氮沉降对米槁凋落叶分解过程中土壤养分的影响

刘济明，唐子燕，李佳，陈梦 ，刘欢

(1.贵州大学林学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学森林生态研究中心，贵州 贵阳 550025)

氮沉降作为全球三大变化驱动因素之一，已经引起陆地生态系统初级生产力和生物地球化学碳、磷循环的许多变化[1].化石燃料、化肥的大量使用及集约化的畜牧业等一系列人类活动，明显增加了外源氮向陆地生态系统的输入[2]，使得陆地和水生生态系统具有较高的氮沉降，进而引起生物多样性的变化、生态系统初级生产力及土壤养分平衡等一系列生态问题[3-4].

凋落物，通常包括植物的落叶、落枝、落果、落皮和碎屑物等[5].凋落物分解是土壤有机质初期形成的主要来源，具有构建土壤质地、维持土壤肥力、调控微生物代谢的作用，是陆地生态系统物质循环的重要组成部分[6].在全球氮沉降不断加剧的背景下，氮沉降增加可能通过对凋落物分解的影响而深刻地影响着生态系统的物质循环和能量转换过程，进而影响生态系统的稳定.虽然目前氮沉降的研究已涉及到许多方面，如草原[7]、城市绿地[8]及不同类型的森林[9-11]等，但氮沉降对凋落物分解时土壤养分影响的研究还少之又少，且仍存有争议.通过研究凋落物分解过程中土壤养分对氮沉降的响应，探讨氮沉降条件下凋落物分解时土壤养分含量的变化规律，有利于深入了解氮沉降-凋落物分解-土壤相互作用的养分循环机制，揭示不断加剧的氮沉降环境对生态系统物质循环过程中土壤养分的影响.

米槁(Cinnamomummigao)为樟科樟属常绿乔木，是贵州省的地道中药材，不仅可作为药用植物，也可作为工业原料、香料等，是一种用途广、开发利用价值高的植物，有很好的开发及应用前景.本研究以米槁凋落叶为研究对象，进行野外氮沉降模拟试验，为后续的种群发展以及人工种植和管理提供科学依据.

1 材料和方法

1.1 野外试验地概况

试验样地选取在贵州省罗甸县祥林村(E 106°23′～107°03′、N 25°04′～25°45′)，海拔242～1 400 m，热量充足，日照时间和无霜期长，年均温为20.35 ℃，年积温5 750～6 500 ℃，无霜期335～349 d，年总日照时数1 298～1 600 h，年降水量1 200 mm，属于春早、夏长、秋迟、冬短的亚热带湿润型气候，为米槁生长的典型生境,优良的自然环境使其成为发展米槁种植的重要基地.当地为典型的山地类型，土壤类型有红壤、赤红壤、黄红壤，主要植物物种有枫香(Liquidambarformosana)、红椿(Toonaciliata)、木姜子(Litseapungens)、柄翅果(Burretiodendronesquirolii)、野生荔枝(Litchichinensisvar.euspontanea)、榕树(Ficusmicrocarpa)、木棉(Bombaxmalabaricum)等[12].

1.2 试验方法

试验以贵州省干湿氮沉降总和低于全国平均氮沉降水平15 g/(m2·a)为依据[13]，设置4块3 m×5 m的样地并编号，设置低氮(N1，5 g/(m2·a)、中氮(N2，15 g/(m2·a)、高氮(N3，30 g/(m2·a)和对照(CK，0 g/(m2·a)4个氮沉降处理，每个处理3个重复.根据每个样方所需喷洒的不同氮浓度溶液，将不同量的NH4NO3溶解在自来水中，采用喷雾形式均匀喷洒至样地，对照样方喷洒等量的水.自2018年1月起每隔3个月进行一次喷施，即在1、5、9月等量施氮.

于2018年1月称取10.00 g风干好的凋落叶装入网袋中，随机放置在相应的已清除枯枝落叶层的样地中，各尼龙网袋间保持一定的水平距离.分别采集0～5、5～10、10～20 cm的土样测定初始土壤养分含量.随后每隔1个月在分解袋所在的土壤中心点采集土样，将土样置于通风阴凉处晾干后磨碎，并筛出通过1.00 mm和0.25 mm孔径筛的土样，分组标记测定土壤养分含量，土壤养分初始背景值见表1.

表1 不同土层土壤的初始养分含量Table 1 Nutrient contents in different soil layers

1.3 指标测定

参照《土壤农化分析》[14]，分别制备5 mL消煮液，采用碱解-扩散吸收法测定全氮含量，采用碱熔-钼锑抗比色法测定全磷含量，采用消煮液-火焰光度法测定全钾含量；分别取2.00 g和5.00 g过2 mm孔径筛的风干土壤测定水解氮和有效钾含量，水解氮含量采用碱解-扩散吸收法；有效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法；有效磷含量采用NH4F-HCl比色法；有机质含量采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法.

1.4 数据处理

用Exce 2010 软件进行数据整理，R语言系统3.6.2借助ggplot 2扩展包中的ggstatsplot函数对数据进行方差分析，并绘制图形.

2 结果与分析

2.1 氮沉降对米槁凋落叶分解过程中土壤有机质的影响

在米槁凋落叶分解过程中，11月份时0～5 cm土壤有机质含量大小依次为：N2>N1>N3>CK；5～10 cm土层有机质含量大小依次为：CK>N3>N2>N1；10～20 cm土层有机质含量大小依次为：CK>N2>N1>N3.由图1～3可知，土壤有机质随着氮沉降的不断输入整体变化趋势较平稳，在7月份时有下降趋势随后又继续平缓变化，不同土层之间有机质含量始终是按照0～5 cm>5～10 cm>10～20 cm变化.对比对照组与施氮组，可以看出同一土层下施氮组的有机质含量比对照组高且在试验后期较为明显.在9～11月份时不同土层之间有机质含量差异增大.在试验过程中施氮组要比对照组有机质含量高且差异显著(P<0.05)，说明施加外源氮促进了土壤有机质的积累.

图1 不同氮沉降处理下对土壤有机质含量的影响Figure 1 Impact on soil organic content by different levels of nitrogen deposition

2.2 氮沉降对米槁凋落叶分解过程中土壤全氮、水解氮含量的影响

由图2可以看出，3月、5月与11月土壤全氮的含量有上升的趋势，具有季节变化性.同一土层不同处理之间差异不显著，其中3月份各土层全氮含量的上升速度最快(P<0.05).施氮处理不同土层土壤全氮含量虽然比对照组含量要高，但是并没有达到显著性水平.表明与对照组相比，添加外源氮对土壤全氮含量无明显影响.在11月时，米槁凋落叶分解过程中0～5 cm土层水解氮含量大小依次为：N2>N3>N1>CK，5～10 cm土层水解氮含量大小依次为：N3>N2>N1>CK，10～20 cm土层水解氮含量大小依次为：N3>N2>N1>CK.由图3可知，随着氮沉降的不断输入，土壤水解氮含量整体呈现逐渐上升的趋势，并在试验最后达到最大值.施氮组水解氮含量比对照组含量高.整体对比低氮、中氮和高氮3组处理，中氮组的水解氮含量比低氮和高氮组的水解氮含量高(P<0.05).说明氮添加对土壤水解氮含量具有促进作用，但是高氮组对土壤水解氮的影响比低中氮组对水解氮的影响小.

图2 不同氮沉降处理下对土壤全氮含量的影响Figure 2 Impact on soil total nitrogen by different levels of nitrogen deposition

图3 不同氮沉降处理下对土壤水解氮含量的影响Figure 3 Impact on soil hydrolyzable nitrogen by different levels of nitrogen deposition

2.3 氮沉降对米槁凋落叶分解过程中土壤全磷、有效磷含量的影响

由图4可知，土壤全磷含量随着氮沉降的输入整体表现为逐渐减少的趋势，且3月最高，11月最低.除3月和7月外，其他月份的不同处理中土壤全磷含量整体变化趋势为先减后增再减.0～5 cm土层整体施氮组全磷含量比对照组全磷含量低(P<0.05)，表明施氮处理对土壤全磷含量有明显的抑制作用，高浓度下抑制作用最强.5～10、10～20 cm土层各处理间差异不显著(P>0.05)，但是整个试验期间土壤全磷含量是呈下降状态.随着氮沉降的不断输入，土壤有效磷含量整体表现为先增后减的趋势(图5).不同土层之间有效磷含量具有显著性差异(P<0.05)，并且有效磷含量随着土层越深含量越少.不同的处理组之间也具有一定的差异性，在1～5月份对照组土层有效磷的含量要大于施氮组(表层土壤表现尤为明显)，说明氮添加初期对土壤有效磷具有一定抑制作用，在7～11月份对照组有效磷含量依旧大于施氮组N2与N3，但是施氮组N1有效磷含量大于对照组，表明试验后期低氮对土壤有效磷具有促进作用，高氮条件具有抑制作用.

图4 不同氮沉降处理下对土壤全磷含量的影响Figure 4 Impact on soil total phosphorus content by different levels of nitrogen deposition

图5 不同氮沉降处理下对土壤有效磷含量的影响Figure 5 Impact on soil available phosphorus content by different levels of nitrogen deposition

2.4 氮沉降对米槁凋落叶分解过程中土壤全钾、有效钾含量的影响

土壤全钾含量整体表现为不断下降的变化趋势(图6).根据不同土层全钾含量的变化可以看出，0～5 cm土层在1～5月呈现出凹型(CK与N3组全钾含量较高)且施氮组要小于对照组，即CK>N3>N1>N2，在试验后期可以发现0～5 cm层变化表现为中间高两端低，说明高氮处理初期对土壤表层全钾含量较敏感.虽然土壤全钾含量整体呈现出前期低抑高促，后期为低促高抑的一个变化，但施氮组土壤全钾含量与对照组之间无显著差异(P>0.05)，施氮组对土壤全钾含量无明显影响.除5月份N3组有效钾含量比对照组高以外，其他月份的施氮组有效钾含量都比对照组低(P<0.05).根据图7可以看出，随氮沉降浓度的增加，土壤有效钾含量整体呈现先增加后下降的趋势.不同土层的有效钾含量在1～3月份有明显的差异性(P<0.05)，并且表现为0～5 cm土层>5～10 cm土层>10～20 cm土层，5月份0～5 cm和5～10 cm土层高氮组含量较高，低中施氮组含量较对照组要小.7～11月份0～5 cm施氮组要比对照组土壤有效钾含量要低，对照组不同土层间具有差异性，其中高氮组对土壤有效钾有一定的敏感性，5～10 cm与10～20 cm间土壤有效钾含量相近不具有显著性(P>0.05)，表明施氮处理后期对土壤有效钾具抑制作用，氮浓度越大抑制效果越明显.

图6 不同氮沉降处理下对土壤全钾含量的影响Figure 6 Impact on soil total potassium matter by different levels of nitrogen deposition

图7 不同氮沉降处理下对土壤有效钾含量的影响Figure 7 Impact on soil available potassium matter by different levels of nitrogen deposition

3 讨论

土壤有机质由土壤中的腐殖质、动植物残体和微生物体组成，其中凋落物是森林生态系统中土壤有机质的主要来源[13].土壤水解氮主要包括无机氮以及易水解的有机态氮，在土壤中虽然不稳定，容易被生物活动和土壤水热条件影响发生改变，但是水解氮可以作为一个判断土壤近期可利用氮素含量多少的重要指标[15].本研究表明，氮沉降显著增加米槁凋落叶分解过程中各土壤有机质和水解氮含量.根据不同土层有机质含量的变化可以看出，0～5 cm土层有机质含量的变化幅度最大，对氮沉降浓度的增加最为敏感.施氮组促进了米槁凋落叶过程中土壤有机质的含量且在试验后期表现出明显差异.这与Entwistle等[16]研究结果相似，认为长期施氮会使凋落物分解速率下降，类木质素化化合物的氧化程度加深，从而使土壤有机质含量增加.唐剑东[17]研究发现施氮处理显著增加了土壤有机质的含量，是因为添加氮素增加了凋落物的数量和植物细根生物量、改变了土壤动物和微生物活性以及降低了土壤有机碳的矿化速率.结合本试验地的实际情况，施氮组表层土壤有机质的增加是因为表层土壤中具有较高的细根生物量，其细根周转会带来有机质的输入.本研究发现3组不同浓度施氮组比对照组土壤水解氮的含量高，且在9月和11月份时差异显著，说明在氮沉降对土壤水解氮含量具有积累作用，这与沈芳芳等[18]试验结果相同.而且不同浓度的施氮处理中还是可以看出，N3条件下要比N1和N2水解氮含量要低一点，可能是在N3条件土壤中的氮含量达到了富集的状态.根据不同土层土壤水解氮含量的变化可以发现：只有1、3、11月份的0～5 cm土层土壤水解氮含量是最大的，其他月份中10～20 cm土层土壤水解氮的含量最大，产生这种现象可能的原因是浅层土壤硝化作用较强，然而气温对土壤水解氮的硝化作用有一定影响，温度低使土壤水解氮硝化速率降低，造成低温月份浅层土壤水解氮剩余增多[19].与汪金松等[20]的研究结果一样，本研究发现氮沉降对土壤中全氮含量无明显影响.

本研究中，模拟氮沉降对米槁凋落叶分解过程中土壤全磷表现为抑制作用，对有效磷含量表现出低浓度促进高浓度抑制的作用.森林生态系统的磷主要来源于土壤岩石磷矿物的风化作用和植物的残体凋落归还，在森林生态系统中一般认为磷元素是仅次于氮元素的限制因素[21].本研究结果发现在模拟氮沉降处理中，土壤全磷含量随氮浓度的增加整体呈现下降的趋势，外源氮的添加可使土壤养分由氮限制转化成磷限制，但土壤有效磷含量却表现出低浓度氮沉降下增加、高浓度氮沉降下减少，这与蔡乾坤等[22]研究结果相似，原因是外源氮添加提高了米槁凋落叶分解过程中土壤磷酸酶活性，促进了土壤中全磷向有效磷的转化[23].

4 结论

米槁凋落叶分解过程中土壤养分整体呈现出随着土壤土层深度的加深而降低的变化.氮沉降对米槁凋落叶分解过程中土壤有机质含量有微促进作用；从土壤水解氮的整体变化可以看出，施氮组要比对照组水解氮的含量高，氮沉降对土壤水解氮具有促进作用；土壤全磷整体表现为逐渐下降且施氮组与对照组具有显著差异，土壤有效钾含量随着氮沉降浓度的增加整体减少，氮沉降对米槁凋落叶分解过程中土壤全磷和有效钾含量有明显的抑制作用；米槁凋落叶分解过程中土壤有效磷含量在低浓度氮沉降下增加，而高浓度氮沉降下减少；氮沉降对米槁凋落叶分解过程中土壤全钾和全氮含量无显著影响.可见氮沉降影响了米槁凋落叶分解过程中土壤养分含量，进而可以影响米槁的土壤生活环境，本研究只解释了土壤环境中米槁凋落叶分解时氮沉降对土壤养分的影响，但土壤环境中还有其他环境因素比如微生物等，所以氮沉降对米槁的土壤环境的影响机制还需结合其他环境因素作进一步研究.