氮添加與凋落物管理對華北落葉松人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響*

王志波，季蒙，李銀祥，張海東，李永樂，宮韶飛，劉佳，白高娃

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.興和縣蘇木山林場，內(nèi)蒙古 興和 013650；3.寧城縣林業(yè)工作站，內(nèi)蒙古 寧城 024200)

隨著化石燃料和化肥使用量迅速增加，人類活動向大氣中排放了大量含氮化合物[1]，全球范圍內(nèi)大氣氮沉降量急劇增長。氮沉降的增加對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響，適量的氮沉降能夠在一定程度上緩解土壤氮素含量不足的狀況，促進(jìn)植物的生長[2]；長期過量的氮沉降則會導(dǎo)致土壤酸化、抑制凋落物分解[3]，改變微生物群落結(jié)構(gòu)[4]，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。氮添加通過影響植物生長狀況、土壤微生物活性、凋落物分解速率、土壤酸堿度等，使土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化[5]。凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是植物和土壤微生物主要養(yǎng)分來源，凋落物分解是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的主要途徑，對維持土壤肥力平衡具有重要作用[6]。目前，添加和去除處理是凋落物管理的主要措施，已開展了大量研究[7-8]，通過改變凋落物的輸入量和質(zhì)量來影響土壤生物化學(xué)過程。研究發(fā)現(xiàn)，凋落物管理對土壤有機碳、氮、磷、鉀含量等均有一定影響[9-11]，然而，在不改變凋落物現(xiàn)存量的情況下開展相關(guān)研究，探討凋落物管理對土壤理化性質(zhì)的影響，還少有報道。

華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)為松科(Pinales)落葉松屬(Larix)的落葉針葉喬木，在內(nèi)蒙古主要分布在陰山和燕山山地。相關(guān)研究表明，氮添加對華北落葉松針葉性狀[12]、土壤呼吸速率[13]，凋落物管理對土壤呼吸速率[14]等具有顯著影響，而二者對華北落葉松人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響情況研究較少。本研究以陰山山地蘇木山林場華北落葉松人工林為研究對象，在不改變林地凋落物現(xiàn)存量的情況下，以氮沉降增加為背景，對凋落物進(jìn)行管理，研究土壤化學(xué)性質(zhì)對環(huán)境變化、人為措施及兩因素交互作用的響應(yīng)，以期為加速凋落物分解和養(yǎng)分循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)，為地力維持和林分科學(xué)經(jīng)營提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于內(nèi)蒙古興和縣蘇木山林場，地處陰山山地東南段，屬中溫帶大陸性季風(fēng)半干旱氣候區(qū)，年均氣溫4.2 ℃，年均降水量397 mm，年均蒸發(fā)量2 060 mm，年均風(fēng)速3.8 m/s，年均無霜期110 d。林場現(xiàn)有林地面積2.20×104hm2，主要喬木樹種有華北落葉松、白樺(Betulaplatyphylla)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、油松(Pinustabuliformis)等。華北落葉松人工林0.68×104hm2，林下草本植物主要有苔草(Carextristachya)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)、委陵菜(Potentillachinensis)、羊草(Leymuschinensis)、胡枝子(Lespedezafioribunda)等。通過本底調(diào)查，試驗地地理坐標(biāo)為113°47′25″E、40°33′42″N，海拔2 100 m，坡度15°，林齡47 a，平均密度567株/hm2，平均樹高19.37 m，平均胸徑24.19 cm，林下凋落物平均厚4.5 cm。土壤為灰褐土。

1.2 試驗設(shè)計

采用兩因素隨機區(qū)組試驗設(shè)計，包括3種氮添加量和3種凋落物管理方式，交互后共9種處理。根據(jù)Liu等[15]研究結(jié)果，中國北方氮沉降量大約為25 kg/(hm2·a)，參照通用的施氮量成倍增加慣例，本試驗按實際氮沉降量的2倍和4倍進(jìn)行添加，分別為不施氮[0 kg/(hm2·a)]、低氮[50 kg/(hm2·a)]和高氮[100 kg/(hm2·a)]。分3次施入，以 NH4NO3為氮源，溶解在10 L自來水中，使用噴壺噴施，為避免濃度交叉，兩小區(qū)設(shè)置10 m隔離帶。凋落物管理方式為保持原狀(不處理)、堆積(將腐殖質(zhì)層、半分解層和未分解層均勻混合后按2 m×2 m的距離堆積成直徑50 cm、高40 cm的圓團(tuán)狀)和攪拌(通過翻動、攪拌，將腐殖質(zhì)層和凋落物層均勻混合后平鋪)。施氮后立即對林下現(xiàn)有凋落物進(jìn)行管理，初次噴氮后直接管理，第2次和第3次堆積管理時，根據(jù)施氮梯度將溶液等量均勻噴施在已堆積好的凋落物上，充分混勻后繼續(xù)在原位置堆積。氮添加與凋落物管理時間為2018年7月、9月和2019年5月，周期為1 a，為了更好的闡述土壤化學(xué)性質(zhì)對不同處理的短期響應(yīng)，第3次處理在次年的5月進(jìn)行，7月取樣土。每種處理3個重復(fù)，共布設(shè)10 m×10 m試驗樣方27塊。

1.3 土壤取樣及化學(xué)性質(zhì)測定

取樣時去除凋落物和腐殖質(zhì)層，每個樣方隨機選取5個采樣點，用土鉆取0～10 cm層土壤，將同一樣方的5個土樣均勻混合成一個樣品，帶回實驗室，用鑷子挑除粗根、石塊和其它雜物，并過2 mm篩，自然風(fēng)干后測定化學(xué)性質(zhì)。pH采用pH 計法(土水比為1︰2.5)測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮采用半微量凱氏法測定，全磷、有效磷采用鉬銻抗比色法測定，全鉀、速效鉀采用火焰光度法測定，硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法測定，銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用 Excel 2007對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，計算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和繪圖。用SAS(V9.0)軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，分析前對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗和方差齊性檢驗，如不符合，則進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換。采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)比較不同措施各測試指標(biāo)的差異性，采用Duncan法進(jìn)行多重比較，采用兩因素方差分析(two-way ANOVA)比較氮添加與凋落物管理的交互作用對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤pH和有機質(zhì)含量

方差分析結(jié)果(表1)顯示，在試驗期間，單獨氮添加、凋落物管理及交互作用對土壤pH的影響極顯著(P<0.01)，不施氮保持原狀最大，為6.66；高氮堆積最小，為6.04(圖1)，屬于酸性土壤。保持原狀和堆積條件下，隨著氮添加量的增加，土壤pH顯著下降；攪拌條件下，與不施氮相比，低氮處理顯著提高土壤pH。不同施氮水平進(jìn)行凋落物管理，顯著降低土壤pH，不施氮條件下攪拌最小；低氮和高氮條件下均堆積最小。

圖1 不同處理土壤pH和有機質(zhì)含量注：大寫字母表示相同凋落物管理不同氮添加量間差異性，小寫字母表示相同氮添加量不同凋落物管理間差異性，不同字母表示有顯著差異(P<0.05)。下同。Fig.1 Soil pH and organic matter content in different treatments

表1 不同處理土壤pH和有機質(zhì)含量方差分析

單獨氮添加、凋落物管理及交互作用對土壤有機質(zhì)含量的影響同樣極顯著(P<0.01)，不施氮攪拌有機質(zhì)含量最高，為125.81 g/kg，低氮保持原狀最低，為95.69 g/kg。保持原狀和攪拌條件下，氮添加顯著降低土壤有機質(zhì)含量；保持原狀時低氮處理最低，與不施氮相比下降9.05%；攪拌時高氮處理最低，與不施氮相比下降22.87%。堆積條件下，與不施氮相比，低氮處理土壤有機質(zhì)含量提高8.23%。不施氮條件下，與保持原狀相比，攪拌土壤有機質(zhì)含量提高19.57%；低氮條件下，與保持原狀相比，凋落物管理顯著提高土壤有機質(zhì)含量，堆積最高，提高12.16%。

2.2 不同處理土壤氮含量

通過表2可以看出，單獨氮添加對硝態(tài)氮含量的影響極顯著，單獨凋落物管理對全氮含量的影響顯著(P<0.05)，對硝態(tài)氮含量的影響極顯著，交互作用對土壤全氮和硝態(tài)氮含量的影響極顯著。根據(jù)圖2結(jié)果，土壤全氮含量不施氮攪拌最高，為3.97 g/kg，高氮攪拌最低，為2.82 g/kg；銨態(tài)氮含量低氮堆積最高，為8.93 mg/kg，不施氮保持原狀最低，為7.05 mg/kg；硝態(tài)氮含量高氮攪拌最高，為62.743 mg/kg，不施氮保持原狀最低，為6.34 mg/kg。

圖2 不同處理土壤氮含量Fig.2 Soil nitrogen content in different treatments

表2 不同處理土壤氮含量方差分析

與不施氮相比，保持原狀條件下，隨著氮添加量的增加土壤硝態(tài)氮含量顯著升高，低氮處理提高96.32%，高氮處理提高603.73%；堆積條件下，高氮處理土壤硝態(tài)氮含量提高110.50%；攪拌條件下，隨著氮添加量的增加，土壤全氮含量顯著下降，低氮處理降低14.47%，高氮處理降低28.94%，高氮處理土壤硝態(tài)氮含量提高100.74%。與保持原狀相比，不施氮條件下，攪拌土壤全氮含量提高18.91%，堆積和攪拌硝態(tài)氮含量提高251.92%和392.70%；低氮條件下，堆積土壤硝態(tài)氮含量提高75.48%；高氮條件下，攪拌土壤硝態(tài)氮含量提高40.54%。

2.3 不同處理土壤磷含量

單獨氮添加、凋落物管理及交互作用對土壤全磷含量的影響不顯著(P>0.05)，凋落物管理和交互作用對有效磷含量的影響極顯著(表3)。

表3 不同處理土壤磷含量方差分析

土壤全磷含量不施氮堆積最高，為1.22 g/kg，高氮保持原狀最低，為0.68 g/kg；有效磷含量高氮攪拌最高，為18.64 mg/kg，不施氮保持原狀最低，為10.08 mg/kg(圖3)。與不施氮相比，保持原狀條件下，高氮處理有效磷含量提高69.78%；攪拌條件下，低氮處理有效磷含量降低33.61%。與保持原狀相比，不施氮條件下，堆積和攪拌有效磷含量提高22.39%和78.37%；高氮條件下，攪拌全磷含量提高66.24%。

圖3 不同處理土壤磷含量Fig.3 Soil phosphorus content in different treatments

2.4 不同處理土壤鉀含量

由表4可知，單獨氮添加和凋落物管理對土壤速效鉀含量的影響極顯著，交互作用對土壤全鉀和速效鉀含量的影響極顯著。

表4 不同處理土壤鉀含量方差分析

根據(jù)圖4結(jié)果，土壤全鉀含量高氮攪拌最高，為19.54 g/kg，高氮保持原狀最低，為17.40 g/kg；速效鉀含量高氮攪拌和低氮攪拌最高，均為366.32 mg/kg，不施氮堆積最低，為176.19 mg/kg。與不施氮相比，保持原狀條件下，低氮處理土壤速效鉀含量提高38.38%；堆積條件下，隨著氮添加量的增加，土壤速效鉀含量顯著升高，低氮處理提高65.77%，高氮處理提高86.33%；攪拌條件下，高氮處理全鉀含量提高9.40%。與保持原狀相比，不施氮條件下，堆積速效鉀含量降低32.10%，攪拌速效鉀含量提高38.38%；低氮條件下，堆積速效鉀含量降低18.66%；高氮條件下，堆積和攪拌全鉀含量提高5.48%和12.34%，速效鉀含量提高24.77%和39.23%。

圖4 不同處理土壤鉀含量Fig.4 Soil potassium content in different treatments

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

土壤酸堿度(pH)是土壤重要的理化性質(zhì)，與氮的生物化學(xué)反應(yīng)關(guān)系密切，并受銨態(tài)氮和硝態(tài)氮輸入與輸出平衡狀態(tài)的影響[16-17]。單獨氮添加顯著降低土壤pH，與馮慧芳等[18]、趙欣然等[19]研究結(jié)果一致，這是由于氮添加增加了土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，輸入的銨態(tài)氮在硝化過程中1 mol NH4+被轉(zhuǎn)化成NO3-時會產(chǎn)生2 mol H+，導(dǎo)致土壤酸化[20]；此外，NO3-易隨雨水淋溶，具有強烈的酸化作用，NO3-的流失可帶走Ca2+、Mg2+等鹽基陽離子[21]，而H+保留在土壤中[22]，導(dǎo)致土壤pH下降。單獨凋落物管理同樣顯著降低土壤pH，這可能是由于華北落葉松凋落物中含有大量樹脂、單寧等酸性物質(zhì)，凋落物管理后加速了凋落物的分解，分解后的產(chǎn)物呈酸性，致使土壤酸化。氮添加與凋落物管理的交互作用并不是二者作用效果的簡單疊加，尤其是攪拌條件下進(jìn)行氮添加，低氮處理并未導(dǎo)致土壤pH下降，而是顯著提高，可有效緩解土壤酸化，而堆積和氮添加組合后，進(jìn)一步加速了土壤酸化，致使高氮堆積處理土壤pH最低。這種變化規(guī)律產(chǎn)生的原因本研究還不能完全解釋，需要更進(jìn)一步的深入研究。

土壤氮素在研究區(qū)相對匱乏，短期外源氮的輸入，可緩解土壤氮素限制，刺激土壤微生物和酶活性，加快土壤有機質(zhì)的分解速率，是導(dǎo)致氮添加后土壤有機質(zhì)含量減少的主要原因[5,23]。但是，當(dāng)施氮量超出一定范圍，土壤氮素飽和后，氮添加對土壤微生物和酶的促進(jìn)作用會減弱，甚至產(chǎn)生抑制作用，因此，本研究低氮處理更有助于土壤有機質(zhì)的分解。凋落物管理通過改變凋落物的數(shù)量、質(zhì)量、向土壤中的淋溶輸入以及分解者的種類和數(shù)量，從而影響土壤肥力[24]。攪拌處理將腐殖質(zhì)、半分解凋落物、表層新鮮未分解凋落物均勻混合后，與土壤直接接觸，改善凋落物質(zhì)量，加速凋落物分解，在雨水的淋溶作用下大量有機物質(zhì)輸入到土壤中，提高土壤有機質(zhì)含量。堆積處理由于雨水淋溶作用較弱，凋落物分解產(chǎn)生的有機物質(zhì)不能快速地輸入到土壤中，短期內(nèi)對土壤有機質(zhì)含量的影響不顯著。攪拌處理下進(jìn)行氮添加，隨著添加量的增加，土壤有機質(zhì)含量下降，說明氮添加起主導(dǎo)作用；攪拌處理和氮添加的交互作用下，既能提高土壤有機質(zhì)的輸入量，又能加快其分解速率，對提高土壤養(yǎng)分含量具有重要作用。

單獨氮添加雖然向土壤輸入了外源氮，但對全氮含量的影響不顯著，這可能是施氮后滿足了植物和土壤生物所需的養(yǎng)分，促進(jìn)植物生長，提高氮的吸收能力[4,18]；還有可能是添加的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮易淋溶流失，最終使得土壤氮的輸入與消耗保持平衡。研究發(fā)現(xiàn)，氮添加和凋落物管理后，土壤硝態(tài)氮含量顯著提高，成為華北落葉松人工林土壤有效氮主要存在形式，添加的銨態(tài)氮一部分被植物吸收，另一部分在硝化作用下轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，其含量未發(fā)生顯著變化。氮添加顯著提高土壤硝態(tài)氮含量與許多研究結(jié)果相似[25-26]，一方面氮添加直接增加了土壤中的硝態(tài)氮含量；另一方面提高土壤硝化作用，導(dǎo)致更多的氮素以硝態(tài)氮的形式存在[27-28]。攪拌處理可加速凋落物分解，提升土壤氮歸還能力，提高全氮含量。凋落物管理對土壤硝態(tài)氮含量的促進(jìn)作用要高于銨態(tài)氮，一是銨態(tài)氮會在土壤硝化作用下轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮；另外凋落物管理可能會提高土壤礦化作用中硝化作用的比例，導(dǎo)致更多的硝態(tài)氮在土壤中積累[29]。交互作用后，高氮攪拌全氮含量最低，硝態(tài)氮含量最高，銨態(tài)氮含量也僅次于低氮堆積，說明此處理可明顯提高土壤有機氮的礦質(zhì)化速率，將土壤中含氮有機物轉(zhuǎn)化為無機態(tài)氮，增加土壤有效氮含量，被植物和微生物吸收利用。下一步將對土壤中氮素流失狀況進(jìn)行研究，揭示在攪拌條件下氮添加使土壤全氮含量顯著下降是否由于氮素的損失所致。

單獨氮添加與凋落物管理對土壤全磷含量的影響不顯著，隨著施氮量的增加，全磷含量呈下降趨勢，有效磷含量顯著增加，這是因為氮添加可以提高土壤磷酸酶活性[30]，促進(jìn)含磷有機物的分解，使有機磷向無機磷轉(zhuǎn)化，提高有效性磷含量[17]。凋落物管理對土壤全磷的影響不顯著與王丹等[31]研究結(jié)果一致，劉倩等[32]研究發(fā)現(xiàn)凋落物與土壤有效磷關(guān)系極顯著，因此，單獨凋落物管理通過改善凋落物質(zhì)量和養(yǎng)分輸入而顯著提高土壤有效磷含量。高氮條件下對凋落物進(jìn)行攪拌管理，顯著提高土壤全磷含量，能夠緩解氮添加引起的土壤全磷含量下降，進(jìn)一步說明高氮攪拌處理可以有效的提高凋落物分解速率，向土壤補充養(yǎng)分。

土壤中鉀的含量與母質(zhì)密切相關(guān)，且受淋溶作用影響易流失，不易在土壤中積累，使得森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤鉀的輸入更加依賴于凋落物分解歸還[33]。唐劍東[34]認(rèn)為，土壤速效鉀主要以交換性鉀為主，受陽離子交換量的影響，低氮處理可能抑制了K+與其它陽離子的交換，土壤膠體固定了大量K+，從而增加土壤速效鉀含量，這與本研究結(jié)果相似。堆積處理可能會導(dǎo)致土壤中的鉀素被固定，使速效性鉀轉(zhuǎn)化為植物難以利用的鉀，降低速效鉀含量；攪拌處理恰好相反，能夠加速凋落物分解和促進(jìn)土壤中鉀的釋放，提高速效鉀含量。本研究高氮攪拌處理土壤全鉀和速效鉀含量均最高，高氮條件下進(jìn)行凋落物管理和攪拌條件下進(jìn)行氮添加可加速凋落物分解，促進(jìn)凋落物中的鉀元素快速回歸到土壤中，土壤全鉀含量顯著提高。

本試驗研究了氮添加、凋落物管理及二者交互作用對華北落葉松人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，氮添加能夠刺激土壤微生物和酶活性，促進(jìn)土壤中有機物的礦化，提高土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有效磷含量，最終被植物吸收利用；攪拌處理可以加速凋落物分解，提高土壤有機質(zhì)和全氮含量，為土壤補充養(yǎng)分；綜合分析，高氮攪拌處理對促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)和維持地力平衡的作用效果最佳。對于影響土壤化學(xué)性質(zhì)的因子并非單獨出現(xiàn)，而是多因子共同作用的結(jié)果，因此，對多因子的交互作用效應(yīng)進(jìn)行研究尤為重要。本研究氮添加與凋落物管理的交互作用并不是二者作用效果的簡單疊加，由于試驗時間相對較短，且僅對土壤的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測試，存在一定的局限性，關(guān)于交互作用的內(nèi)在機制還不清楚。未來應(yīng)重點對處理后的土壤微生物、土壤水分、土壤呼吸、植物生長狀況、根系分泌物、光合作用產(chǎn)物、凋落物分解速率等變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，以便更準(zhǔn)確地揭示氮添加、凋落物管理及交互作用對土壤化學(xué)性質(zhì)影響的內(nèi)在機制。

3.2 結(jié)論

以陰山東南段華北落葉松人工林為研究對象，經(jīng)過1 a試驗，分析了表層(0～10 cm)土壤化學(xué)性質(zhì)對氮添加、凋落物管理和二者交互作用的響應(yīng)。(1)單獨氮添加顯著提高土壤硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量，降低pH和有機質(zhì)含量；高氮處理土壤硝態(tài)氮、有效磷含量最大，分別為44.64 mg/kg和17.11 mg/kg，pH最小，為6.24；低氮處理土壤速效鉀含量最高，有機質(zhì)含量最低，分別為359.08 mg/kg和95.69 g/kg。(2)單獨凋落物管理顯著提高土壤有機質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量，均攪拌最大，分別為125.81 g/kg、3.97 g/kg、31.25 mg/kg、17.98 mg/kg、359.08 mg/kg；凋落物管理顯著降低土壤pH，攪拌最小，為6.18。(3)交互作用對土壤pH和有機質(zhì)、全氮、全鉀、硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀含量的影響顯著，對全磷、銨態(tài)氮含量的影響不顯著。高氮堆積pH最小，為6.04；不施氮攪拌有機質(zhì)、全氮含量最高，為125.81 g/kg和3.97 g/kg；高氮攪拌全鉀、硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量最高，分別為19.54 g/kg、62.74 mg/kg、18.64 mg/kg、366.32 mg/kg。