模擬N沉降對滇中亞高山典型森林凋落物分解及土壤微生物的影響

潘 禹，宋婭麗，王克勤，張雨鑒，鄭興蕊

(西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650224)

凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的重要組分，其養(yǎng)分釋放作為森林營養(yǎng)循環(huán)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對植物的生長發(fā)育、土壤理化性質(zhì)以及森林生態(tài)系統(tǒng)C、N循環(huán)均具有關(guān)鍵作用[1]。土壤微生物在土壤養(yǎng)分循環(huán)過程中扮演極為重要的角色，是凋落物分解過程中不可或缺的一部分[2]。凋落物分解通過改變C、N等養(yǎng)分元素歸還量來影響土壤微生物數(shù)量及活性，從而改變微生物養(yǎng)分固定量和提供植物生長的養(yǎng)分比例，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)中C、N循環(huán)[3]。

N沉降的持續(xù)增加可通過改變森林凋落物量，使植物-土壤微生物的養(yǎng)分格局發(fā)生變化，間接影響凋落物-土壤-土壤微生物之間的關(guān)系，對凋落物分解、土壤微生物活性、土壤C庫等造成重要影響，進(jìn)而促進(jìn)或抑制森林生態(tài)系統(tǒng)C和N的循環(huán)[4]。韓雪等[5]在對北京西山遼東櫟（Quercus liaotungensisBlume.）進(jìn)行為期2年的模擬N沉降實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，N沉降減緩了凋落物的分解速率，且不同N處理顯著增加凋落物N含量，但對凋落物C含量影響不顯著；李登峰等[6]在對常綠闊葉林進(jìn)行模擬N沉降實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，隨著N濃度的上升，凋落物C含量增長顯著，而凋落物N含量變化不大；魏圣釗等[7]在華西雨屏區(qū)常綠闊葉林凋落物分解中發(fā)現(xiàn)MBC和MBN在N處理下表現(xiàn)為低N促進(jìn)，高N抑制；Van等[8]在北美闊葉林進(jìn)行長期N處理實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)MBC/MBN降低10%，微生物總生物量降低1/4。在以上模擬N沉降的研究中，國內(nèi)外學(xué)者對凋落物分解多集中于單一森林類型下土壤微生物量的變化特征[9]，但對不同森林類型下凋落物分解對土壤微生物數(shù)量影響以及凋落物分解、土壤微生物量碳氮及土壤微生物數(shù)量之間關(guān)系的研究則鮮有報道。

滇中亞高山磨盤山地區(qū)位于云貴高原的西部邊緣，自然條件獨(dú)特，植被多以中山半濕性闊葉林為主[10]。本研究以該地區(qū)不同森林生態(tài)系統(tǒng)云南松（Pinus yunnanensisFranch.）林、華山松（Pinus armandiiFranch.）林、常綠闊葉林以及高山櫟（Quercus semicarpifoliaSmith.）林為研究對象，采用凋落物袋法，通過原位分解和模擬N沉降實(shí)驗(yàn)，分析N沉降下4種不同森林凋落物分解及土壤微生物特征，研究以下兩個問題：（1）分解1年后，4種不同森林凋落物C、N含量、MBC和MBN及土壤微生物數(shù)量特征對N沉降如何響應(yīng)？（2）N沉降下，凋落物生物量與土壤微生物量有何相互關(guān)系？通過以上研究，揭示N沉降下不同林分類型下凋落物與土壤微生物在C、N生物地球化學(xué)循環(huán)機(jī)制中的作用，為滇中亞高山森林管理和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于云南省玉溪市磨盤山森林定位研究站(23°46′18″～23°54′34″ N，101°16′06″～101°16′12″ E)，海拔2 215.8 m。該地區(qū)山地氣候特征較為顯著，且位于亞熱帶南北兩部氣候交匯處，屬于中亞熱帶氣候，年均氣溫15℃，年均降水量為1 050 mm，降水主要集中在5—10月。研究區(qū)域森林覆蓋率達(dá)85%以上，植被垂直分布特征較為明顯，主要的林分類型有針葉林、高山矮林以及常綠闊葉林等。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 于2017年11月，分別收獲4種林分的新鮮凋落物，相同林分的凋落物充分混勻。風(fēng)干后，分別準(zhǔn)確稱取10 g裝入大小為20 cm × 20 cm的分解袋（孔徑為1 mm）。以析因設(shè)計(jì)法于2018年1月在4種森林下各設(shè)置3個20 m × 20 m的樣地，在每個樣地中隨機(jī)設(shè)置4個3 m × 3 m的小樣方，對應(yīng)4種不同施N濃度，減少樣地環(huán)境對土壤微生物量的影響。樣方之間距離大于10 m，防止相互干擾。將前期準(zhǔn)備好的凋落物袋均勻擺放在各樣方中（各3個重復(fù)），并對各樣方中的凋落物噴施NH4NO3溶液（模擬N沉降）。

本實(shí)驗(yàn)N沉降水平主要參考北美地區(qū)Harvard Forest以及華西地區(qū)所布設(shè)的實(shí)驗(yàn)[11-12]，并結(jié)合我國 西 南 地 區(qū) 及 本 地 區(qū) 年 沉 降 量(3.84 g·m-2·a-1)，N沉降共設(shè)定4個水平：對照（CK，0 g·m-2·a-1）、低N（LN，5 g·m-2·a-1）、中N（MN，15 g·m-2·a-1）、高N（HN，30 g·m-2·a-1），每個水平3個重復(fù)。將1年的使用量分為均等的12份，從2018年1月初開始，遵循上述各水平對樣方進(jìn)行施N處理，對照組施相同量的水。除施N外，其他措施保持一致，樣地情況如表1。

表1 4種森林類型研究樣地概況Table 1 Geophysical characteristics of the investigating plots in four forest types

1.2.2 樣品的采集 施N處理1年后，于2019年1月，對各林分各處理樣方中的凋落物進(jìn)行取樣，各樣方取凋落葉和枝各3袋，清除袋中的雜物，風(fēng)干。在取凋落物的同時，采集0～5、5～10和10～20 cm土壤樣品，每個樣方用隨機(jī)數(shù)字定位法隨機(jī)取5鉆，將同一林分中同一N沉降處理下相同土層的土樣充分混合。

1.2.3 樣品的測定 凋落物在恒溫干燥箱內(nèi)烘干，粉碎并過篩。采用重鉻酸鉀-外加熱硫酸氧化法(LY/T 1237—1999)測定碳含量[10]，采用半微量凱氏定氮法(LY/T 1269—1999)測定氮含量[10]。

土壤微生物量碳（MBC）和土壤微生物量氮（MBN）采用氯仿熏蒸浸提法測定[13]。土壤微生物計(jì)數(shù)采用瓊脂膜法[14]。MBC、MBN分別用下式[15]求得：

MBC=EC/kC

MBN=EN/kN

式中：EC、EN分別為熏蒸和未熏蒸浸提液中土壤有機(jī)碳、全氮的差值；kC、kN為轉(zhuǎn)化系數(shù)，分別為0.38、0.54。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS25.0軟件完成。采用雙因素方差分析，分析不同森林類型和N沉降下C、N含量，各組分C/N均以質(zhì)量比表示；采用多因素方差分析，分析不同森林類型，不同土層，不同N沉降下微生物生物量C、N、微生物數(shù)量，各組分微生物生物量C/N均以質(zhì)量比表示，顯著性水平設(shè)定為α= 0.05。

2 結(jié)果分析

2.1 N沉降對凋落物碳氮含量的影響

由圖1可知，分解1年后不同N沉降下，各林分類型凋落物C含量平均值總體表現(xiàn)為：云南松林 ＞ 高山櫟林 ＞ 華山松林 ＞ 常綠闊葉林。與CK相比，常綠闊葉林凋落物C含量均顯著增加（2.56%～8.16%）；LN和MN下華山松林凋落葉C含量分別降低2.35%和1.13%，HN下增加1.24%，LN下凋落枝降低2.67%；高山櫟林C含量則與常綠闊葉林趨勢相同；HN下云南松林凋落葉和枝C含量分別增加3.97%和4.09%。

圖1 4種森林類型凋落物C含量、N含量及碳氮比Fig.1 Litter C and N content and C/N in four forest types

各林分類型凋落物N含量平均值總體表現(xiàn)為：高山櫟林 ＞ 常綠闊葉林 ＞ 華山松林 ＞ 云南松林。隨著N沉降的增加，常綠闊葉林下凋落物N含量均顯著增加（P＜ 0.05），與CK相比，凋落葉增加27.18%～69.01%，凋落枝增加12.76%～26.78%；華山松林凋落物N含量總體呈現(xiàn)上升趨勢（增加22.37%～60.29%）；高山櫟林MN下凋落葉和枝比CK顯著增加13.02%和11.74%；云南松林HN下凋落葉和枝N含量比CK顯著增加67.67%和22.29%。

不同林分類型凋落物C/N在不同N沉降處理下變化范圍在36.39～96.55之間。隨著N沉降的增加，4種林分類型凋落物C/N總體均呈下降趨勢。與CK相比，常綠闊葉林凋落葉降低25.11%～36.00%，凋落枝降低15.99%～16.29%；華山松林凋落葉降低19.20%～34.28%，凋落枝降低37.91%；MN下高山櫟林凋落葉和枝分別降低8.10%和9.08%；云南松林凋落葉降低2.66%～2.91%，凋落枝降低20.94%～37.92%。

2.2 N沉降對土壤微生物量碳氮含量的影響

由圖2可知，不同N沉降下，4種林分類型土壤MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍在104.20～1 041.99 mg.kg-1之間，相同土層不同森林類型平均值表現(xiàn)為云南松林 ＞ 常綠闊葉林 ＞ 高山櫟林 ＞ 華山松林，云南松林MBC比其他3個林分高出23.27%～60.34%；不同土層相同森林類型表現(xiàn)為0～5 ＞ 5～10 ＞ 10～20 cm，0～5 cm分別為5～10 cm和10～20 cm的1.36和2.08倍。隨著N沉降的增加，常綠闊葉林3個土層的MBC均逐漸降低（10.00%～66.67%）；華山松林則呈先增加后降低的趨勢，在LN處達(dá)到最高值（555.73 mg.kg-1）；高山櫟林在0～5 cm和5～10 cm土層逐漸降低，10～20 cm呈波動趨勢；云南松林則與華山松林趨勢相同。

圖2 4種森林類型土壤MBC的變化Fig.2 Variation of soil microbial biomass carbon (MBC) in four forest types

由圖3可知，不同N沉降下，4種林分類型土壤MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為19.09～109.57 mg.kg-1，相同土層不同森林類型平均值表現(xiàn)為云南松林 ＞ 常綠闊葉林 ＞ 高山櫟林 ＞ 華山松林，云南松林MBN比其他3個林分高出24.86%～60.54%；。不同土層相同森林類型表現(xiàn)為0～5 ＞ 5～10 ＞ 10～20 cm，0～5 cm分別為5～10 cm和10～20 cm的1.28和1.70倍。隨著N沉降的增加，常綠闊葉林和高山櫟林3個土層的MBN均逐漸降低（4.66%～58.40%和5.15%～62.70%）；華山松林則呈先增加后減少的趨勢，且在LN處達(dá)到最高值（54.90 mg.kg-1）（P＜0.05）；云南松林則呈波動趨勢。

由圖4可知，不同N沉降下，4種林分類型土壤MBC/MBN變化范圍在5.31～11.26之間。不同土層相同森林類型，總體差異不顯著（P＞ 0.05）。隨著N沉降的增加，常綠闊葉林3個土層的MBC/MBN呈波動趨勢，但均在MN處達(dá)到最高值11.15；華山松林總體呈先增加后降低的趨勢，0～5 cm和5～10 cm土層峰值出現(xiàn)在MN（11.26和11.17），10～20 cm則出現(xiàn)在LN（9.68）；高山櫟林和與云南松林則呈波動趨勢。

圖4 4種森林類型土壤MBC/MBN的變化Fig.4 Variation of soil MBC/MBN in four forest types

2.3 N沉降對土壤微生物數(shù)量的影響

由圖5可知，不同N沉降下，4種林分類型土壤微生物數(shù)量變化范圍在43.81～1 021.24 × 106個，相同土層不同森林類型平均值表現(xiàn)為云南松林 ＞ 常綠闊葉林 ＞ 華山松林 ＞ 高山櫟林，云南松林土壤微生物數(shù)量比其余3個林分高出6.89%～82.44%。不同土層相同森林類型下，常綠闊葉林和高山櫟林表現(xiàn)為10～20 ＞ 5～10 ＞ 0～5 cm，10～20 cm分別為5～10 cm和0～5 cm的1.33倍和2.51倍，華山松林和云南松林則呈波動趨勢。隨著N沉降的增加，3個土層中，常綠闊葉林微生物數(shù)量總體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，高山櫟林總體呈現(xiàn)上升趨勢，且差異性顯著（P＜ 0.05）；華山松林和與云南松林呈波動趨勢。

圖5 4種森林類型土壤微生物數(shù)量的變化Fig.5 Variation of soil microbial counts in four forest types

2.4 凋落物碳氮、土壤微生物量變異分析

如表2所示，森林類型、施N水平對凋落葉和枝的C、N和C/N的影響均影響極顯著（P＜ 0.01）。森林類型和施N水平的交互作用對凋落葉C、凋落葉C/N和凋落枝C均呈極顯著影響（P＜ 0.01），對凋落葉N和凋落枝C/N達(dá)到顯著影響（0.01 ＜P＜0.05），對凋落枝N影響不顯著（P＞ 0.05）。凋落葉和枝的C、N和C/N均表現(xiàn)為：森林類型影響最大，施N水平次之，森林類型和施N水平交互作用最小。森林類型對凋落枝N影響最大，凋落葉C/N最??；施N水平對凋落枝C影響力最大，凋落枝C/N最小；交互作用對凋落枝C影響力最大，凋落枝N最小。

表2 凋落葉和枝C、N以及C/N變異分析Table 2 Analysis of variations of C, N and C/N in leaf and twig litter

方差分析表明（表3），各變異來源及其交互作用對土壤微生物量C、N及數(shù)量均存在極顯著影響，其中森林類型對三者影響最大(F值分別為304.21、1 777、2 586.9)；而對于MNC/MBN，除了森林類型和土壤深度交互作用對其無明顯影響外，其余各變異來源也均對其存在顯著或極顯著影響，其中土壤深度影響最大(F值為18.18)。

3 討論

3.1 凋落物基質(zhì)質(zhì)量對N沉降的響應(yīng)

凋落物分解是森林生態(tài)系統(tǒng)C、N循環(huán)的關(guān)鍵構(gòu)成部分，同時也是物質(zhì)及能量轉(zhuǎn)換的重要銜接[16]。本研究中，模擬N沉降下常綠闊葉林和高山櫟林凋落枝和葉在分解1年后C含量均顯著增加，華山松林和云南松林C含量在LN下減小，HN下增加。這與鼎湖山自然保護(hù)區(qū)季風(fēng)常綠闊葉林[6]和內(nèi)蒙古大興安嶺林場落葉松林(Larix gmeliniiRupr.)[17]凋落物C含量研究結(jié)果一致。而江龍[18]的研究發(fā)現(xiàn)HN處理顯著降低了柳杉(Cryptomeria fortuneiHooibrenk.)凋落物有機(jī)C含量，促進(jìn)了有機(jī)C的釋放，這可能是該研究試驗(yàn)地位于華西雨屏區(qū)，海拔較低（1 216 m），其N沉降施用量（0.5～1.5 g·m-2·a-1）遠(yuǎn)小于本試驗(yàn)（5～30 g·m-2·a-1），未達(dá)到凋落物C含量降低的水平。

本研究中，模擬N沉降下4種林分類型凋落物在分解1年后N含量均顯著增加，原因可能是隨著外源N的持續(xù)輸入，凋落物中相對比較難分解的成分（如木質(zhì)素等）與其進(jìn)一步結(jié)合，構(gòu)成不易分解的物質(zhì)（如腐殖質(zhì)等），使N不斷富集，導(dǎo)致凋落物N含量升高[19]。而4種林分類型凋落物在分解1年后C/N均顯著降低，這與瑞典南部地區(qū)櫟樹(Quercus roburL.)林[20]和福建沙縣杉木(Cunninghamia lanceolataLamb.)林[21]的研究結(jié)果一致；而Zhou等[22]在西北地區(qū)則發(fā)現(xiàn)，施加N素使常綠闊葉林凋落物C/N呈上升趨勢。可見，目前國內(nèi)外N沉降對凋落物基質(zhì)質(zhì)量的影響并無統(tǒng)一認(rèn)識，其差異可能與研究地域環(huán)境、植物類型、凋落物分解階段、外源N素的選擇等因素相關(guān)，具體原因有待進(jìn)一步探究。

3.2 土壤微生物特征對N沉降的響應(yīng)

土壤微生物量受到土壤環(huán)境、森林類型及氣候等多種生態(tài)因子的影響，其中，森林類型是重要的因素之一[23]。本研究中，云南松林和常綠闊葉林的MBC和MBN含量均高于華山松林和高山櫟林，這可能是由于研究區(qū)云南松林和常綠闊葉林腐殖質(zhì)層較厚、植被密度和物種豐富度均較高。而常綠闊葉林和高山櫟林各土層的土壤MBC和MBN含量均隨著N沉降的增加呈現(xiàn)減小趨勢，華山松林和云南松林則相反。土壤MBC和MBN含量減小可能是由于過量的N素進(jìn)入土壤致使土壤酸化，鹽基離子減少，從而土壤中的Al3+含量上升，破壞微生物細(xì)胞，進(jìn)而降低土壤微生物的活性[24]；同時，過量的N抑制了木質(zhì)素降解酶活性，加強(qiáng)了微生物C限制，從而降低微生物量[25]。土壤MBC和MBN含量增加可能與森林生態(tài)系統(tǒng)處于N限制有關(guān)，此時外源N的添加會提高地表生物的生產(chǎn)量，使凋落物養(yǎng)分歸還速率加快，進(jìn)而提高土壤微生物生物量和活性[26]，這與太岳山油松(Pinus tabulaeformisCarr.)林[27]的研究結(jié)果一致。本研究中，不同N沉降下的MBC和MBN含量均伴隨土層的加深呈現(xiàn)減小的趨勢，原因可能是土壤真菌數(shù)量和有機(jī)質(zhì)隨著土層的增加而降低，通氣情況減弱限制土壤微生物的生長和繁殖，從而導(dǎo)致深層土壤微生物量減少。

土壤MBC/MBN可以作為反饋該區(qū)域微生物種類變化及土壤N供給狀況的一個指標(biāo)[28]。研究表明，MBC/MBN在3～5時，土壤微生物群落中占據(jù)優(yōu)勢的為細(xì)菌，而在4～15時則為真菌[29]。本研究4種森林類型MBC/MBN介于5.31～11.26間，說明滇中亞高山4種森林類型土壤微生物群落中真菌為優(yōu)勢種；本研究中N沉降對不同林分類型不同土層MBC/MBN影響各有差異，HN處理降低了MBC/MBN，使得土壤微生物群落由真菌向細(xì)菌群落轉(zhuǎn)變。這可能是由于真菌在N環(huán)境受限制中占據(jù)主導(dǎo)地位，但隨著N素的增加，細(xì)菌將逐漸取代真菌的地位[30-31]。

本研究中，常綠闊葉林、華山松林和高山櫟林土壤微生物數(shù)量隨著土層深度的增加呈上升趨勢，這可能是由于實(shí)驗(yàn)樣品采集時間為冬季，低溫對微生物數(shù)量產(chǎn)生了顯著影響。張德楠等[32]在對十萬大山地區(qū)典型次生闊葉林土壤微生物的研究中證實(shí)了這一點(diǎn)，即低溫會在一定程度上限制微生物的活性，減少繁殖，降低數(shù)量。本研究4個林分類型中微生物數(shù)量總體表現(xiàn)出與MBC和MBN一致的趨勢，即低N促進(jìn)高N抑制，而凋落物C和N含量與土壤微生物量相關(guān)分析中也表現(xiàn)出它們之間存在緊密的關(guān)系。

3.3 森林類型、土壤深度和施N水平對凋落物C、N和土壤微生物量的影響

本研究中，土壤深度、施N水平、森林類型和施N水平交互作用、土壤深度和施N水平交互作用對MBC、MBN、MBC/MBN和微生物計(jì)數(shù)均具有極顯著影響，森林類型對除MBC/MBN外的因子也均呈極顯著影響，三因素交互均對各因子呈顯著或極顯著影響，這與王澤西等[33]在川西亞紅杉林(Larix mastersianaRehd.)進(jìn)行N處理實(shí)驗(yàn)時所得結(jié)果相一致。說明土壤微生物對環(huán)境變化極為敏感，養(yǎng)分元素的輸入、土壤pH等因素的變化均會影響微生物數(shù)量和活性[29]。本研究中，森林類型對MBC、MBN和微生物計(jì)數(shù)影響最高，這可能是由于不同森林類型土壤微生物分布和種類差異較大。本研究中，土壤深度對MBC/MBN影響最高，其原因可能是表層土壤含有大量C源，微生物對C的吸收會加強(qiáng)自身活性，進(jìn)而使表層土壤中真菌和細(xì)菌種類增多，亞層及以下土壤中C含量減小，同時氧氣流通變差，導(dǎo)致真菌數(shù)量劇減，致使不同土層下MBC/MBN變化較大。本研究通過模擬N沉降實(shí)驗(yàn)揭示了4種不同森林凋落物C、N含量、MBC和MBN及土壤微生物數(shù)量的響應(yīng)情況，但對于N沉降增加或降低土壤微生物量是否與針葉林或闊葉林的林型有關(guān)，目前相關(guān)論證較少，仍需進(jìn)行深入研究。此外，為了更深入了解N沉降對凋落物和土壤微生物量的影響，今后應(yīng)以土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)和功能特征為研究重心。

4 結(jié)論

施N 1年后，N沉降下4種林分類型凋落葉和枝C含量和N含量總體均呈增加趨勢，C/N呈降低趨勢；土壤MBC/MBN變化范圍在5.31～11.26之間；土壤微生物數(shù)量隨N沉降的增加呈低N促進(jìn)、高N抑制的趨勢；相同N處理下土壤微生物量隨土層加深而降低，N沉降對垂直分布格局影響不顯著。N沉降對常綠闊葉林和高山櫟林的土壤MBC和MBN呈抑制作用，且隨著N沉降的增大，抑制作用越顯著；N沉降對云南松林和華山松林的土壤MBC和MBN表現(xiàn)為低N促進(jìn)，高N抑制。