改变碳源输入对针阔叶混交林土壤氮矿化的影响

李茂金，闫文德,2，李树战，赵大勇，多祎帆

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004）

改变碳源输入对针阔叶混交林土壤氮矿化的影响

李茂金1，闫文德1,2，李树战1，赵大勇1，多祎帆1

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004）

为了解不同碳输入对混交林土壤中有效氮含量及氮矿化速率的影响，采用树脂芯原位测定法对马尾松+樟树混交林不同处理（添加凋落物、去除凋落物、去根、去根添加凋落物、去根去除凋落物）下的土壤氮矿化进行研究。结果表明：5种处理下土壤累计净氮矿化量为添加凋落物（12.10 mg/kg）＞去根添加凋落物（6.03 mg/kg）＞去根（0.96 mg/kg）＞去除凋落物（-0.46 mg/kg）＞去根去除凋落（-0.63 mg/kg）；、含量在培养前后均发生了显著变化；培养后，含量在添加凋落物、去除凋落物、去根、去根去除凋落物4种处理之间差异显著(P＜0.05)；各处理之间含量差异显著(P＜0.05)。研究结果为揭示亚热带森林生态系统氮循环机理提供科学依据。

针阔叶混交林；凋落物；氮矿化；树脂芯法

氮素是植物需求量最大的营养元素，同样也是植物生长发育必须的元素。在土壤中的氮素99%以上都以有机形式的氮存在，而这种形式的氮素不能直接被植物吸收，需要经过微生物的矿化作用将其转化为有效态的氮。氮矿化速率决定了土壤中用于植物生长的氮素的可利用性，是森林生态系统氮素循环最重要的过程之一。研究森林土壤中、的矿化速率及影响其矿化作用的因素对于了解森林生态系统生产力、氮素的循环与转化具有重要的意义[1]。

近年来，国际和国内对氮矿化的研究逐步深入，包括不同因素对土壤氮矿化的影响、土壤之间氮矿化的作用[2-4]、森林群落的氮矿化速率及其影响因子[5-8]、土壤氮矿化对气候变化的响应[9-10]等。尽管已经开展了大量研究，但到目前为止对土壤氮矿化动态仍然存在许多认识上的不足，特别是不同生态系统中，对于氮矿化作用的影响因素还未形成一致的结论[2,11-12]。在中国，对土壤氮矿化也进行了较为广泛的研究，但对亚热带森林生态系统土壤氮矿化的研究还不多，尤其是对针阔叶混交林群落土壤的氮矿化作用鲜见报道。针阔叶混交林的生态功能较为丰富[13]，不仅能改善森林的生态环境，调节林内温度，还能够降低蒸发强度，提高林内的相对湿度，减小林内风速，改善土壤N、P及有机质的含量[14-15]。因此，本研究以马尾松樟树混交林为研究对象，通过树脂芯法[16]在原位测定氮矿化的速率，并且在测定结果的基础上分析关键的环境要素与土壤氮矿化速率的关系，揭示土壤氮素矿化特征，认识针阔混交林生态系统土壤氮循环的机制，以期为亚热带不同森林生态系统碳氮循环机制研究提供重要的参考资料。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

试验样地位于湖南省森林植物园，113°02′～113°01′E，28°06′～ 28°07′N，海拔 46 ～ 114 m，坡度5°～25°，核心区面积约4 356 hm2。年平均气温17.2℃，1月最冷，平均4.7℃，极端最低温度-11.3℃；7月最热，平均气温29.4℃，极端最高气温40.6℃；无霜期为270～300 d，日照时数年均1 677.1 h；雨量充沛，年平均降水量1 422 mm，属典型的亚热带湿润季风气候。其地层主要是第四纪更新世的冲积性网纹红土和砂砾，属典型红壤丘陵区。园内植物种类多达2 200余种，且小生境众多，植被以人工次生林为主。

1.2 试验材料

选择树龄相同或相近的马尾松和樟树人工混交林作为研究对象，林内8:00平均气温为27.64℃，地下5 cm土壤平均温度26.8℃，最高与最低5 cm土壤温度相差4℃，湿度变化幅度3%。试验处于湖南雨热同期的7、8月份，试验样地的土壤温度和湿度是一年中最高的时期。林内土壤理化性质见表1。其主要成分为以马尾松Pinus massonsiana和樟树Cinnamomum camphora为主，林下植被有青冈Cyclobalanopsis glauca、大青Cleredendrum cwtophyllum、白栎Quercus fabri、山矾Symplocos caudate、 苦 槠Castanopsis sclerophylla、 毛 泡桐Paulowwnia tomentosa等；草本植物有淡竹叶Lophatherum sinense、鸡矢藤Paederia scandens、酢浆草Oxalis. comiculata、商陆Phytolacca acinosa和肾蕨Nephrolepis auriculata等。

表1 樟树马尾松混交林土壤理化性质†Table 1 Soil physical and chemical properties in camphor-slash pine mixed forest ecosystem

1.3 研究方法

1.3.1 样地设置

2010年7月初，在森林植物园内选取樟树马尾松人工混交林群落，分别设置添加凋落物(LAR)、去除凋落物(LRR)、去根添加凋落物(LANR)、去根(СNR)、去根去除凋落物(LRNR)5种处理和对照(СR)，每种处理设置3个小区，共18个小区，每个小区大小为3 m×4 m，小区间距1～5 m。

（1）添加凋落物的处理：收集去除凋落物处理的网中枯落物均匀撒在12 m2的范围内，以后每月将周围凋落物收集网收集的凋落物等面积均匀撒在添加处理的范围内。

（2）去除凋落物处理：取12 m2的样方，清除样方内的凋落物，并在上方设置3 m×4 m的网用来收集凋落物，为了防止凋落物进入该处理的范围内，网距离地面的高度设为0.5 m。

（3）去根处理：在12 m2的样方周围挖壕深至植物根系分布层以下（约0.5 m），然后用厚塑料膜插入壕沟内隔离小样方周围的根系，以阻止根系进入小样方，再小心除去小样方内的所有活体植物，尽量保持原状土壤表层。

（4）去根添加凋落物处理：在12 m2的样方周围挖壕深至植物根系分布层以下（约0.5 m），然后用厚塑料膜插入壕沟内隔离小样方周围的根系，以阻止根系进入小样方，再小心除去小样方内的所有活体植物，收集去根去除凋落物处理的网中的枯落物均匀撒在12 m2样方内。之后，每月将周围凋落物收集网收集的凋落物等面积均匀撒在去根添加处理的范围内。

（5）去根去除凋落物处理：在12 m2的样方周围挖壕深至植物根系分布层以下（约0.5 m），然后用厚塑料膜插入壕沟内隔离小样方周围的根系，以阻止根系进入小样方，再小心除去小样方内的所有活体植物，清除样方内的凋落物，并在上方设置3 m×4 m的网用来收集凋落物。

（6）有根处理：即为对照，不做处理。

1.3.2 试验方法

1.3.4 计算与分析

计算公式见式（1）和式（2）。

式中：Cn表示土壤净氮矿化量；CA铵表示培养后铵态氮量；CA硝表示培养后的硝态氮量；CE硝表示树脂吸附的硝态氮量；CB铵表示培养前铵态氮量；CB硝表示培养前的硝态氮量；Rn表示土壤净氮矿化速率；t表示培养时间。

1.3.5 统计分析

数据统计采用单因子方差分析，进行不同处理条件下净氮矿化量和净氮矿化速率的比较，分析软件和作图工具分别采用SPSS 13.0和Excel 2003。

2 结果与分析

2.1 土壤有效氮含量

添加和去除凋落物处理土壤中有效氮含量（见图1）的差异显著(P＜0.05)，添加凋落物处理中的有效氮含量比对照高22.61%，去除凋落物处理比对照低47.97%。去根添加凋落物处理中的有效氮含量比去根处理高21.06%，去根去除凋落物处理比去根处理低11.64%。表明凋落物处理对土壤中有效氮含量有明显的影响，呈现出添加凋落物＞对照＞去除凋落物。在对照、添加凋落物的情况下有效氮含量表现为：有根处理＞去根处理，但是在去除凋落物的情况下则相反，表现为去根处理＞有根处理，这可能是因为去根处理的土壤中仍然残留了部分未分解的细根，增加了土壤的有机质含量，且有根处理样地植物根系增加了有效氮的消耗。

图1 试验地不同处理下土壤有效氮含量Fig. 1 Soil available nitrogen content in different treatment testing plots

2.2 培养前后、含量的变化

图2 5种处理土壤中培养前后4、的含量Fig. 2 Contents of, in no-culture soil and culture soil respectively

樟树马尾松混交林中，培养前后添加凋落物、去根添加凋落物和对照的含量差异显著（P＜0.05），其它处理差异不显著，而含量差异均不显著（见图2）。经过30 d的培养，去除、添加凋落物和对照3种处理的土壤中均表现出含量下降，含量明显上升。经过培养后含量减少，减少量分别为对照(4.07 mg/kg)＞添加凋落物(2.73 mg/kg)＞去根添加凋落物(1.30 mg/kg)＞去根(0.96 mg/kg)＞去除凋落物(0.75 mg/kg)＞去根去除凋落物(-0.05 mg/kg)；含量增加，增加量分别为添加凋落物(14.83 mg/kg)＞去根添加凋落物(7.32 mg/kg)＞对照(4.96 mg/kg)＞去根(1.93 mg/kg)＞去除凋落物(0.28 mg/kg)＞去根去除凋落物(-0.68 mg/kg)。、含量添加凋落物处理变化较大，说明碳输入对土壤氮矿化有促进作用，硝化作用加强。去除凋落物处理后变化趋势较小，且去根去除掉落物与另外4种处理变化趋势相反，可能是由于除去碳输入，微生物养分缺失，使微生物数量减少，氮矿化作用不明显。培养结束后，土壤含量大于含量，仍然是无机氮的主要存在形式。

2.3 净氮矿化量和净氮矿化速率

添加凋落物、去根添加凋落物、去根、去除凋落物、去根去除凋落物5种处理和对照的累计净氮矿化量分别为12.10、6.03、0.96、-0.46、-0.63、0.89 mg/kg。去除凋落物和去根去除凋落物2种情况出现负值说明部分无机氮以气体形式散失，由反硝化作用引起的氮损失可能是导致净氮矿化量和净氮矿化速率出现负值的主要原因。经过30 d的培养累计净氮矿化速率为添加凋落物(0.403 mg•kg-1d-1) ＞去根添加凋落物(0.201 mg•kg-1d-1) ＞ 去 根 (0.032mg•kg-1d-1)＞ 对 照(0.030 mg•kg-1d-1) ＞ 去除凋落物 (-0.015 mg•kg-1d-1)＞去根去除凋落 (-0.021 mg•kg-1d-1)。

3 结论与讨论

3种凋落物处理的情况下净铵化量和净硝化量均表现为：有根土壤＞去根土壤，表明根对土壤氮矿化作用有一定影响，这可能是由根际碳沉积对土壤微生物的影响造成的。根际沉积[18]在植物根际碳消耗中占有相当大的比重，根分泌物作为信号物质，能够在微生物与植物根系之间建立一种均衡关系，同时，也是根际微生物有机营养物质的重要来源。研究表明不同植物种类或同种植物在不同发育阶段，其根系分泌物在组分和量上均有一定差异，且不同组分对根际微生物的生态效应亦不同[19]。许多微生物的数量与根际分泌物的积累呈正相关。例如，在小麦的生长发育过程中，随着根系分泌物的增加，根际环境中反硝化细菌数明显增加[20]。有关本试验所在混交林中土壤微生物对氮矿化的影响尚需进一步研究。

目前已知的影响森林土壤氮矿化的因素很多，并且氮矿化过程十分复杂[21-23]。本试验通过对樟树马尾松混交林添加凋落物、去除凋落物、去根添加凋落物、去根、去根去除凋落物5种处理，研究改变碳输入对樟树马尾松混交林氮矿化的影响，有助于人们对亚热带森林生态系统土壤氮循环过程的全面理解。由于本研究只是样地设置1个季度的试验数据，还有一定的局限性．今后还需要系统地、长期地定位观测。

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Effects of controlling carbon input on nitrogen mineralization in soils of broadleaved-needle mixed forest plantation

LІ Mao-jin1, YAN Wen-de1,2, LІ Shu-zhan1, ZHAO Da-yong1, DUO Yi-fan1
(1.Сentral South University of Forestry & Technology, Сhangsha 410004, Hunan, Сhian;2.National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry & Ecology in South Сhina, Сhangsha 410004 ,Hunan,Сhian)

Іn order to understand the available nitrogen content and nitrogen mineralization rates under different carbon inputs in the soils of mixed forest, the nitrogen mineralization in the soils of mixed forest of Pinus massoniana and Cinnamomum camphora was measured under different treatments (extra litter addition with root (LAR), litter removal with root (LRR), control without root (СNR),extra litter addition without root (LANR), litter removal without root (LRNR) by using a resin-core technique. The results show that after incubation the contents ofandwere significantly changed. The differences in content ofwere found under 4 different treatments (LAR, LRR, СNR, LRNR). The signif i cant differences were found in content of. Under 5 different conditions (СR, LAR, LRR, СNR, LANR, LRNR), the net nitrogen mineralization contents of 5 different treatment were extra litter addition with root (12.10 mg/kg)＞extra litter addition without root (6.03 mg/kg)＞control without root (0.96 mg/kg)＞litter removal with root (-0.46 mg/kg)＞litter removal without root (-0.63 mg/kg). The researching results provide a scientif i c method for revealing circulation mechanism of nitrogen in subtropical forest ecological system.

broadleaved-needle mixed forest; litter-fall; nitrogen mineralization; resin-core technique

S714.5

A

1673-923X (2012)05-0108-05

2012-03-16

“十二五”农村领域国家科技计划课题（2011BAD38B0204）；教育部新世纪优秀人才支持计划(NСET-10-0151)；湖南省科技厅项目(2010TP4011-3)；湖南省教育厅项目（湘财教字[2010]70号）；长沙市科技局项目(K1003009-61)；中南林业科技大学校青年基金(QJ2010029B)

李茂金(1985-)，男，河南新乡人，硕士研究生，主要从事森林生态学研究；E-mail：lmj0072005@163.com

闫文德(1969-)，男，甘肃武威人，博士，教授，博士生导师，研究方向：城市生态学和森林生态学；

E-mail：csfuywd@hotmail.com

[本文编校：谢荣秀]