮沉降對土壤中碳氮含量影響可能是增加、減少或無影響[7-14]，氮沉降對土壤活性有機碳含量影響可能是增加或減少[14-16]，因此，氮沉降對土壤活性有機碳及土壤養(yǎng)分的影響還需進一步研究。磷是植物生長必需的元素之一，但過量磷肥會導致農作物成熟早、產(chǎn)量低。土壤磷素除分解最初的巖石風化，釋放-植物吸收-植物殘體降解磷回歸土壤外，大氣沉降輸入磷也是不可或缺的一部分[17]。磷肥會促進氮肥的肥效[18]。目前，在不同研究中，氮磷濕沉降對森林土壤活性有機碳(土壤易氧化有機碳、顆粒有機碳、輕組有機碳)及土壤養(yǎng)分的影響結果各有不同[10-19]。為此，本研究利用野外模擬氮磷濕沉降試驗，研究氮磷耦合作用下紅松人工林和闊葉紅松林土壤活性有機碳及土壤養(yǎng)分的變化，旨在為這2種林型森林的可持續(xù)經(jīng)營提供參考。

1 研究地區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省伊春市帶嶺區(qū)涼水國家級自然保護區(qū)(47°6′49″～47°16′10″N，128°47′8″～128°57′19″E)。該地的山嶺屬于小興安嶺南端最大支脈達里帶嶺的南坡，本區(qū)最高峰位于區(qū)內北端的嶺來東山，海拔707.3 m。平均海拔409 m，相對海拔80～300 m。該地區(qū)屬于溫帶大陸性濕潤季風氣候，年均氣溫為-0.3 ℃，年均最低氣溫為-6.6 ℃，年均最高氣溫為7.5 ℃；年均降水量676.0 mm，無霜期為100～120 d。地帶性土壤類型為暗棕壤。

2 研究方法

在研究區(qū)內，2017年10月，在保護區(qū)內篩選出2個有代表性的林型——紅松人工林、闊葉紅松林。在每個林型內，各選擇3塊立地條件相似的地塊，將其設置為固定試驗樣地(以下簡稱樣地)，共計6塊樣地。為了避免相互影響，同一林型的3塊樣地之間至少間隔20 m。在每塊樣地中，隨機設置4個2 m×2 m樣方，2個林型共計24個樣方。

紅松人工林3塊樣地內的主要樹種為紅松(Pinuskoraiensis)。由于紅松人工林是在原始闊葉紅松林采伐跡地上營造的，且其周圍均被原始闊葉紅松林所環(huán)繞，因此，紅松人工林內還伴生有少量闊葉樹種的幼樹，如黃檗(Phellodendronamurense)、白樺(Betulaplatyphylla)、色木槭(Acermono)、青楷槭(Acertegmentosum)、榆樹(Ulmuspumila)、花楷槭(Acerukurunduense)、楓樺(Betulacostata)、稠李(Padusracemosa)。在闊葉紅松林3塊樣地內，主要樹種為紅松，伴生樹種為楓樺、色木槭、稠李、毛赤楊(Alnussibirica)、臭冷杉(Abiesnephrolepis)、紫椴(Tiliaamurensis)、瘤枝衛(wèi)矛(Euonymusverrucosus)。試驗樣地概況見表1。

表1 紅松人工林和闊葉紅松林樣地基本概況

根據(jù)當?shù)叵募径嗄杲涤暧涗浖皽y定涼水自然保護區(qū)自然氮、磷沉降量，依據(jù)自然氮磷沉降背景值，并參考國際上同類研究的處理方法[20-21]，設置氮磷處理的強度和頻度。本試驗設計按照施用氮磷量由低到高次序，設置4種處理，分別標記為對照(沒施用氮磷，簡稱為a)，低施用量氮磷處理(施用氮5 g·m-2·a-1、磷5 g·m-2·a-1，簡稱為b)，中施用量氮磷處理(施用氮15 g·m-2·a-1、磷10 g·m-2·a-1，簡稱為c)，高施用量氮磷處理(施用氮30 g·m-2·a-1、磷20 g·m-2·a-1，簡稱為d)，每處理3個重復。2018年5—10月份，在紅松人工林和闊葉紅松林2種林型的24個試驗單元內，每月進行一次模擬氮磷濕沉降施肥試驗，分6次施入。按照處理水平的要求，將(NH4)2HPO4與(NH4)2SO4溶解在2 L溪水中(由于對照噴灑的溪水同樣為同期同批次的溪水，所以4種處理溪水內氮磷量均相同)，以噴灑器均勻地噴灑在試驗單元內。對照試驗單元內噴施相同體積的同期同批次溪水。

2018年5、8和10月份在每個試驗單元內，隨機選取3個30 cm×30 cm的取樣點，采集每個取樣點0～20 cm土壤樣品。剔除土壤中植物根系和大于2 mm的石塊等，陰涼通風處自然風干后，研磨過篩。

土壤全氮和全磷，采用流動注射分析儀(SEAL Auto Analyzer3，Germany)測定[22-23]；土壤有機碳，采用碳氮分析儀(Elementar，Vario ELcube，Germany)測定[24]；土壤易氧化有機碳，采用333 mmol·L-1KMnO4氧化-比色法測定[1]；土壤顆粒有機碳，采用333 g·L-1六偏磷酸鈉分散法[9]后，用碳氮分析儀測定；土壤輕組碳，采用相對密度分組法[10]后，用碳氮分析儀測定。

使用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，利用SPSS 23軟件進行多因素方差分析和差異顯著性檢驗(LSD法，α=0.05)；用Canoco 5.0進行冗余分析(RDA)。

3 結果與分析

3.1 采樣時間、氮磷濕沉降處理和林型對土壤活性有機碳與土壤養(yǎng)分的影響

由表2可見：林型和氮磷施用量處理的交互作用，采樣時間、氮磷施用量處理和林型三者的交互作用，對土壤易氧化有機碳的影響顯著，對土壤其他指標均無顯著影響；林型對土壤易氧化有機碳、全磷影響顯著，土壤易氧化有機碳、全磷的質量分數(shù)均為闊葉紅松林高于紅松人工林(見圖1)；對測定的土壤其他指標影響不顯著；林型與氮磷施用量處理的交互作用，對土壤易氧化有機碳影響顯著；采樣時間與林型交互作用，對測定的土壤指標影響均不顯著。

土壤活性有機碳與土壤養(yǎng)分之間存在不同的關系，應用Canoco 5.0軟件對各林型、不同施用量、不同采樣時間土壤易氧化有機碳質量分數(shù)、土壤顆粒有機碳質量分數(shù)、土壤輕組碳質量分數(shù)、土壤總有機碳質量分數(shù)、土壤全氮質量分數(shù)和土壤全磷質量分數(shù)進行冗余分析(見圖1)。由圖1可見：土壤易氧化有機碳與土壤有機碳、全氮、全磷之間呈正相關關系；土壤顆粒有機碳與全氮、有機碳、全磷之間均呈負相關關系，并且土壤顆粒有機碳與土壤有機碳呈顯著負相關關系；土壤輕組碳與全氮、有機碳、全磷之間均呈正相關關系，并且輕組碳與土壤全磷呈顯著正相關關系。土壤易氧化有機碳與土壤顆粒有機碳、輕組碳之前呈負相關關系；土壤有機碳與全氮、全磷之間呈正相關關系。

表2 采樣時間、林型及氮磷處理對測定土壤指標的影響

注：自由度為23；*表示差異顯著(P<0.05)；** 表示差異極顯著(P<0.01)。

F為紅松人工林；I為闊葉紅松林；M為5月份；A為8月份；O為10月份。a為對照；b為低施用量氮磷處理；c為中施用量氮磷處理；d為高施用量氮磷處理。

圖1不同處理下土壤測定指標RDA排序

3.2 2種林型不同氮磷濕沉降處理土壤養(yǎng)分的月變化

由表3可見：2種林型中氮磷處理對5、10月份土壤總有機碳影響顯著，對8月份土壤總有機碳影響不顯著。紅松人工林中，土壤總有機碳質量分數(shù)5月份在高施用量氮磷處理下最高，8月份在中施用量氮磷處理下最高，10月份在低施用量氮磷處理下最高。在闊葉紅松林中，5月份土壤總有機碳質量分數(shù)沒有隨氮磷濕沉降施用量的增加而減少；8月份中施用量氮磷處理最高，與對照相比增加了4.62%；10月份高施用量氮磷處理最高，與對照相比增加3.21%；5、8月份在高施用量氮磷處理最低，分別降低47.80%、0.90%；10月份低施用量氮磷處理最低，并降低了22.42%。

由表3可見：在紅松人工林中，氮磷濕沉降處理對土壤全氮質量分數(shù)影響不顯著，闊葉紅松林中氮磷濕沉降處理對土壤全氮影響顯著。在紅松人工林中，5、8月份土壤全氮均是在a處理下質量分數(shù)最高；5、8月份均在中施用量氮磷處理下，土壤全氮質量分數(shù)最低，在氮磷濕沉降處理5、8月份土壤全氮質量分數(shù)的變化規(guī)律一致，均為先減少后增加，10月份土壤全氮質量分數(shù)是先增加后減少；在闊葉紅松林中，5月份土壤全氮質量分數(shù)是隨著氮磷濕沉降的施用量的增加而增加；8、10月份，均在中施用量氮磷處理土壤全氮質量分數(shù)最高，分別增加了17.3%、3.6%。

由表3可見：2種林型中，土壤全磷的質量分數(shù)在0.3～1.0 g·kg-1，氮磷濕沉降處理對土壤全磷質量分數(shù)影響不顯著。在紅松人工林中，5月份低施用量氮磷處理下，土壤全磷質量分數(shù)最高，其他處理下其質量分數(shù)變化不大；8月份，氮磷濕沉降處理土壤全磷變化不明顯；10月份，高施用量氮磷處理下全磷質量分數(shù)最高，低施用量氮磷處理下全磷質量分數(shù)最低。在闊葉紅松林中，5月份中施用量氮磷處理全磷質量分數(shù)最高，8、10月份均為高施用量氮磷處理全磷質量分數(shù)最高；全磷質量分數(shù)最低的為低、中施用量氮磷處理。

表3 氮磷濕沉降處理2種林型土壤養(yǎng)分測定結果

注：a為對照；b為低施用量氮磷處理；c為中施用量氮磷處理；d為高施用量氮磷處理。表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”；數(shù)據(jù)后，同列不同小寫字母，表示同一時間不同氮磷處理間差異顯著(P<0.05)。

由表4可見：在紅松人工林中，8、10月份氮磷濕沉降對土壤易氧化有機碳影響顯著；在闊葉紅松林中，氮磷濕沉降處理對土壤易氧化有機碳的影響不顯著。在紅松人工林中，5月份高施用量氮磷處理，土壤易氧化有機碳質量分數(shù)最高，與對照相比增加22.7%；8、10月份均低施用量氮磷處理，土壤易氧化有機碳質量分數(shù)最高，與對照相比分別增加47.1%、61.5%。在闊葉紅松林中，10月份低施用量氮磷處理，土壤易氧化有機碳質量分數(shù)最低，與對照相比降低20.5%。

表4 氮磷濕沉降處理2種林型土壤活性有機碳測定結果

注：a為對照；b為低施用量氮磷處理；c為中施用量氮磷處理；d為高施用量氮磷處理。表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”；數(shù)據(jù)后，同列不同小寫字母，表示同一時間不同氮磷處理間差異顯著(P<0.05)。

由表4可見：氮磷濕沉降處理對土壤顆粒有機碳質量分數(shù)影響不顯著。在2種林型中，8、10月份土壤顆粒有機碳質量分數(shù)變化趨勢一致，且8月份土壤顆粒有機碳質量分數(shù)遠遠低于5、10月份。2種林型中，5、10月份土壤顆粒有機碳隨著氮磷濕沉降施用量的增加先減少后增再減，在10月份，土壤顆粒有機碳質量分數(shù)是隨著氮磷濕沉降施用量的增加先增加后減少的，均為中施用量氮磷處理土壤顆粒有機碳質量分數(shù)最高，與對照相比分別增加了12.6%、5.1%。

由表4可見：氮磷濕沉降處理對土壤輕組碳質量分數(shù)影響不顯著。在紅松人工林中，5、8月份中施用量氮磷處理，土壤輕組碳質量分數(shù)最高，并且分別增加16.3%、49.7%；低施用量氮磷處理，土壤輕組碳質量分數(shù)最低，分別降低4.5%、13.1%。在闊葉紅松林中，5、8月份低施用量氮磷處理，土壤輕組碳質量分數(shù)最高，分別增加57.2%、53.1%。2種林型中，10月份土壤輕組碳質量分數(shù)低于5、8月份。

4 結論與討論

4.1 氮磷濕沉降處理對2種林型土壤活性有機碳的影響

本研究中，紅松人工林中，5月份不同氮磷處理對土壤易氧化有機碳影響不顯著，8、10月份不同氮磷處理對土壤易氧化有機碳質量分數(shù)影響顯著；闊葉紅松林中，不同氮磷處理對土壤易氧化有機碳影響不顯著。土壤易氧化有機碳對不同氮磷濕沉降處理(施肥)響應不敏感[26]。本研究與王玲莉等[25]的研究結果不同，施加化肥對棕壤的土壤易氧化有機碳質量分數(shù)影響不明顯。

采樣時間對土壤易氧化有機碳的影響顯著。紅松人工林，土壤易氧化有機碳質量分數(shù)隨時間的變化與李玉武[26]的岷江上游幾種人工林中土壤易氧化碳質量分數(shù)7月份最高、5月份最低的研究結果不同。不同的試驗處理對土壤易氧化有機碳質量分數(shù)產(chǎn)生不同影響，地域氣候的差異、土壤類型的不同以及林型的不同，會導致土壤微生物種類、數(shù)量、活性等的不同，從而影響土壤易氧化有機碳的積累、轉化和分解。本研究與辜翔等[27]對土壤易氧化有機碳質量分數(shù)隨著溫度變化而變化的研究結果相似。一般認為，在一定的溫度范圍內，土壤微生物的活性隨著土壤溫度的升高而增強，高活性的土壤微生物促進了土壤易氧化有機碳的轉化。

林型對土壤易氧化有機碳影響呈顯著差異。在相同處理下土壤易氧化有機碳質量分數(shù)是闊葉紅松林高于紅松人工林，這與劉榮杰等[28]的研究結果一致。是由于紅松林人工種植時間短，林分結構單一，土壤有機碳的來源受到限制。但不同處理下闊葉紅松林對土壤易氧化有機碳影響小于紅松人工林對其影響。闊葉紅松林物種多樣、土壤中根系較多、土壤微生物種類豐富等因素的共同作用下對氮磷濕沉降處理應對機制迅速反應，使土壤易氧化有機碳變化保持在某個穩(wěn)定區(qū)間內。

單獨施用化肥會使土壤輕組碳質量分數(shù)下降[30]，但是有機肥與化肥配施會提高土壤有機碳的質量分數(shù)。本研究發(fā)現(xiàn)，氮磷濕沉降處理會增加土壤輕組碳質量分數(shù)，但影響不顯著，施加氮磷濕沉降促進了試驗單元中草本植物生長，導致試驗單元內草本植物落葉或根系增加，因此增加了土壤輕組碳質量分數(shù)。這個研究結果與許多研究[32-35]結論一致。目前，對于氮磷濕沉降對土壤輕組碳的影響還存在爭議。在不同的研究中施用肥種類不同、施肥模式不同、土壤類型不同、植被類型不同及凋落物類型不同以致于植物根系、微生物殘體的不同，從而影響土壤輕組碳變化趨勢不同。

本研究發(fā)現(xiàn)，高施用量氮磷處理增加了土壤顆粒有機碳質量分數(shù)，但影響不顯著。與趙玉皓等[34]結果相似，與陳文婷等[33]的研究長期施肥對農田土壤顆粒有機碳有明顯影響結果不同。原因一是本試驗模擬氮磷濕沉降為短期處理，不能立即反應動植物殘體向腐殖化轉化加快的過程，因此對土壤顆粒有機碳有影響但不顯著；二是氮磷濕沉降為微生物提供了養(yǎng)分，提高了微生物的活性[37]，使得微生物分泌物增多[36]，使土壤顆粒有機碳轉化；三是氮磷濕沉降處理會促進根系生長和增加根系分泌物，導致土壤顆粒有機碳積累，但微生物會消耗土壤顆粒有機碳[42]，從而導致氮磷濕沉降處理對土壤顆粒有機碳影響不顯著。

4.2 氮磷濕沉降處理對2種林型土壤養(yǎng)分的影響

土壤有機碳主要來源于地表植物凋落物和根系歸還[39]。不同肥料種類施用會使土壤有機碳質量分數(shù)增加，但有增加的顯著性存在差異是被研究者公認[40-41]。本研究發(fā)現(xiàn)，2種林型中不同氮磷處理在5、10月份對土壤有機碳影響顯著，8月份對土壤有機碳影響不顯著。其他研究中農田作物種類單一，且作物歸還土壤后所需分解時間短，這對土壤有機碳影響顯著；Liu et al.[42]研究發(fā)現(xiàn)，磷的添加改變微生物生物量與組成，可以增加土壤有機質和凋落物分解。5、10份月溫度遠遠低于8月份，8月份氮磷濕沉降處理促進微生物活性，微生物活動消耗土壤有機碳[38]。

本研究發(fā)現(xiàn)，紅松人工林中不同氮磷處理對土壤全氮、全磷影響不顯著。2種林型中氮磷濕沉降處理，土壤全磷、全氮質量分數(shù)增加。這與很多研究[15，43]結果一致，氮磷沉降對土壤全磷、全氮沒有顯著影響。不同的研究區(qū)域短期氮磷沉降處理均發(fā)現(xiàn)，氮磷沉降對土壤全磷、全氮無顯著影響[31]。持續(xù)過量的氮添加會導致全氮質量分數(shù)降低，土壤酸化[30]，土壤酸化會提高土壤中磷的溶解性[43]，更易被植物吸收；氮磷濕沉降處理微生物活性增強，有機質分解過程中產(chǎn)生有機酸等類物質，減少無機磷固定，促進有機磷溶解導致土壤全磷質量分數(shù)增加，磷會促進植物根系生長，加速土壤氮素的消耗，導致氮磷濕沉降處理對土壤全氮無顯著影響[43-44]；氮磷濕沉降處理使土壤磷素消耗增加，全磷增加量減少[45]；氮磷濕沉降處理時間短，土壤全磷、全氮還受氣候、土壤pH、土壤溫濕度等其它因子長期影響，沒有長期氮磷濕沉降處理前提下，不能得出一致的結論。

土壤有機碳、全氮是重要土壤養(yǎng)分因子，土壤碳氮質量分數(shù)比在15～25，有機質供肥情況良好，土壤碳氮質量分數(shù)比較小會增強微生物分解能力，使土壤有效養(yǎng)分增加[44]。本研究中，土壤碳氮質量分數(shù)比為15～25，所以氮磷濕沉降處理對土壤有機質的供肥良好。本研究模擬氮磷濕沉降對土壤碳氮質量分數(shù)比影響不顯著，與秦燕等[46]研究連續(xù)2 a施肥處理對土壤碳氮質量分數(shù)比沒有明顯響應的結果相同。這表明，短期氮磷濕沉降，土壤氮增加使土壤內各響應機質會迅速做出反應，使土壤碳氮質量分數(shù)比處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，使生態(tài)系統(tǒng)中碳氮處于動態(tài)平衡中。