模擬氮磷沉降和凋落物處理對紅松林土壤全氮和有機氮的影響

王美娟，段文標，陳立新，曲美學，王亞飛，楊永超，潘 磊，石金永

(東北林業(yè)大學林學院，150040，哈爾濱)

有機氮能夠很好地反映土壤氮素供應能力，土壤中95%以上的氮素以有機氮形式存在[1]。氮元素中存在于自然水溶液中的有機氮組分稱為溶解性有機氮，而風干土中可被純水或鹽溶液浸提的部分被稱為水溶性有機氮，二者是土壤水解性有機氮的主體部分，約占70%，因而是所有有機氮組分中比較活躍的組分之一[2]。土壤有機氮決定土壤的供氮能力，因而土壤有機氮直接或間接影響土壤氮素的有效性，在土壤氮循環(huán)中起重要作用[3]。土壤有機氮受多重因素影響：生物因素如植被類型、土壤微生物和土壤酶活性等；非生物因素包括氣候環(huán)境、土壤母質、土壤養(yǎng)分、土壤理化性質和林分管理措施等[4]。水解性有機氮在酸、堿、酶等作用下易水解，是土壤氮素的重要組成部分[5]，與土壤全氮相比，能更準確地反映土壤近期氮素的供應狀況[6-7]。土壤酸解氨態(tài)氮是1種直接供作物吸收利用的有效氮[8]，氨基酸態(tài)氮是土壤固定氮的重要儲存庫，主要作為作物生產(chǎn)過程中的過渡性氮素儲存庫[9]。氨基酸態(tài)氮和酸解氨態(tài)氮是土壤中容易礦化的有機氮的來源和庫[10]。降雨量大能夠降低酸解氨態(tài)氮含量，增加酸解氨基糖態(tài)氮含量[11]。土壤有機氮不僅可以維持土壤氮素肥力，而且對土壤氮素供應能力具有重要意義[12]。

近年來，由于礦物、化肥等大量使用，大氣中的含氮化合物含量劇增，導致氮沉降現(xiàn)象的加劇[13]。一定量的氮添加對森林植物生態(tài)系統(tǒng)具有一定的促進作用，而過量氮輸入會導致生態(tài)系統(tǒng)達到“氮飽和”狀態(tài)[14-15]；因此，氮沉降增加會導致森林生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)發(fā)生改變，從而影響生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[16-17]。一定量的磷添加，可以增強一些植物的抗病性，但由于作物僅消耗少部分磷肥，所以70%～90%的磷積累于土壤中[18]。過量的磷肥輸入會被土壤中的鐵、鋁或鈣固定而失效，從而造成磷損失[19]。隨著氮沉降的持續(xù)增加，陸地生態(tài)系統(tǒng)中有效氮水平增加，會對生態(tài)系統(tǒng)各組分產(chǎn)生一系列的影響[20]。凋落物是植物養(yǎng)分歸還土壤的主要形式，森林植物所吸收的90%以上的氮和磷來自養(yǎng)分歸還[21-22]，凋落物產(chǎn)量和分解速率對森林土壤肥力的維持及其生態(tài)恢復有著重要意義[23-24]。在氮磷沉降現(xiàn)象和凋落物方面，國內外學者做了許多相關研究[25-33]；但是氮磷沉降和凋落物處理對紅松原始林和紅松人工林土壤有機氮的影響研究較少，且其對土壤水解性有機氮的影響仍不清楚。

筆者選擇小興安嶺地區(qū)涼水國家級自然保護區(qū)南坡的紅松人工林和闊葉紅松林2種林型，通過模擬氮磷沉降和凋落物處理試驗，分析2種處理下土壤全氮和水解性有機氮及其組分的變化，探究其對2種林型紅松林土壤全氮和水解性有機氮的影響，為預測氮磷沉降和凋落物變化對該地區(qū)未來紅松林生態(tài)系統(tǒng)土壤肥力的影響提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省伊春市帶嶺區(qū)涼水國家級自然保護區(qū)(E 128°53′20″，N 47°10′50″)。該地的山嶺屬于小興安嶺南端最大支脈達里帶嶺的南坡，本區(qū)最高峰位于區(qū)內北端的嶺來東山，海拔707.3 m。平均海拔409 m，相對海拔80～300 m。該地區(qū)屬于溫帶大陸性濕潤季風氣候，年平均氣溫-0.3 ℃，年平均最低氣溫-6.6 ℃，年平均最高氣溫7.5 ℃，年平均降水量676.0 mm，年平均無霜期100～120 d。地帶性土壤類型為暗棕壤。該區(qū)夏季多受副熱帶變性海洋氣團的影響，降水集中(其中6—8月占全年降水量的60%以上)，氣溫較高。

通過踏查，篩選出紅松人工林和闊葉紅松林2種代表性的林型作為試驗對象，在每種林型的典型地段，各選擇3塊(20 m×30 m)樣地，在每個樣地內隨機設置12個2 m×2 m的小樣方，每個小樣方之間間隔2 m。2種林型共設置72個樣方。

在紅松人工林內，主要樹種為紅松(Pinuskoraiensis)。由于紅松人工林是在原始闊葉紅松林采伐跡地上營造的，且其周圍均被原始闊葉紅松林所環(huán)繞，因此，紅松人工林內還伴生有少量闊葉樹種的幼樹，如黃檗(Phellodendronamurense)、白樺(Betulaplatyphylla)、色木槭(Acermono)、青楷槭(Acertegmentosum)、榆樹(Ulmuspumila)、花楷槭(Acerukurunduense)、楓樺(Betulacostata)、稠李(Padusracemosa)。在闊葉紅松林內，主要樹種為紅松，伴生樹種為楓樺、色木槭、稠李、毛赤楊(Alnussibirica)、臭冷杉(Abiesnephrolepis)、紫椴(Tiliaamurensis)、瘤枝衛(wèi)矛(Euonymusverrucosus)。試驗樣地概況詳見文獻[30]。

2 研究方法

2.1 試驗樣地設置及樣品處理

2.1.1 模擬氮磷沉降 根據(jù)當?shù)叵募径嗄杲涤暧涗浖皼鏊畤壹壸匀槐Ｗo區(qū)自然氮、磷沉降量的測定值，同時依據(jù)自然氮磷沉降背景值，并參考國際上同類研究的處理方法[34-35]，模擬氮磷沉降處理設置4個水平，施用量分別為：對照CK(氮0 g/m2、磷0 g/m2)，低施用量L(氮5 g/m2、磷5 g/m2)，中施用量M(氮15 g/m2、磷10 g/m2)，高施用量H(氮30 g/m2、磷20 g/m2)，氮磷均同時施加。在紅松人工林和闊葉紅松林2種林型的小樣方內，2018和2019年每年的5—10月，每月進行1次模擬氮磷沉降施肥試驗(以下簡稱為“氮磷沉降處理”)，每年分6次施入。按照處理水平的要求，將(NH4)2HPO4與(NH4)2SO4溶解在2 L溪水中(由于對照噴灑的溪水為同期同批次，所以該處理的4個水平溪水內氮磷量均相同)，用噴灑器均勻地噴灑在試驗單元內。在對照試驗單元內，噴施相同體積的同期同批次溪水。

2.1.2 凋落物處理 在每塊樣地內，隨機設置12個小樣方(2 m×2 m)，其中，第1～4樣方，設置為對照(保持原狀凋落物)；第5～8樣方，去除地表凋落物，有序清除樣方土壤表層上凋落物及可見腐殖質；第9～12樣方，將第5～8樣方去除的凋落物有序添加到第9～12樣方內，均勻平鋪到各樣方原有凋落物上，該處理共設置3個水平(對照CK、去除RL和添加凋落物AL)，每個水平各3個重復(樣方)。每月定期清除新鮮凋落物，并在去除凋落物小樣方上方0.5～0.8 m高處放置一個2 m×2 m尼龍網(wǎng)，以阻止凋落物掉入小樣方內。

2.1.3 樣品處理和測定 2018和2019年的5、8和10月在每個樣方內，隨機選取3個30 cm×30 cm的取樣點，每個取樣點采集0～20 cm土壤樣品。剔除土壤中植物根系和大于2 mm的石塊等，將土樣放置于陰涼通風處自然風干后，研磨過0.25 mm篩，裝入塑封袋中密封保存在實驗室備用。土壤全氮采用半微量凱氏法[36]測定。土壤水解性有機氮用酸水解—蒸餾法[37]測定。

2.2 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

使用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并計算土壤水解性有機氮含量。利用SPSS 23軟件對土壤全氮和土壤水解性有機氮各指標進行單因素方差分析、多因素方差分析和差異顯著性檢驗(LSD法，α=0.05)。采用Canoco 5.0對土壤全氮和土壤水解性有機氮進行冗余分析(RDA)。比較分析不同氮磷沉降處理和凋落物處理水平各個氮組分的質量分數(shù)及變化趨勢。

3 結果與分析

3.1 對土壤全氮及水解性有機氮的影響

方差分析表明，氮磷沉降和凋落物處理對紅松人工林和闊葉紅松林2年間的土壤全氮、酸水解總氮、氨基酸態(tài)氮、氨態(tài)氮影響均顯著(P<0.05)，對土壤氨基糖態(tài)氮和酸解未知氮影響均不顯著(P>0.05)，闊葉紅松林2018和2019年的土壤全氮、土壤水解性有機氮的含量均顯著高于紅松人工林。(圖1～4)

PKP為紅松人工林，BLPKF為闊葉紅松林，CK為氮磷沉降處理中的對照，L為低濃度氮磷，M為中濃度氮磷，H為高濃度氮磷，STN為土壤全氮。不同小寫字母表示同一處理下年份之間的差異顯著(P<0.05)。下同。PKP refers to Korean pine plantation, BLPKF refers to broad-leaved Korean pine plantation, CK is the control of nitrogen and phosphorus deposition treatment, L is low concentration of nitrogen and phosphorus, M is medium concentration of nitrogen and phosphorus, H is high concentration of nitrogen and phosphorus, and STN is soil total nitrogen. Different lowercase letters indicate significant difference between years under the same treatment (P<0.05).The same below.圖1 氮磷沉降處理下紅松人工林(PKP)和闊葉紅松林(BLPKF)2年土壤全氮的變化Fig.1 Changes of soil total nitrogen (STN) between two years in Pinus koraiensis plantation (PKP) and broadleaved Pinus koraiensis forest (BLPKP) under nitrogen and phosphorus deposition

O為原狀凋落物，RL為去除凋落物，AL為添加凋落物。下同。O refers to undisturbed litter, RL refers to removal of litter, and AL refers to addition of litter. The same below. 圖3 凋落物處理下紅松人工林和闊葉紅松林2年土壤全氮的變化Fig.3 Changes of soil total nitrogen between two years in PKP and BLPKP under litter treatment

圖4 凋落物處理下紅松人工林和闊葉紅松林2年土壤水解性有機氮的變化Fig.4 Changes of hydrolyzed organic nitrogen between two years in the soils of PKP and BLPKP under litter treatment

由圖1和圖2可知，在紅松人工林中，不同氮磷沉降處理(即：CK、L、M和H)下，2019年土壤全氮和水解性有機氮的質量分數(shù)均高于2018年，土壤全氮質量分數(shù)2019年較2018年分別增加27.4%、51.9%、58.5%、63.8%；土壤水解性有機氮分別增加37.4%、34.3%、37.4%、38.3%；在闊葉紅松林中，土壤全氮質量分數(shù)2019年較2018年分別增加63%、92.6%、38.3%、25.4%；土壤水解性有機氮質量分數(shù)分別增加39.5%、43.1%、31.6%、34.3%。

由圖3和圖4可知，在紅松人工林中，不同凋落物處理(對照、去除凋落物和添加凋落物)下，2019年土壤全氮和水解性有機氮的質量分數(shù)均高于2018年，土壤全氮質量分數(shù)2019年較2018年分別增加47.8%、62.3%、39.7%；土壤水解性有機氮質量分數(shù)分別增加41.8%、42.4%、24.4%；在闊葉紅松林中，土壤全氮質量分數(shù)2019年較2018年分別增加57.9%、58.1%、49.2%；土壤水解性有機氮質量分數(shù)分別增加了34.3%、47.1%、39.2%。

3.2 采樣月份、林型、氮磷沉降和凋落物處理對土壤全氮及水解性有機氮的影響

多因素方差分析表明，2018年采樣月份、林型、氮磷沉降和凋落物處理的交互作用對土壤全氮和土壤酸水解總氮影響均顯著(P<0.05)；采樣月份、氮磷沉降和凋落物處理的交互作用對土壤全氮、酸水解總氮、氨態(tài)氮均有顯著影響(P<0.05)；林型對土壤全氮、酸水解總氮、氨態(tài)氮影響均顯著；采樣月份和林型的交互作用對土壤氨基酸態(tài)氮影響顯著(P<0.05)(圖5)；凋落物處理對土壤全氮、酸水解總氮、氨基酸態(tài)氮影響均顯著(P<0.05)；采樣月份對土壤全氮、酸水解總氮、氨基酸態(tài)氮影響均顯著(P<0.05)；氮磷沉降處理對土壤全氮和酸水解總氮影響顯著(P<0.05)。

2019年采樣月份、林型、氮磷沉降和凋落物處理的交互作用對土壤氨基糖態(tài)氮影響顯著(P<0.05)；采樣月份和凋落物處理的交互作用對土壤氨基酸態(tài)氮影響顯著(P<0.05)，采樣月份對土壤全氮、氨基糖態(tài)氮、酸解未知氮影響均顯著(P<0.05)；林型對土壤全氮影響顯著(P<0.05)。

3.3 采樣月份、林型、氮磷沉降和凋落物處理下土壤全氮和水解性有機氮的冗余分析

由圖5可知：土壤全氮與酸水解總氮、氨基酸態(tài)氮、氨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮、酸解未知氮呈顯著正相關關系，相關性排序為：氨基酸態(tài)氮>氨態(tài)氮>酸水解總氮>酸解未知氮>氨基糖態(tài)氮，土壤水解性有機氮各組分含量高低依次為：酸水解總氮>氨基酸態(tài)氮>氨態(tài)氮>氨基糖態(tài)氮>酸解未知氮，而10月對土壤全氮及水解性有機氮各組分的影響最大，5月份最小。

A為紅松人工林，W為闊葉紅松林。A refers to Pinus koraiensis plantation, W to broad-leaved Pinus koraiensis forest. 圖5 不同處理下土壤測定指標RDA排序Fig.5 RDA ranking of soil determination indexes under different treatments

4 討論

筆者發(fā)現(xiàn)，2018年和2019年，在2種林型紅松林中，土壤水解性有機氮各組分質量分數(shù)大小依次為：氨基酸態(tài)氮>氨態(tài)氮>酸解未知氮>氨基糖態(tài)氮。采樣月份、林型、氮磷沉降和凋落物處理的交互作用對土壤全氮和土壤酸水解總氮有顯著影響。

凋落物輸入和養(yǎng)分歸還對土壤養(yǎng)分含量的影響一直受到森林生態(tài)學家的關注[38-39]。而凋落物分解和氮磷沉降能促進土壤呼吸，增加土壤肥力[40]。凋落物去除能顯著降低3種天然林土層的土壤氮素含量，顯著增加土壤氮素的淋溶損失量[41]。筆者發(fā)現(xiàn)，凋落物去除時，土壤全氮及水解性有機氮質量分數(shù)降低。在施氮初期可以促進凋落物的分解，但隨試驗進行，微生物更傾向于利用有機氮，所以凋落物分解速率減慢，土壤對氮沉降的響應也降低[42]，原因可能是由于隨著試驗的進行，微生物活性增加，氮素礦化加劇，所以氮含量沒有顯著變化；有研究表明，氮沉降對不同林型不同土層土壤全氮含量無顯著影響[43]。而本文中林型和采樣月份對土壤全氮質量分數(shù)影響顯著，2019年土壤全氮質量分數(shù)高于2018年，闊葉紅松林高于紅松人工林。也有研究表明，土壤全氮及水解性有機氮對氮沉降的響應一般與森林氮素狀況有關。一般來說，土壤氮礦化速率在前期會隨施氮量的增加而增加，但隨時間的延長，當森林達到氮飽和時則開始下降[44]。肖銀龍等[45]發(fā)現(xiàn)華西雨屏區(qū)苦竹林，在施氮1年后土壤的全氮含量顯著增加。土壤全氮含量增加可能與植物生長期枯落物歸還及其分解后增加土壤氮素含量有關。由于紅松人工林種植時間短，林分結構單一，土壤全氮來源受到限制，闊葉紅松林物種多樣、土壤中根系較多、土壤微生物種類豐富等因素的共同作用下對氮磷濕沉降處理應對機制迅速反應[46]，因此，闊葉紅松林土壤全氮及水解性有機氮含量高于紅松人工林。

5 結論

氮磷沉降和凋落物的添加能在短時間內增加土壤全氮及水解性有機氮的含量。在試驗初期，采樣月份、林型、氮磷沉降和凋落物處理的交互作用對土壤全氮和酸水解總氮影響均顯著；但隨著試驗的進行，以上4個因素的交互作用僅對土壤氨基糖態(tài)氮影響顯著；闊葉紅松林的土壤全氮及水解性有機氮的含量均高于紅松人工林；氮磷沉降和凋落物添加能顯著增加紅松林土壤水解性有機氮含量。不同氮磷沉降處理和凋落物處理下，2年間的土壤全氮、酸水解總氮、氨基酸態(tài)氮、氨態(tài)氮影響顯著(P<0.05)，土壤氨基糖態(tài)氮、酸解未知氮影響不顯著(P>0.05)。研究結果能為預測氮磷沉降和凋落物變化對該地區(qū)未來紅松林生態(tài)系統(tǒng)土壤肥力的影響提供科學依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。