模拟氮磷沉降和凋落物处理对红松林土壤全氮和有机氮的影响

王美娟，段文标，陈立新，曲美学，王亚飞，杨永超，潘 磊，石金永

(东北林业大学林学院，150040，哈尔滨)

有机氮能够很好地反映土壤氮素供应能力，土壤中95%以上的氮素以有机氮形式存在[1]。氮元素中存在于自然水溶液中的有机氮组分称为溶解性有机氮，而风干土中可被纯水或盐溶液浸提的部分被称为水溶性有机氮，二者是土壤水解性有机氮的主体部分，约占70%，因而是所有有机氮组分中比较活跃的组分之一[2]。土壤有机氮决定土壤的供氮能力，因而土壤有机氮直接或间接影响土壤氮素的有效性，在土壤氮循环中起重要作用[3]。土壤有机氮受多重因素影响：生物因素如植被类型、土壤微生物和土壤酶活性等；非生物因素包括气候环境、土壤母质、土壤养分、土壤理化性质和林分管理措施等[4]。水解性有机氮在酸、碱、酶等作用下易水解，是土壤氮素的重要组成部分[5]，与土壤全氮相比，能更准确地反映土壤近期氮素的供应状况[6-7]。土壤酸解氨态氮是1种直接供作物吸收利用的有效氮[8]，氨基酸态氮是土壤固定氮的重要储存库，主要作为作物生产过程中的过渡性氮素储存库[9]。氨基酸态氮和酸解氨态氮是土壤中容易矿化的有机氮的来源和库[10]。降雨量大能够降低酸解氨态氮含量，增加酸解氨基糖态氮含量[11]。土壤有机氮不仅可以维持土壤氮素肥力，而且对土壤氮素供应能力具有重要意义[12]。

近年来，由于矿物、化肥等大量使用，大气中的含氮化合物含量剧增，导致氮沉降现象的加剧[13]。一定量的氮添加对森林植物生态系统具有一定的促进作用，而过量氮输入会导致生态系统达到“氮饱和”状态[14-15]；因此，氮沉降增加会导致森林生态系统氮循环发生改变，从而影响生物多样性和生态系统稳定性[16-17]。一定量的磷添加，可以增强一些植物的抗病性，但由于作物仅消耗少部分磷肥，所以70%～90%的磷积累于土壤中[18]。过量的磷肥输入会被土壤中的铁、铝或钙固定而失效，从而造成磷损失[19]。随着氮沉降的持续增加，陆地生态系统中有效氮水平增加，会对生态系统各组分产生一系列的影响[20]。凋落物是植物养分归还土壤的主要形式，森林植物所吸收的90%以上的氮和磷来自养分归还[21-22]，凋落物产量和分解速率对森林土壤肥力的维持及其生态恢复有着重要意义[23-24]。在氮磷沉降现象和凋落物方面，国内外学者做了许多相关研究[25-33]；但是氮磷沉降和凋落物处理对红松原始林和红松人工林土壤有机氮的影响研究较少，且其对土壤水解性有机氮的影响仍不清楚。

笔者选择小兴安岭地区凉水国家级自然保护区南坡的红松人工林和阔叶红松林2种林型，通过模拟氮磷沉降和凋落物处理试验，分析2种处理下土壤全氮和水解性有机氮及其组分的变化，探究其对2种林型红松林土壤全氮和水解性有机氮的影响，为预测氮磷沉降和凋落物变化对该地区未来红松林生态系统土壤肥力的影响提供科学依据。

1 研究区概况

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(E 128°53′20″，N 47°10′50″)。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，年平均气温-0.3 ℃，年平均最低气温-6.6 ℃，年平均最高气温7.5 ℃，年平均降水量676.0 mm，年平均无霜期100～120 d。地带性土壤类型为暗棕壤。该区夏季多受副热带变性海洋气团的影响，降水集中(其中6—8月占全年降水量的60%以上)，气温较高。

通过踏查，筛选出红松人工林和阔叶红松林2种代表性的林型作为试验对象，在每种林型的典型地段，各选择3块(20 m×30 m)样地，在每个样地内随机设置12个2 m×2 m的小样方，每个小样方之间间隔2 m。2种林型共设置72个样方。

在红松人工林内，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)。试验样地概况详见文献[30]。

2 研究方法

2.1 试验样地设置及样品处理

2.1.1 模拟氮磷沉降 根据当地夏季多年降雨记录及凉水国家级自然保护区自然氮、磷沉降量的测定值，同时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[34-35]，模拟氮磷沉降处理设置4个水平，施用量分别为：对照CK(氮0 g/m2、磷0 g/m2)，低施用量L(氮5 g/m2、磷5 g/m2)，中施用量M(氮15 g/m2、磷10 g/m2)，高施用量H(氮30 g/m2、磷20 g/m2)，氮磷均同时施加。在红松人工林和阔叶红松林2种林型的小样方内，2018和2019年每年的5—10月，每月进行1次模拟氮磷沉降施肥试验(以下简称为“氮磷沉降处理”)，每年分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为同期同批次，所以该处理的4个水平溪水内氮磷量均相同)，用喷洒器均匀地喷洒在试验单元内。在对照试验单元内，喷施相同体积的同期同批次溪水。

2.1.2 凋落物处理 在每块样地内，随机设置12个小样方(2 m×2 m)，其中，第1～4样方，设置为对照(保持原状凋落物)；第5～8样方，去除地表凋落物，有序清除样方土壤表层上凋落物及可见腐殖质；第9～12样方，将第5～8样方去除的凋落物有序添加到第9～12样方内，均匀平铺到各样方原有凋落物上，该处理共设置3个水平(对照CK、去除RL和添加凋落物AL)，每个水平各3个重复(样方)。每月定期清除新鲜凋落物，并在去除凋落物小样方上方0.5～0.8 m高处放置一个2 m×2 m尼龙网，以阻止凋落物掉入小样方内。

2.1.3 样品处理和测定 2018和2019年的5、8和10月在每个样方内，随机选取3个30 cm×30 cm的取样点，每个取样点采集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，将土样放置于阴凉通风处自然风干后，研磨过0.25 mm筛，装入塑封袋中密封保存在实验室备用。土壤全氮采用半微量凯氏法[36]测定。土壤水解性有机氮用酸水解—蒸馏法[37]测定。

2.2 数据处理与统计分析

使用Excel 2010对数据进行统计分析，并计算土壤水解性有机氮含量。利用SPSS 23软件对土壤全氮和土壤水解性有机氮各指标进行单因素方差分析、多因素方差分析和差异显著性检验(LSD法，α=0.05)。采用Canoco 5.0对土壤全氮和土壤水解性有机氮进行冗余分析(RDA)。比较分析不同氮磷沉降处理和凋落物处理水平各个氮组分的质量分数及变化趋势。

3 结果与分析

3.1 对土壤全氮及水解性有机氮的影响

方差分析表明，氮磷沉降和凋落物处理对红松人工林和阔叶红松林2年间的土壤全氮、酸水解总氮、氨基酸态氮、氨态氮影响均显著(P<0.05)，对土壤氨基糖态氮和酸解未知氮影响均不显著(P>0.05)，阔叶红松林2018和2019年的土壤全氮、土壤水解性有机氮的含量均显著高于红松人工林。(图1～4)

PKP为红松人工林，BLPKF为阔叶红松林，CK为氮磷沉降处理中的对照，L为低浓度氮磷，M为中浓度氮磷，H为高浓度氮磷，STN为土壤全氮。不同小写字母表示同一处理下年份之间的差异显著(P<0.05)。下同。PKP refers to Korean pine plantation, BLPKF refers to broad-leaved Korean pine plantation, CK is the control of nitrogen and phosphorus deposition treatment, L is low concentration of nitrogen and phosphorus, M is medium concentration of nitrogen and phosphorus, H is high concentration of nitrogen and phosphorus, and STN is soil total nitrogen. Different lowercase letters indicate significant difference between years under the same treatment (P<0.05).The same below.图1 氮磷沉降处理下红松人工林(PKP)和阔叶红松林(BLPKF)2年土壤全氮的变化Fig.1 Changes of soil total nitrogen (STN) between two years in Pinus koraiensis plantation (PKP) and broadleaved Pinus koraiensis forest (BLPKP) under nitrogen and phosphorus deposition

O为原状凋落物，RL为去除凋落物，AL为添加凋落物。下同。O refers to undisturbed litter, RL refers to removal of litter, and AL refers to addition of litter. The same below. 图3 凋落物处理下红松人工林和阔叶红松林2年土壤全氮的变化Fig.3 Changes of soil total nitrogen between two years in PKP and BLPKP under litter treatment

图4 凋落物处理下红松人工林和阔叶红松林2年土壤水解性有机氮的变化Fig.4 Changes of hydrolyzed organic nitrogen between two years in the soils of PKP and BLPKP under litter treatment

由图1和图2可知，在红松人工林中，不同氮磷沉降处理(即：CK、L、M和H)下，2019年土壤全氮和水解性有机氮的质量分数均高于2018年，土壤全氮质量分数2019年较2018年分别增加27.4%、51.9%、58.5%、63.8%；土壤水解性有机氮分别增加37.4%、34.3%、37.4%、38.3%；在阔叶红松林中，土壤全氮质量分数2019年较2018年分别增加63%、92.6%、38.3%、25.4%；土壤水解性有机氮质量分数分别增加39.5%、43.1%、31.6%、34.3%。

由图3和图4可知，在红松人工林中，不同凋落物处理(对照、去除凋落物和添加凋落物)下，2019年土壤全氮和水解性有机氮的质量分数均高于2018年，土壤全氮质量分数2019年较2018年分别增加47.8%、62.3%、39.7%；土壤水解性有机氮质量分数分别增加41.8%、42.4%、24.4%；在阔叶红松林中，土壤全氮质量分数2019年较2018年分别增加57.9%、58.1%、49.2%；土壤水解性有机氮质量分数分别增加了34.3%、47.1%、39.2%。

3.2 采样月份、林型、氮磷沉降和凋落物处理对土壤全氮及水解性有机氮的影响

多因素方差分析表明，2018年采样月份、林型、氮磷沉降和凋落物处理的交互作用对土壤全氮和土壤酸水解总氮影响均显著(P<0.05)；采样月份、氮磷沉降和凋落物处理的交互作用对土壤全氮、酸水解总氮、氨态氮均有显著影响(P<0.05)；林型对土壤全氮、酸水解总氮、氨态氮影响均显著；采样月份和林型的交互作用对土壤氨基酸态氮影响显著(P<0.05)(图5)；凋落物处理对土壤全氮、酸水解总氮、氨基酸态氮影响均显著(P<0.05)；采样月份对土壤全氮、酸水解总氮、氨基酸态氮影响均显著(P<0.05)；氮磷沉降处理对土壤全氮和酸水解总氮影响显著(P<0.05)。

2019年采样月份、林型、氮磷沉降和凋落物处理的交互作用对土壤氨基糖态氮影响显著(P<0.05)；采样月份和凋落物处理的交互作用对土壤氨基酸态氮影响显著(P<0.05)，采样月份对土壤全氮、氨基糖态氮、酸解未知氮影响均显著(P<0.05)；林型对土壤全氮影响显著(P<0.05)。

3.3 采样月份、林型、氮磷沉降和凋落物处理下土壤全氮和水解性有机氮的冗余分析

由图5可知：土壤全氮与酸水解总氮、氨基酸态氮、氨态氮、氨基糖态氮、酸解未知氮呈显著正相关关系，相关性排序为：氨基酸态氮>氨态氮>酸水解总氮>酸解未知氮>氨基糖态氮，土壤水解性有机氮各组分含量高低依次为：酸水解总氮>氨基酸态氮>氨态氮>氨基糖态氮>酸解未知氮，而10月对土壤全氮及水解性有机氮各组分的影响最大，5月份最小。

A为红松人工林，W为阔叶红松林。A refers to Pinus koraiensis plantation, W to broad-leaved Pinus koraiensis forest. 图5 不同处理下土壤测定指标RDA排序Fig.5 RDA ranking of soil determination indexes under different treatments

4 讨论

笔者发现，2018年和2019年，在2种林型红松林中，土壤水解性有机氮各组分质量分数大小依次为：氨基酸态氮>氨态氮>酸解未知氮>氨基糖态氮。采样月份、林型、氮磷沉降和凋落物处理的交互作用对土壤全氮和土壤酸水解总氮有显著影响。

凋落物输入和养分归还对土壤养分含量的影响一直受到森林生态学家的关注[38-39]。而凋落物分解和氮磷沉降能促进土壤呼吸，增加土壤肥力[40]。凋落物去除能显著降低3种天然林土层的土壤氮素含量，显著增加土壤氮素的淋溶损失量[41]。笔者发现，凋落物去除时，土壤全氮及水解性有机氮质量分数降低。在施氮初期可以促进凋落物的分解，但随试验进行，微生物更倾向于利用有机氮，所以凋落物分解速率减慢，土壤对氮沉降的响应也降低[42]，原因可能是由于随着试验的进行，微生物活性增加，氮素矿化加剧，所以氮含量没有显著变化；有研究表明，氮沉降对不同林型不同土层土壤全氮含量无显著影响[43]。而本文中林型和采样月份对土壤全氮质量分数影响显著，2019年土壤全氮质量分数高于2018年，阔叶红松林高于红松人工林。也有研究表明，土壤全氮及水解性有机氮对氮沉降的响应一般与森林氮素状况有关。一般来说，土壤氮矿化速率在前期会随施氮量的增加而增加，但随时间的延长，当森林达到氮饱和时则开始下降[44]。肖银龙等[45]发现华西雨屏区苦竹林，在施氮1年后土壤的全氮含量显著增加。土壤全氮含量增加可能与植物生长期枯落物归还及其分解后增加土壤氮素含量有关。由于红松人工林种植时间短，林分结构单一，土壤全氮来源受到限制，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[46]，因此，阔叶红松林土壤全氮及水解性有机氮含量高于红松人工林。

5 结论

氮磷沉降和凋落物的添加能在短时间内增加土壤全氮及水解性有机氮的含量。在试验初期，采样月份、林型、氮磷沉降和凋落物处理的交互作用对土壤全氮和酸水解总氮影响均显著；但随着试验的进行，以上4个因素的交互作用仅对土壤氨基糖态氮影响显著；阔叶红松林的土壤全氮及水解性有机氮的含量均高于红松人工林；氮磷沉降和凋落物添加能显著增加红松林土壤水解性有机氮含量。不同氮磷沉降处理和凋落物处理下，2年间的土壤全氮、酸水解总氮、氨基酸态氮、氨态氮影响显著(P<0.05)，土壤氨基糖态氮、酸解未知氮影响不显著(P>0.05)。研究结果能为预测氮磷沉降和凋落物变化对该地区未来红松林生态系统土壤肥力的影响提供科学依据和数据支撑。