模擬氮沉降下喀斯特原生喬木林土壤養(yǎng)分的動態(tài)分析

趙文君 劉永濤 崔迎春 吳 鵬 楊永艷 丁訪軍*

(1.貴州省林業(yè)科學研究院，貴州 貴陽 550005；2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽550081 )

由于化石燃料燃燒，工業(yè)氮肥使用等使大氣中含氮化合物激增，大氣氮沉降也不斷增加(從1.5 kg N·hm-2·a-1增加到4.2 kg N·hm-2·a-1)[1]，氮沉降作為驅動因子勢必改變森林土壤生態(tài)過程，引起陸地生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力和生物地球化學碳、氮、磷循環(huán)的諸多變化[2]，土壤養(yǎng)分的變化，調整了物種之間的競爭動態(tài)[3]，改變了植物群落結構[4]，進而影響森林生態(tài)系統(tǒng)功能和結構。因此，研究氮沉降對森林土壤養(yǎng)分的影響對了解森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、合理利用氮沉降帶來的養(yǎng)分等具有重要意義。氮沉降對不同地區(qū)土壤養(yǎng)分的影響不同，有研究表明與森林生態(tài)系統(tǒng)是否N限制有關[5]，不同生態(tài)系統(tǒng)因初始氮狀況、植被 、土壤特征等存在不同的臨界氮容量[6]。氮沉降對土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、水解性氮、速效磷、速效鉀含量的影響，既有增加的研究案例[7-8]，也有影響不明顯，甚至相反的案例[9-11]。因此有必要針對不同森林類型開展研究，為全球大氣氮沉降背景下森林生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定發(fā)展提供理論參考。

喀斯特生態(tài)系統(tǒng)有特殊的水文地質二元結構及復雜的峰叢、峰林、洼地和漏斗等地貌形態(tài)，地面巖石裸露形成石面、石溝和土面等多樣的小生境，小尺度上的生境異質性顯著[12]，進而引起土壤、小氣候及其他生態(tài)因子的變化[13-14]，可能對土壤養(yǎng)分動態(tài)產(chǎn)生影響，但有關氮沉降下喀斯特森林不同小生境土壤養(yǎng)分動態(tài)變化研究較少涉及，因此，本研究選擇茂蘭喀斯特原生林為研究對象，對模擬氮沉降下土面和石溝小生境土壤養(yǎng)分動態(tài)變化特征進行比較，為更好地理解和評估大氣氮沉降對喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分影響提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與樣品采集

通過對貴州荔波喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站原有固定樣地踏查，篩選了有代表性的3個原生喬木林群落樣地，海拔770 m，坡度20～25°，中下坡位，樣地面積30 m × 30 m。每個樣地內按照劉方等[19]對小生境劃分，考慮小生境面積和數(shù)量，隨機選取了石溝(出露的巖石溶蝕溝或侵蝕溝)、土面(面積相對較大的小型臺地)兩種小生境布置模擬氮沉降試驗。施氮量設置3個處理，分別為低氮N1(25 kg·hm2·a)、高氮N2(50 kg·hm2·a)和對照N0 (0 kg·hm2·a)。每個樣方間距>3 m，以防止相互干擾。自2018年6月開始施氮試驗，施氮時間為1 a，按照處理水平的要求，將各樣方所需NH4N03溶解至1 L水中，用噴霧器在該水平樣方中來回均勻噴灑，每次施氮量相當于全年模擬總施氮量的1/12，對照樣方噴施同樣量的水，以減少因外加水而造成對森林生物地球化學循環(huán)的影響。

2018年6月、11月和2019年5月，每次施氮前采樣，先將地表凋落物去除，將內徑7.5 cm、長15 cm PVC管打入采集原狀土，低溫保存帶回實驗室。每個處理樣方內均重復取樣三次。測定土壤pH值、有機碳、全氮、全磷、全鉀、有效磷和有效鉀，分別采用電位法、重鉻酸鉀氧化-外加熱法、凱氏消煮法-擴散法、堿熔-鉬銻抗比色法、和堿熔-火焰光度法、鹽酸-硫酸浸提法和硝酸煮沸浸提-火焰光度法，測定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分別采用氧化鎂-擴散法和酚二磺酸比色法[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010、SPSS 16.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 模擬氮沉降對土壤pH值的影響

由圖1可知，施氮前，土面和石溝兩生境各自pH值很接近，經(jīng)施氮處理后，pH值出現(xiàn)不同程度的下降。最大變化出現(xiàn)在土面的N2處理，隨著施氮時間分別比對照下降了15.76%和15.11%。石溝pH值變化較土面緩和，N2處理下分別下降了1.38%和3.09%。土面較石溝pH值低，且土面土層較石溝更敏感，更易引起酸化。經(jīng)方差分析，土面pH值N1、N2與N0間呈現(xiàn)顯著差異(P <0.05)，而石溝各處理間pH值差異不顯著(P >0.05)。且土面和石溝兩生境間差異顯著(P <0.05)。

圖1 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石溝土壤pH值動態(tài)

2.2 模擬氮沉降對土壤有機碳的影響

由圖2可知，土壤有機碳變化趨勢為先增加后降低，外源氮添加提高了土壤有機碳含量，土面N1處理分別使土壤有機碳含量提高了20.64%，20.41%，N2處理分別使土壤有機碳含量提高了3.64%和3.89%，但作用效果都不顯著(P >0.05)。石溝N1處理顯著提高了土壤有機碳含量最高達40.66%(P <0.05)，N2處理分別使土壤有機碳含量提高了16.36%和6.23%，但未達到顯著水平(P >0.05)。石溝生境下土壤有機碳對氮添加的響應顯著高于土面(P <0.05)

圖2 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石溝土壤有機碳動態(tài)

2.3 模擬氮沉降對土壤全氮的影響

由圖3可知，石溝土壤TN初始含量高于土面，外源氮添加沒有改變土壤全氮的變化趨勢，隨施氮時間均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。土面N1、N2處理在11月分別使土壤全N含量降低了12.25%，27.71%，N2處理使土壤TN含量顯著降低(P <0.05)，在5月分別使土壤TN含量增加了13.10%和9.02%。石溝N1、N2處理均使土壤TN含量增加，11月增加值分別為12.58%和17.24%，5月增加值分別為22.29%和34.43%，N2處理使土壤TN含量顯著增加(P <0.05)。土壤TN含量在不同N水平間大多差異不顯著(P >0.05)，在土面和石溝兩生境間差異顯著(P <0.05)。

圖3 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石溝土壤全氮動態(tài)

2.4 模擬氮沉降對土壤全磷、速效磷的影響

由圖4可知，施氮處理沒有改變土壤TP含量先升高后降低的變化趨勢，向土面添加氮均都使其TP含量降低，其中N2處理會使TP含量顯著降低(P <0.05)。除2019年5月N2處理外，向石溝添加氮都會使TP含量不同程度的降低。在5月N1處理顯著降低了TP含量(P <0.05)，而N2處理顯著增加了TP含量(P <0.05)。土壤速效P含量同樣為先升高后降低的變化趨勢，在2018年11月達到高值。氮沉降后，土壤速效P含量與對照相比，N1水平下含量下降，最低降低了25.77%，N2水平下增加，最大增加了15.64%，N1與N0、N2處理間達到顯著水平(P <0.05)。土壤TP和速效P在土面和石溝兩生境間差異不顯著(P >0.05)。

圖4 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石溝土壤全磷和速效磷動態(tài)

2.5 模擬氮沉降對土壤全鉀、速效鉀的影響

由圖5可知，無論添加外源氮與否，土壤TK含量均呈先略升后降的變化趨勢。模擬氮沉降后，N1處理會使土面土壤TK含量增加11.68%，隨著氮沉降時間延長后較對照降低7.29%。N2 處理使土面土壤TK含量分別增加17.73%和7.76%。而石溝土壤TK含量在N1處理后分別降低5.85%和7.10%，N2處理后分別增加14.74%和7.60%。土壤速效K含量為先降低后升高的變化趨勢，土面較石溝變幅大。施氮后，均使土壤有效K含量增加，不同氮處理使土面分別增加13.66%、9.31%和3.21%、24.01%，使石溝分別增加了17.03%、31.19%和3.01%、6.30%。土壤TK、速效K含量在不同N水平間、不同生境間差異均不顯著(P >0.05)。

燃料及助燃空氣系統(tǒng)主要由分區(qū)關斷閥、先導式減壓調節(jié)器(SR)、先導式平衡零位調節(jié)器(BRR)、空氣脈沖管路、燃氣比率調節(jié)閥、火力控制閥及輸送管路等組成。

圖5 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石溝土壤全鉀和速效鉀動態(tài)

2.6 模擬氮沉降對土壤有效氮的影響

由圖6可知，無論添加外源氮與否，土壤NH4+-N含量均呈先升后降的變化趨勢，土壤NO3--N含量均為升高的趨勢。不同氮添加后，均增加了土壤有效氮含量，且隨施氮強度的增加而增加。不同氮添加后，土面和石溝土壤NH4+-N含量2018年11月分別增加了30.58%，47.63%和29.02%，45.55%，2019年5月分別增加了36.68%，67.12%和32.88%，67.58%。土面和石溝土壤NO3--N含量11月分別增加了24.64%，59.26%和15.00%，69.11%，5月分別增加了35.37%，70.56%和24.77%，53.12%。土壤有效氮含量在土面和石溝兩生境間差異不顯著(P >0.05)。

圖6 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石溝土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮動態(tài)

3 結論與討論

本研究土壤pH值隨著氮沉降水平的升高而降低，和全國多數(shù)研究結果一致[9，21]。研究表明NOy(主要是NO3-)的沉積可能會增加堿基陽離子(Ca2+、Mg2+)在土壤溶液電荷平衡中的淋失，失去的堿基陽離子通常被H+取代，從而降低pH值，硝態(tài)氮直接降低土壤pH值。NHx氮(主要是NH4+)可以直接替代土壤中堿離子使淋濾量增加，導致土壤酸化[22]。也有研究表明施加高氮后因NH4+-N大量增加而使pH值提高，但總體pH 值增加并不顯著[21]。銨態(tài)氮主要通過影響土壤無機碳間接影響土壤pH[22]。

本研究低氮處理顯著促進了土壤有機碳含量增加，高氮處理則效果不顯著。HUANG Z Q等[23]研究顯示外源氮的增加使土壤有機碳含量增加，且沉降的氮更容易被C/N相對較低的生態(tài)系統(tǒng)所固定。張帆等[24]研究表明中、高氮沉降使土壤C含量顯著增加。也有研究結論不一致，李秋玲等[9]在鼎湖山森林、Magill 等[11]在美國哈佛森林、郭虎波等[10]的研究表明，短期內氮沉降對土壤總有機碳含量沒有影響。而汪金松[11]等研究表明高氮處理抑制了土壤碳含量的增加，可能受N飽和的影響。適量的氮素加入，有利于促進凋落物的分解，從而提高土壤有機質含量，而過量的氮素，可能會導致土壤有機質的流失[21]。Saiya-Corka 等[25]研究發(fā)現(xiàn)N 沉降加速了凋落物分解，卻抑制了土壤有機物的分解，且外源 N 輸入抑制難分解有機物的分解可能是一個普遍現(xiàn)象，從而導致土壤 SOC含量的降低。

本研究中隨著施氮量增加全氮含量增加，全磷含量降低，可能是由于氮沉降增強磷酸酶活性，提高了土壤磷的有效性，促進了植物對磷的吸收，從而減少了土壤全磷的含量，會加劇土壤磷的限制性[26]。也有研究表明氮沉降下全P含量升高[21]。

土壤速效養(yǎng)分是影響植物生長狀況的重要因素。氮、磷、鉀是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，有效磷、有效鉀和有效氮在一定程度上衡量土壤養(yǎng)分的有效性[27]。不同小生境不同氮添加均增加了土壤NH4+-N、NO3--N含量，高氮處理的增幅高于低氮處理，這與趙欣然等[26]對樟子松人工林研究、李琛琛等[8]對華北落葉松林的研究及向元彬等[28]對天然常綠闊葉林的研究結果一致。一是因為外源氮提高了微生物活性，氮沉降的激發(fā)效應加速了土壤有機物的礦化，土壤C/ N因過量的N和有機物結合而降低，促進了土壤有機物分解和養(yǎng)分釋放[29-30]。二是氮輸入增加了土壤和凋落物層的礦質氮含量，使植物吸收與硝化菌、反硝化菌對氮的競爭得到了緩沖，硝化、反硝化作用增加，進而使土壤有效氮增加[30]。此外施加NH4NO3時直接增加土壤有效氮水平。

土壤中P主要來自土壤有機物的分解，速效P與凋落物的分解速率有關，且受土壤磷酸酶的影響。速效P在N1處理下降低，在N2處理下升高，這與蔡乾坤等[31]，裴廣廷等[32]研究結果一致，高氮的輸入刺激了微生物活性并增加了其對磷的需求，并提高了磷相關酶的活性，磷相關分解酶活性的提高增強了微生物對土壤有機質和凋落物的分解，加快了土壤中磷元素的轉換過程，從而提高土壤中速效磷的含量[21，32]，施氮強度和模擬時間長度結合使速效P含量2018年11月份達到較高狀態(tài)，高于2019年5月份，與有效磷含量干季高于濕季[31]的研究結果相吻合。

本研究中速效K對施氮處理呈現(xiàn)升高響應，這與葉彥輝等[21]研究結果一致，在 LN 處理下升高，比CK高了16.96%。與樊后保等[33]研究結果相反，過量的氮沉降造成土壤中多余的氮以NO3-的形式從土壤中淋失，引起K+的電荷平衡離子也從土壤中淋失。裴廣廷等[32]研究顯示氮沉降對森林土壤速效鉀含量的影響不顯著，與凋落物保留與否有關，凋落物的分解可以補充土壤速效鉀的淋失。

土面和石溝氮添加后各土壤養(yǎng)分的響應程度除土壤有機碳兩小生境差異顯著外(P <0.05)，其余pH值、N、P、K養(yǎng)分元素等的響應均差異不顯著，表現(xiàn)為石溝略高于土面。受小生境地表微形態(tài)和微地貌空間變異的影響，土面和石溝成土過程不同，而土壤養(yǎng)分本身存在差異，石溝高于土面。不同小生境中溫度、濕度及凋落物供給的差異，通過影響到林下不同的微生物類群的數(shù)量、種類和活力而最終影響土壤養(yǎng)分水平。兩小生境差異不顯著，可能是氮沉降強度和沉降時間不足以引起土壤養(yǎng)分的顯著變化。由于喀斯特微地貌小生境下小氣候、土壤等生態(tài)因素的差異性，使其對全球氣候變化(大氣氮沉降等)的響應也有所不同，要全面了解喀斯特森林系統(tǒng)不同小生境土壤的變化動態(tài)還需要更多的實驗數(shù)據(jù)來探究。