氮沉降對(duì)米槁凋落葉分解過(guò)程中土壤養(yǎng)分的影響

劉濟(jì)明，唐子燕，李佳，陳夢(mèng) ，劉歡

(1.貴州大學(xué)林學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué)森林生態(tài)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550025)

氮沉降作為全球三大變化驅(qū)動(dòng)因素之一，已經(jīng)引起陸地生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力和生物地球化學(xué)碳、磷循環(huán)的許多變化[1].化石燃料、化肥的大量使用及集約化的畜牧業(yè)等一系列人類(lèi)活動(dòng)，明顯增加了外源氮向陸地生態(tài)系統(tǒng)的輸入[2]，使得陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)具有較高的氮沉降，進(jìn)而引起生物多樣性的變化、生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力及土壤養(yǎng)分平衡等一系列生態(tài)問(wèn)題[3-4].

凋落物，通常包括植物的落葉、落枝、落果、落皮和碎屑物等[5].凋落物分解是土壤有機(jī)質(zhì)初期形成的主要來(lái)源，具有構(gòu)建土壤質(zhì)地、維持土壤肥力、調(diào)控微生物代謝的作用，是陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分[6].在全球氮沉降不斷加劇的背景下，氮沉降增加可能通過(guò)對(duì)凋落物分解的影響而深刻地影響著生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定.雖然目前氮沉降的研究已涉及到許多方面，如草原[7]、城市綠地[8]及不同類(lèi)型的森林[9-11]等，但氮沉降對(duì)凋落物分解時(shí)土壤養(yǎng)分影響的研究還少之又少，且仍存有爭(zhēng)議.通過(guò)研究凋落物分解過(guò)程中土壤養(yǎng)分對(duì)氮沉降的響應(yīng)，探討氮沉降條件下凋落物分解時(shí)土壤養(yǎng)分含量的變化規(guī)律，有利于深入了解氮沉降-凋落物分解-土壤相互作用的養(yǎng)分循環(huán)機(jī)制，揭示不斷加劇的氮沉降環(huán)境對(duì)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過(guò)程中土壤養(yǎng)分的影響.

米槁(Cinnamomummigao)為樟科樟屬常綠喬木，是貴州省的地道中藥材，不僅可作為藥用植物，也可作為工業(yè)原料、香料等，是一種用途廣、開(kāi)發(fā)利用價(jià)值高的植物，有很好的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用前景.本研究以米槁凋落葉為研究對(duì)象，進(jìn)行野外氮沉降模擬試驗(yàn)，為后續(xù)的種群發(fā)展以及人工種植和管理提供科學(xué)依據(jù).

1 材料和方法

1.1 野外試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)樣地選取在貴州省羅甸縣祥林村(E 106°23′～107°03′、N 25°04′～25°45′)，海拔242～1 400 m，熱量充足，日照時(shí)間和無(wú)霜期長(zhǎng)，年均溫為20.35 ℃，年積溫5 750～6 500 ℃，無(wú)霜期335～349 d，年總?cè)照諘r(shí)數(shù)1 298～1 600 h，年降水量1 200 mm，屬于春早、夏長(zhǎng)、秋遲、冬短的亞熱帶濕潤(rùn)型氣候，為米槁生長(zhǎng)的典型生境,優(yōu)良的自然環(huán)境使其成為發(fā)展米槁種植的重要基地.當(dāng)?shù)貫榈湫偷纳降仡?lèi)型，土壤類(lèi)型有紅壤、赤紅壤、黃紅壤，主要植物物種有楓香(Liquidambarformosana)、紅椿(Toonaciliata)、木姜子(Litseapungens)、柄翅果(Burretiodendronesquirolii)、野生荔枝(Litchichinensisvar.euspontanea)、榕樹(shù)(Ficusmicrocarpa)、木棉(Bombaxmalabaricum)等[12].

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以貴州省干濕氮沉降總和低于全國(guó)平均氮沉降水平15 g/(m2·a)為依據(jù)[13]，設(shè)置4塊3 m×5 m的樣地并編號(hào)，設(shè)置低氮(N1，5 g/(m2·a)、中氮(N2，15 g/(m2·a)、高氮(N3，30 g/(m2·a)和對(duì)照(CK，0 g/(m2·a)4個(gè)氮沉降處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù).根據(jù)每個(gè)樣方所需噴灑的不同氮濃度溶液，將不同量的NH4NO3溶解在自來(lái)水中，采用噴霧形式均勻噴灑至樣地，對(duì)照樣方噴灑等量的水.自2018年1月起每隔3個(gè)月進(jìn)行一次噴施，即在1、5、9月等量施氮.

于2018年1月稱(chēng)取10.00 g風(fēng)干好的凋落葉裝入網(wǎng)袋中，隨機(jī)放置在相應(yīng)的已清除枯枝落葉層的樣地中，各尼龍網(wǎng)袋間保持一定的水平距離.分別采集0～5、5～10、10～20 cm的土樣測(cè)定初始土壤養(yǎng)分含量.隨后每隔1個(gè)月在分解袋所在的土壤中心點(diǎn)采集土樣，將土樣置于通風(fēng)陰涼處晾干后磨碎，并篩出通過(guò)1.00 mm和0.25 mm孔徑篩的土樣，分組標(biāo)記測(cè)定土壤養(yǎng)分含量，土壤養(yǎng)分初始背景值見(jiàn)表1.

表1 不同土層土壤的初始養(yǎng)分含量Table 1 Nutrient contents in different soil layers

1.3 指標(biāo)測(cè)定

參照《土壤農(nóng)化分析》[14]，分別制備5 mL消煮液，采用堿解-擴(kuò)散吸收法測(cè)定全氮含量，采用堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定全磷含量，采用消煮液-火焰光度法測(cè)定全鉀含量；分別取2.00 g和5.00 g過(guò)2 mm孔徑篩的風(fēng)干土壤測(cè)定水解氮和有效鉀含量，水解氮含量采用堿解-擴(kuò)散吸收法；有效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法；有效磷含量采用NH4F-HCl比色法；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法.

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Exce 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，R語(yǔ)言系統(tǒng)3.6.2借助ggplot 2擴(kuò)展包中的ggstatsplot函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，并繪制圖形.

2 結(jié)果與分析

2.1 氮沉降對(duì)米槁凋落葉分解過(guò)程中土壤有機(jī)質(zhì)的影響

在米槁凋落葉分解過(guò)程中，11月份時(shí)0～5 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量大小依次為：N2>N1>N3>CK；5～10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量大小依次為：CK>N3>N2>N1；10～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量大小依次為：CK>N2>N1>N3.由圖1～3可知，土壤有機(jī)質(zhì)隨著氮沉降的不斷輸入整體變化趨勢(shì)較平穩(wěn)，在7月份時(shí)有下降趨勢(shì)隨后又繼續(xù)平緩變化，不同土層之間有機(jī)質(zhì)含量始終是按照0～5 cm>5～10 cm>10～20 cm變化.對(duì)比對(duì)照組與施氮組，可以看出同一土層下施氮組的有機(jī)質(zhì)含量比對(duì)照組高且在試驗(yàn)后期較為明顯.在9～11月份時(shí)不同土層之間有機(jī)質(zhì)含量差異增大.在試驗(yàn)過(guò)程中施氮組要比對(duì)照組有機(jī)質(zhì)含量高且差異顯著(P<0.05)，說(shuō)明施加外源氮促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的積累.

圖1 不同氮沉降處理下對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Figure 1 Impact on soil organic content by different levels of nitrogen deposition

2.2 氮沉降對(duì)米槁凋落葉分解過(guò)程中土壤全氮、水解氮含量的影響

由圖2可以看出，3月、5月與11月土壤全氮的含量有上升的趨勢(shì)，具有季節(jié)變化性.同一土層不同處理之間差異不顯著，其中3月份各土層全氮含量的上升速度最快(P<0.05).施氮處理不同土層土壤全氮含量雖然比對(duì)照組含量要高，但是并沒(méi)有達(dá)到顯著性水平.表明與對(duì)照組相比，添加外源氮對(duì)土壤全氮含量無(wú)明顯影響.在11月時(shí)，米槁凋落葉分解過(guò)程中0～5 cm土層水解氮含量大小依次為：N2>N3>N1>CK，5～10 cm土層水解氮含量大小依次為：N3>N2>N1>CK，10～20 cm土層水解氮含量大小依次為：N3>N2>N1>CK.由圖3可知，隨著氮沉降的不斷輸入，土壤水解氮含量整體呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，并在試驗(yàn)最后達(dá)到最大值.施氮組水解氮含量比對(duì)照組含量高.整體對(duì)比低氮、中氮和高氮3組處理，中氮組的水解氮含量比低氮和高氮組的水解氮含量高(P<0.05).說(shuō)明氮添加對(duì)土壤水解氮含量具有促進(jìn)作用，但是高氮組對(duì)土壤水解氮的影響比低中氮組對(duì)水解氮的影響小.

圖2 不同氮沉降處理下對(duì)土壤全氮含量的影響Figure 2 Impact on soil total nitrogen by different levels of nitrogen deposition

圖3 不同氮沉降處理下對(duì)土壤水解氮含量的影響Figure 3 Impact on soil hydrolyzable nitrogen by different levels of nitrogen deposition

2.3 氮沉降對(duì)米槁凋落葉分解過(guò)程中土壤全磷、有效磷含量的影響

由圖4可知，土壤全磷含量隨著氮沉降的輸入整體表現(xiàn)為逐漸減少的趨勢(shì)，且3月最高，11月最低.除3月和7月外，其他月份的不同處理中土壤全磷含量整體變化趨勢(shì)為先減后增再減.0～5 cm土層整體施氮組全磷含量比對(duì)照組全磷含量低(P<0.05)，表明施氮處理對(duì)土壤全磷含量有明顯的抑制作用，高濃度下抑制作用最強(qiáng).5～10、10～20 cm土層各處理間差異不顯著(P>0.05)，但是整個(gè)試驗(yàn)期間土壤全磷含量是呈下降狀態(tài).隨著氮沉降的不斷輸入，土壤有效磷含量整體表現(xiàn)為先增后減的趨勢(shì)(圖5).不同土層之間有效磷含量具有顯著性差異(P<0.05)，并且有效磷含量隨著土層越深含量越少.不同的處理組之間也具有一定的差異性，在1～5月份對(duì)照組土層有效磷的含量要大于施氮組(表層土壤表現(xiàn)尤為明顯)，說(shuō)明氮添加初期對(duì)土壤有效磷具有一定抑制作用，在7～11月份對(duì)照組有效磷含量依舊大于施氮組N2與N3，但是施氮組N1有效磷含量大于對(duì)照組，表明試驗(yàn)后期低氮對(duì)土壤有效磷具有促進(jìn)作用，高氮條件具有抑制作用.

圖4 不同氮沉降處理下對(duì)土壤全磷含量的影響Figure 4 Impact on soil total phosphorus content by different levels of nitrogen deposition

圖5 不同氮沉降處理下對(duì)土壤有效磷含量的影響Figure 5 Impact on soil available phosphorus content by different levels of nitrogen deposition

2.4 氮沉降對(duì)米槁凋落葉分解過(guò)程中土壤全鉀、有效鉀含量的影響

土壤全鉀含量整體表現(xiàn)為不斷下降的變化趨勢(shì)(圖6).根據(jù)不同土層全鉀含量的變化可以看出，0～5 cm土層在1～5月呈現(xiàn)出凹型(CK與N3組全鉀含量較高)且施氮組要小于對(duì)照組，即CK>N3>N1>N2，在試驗(yàn)后期可以發(fā)現(xiàn)0～5 cm層變化表現(xiàn)為中間高兩端低，說(shuō)明高氮處理初期對(duì)土壤表層全鉀含量較敏感.雖然土壤全鉀含量整體呈現(xiàn)出前期低抑高促，后期為低促高抑的一個(gè)變化，但施氮組土壤全鉀含量與對(duì)照組之間無(wú)顯著差異(P>0.05)，施氮組對(duì)土壤全鉀含量無(wú)明顯影響.除5月份N3組有效鉀含量比對(duì)照組高以外，其他月份的施氮組有效鉀含量都比對(duì)照組低(P<0.05).根據(jù)圖7可以看出，隨氮沉降濃度的增加，土壤有效鉀含量整體呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì).不同土層的有效鉀含量在1～3月份有明顯的差異性(P<0.05)，并且表現(xiàn)為0～5 cm土層>5～10 cm土層>10～20 cm土層，5月份0～5 cm和5～10 cm土層高氮組含量較高，低中施氮組含量較對(duì)照組要小.7～11月份0～5 cm施氮組要比對(duì)照組土壤有效鉀含量要低，對(duì)照組不同土層間具有差異性，其中高氮組對(duì)土壤有效鉀有一定的敏感性，5～10 cm與10～20 cm間土壤有效鉀含量相近不具有顯著性(P>0.05)，表明施氮處理后期對(duì)土壤有效鉀具抑制作用，氮濃度越大抑制效果越明顯.

圖6 不同氮沉降處理下對(duì)土壤全鉀含量的影響Figure 6 Impact on soil total potassium matter by different levels of nitrogen deposition

圖7 不同氮沉降處理下對(duì)土壤有效鉀含量的影響Figure 7 Impact on soil available potassium matter by different levels of nitrogen deposition

3 討論

土壤有機(jī)質(zhì)由土壤中的腐殖質(zhì)、動(dòng)植物殘?bào)w和微生物體組成，其中凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源[13].土壤水解氮主要包括無(wú)機(jī)氮以及易水解的有機(jī)態(tài)氮，在土壤中雖然不穩(wěn)定，容易被生物活動(dòng)和土壤水熱條件影響發(fā)生改變，但是水解氮可以作為一個(gè)判斷土壤近期可利用氮素含量多少的重要指標(biāo)[15].本研究表明，氮沉降顯著增加米槁凋落葉分解過(guò)程中各土壤有機(jī)質(zhì)和水解氮含量.根據(jù)不同土層有機(jī)質(zhì)含量的變化可以看出，0～5 cm土層有機(jī)質(zhì)含量的變化幅度最大，對(duì)氮沉降濃度的增加最為敏感.施氮組促進(jìn)了米槁凋落葉過(guò)程中土壤有機(jī)質(zhì)的含量且在試驗(yàn)后期表現(xiàn)出明顯差異.這與Entwistle等[16]研究結(jié)果相似，認(rèn)為長(zhǎng)期施氮會(huì)使凋落物分解速率下降，類(lèi)木質(zhì)素化化合物的氧化程度加深，從而使土壤有機(jī)質(zhì)含量增加.唐劍東[17]研究發(fā)現(xiàn)施氮處理顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)的含量，是因?yàn)樘砑拥卦黾恿说蚵湮锏臄?shù)量和植物細(xì)根生物量、改變了土壤動(dòng)物和微生物活性以及降低了土壤有機(jī)碳的礦化速率.結(jié)合本試驗(yàn)地的實(shí)際情況，施氮組表層土壤有機(jī)質(zhì)的增加是因?yàn)楸韺油寥乐芯哂休^高的細(xì)根生物量，其細(xì)根周轉(zhuǎn)會(huì)帶來(lái)有機(jī)質(zhì)的輸入.本研究發(fā)現(xiàn)3組不同濃度施氮組比對(duì)照組土壤水解氮的含量高，且在9月和11月份時(shí)差異顯著，說(shuō)明在氮沉降對(duì)土壤水解氮含量具有積累作用，這與沈芳芳等[18]試驗(yàn)結(jié)果相同.而且不同濃度的施氮處理中還是可以看出，N3條件下要比N1和N2水解氮含量要低一點(diǎn)，可能是在N3條件土壤中的氮含量達(dá)到了富集的狀態(tài).根據(jù)不同土層土壤水解氮含量的變化可以發(fā)現(xiàn)：只有1、3、11月份的0～5 cm土層土壤水解氮含量是最大的，其他月份中10～20 cm土層土壤水解氮的含量最大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能的原因是淺層土壤硝化作用較強(qiáng)，然而氣溫對(duì)土壤水解氮的硝化作用有一定影響，溫度低使土壤水解氮硝化速率降低，造成低溫月份淺層土壤水解氮剩余增多[19].與汪金松等[20]的研究結(jié)果一樣，本研究發(fā)現(xiàn)氮沉降對(duì)土壤中全氮含量無(wú)明顯影響.

本研究中，模擬氮沉降對(duì)米槁凋落葉分解過(guò)程中土壤全磷表現(xiàn)為抑制作用，對(duì)有效磷含量表現(xiàn)出低濃度促進(jìn)高濃度抑制的作用.森林生態(tài)系統(tǒng)的磷主要來(lái)源于土壤巖石磷礦物的風(fēng)化作用和植物的殘?bào)w凋落歸還，在森林生態(tài)系統(tǒng)中一般認(rèn)為磷元素是僅次于氮元素的限制因素[21].本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在模擬氮沉降處理中，土壤全磷含量隨氮濃度的增加整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，外源氮的添加可使土壤養(yǎng)分由氮限制轉(zhuǎn)化成磷限制，但土壤有效磷含量卻表現(xiàn)出低濃度氮沉降下增加、高濃度氮沉降下減少，這與蔡乾坤等[22]研究結(jié)果相似，原因是外源氮添加提高了米槁凋落葉分解過(guò)程中土壤磷酸酶活性，促進(jìn)了土壤中全磷向有效磷的轉(zhuǎn)化[23].

4 結(jié)論

米槁凋落葉分解過(guò)程中土壤養(yǎng)分整體呈現(xiàn)出隨著土壤土層深度的加深而降低的變化.氮沉降對(duì)米槁凋落葉分解過(guò)程中土壤有機(jī)質(zhì)含量有微促進(jìn)作用；從土壤水解氮的整體變化可以看出，施氮組要比對(duì)照組水解氮的含量高，氮沉降對(duì)土壤水解氮具有促進(jìn)作用；土壤全磷整體表現(xiàn)為逐漸下降且施氮組與對(duì)照組具有顯著差異，土壤有效鉀含量隨著氮沉降濃度的增加整體減少，氮沉降對(duì)米槁凋落葉分解過(guò)程中土壤全磷和有效鉀含量有明顯的抑制作用；米槁凋落葉分解過(guò)程中土壤有效磷含量在低濃度氮沉降下增加，而高濃度氮沉降下減少；氮沉降對(duì)米槁凋落葉分解過(guò)程中土壤全鉀和全氮含量無(wú)顯著影響.可見(jiàn)氮沉降影響了米槁凋落葉分解過(guò)程中土壤養(yǎng)分含量，進(jìn)而可以影響米槁的土壤生活環(huán)境，本研究只解釋了土壤環(huán)境中米槁凋落葉分解時(shí)氮沉降對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，但土壤環(huán)境中還有其他環(huán)境因素比如微生物等，所以氮沉降對(duì)米槁的土壤環(huán)境的影響機(jī)制還需結(jié)合其他環(huán)境因素作進(jìn)一步研究.