氮添加對馬尾松人工林凋落物分解及其微生物活性的影響

陳漢章, 劉志中

(閩西職業(yè)技術學院, 福建 龍巖 364000)

在長期的工業(yè)化過程中，人類對資源的開發(fā)利用過程中產(chǎn)生了大量的氮素，這些氮含量遠遠超出了自然生態(tài)循環(huán)中產(chǎn)生的氮，其中有很大一部分氮素被釋放到大氣環(huán)境中，同時又在降雨等作用下重新沉降至陸地及海洋[1-3]。由于氮元素對生態(tài)初級生產(chǎn)力產(chǎn)生明顯的制約，因此在全球氮沉降加劇的情況下，難以避免地對碳循環(huán)產(chǎn)生制約[4]，氮沉降對森林土壤碳循環(huán)的影響機理備受學者的關注，這也是近年來氮沉降的研究前沿之一。通過模擬氮沉降發(fā)現(xiàn)，在氮沉降作用之下南美雨林碳釋放被加速，但是在歐洲則是促進了土壤碳吸收。在森林土壤碳匯的過程中，有機質(zhì)及腐殖質(zhì)分解起著至關重要的作用，而近年來大氣活性氮含量呈現(xiàn)明顯的上升現(xiàn)象，其中的60%以上在干、濕兩種沉降[5]的作用下重新回到地表，也就是說出現(xiàn)了明顯的氮沉降[6]；相關數(shù)據(jù)顯示，30 a后氮沉降速率將達到現(xiàn)在的一倍以上，著眼于全球，歐洲、北美成為了全球兩大氮沉降區(qū)，而我國緊隨其后，且東南地區(qū)氮沉降問題更為突出，其次是四川盆地及長江中下游平原等地區(qū)。

森林等植被在生長過程中經(jīng)常會形成枯枝落葉等凋落物，這些凋落物加上腐殖質(zhì)在微生物的分解之下形成可被利用的土壤養(yǎng)分物質(zhì)[7-8]，從而在根系吸收下被植株轉(zhuǎn)化成能量物質(zhì)，否則這些凋落物一直覆蓋在地表則容易導致土壤透氣性極差，進而出現(xiàn)土壤板結、肥力大大下降等問題[9]；在微生物作用下，大量的酶參與到物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程之中，對于加速能量物質(zhì)轉(zhuǎn)化作用顯著[10]。越來越多的學者對凋落物分解進行了大量實際觀測研究，并重點關注了微生物分解作用的參與過程；大量學者研究發(fā)現(xiàn)氮沉降在增強微生物活性方面作用顯著，不同的氮沉降量，其產(chǎn)生的作用也出現(xiàn)了較為明顯的差異：在氮沉降含量適度的情況下，微生物在腐殖質(zhì)及有機質(zhì)分解過程中具有更強的活性；而氮沉降含量過大，則抑制微生物分解酶的產(chǎn)生，進而對凋落物及有機質(zhì)分解產(chǎn)生明顯的抑制作用[11-12]。在枯枝落葉等腐殖質(zhì)分解過程中，微生物成為直接的參與者，發(fā)揮著重要作用，對分解速度產(chǎn)生直接影響，同時這一過程不僅受到凋落物成分的影響，而且受到水熱等自然條件的制約。

森林是地球主要的植被之一，具有分布面積廣、環(huán)境調(diào)節(jié)性強的特點，在生態(tài)平衡過程中發(fā)揮著至關重要的作用，林木在生長過程中產(chǎn)生了大量的枯枝落葉等，這些凋落物通過微生物分解等作用重新成為土壤養(yǎng)分物質(zhì)，并最終供給林木及其他植被生長發(fā)育所需養(yǎng)分，同時利于微生物活動和新陳代謝，因此說其在調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分、維持能量循環(huán)等過程中至關重要[13-14]，不僅影響著養(yǎng)分的輸入，同樣對養(yǎng)分輸出產(chǎn)生制約[15]，凋落物等腐殖質(zhì)的分解速率直接影響整個能量循環(huán)，對植被生長發(fā)育產(chǎn)生直接的制約作用。不同的林木，其產(chǎn)生的枯枝落葉等凋落物也存在很大不同，因此微生物對其分解速率也會產(chǎn)生差異，進而影響著能量轉(zhuǎn)化，因此凋落物也可以說是初級生產(chǎn)力，對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生直接影響[16]。凋落物分解的快慢對養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的速度產(chǎn)生直接影響，養(yǎng)分的釋放制約著土壤養(yǎng)分及植被生長所需能量的獲取，因此來說，凋落物分解對土壤有效養(yǎng)分產(chǎn)生制約作用，成為土壤和森林的主要聯(lián)接點和樞紐中心[11]。受地理位置的影響，我國南方分布著大面積的馬尾松，其不僅具有強大的環(huán)境適應性，同時生長速度快，存在很廣的經(jīng)濟用途，并產(chǎn)生明顯的環(huán)境效益，對于局地氣候調(diào)節(jié)作用至關重要，在山地分布較多的地區(qū)成為主要樹種之一[17]。目前對馬尾松人工林凋落物分解及其微生物活性已取得了不少的成果，為了更全面、深入分析微生物在凋落物分解過程中的作用，本研究將宜賓地區(qū)馬尾松作物研究對象，探討氮添加對馬尾松人工林凋落物分解及其微生物活性的影響，旨在為我國森林的資源管理提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗所選研究區(qū)域位于宜賓市高縣，受到地理位置影響，呈現(xiàn)典型的亞熱帶季風氣候，其降雨量主要集中在5—10月期間，擁有近1 021 mm的降雨量，且呈現(xiàn)雨熱同季的特點；該區(qū)域多低山丘陵，擁有1 150 h的日照時數(shù)。具體的林木試驗區(qū)位于毛巔坳林區(qū)，選擇的林木為近40 a生的人工馬尾松林，該試驗區(qū)的海拔接近450 m，以沖擊黃壤為主，且具有明顯的層次，該區(qū)域的森林結構并不復雜，主要是馬尾松居多的喬木，青岡、鐵仔為主的灌木，商陸及芒萁等草本植被，灌草覆蓋率近70%。

1.2 試驗設計

本試驗首先在研究區(qū)域選擇長、寬分別為20 m，30 m的3個重復樣地，然后在各個樣地中設置長寬均為3 m的樣方4個，樣方之間的間隔大于1 m，有效避免距離過近而產(chǎn)生的試驗誤差。在進行試驗之前先對其原有的凋落物進行清除，然后再將凋落葉分解袋放置于各樣方，同時月底再次對新產(chǎn)生的非試驗凋落物進行清理，這樣能夠更大程度地進行準確試驗。對馬尾松人工林凋落物進行為期12個月的模擬氮沉降試驗[對照CK，0 kg N/(hm2·a)]、低氮[LN，50 kg N/(hm2·a)]、中氮[MN，100 kg N/(hm2·a)]和高氮[HN，150 kg N/(hm2·a)]；2016年8月在去離子水中加入NH4NO3，然后均勻噴灑，而對照組則是噴灑同量的水，除了氮處理差異外，其他管理措施一致，有效降低試驗誤差。

研究中采取分解袋法開展凋落葉分解研究：本試驗于2017年1月在各樣地收集新近凋落及上層未分解的針葉，然后混合風干，然后取出15 g裝入長寬均為20 cm的分解袋；然后在3月底將其置于處理過的土壤表層，待其自然分解；在各個樣方每次置放4袋，并進行6次試驗；此外，取15 g馬尾松凋落葉烘干處理，從而對風干與烘干轉(zhuǎn)換系數(shù)計算。

1.3 測定方法

凋落物剩余量測定：最后一次取樣后小心去除凋落物表面的土壤，60 ℃烘干至恒質(zhì)量后稱量凋落物剩余量。

土壤微生物量的測定：采用底物誘導呼吸方法。將1.0 g新鮮土樣加入100 ml的西林瓶中，加入1 ml 0.01 g/ml的葡萄糖溶液，敞口放置1 h，在通風處放置30 min，測定瓶內(nèi)CO2體積分數(shù)，25 ℃培養(yǎng)1 h后，再測一次CO2體積分數(shù)，計算出前后兩次差值。土壤微生物量單位定義為1.0 g土樣1 h 內(nèi)分解0.01 g葡萄糖所產(chǎn)生的CO2量[18]。

土壤胞外酶活性的測定：用分光光度計進行比色法測定[19]。

凋落物12個月后的分解系數(shù)根據(jù)Olson的方法計算，計算公式為：

K=-ln(xt/xo)to

式中：K代表分解系數(shù)；xo為凋落物的初始質(zhì)量；xt為t個月后凋落物的剩余量；to代表分解時間[20]。

土壤微生物活度：改進的FDA法[21]。

土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[22]。

在每個研究樣方中，設置PVC連接環(huán)3個測定土壤呼吸率(美國制造的Li-8400[22])；經(jīng)過兩個月的模擬氮沉降之后，每個月的月底需要對土壤呼吸速率進行測定，觀測時間選擇在上午8：00至下午6：00，從而不影響月初的人工模擬氮沉降，保障對比數(shù)據(jù)的準確性，各月測3次，并對5 cm深度土壤進行溫度和濕度測定，并做好記錄。

用主成分分析(PCA)分析不同氮處理和凋落物分解系數(shù)與土壤酶活性的相關性。所有的圖均在Origin 9.0 軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 模擬氮沉降對馬尾松人工林凋落物分解系數(shù)的影響

經(jīng)過12個月的分解試驗，各個氮處理下馬尾松分解系數(shù)如圖1所示。由圖可知，模擬氮沉降對馬尾松人工林凋落物的分解均產(chǎn)生了一定影響，而且氮沉降對凋落物分解的影響程度不同。隨著氮濃度的增加，馬尾松凋落物的分解系數(shù)呈先增加后降低趨勢，MN處理下馬尾松凋落物的分解系數(shù)達到最高，之后有所下降；與對照相比，LN，MN，HN凋落物分解系數(shù)分別增加了15.36%，56.89%和12.97%。

圖1 模擬氮沉降對馬尾松人工林凋落物分解系數(shù)的影響

2.2 模擬氮沉降對馬尾松人工林土壤微生物量的影響

表1顯示，12個月的模擬氮沉降處理對馬尾松凋落物土壤微生物量的影響均較大。高模擬氮沉降抑制了凋落物土壤微生物的生物量；不同氮處理下微生物量碳變化范圍在352.3～456.9 mg/kg，隨著時間的增加呈增加趨勢，相同月份微生物量碳均隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在MN處理下微生物量碳達到最大，HN處理下微生物量碳有所降低；不同氮處理下微生物量氮變化范圍在86.3～135.6 mg/kg，隨著時間的增加呈增加趨勢，相同月份微生物量氮均隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在MN處理下微生物量氮達到最大，HN處理下微生物量氮有所降低；不同氮處理下微生物量磷變化范圍在12.3～23.2 mg/kg，隨著時間的增加呈增加趨勢，相同月份微生物量磷均隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在MN處理下微生物量磷達到最大，HN處理下微生物量磷有所降低。

2.3 模擬氮沉降對馬尾松人工林土壤微生物胞外酶活性的影響

由表2可見，模擬氮沉降對馬尾松凋落物類型的土壤微生物酶活性的影響與土壤微生物量的整體影響趨勢相一致。與各自對照相比，模擬氮沉降增加了大部分土壤酶的活性，高氮處理有所抑制。土壤中與碳元素循環(huán)相關的纖維素酶、纖維二糖水解酶、β-葡萄糖苷酶和β-木糖苷酶，隨著時間的增加呈增加趨勢，相同月份碳循環(huán)酶均隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在MN處理下碳循環(huán)酶達到最大，HN處理下碳循環(huán)酶有所降低。土壤中與氮元素循環(huán)相關的硝酸還原酶，隨著時間的增加呈增加趨勢，相同月份氮循環(huán)酶均隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在MN處理下氮循環(huán)酶達到最大，HN處理下氮循環(huán)酶有所降低。土壤中與磷元素循環(huán)相關的酸性磷酸酶和堿性磷酸酶，隨著時間的增加呈增加趨勢，相同月份磷循環(huán)酶均隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在MN處理下磷循環(huán)酶達到最大，HN處理下氮循環(huán)酶有所降低。

表1 模擬氮沉降對馬尾松人工林土壤微生物量的影響 mg/kg

表2 模擬氮沉降對馬尾松人工林土壤微生物胞外酶活性的影響 μmol/min

2.4 模擬氮沉降對馬尾松人工林土壤微生物活度的影響

各個氮處理下馬尾松土壤微生物活度如圖2所示。由圖可知，模擬氮沉降對馬尾松人工林土壤微生物活度均產(chǎn)生了一定影響，而且氮沉降對土壤微生物活度的影響程度不同。隨著氮濃度的增加，馬尾松土壤微生物活度呈先增加后降低趨勢，MN處理下馬尾松土壤微生物活度達到最高，之后有所下降；與對照相比，LN，MN，HN土壤微生物活度分別增加了35.98%，85.63%和31.71%。

2.5 模擬氮沉降對馬尾松人工林土壤呼吸和微生物代謝熵的影響

表3反應了氮沉降對馬尾松人工林土壤呼吸和微生物代謝熵的影響，由表可知，模擬氮沉降對馬尾松土壤微生物呼吸和微生物代謝熵的影響與土壤微生物量的整體影響趨勢相一致。不同氮處理下土壤生微生物自養(yǎng)呼吸、異養(yǎng)呼吸、總呼吸變化趨勢基本保持一致，變化范圍在2.36～5.23 μg/(g·h)，2.23～4.01 μg/(g·h)，4.59～9.24 μg/(g·h)，隨著時間的增加呈增加趨勢，相同月份土壤生微生物自養(yǎng)呼吸、異養(yǎng)呼吸、總呼吸均隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在MN處理下土壤生微生物自養(yǎng)呼吸、異養(yǎng)呼吸、總呼吸達到最大，HN處理下土壤生微生物自養(yǎng)呼吸、異養(yǎng)呼吸、總呼吸有所降低。不同氮處理下土壤微生物代謝熵變化范圍在2.03～3.56μg/(g·h)之間，隨著時間的增加呈增加趨勢，相同月份微生物代謝熵隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在MN處理下微生物代謝熵達到最大，HN處理下微生物代謝熵有所降低。

圖2 模擬氮沉降對馬尾松人工林土壤微生物活度的影響

2.6 土壤酶活性和微生物活性與凋落物分解系數(shù)的相關性

從表4可知，纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、硝酸還原酶與凋落物分解系數(shù)呈顯著正相關，CK和MN纖維二糖水解酶與凋落物分解系數(shù)呈顯著正相關，LN酸性磷酸酶和MN堿性磷酸酶與凋落物分解系數(shù)呈顯著負相關。由表5可知，土壤微生物量碳、氮、微生物活度、微生物代謝熵和微生物總呼吸與凋落物分解系數(shù)呈顯著正相關，微生物量磷與凋落物分解系數(shù)沒有顯著的相關性(p>0.05)；除了LN微生物自養(yǎng)呼吸，其他處理微生物自養(yǎng)呼吸與凋落物分解系數(shù)呈顯著正相關；MN微生物異養(yǎng)呼吸與凋落物分解系數(shù)呈顯著正相關。

表3 模擬氮沉降對馬尾松人工林土壤呼吸和

表4 土壤酶活性對凋落物分解的影響 μmol/min

表5 土壤微生物活性對凋落物分解的影響

CK，LN，MN和HN土壤酶活性、土壤微生物活性之間PCA排序(圖3)分析表明：土壤微生物呼吸和土壤微生物代謝熵是箭頭連線最長且都與物種第1排序軸和環(huán)境第1排序軸呈極顯著正相關，說明它們在第1排序軸上的位置很大程度上反映了其微生物特性，是影響凋落物分解的主要因子。其中土壤碳循環(huán)酶、微生物活度、土壤微生物代謝熵對凋落物分解貢獻最大。

注：1表示纖維素酶；2表示纖維二糖水解酶；3表示β-葡糖苷酶；4表示β-木糖苷酶；5表示硝酸還原酶；6表示酸性磷酸酶；7表示堿性磷酸酶；A表示土壤微生物量碳；B表示土壤微生物量氮；C表示土壤微生物量磷；a表示微生物活度；b表示土壤微生物代謝熵；c表示土壤微生物總呼吸。

3 討論與結論

本試驗的研究對象為馬尾松凋落物的分解過程，從而對不同程度氮沉降影響下微生物對凋落物的分解機理進行了探究，并分析了微生物分解酶活性，該指標代表著微生物的分解速率及其新陳代謝，微生物能夠分泌大量的酶，這些酶活性能夠顯著促進凋落物等腐殖質(zhì)及有機質(zhì)的分解和降解，從而促進其轉(zhuǎn)化為土壤養(yǎng)分，促進能量交換和物質(zhì)循環(huán)[18.22]。通過研究發(fā)現(xiàn)，在氮沉降的參與之下，土壤的酶活性得以明顯增強，同時土壤微生物量碳及氮含量得以提高，微生物量的周轉(zhuǎn)速度加快，從而利于微生物吸收利用營養(yǎng)成分，增強微生物活性及新陳代謝，強化其對腐殖質(zhì)及有機質(zhì)的分解和降解速度，這與以往學者的研究成果基本一致[23-24]。綜合來看，模擬氮沉降作用之下，不僅增加了土壤酶活性，同時更大幅增加了微生物量，進而增強其他酶活性，促進根系對養(yǎng)分的吸收利用[21,23]。氮沉降作用下，大量的有效養(yǎng)分能夠持續(xù)地緩慢釋放，明顯促進微生物群落生長發(fā)育及其新陳代謝，也就是說適度的氮沉降有利于加速微生物對凋落物的分解，促進養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，從而利于土壤養(yǎng)分循環(huán)和微生物活動。

對于土壤質(zhì)量而言，微生物量是其重要的反應指標，其中的碳、氮及磷含量直接制約著土壤養(yǎng)分，是土壤肥力的重要反映[25]。通過試驗對比得知，雖然氮沉降的含量不同，但是均對馬尾松所在區(qū)域的土壤微生物量含量了重大影響：HN處理下不利于微生物量的產(chǎn)生，而LN，MN處理下明顯促進了微生物量含量的上升；隨著時間的增加，微生物碳及氮也相應增加，而在同1月份，隨著氮濃度的增加，微生物量碳則先升后降，在中氮處理之下達到最大值，而在高氮處理下明顯下降；這說明適度的氮沉降對于微生物量的提升起著促進作用，而濃度過高則不能起到提升作用反而明顯抑制微生物量。氮沉降的參與之下，土壤呼吸也受到影響，但是這也受到氮沉降濃度的顯著影響，這也氮沉降對微生物的影響基本接近，即適度的氮沉降能夠促進土壤呼吸，而高濃度氮沉降則抑制了土壤呼吸[12-14]，這與以往學者的研究結論較為接近，主要原因有以下三點：首先，在氮沉降的作用下土壤硝化反應被加快，這樣容易加速土壤的酸化，從而使得植被的呼吸明顯下降；其次，氮沉降的參與過程中，微生物分解速率下降，而且微生物新陳代謝活動降低，這樣微生物難以充分從土壤中獲取充足的養(yǎng)分來維持自身活動，最終使得微生物難以大量繁殖，不利于增加土壤孔隙度，從而抑制了土壤的呼吸作用；最后，在氮沉降作用下，土壤中氨態(tài)、硝態(tài)氮不降反升，這不利于微生物酶活性的分解和作用，直接的后果就是腐殖質(zhì)及有機質(zhì)難以被充分分解，且分解速率明顯下降，導致地表出現(xiàn)較多腐殖質(zhì)覆蓋，而直接影響了土壤呼吸[26-28]。

通過試驗分析得知，中度氮濃度處理有效提升了凋落物分解速率，不僅促進了微生物量的上升，促進了土壤碳循環(huán)，同時增加了土壤呼吸、提升了土壤活性，最終利于土壤養(yǎng)分供給，不僅有利于為微生物活動和新陳代謝提供足夠的養(yǎng)分，同時更有利于植物根系吸收利用土壤養(yǎng)分，進而促進作物生長，這說明適度的氮沉降作用顯著，在促進微生物活動的同時加快凋落物分解，促進碳等元素循環(huán)。本研究過程中，微生物指標被分為3組變量，運用PCA分析法來探究微生物活性、酶活性及凋落物分解三者之間的關系，通過試驗數(shù)據(jù)分析得知微生物呼吸、代謝熵最能夠反映微生物特性，能夠顯著影響凋落物分解；同時，其與物種及環(huán)境的第1排序軸存在正相關，且在0.01檢驗水平下顯著；綜合來看，不僅微生物呼吸、代謝熵能夠?qū)Φ蚵湮锓纸猱a(chǎn)生顯著作用，同時土壤碳循環(huán)酶也能夠顯著加速分解速率，成為重要的貢獻因子，這些因子不僅反映了微生物群落特點，更是影響著對馬尾松凋落物的分解速率。

本研究從不同濃度的角度下來探究凋落物分解速率，綜合來看，不同的氮濃度能夠產(chǎn)生不同的影響，只有適度的氮沉降才能促進凋落物分解，否則只能起到抑制作用；在人類不合理的資源開發(fā)和利用過程中產(chǎn)生了大量的氮，由此引起了不同程度的氮沉降，土壤微生物群落分布也受到影響，不利于發(fā)揮微生物的降解作用。此外，其他環(huán)境因子對凋落物分解的影響及作用機理依然有待于深入、全面地分析研究，這也是下一步研究的方向之一。