氮沉降对长白山白桦山杨天然次生林土壤微生物量碳氮和可溶性有机碳氮的影响

2019-10-10单文俊付琦邢亚娟闫国永韩士杰张军辉王庆贵

生态环境学报 2019年8期

单文俊，付琦，邢亚娟，闫国永，韩士杰，张军辉，王庆贵*

1. 黑龙江大学农业资源与环境学院，黑龙江哈尔滨 150080；2. 黑龙江省林业科学研究所，黑龙江哈尔滨 150081；

3. 中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁沈阳 110016

随着工、农业的快速发展以及人口数量的急剧增加，导致工业排放“三废”和农业使用氮肥的显著增多，造成了大气氮沉降的急剧增加。就中国而言，21世纪初期氮沉降量平均已达到21.1 kg·hm-2，比上世纪80年代升高了近两倍，预计21世纪中叶，其总量会再翻一番，达到N 1.95×1014g·a-1（Liu et al.，2013）。氮沉降主要存在两种形式，即干沉降和湿沉降（Galloway et al.，2008），干沉降指含氮化合物吸附到其他粒子上随气流到达地表，湿沉降是可溶性含氮化合物随着降水落到地表。氮沉降有两种来源，即自然源和人为源，自然源包括生物固氮和雷电天气形成的含氮化合物，人为源包括工业化石燃料燃烧和农业化肥使用等和人类发展有关的源（Bartnicki et al.，1989），人为来源已成为氮沉降升高的主要因素。

森林作为陆地生态系统的重要组成部分，具有很高的服务价值，在调节全球气候及维持陆地生态系统稳定性方面发挥着重要作用（Botez et al.，2013）。截至目前，森林生态系统已成为氮沉降研究的热点。有研究指出，氮沉降加剧会导致森林土壤酸化、植物多样性降低（Li et al.，2003）、土壤微生物量以及多样性发生变化（Liu et al.，2013；Li et al.，2015）、影响凋落物分解速率以及土壤养分循环（Menge et al.，2012；Lu et al.，2014）。土壤微生物作为土壤中活体物质，参与土壤物质转化和养分循环，土壤微生物量可以作为土壤肥力指标，表征土壤养分状态。土壤微生物量对环境变化敏感，与土壤有机质等土壤可利用性物质之间存在相关关系（张成霞等，2010）。氮沉降主要通过影响土壤pH而间接影响或通过改变微生物可利用性氮源直接影响土壤微生物量（赵超等，2015）。土壤可溶性有机碳、氮（DOC、DON）是土壤中高活性的组分，可以直接被土壤中生物体利用，对土壤养分循环的获取有重要意义（Jardine et al.，1989）。土壤微生物量碳、氮（MBC、MBN）和DOC、DON作为土壤中高活性物质，易受到诸如氮沉降等环境变化的影响，尤其是不同月份的温度和水分变化会对其产生显著影响（周世兴等，2017）。

本研究对长白山白桦（Betula platyphylla）、山杨（Populus davidiana）天然次生林生长季进行了长期模拟氮沉降控制试验，综合考虑了氮沉降量、生长季不同月份和土层深度对土壤MBC、MBN以及DOC、DON的影响，可为探讨植物生长季氮沉降对温带天然次生林活性物质变化提供基础数据支持。

1 材料与方法

1.1 样地概况

试验样地位于吉林省抚松县露水河镇（42°24′9″N，128°5′45″E），林型为白桦山杨天然次生林，林龄20-30 a。属典型大陆性季风气候，春秋短、冬季长且寒冷，夏季气温和降水量较高。年平均气温为2.7 ℃，年平均降水量为872 mm，海拔922.5 m，土壤为山地暗棕色森林土。2004-2007年对周边大气氮沉降量测定表明，该区大气氮沉降量为24.5 kg·hm-2·a-1。试验样地共9个样方，每个样方面积为30 m×30 m，为消除氮肥对临近样地的影响，样方之间间隔10 m，施用氮肥为NH4NO3，试验分为3个处理，即CK为对照N 0 kg·hm-2·a-1，LN为低氮处理N 25 kg·hm-2·a-1，HN为高氮处理N 50 kg·(hm2·a)-1，每个处理重复3次，3种处理样地间隔排列，以消除物种组成以及样地环境的异质性。为消除施肥过程中样地之间水分的差异，对照处理施用等量纯净水。本研究于2006年开始进行氮添加控制试验，每年5-9月上旬施肥。样地基本信息为：总有机碳（TOC）(140.3±11.6) g·kg-1，全氮（TN，7.58±1.25) g·kg-1，全磷（TP，1.40±0.22) g·kg-1，pH 4.84±0.58（胡艳玲等，2009）。

1.2 土壤样品采集与测试

2017年植物生长季（5-10月）进行土壤样品采集。每个样方随机选取5点，上层（0-10 cm）和下层（10-20 cm）分别取土。将5个点的样品混合，去除植物根茎和碎石等杂物。土样运输途中冷藏保存，带回实验室立即测定土壤MBC、MBN和DOC、DON。剩余样品风干后进行土壤pH测定。

土壤MBC、MBN测定采用氯仿熏蒸浸提法。浸提样品使用德国耶拿Multi N/C® 3100总有机碳/总氮分析仪进行测定（林先贵，2014；Brookes et al.，1985）。计算公式如下：

式中EC/N为熏蒸土壤减未熏蒸土壤，kEC/N为转换系数，土壤MBC、MBN均为0.45（Vance et al.，1987）。

土壤pH用酸度计测量（胡慧蓉等，2017）。土壤熏蒸前后浸提液通过Multi N/C® 3100总有机碳/总氮分析仪测定土壤DOC、DON（Jaffrain et al.，2007）。

1.3 数据处理方法

应用Excel 2010进行数据录入，用SPSS for windows 20.0软件进行数据分析。利用ANOVA方差分析对土壤MBC和MBN、pH以及DOC、DON进行氮处理间差异显著性比较。用LSD多重比较分析氮处理间的土壤MBC、MBN以及DOC、DON的差异。

2 结果

2.1 氮沉降下生长季土壤pH的变化趋势

由表1可见，氮处理导致土壤pH显著降低。上层土壤6-9月氮处理与CK之间差异极显著（P＜0.01），5月LN与CK差异显著（P＜0.05）、HN与CK差异极显著（P＜0.01）。下层土壤6、9月氮处理与CK呈极显著差异（P＜0.01），7、8月HN与CK之间差异极显著（P＜0.01），5、7月LN显著降低（P＜0.05）了土壤pH。10月上、下层土壤在LN处理下pH均为最高。如表2所示，本研究中氮沉降降低了土壤pH的变异系数，表明氮沉降限制了某些环境因子和生物因子对土壤pH的作用，导致土壤pH的月动态变化减弱。

2.2 氮沉降下生长季土壤DOC和DON的变化趋势

如图1所示，上层土壤，LN处理在5、8、9月对DOC有极显著促进作用（P＜0.01），HN处理促进了5、7、9月DOC含量，对6月DOC有抑制作用；下层土壤，氮处理在10月极显著促进了DOC的量（P＜0.01），其他月份作用不显著。如图2所示，上层土壤，除8月外，HN处理显著抑制了DON的量（P＜0.05），5月和9月DON含量在LN处理下显著提高（P＜0.05），在6月和8月极显著降低（P＜0.05）；下层土壤，氮处理极显著（P＜0.01）促进了5月DON的量，6、7、10月DON的量在HN处理下显著降低（P＜0.05），LN处理在6月显著降低（P＜0.05）了DON的量，在9月有促进作用。

表1 氮沉降对土壤pH的影响 Table 1 Effects of nitrogen deposition on soil pH

表2 不同处理土壤pH变异系数 Table 2 Soil pH variation coefficients in different treatments

2.3 氮沉降下生长季土壤MBC和MBN的变化趋势

如图3所示，上层土壤，氮处理极显著降低5月MBC的量，对9月和10月MBC有促进作用，且10月LN和HN处理与CK呈现极显著差异（P＜0.01），9月LN与CK存在显著差异（P＜0.05），6月LN处理对MBC有促进作用，HN处理有极显著抑制作用（P＜0.01），7月3种处理之间差异不显著（P＞0.05），8月HN处理极显著促进（P＜0.01）MBC的量，LN处理有抑制作用。下层土壤，氮处理对6、9、10月MBC有促进作用且与CK差异极显著（P＜0.01），5月HN对MBC有显著抑制作用（P＜0.05），7月和8月LN处理有极显著抑制作用（P＜0.01），5-10月CK和LN处理MBC都表现出先降低、后升高、再降低的趋势，而HN表现出先升高后降低的趋势。

图1 氮沉降对不同土层DOC的影响 Fig. 1 Effects of nitrogen deposition on soil dissolved organic carbon

图2 氮沉降对不同土层DON的影响 Fig. 2 Effects of nitrogen deposition on soil dissolved organic nitrogen

图3 氮沉降对不同土层MBC的影响 Fig. 3 Effects of nitrogen deposition on soil microbial biomass carbon

如图4所示，上层土壤，氮处理降低5月和6月MBN的量，6月3种处理之间差异不显著（P＞0.05），LN处理抑制7月和8月MBN，7月CK和HN处理差异极显著（P＜0.01），8月差异显著，LN处理对9月和10月MBN具有促进作用，且10月LN与HN处理和CK呈现极显著差异（P＜0.01）。下层土壤，氮处理对5、10月MBN有促进作用，5月LN与CK差异极显著（P＜0.01），HN与CK差异显著（P＜0.05），6、9月HN处理对MBN有抑制作用，LN作用不明显，7月氮处理显著降低（P＜0.05）了MBN的量，8月LN处理对MBN有极显著抑制作用（P＜0.01），5-10月CK处理表现出先降低、后升高、再降低的趋势，LN则表现出持续降低的趋势。上层土壤HN表现出先升高后降低的趋势，下层土壤HN表现出先降低、后升高、再降低的趋势。

图4 氮沉降对不同土层MBN的影响 Fig. 4 Effects of nitrogen deposition on soil microbial biomass nitrogen

表3 土壤DOC、DON多因素方差分析 Table 3 Statistical results of Multi-way ANOVA of effects of soil dissolved organic carbon and nitrogen

2.4 土壤微生物量及DOC和DON影响因素分析

由表3可知，除氮添加×土壤深度对DOC作用不显著以外（P＞0.05），氮添加、月份、土壤深度以及两两因素的交互作用对土壤DOC、DON有极显著的作用（P＜0.01）。三者交互作用对DOC和DON也有显著影响。说明模拟氮沉降并不是土壤DOC和DON唯一的变异来源，其影响因素来自多方面。

由表4可知，除氮添加对MBC、月份×土壤深度对MBN作用不显著外（P＞0.05），N添加、月份、土壤深度以及两两因素的交互作用对MBC和MBN有极显著的作用（P＜0.01）。土壤pH显著受到氮添加、月份、土壤深度及其交互作用的影响。

3 讨论

3.1 氮沉降对土壤pH的影响

土壤酸碱度是土壤化学性质的基本特征，其变化会对土壤中生物体生长和土壤养分循环产生影响（Pamela et al.，1999）。氮沉降下，外源氮在土壤中积累，土壤中NH4+和NO3-含量上升，NH4+的生物吸收、水解和硝化过程都会释放出H+，导致土壤酸化（鲁显楷等，2008）。孙本华等（2006）研究发现，氮沉降会增加土壤中NO3-的淋溶进一步引起土壤酸化。本研究中氮沉降显著降低了土壤pH，与其他模拟氮沉降试验得出的结论相似。土壤pH属于土壤中易变指标，每个月的温度和降水的差异，可能导致土壤中生物活性和土壤含水率发生变化，从而导致土壤pH发生变化（刘广明等，2001）。孙鹏跃等（2016）在华北落叶松林（Larix principis-rupprechtii）研究中得出，土壤pH在植物生长季5-10月先升后降，与本研究结论相似。杨丽等（2015）在兴安落叶松林（Larix gmelinii）全年分析得出相反的结论，土壤pH由春季到秋季表现为升高的趋势。土壤pH变化受多种环境因素影响，生物（土壤微生物、植物根系）与土壤互作也会引起土壤pH变化（Nye，1981；Adrien et al.，1998）。氮沉降在土壤中积累导致土壤酸化，可能会降低土壤pH的动态范围。胡波等（2015）模拟氮沉降研究得出，氮沉降导致土壤酸化会引起盐基离子淋失，土壤缓冲能力下降，降低土壤交换性阳离子对土壤酸碱度的调节作用。盐基离子的流失可能会进一步加快土壤酸化速率。

表4 土壤MBC、MBN、pH多因素方差分析 Table 4 Statistical results of Multi-way ANOVA of effects of soil microbial biomass carbon, nitrogen and pH

3.2 氮沉降对土壤DOC和DON的影响

土壤DOC和DON属于土壤易变物质，容易被植物根系和微生物吸收利用。土壤可溶性有机物主要来源于土壤腐殖质和凋落物分解、植物根系和土壤微生物分泌等（Kalbitz et al.，2000；Smolander et al.，2002；Donald et al.，2007）。袁颖红等（2012）和魏春兰等（2013）在不同森林类型氮沉降试验中得出，施氮提高了DOC的含量。魏春兰等（2013）还得出，氮沉降对不同土层DOC的作用有差异，与本研究结论相似。但是这两个试验只进行了单一月份分析，无法表征月动态变化。本研究中，生长季月份不同，氮沉降对DOC的影响不同。Yano et al.（2000）进行森林长期氮沉降试验指出，DOC有明显的季节变化，夏季高于春、秋两季，且不同季节氮沉降对其影响不同，这与本试验结果相似。土壤中植物根系和微生物的生长状况可能是影响土壤DOC来源的最重要因素，此外，凋落物的质量也会对其产生影响（Alison et al.，2000）。Mark et al.（2006）研究得出，氮沉降可以通过改变碳氮转换酶活性而影响土壤中可溶性有机物的含量。氮沉降也可通过影响有机碳的矿化速率影响土壤DOC的含量（王方超等，2016）。

土壤DON与DOC相似，但是参与其循环的酶不同（Burns，1982）。闫聪微等（2012）研究得出，氮沉降增加了土壤中DON的含量，与本研究结果相似，本研究中大多数月份氮沉降使DON含量增加。元晓春等（2017）在杉木（Cunninghamia Lanceolata）人工林氮沉降试验中得出氮沉降对其无影响。刘彩霞等（2015）对氮沉降下参与氮循环酶类研究指出，氮添加量、季节、土壤深度对氮相关酶都有影响。Brookshire et al.（2007）指出，氮沉降对DON的影响还与原位土壤氮含量有关，氮沉降可能加剧受到氮污染森林土壤DON的流失。本研究结果显示，DOC和DON的含量不仅受到氮沉降量的影响，不同月份也表现出差异。说明DOC和DON除受到土壤水、热条件直接影响外，还受到其他因素的影响。可以将这些影响因素分为易变因素和不易变因素：森林类型、土壤有机质含量等变化周期较长的因素可以归为不易变因素；土壤水、热条件、植物根系活力、土壤酶活性、土壤微生物量等与DOC和DON含量有关但易受到环境影响的为易变因素。通过分析可以看出，易变因素可能对DOC和DON等活性较高的物质影响更大。

3.3 氮沉降对土壤MBC和MBN的影响

本研究中，氮添加处理对土壤MBC和MBN作用明显，月份和土壤深度等对其也有显著影响。3种处理之间MBC和MBN变化趋势不一致，5月最高，这与大多数研究结论不一致。宋蕾等（2017）对温带针阔混交林氮沉降研究时得出，氮沉降量没有改变MBC和MBN月动态，最大量出现在8月。周世兴等（2017）在常绿阔叶林氮沉降研究中得出，MBC和MBN在秋季最高。结论差异可能和林型、地域气候类型等因素有关。但以上试验都证明，MBC和MBN有明显的月动态变化特征，且氮沉降在月动态变化中作用不同。氮沉降下这种差异可能和植物生长以及环境条件综合作用有关（Antonio et al.，1994）。地处高纬度的森林，春季和秋季温度较低，土壤微生物主要受到温度的限制，生物量低；夏季气温升高，适合微生物生长，土壤微生物量增加。亚热带和热带地区土壤微生物量受到温度的影响较小，但是秋季植物生长减缓，对土壤养分需求量减少，土壤微生物可获得养分增加，土壤微生物量升高。本研究位于温带天然次生林，5月MBC和MBN含量高可能是由于前一年冬季氮肥大量累积，第二年春季土壤微生物生长所需养分充足所致。夏季是植物生长最旺盛的月份，养分竞争加剧导致土壤微生物量降低（Knute，2000）。LN对植物生长具有促进作用，植物对其他元素吸收也会增加，导致土壤微生物量降低。HN对植物根系生长和养分吸收具有限制作用，反而没有影响微生物对养分的获取（Zhang et al.，2017）。9月植物对养分的吸收减少，凋落物增加，土壤微生物增加，氮沉降也为微生物提供了一定的氮源，促进其生长。另外，氮沉降对当地凋落物分解可能有一定促进作用（Kuperman，1999；Zhang et al.，2017），使得氮沉降促进了10月MBC和MBN。