模拟氮沉降下滇中亚高山森林凋落物养分元素释放特征

张乃木，宋娅丽，王克勤，张雨鉴，潘禹，郑兴蕊

西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650224

随着人类对化石燃料、工业化肥需求的快速增加以及人口和畜牧业发展，氮沉降成比例增加，且对森林生态系统的生物地球化学循环过程影响越来越严重（Vitousek et al.，1997；Liu et al.，2013；吴建平，2014）。中国已成为全球三大氮沉降集中区之一，年均氮沉降量从20世纪80年代（13.2 kg·hm−2）到 21 世纪初（21.1 kg·hm−2）增加了近 60%（Galloway et al.，2008；Liu et al.，2013）。森林作为陆地生态系统中最为重要的一环，直接承受了大量的氮沉降（郑世伟，2014）。研究表明，氮沉降对森林生态系统的影响是动态的，具有正、负两种效应。一方面，氮沉降能在一定程度上促进植物叶绿素的合成，进而对植物的生长起到了促进的作用（鲁显楷等，2019）；另一方面，过量的氮沉降会导致森林生态系统内的土壤酸化（Du et al.，2014）、养分流失（Mao et al.，2017）、生物多样性下降（Sala et al.，2000）等问题，对植物生长发育（Xia et al.，2008）、土壤动物、微生物（刁婵等，2019）生长等也有不同程度的影响，对生态系统形成明显的负效应。

作为森林生态系统的重要组成部分，凋落物在养分循环和元素流通中起到了重要作用（Austin et al.，2006），其在森林生态系统中可视为植物生长发育和土壤养分循环之间的连接纽带，养分的高低间接反应了林地内生产力水平大小（曾昭霞等，2010）。不同浓度的氮沉降会因环境、凋落物特征、分解阶段的差异等原因对凋落物分解产生不同的作用，其结果主要有促进（刘文飞等，2019）、抑制（Yang et al.，2019）和无显著影响（铁烈华等，2018）。目前关于氮沉降对凋落物分解的影响研究主要集中于对凋落物分解过程的影响等方面。肖银龙等（2013）认为外源N的添加对凋落物分解起到了促进作用，但宋学贵等（2007）和周世兴等（2016）认为氮沉降对其有抑制作用。而氮沉降对森林凋落物分解的影响会因凋落物类型产生差异（陈翔，2014），叶、枝在凋落物各组分中占绝对优势，通常占凋落物总量的90%左右（吴承祯等，2000），且氮沉降会影响凋落叶、枝等器官的C、N、P含量（沈芳芳等，2019）。目前，凋落物养分释放特征对氮沉降响应的研究尚有不足（涂利华等，2011），且多以单一的凋落叶为研究对象（铁烈华等，2018），并以低中海拔区域单一林分研究居多（刘文飞等，2019；沈芳芳等，2019），针对亚热带中高海拔地区中不同林分凋落物对氮沉降的响应则鲜有报道。因此，本研究以滇中亚高山的4种典型森林生态系统常绿阔叶林（Evergreen broad-leaf forest）、高山栎林（Quercus semicarpifolia forest）、华山松林（Pinus armandii forest）、云南松林（Pinus yunnanensis forest）为研究对象，采用凋落物分解袋法，通过人工模拟大气氮沉降，研究该森林生态系统内的4种林分下的凋落叶和枝的养分释放特征、影响因素以及生态化学计量比，旨在为预测该区域森林生态系统养分循环以及对氮沉降增加的响应提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究地区位于云南省玉溪市磨盘山国家森林定位研究站，海拔为1260.0—2614.4 m，属云南热带与亚热带的过渡气候带，是典型的中亚热带气候，年降水量为1050 mm，年均气温15 ℃，具体自然条件参见文献（张雨鉴等，2019）。样地情况见表1。

表1 各林分类型样地基本情况Table 1 Basic situation of sample sites of different forest types

1.2 实验设计

1.2.1 样地设置

于2017年11月，在4种林分下放置凋落物采集框，采集新近凋落的凋落叶和凋落枝（常绿阔叶林主要树种为米槠、光叶柯和糙皮桦等），凋落枝以3—5 mm为标准进行采集，各林分的凋落物带回实验室经过充分的风干和混匀后，分别准确称凋落叶和枝各10 g后，装入尼龙网分解袋中（分解袋大小为 20 cm×20 cm，上下表面网孔孔径为 1 mm×1 mm）。2018年1月在磨盘山森林内选择具有代表性的常绿阔叶林、高山栎林、华山松林、云南松林4种林分，每种林分设置3个20 m×20 m的样地，每块样地间设大于3 m的缓冲带。在每块样地中随机设4个3 m×3 m的小样方（即每种森林类型分别设置12个小样方，用于4种氮沉降处理，各处理共3个重复样方），将准备好的凋落物袋均匀的放置在各样方的枯落物下、土层上，相邻凋落物分解袋之间至少保持2 cm间距以免相互影响。

1.2.2 施氮处理

施氮水平参照福建沙县、四川华西雨屏区和四川洪雅等区域对模拟氮沉降处理的实验设置（李仁洪等，2010；涂利华等，2011；沈芳芳等，2018），并结合试验区氮沉降量水平及该地区未来可能的氮沉降趋势，本实验设定氮沉降处理分4个水平：对照（CK，N 0 g·m−2·a−1）、低氮（LN，N 5 g·m−2·a−1）、中氮（MN，N 15 g·m−2·a−1）和高氮（HN，N 30 g·m−2·a−1），每个水平 3 个重复。将 1 年的施用量均分成12份，自2018年1月起，每月中旬对各样方进行定量模拟氮沉降处理，以NH4NO3为氮源进行施氮，各处理除施氮外，其他措施均保持一致。

1.2.3 样品采集与测定

自2018年2月起，于每月中旬随机采集各样方中的凋落叶3袋和凋落枝3袋共袋，取回分解袋后，对袋中侵入的根系和泥沙等进行清除，将风干的凋落物样品经 65 ℃烘干至恒定质量、粉碎并过100目筛后供元素测定。凋落物中的碳含量采用重铬酸钾-外加热硫酸氧化法（LY/T 1237—1999）测定；氮含量采用半微量凯氏定氮法（LY/T 1269—1999）测定，磷含量采用钼锑抗比色法（LY/T 1270—1999）进行测定，钾含量用火焰光度计法进行测定（LY/T 1234—1999）。

1.3 数据处理

元素残留率（R）的计算方法为：

式中，Ct为 t凋落物元素含量（mg·g−1），mt为t凋落物干质量（g），C0为初始元素含量（mg·g−1），m0为初始干质量（g）（李仁洪等，2010）。

实验数据用Excel和SPSS 22统计分析软件进行处理分析，采用Canoco 5软件进行冗余分析，对不同森林类型凋落叶和枝的C、N、P、K含量和残留率采用单因素方差分析（One-Way ANOVA）进行分析，并用Duncan法进行多重比较，采用双因素方差分析法（Two-way ANOVA）分析林型和氮处理水平对凋落叶和枝的C、N、P、K残留率的影响，显著性差异检验在0.05水平。

2 结果与分析

2.1 凋落叶、枝养分含量变化对氮沉降的响应

如图1和图2所示，凋落叶和枝的C含量在氮沉降 12个月后总体呈减小态势，减幅分别为7.27%—14.94%和6.13%—18.78%；N含量则相反，除 GS外均表现出凋落叶 N含量减小（2.55%—19.96%），枝N含量增加（9.53%—49.58%）；凋落叶的P含量在CL和GS中表现为增加（51.94%和5.49%），在HS和YN中表现为减少（24.77%和24.43%），而枝与之相反；凋落叶K含量除YN增加 3.25%，其他林分均表现为下降，降幅为9.69%—14.87%，枝在CL表现为升高（1.60%），其他林分均为下降（11.21%—14.35%）。凋落叶和枝 N 含量在 GS中最高（10.71 mg·g−1），分别为CL、HS、YN的1.08、1.60、2.13倍；凋落叶和枝P含量以CL的含量最高（1.28 mg·g−1），GS的最低（0.59 mg·g−1），含量大小表现为 CL>HS>YN>GS；凋落叶的 K 含量平均为 8.36 mg·g−1，是枝的 1.56倍。4种林分类型不同元素含量除C含量和CL的N含量外，N、P、K在其他林分类型中均表现为凋落叶>凋落枝，且均差异显著（P<0.05）。

图1 不同氮处理12个月后凋落叶的养分含量特征对比Fig.1 Comparison of element contents of litter leaves under different nitrogen treatments

图2 不同氮处理下凋落枝的元素含量对比Fig.2 Comparison of element contents of litter branches under different nitrogen treatments

2.2 凋落叶、枝养分残留率对氮沉降的响应

由表2可知，4种林分下凋落叶和枝的元素释放在不同的氮沉降条件下差异显著（P<0.05）。在氮沉降12个月后，经过4种浓度氮沉降处理的凋落叶和枝的 C元素残留率分别为 CK（55.50%和72.48%）、LN（56.24%和72.40%）、MN（57.68%和75.35%）和HN（62.15%和77.50%），在不同林分间表现相同，均呈现出释放的状态，元素残留率随着N浓度的增加而增加，表明氮沉降对凋落物C的抑制作用。

表2 凋落叶和枝的元素残留率Table 2 Element residue rate of leaves and branches of litter

凋落物 N的释放在不同林分间略有差异，CL和GS凋落叶和枝表现为富集状态，其元素残留率除CK外均大于100%，其余为释放状态，在氮沉降条件下，凋落叶和枝在HM浓度下表现为N残留率最高（83.95%和 138.64%），CK最低（60.99%和102.42%），均表现为随着N浓度的增加而增加，即氮沉降对其有一定的抑制作用。凋落枝除HS的LN和YN的HN外，在4种林分中均表现为富集状态。P和K元素则表现相同，除在CL中凋落叶表现为富集外，其余林分均呈现出释放的状态。

2.3 氮沉降下凋落叶、枝的C/N、C/P特征

表3可知，凋落物的C/N和C/P在在氮沉降12个月后前后各林分间的表现不尽相同。分解 12个月后，凋落叶和枝的C/N除HS外总体上均降低；凋落叶C/P在CL、GS和HS中降低，YN中增加，凋落枝C/P则在CL中降低，其余3种林分中增加。

表3 分解后的凋落叶和枝化学计量比Table 3 Stoichiometric ratio of leaf and branch of litter after decomposition

氮沉降对凋落叶和枝在氮沉降 12个月后的影响在不同林分间略有差异，C/N整体上随着N浓度的增加而降低，而在HS的凋落叶则表现为LN增加，MN和HN降低。CL凋落叶变化最大，LN、MN和 HN较 CK分别减小 21.67%、33.52%和56.25%；而凋落枝以HS变化最大，LN、MN和HN较CK分别减小39.67%、21.45%和61.07%。凋落叶和枝的C/P在GS和YN中表现为随着N浓度的增加而降低，但在CL中表现为LN增加（7.37%和5.78%），HN减小（4.84%和 0.27%、14.46%和0.20%）；在HS中表现为LN和MN增加，HN减小，较CK分别增加2.52%和1.26%、4.99%和5.99%，减小19.50%和44.11%。

2.4 氮沉降下凋落叶、枝养分释放的影响因素

不同氮处理、林分类型及其两者交互程度对凋落叶、枝的元素残留率的的影响各不相同。从表 4可看出，在凋落叶中，林分类型对C、N、P和K残留率的影响最大，其F值分别为766.93、139.72、242.19和41.85，均达显著性水平（P<0.05），不同的施氮水平影响次之，不同林分与施氮水平对元素残留率的影响最弱。

表4 凋落叶和枝元素残留率在林分类型和施氮水平差异的双因素方差分析Table 4 Analysis of variance of two factors on the difference between nutrient surplus rate of leaves and branches of litter and the level of tree species and nitrogen application

不同林分类型对凋落枝C、N、P 3种元素残留率影响最大，均达显著性水平（P<0.05），其次为施氮水平；而 K残留率受不同施氮水平的影响最大，受林分类型的影响次之，其值均达显著性水平（P<0.05）。

冗余分析同样说明林分类型和施氮水平的变化影响元素残留率。由表4（表4为解释量和对应的重要性和显著性，用于补充图3）、表5和图3可看出，在凋落叶中，二者解释了元素残留率49.74%的变化，其中林分类型的贡献率最大（41.61%），其次是施氮水平（8.13%）。凋落叶中，林分类型和施氮水平共解释了63.17%的变化，林分类型贡献最大（58.83%）。

表5 氮沉降和林分类型因子的解释的显著性检验结果Table 5 Significance test results of explanation of nitrogen deposition and stand type factors

图3 元素残留率与氮沉降和林分类型的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis (RDA) of element residual rate in nitrogen deposition and stand type

3 讨论

3.1 氮沉降下不同树种凋落叶、枝养分释放特征

凋落物的分解过程受到其自身特性（如养分元素）和环境等的影响（刘文飞等，2019）。在凋落物的分解过程中，养分释放分为3种模式，直接释放、富集-释放、淋溶-富集-释放（葛晓改等，2014）。在本研究中，凋落叶和枝经过氮沉降12个月后，在养分释放上表现出释放或者富集的状态。氮沉降在短期总体上对CL、GS和YN的元素含量及养分释放起到了抑制作用，在本研究中使用的 N源为NH4NO3，涂利华等（2011）、周世兴等（2016）、韩雪等（2014）研究采用的N源与本研究一致，结果相同，即氮沉降对凋落物的养分释放总体产生了抑制作用。也有研究表明随着施氮水平的提升，LN和MN水平表现出促进了元素的释放，仅在HN时抑制的结论（张毓涛等，2016；刘文飞等，2019）。分析原因是施用N源不同，后者N源为CO(NH2)2，而CO(NH2)2是有机态N，不能被土壤吸附，会随着雨水流失，同时 CO(NH2)2在土壤中转化时可积累大量的铵离子，会导致pH升高2—3个单位，而pH的升高一定程度上会促进元素的释放。

4种林分凋落叶和枝的C含量在氮沉降12个月后均显著下降（3.60%—19.68%和 3.80%—23.70%），这是由于在分解过程中，凋落叶包含了可溶性有机碳、碳水化合物和木质素、纤维素等成分，易受到雨水等的冲刷和溶解，造成较快的分解，表现为直接释放（杨万勤，2007）。在研究中，除HS以外的3种林分的C元素释放均表现为受氮沉降的抑制，且抑制作用表现出随着N浓度的提高而增强。

涂利华等（2011）对华西雨屏区苦竹撑绿杂交竹（Bambusa pervariabilis×Dendrocala mopsi）的研究发现，氮沉降对凋落物N元素的释放起到了显著抑制作用，且表现为随着氮沉降浓度的增加，抑制作用越大，同时其他元素的释放也受到一定程度的抑制。在本研究中，CL、GS和YN下的N残留率与CK相比均有显著提升（P<0.05），且总体上表现出随着氮沉降浓度的增加而增加的趋势（1.29%—52.92%），其原因可能是与木质素和纤维素的分解受到抑制有关，外源性无机态N与凋落物分解过程中产生中间产物会结合，生成难分解的物质，同时白腐真菌能产生木质素酶，而N添加能抑制白腐真菌的生长，进而对木质素酶的活性产生抑制，导致分解速率降低，在养分释放中表现为凋落物中的 N含量的升高以及元素残留率的升高（张琴，2014）。值得指出的是，GS凋落叶和枝MN元素均表现出富集的状态，这可能是因为GS叶片为革质，不易分解，在施氮12个月以后N残留率增加7.61%—24.10%。

在本研究中，各林分在不同氮处理下表现出HS中LN和MN促进P元素的释放，HN抑制P元素的释放，其余林分表现为抑制释放。由于受NO3－淋溶的影响，K+离子也会随之淋失，表现在不同氮处理下，LN对K元素释放有一定的促进作用，而随着施氮浓度的提高，在MN和HN则表现为抑制。原因可能是氮沉降下，一方面会引起土壤MNO3－大量淋溶，基础阳离子如K+、Al3+、Mg2+等阳离子的浓度会随之增大，流动性提高，从而对土壤P的有效性产生影响；另一方面由于氮沉降会引起土壤中的离子增加，游离出的离子如Al3+与土壤中的活性磷酸盐结合，从而抑制植物对 P的吸收利用（Macklon et al.，1994；刘文飞等，2011；陈美领等，2016）。

3.2 氮沉降下凋落叶、枝C/N、C/P变化特征

在同一气候带内，凋落物质量是影响凋落物分解的主导因素，而凋落物的C/N是衡量凋落物质量的重要指标。本研究中氮沉降在一定程度上降低了C/N，在CL和HS两种林分下尤为明显，分析原因可能是N元素随氮沉降浓度的增加而增加，而C元素增加幅度较小，表现出C/N的减小。C/N随着氮沉降的增加而降低，同时对凋落物的分解和元素的释放产生了抑制，其原因可能与土壤微生物群落结构在持续N输入下逐渐由真菌变为细菌，从而使凋落物分解速率降低（Allison et al.，2007）。C/P的大小可用于表征植物受P元素的限制格局（卢广超，2014）。仲米财等（2013）认为将C/P为230时作为分解凋落物固持P的临界值。本研究中C/P范围在262—977，均高于230的临界值，说明较多的P被固定。随着氮沉降的增加，土壤微生物逐渐以细菌为主，容易由于高C/P而受P限制，有机质中矿化的P会被微生物固持（王晶苑等，2013），从而影响P的释放，增加了P的残留率。

3.3 氮沉降下凋落叶、枝养分释放的影响因素

在凋落物分解过程中，4种林分下的凋落叶和枝的养分释放受到不同因素的影响。在本研究中，双因素和冗余分析均表明凋落叶的C、N、P、K残留率和凋落枝的C、N、P残留率均受林分类型的影响最大，受施氮水平的影响较小，其原因可能是 4种林分的林分组成和环境不同导致的。研究表明，林分组成和群落结构可以通过对凋落物产量和质量以及林内微气候的作用而对凋落物的养分固定和释放模式产生影响（邓仁菊等，2010）；同时，在凋落物组织中包含有易分解成分和难分解有机成分（如木质素、纤维素和多酚类物质等），其含量的多少是主要的控制凋落物分解的化学因素（张毓涛等，2016）。本研究的4种林分类型中，CL下由于物种多样性丰富，凋落物易破碎等原因，在分解初期有多种微生物和酶参与，促进了凋落物营养元素的释放；而HS和YN凋落叶和枝的质地较硬，初期难以破碎，且地上难分解的凋落物较多，需待结构崩溃后分解，元素释放加速（Kaspari et al.，2008）。

4 结论

经过12个月的模拟氮沉降实验，不同浓度氮沉降对凋落叶和枝的分解总体上呈现出抑制作用。GS和CL凋落叶和枝的C、N含量随着氮沉降浓度的上升而表现为抑制；HS和YN的P和K含量在LN是表现为促进作用，MN和HN表现为抑制作用。

4种林分凋落叶和枝在不同的氮沉降条件下，C元素的养分释放均表现为释放状态，N、P、K元素的释放在不同林分和组分间表现略有差异，CL的凋落叶和GS的凋落叶和枝中表现出富集状态，其余为释放状态。

氮沉降条件下，4种林分的凋落叶的C、N、P和K以及凋落枝的C、N和P元素均受林分类型的影响最大，而凋落枝的 K元素受氮沉降的影响最大。氮沉降对森林生态系统产生的影响长期的，本研究初步揭示了凋落物的元素释放对氮沉降为期一年的短期响应，而未来可考虑更长时间的定位监测分析，加入更多如地理因子如坡度、海拔，土壤理化因子如湿度、温度的测定与分析，以更全面的揭示全球变化对凋落物分解的影响及其机制。