模擬氮磷沉降和凋落物處理對兩種林型紅松林土壤有機(jī)碳組分的影響

楊永超，段文標(biāo)，陳立新，曲美學(xué)，王亞飛，王美娟，石金永，潘 磊

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

土壤中的碳主要以有機(jī)碳的形態(tài)存在[1-2]，土壤有機(jī)碳(soil organic carbon，SOC)對改善土壤結(jié)構(gòu)與維持土壤穩(wěn)定起著重要作用[3-4]。活性有機(jī)碳主要由易氧化有機(jī)碳(easily oxidized organic carbon，EOC)組成，活性有機(jī)碳十分活躍，易轉(zhuǎn)化分解，能被植物快速吸收[5]。緩效有機(jī)碳主要由顆粒有機(jī)碳(particulate organic carbon，POC)和輕組有機(jī)碳(light fraction organic carbon，LFOC)組成，其穩(wěn)定性介于活性有機(jī)碳和惰性有機(jī)碳之間，周轉(zhuǎn)速度居中。惰性有機(jī)碳由重組有機(jī)碳(heavy fraction organic carbon，HFOC)和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(mineral bound organic carbon，MOC)組成，惰性有機(jī)碳極難分解，很難被氧化，穩(wěn)定性極強(qiáng)，可保證土壤有機(jī)碳長期穩(wěn)定存在[6]。土壤中的氮和磷是森林植物生長必需的營養(yǎng)元素，二者對土壤碳循環(huán)有重要影響[7-8]。氮磷沉降對土壤有機(jī)碳的影響各異[9-11]。凋落物是土壤有機(jī)碳的主要來源[12]。研究表明，凋落物可以通過多種途徑轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳，從而影響土壤有機(jī)碳的輸入和輸出以及碳循環(huán)的穩(wěn)定[13]，但去除或添加凋落物對土壤有機(jī)碳的影響尚無定論[14-16]。

紅松(Pinuskoraiensis)是我國東北東部山區(qū)主要的優(yōu)勢樹種[17]，在水土保持和生態(tài)平衡等方面起著重要作用[18-19]。但近幾十年來，持續(xù)的大量采伐，導(dǎo)致紅松林的覆蓋率以及土壤肥力有所下降。而氮磷沉降與凋落物處理對紅松林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響尚不清晰。因此，本研究以黑龍江省伊春市涼水國家級自然保護(hù)區(qū)紅松(Pinuskoraiensis)人工林與闊葉紅松林為對象，采用樣地設(shè)置、野外調(diào)查、模擬試驗等方法，闡明模擬不同劑量氮磷沉降和凋落物處理對兩種林型紅松林土壤有機(jī)碳組分的影響，為紅松林覆蓋率和土壤肥力的提高及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省伊春市帶嶺區(qū)涼水國家級自然保護(hù)區(qū)(128°47′08″～128°57′19″E，47°06′49″～47°16′10″N)，保護(hù)區(qū)總面積為6 394 hm2。該區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬長夏短，日照時長短，氣溫低，年均最高氣溫7.5 ℃，年均最低氣溫-6.6 ℃，極端最高氣溫38.7 ℃，極端最低氣溫-43.9 ℃；年均降水量676 mm。地帶性土壤為暗棕壤，土壤肥力較高，占全部區(qū)域總面積的85%[20]。主要森林類型是以紅松為主的針闊混交林，其他樹種有臭冷杉(Abiesnephrolepis)、紅皮云杉(Piceakoraiensis)等20余種。

1.2 試驗設(shè)計及樣品采集

2017年10月在伊春市帶嶺區(qū)涼水國家級自然保護(hù)區(qū)，選出闊葉紅松林和紅松人工林兩個林型。每個林型設(shè)置3塊20 m×30 m的樣地，并且每塊樣地間隔20 m。試驗樣地基本概況為紅松人工林位于海拔412～435 m的半陽坡下坡，坡度為7°～9°，其平均胸徑為21.1～23.5 cm，平均樹高為18.4～20.2 m，林分密度為1 300～1 475 株/hm2,郁閉度為0.70～0.80；闊葉紅松林位于海拔471～499 m的半陽坡上坡，坡度為15°，其平均胸徑為21.1～26.4 cm，平均樹高為15.0～18.1 m，林分密度為825～1 175株/hm2，郁閉度為0.50～0.70。

1.2.1 凋落物處理

于每塊樣地內(nèi)布設(shè)12個2 m×2 m的樣方(表1)。其中第1—4樣方，為保持地表原狀凋落物樣方(CK1)；第5—8樣方，為凋落物去除樣方(R)，小心有序清除樣方土壤表面上的凋落物及可見腐殖質(zhì)；第9—12樣方，為凋落物添加樣方(A)，即將5—8樣方去除的凋落物小心有序添加到9—12樣方內(nèi)，均勻平鋪到各個樣方原有的凋落物上。在每一樣方上，覆蓋尼龍絲網(wǎng)并用絲線縫制固定至塑料管框上。

1.2.2 氮磷沉降處理

根據(jù)當(dāng)?shù)叵募径嗄杲涤暧涗浺约皩鏊畤壹壸匀槐Ｗo(hù)區(qū)自然氮、磷沉降量的測定結(jié)果(全磷濕沉降通量為0.888 kg/hm2，全氮濕沉降通量為7.590 kg/hm2)[21-23]，依據(jù)自然氮磷沉降背景，并參考國際上同類研究的處理方法[24-25]，設(shè)置氮磷處理的強(qiáng)度和頻度。2018年與2019年的5—10月，按照設(shè)計的不同單位面積施肥量每月采用人工均勻噴灑的方式，進(jìn)行1次模擬氮磷沉降試驗。將需要噴施的氮磷肥按照其相應(yīng)的劑量溶解于2 L水中配置成不同處理水平(質(zhì)量濃度)的液體肥，在每個樣方內(nèi)均勻噴灑，對照則噴灑相同體積的溪水。

本研究分別使用(NH4)2SO4和(NH4)2HPO4作為氮源和磷源，模擬氮磷沉降處理設(shè)置4個水平，分別為無氮磷沉降處理(未施N、P，設(shè)為CK2)、低劑量氮磷沉降處理(N、P添加量均為5 g/m2，設(shè)為L)、中劑量氮磷沉降處理(N添加量為15 g/m2、P添加量為10 g/m2，設(shè)為M)和高劑量氮磷沉降處理(N添加量為30 g/m2、P添加量為20 g/m2，設(shè)為H)，每個水平設(shè)定3個重復(fù)。考慮到模擬氮磷沉降會影響兩種林型紅松林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)，因而氮磷沉降的初年(2018年)和次年(2019年)土壤各組分有機(jī)碳的動態(tài)特征會出現(xiàn)差異，所以分試驗第1年(2018年)和第2年(2019年)進(jìn)行分析。試驗樣地處理設(shè)計表見表1。

表1 氮磷沉降處理與凋落物處理樣地設(shè)計表Table 1 Design of N and P deposition treatment and litter treatment

1.2.3 樣品采集

2018和2019年的5、8和10月在紅松人工林和闊葉紅松林樣地的每個樣方內(nèi)，隨機(jī)選取3個30 cm×30 cm的取樣點(diǎn)，在每個取樣點(diǎn)采集0～20 cm土壤樣品，挑出土壤中的植物根系和大于2 mm的石塊，然后把土樣放到陰涼通風(fēng)處，待自然風(fēng)干后，用粉碎機(jī)與研缽對其進(jìn)行研磨，然后分別用孔徑2.000、0.250、0.450和0.149 mm的篩將土壤樣品過篩，裝入寫好編號的密封袋中供測定用。

1.3 測定方法及數(shù)據(jù)處理

土壤輕組有機(jī)碳(LFOC)和重組有機(jī)碳(HFOC)的提取采用相對密度分組方法[26]，顆粒有機(jī)碳(POC)和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(MOC)的提取采用Six等[27]的物理分組方法，土壤總有機(jī)碳(TOC)及上述各組分有機(jī)碳含量的測定采用TOC元素分析儀(Elementar Vario TOC，德國)進(jìn)行測定[28]，易氧化有機(jī)碳(EOC)采用KMnO4氧化法提取并測定其含量[29]。

使用Excel 2019對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 21.0中的多因素方差分析和差異顯著性檢驗(LSD法，α=0.05)分析模擬氮磷沉降(N、P)和凋落物處理(L)對試驗第1年和第2年兩種林型紅松林土壤有機(jī)碳組分的影響，用Canoco 5.0的冗余分析(RDA)對模擬氮磷沉降處理與凋落物處理的交互作用對土壤有機(jī)碳組分的影響因素進(jìn)行分析、排序，選出對土壤有機(jī)碳組分影響最顯著的組合。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮磷沉降和凋落物處理對紅松林土壤有機(jī)碳組分的影響

經(jīng)方差分析可知(表2)，試驗第1年氮磷沉降處理(NP)與凋落物處理(L)對土壤顆粒有機(jī)碳無顯著影響，對其他土壤有機(jī)碳組分影響顯著；林型(F)、月份(M)對土壤有機(jī)碳組分均有顯著影響。

表2 試驗第1年氮磷沉降和凋落物處理對紅松林土壤有機(jī)碳組分的影響Table 2 Effects of N and P deposition and litter treatments on SOC components in Pinus koraiensis forest in the first year of experiment

經(jīng)多因素方差分析可知(表3)，試驗第2年林型(F)、月份(M)對土壤有機(jī)碳組分均有顯著影響，而氮磷沉降處理(NP)與凋落物處理(L)對土壤有機(jī)碳組分卻均無顯著影響。

表3 試驗第2年氮磷沉降和凋落物處理對紅松林土壤有機(jī)碳組分的影響Table 3 Effects of N and P deposition and litter treatments on SOC components in Pinus koraiensis forest in the second year of experiment

2.2 林型、月份、凋落物和氮磷沉降對土壤有機(jī)碳組分的影響

林型、月份、凋落物和氮磷沉降處理對土壤有機(jī)碳組分的影響分析見圖1。由圖1a與圖1b可知，在試驗進(jìn)行的兩年中，闊葉紅松林土壤相較于紅松人工林更利于各組分有機(jī)碳的積累。土壤礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(MOC)、易氧化有機(jī)碳(EOC)和總有機(jī)碳(TOC)呈先上升后下降趨勢，因而在8月積累量最大。凋落物去除與添加處理對土壤重組有機(jī)碳(HFOC)、礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(MOC)、EOC和TOC均無影響。試驗第1年，低劑量氮磷沉降處理可顯著提高土壤HFOC、顆粒有機(jī)碳(POC)、EOC和TOC含量，高劑量氮磷沉降處理則顯著提高土壤輕組有機(jī)碳(LFOC)含量；試驗第2年，中劑量氮磷沉降處理對土壤HFOC、POC、MOC和TOC含量的提升效果最為顯著。

Ma、Au、O.5、8和10月 May,August and October；P、B.紅松人工林和闊葉紅松林 Pinus koraiensis plantation and broad-leaved P. koraiensis forests；CK1、R、Ad.凋落物原狀、去除和添加unchanged,removal and addition litter；CK2、L、Me、H.無、低劑量、中劑量和高劑量氮磷沉降no,low,middle and high dose N and P deposition。下同。The same below.圖1 試驗第1年和第2年林型、月份、凋落物和氮磷沉降處理對土壤有機(jī)碳組分的影響Fig.1 Effects of SOC components under forest type,month,litter and N and P deposition in the first and second years of experiment

2.3 凋落物和氮磷沉降處理的交互作用對土壤有機(jī)碳組分的影響

試驗第1年各月氮磷及凋落物處理的交互作用對土壤有機(jī)碳組分的影響見圖2。由圖2a可知，試驗第1年5月紅松人工林的凋落物原狀和去除處理下，高劑量氮磷沉降處理后的EOC、POC、LFOC含量均比CK2顯著上升；而凋落物添加處理中，上述有機(jī)碳組分含量則呈下降趨勢，這表明凋落物添加會抑制高劑量氮磷沉降處理對上述3種有機(jī)碳的積累。

由圖2d可知，試驗第1年5月闊葉紅松林的凋落物原狀和去除處理下，高劑量氮磷沉降處理會顯著降低HFOC和MOC含量；而在凋落物添加處理中，高劑量氮磷添加則會顯著提高這兩組分有機(jī)碳含量，這說明凋落物添加有利于高劑量氮磷沉降處理下2種有機(jī)碳的積累。

由圖2b可知，試驗第1年8月紅松人工林的凋落物原狀和添加處理下，經(jīng)高劑量氮磷沉降處理后POC、LFOC、EOC、TOC含量均比CK2顯著下降；而在凋落物去除處理中，經(jīng)高劑量氮磷沉降處理后其含量呈上升趨勢，這證實了凋落物去除可以增加高劑量氮磷沉降處理下4種有機(jī)碳的含量。

由圖2e可知，試驗第1年8月闊葉紅松林的凋落物添加和去除處理下，高劑量氮磷沉降處理顯著提高了TOC、EOC、LFOC含量；而在凋落物原狀處理中，卻與之相反，這反映了保持凋落物原狀可以增加高劑量氮磷沉降處理下上述有機(jī)碳的含量。

由圖2c可知，試驗第1年10月紅松人工林的凋落物原狀和添加處理下，高劑量氮磷沉降處理會顯著降低LFOC和POC含量；而在凋落物去除處理中，卻與之相反，這說明凋落物去除可以增加高劑量氮磷沉降處理下上述有機(jī)碳的含量。

a、b、c.5、8和10月紅松人工林 Pinus koraiensis plantation in May,August and October；d、e、f.5、8和10月闊葉紅松林 broad-leaved P. koraiensis forests in May,August and October。下同。The same below.圖2 試驗第1年各月紅松林氮磷沉降及凋落物處理的交互作用對土壤有機(jī)碳組分的影響Fig.2 Effects of monthly N and P deposition and litter treatment on SOC components in Pinus koraiensis forest in the first year of experiment

由圖2f可知，試驗第1年10月闊葉紅松林的凋落物原狀和去除處理下，高劑量氮磷沉降處理后的HFOC和TOC含量均發(fā)生了顯著的下降；而在凋落物添加處理中卻發(fā)生了顯著的上升，這表明凋落物添加會促進(jìn)高劑量氮磷沉降處理下二者的積累。

試驗第2年各月氮磷及凋落物處理的交互作用對土壤有機(jī)碳組分的影響見圖3。由圖3a可知，試驗第2年5月的紅松人工林的凋落物原狀和去除處理下，高劑量氮磷沉降處理后的LFOC、TOC、EOC、MOC、POC含量均高于無氮磷沉降處理；而在凋落物添加處理中，呈現(xiàn)相反的趨勢，這說明凋落物添加會抑制高劑量氮磷沉降處理下上述有機(jī)碳的增加。

由圖3d可知，試驗第2年5月的闊葉紅松林的凋落物添加和去除處理下，高劑量氮磷沉降處理后的LFOC、TOC、EOC、MOC含量均發(fā)生顯著的下降；而在凋落物原狀處理中，卻完全相反，這反映了凋落物原狀有利于高劑量氮磷沉降處理下4種有機(jī)碳的積累。

由圖3b可知，試驗第2年8月紅松人工林的凋落物原狀和添加處理下，高劑量氮磷沉降處理后的TOC、LFOC、MOC含量均比CK2顯著提升；而在凋落物去除處理中，卻與之相反，這表明凋落物去除可以降低高劑量氮磷沉降處理下3種有機(jī)碳的含量。

由圖3e可知，試驗第2年8月的闊葉紅松林的凋落物原狀和添加處理下，高劑量氮磷沉降處理會抑制TOC、LFOC、MOC、HFOC、EOC含量的積累；而在凋落物去除處理中，卻出現(xiàn)了相反的現(xiàn)象，這證實凋落物去除可以增加高劑量氮磷沉降處理下上述有機(jī)碳的含量。

由圖3c可知，試驗第2年10月的紅松人工林的凋落物原狀和去除處理下，高劑量氮磷沉降處理后有利于HFOC、TOC、MOC含量的積累；而在凋落物添加處理中，卻出現(xiàn)了完全不同的現(xiàn)象，這揭示凋落物添加會抑制高劑量氮磷沉降處理下3種有機(jī)碳的積累。

由圖3f可知，試驗第2年10月闊葉紅松林的凋落物添加和去除處理下，高劑量氮磷沉降處理會降低HFOC、TOC、EOC、MOC含量；而在凋落物原狀處理中，卻完全不同，這表明凋落物原狀會增加高劑量氮磷沉降處理下4種有機(jī)碳的含量。

圖3 試驗第2年各月紅松林氮磷沉降及凋落物處理的交互作用對土壤有機(jī)碳組分的影響Fig.3 Effects of monthly N and P deposition and litter treatment on SOC components in Pinus koraiensis forest in the second year of experiment

兩年試驗結(jié)果均表明，凋落物處理和氮磷沉降處理對土壤各組分有機(jī)碳含量均有不同的影響，但兩種處理對各組分有機(jī)碳的影響并非簡單的累計關(guān)系，二者間有顯著的交互作用，具體表現(xiàn)為不同凋落物處理中，隨著氮磷沉降劑量的提高，土壤各組分有機(jī)碳含量的變化呈現(xiàn)完全不同的趨勢。

3 討 論

3.1 林型、月份、凋落物和氮磷沉降的影響

土壤有機(jī)碳組分的變化受多種因素的影響[30-31]，在本研究中，闊葉紅松林對各土壤有機(jī)碳組分的影響均大于紅松人工林。這是由于人工林的凋落物完全由紅松的針葉構(gòu)成，針葉分解的速度較慢[32]。而闊葉林凋落物種類豐富，除針葉外還有少部分闊葉，闊葉林分泌物量增多，增加了土壤有機(jī)碳的來源[33]。8月的礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和總有機(jī)碳含量最高。這是因為，小興安嶺南部屬于大陸性季風(fēng)氣候，氣候特點(diǎn)為冬季嚴(yán)寒干燥，夏季高溫多雨[34]。在本研究中，高溫和雨水充足增強(qiáng)了植物和微生物活動，從而表現(xiàn)為8月的礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和總有機(jī)碳含量最高。與相關(guān)研究相比[35]，凋落物去除與添加處理對礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳、重組有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和總有機(jī)碳無影響。這是由于凋落物去除降低了微生物的能量來源和有機(jī)碳的輸入，而凋落物添加導(dǎo)致微生物增加，其競爭變得激烈，使得有機(jī)碳的輸入降低[36]。試驗的2年中，氮磷沉降處理對土壤有機(jī)碳影響各異。這是因為在土壤中生活著各種各樣的土壤動物、微生物，它們對生活環(huán)境的需求不同[37]，不同劑量的氮磷添加處理會使它們的生命活動受到不同的影響，從而影響有機(jī)碳含量的變化[38]。

3.2 氮磷沉降和凋落物處理的交互作用

研究發(fā)現(xiàn)在試驗第1年，土壤易氧化有機(jī)碳、總有機(jī)碳、重組有機(jī)碳、礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳含量在凋落物添加處理下，無氮磷沉降處理均高于高劑量氮磷沉降處理。這與陳靜文[15]的結(jié)果相同，這是因為，高劑量氮磷沉降處理與凋落物添加處理均能夠促進(jìn)微生物的活性，使土壤動物、微生物的數(shù)量快速增加，這增加了土壤動物、微生物用于呼吸作用消耗的有機(jī)碳，從而減少了有機(jī)碳的含量[39]。土壤顆粒有機(jī)碳含量在凋落物去除處理下，無氮磷沉降處理均高于高劑量氮磷沉降處理。這與林保平等[40]的研究結(jié)果相同。這是因為，雖然高劑量氮磷沉降處理會促進(jìn)微生物的活性[41]，但凋落物是土壤有機(jī)碳的來源，去除凋落物等同于減少了有機(jī)碳的輸入；而且會導(dǎo)致土壤動物、微生物凋落物數(shù)量減少，使有機(jī)碳含量下降[42-43]。在試驗第2年，土壤各有機(jī)碳組分含量在凋落物去除處理下，無氮磷沉降處理均低于高劑量處理。這與付淑月等[44]的研究結(jié)果一致，這是因為凋落物的去除會使地表溫度降低導(dǎo)致植物根系、土壤動物微生物死亡，從而增加有機(jī)碳含量[45]。另外，高劑量氮磷沉降處理會促進(jìn)凋落物分解與植物生長、微生物的活性從而增加有機(jī)碳來源的輸入[46-47]。