氮磷湿沉降对2种林型红松林土壤活性有机碳及养分的影响1)

李常准 陈立新 段文标 李少然 李亦菲 于颖颖 朱佳慧 赵戈榕

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

土壤有机碳是土壤碳的重要组成部分。Blair et al.[1]把土壤有机碳分为活性有机碳和惰性有机碳，且前者对施肥、凋落物等处理反应敏感。Haynes[2]研究表明，土壤有机碳在短时间内变化非常小，很难检测到其变化。土壤活性有机碳是土壤有机碳的一部分，对外部环境变化响应非常敏感，而且能够在不同程度上反映土壤有机碳的有效性和时效性，因此，土壤活性有机碳可作为土壤碳库稳定性的指示因子。土壤活性有机碳和土壤养分的供给与植物生长有密切关系。土壤活性有机碳包括土壤易氧化有机碳、轻组碳、颗粒有机碳。土壤易氧化有机碳对外部环境变化响应非常敏感，土壤易氧化有机碳的含量在很大程度上取决于土壤有机碳的含量。土壤轻组碳主要是未分解或半分解状态的植物根系和植物残体以及新鲜的凋落物和微生物残体[3]。土壤轻组碳在碳氮循环中起着重要作用[4]，且对施肥等措施十分敏感。一般认为，土壤颗粒有机碳是处于新鲜的动植物残体和腐殖化有机物之间暂时的或过渡的有机碳库。土壤颗粒有机碳是吸引微生物的物质[5]，易被微生物利用并发生矿化分解[6]。土壤颗粒有机碳是土壤活性有机碳的组成，也是土壤有机碳活性的一个重要指标。土壤养分包括土壤有机碳、全磷、全氮等。氮是大多数陆地植物生长的限制因子，土壤全氮是土壤有机质的重要组成部分，可以表征土壤养分变化，是研究土壤肥力的基础。土壤磷是限制植物生长发育的重要养分，并且是植物生存的重要物质基础和环境条件。碳氮比会影响土壤中碳氮循环，体现土壤有机物的分解速率。施肥可以改变土壤养分，改变土壤氮磷化学计量关系。林业上经常使用施加氮肥促进植物生长[7]。1980—2010年，中国的氮湿沉降水平增加了近25%[6]，氮沉降普遍增加，促进了森林碳汇功能。

氮沉降对土壤活性有机碳及土壤养分(土壤碳氮磷)的影响，在学术界尚存有争议。氮沉降对土壤中碳氮含量影响可能是增加、减少或无影响[7-14]，氮沉降对土壤活性有机碳含量影响可能是增加或减少[14-16]，因此，氮沉降对土壤活性有机碳及土壤养分的影响还需进一步研究。磷是植物生长必需的元素之一，但过量磷肥会导致农作物成熟早、产量低。土壤磷素除分解最初的岩石风化，释放-植物吸收-植物残体降解磷回归土壤外，大气沉降输入磷也是不可或缺的一部分[17]。磷肥会促进氮肥的肥效[18]。目前，在不同研究中，氮磷湿沉降对森林土壤活性有机碳(土壤易氧化有机碳、颗粒有机碳、轻组有机碳)及土壤养分的影响结果各有不同[10-19]。为此，本研究利用野外模拟氮磷湿沉降试验，研究氮磷耦合作用下红松人工林和阔叶红松林土壤活性有机碳及土壤养分的变化，旨在为这2种林型森林的可持续经营提供参考。

1 研究地区概况

研究区位于黑龙江省伊春市带岭区凉水国家级自然保护区(47°6′49″～47°16′10″N，128°47′8″～128°57′19″E)。该地的山岭属于小兴安岭南端最大支脉达里带岭的南坡，本区最高峰位于区内北端的岭来东山，海拔707.3 m。平均海拔409 m，相对海拔80～300 m。该地区属于温带大陆性湿润季风气候，年均气温为-0.3 ℃，年均最低气温为-6.6 ℃，年均最高气温为7.5 ℃；年均降水量676.0 mm，无霜期为100～120 d。地带性土壤类型为暗棕壤。

2 研究方法

在研究区内，2017年10月，在保护区内筛选出2个有代表性的林型——红松人工林、阔叶红松林。在每个林型内，各选择3块立地条件相似的地块，将其设置为固定试验样地(以下简称样地)，共计6块样地。为了避免相互影响，同一林型的3块样地之间至少间隔20 m。在每块样地中，随机设置4个2 m×2 m样方，2个林型共计24个样方。

红松人工林3块样地内的主要树种为红松(Pinuskoraiensis)。由于红松人工林是在原始阔叶红松林采伐迹地上营造的，且其周围均被原始阔叶红松林所环绕，因此，红松人工林内还伴生有少量阔叶树种的幼树，如黄檗(Phellodendronamurense)、白桦(Betulaplatyphylla)、色木槭(Acermono)、青楷槭(Acertegmentosum)、榆树(Ulmuspumila)、花楷槭(Acerukurunduense)、枫桦(Betulacostata)、稠李(Padusracemosa)。在阔叶红松林3块样地内，主要树种为红松，伴生树种为枫桦、色木槭、稠李、毛赤杨(Alnussibirica)、臭冷杉(Abiesnephrolepis)、紫椴(Tiliaamurensis)、瘤枝卫矛(Euonymusverrucosus)。试验样地概况见表1。

表1 红松人工林和阔叶红松林样地基本概况

根据当地夏季多年降雨记录及测定凉水自然保护区自然氮、磷沉降量，依据自然氮磷沉降背景值，并参考国际上同类研究的处理方法[20-21]，设置氮磷处理的强度和频度。本试验设计按照施用氮磷量由低到高次序，设置4种处理，分别标记为对照(没施用氮磷，简称为a)，低施用量氮磷处理(施用氮5 g·m-2·a-1、磷5 g·m-2·a-1，简称为b)，中施用量氮磷处理(施用氮15 g·m-2·a-1、磷10 g·m-2·a-1，简称为c)，高施用量氮磷处理(施用氮30 g·m-2·a-1、磷20 g·m-2·a-1，简称为d)，每处理3个重复。2018年5—10月份，在红松人工林和阔叶红松林2种林型的24个试验单元内，每月进行一次模拟氮磷湿沉降施肥试验，分6次施入。按照处理水平的要求，将(NH4)2HPO4与(NH4)2SO4溶解在2 L溪水中(由于对照喷洒的溪水同样为同期同批次的溪水，所以4种处理溪水内氮磷量均相同)，以喷洒器均匀地喷洒在试验单元内。对照试验单元内喷施相同体积的同期同批次溪水。

2018年5、8和10月份在每个试验单元内，随机选取3个30 cm×30 cm的取样点，采集每个取样点0～20 cm土壤样品。剔除土壤中植物根系和大于2 mm的石块等，阴凉通风处自然风干后，研磨过筛。

土壤全氮和全磷，采用流动注射分析仪(SEAL Auto Analyzer3，Germany)测定[22-23]；土壤有机碳，采用碳氮分析仪(Elementar，Vario ELcube，Germany)测定[24]；土壤易氧化有机碳，采用333 mmol·L-1KMnO4氧化-比色法测定[1]；土壤颗粒有机碳，采用333 g·L-1六偏磷酸钠分散法[9]后，用碳氮分析仪测定；土壤轻组碳，采用相对密度分组法[10]后，用碳氮分析仪测定。

使用Excel 2010对数据进行统计分析，利用SPSS 23软件进行多因素方差分析和差异显著性检验(LSD法，α=0.05)；用Canoco 5.0进行冗余分析(RDA)。

3 结果与分析

3.1 采样时间、氮磷湿沉降处理和林型对土壤活性有机碳与土壤养分的影响

由表2可见：林型和氮磷施用量处理的交互作用，采样时间、氮磷施用量处理和林型三者的交互作用，对土壤易氧化有机碳的影响显著，对土壤其他指标均无显著影响；林型对土壤易氧化有机碳、全磷影响显著，土壤易氧化有机碳、全磷的质量分数均为阔叶红松林高于红松人工林(见图1)；对测定的土壤其他指标影响不显著；林型与氮磷施用量处理的交互作用，对土壤易氧化有机碳影响显著；采样时间与林型交互作用，对测定的土壤指标影响均不显著。

土壤活性有机碳与土壤养分之间存在不同的关系，应用Canoco 5.0软件对各林型、不同施用量、不同采样时间土壤易氧化有机碳质量分数、土壤颗粒有机碳质量分数、土壤轻组碳质量分数、土壤总有机碳质量分数、土壤全氮质量分数和土壤全磷质量分数进行冗余分析(见图1)。由图1可见：土壤易氧化有机碳与土壤有机碳、全氮、全磷之间呈正相关关系；土壤颗粒有机碳与全氮、有机碳、全磷之间均呈负相关关系，并且土壤颗粒有机碳与土壤有机碳呈显著负相关关系；土壤轻组碳与全氮、有机碳、全磷之间均呈正相关关系，并且轻组碳与土壤全磷呈显著正相关关系。土壤易氧化有机碳与土壤颗粒有机碳、轻组碳之前呈负相关关系；土壤有机碳与全氮、全磷之间呈正相关关系。

表2 采样时间、林型及氮磷处理对测定土壤指标的影响

注：自由度为23；*表示差异显著(P<0.05)；** 表示差异极显著(P<0.01)。

F为红松人工林；I为阔叶红松林；M为5月份；A为8月份；O为10月份。a为对照；b为低施用量氮磷处理；c为中施用量氮磷处理；d为高施用量氮磷处理。

图1不同处理下土壤测定指标RDA排序

3.2 2种林型不同氮磷湿沉降处理土壤养分的月变化

由表3可见：2种林型中氮磷处理对5、10月份土壤总有机碳影响显著，对8月份土壤总有机碳影响不显著。红松人工林中，土壤总有机碳质量分数5月份在高施用量氮磷处理下最高，8月份在中施用量氮磷处理下最高，10月份在低施用量氮磷处理下最高。在阔叶红松林中，5月份土壤总有机碳质量分数没有随氮磷湿沉降施用量的增加而减少；8月份中施用量氮磷处理最高，与对照相比增加了4.62%；10月份高施用量氮磷处理最高，与对照相比增加3.21%；5、8月份在高施用量氮磷处理最低，分别降低47.80%、0.90%；10月份低施用量氮磷处理最低，并降低了22.42%。

由表3可见：在红松人工林中，氮磷湿沉降处理对土壤全氮质量分数影响不显著，阔叶红松林中氮磷湿沉降处理对土壤全氮影响显著。在红松人工林中，5、8月份土壤全氮均是在a处理下质量分数最高；5、8月份均在中施用量氮磷处理下，土壤全氮质量分数最低，在氮磷湿沉降处理5、8月份土壤全氮质量分数的变化规律一致，均为先减少后增加，10月份土壤全氮质量分数是先增加后减少；在阔叶红松林中，5月份土壤全氮质量分数是随着氮磷湿沉降的施用量的增加而增加；8、10月份，均在中施用量氮磷处理土壤全氮质量分数最高，分别增加了17.3%、3.6%。

由表3可见：2种林型中，土壤全磷的质量分数在0.3～1.0 g·kg-1，氮磷湿沉降处理对土壤全磷质量分数影响不显著。在红松人工林中，5月份低施用量氮磷处理下，土壤全磷质量分数最高，其他处理下其质量分数变化不大；8月份，氮磷湿沉降处理土壤全磷变化不明显；10月份，高施用量氮磷处理下全磷质量分数最高，低施用量氮磷处理下全磷质量分数最低。在阔叶红松林中，5月份中施用量氮磷处理全磷质量分数最高，8、10月份均为高施用量氮磷处理全磷质量分数最高；全磷质量分数最低的为低、中施用量氮磷处理。

表3 氮磷湿沉降处理2种林型土壤养分测定结果

注：a为对照；b为低施用量氮磷处理；c为中施用量氮磷处理；d为高施用量氮磷处理。表中数据为“平均值±标准差”；数据后，同列不同小写字母，表示同一时间不同氮磷处理间差异显著(P<0.05)。

由表4可见：在红松人工林中，8、10月份氮磷湿沉降对土壤易氧化有机碳影响显著；在阔叶红松林中，氮磷湿沉降处理对土壤易氧化有机碳的影响不显著。在红松人工林中，5月份高施用量氮磷处理，土壤易氧化有机碳质量分数最高，与对照相比增加22.7%；8、10月份均低施用量氮磷处理，土壤易氧化有机碳质量分数最高，与对照相比分别增加47.1%、61.5%。在阔叶红松林中，10月份低施用量氮磷处理，土壤易氧化有机碳质量分数最低，与对照相比降低20.5%。

表4 氮磷湿沉降处理2种林型土壤活性有机碳测定结果

注：a为对照；b为低施用量氮磷处理；c为中施用量氮磷处理；d为高施用量氮磷处理。表中数据为“平均值±标准差”；数据后，同列不同小写字母，表示同一时间不同氮磷处理间差异显著(P<0.05)。

由表4可见：氮磷湿沉降处理对土壤颗粒有机碳质量分数影响不显著。在2种林型中，8、10月份土壤颗粒有机碳质量分数变化趋势一致，且8月份土壤颗粒有机碳质量分数远远低于5、10月份。2种林型中，5、10月份土壤颗粒有机碳随着氮磷湿沉降施用量的增加先减少后增再减，在10月份，土壤颗粒有机碳质量分数是随着氮磷湿沉降施用量的增加先增加后减少的，均为中施用量氮磷处理土壤颗粒有机碳质量分数最高，与对照相比分别增加了12.6%、5.1%。

由表4可见：氮磷湿沉降处理对土壤轻组碳质量分数影响不显著。在红松人工林中，5、8月份中施用量氮磷处理，土壤轻组碳质量分数最高，并且分别增加16.3%、49.7%；低施用量氮磷处理，土壤轻组碳质量分数最低，分别降低4.5%、13.1%。在阔叶红松林中，5、8月份低施用量氮磷处理，土壤轻组碳质量分数最高，分别增加57.2%、53.1%。2种林型中，10月份土壤轻组碳质量分数低于5、8月份。

4 结论与讨论

4.1 氮磷湿沉降处理对2种林型土壤活性有机碳的影响

本研究中，红松人工林中，5月份不同氮磷处理对土壤易氧化有机碳影响不显著，8、10月份不同氮磷处理对土壤易氧化有机碳质量分数影响显著；阔叶红松林中，不同氮磷处理对土壤易氧化有机碳影响不显著。土壤易氧化有机碳对不同氮磷湿沉降处理(施肥)响应不敏感[26]。本研究与王玲莉等[25]的研究结果不同，施加化肥对棕壤的土壤易氧化有机碳质量分数影响不明显。

采样时间对土壤易氧化有机碳的影响显著。红松人工林，土壤易氧化有机碳质量分数随时间的变化与李玉武[26]的岷江上游几种人工林中土壤易氧化碳质量分数7月份最高、5月份最低的研究结果不同。不同的试验处理对土壤易氧化有机碳质量分数产生不同影响，地域气候的差异、土壤类型的不同以及林型的不同，会导致土壤微生物种类、数量、活性等的不同，从而影响土壤易氧化有机碳的积累、转化和分解。本研究与辜翔等[27]对土壤易氧化有机碳质量分数随着温度变化而变化的研究结果相似。一般认为，在一定的温度范围内，土壤微生物的活性随着土壤温度的升高而增强，高活性的土壤微生物促进了土壤易氧化有机碳的转化。

林型对土壤易氧化有机碳影响呈显著差异。在相同处理下土壤易氧化有机碳质量分数是阔叶红松林高于红松人工林，这与刘荣杰等[28]的研究结果一致。是由于红松林人工种植时间短，林分结构单一，土壤有机碳的来源受到限制。但不同处理下阔叶红松林对土壤易氧化有机碳影响小于红松人工林对其影响。阔叶红松林物种多样、土壤中根系较多、土壤微生物种类丰富等因素的共同作用下对氮磷湿沉降处理应对机制迅速反应，使土壤易氧化有机碳变化保持在某个稳定区间内。

单独施用化肥会使土壤轻组碳质量分数下降[30]，但是有机肥与化肥配施会提高土壤有机碳的质量分数。本研究发现，氮磷湿沉降处理会增加土壤轻组碳质量分数，但影响不显著，施加氮磷湿沉降促进了试验单元中草本植物生长，导致试验单元内草本植物落叶或根系增加，因此增加了土壤轻组碳质量分数。这个研究结果与许多研究[32-35]结论一致。目前，对于氮磷湿沉降对土壤轻组碳的影响还存在争议。在不同的研究中施用肥种类不同、施肥模式不同、土壤类型不同、植被类型不同及凋落物类型不同以致于植物根系、微生物残体的不同，从而影响土壤轻组碳变化趋势不同。

本研究发现，高施用量氮磷处理增加了土壤颗粒有机碳质量分数，但影响不显著。与赵玉皓等[34]结果相似，与陈文婷等[33]的研究长期施肥对农田土壤颗粒有机碳有明显影响结果不同。原因一是本试验模拟氮磷湿沉降为短期处理，不能立即反应动植物残体向腐殖化转化加快的过程，因此对土壤颗粒有机碳有影响但不显著；二是氮磷湿沉降为微生物提供了养分，提高了微生物的活性[37]，使得微生物分泌物增多[36]，使土壤颗粒有机碳转化；三是氮磷湿沉降处理会促进根系生长和增加根系分泌物，导致土壤颗粒有机碳积累，但微生物会消耗土壤颗粒有机碳[42]，从而导致氮磷湿沉降处理对土壤颗粒有机碳影响不显著。

4.2 氮磷湿沉降处理对2种林型土壤养分的影响

土壤有机碳主要来源于地表植物凋落物和根系归还[39]。不同肥料种类施用会使土壤有机碳质量分数增加，但有增加的显著性存在差异是被研究者公认[40-41]。本研究发现，2种林型中不同氮磷处理在5、10月份对土壤有机碳影响显著，8月份对土壤有机碳影响不显著。其他研究中农田作物种类单一，且作物归还土壤后所需分解时间短，这对土壤有机碳影响显著；Liu et al.[42]研究发现，磷的添加改变微生物生物量与组成，可以增加土壤有机质和凋落物分解。5、10份月温度远远低于8月份，8月份氮磷湿沉降处理促进微生物活性，微生物活动消耗土壤有机碳[38]。

本研究发现，红松人工林中不同氮磷处理对土壤全氮、全磷影响不显著。2种林型中氮磷湿沉降处理，土壤全磷、全氮质量分数增加。这与很多研究[15，43]结果一致，氮磷沉降对土壤全磷、全氮没有显著影响。不同的研究区域短期氮磷沉降处理均发现，氮磷沉降对土壤全磷、全氮无显著影响[31]。持续过量的氮添加会导致全氮质量分数降低，土壤酸化[30]，土壤酸化会提高土壤中磷的溶解性[43]，更易被植物吸收；氮磷湿沉降处理微生物活性增强，有机质分解过程中产生有机酸等类物质，减少无机磷固定，促进有机磷溶解导致土壤全磷质量分数增加，磷会促进植物根系生长，加速土壤氮素的消耗，导致氮磷湿沉降处理对土壤全氮无显著影响[43-44]；氮磷湿沉降处理使土壤磷素消耗增加，全磷增加量减少[45]；氮磷湿沉降处理时间短，土壤全磷、全氮还受气候、土壤pH、土壤温湿度等其它因子长期影响，没有长期氮磷湿沉降处理前提下，不能得出一致的结论。

土壤有机碳、全氮是重要土壤养分因子，土壤碳氮质量分数比在15～25，有机质供肥情况良好，土壤碳氮质量分数比较小会增强微生物分解能力，使土壤有效养分增加[44]。本研究中，土壤碳氮质量分数比为15～25，所以氮磷湿沉降处理对土壤有机质的供肥良好。本研究模拟氮磷湿沉降对土壤碳氮质量分数比影响不显著，与秦燕等[46]研究连续2 a施肥处理对土壤碳氮质量分数比没有明显响应的结果相同。这表明，短期氮磷湿沉降，土壤氮增加使土壤内各响应机质会迅速做出反应，使土壤碳氮质量分数比处于相对稳定状态，使生态系统中碳氮处于动态平衡中。