氮添加對(duì)遼東山區(qū)落葉松人工林土壤碳氮的影響

魏文俊，顏廷武，王葉紅，王祥福，張慧東*

(1.遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110032；2.撫順市林業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 撫順 113006；3.國家林業(yè)和草原局西北林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710048)

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省西豐縣境內(nèi)的冰砬山森林生態(tài)站(124°45′～125°15′E，42°20′～42°40′N)。屬吉林哈達(dá)嶺的西南延續(xù)地帶，低山丘陵地貌，平均海拔為500～600 m。屬溫帶季風(fēng)氣候，7月氣溫最高，平均氣溫為23.2℃，極端高溫35.2℃；1月氣溫最低，平均氣溫-17.2℃，極端低溫-41.1℃；具有典型的山區(qū)氣候特征，年均氣溫5.2℃，年均降水量684.8 mm，年均蒸發(fā)量1 379.8 mm，無霜期133 d。以暗棕色森林土為主，其次為棕色森林土，土壤多為粉沙壤土和壤土質(zhì)地，土層深厚，有機(jī)質(zhì)含量高，pH值為6～7?，F(xiàn)存森林植被為以蒙古櫟Quercusmongolica等為主的天然次生林和以長白落葉松Larixolgensis等樹種為主的人工林。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)置

2.2 土壤呼吸速率測(cè)定

在每個(gè)氮素添加處理的樣方內(nèi)，隨機(jī)設(shè)置3個(gè)土壤呼吸速率的觀測(cè)點(diǎn)。每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)安置1個(gè)PVC土壤呼吸測(cè)定環(huán)(直徑21.34 cm、高11.43 cm，插入土壤深度為10 cm)。利用Licor-8100便攜式二氧化碳紅外氣體分析儀測(cè)定土壤呼吸速率。每次測(cè)定前，用剪刀緊貼地表剪除土壤呼吸測(cè)定環(huán)內(nèi)的草本。土壤呼吸速率測(cè)定在2015-2018年的5-10月進(jìn)行，每月上、下旬選擇晴好天氣各進(jìn)行1次測(cè)量。Licor-8100便攜式二氧化碳紅外氣體分析儀自動(dòng)記錄土壤呼吸速率，每個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)3次，每次測(cè)量時(shí)間為5 min。土壤呼吸速率測(cè)定在上午9：00-11：00進(jìn)行，多數(shù)研究結(jié)果證明這一時(shí)段的土壤呼吸速率更接近于當(dāng)日日平均值[10]。

2.3 氣象因子測(cè)定

在測(cè)量土壤呼吸速率的同時(shí)，利用Licor-8100附帶的溫濕度傳感器在樣點(diǎn)附近測(cè)量10 cm深土壤溫度和土壤體積含水量；同時(shí)利用生態(tài)站森林小氣候梯度觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)研究區(qū)的大氣溫度、相對(duì)濕度和5 cm、10 cm、15 cm的土壤溫度等進(jìn)行補(bǔ)充。

2.4 土壤樣品采集及其土壤碳、氮指標(biāo)測(cè)定

2015-2017年的生長季每月中旬，在每個(gè)氮添加處理樣方中，沿對(duì)角線用土鉆(直徑為2.5 cm)隨機(jī)采集10個(gè)土壤樣品，然后均勻混合成1個(gè)樣品，采集深度為10 cm。將采集的土壤樣品分為兩等份，立即用2 mm土壤篩篩去礫石和植物根系，帶回實(shí)驗(yàn)室盡快處理樣品。樣品4 ℃冷藏，用于測(cè)定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮以及微生物量碳、氮含量。土壤銨態(tài)氮采用2 mol·L-1KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，土壤硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法測(cè)定。土壤微生物生物量碳、氮含量(簡稱土壤微生物量碳、氮含量)的測(cè)定采用氯仿熏蒸提取-Multi C/N 3100儀器分析法[11]。

2.5 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS17.0進(jìn)行雙因素方差分析，分析氮素形態(tài)和施氮水平對(duì)土壤性質(zhì)(土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、微生物量碳和氮含量)的影響差異。采用指數(shù)模型擬合土壤呼吸速率與10 cm深度土壤溫度之間的關(guān)系(公式1)。

Rs=aebT10

(1)

式中：Rs是土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1)；T10是10 cm深度土壤溫度(℃)；a和b分別是方程系數(shù)。

運(yùn)用擬合得到的指數(shù)模型中的參數(shù)以及森林小氣候梯度觀測(cè)系統(tǒng)獲得的10 cm深度土壤溫度連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)來估算不同氮添加處理下土壤碳排放量(公式2)。

FiCO2=∑Rs10×600

(2)

式中：FiCO2為各氮處理下碳排放量(g C·m-2)；i為不同氮添加處理；Rs10是每10 min的土壤呼吸速率；600表示10 min內(nèi)包含600 s。

3 結(jié)果與分析

3.1 落葉松人工林土壤呼吸速率及碳排放量對(duì)氮添加的響應(yīng)

注：和分別為低、中和高添加水平；和分別為低、中和高添加水平；CK為對(duì)照。下圖同。

3.2 氮添加對(duì)落葉松人工林土壤可利用氮素影響

表1 氮添加對(duì)土壤可利用氮素影響雙因素方差分析

圖2 氮素添加落葉松人工林的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量

3.3 氮添加對(duì)落葉松人工林土壤微生物生物量碳氮的影響

圖3 氮素添加下落葉松人工林的土壤微生物生物量碳和微生物氮含量

通過氮素形態(tài)和氮添加水平對(duì)土壤微生物特性影響的雙因素方差分析得到，氮素形態(tài)對(duì)土壤微生物生物量碳有顯著的影響，但氮添加水平對(duì)土壤微生物生物量碳的影響并不顯著；氮素形態(tài)對(duì)土壤微生物生物量氮有極顯著的影響，氮添加水平同樣對(duì)土壤微生物生物量氮沒有顯著影響(表2)。

表2 氮添加對(duì)土壤微生物特性影響的雙因素方差分析

4 結(jié)論與討論