氮添加對(duì)大果木姜子凋落葉分解及養(yǎng)分釋放的影響

陳 夢(mèng)，劉濟(jì)明，陳敬忠，李 佳，黃路婷

（貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

氮素在森林生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)與物質(zhì)循環(huán)過(guò)程中有著非常重要的作用[1?2]。長(zhǎng)期氮沉降以及人類活動(dòng)干擾等，造成全球氮(N)沉降的增加，對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了一系列影響[2?3]。研究表明：即使在沒有物理擾動(dòng)的情況下，長(zhǎng)期氮沉降也會(huì)通過(guò)降低碳周轉(zhuǎn)率、改變氮的有效性和轉(zhuǎn)化來(lái)影響溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)[4]。此外，也有研究表明：氮添加會(huì)通過(guò)改變凋落葉特性(碳、氮、磷變化)對(duì)其養(yǎng)分分解速率產(chǎn)生影響[3]。據(jù)報(bào)道，中國(guó)已成為全球第三大氮沉降地區(qū)，大氣含氮化合物增長(zhǎng)迅速[5]。在未來(lái)幾十年中氮沉降繼續(xù)增加的背景下，研究氮沉降對(duì)森林凋落物養(yǎng)分分解的影響顯得尤為重要[6?7]。凋落物在森林生態(tài)系統(tǒng)組成中占據(jù)重要地位，它的分解也會(huì)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響[8?9]。凋落物分解不僅是林下土壤有機(jī)質(zhì)形成所需碳源以及土壤養(yǎng)分的主要來(lái)源，而且對(duì)于土壤質(zhì)地的構(gòu)建、肥力的維持、微生物代謝的調(diào)控都起重大作用，并且通過(guò)這一系列作用進(jìn)而影響微生物的群落結(jié)構(gòu)[10?11]。大果木姜子Cinnamomummigao又名米槁，系樟科Lauraceae樟屬Cinnamomum常綠喬木，主要分布于中國(guó)廣西、云南、貴州三省交界的南北盤江、紅水河流域，為中國(guó)特有種。其果實(shí)常常被苗族作為治療胃腸道疾病的傳統(tǒng)藥物，并且療效卓越。21世紀(jì)初，貴州省科學(xué)技術(shù)廳以及貴州省民族醫(yī)藥研究所確定大果木姜子為貴州省的道地藥材[12]。近年來(lái)，隨著其藥用價(jià)值的提高，大果木姜子野生資源受到極大破壞，在《中國(guó)生物多樣性紅色名錄——高等植物卷》(2013版)已將其列為近危種，野外資源儲(chǔ)量極其有限。目前，相關(guān)學(xué)者對(duì)大果木姜子的研究報(bào)道還不是很全面，主要集中在果實(shí)精油、脂肪油、揮發(fā)油化學(xué)成分分析[13]、藥用成分的藥理作用與生物活性[14?15]、栽培技術(shù)與病蟲害防治[12]、地理分布[15]、生物生理特性[16?17]等方面。大果木姜子凋落葉的分解對(duì)氮沉降增加的響應(yīng)規(guī)律還未見報(bào)道。本研究通過(guò)野外模擬氮沉降的試驗(yàn)，探討不同施氮處理對(duì)大果木姜子凋落葉養(yǎng)分分解的影響，以期探討大果木姜子凋落葉分解對(duì)外源氮添加的響應(yīng)機(jī)制，且為其物質(zhì)循環(huán)機(jī)理研究提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

貴州省羅甸縣位于云貴高原和丘陵過(guò)渡的斜坡地帶，四季呈現(xiàn)春早、夏長(zhǎng)、秋遲、冬短的特點(diǎn)，因其特殊的地勢(shì)與優(yōu)良的自然環(huán)境被稱為大果木姜子生長(zhǎng)的典型生境。試驗(yàn)樣地設(shè)置于羅甸縣逢亭鎮(zhèn)西部的祥林村 6 年生大果木姜子藥材種植基地，地處 25°15′41′N，106°31′03′E，海拔 524 m。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫20.6 ℃，≥10 ℃年積溫為6 125.0 ℃，年降水量1 200.0 mm，無(wú)霜期335.0～349.5 d，年均日照時(shí)數(shù)1 448.9 h。試驗(yàn)區(qū)土壤為酸性黃壤，土層厚度≥40 cm。于2017年1月初在試驗(yàn)地設(shè)置12塊大小為3 m×5 m的樣地進(jìn)行試驗(yàn)。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以2010年中國(guó)大氣氮沉降特征分析中貴州的氮沉降總和低于15 g·m?2·a?1為依據(jù)，本研究從低到高設(shè)置 4 個(gè)氮處理，即對(duì)照 (ck，0 g·m?2·a?1)、低氮 (N1，5 g·m?2·a?1)、中氮 (N2，15 g·m?2·a?1)和高氮(N3，30 g·m?2·a?1)，每處理重復(fù)3次。為消除環(huán)境異質(zhì)性的影響，各樣地之間間隔5 m。按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，每個(gè)處理設(shè)定樣方面積為3 m×5 m，將各樣方每次所需噴施的NH4NO3溶解于20 L自來(lái)水中，采用按壓式噴壺來(lái)回均勻噴灑至樣地，ck組噴灑等量的水。于試驗(yàn)2017年1月進(jìn)行首次施氮試驗(yàn)，共噴灑3次，分別于1、5、9月取樣完成，重新放置尼龍袋后進(jìn)行等量施氮。

2.2 凋落葉的收集與處理

凋落葉分解試驗(yàn)于2017年1月開始進(jìn)行，采用尼龍網(wǎng)袋分解方法。準(zhǔn)備540個(gè)25 cm × 25 cm的分解袋，每個(gè)樣地放置45袋。試驗(yàn)前于羅甸縣大果木姜子林種植基地收集大果木姜子凋落葉帶回實(shí)驗(yàn)室，清洗風(fēng)干后裝入分解袋中，10.00 g·袋?1。試驗(yàn)期間放置在12個(gè)施氮處理樣地中(分解袋放置前修整空地表面枯枝落葉層，平鋪網(wǎng)袋，使其盡可能接近自然分解狀態(tài)。每次放置好尼龍袋后立即噴施氮源)。每隔2個(gè)月于各樣地隨機(jī)收取3袋分解袋，用刷子清除每次取回分解袋表面的泥垢后，置于75 ℃烘箱烘干至質(zhì)量恒定，稱其質(zhì)量用于計(jì)算凋落葉質(zhì)量損失率。然后研磨過(guò)孔徑0.5 mm尼龍篩，保存?zhèn)溆?。質(zhì)量損失率(W)：W=Xt/X0×100%。其中：X0為凋落葉初始質(zhì)量，Xt為分解t時(shí)間后凋落葉質(zhì)量。

2.3 凋落葉養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

凋落葉全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用H2SO4-H2O2靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用鉬銻抗顯色法測(cè)定，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用HClO4+HNO3消煮-原子吸收分光光度法測(cè)定，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用濃硫酸-重鉻酸鉀法測(cè)定。凋落葉各元素的殘留率按照下式計(jì)算。元素殘留率(R)：R=XtCt/X0C0×100%。其中：X0為凋落葉初始質(zhì)量，Xt為分解t時(shí)間后凋落葉的質(zhì)量，C0為凋落葉初始養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Ct為t采樣時(shí)間凋落葉養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用Excel和SPSS 18.0軟件進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)分析，采用最小顯著差法(LSD)多重方差顯著性檢驗(yàn)凋落葉質(zhì)量損失率、殘留率和養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與不同施氮處理間的差異顯著性，利用Olson 負(fù)指數(shù)衰減模型(y=ae?Kt)對(duì)質(zhì)量殘留率與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合，其中：y為質(zhì)量殘留率(%)，a為擬合參數(shù)，K為分解系數(shù)，t為時(shí)間(a)。利用Origin 2018繪制圖表。

3 結(jié)果分析

3.1 不同處理對(duì)大果木姜子凋落葉質(zhì)量殘留率的影響

圖1顯示：1?9月各處理凋落葉質(zhì)量損失率隨著時(shí)間的推移表現(xiàn)為迅速遞增趨勢(shì)，其中ck凋落葉質(zhì)量損失率大于其他處理；9月以后各處理凋落葉分解速率趨于平緩。整個(gè)分解試驗(yàn)過(guò)程中，N3處理凋落葉質(zhì)量損失率為0～53.35%，且始終低于其他處理。9月以前，N1、N2處理凋落葉質(zhì)量損失率顯著高于N3處理(P＜0.05)，即凋落葉質(zhì)量損失率從大到小依次為N2、N1、N3；分解結(jié)束時(shí)(11月)，各處理凋落葉質(zhì)量損失率從大到小依次為 N2、ck、N1、N3。

從表1可以看出：4個(gè)處理的擬合模型R2均大于0.900 0，且達(dá)到顯著水平(P＜0.05)，其中N3處理Olson模型的擬合效果最佳。ck處理的凋落葉質(zhì)量分解系數(shù)最大(K=0.085)，N3處理最小(K=0.060)。N1、N2、N3處理凋落葉分解95%所需時(shí)間分別比ck長(zhǎng)0.653、0.312、0.698 a，其中N3處理下凋落葉分解時(shí)間所需最長(zhǎng)。綜合表明：氮添加延緩了大果木姜子凋落葉的分解。

圖 1 不同處理下大果木姜子凋落葉質(zhì)量損失率Figure 1 Change of mass loss rate and residual rate of leaf litter of C.migao under the condition of different treatments

3.2 不同處理對(duì)大果木姜子凋落葉分解過(guò)程中碳、氮、磷、鉀的影響

由圖2可知：各處理凋落葉碳質(zhì)量數(shù)總體均呈下降趨勢(shì)，且分解前期(1?5月)下降較快，后期(5?11月)下降較慢。各處理凋落葉全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)基本相同，整體上均呈先增加后降低的趨勢(shì)，其中9月最高。各處理凋落葉全磷與全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)相似，即在分解初期下降，之后整體上升，最后趨于平穩(wěn)。

表 1 不同處理大果木姜子凋落葉質(zhì)量殘留率(y)隨時(shí)間(x)變化的Olson模型Table 1 Decomposition rate model of litter residue rate (y) with time (x) under different treatments

圖 2 不同處理下大果木姜子凋落葉分解過(guò)程中養(yǎng)分的變化Figure 2 Change of different treatments on nutrient content of C.migao leaves during decomposition

3.3 不同處理對(duì)大果木姜子凋落葉分解過(guò)程中元素殘留率的影響

由圖3可以看出：由于碳元素主要以有機(jī)形式存在于凋落葉中，受淋溶影響，各處理碳?xì)埩袈食式档挖厔?shì)，其中分解各時(shí)段3個(gè)施氮處理碳?xì)埩袈收w上顯著高于ck(P＜0.05)。ck的全氮?dú)埩袈收w上呈先上升后下降再上升后下降趨勢(shì)，各施氮處理的全氮?dú)埩袈收w上呈先上升后下降趨勢(shì)；1?7月，各處理全磷殘留率呈先下降后升高再下降的趨勢(shì)；7月之后，N1、N2、N3處理全磷的殘留率趨于穩(wěn)定，ck處理全磷殘留率呈先上升后下降趨勢(shì)。1?3月，各處理全鉀殘留率迅速降低，3月之后各處理全鉀殘留率總體呈增加趨勢(shì)，整體表現(xiàn)為淋溶—富集—釋放模式。

3.4 不同處理對(duì)大果木姜子凋落葉分解過(guò)程中碳氮比(C/N)的影響

從圖4可以看出：試驗(yàn)期間各處理C/N為24.60～177.51，整體表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。分解前期(1?7月)C/N下降速度較快，后期(7?11月)變化總體上比較平穩(wěn)。在分解各時(shí)間段，ck的C/N基本高于其他各施氮處理。在試驗(yàn)前期(1?7月) ck處理與各施氮處理間有顯著差異(P＜0.05)；試驗(yàn)后期(7?11月) ck組與N1、N2處理差異顯著(P＜0.05)，與N3差異不顯著(P＞0.05)?？傮w來(lái)看，添加氮降低了大果木姜子凋落葉的C/N。

圖 3 不同處理下大果木姜子凋落葉分解過(guò)程中元素殘留率的變化Figure 3 Change of different treatments on element residual rate of C.migao leaves during decomposition

4 結(jié)論與討論

4.1 不同處理對(duì)大果木姜子凋落葉分解質(zhì)量損失率的影響

凋落葉分解速率的大小受到氣候、凋落葉分解質(zhì)量、微生物類型及作用等條件的影響[8]。目前，關(guān)于氮添加對(duì)凋落物分解速率的影響主要分為促進(jìn)、抑制和無(wú)影響3種，這主要取決于施氮量的高低及施氮時(shí)間的長(zhǎng)短。O’CO NNELL[18]分析了施加外源氮對(duì)桉樹Eucalyptus凋落物分解及養(yǎng)分含量變化的影響。研究結(jié)果表明：施氮處理下凋落物分解釋放速率變慢。鄭欣穎等[19]模擬外源氮添加對(duì)火力楠Micheliamacclurei凋落葉分解影響，結(jié)果顯示：氮添加會(huì)促進(jìn)凋落葉的分解。樊后保等[20]通過(guò)對(duì)杉木Cunninghamialanceolata人工林凋落物施加外源氮，結(jié)果出現(xiàn)了“低促高抑”現(xiàn)象。文海燕等[21]對(duì)長(zhǎng)芒草Stipabungeana和阿爾泰狗娃花Heteropappusaltaicus進(jìn)行凋落葉模擬氮沉降試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：氮添加對(duì)2種植物凋落葉分解無(wú)影響。

圖 4 不同處理下大果木姜子凋落葉分解過(guò)程中C/N的變化Figure 4 Change of different treatments on C/N during decomposition of C.migao leaves

本研究結(jié)果顯示：氮添加對(duì)大果木姜子凋落葉分解具有一定的抑制作用。大果木姜子凋落葉質(zhì)量年損失率表現(xiàn)為ck高于各施氮處理，其中N3處理質(zhì)量損失率最低。這是因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中施加外源氮的量超過(guò)了試驗(yàn)樣地土壤所需氮的閾值，從而使凋落葉分解過(guò)程中起主要作用的微生物分解效率降低，進(jìn)而對(duì)凋落葉的分解表現(xiàn)出抑制作用[22?23]。凋落葉分解本身具有的養(yǎng)分特性也會(huì)使凋落葉在不同分解階段表現(xiàn)出不同規(guī)律，通常為前期分解較快，后期變慢。這是因?yàn)榉纸獬跗诘蚵湮镒陨眇B(yǎng)分含量較高，可通過(guò)養(yǎng)分流失調(diào)控分解速率；隨著養(yǎng)分的流失，后期則通過(guò)難分解的木質(zhì)素和纖維來(lái)調(diào)控養(yǎng)分分解，所以分解速率表現(xiàn)為前期大于后期，且隨著時(shí)間推移逐漸變慢[21?23]。在本研究前期(3?9月)，大果木姜子凋落葉質(zhì)量損失率迅速增加，主要是因?yàn)榇藭r(shí)凋落葉的質(zhì)量大，易分解物質(zhì)含量高，導(dǎo)致凋落葉分解速率隨著易分解物質(zhì)的分解而加快；試驗(yàn)后期(9?11月)分解速率緩慢且質(zhì)量損失率趨于平緩，這與后期凋落葉中易分解物質(zhì)減少，難分解物質(zhì)含量升高有關(guān)[24?25]。

4.2 不同處理對(duì)大果木姜子凋落葉分解過(guò)程中養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

土壤是植被生長(zhǎng)過(guò)程中主要礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的來(lái)源，而凋落物分解釋放的養(yǎng)分歸還是土壤肥力的重要來(lái)源(植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中從土壤中吸收的養(yǎng)分70%～90%得益于凋落物的分解釋放)[26]，因此，在森林生態(tài)系統(tǒng)中，凋落物的分解在植被養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。碳元素作為地球一切生命的基本單元，既是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)又是維持植物生活的能量來(lái)源，氮和磷元素是氨基酸、核苷酸的重要組成元素，鉀元素是調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外適宜滲透壓和體液酸堿平衡，參與胞內(nèi)糖和蛋白質(zhì)代謝的重要陽(yáng)離子。4種元素都是植物生命過(guò)程中不可缺少的[27?28]。研究表明：植物生長(zhǎng)過(guò)程所需的養(yǎng)分分別有70%～80%的氮、65%～80%的磷和30%～40%的鉀來(lái)自凋落物的分解釋放[29]。

本研究中，5?11月各施氮處理碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于ck(P＜0.05)，而氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)相反。這是因?yàn)橥庠吹奶砑邮沟蚵淙~中碳氮轉(zhuǎn)化酶活性發(fā)生改變而影響兩者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且氮添加抑制了纖維素等物質(zhì)的降解從而使凋落葉分解過(guò)程出現(xiàn)“碳封存”狀態(tài)。凋落葉分解過(guò)程中，外界氮源的輸入以及原生質(zhì)素伴隨自身固氮菌的侵入逐漸增加使氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加[20]，因此，C/N隨著分解時(shí)間變長(zhǎng)而總體下降。試驗(yàn)期間，凋落葉中全磷、全鉀變化不穩(wěn)定，各處理差異顯著。11月凋落葉全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為N1、N2、N3處理高于ck，且N2、N3差異顯著(P＜0.05)，說(shuō)明氮添加促進(jìn)了大果木姜子凋落葉中全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的積累，且施加氮的量越大表現(xiàn)出的差異越顯著(P＜0.05)。這與國(guó)內(nèi)外多數(shù)研究結(jié)果相同，如BERG等[30]模擬氮沉降對(duì)樟子松Pinussylvestris凋落葉養(yǎng)分分解影響研究表明：氮添加促進(jìn)了凋落葉中全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的積累。肖銀龍等[31]模擬氮沉降對(duì)苦竹Pleioblastusamarus林凋落葉養(yǎng)分分解的研究同樣表明：氮添加促進(jìn)全氮、全磷的積累。本研究中，11月N1和N2處鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于ck，而N3處理低于ck，說(shuō)明添加過(guò)多的氮對(duì)凋落葉中全鉀具有抑制作用，這是因?yàn)榈砑拥酵寥篮?，大量的氮以NO3?的形式淋失，為了達(dá)到土壤中養(yǎng)分電荷平衡，必然會(huì)帶走等量的鹽基離子(K+)[32?33]。

凋落物中的C/N一般比較高，不利于微生物的活動(dòng)，而增施氮肥后有利于微生物數(shù)量的增加，從而促進(jìn)凋落物的分解。本研究中土壤本身氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，再增施氮肥使其超過(guò)了“臨界值”，打破了土壤中養(yǎng)分平衡，從而氮添加對(duì)大果木姜子凋落葉分解表現(xiàn)出抑制作用[22]。

綜上所述，在氮添加的情況下，不利于大果木姜子凋落葉分解及養(yǎng)分的釋放，其中N3處理作用更顯著。凋落物分解后養(yǎng)分歸還于土壤，再次作用于植物，但土壤養(yǎng)分輸入對(duì)氮添加作何響應(yīng)，還需進(jìn)一步進(jìn)行模擬探究。