模擬氮沉降對滇中云南松林濕干季土壤特性和土壤呼吸的影響

梁陽森，王克勤，2，宋婭麗，2*，鄭興蕊，胡 淳

（1. 西南林業(yè)大學生態(tài)與環(huán)境學院，昆明 650224；2. 國家林業(yè)和草原局云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，昆明 650224；3. 云南經(jīng)貿(mào)外事職業(yè)學院，昆明 650224）

由于人口激增、工業(yè)氮肥的使用、畜牧業(yè)的發(fā)展和化石燃料的開采和燃燒，人類活動排放到大氣中的活性氮數(shù)量迅速增加[1-2]，預計到2050 年，全球氮沉降量將增加1 倍[3]。我國目前已成為全球三大氮沉降區(qū)之一[4]，且氮沉降可能會隨著經(jīng)濟的增長而繼續(xù)增加。氮沉降通過改變凋落物生物量[5]及質(zhì)量影響土壤性狀[6]、微生物活動[7]及酶活性[8]，從而控制土壤呼吸中植物根系的自養(yǎng)呼吸和土壤微生物的異養(yǎng)呼吸（分別約占土壤呼吸的50%和30%）[9]，從而改變土壤呼吸總量。土壤呼吸作為生態(tài)系統(tǒng)第二大碳通量，其微小變化也會引起大氣中二氧化碳濃度的顯著變化，這反過來又會對全球氣候變化產(chǎn)生嚴重影響。土壤呼吸產(chǎn)生的CO2是化石燃料燃燒的十倍，又是碳循環(huán)的重要組成部分，因此土壤呼吸一直是全球氣候變化背景下陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究熱點[10]。

土壤呼吸受多種環(huán)境因素的綜合影響，其中溫度是影響土壤呼吸的關鍵因素，它主要通過調(diào)節(jié)微生物的生理代謝活動、植物根系的生長活動和有機物的分解活動來影響土壤呼吸[11]。土壤溫度對土壤呼吸的影響已有較一致的認識，通常情況下，土壤呼吸與溫度之間有顯著的正相關關系，土壤溫度通過影響根系呼吸，微生物活性、土壤凋落物和有機質(zhì)的分解，從而影響土壤呼吸[12]。土壤水分也是影響土壤呼吸的重要因素之一，可直接影響土壤微生物和植物根系代謝，也可以通過影響土壤溫度間接影響土壤呼吸速率[13]。而土壤呼吸與土壤濕度仍具有不確定性，不同生態(tài)系統(tǒng)中與土壤呼吸表現(xiàn)為正相關、不相關和負相關[14]。

研究發(fā)現(xiàn)，模擬氮沉降對土壤呼吸有促進[15]、無影響[16]和抑制[17]。Wang C.等[18]在廣州華南植物園的氮添加實驗中發(fā)現(xiàn)，氮處理會使地上生物量和根系生物量增加，促進土壤呼吸；鄧琦等[19]研究表明氮沉降會使微生物活性受到抑制，抑制土壤呼吸，但又能促進植物生長，增加植物根的生物量，促進土壤呼吸，二者抵消了氮沉降對土壤呼吸的影響，使得氮沉降不影響土壤呼吸；Wang Q. K.等[20]試驗結(jié)果表明氮沉降會減少細根與菌根菌絲分泌的可溶性有機化合物，降低了土壤有機質(zhì)分解，從而直接對土壤呼吸產(chǎn)生抑制作用。因此，氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤呼吸的作用機制還不清楚。而對于氮沉降背景下研究土壤理化性質(zhì)、微生物特征和酶活性變化對土壤呼吸的影響鮮有報道，因此，研究在持續(xù)增加的氮沉降背景下，森林土壤呼吸如何通過土壤特性變化而產(chǎn)生響應具有重要意義。

滇中磨盤山云南松是該區(qū)域分布最廣的森林類型，生物量為(63.11±12.41) t/hm2[21]，生長快，適應性強，其為云南省的主要森林碳庫之一，具有重要的研究價值。因此，本研究以滇中磨盤山云南松林為研究對象，并對其進行不同水平施氮實驗：對照CK 0 g/(m2·a)、低氮LN 10 g/(m2·a)、中氮MN 20 g/(m2·a)、高氮HN 25 g/(m2·a)，通過分析氮沉降對土壤呼吸的影響以及土壤理化性質(zhì)、微生物特征、酶活性變化，探究其耦合關系，主要研究以下兩個問題：（1）云南松林濕干季時的土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性、MBC和MBN 及土壤微生物數(shù)量特征以及土壤呼吸對氮沉降如何響應？（2）氮沉降下，濕干季土壤呼吸與土壤特性之間有何相互關系？為亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)在氮沉降增加的背景下生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究提供基礎數(shù)據(jù)，為其在此背景下的森林管理建設提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省新平縣磨盤山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測站（23°46＇18″～23°54＇34″N，101°16＇06″～101°16＇12″E），海拔是1 260.0～2 614.4 m，太陽光照充足，地處云南亞熱帶南北部的氣候過渡帶，屬于典型的中亞熱帶氣候，年平均氣溫15 ℃，最高氣溫33.0 ℃，最低氣溫-2.2 ℃，年降雨量1 050 mm，干濕季分明（干季：每年的11 月—4 月；濕季：每年的5 月—10 月）。土壤主要是紅壤和黃棕壤為主，植被類型豐富，且隨海拔變化呈明顯的垂直分布，森林覆蓋率達64.2%以上，主要森林類型有華山松針葉林、云南松針葉林、亞熱帶常綠闊葉林和高山櫟林[22]。

1.2 試驗設置

本試驗以滇中磨盤山優(yōu)勢森林云南松林為研究對象，設置3個20 m×20 m的樣地，在每個樣地內(nèi)隨機選取4個3 m×3 m的小樣方，每個樣方間的距離大于10 m。參考北美地區(qū)Harvord Forest[23]、華西雨屏區(qū)[24]、四川西緣山地結(jié)合部[25]、青藏高原東緣[26]和廣西木論國家自然保護區(qū)[27]等模擬氮沉降試驗中的實驗設置，結(jié)合該地區(qū)年氮沉降量（3.84 g/(m2·a)），以推測該地區(qū)未來可能的氮沉降趨勢。以此分為4個氮沉降水平：對照CK，0 g/(m2·a）、低氮LN，10 g/(m2·a)、中氮MN，20 g/(m2·a)、高氮HN，25 g/(m2·a），每個水平設置3個重復。

從2019 年1 月初開始，根據(jù)以上4 個水平對各個小樣方進行定量噴灑，以此模擬氮沉降處理。將各個水平所需的CH4N2O溶解至1 L去離子水中，用噴霧器均勻地噴灑在3 個重復水平樣方內(nèi)，對照組噴灑等量的清水。

1.3 土壤呼吸測定

在施氮后12 個月，每個月用Li-6400 土壤碳通量分析系統(tǒng)（LI-COR，USA）測定土壤呼吸速率[28]，測土壤呼吸時，土壤呼吸室放在半徑10 cm 高5 cm的PVC 管上，將其一端削尖，垂直插入土壤3 cm 深處，并在觀測前24 h 內(nèi)除去地圈內(nèi)地上部分的植物[29]，以此減少對土壤的干擾。每個樣點取 3 次重復。

在施氮后的干季和濕季里，從8:00-19:00，用Li-6400土壤碳通量分析系統(tǒng)和土壤溫濕度測定儀對土壤呼吸和土壤溫濕度每隔1 h進行測定[30]。

1.4 土壤樣品采集

土壤樣品分別在施氮后的12個月內(nèi)，于每月中旬在每個小樣方內(nèi)采用隨機數(shù)字定位法隨機采三鉆土壤后，用四分法將樣品混合均勻，帶回實驗室，并分別進行保存[31]。一部分用于風干保存，另一部分冷凍與-40 ℃冰箱冷藏。濕季土壤樣品為2019年7月中旬，即施氮后第6個月，干季樣品為2020年1月中旬，即施氮后第12個月。

1.5 土壤特性的測定

全氮（TN）采用半微量凱氏定氮法(LY/T 1228—1999)測定；全磷（TP）采用鉬銻抗比色法(LY/T 1232—1999)測定；全鉀（TK）、NO3--N、NH4+-N 采用德國SEAL Analytical AA3 測定，AN 采用堿解擴散法[32]。

蔗糖酶活性用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；脲酶活性用靛酚比色法測定；過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定；多酚氧化酶用碘量滴定法測定[33]。

土壤微生物量碳（MBC）和土壤微生物量氮（MBN）的測定方法是氯仿熏蒸浸提法[34]。根據(jù)下面公式計算MBC、MBN。

式（1）、（2）中，EC和EN分別是熏蒸和未熏蒸土壤浸提液提取的C和N的差值，kC和kN表示熏蒸后C和N提取出的比例系數(shù)，其中kC=0.38，kN=0.54。

1.6 數(shù)據(jù)分析與處理

數(shù)據(jù)由Microsoft Excel 2010進行整理、作圖，用SPSS 23.0 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。采用單因素方差分析濕干季不同施氮處理下土壤呼吸、土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性和土壤微生物量碳氮的差異性水平，并對其進行多重比較以及相關性分析，以此評估氮沉降對土壤呼吸的綜合影響。采用回歸分析法描述土壤呼吸與土壤溫度（T）和濕度（W）的關系。

土壤呼吸速率與土壤溫度的單因素指數(shù)模型為：

土壤呼吸溫度敏感系Q10計算方法為：

式（3）、（4）中，RS為土壤呼吸速率（μmol/(m2·s)），T為土壤溫度（℃），a、b為系數(shù)。

土壤呼吸速率與土壤溫度的單因素模型為：

式（5）中，RS為土壤呼吸速率（μmol/(m2·s)），W為土壤濕度（%），a、b和c為參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮沉降下土壤理化性質(zhì)變化特征

2.1.1 土壤溫、濕度日變化特征

由圖1 可知，云南松林土壤溫度日變化總體均呈單峰曲線。在濕季時，土壤溫度最高為20.32 ℃（17:00），最低溫度為19.34 ℃（8:00）；土壤最大濕度為20.14%（8:00），最小濕度為16.66%（16:00）。在干季時，云南松林土壤最高溫度為14.83 ℃（16:00），最低溫度為6.80 ℃（9:00）；土壤最大濕度為10.78%（8:00），最小濕度為9.87%（18:00）。

圖1 云南松林土壤溫、濕度濕干季的日變化Figure 1 Daily variation of soil temperature and humidity in P. yunnanensis during the wet and dry seasons

2.1.2 土壤化學性質(zhì)季節(jié)變化特征

由表1 可知，與CK 相比，濕季時云南松林土壤TN、TP、NH4+-N 和NO3--N 在各N 處理下均顯著增加（P＜0.05），最大增幅分別為67.07%、38.80%、168.03% 和40.32%，TK 在MN、HN 顯 著 增 加 了11.90%，15.06%，AN 在LN、HN 顯著增加，最大增幅為37.86%。干季時土壤TN、TK和NH4+-N在各N處理下均顯著增加（P＜0.05），最大增幅分別為100.00%、59.36%和93.45%；TP 在LN、HN 顯著增加了18.39%、56.32%（P＜0.05），在MN增加了9.20%（P＞0.05）；NO3--N 在HN 顯著增加了166.67%；AN 在LN、HN 顯著增高40.84%，23.18%（P＜0.05），MN 顯著降低9.22%（P＜0.05）。

表1 云南松林在濕、干季土壤化學性質(zhì)季節(jié)變化特征Table 1 Seasonal variation characteristics of soil chemical properties in P. yunnanensis during the wet and dry seasons

2.2 氮沉降下土壤酶活性變化特征

由圖2可知，土壤脲酶活性濕季時在LN、HN顯著增加了17.05%和67.95%，干季時在MN、HN顯著增加了7.75%和16.38%。蔗糖酶活性濕季時在LN、MN 顯著增加了11.21%和5.63%，在HN 顯著降低了19.65%，干季時在MN、HN 顯著降低了30.99%和35.65%。過氧化氫酶在濕干季時在LN、MN 和HN顯著增加了11.11%～100.00%。多酚氧化酶濕季時在LN、MN 和HN 顯著降低了13.16%～25.00%，干季時在LN 顯著增加了7.28%，MN、HN 顯著降低了8.69%和23.16%。

圖2 云南松林濕、干季酶活性變化特征Figure 2 Characteristics of enzyme activity changes in P. yunnanensis in wet and dry seasons

2.3 氮沉降下土壤微生物變化特征

由圖3 可知，土壤微生物數(shù)量、MBC 和MBN 隨著氮沉降的增加呈先增加后降低的趨勢。與CK相比，濕、干季時云南松林土壤微生物數(shù)量、MBC 在LN、MN 均顯著增加（P＜0.05），最大增幅分別為19.20%，30.52%，在HN 顯著降低（P＜0.05），最大降幅為57.20%。MBN 濕季時在LN、MN 顯著增加（P＜0.05），最大增幅為10.10%，在HN 顯著降低（P＜0.05）了6.80%，干季時在LN顯著增加了21.29%（P＜0.05），在HN顯著降低了13.70%（P＜0.05）。

圖3 云南松林土壤微生物在濕、干季變化特征Figure 3 Characteristics of soil microorganisms in P. yunnanensis during the wet and dry seasons

2.4 氮沉降下土壤呼吸變化特征

由圖4可知，濕季時，云南松林土壤呼吸日變化總體表現(xiàn)為單峰曲線，HN 與CK 差異性顯著（P＜0.05），各氮處理土壤呼吸速率平均值表現(xiàn)為CK（5.498 μmol/(m2·s)）＜LN（5.735 μmol/(m2·s)）＜MN（5.902 μmol/(m2·s)）＜HN（7.947 μmol/(m2·s)），土壤呼吸峰值出現(xiàn)在13：00 和14：00。干季時，云南松林土壤呼吸日變化總體表現(xiàn)為波動變化，各氮處理均與CK 差異性顯著（P＜0.05），各氮處理土壤呼吸速率平均值表現(xiàn)為HN（2.493 μmol/(m2·s)）＜CK（3.623 μmol/(m2·s)）＜MN（4.790 μmol/(m2·s)）＜LN（6.550 μmol/(m2·s)）。

圖4 云南松林濕、干季土壤呼吸日變化特征Figure 4 Daily variation characteristics of soil respiration in P. yunnanensis during wet and dry seasons

由圖5 可知，云南松林土壤呼吸在各氮沉降處理下表現(xiàn)出明顯的月變化，均呈雙峰曲線，峰值出現(xiàn)在6 月和10 月。CK、MN 和HN 最小值在1 月份，LN 最小值在3 月份。與CK 相比，MN 促進土壤呼吸，最大增幅為46.33%，LN 在N 處理6 個月后表現(xiàn)為促進，最大增幅為75.60%，HN 在7、8 和9 月份表現(xiàn)為促進作用，最大增幅為46.06%，其余月份為抑制作用，最大幅度為29.16%。說明隨著時間的推移，HN正效應逐漸減弱轉(zhuǎn)變?yōu)橐种谱饔谩?/p>

圖5 云南松林土壤呼吸月變化特征Figure 5 Monthly variation characteristics of soil respiration in P. yunnanensis

2.5 氮沉降下土壤呼吸與土壤特性相關性分析

2.5.1 土壤呼吸與土壤溫、濕度的關系模型參數(shù)

由表2、表3 可知，云南松林土壤呼吸與土壤溫度呈顯著正相關（P＜0.05），與土壤濕度呈顯著相關。土壤呼吸受到土壤溫度、濕度的影響占比分別為70.3%～89.9%，26.7%～40.6%。與CK 相比，MN 降低了土壤呼吸的溫度敏感性，降低了6.73%，LN、HN提高了土壤呼吸的溫度敏感性，分別提高了7.41%、60.27%。

表2 不同氮沉降下土壤呼吸與土壤溫度的關系模型參數(shù)Table 2 Model parameters for the relationship between soil respiration and soil temperature under different N deposition

表3 不同氮沉降下土壤呼吸與土壤濕度的關系模型參數(shù)Table 3 Model parameters of the relationship between soil respiration and soil moisture under different N deposition

2.5.2 土壤呼吸與土壤理化性質(zhì)的相關關系

由表4 可知，在濕季，土壤呼吸與土壤TN 表現(xiàn)為顯著正相關（P＜0.05），TP、TK、NH4+-N 和NO3--N表現(xiàn)為極顯著正相關（P＜0.01），與脲酶表現(xiàn)為極顯著正相關（P＜0.01），與蔗糖酶、多酚氧化酶、微生物數(shù)量、MBC 表現(xiàn)為極顯著負相關（P＜0.01），與MBN表現(xiàn)為顯著負相關（P＜0.05）。在干季時，土壤呼吸與土壤脲酶、NO3--N 為顯著負相關（P＜0.05），與過氧化氫酶、多酚氧化酶、微生物數(shù)量、MBC、MBN 表現(xiàn)為極顯著正相關（P＜0.01）。

表4 土壤呼吸與土壤理化性質(zhì)的相關關系Table 4 Correlation between soil respiration and soil physicochemical properties

3 討論

本研究中，云南松林土壤呼吸日變化在濕季時呈單峰曲線，峰值出現(xiàn)在13:00（CK、MN）和14:00（LN、HN），在干季時，土壤呼吸呈波動變化，這主要是由于土壤呼吸日變化濕季時主要受到土壤溫度影響，干季時主要受到土壤濕度影響。這與周海霞等[35]和邱睿等[36]的研究結(jié)果一致。本研究中，云南松林土壤呼吸月變化呈雙峰曲線，峰值分別出現(xiàn)在6月和10月，這可能是由于土壤根系和微生物活動的最佳溫度分別在6 月和10 月，夏季根系呼吸較強，秋季微生物呼吸較強[37]。而孫海燕等[38]則認為土壤呼吸總體為單峰曲線，原因可能是該研究區(qū)位于福建武夷山，屬于亞熱帶季風氣候，土壤含水量全年較為充足，土壤呼吸則主要受到溫度制約，因此呈單峰曲線，致使結(jié)果不一致。

本研究中，TN、NH4+-N在各氮處理下均顯著增加，可能是因為氮沉降促進了土壤有機氮的礦化[39]，增加了速效氮含量[40]，提高了氨氧化菌活性和數(shù)量[41]，從而使土壤TN、NH4+-N含量增加。

本研究中，氮沉降促進了脲酶活性，可能是因為土壤有效氮含量因施氮而增加，微生物分泌脲酶增加，以滿足其的生長需求，從而使脲酶活性增加[42]。蔗糖酶活性在LN 促進，在MN、HN 被抑制，這可能是因為低濃度的氮沉降會促進植被生長，使土壤中有效碳增加，促進蔗糖酶活性[43]。高濃度的氮沉降降低了土壤pH，使植物根活性降低，土壤有效碳降低，從而抑制蔗糖酶活性。氮沉降對過氧化氫酶活性、多酚氧化酶產(chǎn)生促進[44-45]或抑制[46-47]作用，這可能是因為林分類型、土壤類型和氮沉降時間不同，使得過氧化氫酶活性變化不同。

本研究中，微生物數(shù)量、MBC 和MBN 在LN 顯著增加，在HN顯著降低，這與康海軍等[48]在武夷山森林觀測站常綠闊葉林的結(jié)果一致。可能是因為低濃度的氮沉降會使土壤中氮限制緩解，促進微生物活性和微生物量[49]，高濃度的氮沉降會使土壤一些有毒離子激發(fā)出來，嚴重影響微生物活性[50]，使微生物數(shù)量和微生物量受到抑制。

本研究結(jié)果表明，濕季時氮沉降促進了云南松土壤呼吸，干季時HN 抑制土壤呼吸，HN 從初期（7—9 月）促進作用逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃冢?0 月—次年1 月）抑制作用。這與雒守華等[51]在華西雨屏區(qū)光皮樺樹土壤呼吸結(jié)果一致。這可能是由于施氮初期，氮沉降減緩了土壤氮限制，促進植物的根系生長和微生物活性，從而增加土壤呼吸[52]；而在HN處理下土壤微生物活性降低，土壤呼吸速率提高，可能是由于氮添加改變土壤理化性質(zhì)，對根呼吸增加量比對微生物呼吸的減少量要多，使得土壤呼吸增加。而隨著施氮時間的推移，土壤中氮素會達到飽和，超過了植物與微生物的需求，氮素不再是限制因素，施氮會使土壤呼吸不再起促進作用甚至會受到抑制[53]，HN 會使土壤氮素更快達到飽和，抑制根系活性[54]，抑制微生物活動[55]以及有關酶的活性[56]，影響土壤動物活動[57]，從而抑制土壤呼吸。因此，過量的氮沉降會使土壤呼吸產(chǎn)生抑制作用[58]，導致對土壤根系、土壤理化性質(zhì)、微生物活性和數(shù)量造成不利影響，進而造成負面效應。

本研究中，云南松林土壤呼吸與土壤溫度之間均呈顯著正相關關系（P＜0.05），這與胡正華等[59]對北亞熱帶闊葉林的研究結(jié)果一致。云南松林在LN、HN處理下Q10提高了7.41%、60.27%，原因可能是施氮會對根系、土壤微生物和土壤動物造成影響[60]，受到影響的微生物、動物對溫度反應敏感，則會使得Q10增加。本研究中，土壤濕度與土壤呼吸呈顯著相關關系（P＜0.05），而胡正華等[59]則認為土壤濕度對南京龍王山土壤呼吸的影響無顯著相關性（P＞0.05），這與本研究結(jié)果不同。這可能是由于本研究區(qū)季節(jié)呈明顯的干濕兩季[61]，導致不同季節(jié)降水、蒸發(fā)量等不均勻，使土壤濕度在濕干季差異較大；而南京龍王山屬于北亞熱帶季風氣候，年相對濕度為76%，土壤濕度并未成為限制土壤微生物的活動與生長的因素，因此土壤濕度對土壤呼吸影響不顯著。土壤特性、氮沉降水平、土壤溫度和濕度均會對土壤呼吸產(chǎn)生影響，為了進一步研究氮沉降對土壤呼吸的影響，仍需進行長期的實驗研究，從多方面進行探索，以深入了解土壤呼吸與土壤特性之間的耦合機制。

4 結(jié)論

①濕季時，氮沉降促進了云南松林的土壤呼吸，干季時，HN抑制了土壤呼吸。氮沉降并未改變?nèi)A山松林土壤呼吸的季節(jié)變化與日變化規(guī)律，月變化為雙峰曲線，分別為6月和10月。日變化在濕季時，呈單峰曲線，干季時，呈波動變化。

②土壤呼吸與土壤溫度、濕度均呈顯著相關，土壤溫度解釋了70.3%～89.9%的土壤呼吸變化，土壤濕度解釋了26.7%～40.6%的土壤呼吸變化。LN、HN提高了Q10。