模拟氮沉降对长白山兴安落叶松林土壤有机碳库的短期影响

张扬 裴亚蒙 任昊晔

摘要：  以净月潭国家森林公园兴安落叶松林为研究对象，以NH4NO3为原料模拟4个强度的氮沉降，分析土壤总有机碳（TOC）、易氧化有机碳（ROC）、溶解性有机碳（DOC）和微生物量碳（MBC）的动态变化。研究结果表明：低氮沉降量（L，50 kg N yr-1 ha-1）提高了TOC、ROC、DOC和MBC浓度，但除MBC外均未达到显著性水平;中氮沉降量（M，100 kg N yr-1 ha-1）提高了TOC和DOC浓度，降低了ROC和MBC浓度;高氮沉降量（H，150 kg N yr-1 ha-1）提高了ROC和MBC浓度，降低了TOC和DOC浓度。

关键词：  氮沉降;  兴安落叶松林;  土壤有机碳

中图分类号：   S 714. 8， S 791. 222                  文献标识码：   A                  文章编号：1001 - 9499（2019）03 - 0022 - 04

由于燃烧化石燃料和施用氮肥等人类活动，大气中活性氮的含量不断增加[ 1 ， 2 ]，并通过氮沉降进入陆地生态系统[ 3 ]，打破了原本相对封闭的氮循环过程，对生产力、生物质分配和碳循环等过程产生了深刻影响[ 4 ， 5 ]。生态系统碳、氮循环存在耦合关系，氮供给状况对植物的物质生产、分配、循环等过程具有重要作用，并通过凋落物分解、细根周转和土壤呼吸等影响土壤碳库的积累。土壤碳库是森林碳库重要组成部分，容量是植被碳库的2～3倍，是大气碳库的2倍，其微小变化将对全球碳循环乃至气候变化产生影响[ 6 ]。土壤碳库包括了不同的有机碳组分，各组分具有不同的循环特点，对氮沉降的响应存在差异[ 7 ]。由于土壤碳库积累过程比较复杂，对于氮沉降的作用目前没有一致性结论，尤其对于TOC、ROC、DOC和MBC等活性碳组分的比较研究还很少。本文通过模拟氮沉降环境，分析兴安落叶松林土壤有机碳动态变化情况，有助于准确了解氮沉降对长白山地区兴安落叶松林生态系统的影响。

1 试验地概况

试验地位于长春市净月潭国家森林公园（43°46′57″N，125°28′15″E），该地区属长白山余脉的低山丘陵地带，海拔220～406 m。属温带半干旱与半湿润季风气候的过渡性气候区，年平均气温4.7 ℃，平均最高气温28.3 ℃，平均最低气温-22.4 ℃，平均相对湿度69%，年平均降水量645.3 mm。土壤主要为白浆化暗棕壤，厚度15～50 cm。该地区优势树种为兴安落叶松（Larix gmelinii）、樟子松（Pinus sylvestris var. mongholica）、油松（Pinus tabuliformis）、红松（Pinus koraiensis）等。

2 试验材料与方法

2. 1 试验材料

主要试验材料包括：土钻、自封袋、保温箱、土壤刀、NH4NO3、氯仿、喷雾器、2 mm筛、0.25 mm筛，TOC自动分析仪（luqui TOCII，Elementer，Germany）。

2. 2 试验方法

2. 2. 1 试验设计

在凈月潭国家森林公园中，随机设置3块标准地（20 m×30 m），样地之间距离至少8 m，每个样地内沿对角线方向设置4个小样方（5 m×5 m）进行氮沉降模拟试验。试验共设4个处理，包括低氮沉降量（L，50 kg N yr-1 ha-1）、中氮沉降量（M，100 kg N yr-1 ha-1）、高氮沉降量（H，150 kg N yr-1 ha-1）和对照处理（CK）。氮源选用NH4NO3，将每个处理的年施氮量均分成6份，自2017年4月开始，每月初将其溶于2L水中，采用喷雾器对林下土壤均匀喷施，对照处理喷洒等量的水。

2. 2. 2 土壤采集和处理

2017年5～10月，采集土壤样品，在每块氮沉降处理样地内随机选取5个点，清除地表凋落物，使用土钻取0～20 cm土样，将各采样点样品混匀，筛除土壤中的动植物残体，装入自封袋，标记并放入保温箱低温保存。土样带回试验室后，新鲜土样过2 mm筛，测定MBC和DOC浓度，MBC测定采用氯仿熏蒸浸提法[ 8 ]，DOC测定参考张甲珅的方法[ 9 ]。自然风干土样过0.25 mm筛，测定TOC浓度，采用重铬酸钾容量法测定;过百目筛，测定ROC浓度，测定方法参考Garten[ 10 ]。

2. 2. 3 数据分析

使用Excel整理数据，使用SPSS22.0进行Kolmogorov-Smirnov正规性检验。采用Levene进行方差齐性检验，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncan检验比较不同氮处理下各参数间的差异（α=0.05）[ 11 - 13 ]。使用Sigmaplot 13.0作图，分析土壤总有机碳（TOC）、易氧化有机碳（ROC）、溶解性有机碳（DOC）和微生物量碳（MBC）等指标的动态变化情况[ 14 - 15 ]。

3 结果与分析

3. 1 氮沉降对土壤有机碳不同组分的影响

由氮沉降对土壤有机碳不同组分的影响（表1）可以看出，相对于CK，L处理分别提高TOC、ROC、DOC和MBC浓度为8.72%（p>0.05）、6.47%（p>0.05）、18.11%（p>0.05）、44.16%（p<0.05）;M处理分别提高了TOC和DOC浓度7.94%（p>0.05）、4.62%（p<0.05），分别降低了ROC和MBC浓度7.41%（p>0.05）、13.46%（p>0.05）;H处理分别提高了ROC和MBC浓度15.66%（p>0.05）、10.66%（p>0.05），分别降低了TOC和DOC浓度5.38%（p>0.05）、14.32%（p<0.05）。

3. 2 氮沉降对TOC浓度的影响

由模拟氮沉降条件下TOC浓度月动态（图1）可以看出，在4种模拟氮沉降处理下，兴安落叶松林TOC浓度呈先下降再升高趋势，最大值出现在5月（87.05 g·kg-1），最小值出现在8月（67.42 g·kg-1），除了这两个月外，其他各月无显著性差异。在L处理下，TOC浓度各月无显著差异，5～9月的各月TOC浓度均与CK存在显著性差异，分别提高了10.56%、10.98%、10.79%、14.20%和7.41%。在M处理下，8月TOC浓度显著低于5、6月，较CK分别提高了15.14%、14.75%、11.60%、12.80%和7.64%，10月无显著性差异。在H处理下，TOC浓度各月间无显著性差异，9月较CK降低了12.29%。

3. 3 氮沉降对ROC浓度的影响

由模拟氮沉降条件下ROC浓度月动态（图2）可以看出，在4种模拟氮沉降处理下，兴安落叶松林ROC浓度在5～10月呈波动下降趋势，各月间无显著性差异，最大值出现在5月（17.27 g·kg-1），最小值出现在7月（10.40 g·kg-1）。在L处理下，ROC浓度在7～9月显著高于CK，分别提高了32.04%、18.82%和12.30%，其余月份无显著差异。在M处理下，ROC浓度变化较复杂，除6、10月外均与CK存在显著性差异，5月提高了14.54%，7、8、9月分别降低了16.94%、28.72%和11.44%。在H处理下，ROC浓度在5、10月无显著性差异，6、7、8、9月分别降低了18.72%、28.93%、27.34%和40.82%。

3. 4 氮沉降对DOC浓度的影响

由模拟氮沉降条件下DOC浓度月动态（图3）可以看出，在4种模拟氮沉降处理下，兴安落叶松林DOC浓度在5～10月呈波动下降趋势， 最大值出现在5月（89.63 mg·kg-1），最小值出现在10月（36.72 mg·kg-1）。在L处理下，DOC浓度除9月外均显著高于CK，5、6、7、8、10月分别提高了19.87%、26.88%、21.53%、25.59%和38.99%。在M处理下，DOC浓度除9、10月外均显著高于CK，5、6、7、8月分别提高了24.54%、17.58%、20.02%和22.12%。在H处理下，DOC浓度在8、10月显著低于CK，分别降低了20.08%和22.39%，其余月份不存在显著性差异。

3. 5 氮沉降对MBC浓度的影响

由模拟氮沉降条件下MBC浓度月动态（图4）可以看出，在4种模拟氮沉降处理下，兴安落叶松林MBC浓度在5～10月呈波动上升趋势， 最大值出现在9月（1 170.66 mg·kg-1），最小值出现在5月（352.70 mg·kg-1）。在L处理下，MBC浓度与CK存在显著性差异，5～10月分别提高了13.59%、39.43%、76.93%、70.20%、21.70%和11.40%。在M处理下，6～8月MBC浓度与CK存在显著性差异，分别提高了19.75%、32.53%和32.32%，5、9、10月不存在显著性差异。在H处理下，5～8月MBC浓度与CK存在显著性差异，分别提高了20.09%、17.68%、26.90%和26.37%，9、10月不存在显著性差异。

4 结 论

试验结果表明，低氮沉降量（L）提高了TOC、ROC、DOC和MBC濃度，但除MBC外未达到显著性水平;中氮沉降量（M）提高了TOC和DOC浓度的同时降低了ROC和MBC浓度;高氮沉降量（H）提高了ROC和MBC浓度的同时，降低了TOC和DOC浓度;中氮和高氮沉降量下，DOC浓度降低达到了显著水平。这说明，在长白山兴安落叶松林土壤环境中，低、高氮环境可提高ROC水平，中氮环境可降低ROC水平。低、中氮环境可提高DOC水平，高氮环境可降低DOC水平。高、中、低氮环境均可提高MBC，其中，低氮环境的提高效果较为显著。本研究分析了氮沉降对兴安落叶松土壤不同组分有机碳库的短期影响，但由于氮沉降对土壤有机碳的影响机制较为复杂，要解释这种变化的原因需要进一步定量研究，以对氮沉降的影响做出更具体的判断。

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（责任编辑：   王 岩）