凋落物和銨態(tài)氮添加對(duì)亞熱帶羅浮栲和杉木林土壤碳氮淋溶的影響

王夢(mèng)思，馬紅亮，官曉輝，高 人，尹云鋒

(1.濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福建 福州 350007；2.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007；3.福建省建甌萬(wàn)木林自然保護(hù)區(qū)管理站，福建 建甌 353100；4.江蘇省木瀆高級(jí)中學(xué)，江蘇 蘇州 215000)

森林生態(tài)系統(tǒng)中植物凋落物是土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）的主要來(lái)源[1-2]，因此，凋落物的分解影響土壤氮素動(dòng)態(tài)變化[3]。凋落物分解釋放的溶解性有機(jī)碳（DOC），可以快速地增加土壤DOC，提高土壤養(yǎng)分可用性[4]；也可通過(guò)激發(fā)效應(yīng)，加快土壤有機(jī)質(zhì)分解[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)土壤溶解性有機(jī)氮（DON）一般認(rèn)為主要來(lái)自凋落物和土壤腐殖質(zhì)[5]。Huang等[6]發(fā)現(xiàn)，約80%的DON產(chǎn)生于新近凋落物層。也有研究發(fā)現(xiàn)，DON大部分產(chǎn)生自土壤原位（根系或微生物周轉(zhuǎn)）而不是凋落物層[7]。由于DON很容易礦化產(chǎn)生無(wú)機(jī)氮，因此，DON能反映土壤有機(jī)氮礦化的難易程度[8]。在凋落物分解過(guò)程中，降雨淋溶可加速凋落物層內(nèi)有機(jī)質(zhì)降解和碳釋放[9]、凋落物與土壤之間物質(zhì)流動(dòng)和相互影響[10]?？梢?jiàn)，凋落物分解進(jìn)入土壤的碳氮既可增加其在土壤中的保持[11]，也可通過(guò)激發(fā)作用增加碳和養(yǎng)分的淋溶損失[2,12]。因此，探究這些過(guò)程與土壤碳氮礦化關(guān)系是深入理解凋落物的生態(tài)地位和環(huán)境效應(yīng)必不可少的。

氮沉降對(duì)凋落物分解的影響因凋落物化學(xué)性質(zhì)的差異而變化[13]，可促進(jìn)凋落物分解[14]、或抑制其分解[15]，甚至氮沉降可先促進(jìn)后減緩其分解[16]。Fang等[17]的研究也表明，氮添加可顯著提高有豐富凋落物的表層土壤微生物的代謝活動(dòng)及其對(duì)碳基質(zhì)的利用，促進(jìn)土壤DOC形成的同時(shí)，增強(qiáng)微生物對(duì)低分子量氨基酸的吸收。由于不同形態(tài)沉降氮對(duì)微生物、酶及土壤有機(jī)質(zhì)的影響存在差異，比如有機(jī)氮、無(wú)機(jī)氮，銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)的影響各不相同[18-20]。可見(jiàn)，利用同一形態(tài)氮添加可直觀揭示研究對(duì)象的響應(yīng)差異，探究氮沉降對(duì)森林土壤碳氮的影響與凋落物或土壤獨(dú)自響應(yīng)差異的關(guān)系。

凋落物分解輸入與土壤淋出碳氮存在差異，凋落物分解和土壤氮轉(zhuǎn)化受大氣沉降氮的影響，因此，凋落物和土壤淋溶碳氮對(duì)沉降氮響應(yīng)不同。本研究以亞熱帶天然闊葉林和人工杉木林土壤和凋落物為對(duì)象，采用氮淋溶模擬氮沉降的方法，探究凋落物分解與氮沉降對(duì)土壤溶解性碳氮的影響，揭示凋落物分解對(duì)土壤碳氮影響的重要性。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和土壤采集

萬(wàn)木林自然保護(hù)區(qū)位于福建省建甌市（27°03′N(xiāo)，118°09′ E），該研究選取天然闊葉羅浮栲（Castanopsis fabric,CAF）林和人工針葉杉木（Cunninghamia lanceolata,CUL）林[21]為對(duì)象，于2018年12月在羅浮栲和杉木林樣地的上、中、下坡3個(gè)位置，分別按照對(duì)角線的方法選擇8個(gè)點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)利用寬5 cm、長(zhǎng)25 cm的鐵鏟采集深度0～20 cm土壤約2 kg，挑除石頭、根系以及凋落物，充分混勻后，代表該位置樣品；用自封袋將所需新鮮土壤樣品密封于4 ℃冰箱保存，通過(guò)10目尼龍網(wǎng)收集新近凋落物（主要是葉和枝）。同時(shí)利用環(huán)刀采取原狀土以測(cè)定土壤飽和持水量（WHC）。一部分土壤過(guò)2 mm篩，用于測(cè)定基本理化性質(zhì)；另一部分土壤用于室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)。土壤和凋落物基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土壤和凋落物基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of soil and litter

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用兩因素（凋落物和氮）隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共計(jì)6個(gè)處理，分別為：凋落物（L）、土壤（S）、凋落物+土壤（LS）、凋落物+N（NL）、土壤+N（NS）、凋落物+土壤+N（NLS），每個(gè)處理3重復(fù)。

土壤經(jīng)去除碎石根系等雜物，過(guò)8 mm篩，于350 mL注射器中（底面積為19.63 cm2，底部設(shè)置防土壤顆粒滲漏而允許液體滲漏裝置，即采用60目尼龍網(wǎng)和玻璃棉鋪墊底部），設(shè)置培養(yǎng)土壤于注射器10 cm高度，土壤體積為196.35 cm3，根據(jù)土壤密度（針葉林：1.2 g·cm-3；闊葉林：1.0 g·cm-3），計(jì)算該體積需土壤干質(zhì)量為針葉林196.35×1.2=235.62 g，闊葉林為196.35×1.0=196.35 g。

為了研究凋落物的作用，特意增加凋落物添加量，根據(jù)野外單位面積年凋落物現(xiàn)存量的3倍來(lái)確定凋落物添加量，凋落物現(xiàn)存量針葉林為4.82 t·hm-2·a-1，闊葉林為6.57 t·hm-2·a-1[21]，計(jì)算3倍添加凋落物干質(zhì)量針葉林為4.82×19.63×0.01×3=2.84 g，闊葉林為6.57×19.63×0.01×3=3.87 g。凋落物（枝葉）剪碎成約1 cm2左右碎片后，將土壤水分條件調(diào)整到60%飽和持水量（60% WHC），凋落物均勻平鋪于土壤或石英石表面。在25 ℃培養(yǎng)箱中（25 ℃為微生物活動(dòng)提供較適宜的土壤溫度），開(kāi)始為期220 d的避光培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)期間每3 d通過(guò)稱質(zhì)量法保持土壤水分恒定。

根據(jù)樣地年平均降雨量（1673.3 mm）計(jì)算淋溶水量、培養(yǎng)時(shí)間，設(shè)計(jì)每次加水量和加水次數(shù)，每次淋溶之后，待土壤水分下降至60% WHC以下，再行調(diào)整水分。由于凋落物分解試驗(yàn)研究時(shí)間長(zhǎng)短不同（有69 d培養(yǎng)試驗(yàn)[12]、10個(gè)月[3]和1 a[10]的野外試驗(yàn)），且考慮凋落物分解的階段性和淋溶物的差異以及本研究的目的，本研究選擇培養(yǎng)時(shí)間在200 d左右。

按照5次淋溶氮添加總量為每千克土壤添加120 mg N（按照淋溶次數(shù)分配依次為80+10+10+10+10 mg），每次氮添加通過(guò)淋溶氮溶液（NH4Cl）110 mL實(shí)現(xiàn)。預(yù)培養(yǎng)20 d后，開(kāi)始第1次淋溶（第0 天），根據(jù)降雨氮沉降量前多后少的原則，設(shè)計(jì)第1次氮添加量為主，基于試驗(yàn)土壤質(zhì)量，分別為針葉林80 mg·kg-1×235.62 g=18.85 mg、闊葉林80 mg·kg-1×196.35 g=15.71 mg，以后4次（第60、120、180、220 d）淋溶的氮添加量均為針葉林10 mg·kg-1×235.62 g=2.36 mg、闊葉林10 mg·kg-1×196.35 g=1.96 mg。每次及時(shí)分析淋溶液樣品中的銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、總?cè)芙庑缘═DN）、溶解性有機(jī)碳（DOC）。分析第60天和第220天土壤中的微生物生物量碳（MBC）或微生物生物量氮（MBN）。

1.3 測(cè)定和計(jì)算方法

土壤質(zhì)量含水量用烘干法測(cè)定，土壤飽和持水量用環(huán)刀法測(cè)定。土壤全碳、全氮用碳氮元素分析儀（Elemantar vario MAX CN，德國(guó)）測(cè)定。NH4+-N、NO3--N、TDN濃度使用連續(xù)流動(dòng)分析儀（SKALAR SAN++，荷蘭）測(cè)定。DOC使用島津TOC-VCPH/TN分析儀測(cè)定。土壤MBC和MBN采用改進(jìn)的氯仿熏蒸—0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提法[22]。

淋溶液中DOC、TDN、NH4+-N、NO3--N均為5次淋溶液累積量/mg=（c0+c60+c120+c180+c220）

式中：c0、c60、c120、c180、c220分別為第0、60、120、180、220天各指標(biāo)淋溶量/mg。

式中：DON為溶解性有機(jī)氮累積量/mg，TDN為總?cè)芙庑缘鄯e量/mg，NH4+-N為銨態(tài)氮累積量/mg，NO3--N為硝態(tài)氮累積量/mg。

土壤微生物量碳氮：

式中：?EC為熏蒸與未熏蒸土壤DOC含量的差值，?EN為熏蒸與未熏蒸土壤TDN含量的差值；KC為0.45；KN為0.54。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和Origin 9.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，運(yùn)用SPSS 20.0中單因素方差分析（One way ANOVA）和S-N-K檢驗(yàn)法分析各處理間DOC、DON、NH4+-N、NO3--N的差異顯著性（α=0.05），運(yùn)用雙因素方差分析（Two way ANOVA）統(tǒng)計(jì)氮添加、凋落物及二者交互作用對(duì)土壤碳、氮的影響，運(yùn)用皮爾遜（Pearson）相關(guān)系數(shù)分析各指標(biāo)之間的相關(guān)性。數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布（Q-Q圖檢驗(yàn)），所有數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 凋落物和氮添加對(duì)淋溶液中NH4+-N和NO3--N的影響

方差分析（表2）顯示：凋落物添加對(duì)淋溶液NH4+-N的影響不顯著，但顯著降低淋溶液NO3--N。LS處理的淋溶液NO3--N較S處理分別降低了22.6%（針葉林）和29.9%（闊葉林）（圖1b）。氮添加后，NH4+-N淋出顯著增加（表2和圖1a），且NL處理遠(yuǎn)高于NLS和NS處理；除NL處理，闊葉林淋溶液中NH4+-N顯著高于針葉林43.9%～227.0%，且NS處理的淋溶液中的NH4+-N高于NLS處理。針葉林和闊葉林淋溶液中的NO3--N，在氮添加的NL處理較L處理分別升64873.1%和1920%；與LS和S處理比較，氮添加（NLS、NS、NL）使淋溶液中的NO3--N升高了30.0%～128.6%；但NLS處理較NS處理分別降低了11.4%和23.0%。未添加氮處理（LS、S、L）的闊葉林淋溶液中NO3--N顯著高于針葉林44.7%～975.2%，但在NL處理顯著低于針葉林66.6%。

圖1 針葉林和闊葉林淋溶液NH4+-N和NO3--N的變化Fig.1 Changes of NH4+-N and NO3--N in leaching solution for the coniferous forest and broad-leaved forest

表2 氮添加和凋落物對(duì)針、闊葉林淋溶中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮影響的方差分析（p值）Table 2 Variance analysis of the influence of nitrogen addition and litter on NH4+-N and NO3--N in the leaching of coniferous and broad-leaved forests (p value)

2.2 凋落物和氮添加對(duì)淋溶液中DON和DOC的影響

方差分析（表3）顯示：凋落物對(duì)淋溶液中的DON和DOC有顯著影響。針葉林LS處理的DON較S處理的高，而闊葉林LS處理的DON較S處理的降低了39.2%（圖2a）。L處理凋落物淋溶液中的DOC最高，且針葉林和闊葉林LS處理的DOC較S處理的分別升高了181.4%和74.6%（圖2b）。

表3 氮添加和凋落物對(duì)針、闊葉林淋溶中DON和DOC影響的方差分析（p值）Table 3 Variance analysis of the influence of nitrogen addition and litter on DON and DOC in the leaching of coniferous and broad-leaved forests (p value)

方差分析（表3）顯示：氮添加、凋落物及二者交互作用對(duì)針葉林淋溶液中的DON有顯著影響。氮添加后，NL處理針葉林淋溶液中的DON較L處理升高了972.6%；與LS和S處理比較，NLS和NS處理使淋溶液中的DON分別升高了80.9%和415.4%，但NLS處理較NS處理降低了53.7%。闊葉林僅NL處理的DON較L處理升高了147.4%；S和L處理闊葉林淋溶液中的DON分別顯著高于針葉林157.0%和108.0%，但在氮添加處理顯著低于針葉林34.5%～54.4%（圖2a）。在針葉林和闊葉林淋溶液中，NL處理較L處理的DOC分別降低了12.8%和11.1%；在針葉林NLS處理較LS處理降低了32.5%，而在闊葉林NLS處理較NS處理升高64.3%。L、NS和NL處理闊葉林淋溶液中的DOC分別顯著高于針葉林70.9%、78.3%和74.2%（圖2b）。

圖2 針葉林和闊葉林淋溶液DON和DOC的變化Fig.2 Changes of DON and DOC in leaching solution for the coniferous forest and broad-leaved forest

2.3 凋落物和氮添加對(duì)針、闊葉林土壤MBN和MBC的影響

在第60天，LS處理針葉林土壤MBN較S處理降低了60.1%（圖3a），而闊葉林土壤較S處理升高了53.2%（圖3c）；在針葉林和闊葉林，與LS和S處理比較，氮添加使土壤的MBN顯著降低27.8%～93.0%；闊葉林NLS處理較NS處理顯著升高了33.8%。與第60 d相比，220 d后，針葉林NLS、LS和NS處理土壤MBN分別顯著增加1850.0%、70.2%和690.0%，S處理顯著降低56.6%；闊葉林LS處理顯著降低38.9%，NS和S處理分別顯著增加293.2%和226.8%?？梢?jiàn)，隨著培養(yǎng)針葉林土壤MBN有所降低，當(dāng)?shù)蚵湮锎嬖谇闆r下則有所增加，且氮添加使MBN增加更多。

圖3 針葉林土壤和闊葉林土壤MBN、MBC的變化Fig.3 Changes of soil MBN and MBC in the coniferous forest and the broad-leaved forest

在第60天，土壤MBC在針葉林僅NLS處理較LS處理顯著升高了74.4%（圖3b），而在闊葉林土壤僅NLS處理較LS處理顯著降低了45.0%（圖3d）。與第60天相比，220 d后，NLS、LS、NS和S處理針葉林和闊葉林土壤MBC分別顯著增加305.1%～595.1%和103.7%～194.2%。闊葉林中土壤MBN和MBC均顯著高于針葉林土壤。

2.4 各化學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)分析

針葉林淋溶液中NO3--N與DOC呈極顯著的負(fù)相關(guān)，而與DON呈顯著正相關(guān)（表4）；闊葉林中淋溶的DOC與DON和NO3--N呈極顯著負(fù)相關(guān)，NO3--N與DON呈極顯著正相關(guān)。

表4 針葉林和闊葉林淋溶液中各指標(biāo)的相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis of each index in leaching for coniferous forest and broad-leaved forest

3 討論

3.1 凋落物對(duì)土壤碳氮的影響

凋落物（L）淋溶液的無(wú)機(jī)氮量遠(yuǎn)低于土壤（S）（圖1），說(shuō)明凋落物中溶解性氮較少，野外氮素的淋溶損失風(fēng)險(xiǎn)主要源自土壤。土壤淋溶液中存在大量的NO3--N和少量的DON，且淋溶液中NO3--N與DON正相關(guān)關(guān)系（表4），說(shuō)明不但無(wú)機(jī)氮是氮淋溶損失的主要形態(tài)[23]，水溶性的有機(jī)氮也存在淋溶風(fēng)險(xiǎn)，甚至有研究顯示DON是主要的淋溶損失氮形態(tài)[24]。凋落物分解是土壤碳氮的主要來(lái)源[1-2]，且凋落物與土壤一起培養(yǎng)時(shí)其分解速率高于其單獨(dú)培養(yǎng)[25]，但本研究發(fā)現(xiàn)凋落物的存在并沒(méi)有增加土壤淋溶液中溶解性氮，與S處理比較，LS處理則降低土壤淋溶液中NO3--N，表明土壤表面凋落物的存在可以降低土壤氮淋溶損失，有利于氮的保持和環(huán)境友好，這對(duì)生態(tài)系統(tǒng)而言，意義遠(yuǎn)大于對(duì)凋落物或土壤的單獨(dú)研究。

凋落物中可淋溶的DOC高于土壤，因此，將提高土壤DOC和影響土壤氮轉(zhuǎn)化，尤其是土壤淋溶液中的NO3--N，其與DOC是負(fù)相關(guān)關(guān)系（表4），可能DOC有利于微生物對(duì)氮的保持[26-27]，這與Ma等[28]和Cheng等[29]的研究結(jié)論類(lèi)似。Ma等[28]研究表明，溶解性碳輸入對(duì)土壤氮降低的影響程度與輸入碳的量有關(guān)，且降低程度在闊葉林大于針葉林。闊葉林凋落物質(zhì)量（C/N比為50.7）顯著高于針葉林（C/N比為106.7）（表1），有機(jī)碳氮易于分解、礦化，闊葉林凋落物比針葉林有較多的DOC淋溶（圖2），因此，NO3--N降低的量也遠(yuǎn)高于針葉林土壤（圖1）。在針葉林土壤，與S處理比較，LS處理增加第220天土壤MBN；而來(lái)自闊葉林凋落物的DOC進(jìn)入土壤后較針葉林被更多地利用，闊葉林土壤淋溶液DOC降低（圖2b），且釋放更多的CO2[30]，碳損失加快[25]，導(dǎo)致MBN并未增加。凋落物的存在提高針葉林土壤DOC和DON，而降低闊葉林土壤淋溶液DON和MBN，也可能因闊葉林凋落物和土壤有較高的單寧含量[31]，闊葉林凋落物添加通過(guò)非微生物保持[32]，在單寧的作用下[33]降低土壤無(wú)機(jī)氮。

土壤是凋落物分解產(chǎn)物的匯，土壤和凋落物長(zhǎng)期相互作用，因土壤微生物代謝活性的差異，針葉林土壤(DOC)和(DON)普遍低于闊葉林[34]。由于來(lái)自凋落物淋溶液中的溶解性有機(jī)物（DOC和DON）遠(yuǎn)高于無(wú)機(jī)物（NH4+-N和NO3--N），因此，在野外實(shí)際降雨條件下，森林地表可移動(dòng)DOM的持續(xù)供給[35]，凋落物層相互影響[9,36]，進(jìn)而影響土壤，使闊葉林土壤保持更多碳氮[37]。

3.2 氮添加對(duì)土壤碳氮的影響

氮添加可促進(jìn)凋落物分解[38]，加快物質(zhì)淋溶損失。研究顯示，歐洲赤松葉有很高的NH4+-N淋溶損失[39]。添加NH4Cl后，凋落物淋溶液回收大量的NH4+-N，說(shuō)明凋落物只能截留少量的NH4+-N，而大部分NH4+-N進(jìn)入土壤參與土壤氮轉(zhuǎn)化。研究表明，氮沉降因是否凋落物存在而對(duì)土壤氮匯產(chǎn)生不同的影響[40]。Xiong等[41]研究發(fā)現(xiàn)，外施氮的9.8%～13.6%保留在森林凋落物中，森林凋落物在調(diào)控施氮對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響方面作用顯著。被截留的NH4+-N通過(guò)硝化作用提高了氮添加處理凋落物淋溶液的NO3--N，說(shuō)明凋落物保持NO3--N的能力有限。氮添加增加了淋溶液中氮量，這與已有研究[39]一致，但與NS比較，NLS處理顯著降低闊葉林土壤淋溶液中的無(wú)機(jī)氮（圖1），且NO3--N降低量更多。究其原因，在土壤pH較低、碳含量較高的情況下，土壤以異養(yǎng)硝化為主[26]，在酸性針葉林土壤異養(yǎng)硝化是NO3--N產(chǎn)生的主要機(jī)理，而闊葉林不是[42]，闊葉林在保留凋落物情況下，土壤有較高的硝化潛勢(shì)[43]。因此，添加NH4Cl后，一方面闊葉林土壤硝化作用高于針葉林，可能與闊葉林土壤自養(yǎng)硝化增加有關(guān)，第二，闊葉林凋落物促進(jìn)土壤硝化作用，增加了土壤NO3--N的淋溶；同時(shí)，土壤淋溶液NO3--N在NLS處理低于NS處理，表明在氮沉降條件下，凋落物仍具有降低土壤NO3--N淋出的作用，從而減緩對(duì)水環(huán)境的負(fù)面影響。可見(jiàn)，有關(guān)降雨淋溶在土壤溶解性NO3--N產(chǎn)生機(jī)理、凋落物促進(jìn)硝化與增加NO3--N固定方面的研究，還有待深入。

在凋落物通過(guò)淋溶輸入土壤DOC的同時(shí)，無(wú)機(jī)氮添加通過(guò)消耗DOC促進(jìn)土壤或凋落物有機(jī)氮的礦化，增加土壤或凋落物淋溶液DON[11]。本研究顯示，氮添加增加了針葉林淋溶液DON（圖2），可能與針葉林土壤氨化作用受到抑制有一定關(guān)系[44]，表明銨態(tài)氮沉降有促進(jìn)針葉林DON淋溶損失的可能?？梢?jiàn)，類(lèi)似氮添加和凋落物特性對(duì)凋落物分解和土壤有機(jī)質(zhì)影響不同的研究[20,38]、凋落物各分層生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征差異和對(duì)氮沉降響應(yīng)的不同[9,36]。在不同森林類(lèi)型，土壤DON參與淋溶和氮轉(zhuǎn)化的差異及驅(qū)動(dòng)機(jī)理，亟待進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

凋落物的存在顯著降低土壤NO3--N淋溶22.6%（針葉林）和29.9%（闊葉林）；即使在氮添加情況下，凋落物也降低土壤NO3--N淋溶11.4%（針葉林）和23.0%（闊葉林），表明凋落物有利于土壤氮的保持。

凋落物可淋溶的DOC是DON的73倍（針葉林）和60倍（闊葉林），表明DOC是凋落物影響土壤的主要調(diào)節(jié)物質(zhì)。

氮添加可改變針闊葉林凋落物DOC和DON輸出的變化，進(jìn)而影響土壤；降雨導(dǎo)致的溶解性碳氮自凋落物層向下進(jìn)入土壤的淋溶過(guò)程，是建立起凋落物與土壤間碳氮關(guān)系必不可少的外部條件。