滇中亞高山森林土壤有機(jī)碳組分對(duì)模擬氮沉降的響應(yīng)

尚旭冉,王克勤,宋婭麗,楊曉雨,鄭興蕊,潘 禹,潘天森

(西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650224)

工業(yè)革命以來(lái)，人類活動(dòng)導(dǎo)致的大氣氮沉降不斷增加[1]，引發(fā)一系列如植物豐富度減少、生物多樣性降低、土壤碳儲(chǔ)量減少以及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低等生態(tài)問(wèn)題[2-3].陸地生態(tài)系統(tǒng)碳與氮循環(huán)過(guò)程緊密耦合在一起，分別反映了能量和養(yǎng)分的流動(dòng)特征[4].陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力主要受氮素的限制，一定水平的大氣氮沉降輸入可以促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)，提高生態(tài)系統(tǒng)氮的可利用性，進(jìn)而提高生態(tài)系統(tǒng)碳氮的轉(zhuǎn)化速率[5].森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中覆蓋面積最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)[6]，受氮沉降的影響最為顯著；氮沉降的持續(xù)增加在一定程度上影響了森林土壤的養(yǎng)分循環(huán)，改變了生物地球化學(xué)循環(huán)中的碳平衡和養(yǎng)分平衡[7-9].因此，深入研究氮沉降對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響，對(duì)揭示未來(lái)大氣氮沉降影響下土壤有機(jī)碳組分的變化趨勢(shì)、完善碳氮循環(huán)的動(dòng)態(tài)平衡機(jī)制以及亞熱帶地區(qū)森林生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[10].

森林生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳組分受林齡、海拔、土壤微生物酶活性等因素的影響.例如，王心怡等[11]發(fā)現(xiàn)福建亞熱帶杉木人工林中，不同林齡對(duì)黏土團(tuán)聚體及有機(jī)碳具有影響顯著，不同林齡對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機(jī)碳的促進(jìn)效果為成熟林>幼齡林>中齡林.王海華等[12]研究發(fā)現(xiàn)氮沉提高了武夷山低海拔地區(qū)(650 m)常綠闊葉林的土壤微生物活性，微生物碳代謝升高，土壤有機(jī)碳累積礦化量和礦化速率提高.在長(zhǎng)白山興安落葉松林[13]和四川云杉人工林中[14]，低中水平氮提高了土壤有機(jī)碳(soil organic carbon,SOC)和水溶性有機(jī)碳(water soluble organic carbon,WSOC)含量，但中水平氮降低了易氧化有機(jī)碳(easily oxidized organic carbon,EOC)濃度；高濃度氮提高了EOC含量，但SOC和WSOC含量降低；土壤SOC的含量隨著氮濃度的增加呈先上升后下降的趨勢(shì).

從前人的研究可以看出，人為導(dǎo)致的氮沉降對(duì)土壤碳儲(chǔ)量演變方向及時(shí)空格局的影響具有極大不確定性[15]，同時(shí)對(duì)SOC各組分特征及相互關(guān)系的研究不夠深入.因此，本研究以滇中亞高山典型森林常綠闊葉林、高山櫟林(Quercussemicarpifolia)、云南松林(Pinusyunnanensis)和華山松林(Pinusarmandii)為研究對(duì)象，在模擬氮沉降條件下，研究不同氮沉降水平(0、5、15、30 g·m-2·a-1)持續(xù)施氮12個(gè)月后，對(duì)不同土層(0～10 cm和10～20 cm)土壤有機(jī)碳組分的影響，包括較少涉及的顆粒有機(jī)碳(particulate organic carbon,POC)和輕組分有機(jī)碳(light component organic carbon,LFC)，旨在揭示該區(qū)域不同森林生態(tài)系統(tǒng)在未來(lái)大氣氮沉降影響下土壤有機(jī)碳組分的變化趨勢(shì)，為我國(guó)亞熱帶地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的森林資源管理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省玉溪市新平縣磨盤山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站(23°46′18″—23°54′34″N，101°16′06″—101°16′12″E)，地處于云南高原南部邊緣，海拔1 260.0～2 614.4 m，年平均氣溫15.5～23.7 ℃，年降水量1 050 mm，屬于亞熱帶內(nèi)陸高原型氣候.土壤以第三紀(jì)古紅土發(fā)育的山地紅壤和玄武巖紅壤為主，高海拔地區(qū)有黃棕壤.磨盤山地區(qū)以中山半濕性常綠闊葉林為主的原生和次生原始森林區(qū)，森林覆蓋率達(dá)86%，分布有梭羅樹、楠木、野茶樹、樹蕨等高等植物98科137屬324種[16]，植被類型隨海拔的升高呈明顯的垂直分布特征.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取具有代表性的常綠闊葉林、高山櫟林、云南松林和華山松林，每個(gè)林分設(shè)置3個(gè)面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，在每個(gè)樣地中隨機(jī)設(shè)置4個(gè)3 m×3 m的小樣方，樣方間距大于10 m，各樣地特征如見表1.該地區(qū)年N沉降量為3.84 g·m-2·a-1，參照森林生態(tài)系統(tǒng)氮飽和研究[17]、大氣氮沉降監(jiān)測(cè)[18]、亞熱帶氮沉降處理的試驗(yàn)設(shè)置[19]和未來(lái)氮沉降的增加趨勢(shì)，設(shè)置對(duì)照、低(LN)、中(MN)、高(HN)4個(gè)氮沉降水平，分別為0、5、15、30 g·m-2·a-1.每個(gè)水平重復(fù)3次.使用N肥為NH4NO3溶液，從2018年1月開始，每月中旬對(duì)樣地施氮1次，持續(xù)12個(gè)月.具體方法是：將各水平所需NH4NO3溶解至750 mL水中，用噴霧器在該水平樣方中來(lái)回均勻噴灑，對(duì)照組噴灑等量清水.4種森林類型樣地概況及土壤基本理化性質(zhì)見表1和表2.

表1 磨盤山各森林類型樣地基本概況Table 1 Basic information of the sample plots in different forests of Mopan Mountain

表2 4種森林類型試驗(yàn)前土壤基本理化性質(zhì)1)Table 2 Basic physiochemical properties of soil in 4 types of forests before the experiment

1.3 土壤樣品的采集與測(cè)定

施氮1 a后，于2019年2月，按照多點(diǎn)混合采樣法用土鉆對(duì)各樣地進(jìn)行分層采樣，采樣深度分別為0～10和10～20 cm，不包括有機(jī)層.土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，剔除動(dòng)物殘?bào)w和根系，保存部分新鮮土樣于4 ℃冰箱用以測(cè)定土壤WSOC含量，其余自然風(fēng)干，粉碎后分別過(guò)2和0.25 mm篩，以測(cè)定土壤SOC、POC、EOC和LFC含量.土壤pH值采用電位法測(cè)定[20].

SOC采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[20]；POC采用六偏磷酸鈉分離法測(cè)定[21]；EOC采用高錳酸鉀氧化—比色法測(cè)定[22]；LFC采用密度浮選法測(cè)定[23]；WSOC采用硫酸亞鐵浸提法測(cè)定[24].

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用單因素、雙因素方差分析和獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，分析不同水平氮沉降下各林分類型不同土層各組分有機(jī)碳的差異，并用Pearson相關(guān)分析土壤各組分有機(jī)碳之間的相關(guān)性.所有數(shù)據(jù)處理和圖表繪制均使用Excel 2010和SPSS 25完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 氮沉降下土壤有機(jī)碳的變化特征

由圖1可得，隨著氮沉降水平的提高，常綠闊葉林、高山櫟林和華山松林SOC含量整體上呈上升趨勢(shì)；其中，常綠闊葉林SOC平均含量顯著增加，HN處理下SOC平均含量為CK的2.01倍；云南松林SOC含量呈先降低后升高的趨勢(shì).同一氮沉降水平下，4種林分土壤SOC含量均隨著土層深度的增加而降低，呈現(xiàn)出明顯的垂直遞減性.0～10 cm土層中，SOC平均含量為常綠闊葉林(65.19 g·kg-1)>高山櫟林(52.64 g·kg-1)>云南松林(38.53 g·kg-1)>華山松林(36.59 g·kg-1)；在10～20 cm土層中，SOC平均含量為高山櫟林(42.30 g·kg-1)>常綠闊葉林(28.24 g·kg-1)>華山松林(27.70 g·kg-1)>云南松林(21.56 g·kg-1).同一水平氮沉降下10～20 cm土層的SOC含量顯著低于0～10 cm土層，且MN處理時(shí)差值最大，0～10 cm土層SOC平均含量為10～20 cm土層的1.63倍.

不同小寫字母表示同一森林類型不同施氮水平間差異顯著，不同大寫字母表示同一施氮水平不同森林類型間差異顯著(P<0.05).圖1 不同水平氮沉降下土壤有機(jī)碳的含量特征Fig.1 Characteristics of soil organic content under different N deposition levels

2.2 氮沉降下土壤顆粒有機(jī)碳的變化特征

由圖2可知，隨著氮沉降水平的提高，常綠闊葉林和高山櫟林的POC含量逐漸升高，HN處理下達(dá)到最大值，POC含量分別為CK的1.16倍和0.65倍；華山松林POC含量先升高后降低，在MN處理達(dá)到最大值；云南松林POC含量先降低后升高，與SOC含量變化趨勢(shì)相同.0～10 cm土層中，POC含量為常綠闊葉林(42.70 g·kg-1)>高山櫟林(39.41 g·kg-1)>華山松林(29.32 g·kg-1)>云南松林(25.12 g·kg-1)；在10～20 cm土層中，POC含量為高山櫟林(22.21 g·kg-1)>常綠闊葉林(19.72 g·kg-1)>華山松林(17.95 g·kg-1)>云南松林(13.19 g·kg-1)，各林分POC含量在10～20 cm土層的變化規(guī)律與SOC一致.同一氮沉降水平下各林分0～10 cm土層的POC含量明顯高于10～20 cm土層，0～10 cm土層POC含量為10～20 cm土層的1.31倍.

不同小寫字母表示同一森林類型不同施氮水平間差異顯著，不同大寫字母表示同一施氮水平不同森林類型間差異顯著(P<0.05).圖2 不同水平氮沉降下土壤顆粒有機(jī)碳含量特征Fig.2 Characteristics of soil particulate organic carbon content under different N deposition levels

2.3 氮沉降下土壤易氧化有機(jī)碳的變化特征

由圖3可得，常綠闊葉林、云南松林在各水平氮沉降處理下土層間差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05).3種水平氮沉降均顯著提高了常綠闊葉林的EOC含量，其中HN的EOC含量比CK提高了27.22%.隨著氮沉降水平的增加，高山櫟林兩個(gè)土層EOC含量均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，而云南松林、華山松林各土層EOC含量均顯著增加，并在MN達(dá)到最高值.在0～10 cm土層中，EOC平均含量表現(xiàn)與POC一致，為常綠闊葉林(24.35 g·kg-1)>高山櫟林(22.23 g·kg-1)>華山松林(20.36 g·kg-1)>云南松林(12.24 g·kg-1)；在10～20 cm土層中，EOC含量為高山櫟林(21.48 g·kg-1)>華山松林(16.99 g·kg-1)>常綠闊葉林(14.49 g·kg-1)>云南松林(12.24 g·kg-1).4種林分在0～10 cm土層EOC含量大小關(guān)系與SOC、POC規(guī)律一致.在同一水平氮沉降下4種林分土壤EOC含量均為10～20 cm土層明顯低于0～10 cm土層，且在LN時(shí)相差最大，10～20 cm土層EOC含量比0～10 cm降低46.35%.

2.4 氮沉降下土壤輕組分有機(jī)碳的變化特征

由圖4可以看出，不同林分土壤LFC含量對(duì)氮沉降水平的響應(yīng)各不同，不同土層間LFC的變化無(wú)明顯規(guī)律.其中，常綠闊葉林LFC含量在MN處理下達(dá)到最高值(15.38 g·kg-1)，比CK提高17.49%；在HN處理下顯著降低，減少了63.64%.高山櫟林各土層LFC含量在LN、MN處理下顯著降低，在HN處理下達(dá)到最高值(22.15 g·kg-1).云南松林LFC含量隨著氮沉降水平的升高而降低.華山松林各土層LFC含量均在LN處理下較高，MN和HN處理間無(wú)顯著差異.在0～10 cm土層中，LFC平均含量表現(xiàn)為高山櫟林(20.92 g·kg-1)>常綠闊葉林(12.62 g·kg-1)>云南松林(5.12 g·kg-1)>華山松林(2.49 g·kg-1)；在10～20 cm土層中，LFC平均含量為常綠闊葉林(9.44 g·kg-1)>高山櫟林(6.20 g·kg-1)>云南松林(5.41 g·kg-1)>華山松林(1.39 g·kg-1).在同一水平氮沉降下4種林分土壤LFC含量均為10～20 cm土層明顯低于0～10 cm土層，且在LN處理下差值最大，0～10 cm土層LFC含量為10～20 cm土層的1.38倍.

不同小寫字母表示同一森林類型不同施氮水平間差異顯著，不同大寫字母表示同一施氮水平不同森林類型間差異顯著(P<0.05).圖3 不同水平氮沉降下土壤易氧化有機(jī)碳含量特征Fig.3 Characteristics of soil easily oxidized organic carbon content under different nitrogen deposition levels

不同小寫字母表示同一森林類型不同施氮水平間差異顯著，不同大寫字母表示同一施氮水平不同森林類型間差異顯著(P<0.05).圖4 不同水平氮沉降下土壤輕組分有機(jī)碳含量特征Fig.4 Characteristics of soil light component organic carbon content under different N deposition levels

2.5 氮沉降下土壤水溶性有機(jī)碳的變化特征

由圖5可以看出，3個(gè)水平的氮沉降均顯著提高了常綠闊葉林和云南松林的WSOC含量，HN處理下WSOC含量最高，分別為CK的1.83和0.45倍；華山松林和高山櫟林WSOC含量隨著氮沉降水平呈先降低后升高的趨勢(shì).0～10 cm土層，WSOC含量為華山松林(75.91 mg·kg-1)>云南松林(39.80 mg·kg-1)>高山櫟林(34.45 mg·kg-1)>常綠闊葉林(25.74 mg·kg-1)；10～20 cm土層各林分WSOC大小關(guān)系與0～10 cm一致，即華山松林(94.87 mg·kg-1)>云南松林(88.61 mg·kg-1)>高山櫟林(28.26 mg·kg-1)>常綠闊葉林(26.08 mg·kg-1).在同一水平氮沉降下4種林分土壤WSOC含量均為10～20 cm土層高于0～10 cm土層，且在HN時(shí)相差最大，10～20 cm土層WSOC含量比0～10 cm增加63.98%.

2.6 土壤有機(jī)碳各組分間相關(guān)關(guān)系

森林類型、氮沉降水平及其交互作用對(duì)土壤有機(jī)碳組分含量的影響程度不同(表3).在0～10 cm土層中，SOC、POC、EOC、LFC和WSOC含量主要受森林類型的影響，氮沉降對(duì)SOC、POC、EOC和WSOC含量的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，森林類型與氮沉降的交互作用對(duì)SOC、POC、EOC、LFC和WSOC含量的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01).在10～20 cm土層中，森林類型是SOC、EOC和WSOC含量的主要影響因素，森林類型與氮沉降的交互作用是POC和FLC含量的主要影響因素，森林類型、氮沉降和森林類型與氮沉降的交互作用均對(duì)SOC、POC、EOC、LFC和WSOC含量產(chǎn)生極顯著影響(P<0.01).

不同小寫字母表示同一森林類型不同施氮水平間差異顯著，不同大寫字母表示同一施氮水平不同森林類型間差異顯著(P<0.05).圖5 不同水平氮沉降下土壤水溶性有機(jī)碳含量特征Fig.5 Characteristics of soil WSOC under different nitrogen deposition levels

土層/cm差異來(lái)源SOCFPPOCFPEOCFPLFCFPWSOCFP0～10森林類型160.36<0.0168.36<0.0171.80<0.0157.22<0.011 613.50<0.01氮沉降19.39<0.0124.93<0.0115.39<0.012.52<0.1074.19<0.01森林類型×氮沉降20.48<0.0113.25<0.0111.55<0.0110.67<0.01339.19<0.0110～20森林類型73.63<0.0140.31<0.01155.22<0.011 249.91<0.012 518.86<0.01氮沉降36.20<0.0176.64<0.0124.17<0.0178.47<0.01541.03<0.01森林類型×氮沉降24.39<0.0140.46<0.0130.09<0.01533.98<0.01129.03<0.01

表4 土壤有機(jī)碳各組分間相關(guān)關(guān)系1)Table 4 Correlation between soil organic carbon components

由表4可以看出，SOC各碳組分相關(guān)性較高，其中SOC與POC、EOC、LFC呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與POC的相關(guān)性最高(0.885)；POC和EOC、LFC呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；WSOC與SOC、POC、LFC呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與EOC呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05).

3 討論

目前，關(guān)于氮沉降對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響主要分為3類：促進(jìn)、抑制或無(wú)顯著影響[25].本研究中12個(gè)月的施氮，在不同程度提高了常綠闊葉林和華山松林各土層的有機(jī)碳含量(P<0.05)，大部分指標(biāo)隨氮沉降水平提高呈上升趨勢(shì).然而HN處理下華山松林的SOC、POC、EOC、LFC含量略低于LN和MN，可能是由于持續(xù)施氮已造成土壤氮飽和，植物營(yíng)養(yǎng)單一而生長(zhǎng)受阻，超出了其吸收養(yǎng)分的閾限，因此在HN處理下，土壤各有機(jī)碳組分含量均有所下降.同時(shí)HN處理下華山松林土壤pH值降幅最大，由5.52降低到4.47(表5)，引起土壤酸化等諸多問(wèn)題[26]；土壤微生物活性與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[27]，土壤微生物活性降低，導(dǎo)致微生物代謝不平衡，抑制了其活動(dòng)，從而降低了華山松林土壤SOC、POC、EOC、LFC含量.而高山櫟林和云南松林各項(xiàng)指標(biāo)在HN處理下相較CK略有上升，可能是由于施加的N迅速被土壤微生物吸收利用，導(dǎo)致中低水平氮沉降下土壤各有機(jī)碳含量變化不明顯，在高水平氮沉降下卻略有提高.

本研究表明氮沉降對(duì)4種森林土壤有機(jī)碳含量具有顯著影響，不同森林類型對(duì)不同水平氮沉降響應(yīng)各不相同(圖1)，施氮后SOC含量變化為常綠闊葉林(66.75%)>華山松林(35.42%)>高山櫟林(26.58%)>云南松林(-20.62%).常綠闊葉林和高山櫟林SOC含量明顯高于華山松林和云南松林，這是由于常綠闊葉林和高山櫟林植被組成豐富、多樣性較高、凋落物輸入量高、群落內(nèi)溫濕環(huán)境穩(wěn)定[16]，導(dǎo)致土壤化學(xué)組成、凋落物數(shù)量、原有的養(yǎng)分有效性以及有機(jī)質(zhì)輸入不同，因此這兩種林分SOC含量比華山松林和云南松林高.但是高山櫟林施氮后SOC含量卻沒有顯著提高，這可能與氮沉降處理時(shí)間及SOC含量已達(dá)到本研究氮沉降的閾值有關(guān).HN處理顯著提高了常綠闊葉林SOC含量，為CK的2.01倍.研究表明，凋落物分解前期的速率受到養(yǎng)分含量、水溶性和結(jié)構(gòu)碳化合物含量的強(qiáng)烈影響[28].本試驗(yàn)周期1 a，尚處于凋落物分解前期，建議繼續(xù)觀測(cè)SOC變化規(guī)律.氮沉降可以促進(jìn)土壤表層凋落物的分解和腐殖質(zhì)的合成，腐殖質(zhì)又為土壤SOC的重要儲(chǔ)存形式[29-30]，因此SOC含量提高；同時(shí)高水平氮沉降也可通過(guò)影響土壤微生物的活性和組成直接影響土壤有機(jī)質(zhì)分解，或者通過(guò)促進(jìn)地上生物量，導(dǎo)致SOC的輸入高于損失[31]，最終提高了SOC含量.而MN處理對(duì)云南松林和華山松林SOC含量產(chǎn)生相反的影響，提高了華山松林SOC含量(44.57%)，降低了云南松林SOC含量(-29.43%)，這有可能是由于中高水平氮沉降持續(xù)輸入導(dǎo)致土壤氮飽和、土壤腐殖質(zhì)開始分解，使土壤SOC含量上升緩慢甚至出現(xiàn)下降趨勢(shì)[32].

本研究中，SOC與POC、EOC、LFC呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與WSOC呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明土壤活性有機(jī)碳的含量在很大程度取決于土壤有機(jī)碳的含量.土壤有機(jī)碳中的活性部分直接參與了土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，與土壤有機(jī)碳處于動(dòng)態(tài)平衡中，在一定條件下實(shí)現(xiàn)了相互轉(zhuǎn)化[33].POC、EOC、WSOC間兩兩相關(guān)，LFC與POC、WSOC呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明有機(jī)碳組分間關(guān)系密切，進(jìn)一步說(shuō)明SOC、EOC、POC、WSOC等可作為表征土壤碳庫(kù)的敏感因子，這與張華渝等[34]的研究結(jié)果一致.森林類型和氮沉降的變異分析表明，在0～10 cm土層中森林類型為主要影響因素，其次為林型與氮沉降的交互作用，隨著土壤深度增加，森林類型對(duì)于有機(jī)碳組分含量的主導(dǎo)作用減弱.本研究中，氮沉降下0～10 cm土壤有機(jī)碳組分含量的變異主要受森林類型的影響，其次為林型與氮沉降的交互作用.雖然受自身遺傳特性和生理機(jī)制影響，不同森林類型在進(jìn)行儲(chǔ)存C積累有機(jī)物時(shí)存在一定差異[35]，但是隨著土壤深度增加，森林類型對(duì)有機(jī)碳組分的主導(dǎo)作用減弱，在10～20 cm土層，林型與氮沉降的交互作用是POC和LFC含量的主要影響因素，森林類型則依舊是SOC、EOC、WSOC的主要影響因素.氮沉降和林型對(duì)土壤有機(jī)碳的交互作用受到凋落物分解速率、土壤微生物數(shù)量及酶活性等諸多種因素影響，今后研究應(yīng)集中于控制其他因素基礎(chǔ)上比較不同氮沉降水平對(duì)土壤有機(jī)碳的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化研究，將有助于研究區(qū)域不同森林生態(tài)系統(tǒng)在未來(lái)大氣氮沉降的影響下土壤有機(jī)碳組分的變化趨勢(shì)，為全球陸地碳循環(huán)途徑提供理論基礎(chǔ).