模擬氮沉降對華西雨屏帶天然次生林凋落物量的影響

陳禮揚(yáng)，楊 濤

(涼山州木里重點(diǎn)國有林保護(hù)局，四川 木里 615800)

1 引言

蒸汽機(jī)的發(fā)明使人類進(jìn)入了工業(yè)革命時代，生產(chǎn)力的暴增產(chǎn)生了大量的活性氮(N)，大量活性N排入大氣中之后，經(jīng)過一系列的物理或者化學(xué)反應(yīng)之后，其中絕大部分活性N又返回地球各種循環(huán)系統(tǒng)。氮沉降可以對森林植物的生產(chǎn)力[1]、森林植物組成和植物多樣性[2～4]、土壤碳庫[5]等造成影響。隨著我國大氣中各種含氮物質(zhì)的濃度快速地增加,它們的來源及分布也迅速擴(kuò)散到了全球,并不斷地向其它生態(tài)系統(tǒng)聚集。有關(guān)研究表明，在1990年初，全世界陸地生態(tài)系統(tǒng)的活性氮沉降總數(shù)高達(dá)63.5 Tg/a，而18世紀(jì)60年代前，只有17.6 Tg/a，且氮沉降的數(shù)值仍在不斷的增長當(dāng)中。據(jù)有關(guān)資料顯示,2001年我國人類活動所產(chǎn)生的有機(jī)體活性氮總量約為160 tg,是工業(yè)革命前的15倍。進(jìn)入21世紀(jì)以來中國NH3和NOx排放量仍呈不同程度的增加趨勢。政府間氣候變化委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)預(yù)計21世紀(jì)初到2030年增加50%～100%，更有專家預(yù)計，到21世紀(jì)中葉，全球活性氮沉降將達(dá)到195 Tg N/a。

樊后保等[6]和官麗莉等[7]的研究結(jié)果反應(yīng)出，在中高低不同的N含量影響之下，處在我國福建地區(qū)的森林凋落物總量，以及每月的森林凋落葉凋落數(shù)量均反應(yīng)出月變化現(xiàn)象，并出現(xiàn)了季節(jié)雙峰現(xiàn)象，高峰分別出現(xiàn)在 4～5月和9～10月之間，這與國內(nèi)和國外同緯度地區(qū)森林凋落葉月凋落量的季節(jié)表現(xiàn)情況一致。且此二人的研究還反應(yīng)出，氮的持續(xù)輸入，會引起福建地區(qū)的森林凋落物總量的增長。還有一些國外學(xué)者還發(fā)現(xiàn)了個別區(qū)域和樹種存在三峰現(xiàn)象。由于生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)會存在氮飽和的情況，過多的氮輸入除了會引發(fā)生態(tài)問題，還會導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)退化。另外，持續(xù)的氮添加，可以有效抵消氮飽和引發(fā)的消極情況，促進(jìn)森林提高生產(chǎn)能力。

2 材料與方法

2.1 試驗地概況

本次試驗地選擇在四川省瓦屋山國家森林公園。該森林公園處于亞熱帶地區(qū)，植被為常綠闊葉林，生物多樣性豐富多樣，位于四川一帶被稱為“華西雨屏帶”的中心。實驗地設(shè)置在瓦屋山中山區(qū)，試驗地位置相對偏僻，人煙稀少，人為干擾較?。缓０?500 m左右，常年溫度20 ℃以下，年日照較小，≤800 h，年降雨量≤2400 mm，年降雨天數(shù)達(dá)200 d左右，年均相對空氣濕度達(dá)90%左右[8]。試驗地所在地區(qū)未遭到砍伐之前為闊葉樹種林扁刺栲與中華木荷頂極群落。1956年遭到砍伐破壞，只剩下小樹苗，后通過自然修復(fù)恢復(fù)成為現(xiàn)貌?，F(xiàn)如今已成為我國具有該兩種樹種的典型的常綠闊葉次生林。試驗區(qū)屬中亞熱帶地區(qū)，該地區(qū)降雨量豐富，氣候濕潤，實驗點(diǎn)內(nèi)的氣候為典型的山地氣候類型。它的基本特點(diǎn)是常年潮濕多雨,氣候溫暖,低輻射。由于受地形地貌及當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊?具有明顯的立體式氣候,從山頂?shù)缴侥_四季分布。該公園境內(nèi)擁有十分豐富的野生、植物等自然環(huán)境,在此期間開展的旅游以及各種科研活動都極佳[9]。

2.2 試驗設(shè)計

為了使實驗結(jié)果具有典型性和代表性，在查詢了相關(guān)氮沉降實驗資料，以及根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，設(shè)置了9塊試驗樣地，為長寬均為20 m的樣方，為避免各樣方之間的影響，各樣方之間的緩沖距離>20 m。各樣地均位于山中段，北向，并且選擇的坡度都較小，均≤5°。用藥品NH4NO3進(jìn)行模擬氮沉降處理，共設(shè)3個水平：對照(CK，0 g N/(m2·a))，低氮(LN，10 g N/(m2·a))，高氮(HN，25 g N/(m2·a))，其中CK、LN和HN處理均為3個重復(fù)。將年施氮量均分成12份，即：LN和HN處理每樣地每月施用NH4NO3的量分別為476.19 g和1428.57 g。每月20號左右對各樣地均勻施氮，詳細(xì)操作是，不同水平分組下，將藥品溶解于20 L水中，使用農(nóng)用噴霧器將溶解液均勻噴灌在各個實驗樣方中，CK對照組只噴灑與低氮組和高氮組等容量清水。于每個水平樣方內(nèi)隨機(jī)安置10個1 m×1 m的凋落物收集框，共安置90個收集框，孔徑為3 mm，深度約30 cm，距地面約0.3 m的尼龍網(wǎng)制成的方框[10]。

2.3 樣品采集、處理與測定

于每月20號左右收集扁刺栲-中華木荷林凋落物，不同水平分開收集，相同水平收集之后混合均勻帶回室內(nèi)，測定凋落物總干重以及凋落物的組成，主要分為兩類，凋落葉和枝條花果，其中凋落葉分為中華木荷凋落葉、扁刺栲凋落葉、硬殼柯凋落葉、其它樹種凋落葉，采用烘干稱重法測量，連續(xù)收集測量1年。

2.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS16.0軟件(SPSS lnc.USA)中的一般線性模型對各處理的養(yǎng)分元素含量數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)測量方差分析(ANOVA) 利用one-way ANOVA過程對各處理之間進(jìn)行調(diào)落物量與養(yǎng)分元素年輸入總量進(jìn)行方差分析.并在α=0.05水平顯著的情況下利用LSD法述行多重比較；利用Correlation過程對各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。用 Sigmaplot10.0軟件(Systat Software Inc.,USA)繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 在氮沉降下凋落物各個部分及凋落物凋落量總量的月變化規(guī)律

從2019年11月開始模擬氮沉降對凋落物量的影響連續(xù)1a的測定結(jié)果表明：在氮沉降下1、2、3月凋落物總量最低。4、5、6月凋落物總量最高，在7月至11月凋落物量持續(xù)增加，12月又開始降低(圖1)。

圖1 凋落物量總量月變化圖

凋落葉在春秋季節(jié)凋落量較高，冬夏季節(jié)凋落葉凋落量較低，但6月也較高(圖2)。

圖2 凋落葉月變化動態(tài)圖 (其中3月表示1、2、 3月3個月凋落總量)

凋落枝在冬春季節(jié)凋落量較低，在夏秋季節(jié)凋落量較高(如圖3)。

圖3(其中3月表示1、2、3月3個月凋落總量)

3.2 不同濃度氮沉降對凋落量的影響

不同的氮沉降濃度下，凋落物量差異不顯著。在對照(CK，0 g N/(m2·a))，低氮(LN，10 g N/(m2·a))，高氮(HN，25 g N/(m2·a))下，凋落物的凋落量差異在1% 左右。

4 討論

森林凋落物量是森林新陳代謝過程中的自然產(chǎn)物，是大自然的物質(zhì)以及能量循環(huán)中重要組成環(huán)節(jié)，是森林生態(tài)系統(tǒng)中正常功能運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵所在。凋落物量作為森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要物質(zhì)，它為分解者提

表1 不同氮水平處理下不同組分凋落物含量及占比(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

供了分解物質(zhì)，而分解者又由此不斷地為生態(tài)系統(tǒng)輸出有機(jī)質(zhì)，以保障生態(tài)系統(tǒng)得以持續(xù)循環(huán)。國內(nèi)外對森林凋落物的研究，20世紀(jì)前主要集中在凋落物量的研宄,涉及的領(lǐng)域主要集中在凋落物量及其動態(tài)變化方面，對凋落物中的組分因氮沉降的增加而導(dǎo)致的變化研究甚少[11]。本試驗中各處理年凋落量均落入熱帶、亞熱帶森林年均凋落量范圍內(nèi)(300～1444 g/m2)[12～14]，均高于寒溫帶和暖溫帶森林的平均凋落量(350～550 g/m2)[15]。研究還發(fā)現(xiàn)高氮沉降處理對凋落物量增加相對較為明顯。不同氮沉降對凋落葉和凋落枝的增加不明顯。凋落量是森林生產(chǎn)力的反映[13,16]，氮沉降可能促進(jìn)植物生產(chǎn)力從而增加凋落物年歸還量。