模拟氮沉降对华北落叶松林凋落叶生态化学计量特征的影响

2021-05-20李素新张芸香郭晋平

中国水土保持科学 2021年2期

李素新，张芸香，郭晋平†

(1.山西农业大学林学院，030801，山西晋中; 2.功能油料树种培育与利用山西省重点实验室，030801，山西晋中)

生态化学计量学旨在研究生态过程中化学元素的比例关系，目前主要集中在C、N、P元素的计量关系[1]。森林凋落物是森林生态系统的组成部分和森林土壤物质转换的基础[2]，凋落叶作为凋落物的主要成分，其养分元素的变化会影响凋落物的分解速率。近年来随着大气氮沉降的增加[3]，生态系统中的氮输入也大大增加，这不仅直接影响森林生态系统的结构和功能，还间接影响全球生态系统的生物地球化学循环[4-5]。有研究[6-7]表明，氮沉降会直接或间接影响土壤微生物的生长和活性，从而改变土壤pH值，进一步影响森林凋落物的分解。目前研究模拟氮沉降对凋落物的影响侧重于其养分释放[5]、分解[6,8]、土壤有效养分[9-10]、动态[11]等，而对人工林与天然林凋落叶的主要养分含量及化学计量特征差异研究关注较少，且凋落叶的分解对氮沉降的响应尚存争议，因此，氮沉降对凋落叶的影响仍需进行长期深入研究。

华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)作为华北山地针叶林的主要建群树种[12]，在水源涵养和水土保持方面具有重要的生态作用。笔者以华北落叶松天然林和人工林为研究对象，通过全生长季野外定点施氮模拟氮沉降试验，研究不同浓度氮添加对凋落叶生态化学计量特征的影响，期望为凋落叶对氮添加响应的养分转运机制研究提供参考，为氮沉降变化影响养分循环研究提供依据。

1 研究区概况

试验地位于山西省吕梁山脉中段关帝山林区腹地(E 111°22′～111°40′，N 37°28′～37°55′)，该区属于暖温带大陆性山地气候，年均温8.85 ℃，年平均降水量550 mm，降雨集中在7—9月，无霜期110～140 d，生长季为4—10月。华北落叶松天然林样地为林龄65 a的纯林，树种组成10华北落叶松，郁闭度0.67，林分平均高23.9 m，林下植被种类丰富，灌木主要有沙棘(HippspHaerhamnoides)、刺果茶藨子(刺梨)(Ribesburejense)、美蔷薇(Rosabella)、刚毛忍冬(Lonicerahispida)等；草本植物主要有披针苔草(Carexlanceolata)、瓣蕊唐松草(Thalictrumpetaloideum)、华北耧斗菜(Aquilegiayabeana)、玉簪(Hostaplantaginea)、铃兰(Convallariamajalis)、小红菊(Dendranthemachanetii)等。华北落叶松人工林样地为林龄24 a的纯林，树种组成10华北落叶松+白桦，郁闭度0.79，林分平均高15.6 m，林下植被种类丰富，覆盖度85%，其中，灌木主要有土庄绣线菊(Spiraeapubescens)、金花忍冬(Lonicerachrysantha)、美蔷薇(Rosabella)、灰栒子(Cotoneasteracutifolius)等，草本植物有小红菊(Dendranthemachanetii)、唐松草(Thalictrumaquilegifoliumvar.sibiricum)、香薷(Elsholtziaciliate)、鼠掌老鹳草(Geraniumsibiricum)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、四叶葎(Galiumbungei)、羊红膻(Pimpinellathellungiana)等。样地的林分和土壤特征见表1。

2 研究方法

2.1 试验设计

试验采用3个处理3 次重复，随机区组设计。在庞泉沟保护区神尾沟和龙兴林场五叶沟分别选定3个坡面，分别为华北落叶松天然林和人工林，在每个坡面分别设置3块固定标准地，共18块。标准地初设于2013年4月中旬，面积20 m×30 m，外围缓冲带≥10 m，埋设中心桩、角桩和界桩，样地设置好后立即调查立地条件和测定林分因子。试验设计的3个施氮处理分别为：对照CK(0)、轻度施氮LN(8 g/(m2·a))和重度施氮HN(15 g/(m2·a))。外源施氮处理采用化学纯(≥98.5%)NH4NO3晶体水溶液，按设计施氮量计算用药量。在2013—2016 年期间，每年4—10月，每月月初按设计药量溶解于20 L水中，用背负式喷雾器均匀喷洒在标准地内，对照样地喷洒等量清水。

2.2 凋落叶样品的采集与处理

2016年8月在每个样地中随机布设5个凋落物收集框，9—11月每月月初收集当年新鲜凋落叶，收集框是大小1 m×1 m，孔径1 mm的尼龙网。收集筐底部直接放在地面离开土壤取样样方的地方，四周用木桩支撑固定，每次把5个收集框内收集到的凋落物按样地混合，装袋、标签，带回实验室后分拣出新鲜的凋落叶，在65 ℃恒温箱中烘干72 h后称量，然后机械粉碎过筛，测定其养分含量。

2.3 土壤样品的采集

2016年8—10月，每月月初用内径10 cm的土钻按梅花形对表层(0～10 cm)土壤进行五点取样，充分混合，3次重复，取回的土样将石砾和动植物残体拣出，自然风干、研磨、过100目筛，用于测定元素含量。

2.4 凋落叶与土壤碳、氮、磷含量的测定

全碳用multi N/C 2100分析仪和HT1300 Solids Module (Analytik Jena AG, Germany)测定；全氮经H2SO4-H2O2消煮后，用半微量凯氏定氮法测定，全磷经H2SO4-H2O2消煮后，用钼锑抗比色法测定。

2.5 数据处理

凋落叶和土壤C、N、P化学计量比均采用质量比。采用Microsoft Excel对原始数据进行初步整理，SPSS 20.0 软件对数据进行统计分析。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)分别分析氮添加和林分起源对凋落叶养分含量及化学计量特征的影响。双因素方差分析(two-way ANOVA)对氮添加和林分起源对凋落叶养分含量及化学计量特征进行比较。凋落叶和土壤主要养分含量及化学计量特征间的关系采用Pearson相关分析。用Origin 9.0软件绘图。

表1 华北落叶松林样地初始林分特征和土壤理化性质Tab.1 Initial stand characteristics and soil properties of plots in the Larix principis-rupprechtii stand

3 结果与分析

3.1 氮沉降对凋落叶C、N、P质量分数的影响

由图1可知，华北落叶松天然林凋落叶的C、N、P平均质量分数分别为405.66、12.05和0.77 g/kg，人工林的平均质量分数分别为413.44、15.32和0.82 g/kg，人工林C、N、P质量分数均高于天然林。不同浓度氮添加处理下天然林和人工林凋落叶C、N、P质量分数存在显著差异(P<0.05)(图1)。轻度氮处理显著提高天然林和人工林凋落叶C、N质量分数，C分别为5.9%和4.3%，N分别为9.0%和16.3%;重度氮处理显著提高人工林N质量分数14.8%。轻度氮处理显著提高人工林P质量分数4.9%，重度氮处理显著降低天然林和人工林P质量分数，分别为7.8%和13.4%。

氮处理 Nitrogen addition treatment CK：对照0； LN:轻度施氮8 g/(m2·a)；HN:重度施氮15 g/(m2·a)。不同大写字母表示不同起源间差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示不同施氮处理间差异显著(P<0.05)，下同。Notes: CK: The control without nitrogen addition. LN:Light nitrogen fertilizer 8 g/(m2·a). HN: Heavy nitrogen fertilizer 15 g/(m2·a). Different capital letters at the same column indicate significant differences among different forest origins (P<0.05). Different lowercase letters at the same column indicate significant differences among different nitrogen fertilizer (P<0.05) . The same below. 图1 不同氮处理下华北落叶松天然林和人工林凋落叶碳、氮、磷质量分数Fig.1 Contents of carbon(C), nitrogen (N) and phosphorus (P) of leaf litter in the natural and planted Larix principis-rupprechtiistand with different nitrogen addition treatment

3.2 氮沉降对凋落叶C∶N、C∶P、N∶P的影响

自然状态下，人工林凋落叶C∶N和C∶P均显著低于天然林，N∶P是人工林显著高于天然林(P<0.05)(图2)。不同浓度氮添加下天然林和人工林C∶N、C∶P和N∶P存在显著差异(P<0.05)。与对照相比，轻度氮处理显著降低天然林和人工林C∶N，重度氮处理显著增加其C∶P和N∶P。

氮处理 Nitrogen addition treatment 图2 不同氮处理下华北落叶松天然林和人工林凋落叶C∶N、C∶P、N∶PFig.2 C∶N，C∶P，N∶P of leaf litter in the natural and planted Larix principis-rupprechtii stand with different nitrogen addition treatment

3.3 氮沉降和林分起源对凋落叶生态化学计量的交互作用

双因素方差分析结果(表2)表明：氮处理显著影响凋落叶C、N、P质量分数及C∶P和N∶P，不同林分起源显著影响其N、P质量分数及C∶N、C∶P和N∶P，二者的交互作用对C∶N和N∶P有显著影响。

3.4 凋落叶与土壤化学计量特征相关性分析

相关性分析结果(表3)表明：华北落叶松天然林凋落叶C与土壤C、N呈显著正相关，与P极显著正相关；凋落叶N与土壤C、N、C∶P、N∶P极显著正相关。人工林凋落叶C与土壤C呈显著正相关；凋落叶N与土壤N极显著正相关，与P显著正相关；凋落叶P与土壤C、C∶N极显著正相关，与C∶P显著正相关；凋落叶C∶N与土壤N显著负相关，与C∶P显著正相关；凋落叶C∶P、N∶P分别与土壤C∶N、C∶P极显著负相关。

表2 凋落叶C、N、P质量分数及其生态化学计量特征双因素方差分析Tab.2 Two-way ANOVA of the C，N， and P contents and ecological stoichiometric characteristics of leaf litter

表3 华北落叶松林凋落叶与土壤生态化学计量相关性分析Tab.3 Correlation analysis among the ecological stoichiometric characteristics of leaf litter and soil inLarix principis-rupprechtii stand

4 讨论

4.1 氮沉降对凋落叶生态化学计量特征的影响

大气氮沉降进入森林地表，增加土壤中氮的含量，促进植物生长，进而引起森林凋落物化学元素含量的变化[13]。本研究中，轻度氮添加显著增加天然林和人工林C、N、P的质量分数，这与樊后保等[14]通过氮沉降对杉木人工林凋落叶分解过程中C、N元素动态变化的结论一致。重度氮处理下凋落叶P元素的释放受到抑制，而C、N未受到高浓度氮添加的显著影响。轻度氮处理显著降低其C∶N，说明轻度施氮使得凋落物中氮的质量分数显著增加，与赵晶等[9]的研究结论一致，施氮降低樟树凋落物各组分的C∶N比。重度氮处理下C∶P和N∶P显著增加，与前人研究结果[15-16]相似，这是因为高浓度的氮沉降导致植物对P的重吸收增加，P的质量分数降低所致。

4.2 林分起源对凋落叶生态化学计量特征的影响

本研究表明，华北落叶松天然林和人工林凋落叶生态化学计量特征对氮沉降的响应不同。天然林在轻度氮处理下显著提高C、N质量分数，重度氮处理显著降低P质量分数，可能由于本实验对象华北落叶松天然林是近熟林，林分结构复杂，物种多样性丰富，土壤肥力较高，在长期适应环境的过程中表现出良好的地上和地下养分循环，对氮添加的响应相对较弱，在轻度氮处理下，土壤C、N质量分数增加，叶片N素利用效率增强[17]，凋落叶C、N质量分数相应增加。重度氮处理下，植物需要消耗更多的P来弥补对N的吸收，意味着叶片吸收更多的P而导致凋落叶P显著降低。人工林凋落叶C、N、P在轻度氮处理下均显著提高，重度氮处理下N显著提高，P降低，本实验人工林为中龄林[18]，处于速生期，对氮添加的响应相对较强，氮沉降增加了土壤和凋落物层的矿质氮含量，导致土壤中的有效氮含量增加，生长旺盛的人工林大量吸收土壤有效氮，引起针叶氮含量累积[14]，凋落叶的氮含量相应显著增加，C∶N值降低(图2)。

凋落物C∶N是影响有机质分解和养分回归的重要指标，较高的凋落物C∶N会导致较低的分解速率和N释放率[19]。本研究中，天然林和人工林C∶N经轻度施氮处理后均有所下降，表明施氮后凋落叶氮质量分数显著增加，从而引起C∶N下降。人工林P较天然林高，而导致较低的C∶P，表明人工林凋落叶分解过程中P能更快地被释放。N、P作为植物生长的主要限制性元素，N∶P常作为判断生态系统受N或受P限制的判断指标[20]。本研究中，对照样地中人工林N∶P均值(18.8)，显著高于天然林(15.7)(图1)，它们的差异可能是由于不同起源林分生长受P限制的程度不同所致。

总之，本研究表明，氮添加对凋落叶的生态化学计量特征影响不同，不同林分起源对氮添加的响应存在差异。由于本试验设置的氮添加梯度较少，施氮时间较短，也未对凋落叶的生态化学计量变化特征进行逐年分析，因此，关于氮沉降速率对凋落物的影响机制仍需进一步深入研究。