氮添加對(duì)沂蒙山區(qū)麻櫟和黑松林土壤碳固存的影響

楊 柳 李利萍 張義群 丁 彬 劉 琳 田會(huì)梅

（1.山東省林業(yè)保護(hù)和發(fā)展服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省林草種質(zhì)資源中心（山東省藥鄉(xiāng)林場），山東 泰安 271043；3.黃河下游森林培育國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，山東泰安 271018）

隨著工業(yè)革命和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，由于化石燃料的燃燒和農(nóng)業(yè)中化肥的使用，大氣中的氮排放量急劇增加。中國現(xiàn)在正在成為世界三大氮沉降區(qū)之一，并且預(yù)計(jì)氮沉降量將繼續(xù)增加。我國年平均氮沉降量為12.9 kg hm-2yr-1，而山東省的氮沉降量為23.6 kg hm-2yr-1，遠(yuǎn)高于我國平均氮沉降量（陳紅等，2019）。并且沂蒙山區(qū)是受到氮限制比較強(qiáng)烈的地區(qū)，其生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氮的增加特別敏感。

氮沉降通過增加土壤氮素有效性，從而影響有機(jī)質(zhì)的分解。這對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳循環(huán)和碳固存具有重要意義。研究表明，氮沉降可顯著減少土壤微生物的生物量和豐度，減緩?fù)寥篮粑档屯寥烂富钚?，從而增加土壤?duì)碳的吸收（汲常萍等，2014）。

土壤碳匯對(duì)氮沉降的響應(yīng)主要受土壤微生物調(diào)控。氮沉降會(huì)通過改變土壤理化生物性質(zhì)（如氮的有效性、土壤酸化、堿基陽離子組成等）直接影響土壤微生物多樣性，還可以通過陸地植被的生理和生態(tài)反應(yīng)間接影響土壤微生物（樊后保等，2008）。研究表明，土壤微生物通過多種胞外酶，參與元素的生物化學(xué)循環(huán)，影響土壤碳的周轉(zhuǎn)（周正虎等，2016）。研究表明，在森林生態(tài)系統(tǒng)中，氮沉降能夠明顯提高β-1，4-N-acetyl-glucosaminidase（βG）的活力。這會(huì)加速土壤碳的周轉(zhuǎn)，并影響土壤碳固存（魯顯楷等，2019）。因此本研究通過探究土壤碳匯對(duì)模擬氮沉降的響應(yīng)，以期為預(yù)測未來碳匯變化提供理論依據(jù)。

1.材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地于沂蒙山區(qū)國有大洼林場（35°32′46″N，117°54′47″E）。當(dāng)?shù)貙倥瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，年均氣溫13.2 ℃，年均降雨量750 mm，無霜期約196天。母巖多為花崗片麻巖和石灰?guī)r，土壤以棕壤土和褐土為主，pH 5.0~7.0。當(dāng)?shù)刂饕獮槁闄盗郑?Quercus acutissima Carruth.）和黑松林（ Pinus thunbergii Parl.）。林下灌木主要有荊條（Vitex negundo），草本覆蓋主要有京芒草（Achnatherum pekinense）和沿階草（Ophiopogon bodinieri）等。樣地概況如下（表1）。

表1 麻櫟和黑松樣地概況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2020年10月21日在大洼林場選擇坡向、坡度相似且相對(duì)平坦、林分密度相對(duì)均勻的兩種具有代表性的麻櫟林和黑松林作為研究對(duì)象。根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿獾两当尘爸道帽对龇ㄟM(jìn)行模擬氮沉降。共設(shè)置4個(gè)氮添加處理，分別為：對(duì)照（0 kg N hm-2yr-1，CK），低氮添加（50 kg N hm-2yr-1，LN），中氮添加（100 kg N hm-2yr-1，MN），高氮添加（200 kg N hm-2yr-1，HN），每種處理均設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)林分共12個(gè)樣方。為減少樣方之間因?yàn)榈砑犹荻榷a(chǎn)生的相互干擾，樣方至少間隔10m。模擬氮沉降于2020年10月28日開始，每隔兩個(gè)月一次。模擬氮沉降時(shí)將NH4NO3溶于水后采用背式噴霧器均勻噴灑對(duì)應(yīng)的處理樣方（各樣方施氮面積9 m2）。為避免額外降水導(dǎo)致的差異，對(duì)對(duì)照（CK）樣方噴灑同樣體積的水。除施氮水平不同外，其他措施保持一致。

1.3 土壤取樣及實(shí)驗(yàn)室分析

在2021年1月1日、3月4日、4月16日、7月6日、9月8日、10月28日，在各樣方中利用五點(diǎn)取樣法，采集0~20cm土壤樣品。同時(shí)，在樣方內(nèi)挖土壤剖面并以環(huán)刀取0-20cm土層的原狀土。土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，剔除石塊及動(dòng)植物殘?bào)w，將土樣分成兩部分，一份放入冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室過2mm篩，放入低溫冰箱冷藏保存并在一星期內(nèi)測完土壤酶活性。另一份自然風(fēng)干，過100目篩，用于測定元素含量。原狀土帶回實(shí)驗(yàn)室后于105℃烘干至恒重利用環(huán)刀法測定土壤容重。土壤碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定。土壤β-1，4-N-acetyl-glucosaminidase（βG）酶活性采用酶標(biāo)儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤有機(jī)碳密度（kg/m2）利用公式（1）計(jì)算：

使用SPSS 22.0、Office 2019、和Canoco 5.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使用Origin 2018和R語言作圖。

2.結(jié)果與分析

2.1 氮沉降對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

麻櫟的CK、LN、MN和HN土壤有機(jī)碳分別平均為3.24±0.49%、3.05±0.47%、3.32±0.49%和3.53±0.48%（圖1）。黑松的CK、LN、MN和HN土壤有機(jī)碳含量平均3.62±0.53%、3.75±0.46%、3.79±0.43%和3.86±0.39%。隨著不同濃度的氮的添加，麻櫟林分中，中氮和高氮處理的平均有機(jī)碳含量有輕微的增加，在黑松林分施氮處理的有機(jī)碳的平均含量都高于對(duì)照。

圖1 麻櫟（A）和黑松（B）土壤有機(jī)碳變化

2.2 氮沉降對(duì)土壤βG酶活性的影響

麻櫟土壤βG酶活性表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化（表2），在7月份的達(dá)到峰值，麻櫟低氮處理除了在9月份的時(shí)候?qū)γ富钚詻]有顯著影響，在其余月份都顯著高于對(duì)照處理，麻櫟中氮處理在1月和10月酶活性顯著高于對(duì)照處，麻櫟高氮處理除了在3月和9月對(duì)酶活性無顯著影響，在剩下的采樣月份中都顯著高于對(duì)照處理，各 處理平均酶活性大小排序?yàn)長N（10.82 nmol·g-1·h-1）>HN（7.58 nmol·g-1·h-1）>MN（6.32 nmol·g-1·h-1）>CK（4.00 nmol·g-1·h-1）。黑松βG酶活性在4月份的達(dá)到峰值21.45 nmol·g-1·h-1。黑松低氮和中氮處理除了3月和4月，在其余月份都顯著高于對(duì)照處。黑松高氮處理除了在3月對(duì)酶活性無顯著影響，在剩下的采樣月份中都顯著高于對(duì)照處理。各處理平均酶活性大小排序?yàn)镠N（18.08 nmol·g-1·h-1）>LN（14.64 nmol·g-1·h-1）>MN（13.40 nmol·g-1·h-1）>CK（10.45 nmol·g-1·h-1）。

表 2 麻櫟（A）和黑松（B）土壤βG酶活性變化

2.3 氮沉降對(duì)麻櫟和黑松土壤碳密度的影響

在模擬氮沉降一年后，各處理土壤有機(jī)碳密度差異不顯著。氮沉降均會(huì)促進(jìn)麻櫟林土壤有機(jī)碳分解，降低土壤有機(jī)碳密度。具體表現(xiàn)為 MN（0.7823gm-2）

圖3 麻櫟（A）和黑松（B）土壤有機(jī)碳密度

3.討論

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳主要來自于凋落物分解。而土壤有機(jī)碳的主要損失途徑為微生物利用有機(jī)碳過程中呼吸作用釋放的CO2（徐小鋒等，2007）。因此本研究中氮添加對(duì)土壤有機(jī)碳密度的影響，主要是通過影響凋落物分解和酶活性實(shí)現(xiàn)的。研究表明，凋落葉基質(zhì)組分和環(huán)境條件是調(diào)節(jié)分解的關(guān)鍵因素，而氮添加通過直接調(diào)節(jié)微生物活動(dòng)，改變土壤理化特征，進(jìn)而導(dǎo)致凋落物的分解和土壤碳循環(huán)（邱爾發(fā)等， 2005）。在本研究中，模擬氮沉降處理土壤有機(jī)碳含量均高于對(duì)照處理，說明氮沉降會(huì)促進(jìn)凋落物分解，增加土壤有機(jī)碳庫的來源（楊玉盛等，2004）。在本研究中，氮沉降一年后會(huì)促進(jìn)麻櫟林土壤有機(jī)碳分解，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳密度降低。而氮沉降則會(huì)促進(jìn)黑松林土壤有機(jī)碳固存。這可能是由于麻櫟的闊葉屬于優(yōu)質(zhì)碳源，隨著優(yōu)質(zhì)碳源的輸入可能會(huì)引起土壤激發(fā)效應(yīng)，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳以CO2的形式損失，從而降低了麻櫟土壤有機(jī)碳密度（王棣等，2015）。而黑松由于凋落物木質(zhì)素含量較高，難以分解并以有機(jī)碳的形式固存在土壤中（馬志良等，2015）。

4.結(jié)論

氮沉降會(huì)促進(jìn)凋落物分解從而增加土壤有機(jī)碳庫的來源。但根據(jù)凋落物本身性質(zhì)的差異，氮沉降并不一定會(huì)提高有機(jī)碳密度，促進(jìn)土壤碳固存。在本研究中表現(xiàn)為，氮沉降會(huì)導(dǎo)致麻櫟土壤有機(jī)碳密度降低，同時(shí)會(huì)提高黑松林的土壤有機(jī)碳密度。