氮添加對(duì)樟樹(shù)林和濕地松林樹(shù)干呼吸的影響

鄭 威 ，閆文德，梁小翠 ，張 超 ，趙亮生

氮添加對(duì)樟樹(shù)林和濕地松林樹(shù)干呼吸的影響

鄭 威1,2，閆文德1,2，梁小翠1,2，張 超1,2，趙亮生1,2

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

人類活動(dòng)造成了陸地生態(tài)系統(tǒng)氮輸入的迅速增長(zhǎng)，影響到森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)。為揭示樹(shù)干呼吸對(duì)高氮背景輸入的響應(yīng)，試驗(yàn)采用人工氮添加方法，研究不同氮輸入條件（CK，0 g ?m-2a-1；低氮LN，5 g ?m-2a-1；中氮MN，15 g ?m-2a-1；高氮HN，30 g ?m-2a-1）下亞熱帶樟樹(shù)林、濕地松林的樹(shù)干呼吸。結(jié)果表明：施氮會(huì)抑制樟樹(shù)、濕地松林的樹(shù)干呼吸，抑制作用大體表現(xiàn)為隨施氮濃度增大而增強(qiáng)，但組間差異不顯著；2種林分中的樹(shù)干呼吸與土壤有效氮含量之間均無(wú)顯著性關(guān)系。

樟樹(shù)；濕地松；人工氮添加; 樹(shù)干呼吸

樹(shù)干呼吸（RW）是指林木樹(shù)干木質(zhì)組織的代謝呼吸，由生長(zhǎng)呼吸和維持呼吸組成，前者提供能量用于新組織的合成，后者提供能量保持或維持活細(xì)胞正常生命活動(dòng)[1]。樹(shù)干呼吸是林木代謝呼吸的重要組成部分，占GPP的12%～42%[2]。樹(shù)干呼吸是復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，其控制因子包括非生物因子(溫度、濕度、大氣CO2濃度、光合有效輻射和土壤養(yǎng)分等)和生物因子(如樹(shù)種、樹(shù)齡、徑階、林木含氮量和邊材厚度等)的影響[3]。樹(shù)干呼吸與組織中氮元素含量密切相關(guān)，由于植物組織中的氮都存在于蛋白質(zhì)中，因而其與氮含量的緊密聯(lián)系的原因在于蛋白質(zhì)含量及其周轉(zhuǎn)速率，Ryan[4]的研究證實(shí)了兩者之間的緊密關(guān)系，Maier[5]也發(fā)現(xiàn)火炬松樹(shù)干呼吸與林木氮含量呈正相關(guān)。

中國(guó)為全球三大氮沉降區(qū)之一，年均氮沉降達(dá)到12.9 kg ?hm-2a-1。其中，我國(guó)中南地區(qū)氮沉降最為嚴(yán)重，該區(qū)許多森林氮沉降量達(dá)到或超過(guò)歐洲森林氮飽和臨界值（25 kg ?hm-2a-1）[18]。由于氮元素與樹(shù)干呼吸之間的緊密聯(lián)系，氮沉降的升高可能會(huì)改變林木的樹(shù)干呼吸速率，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡造成影響。當(dāng)前，我國(guó)東北[6-8]、西雙版納[2,9]、廣東[10]等地已有關(guān)于森林樹(shù)干呼吸及其影響因子的研究，但尚未涉及氮添加條件下樹(shù)干呼吸的響應(yīng)情況。本研究采用人工氮添加設(shè)計(jì)，研究氮輸入升高條件下亞熱帶樟樹(shù)Cinnamomum camphora林、濕地松Pinus massoniana林樹(shù)干呼吸的響應(yīng)情況，研究結(jié)果有助于加深對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的認(rèn)識(shí)，為評(píng)測(cè)全球氣候變化背景下森林碳收支動(dòng)態(tài)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地概況

所選樟樹(shù)林為21 年生的人工林，平均樹(shù)高12.6 m，平均胸徑14.9 cm，郁閉度0.9；濕地松為35年生人工林，平均樹(shù)高21.72 m，平均胸徑22.92 cm，郁閉度0.9。所選林分位于湖南省森林植物園（113°02′E，28°06′N）；屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候, 年平均溫度17.2 ℃，1月平均溫度最低，為4.7 ℃；7月平均溫度最高，達(dá)29.4 ℃；無(wú)霜期270～300 d，年平均日照時(shí)數(shù)1 677.1 h，年平均降水量1 422 mm。

該地為典型紅壤丘陵區(qū)，海拔100 m左右，坡度在5°～15°之間；土壤類型為第四紀(jì)更新世的沖積性網(wǎng)紋紅土和砂礫。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)方案

2010年5月下旬進(jìn)行首次施氮，設(shè)置4個(gè)氮添加 水 平 ：CK、LN(5 g?m-2a-1)，MN(15 g?m-2a-1)、HN(30 g?m-2a-1)，添加氮素為NH4NO3。各施氮水平設(shè)置3個(gè)重復(fù)樣地，大小為20 m×20 m，樣地間保留10 m寬緩沖帶。將每個(gè)樣地需要的NH4NO3混合20 L自來(lái)水，采用噴霧器均勻噴灑至樣地，對(duì)照樣地僅施加20 L自來(lái)水。每年施氮分2次進(jìn)行[11]，分別于5月、10月等量施加。

1.2.2 測(cè)試項(xiàng)目與方法

樣地進(jìn)行每木檢尺，劃為大、中、小3個(gè)徑級(jí)，在各徑級(jí)范圍隨機(jī)選取3株生長(zhǎng)正常、外形圓滑的樣樹(shù)，于2011年9月上、中、下旬測(cè)定其樹(shù)干呼吸。測(cè)定儀器為L(zhǎng)i-6400便攜式CO2/H2O分析系統(tǒng)與Li-6400-09同化室。在選定的樣樹(shù)樹(shù)干南面離地1.3 m處安裝PVC連接環(huán)（H 5.0～6.0 cm、Φ 10.4 cm）。除去樹(shù)表皮、苔蘚等雜物(但避免傷及樹(shù)皮活組織)，將PVC呼吸環(huán)的一端打磨成與樹(shù)干表面相吻合的弧形，利用硅膠將呼吸環(huán)固定在樹(shù)干表面上，測(cè)定呼吸環(huán)所覆蓋的樹(shù)干表面積。利用注水法測(cè)定連接環(huán)體積，用于校正樹(shù)干呼吸。樹(shù)干呼吸測(cè)定時(shí)，采用數(shù)字溫度計(jì)同步測(cè)定連接環(huán)對(duì)側(cè)樹(shù)干1 cm深處的樹(shù)干溫度。

土壤全氮、樹(shù)干全氮含量采用元素分析儀測(cè)定（Elementar Vario MAX C&N，德國(guó)）。

銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的測(cè)定及計(jì)算見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

1.2.3 數(shù)值計(jì)算與分析

由于連接環(huán)及所測(cè)樹(shù)干表面積的不一致，需要對(duì)LI-6400所測(cè)樹(shù)干呼吸進(jìn)行校正。校正系數(shù)公式如下：

式中: V0為氣室體積（991.0 cm3）；VC為連接環(huán)體積；S0為氣室默認(rèn)面積（81.7 cm2）；SC為所測(cè)樹(shù)干表面積；D為連接環(huán)直徑（10.2 cm）；h為氣室沒(méi)入連接環(huán)深度。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析用SPSS13.0軟件。采用單因子方差分析，進(jìn)行不同處理樹(shù)干呼吸的比較。采用Pearson相關(guān)分析檢驗(yàn)樹(shù)干呼吸與土壤有效氮的關(guān)系。用Sigmaplot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮處理下樟樹(shù)、濕地松林的樹(shù)干呼吸

樟樹(shù)林的樹(shù)干呼吸為 1.49 μmol?m-2s-1，高于濕地松林（1.40 μmol?m-2s-1），但兩者間無(wú)顯著性差異（P=0.063）（見(jiàn)圖1）。樟樹(shù)林中，LN、MN、HN組的樹(shù)干呼吸為1.52、1.47及1.01 μmol ?m-2s-1；濕地松林 LN、MN、HN 組的樹(shù)干呼吸為 1.21、0.90、0.95 μmol? m-2s-1。施氮處理抑制了樟樹(shù)林和濕地松林的樹(shù)干呼吸（樟樹(shù)，LN組除外），且抑制作用存在隨施氮濃度增加而增大的趨勢(shì)，但無(wú)論是在樟樹(shù)林還是濕地松林中，不同處理組間的樹(shù)干呼吸無(wú)顯著差異。

2.2 施氮處理下土壤中可利用氮

在施氮處理下，樟樹(shù)林土壤中的銨態(tài)氮含量隨施氮濃度升高而增大；MN、HN處理土壤中銨態(tài)氮含量高于CK組，但LN處理土壤銨態(tài)氮含量小于CK（見(jiàn)表1）。濕地松林中銨態(tài)氮的狀況與樟樹(shù)林明顯不同，各處理組土壤中銨態(tài)氮含量為：CK＞LN＞MH＞HN，施氮減少了土壤中的銨態(tài)氮，且這作用隨施氮濃度的增高而增大。

圖1 施氮處理下樟樹(shù)、濕地松林的樹(shù)干呼吸Fig.1 Stem respiration in camphor and slash pine stand treated with nitrogen addition

施氮處理下，2種林分土壤中硝態(tài)氮含量均較對(duì)照組有所增大，總體趨勢(shì)為隨施氮濃度升高而增大。

施氮處理會(huì)增加2種林分的土壤pH值，土壤pH值隨施氮濃度的升高而增大，但各處理組間pH值無(wú)顯著差異。

表1 不同施肥處理下樟樹(shù)和濕地松林土壤中可利用氮的含量?Table 1 Contents of soil available nitrogen in camphor and slash pine stand treated with fertilization

2.3 樟樹(shù)和濕地松林土壤有效氮含量與樹(shù)干呼吸的關(guān)系

樟樹(shù)林和濕地松林的樹(shù)干呼吸與土壤中銨態(tài)氮含量均呈正相關(guān)（見(jiàn)表2），樟樹(shù)林中兩者相關(guān)性高于濕地松林；2種林分的樹(shù)干呼吸與硝態(tài)氮的含量均呈負(fù)相關(guān)。但2種林分樹(shù)干呼吸與土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。

表2 樟樹(shù)、濕地松林土壤有效氮含量與樹(shù)干呼吸的關(guān)系Table 2 Correlation of RW and soil available nitrogen in camphor and slash pine stand

3 討 論

研究地所處亞熱帶地區(qū)氮沉降現(xiàn)象十分嚴(yán)重，沉降量已達(dá)到或超過(guò)歐洲森林的氮飽和沉降臨界值，故而在研究區(qū)的氮添加試驗(yàn)有可能會(huì)造成土壤氮素飽和，引起土壤酸化等多種負(fù)面效應(yīng)，本研究中，2種林分中土壤pH值隨施氮濃度而降低，土壤出現(xiàn)輕微的酸化現(xiàn)象。根系對(duì)土壤中銨態(tài)氮的吸收是通過(guò)NH4+/H+途徑，土壤pH值的降低會(huì)抑制銨態(tài)氮的吸收[12]，導(dǎo)致組織內(nèi)氮素水平的降低。由于施氮往往只顯著改變新生枝和葉中氮素含量，對(duì)多年生枝、葉中氮含量影響不顯著[13]，而本研究中樹(shù)干呼吸的測(cè)定部位為1.3 m樹(shù)干處，所以施氮對(duì)樹(shù)干中氮素含量的影響有限，各施氮組間差異不顯著，這也體現(xiàn)在樹(shù)干呼吸與土壤有效氮間無(wú)顯著相關(guān)性上。氮添加可能會(huì)降低植物對(duì)根系的投入[14]，導(dǎo)致植物細(xì)根生物量的減少[15-16]，細(xì)根是主要的營(yíng)養(yǎng)吸收器官，細(xì)根的減少可能會(huì)引起其他營(yíng)養(yǎng)元素吸收的降低，抑制樹(shù)木的生命活動(dòng)。

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Effects of nitrogen addition on stem respiration in subtropical Cinnamomum camphora and Pinus massoniana forests

ZHENG Wei1,2, YAN Wen-de1,2, LIANG Xiao-cui1,2, ZHANG Chao1,2,ZHAO Liang-sheng1,2
(1. Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. National Engineering Lab. for Applied Technology of Forest & Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China)

The nitrogen input to terrestrial ecosystems caused by human activity increased quickly, and has affected carbon cycle in forest ecosystem in many aspects. In order to reveal the response of stem respiration in Cinnamomum camphora(camphor) and Pinus massoniana(slash pine) stand to megadose nitrogen addition, the maninduced nitrogen addition experiments has been conducted.With different nitrogen addition doses, such as CK 0 g?m-2a-1, LN, 5 g?m-2a-1; MN, 15 g?m-2a-1; HN，30 g?m-2a-1, the stem respirations of camphor and slash pine forests in subtropical zone were determined. The results show that nitrogen addition inhibited the stem respiration in camphor and slash pine stand. Generally, the inhibition enhanced with the increase of nitrogen concentration, however,there is no significant difference between the nitrogen addition groups. The correlation between stem respiration and soil available nitrogen content was not significant.

Cinnamomum camphora; Pinus massoniana; artifical nitrogen addition; stem respiration

S718.43；S792.23；S791.246

A

1673-923X(2012)11-0089-03

2012-10-10

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（200804030）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31070410）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（NCET-10-0151）；湖南省教育廳項(xiàng)目（湘財(cái)教字[2010]70號(hào)）；長(zhǎng)沙市科技局項(xiàng)目（K1003009-61）；中南林業(yè)科技大學(xué)青年科學(xué)研究基金重點(diǎn)項(xiàng)目(QJ2010008A)

鄭 威（1982-），男，河南安陽(yáng)人，博士，主要從事城市生態(tài)學(xué)研究

閆文德（1968-），男，甘肅武威人，教授，博士，主要從事生態(tài)學(xué)研究

[本文編校：謝榮秀]