模拟氮沉降对滇中云南松林湿干季土壤特性和土壤呼吸的影响

2023-05-06梁阳森王克勤宋娅丽郑兴蕊

四川农业大学学报 2023年2期

梁阳森，王克勤，2，宋娅丽，2*，郑兴蕊，胡淳

（1. 西南林业大学生态与环境学院，昆明 650224；2. 国家林业和草原局云南玉溪森林生态系统国家定位观测研究站，昆明 650224；3. 云南经贸外事职业学院，昆明 650224）

由于人口激增、工业氮肥的使用、畜牧业的发展和化石燃料的开采和燃烧，人类活动排放到大气中的活性氮数量迅速增加[1-2]，预计到2050 年，全球氮沉降量将增加1 倍[3]。我国目前已成为全球三大氮沉降区之一[4]，且氮沉降可能会随着经济的增长而继续增加。氮沉降通过改变凋落物生物量[5]及质量影响土壤性状[6]、微生物活动[7]及酶活性[8]，从而控制土壤呼吸中植物根系的自养呼吸和土壤微生物的异养呼吸（分别约占土壤呼吸的50%和30%）[9]，从而改变土壤呼吸总量。土壤呼吸作为生态系统第二大碳通量，其微小变化也会引起大气中二氧化碳浓度的显著变化，这反过来又会对全球气候变化产生严重影响。土壤呼吸产生的CO2是化石燃料燃烧的十倍，又是碳循环的重要组成部分，因此土壤呼吸一直是全球气候变化背景下陆地生态系统碳循环的研究热点[10]。

土壤呼吸受多种环境因素的综合影响，其中温度是影响土壤呼吸的关键因素，它主要通过调节微生物的生理代谢活动、植物根系的生长活动和有机物的分解活动来影响土壤呼吸[11]。土壤温度对土壤呼吸的影响已有较一致的认识，通常情况下，土壤呼吸与温度之间有显著的正相关关系，土壤温度通过影响根系呼吸，微生物活性、土壤凋落物和有机质的分解，从而影响土壤呼吸[12]。土壤水分也是影响土壤呼吸的重要因素之一，可直接影响土壤微生物和植物根系代谢，也可以通过影响土壤温度间接影响土壤呼吸速率[13]。而土壤呼吸与土壤湿度仍具有不确定性，不同生态系统中与土壤呼吸表现为正相关、不相关和负相关[14]。

研究发现，模拟氮沉降对土壤呼吸有促进[15]、无影响[16]和抑制[17]。Wang C.等[18]在广州华南植物园的氮添加实验中发现，氮处理会使地上生物量和根系生物量增加，促进土壤呼吸；邓琦等[19]研究表明氮沉降会使微生物活性受到抑制，抑制土壤呼吸，但又能促进植物生长，增加植物根的生物量，促进土壤呼吸，二者抵消了氮沉降对土壤呼吸的影响，使得氮沉降不影响土壤呼吸；Wang Q. K.等[20]试验结果表明氮沉降会减少细根与菌根菌丝分泌的可溶性有机化合物，降低了土壤有机质分解，从而直接对土壤呼吸产生抑制作用。因此，氮沉降对森林生态系统中土壤呼吸的作用机制还不清楚。而对于氮沉降背景下研究土壤理化性质、微生物特征和酶活性变化对土壤呼吸的影响鲜有报道，因此，研究在持续增加的氮沉降背景下，森林土壤呼吸如何通过土壤特性变化而产生响应具有重要意义。

滇中磨盘山云南松是该区域分布最广的森林类型，生物量为(63.11±12.41) t/hm2[21]，生长快，适应性强，其为云南省的主要森林碳库之一，具有重要的研究价值。因此，本研究以滇中磨盘山云南松林为研究对象，并对其进行不同水平施氮实验：对照CK 0 g/(m2·a)、低氮LN 10 g/(m2·a)、中氮MN 20 g/(m2·a)、高氮HN 25 g/(m2·a)，通过分析氮沉降对土壤呼吸的影响以及土壤理化性质、微生物特征、酶活性变化，探究其耦合关系，主要研究以下两个问题：（1）云南松林湿干季时的土壤理化性质、土壤酶活性、MBC和MBN 及土壤微生物数量特征以及土壤呼吸对氮沉降如何响应？（2）氮沉降下，湿干季土壤呼吸与土壤特性之间有何相互关系？为亚热带森林生态系统在氮沉降增加的背景下生态系统碳循环研究提供基础数据，为其在此背景下的森林管理建设提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省新平县磨盘山森林生态系统国家定位观测站（23°46＇18″～23°54＇34″N，101°16＇06″～101°16＇12″E），海拔是1 260.0～2 614.4 m，太阳光照充足，地处云南亚热带南北部的气候过渡带，属于典型的中亚热带气候，年平均气温15 ℃，最高气温33.0 ℃，最低气温-2.2 ℃，年降雨量1 050 mm，干湿季分明（干季：每年的11 月—4 月；湿季：每年的5 月—10 月）。土壤主要是红壤和黄棕壤为主，植被类型丰富，且随海拔变化呈明显的垂直分布，森林覆盖率达64.2%以上，主要森林类型有华山松针叶林、云南松针叶林、亚热带常绿阔叶林和高山栎林[22]。

1.2 试验设置

本试验以滇中磨盘山优势森林云南松林为研究对象，设置3个20 m×20 m的样地，在每个样地内随机选取4个3 m×3 m的小样方，每个样方间的距离大于10 m。参考北美地区Harvord Forest[23]、华西雨屏区[24]、四川西缘山地结合部[25]、青藏高原东缘[26]和广西木论国家自然保护区[27]等模拟氮沉降试验中的实验设置，结合该地区年氮沉降量（3.84 g/(m2·a)），以推测该地区未来可能的氮沉降趋势。以此分为4个氮沉降水平：对照CK，0 g/(m2·a）、低氮LN，10 g/(m2·a)、中氮MN，20 g/(m2·a)、高氮HN，25 g/(m2·a），每个水平设置3个重复。

从2019 年1 月初开始，根据以上4 个水平对各个小样方进行定量喷洒，以此模拟氮沉降处理。将各个水平所需的CH4N2O溶解至1 L去离子水中，用喷雾器均匀地喷洒在3 个重复水平样方内，对照组喷洒等量的清水。

1.3 土壤呼吸测定

在施氮后12 个月，每个月用Li-6400 土壤碳通量分析系统（LI-COR，USA）测定土壤呼吸速率[28]，测土壤呼吸时，土壤呼吸室放在半径10 cm 高5 cm的PVC 管上，将其一端削尖，垂直插入土壤3 cm 深处，并在观测前24 h 内除去地圈内地上部分的植物[29]，以此减少对土壤的干扰。每个样点取 3 次重复。

在施氮后的干季和湿季里，从8:00-19:00，用Li-6400土壤碳通量分析系统和土壤温湿度测定仪对土壤呼吸和土壤温湿度每隔1 h进行测定[30]。

1.4 土壤样品采集

土壤样品分别在施氮后的12个月内，于每月中旬在每个小样方内采用随机数字定位法随机采三钻土壤后，用四分法将样品混合均匀，带回实验室，并分别进行保存[31]。一部分用于风干保存，另一部分冷冻与-40 ℃冰箱冷藏。湿季土壤样品为2019年7月中旬，即施氮后第6个月，干季样品为2020年1月中旬，即施氮后第12个月。

1.5 土壤特性的测定

全氮（TN）采用半微量凯氏定氮法(LY/T 1228—1999)测定；全磷（TP）采用钼锑抗比色法(LY/T 1232—1999)测定；全钾（TK）、NO3--N、NH4+-N 采用德国SEAL Analytical AA3 测定，AN 采用碱解扩散法[32]。

蔗糖酶活性用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；脲酶活性用靛酚比色法测定；过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法测定；多酚氧化酶用碘量滴定法测定[33]。

土壤微生物量碳（MBC）和土壤微生物量氮（MBN）的测定方法是氯仿熏蒸浸提法[34]。根据下面公式计算MBC、MBN。

式（1）、（2）中，EC和EN分别是熏蒸和未熏蒸土壤浸提液提取的C和N的差值，kC和kN表示熏蒸后C和N提取出的比例系数，其中kC=0.38，kN=0.54。

1.6 数据分析与处理

数据由Microsoft Excel 2010进行整理、作图，用SPSS 23.0 对数据进行统计。采用单因素方差分析湿干季不同施氮处理下土壤呼吸、土壤理化性质、土壤酶活性和土壤微生物量碳氮的差异性水平，并对其进行多重比较以及相关性分析，以此评估氮沉降对土壤呼吸的综合影响。采用回归分析法描述土壤呼吸与土壤温度（T）和湿度（W）的关系。

土壤呼吸速率与土壤温度的单因素指数模型为：

土壤呼吸温度敏感系Q10计算方法为：

式（3）、（4）中，RS为土壤呼吸速率（µmol/(m2·s)），T为土壤温度（℃），a、b为系数。

土壤呼吸速率与土壤温度的单因素模型为：

式（5）中，RS为土壤呼吸速率（µmol/(m2·s)），W为土壤湿度（%），a、b和c为参数。

2 结果与分析

2.1 氮沉降下土壤理化性质变化特征

2.1.1 土壤温、湿度日变化特征

由图1 可知，云南松林土壤温度日变化总体均呈单峰曲线。在湿季时，土壤温度最高为20.32 ℃（17:00），最低温度为19.34 ℃（8:00）；土壤最大湿度为20.14%（8:00），最小湿度为16.66%（16:00）。在干季时，云南松林土壤最高温度为14.83 ℃（16:00），最低温度为6.80 ℃（9:00）；土壤最大湿度为10.78%（8:00），最小湿度为9.87%（18:00）。

图1 云南松林土壤温、湿度湿干季的日变化Figure 1 Daily variation of soil temperature and humidity in P. yunnanensis during the wet and dry seasons

2.1.2 土壤化学性质季节变化特征

由表1 可知，与CK 相比，湿季时云南松林土壤TN、TP、NH4+-N 和NO3--N 在各N 处理下均显著增加（P＜0.05），最大增幅分别为67.07%、38.80%、168.03% 和40.32%，TK 在MN、HN 显著增加了11.90%，15.06%，AN 在LN、HN 显著增加，最大增幅为37.86%。干季时土壤TN、TK和NH4+-N在各N处理下均显著增加（P＜0.05），最大增幅分别为100.00%、59.36%和93.45%；TP 在LN、HN 显著增加了18.39%、56.32%（P＜0.05），在MN增加了9.20%（P＞0.05）；NO3--N 在HN 显著增加了166.67%；AN 在LN、HN 显著增高40.84%，23.18%（P＜0.05），MN 显著降低9.22%（P＜0.05）。

表1 云南松林在湿、干季土壤化学性质季节变化特征Table 1 Seasonal variation characteristics of soil chemical properties in P. yunnanensis during the wet and dry seasons

2.2 氮沉降下土壤酶活性变化特征

由图2可知，土壤脲酶活性湿季时在LN、HN显著增加了17.05%和67.95%，干季时在MN、HN显著增加了7.75%和16.38%。蔗糖酶活性湿季时在LN、MN 显著增加了11.21%和5.63%，在HN 显著降低了19.65%，干季时在MN、HN 显著降低了30.99%和35.65%。过氧化氢酶在湿干季时在LN、MN 和HN显著增加了11.11%～100.00%。多酚氧化酶湿季时在LN、MN 和HN 显著降低了13.16%～25.00%，干季时在LN 显著增加了7.28%，MN、HN 显著降低了8.69%和23.16%。

图2 云南松林湿、干季酶活性变化特征Figure 2 Characteristics of enzyme activity changes in P. yunnanensis in wet and dry seasons

2.3 氮沉降下土壤微生物变化特征

由图3 可知，土壤微生物数量、MBC 和MBN 随着氮沉降的增加呈先增加后降低的趋势。与CK相比，湿、干季时云南松林土壤微生物数量、MBC 在LN、MN 均显著增加（P＜0.05），最大增幅分别为19.20%，30.52%，在HN 显著降低（P＜0.05），最大降幅为57.20%。MBN 湿季时在LN、MN 显著增加（P＜0.05），最大增幅为10.10%，在HN 显著降低（P＜0.05）了6.80%，干季时在LN显著增加了21.29%（P＜0.05），在HN显著降低了13.70%（P＜0.05）。

图3 云南松林土壤微生物在湿、干季变化特征Figure 3 Characteristics of soil microorganisms in P. yunnanensis during the wet and dry seasons

2.4 氮沉降下土壤呼吸变化特征

由图4可知，湿季时，云南松林土壤呼吸日变化总体表现为单峰曲线，HN 与CK 差异性显著（P＜0.05），各氮处理土壤呼吸速率平均值表现为CK（5.498 µmol/(m2·s)）＜LN（5.735 µmol/(m2·s)）＜MN（5.902 µmol/(m2·s)）＜HN（7.947 µmol/(m2·s)），土壤呼吸峰值出现在13：00 和14：00。干季时，云南松林土壤呼吸日变化总体表现为波动变化，各氮处理均与CK 差异性显著（P＜0.05），各氮处理土壤呼吸速率平均值表现为HN（2.493 µmol/(m2·s)）＜CK（3.623 µmol/(m2·s)）＜MN（4.790 µmol/(m2·s)）＜LN（6.550 µmol/(m2·s)）。

图4 云南松林湿、干季土壤呼吸日变化特征Figure 4 Daily variation characteristics of soil respiration in P. yunnanensis during wet and dry seasons

由图5 可知，云南松林土壤呼吸在各氮沉降处理下表现出明显的月变化，均呈双峰曲线，峰值出现在6 月和10 月。CK、MN 和HN 最小值在1 月份，LN 最小值在3 月份。与CK 相比，MN 促进土壤呼吸，最大增幅为46.33%，LN 在N 处理6 个月后表现为促进，最大增幅为75.60%，HN 在7、8 和9 月份表现为促进作用，最大增幅为46.06%，其余月份为抑制作用，最大幅度为29.16%。说明随着时间的推移，HN正效应逐渐减弱转变为抑制作用。

图5 云南松林土壤呼吸月变化特征Figure 5 Monthly variation characteristics of soil respiration in P. yunnanensis

2.5 氮沉降下土壤呼吸与土壤特性相关性分析

2.5.1 土壤呼吸与土壤温、湿度的关系模型参数

由表2、表3 可知，云南松林土壤呼吸与土壤温度呈显著正相关（P＜0.05），与土壤湿度呈显著相关。土壤呼吸受到土壤温度、湿度的影响占比分别为70.3%～89.9%，26.7%～40.6%。与CK 相比，MN 降低了土壤呼吸的温度敏感性，降低了6.73%，LN、HN提高了土壤呼吸的温度敏感性，分别提高了7.41%、60.27%。

表2 不同氮沉降下土壤呼吸与土壤温度的关系模型参数Table 2 Model parameters for the relationship between soil respiration and soil temperature under different N deposition

表3 不同氮沉降下土壤呼吸与土壤湿度的关系模型参数Table 3 Model parameters of the relationship between soil respiration and soil moisture under different N deposition

2.5.2 土壤呼吸与土壤理化性质的相关关系

由表4 可知，在湿季，土壤呼吸与土壤TN 表现为显著正相关（P＜0.05），TP、TK、NH4+-N 和NO3--N表现为极显著正相关（P＜0.01），与脲酶表现为极显著正相关（P＜0.01），与蔗糖酶、多酚氧化酶、微生物数量、MBC 表现为极显著负相关（P＜0.01），与MBN表现为显著负相关（P＜0.05）。在干季时，土壤呼吸与土壤脲酶、NO3--N 为显著负相关（P＜0.05），与过氧化氢酶、多酚氧化酶、微生物数量、MBC、MBN 表现为极显著正相关（P＜0.01）。

表4 土壤呼吸与土壤理化性质的相关关系Table 4 Correlation between soil respiration and soil physicochemical properties

3 讨论

本研究中，云南松林土壤呼吸日变化在湿季时呈单峰曲线，峰值出现在13:00（CK、MN）和14:00（LN、HN），在干季时，土壤呼吸呈波动变化，这主要是由于土壤呼吸日变化湿季时主要受到土壤温度影响，干季时主要受到土壤湿度影响。这与周海霞等[35]和邱睿等[36]的研究结果一致。本研究中，云南松林土壤呼吸月变化呈双峰曲线，峰值分别出现在6月和10月，这可能是由于土壤根系和微生物活动的最佳温度分别在6 月和10 月，夏季根系呼吸较强，秋季微生物呼吸较强[37]。而孙海燕等[38]则认为土壤呼吸总体为单峰曲线，原因可能是该研究区位于福建武夷山，属于亚热带季风气候，土壤含水量全年较为充足，土壤呼吸则主要受到温度制约，因此呈单峰曲线，致使结果不一致。

本研究中，TN、NH4+-N在各氮处理下均显著增加，可能是因为氮沉降促进了土壤有机氮的矿化[39]，增加了速效氮含量[40]，提高了氨氧化菌活性和数量[41]，从而使土壤TN、NH4+-N含量增加。

本研究中，氮沉降促进了脲酶活性，可能是因为土壤有效氮含量因施氮而增加，微生物分泌脲酶增加，以满足其的生长需求，从而使脲酶活性增加[42]。蔗糖酶活性在LN 促进，在MN、HN 被抑制，这可能是因为低浓度的氮沉降会促进植被生长，使土壤中有效碳增加，促进蔗糖酶活性[43]。高浓度的氮沉降降低了土壤pH，使植物根活性降低，土壤有效碳降低，从而抑制蔗糖酶活性。氮沉降对过氧化氢酶活性、多酚氧化酶产生促进[44-45]或抑制[46-47]作用，这可能是因为林分类型、土壤类型和氮沉降时间不同，使得过氧化氢酶活性变化不同。

本研究中，微生物数量、MBC 和MBN 在LN 显著增加，在HN显著降低，这与康海军等[48]在武夷山森林观测站常绿阔叶林的结果一致。可能是因为低浓度的氮沉降会使土壤中氮限制缓解，促进微生物活性和微生物量[49]，高浓度的氮沉降会使土壤一些有毒离子激发出来，严重影响微生物活性[50]，使微生物数量和微生物量受到抑制。

本研究结果表明，湿季时氮沉降促进了云南松土壤呼吸，干季时HN 抑制土壤呼吸，HN 从初期（7—9 月）促进作用逐渐转变为后期（10 月—次年1 月）抑制作用。这与雒守华等[51]在华西雨屏区光皮桦树土壤呼吸结果一致。这可能是由于施氮初期，氮沉降减缓了土壤氮限制，促进植物的根系生长和微生物活性，从而增加土壤呼吸[52]；而在HN处理下土壤微生物活性降低，土壤呼吸速率提高，可能是由于氮添加改变土壤理化性质，对根呼吸增加量比对微生物呼吸的减少量要多，使得土壤呼吸增加。而随着施氮时间的推移，土壤中氮素会达到饱和，超过了植物与微生物的需求，氮素不再是限制因素，施氮会使土壤呼吸不再起促进作用甚至会受到抑制[53]，HN 会使土壤氮素更快达到饱和，抑制根系活性[54]，抑制微生物活动[55]以及有关酶的活性[56]，影响土壤动物活动[57]，从而抑制土壤呼吸。因此，过量的氮沉降会使土壤呼吸产生抑制作用[58]，导致对土壤根系、土壤理化性质、微生物活性和数量造成不利影响，进而造成负面效应。

本研究中，云南松林土壤呼吸与土壤温度之间均呈显著正相关关系（P＜0.05），这与胡正华等[59]对北亚热带阔叶林的研究结果一致。云南松林在LN、HN处理下Q10提高了7.41%、60.27%，原因可能是施氮会对根系、土壤微生物和土壤动物造成影响[60]，受到影响的微生物、动物对温度反应敏感，则会使得Q10增加。本研究中，土壤湿度与土壤呼吸呈显著相关关系（P＜0.05），而胡正华等[59]则认为土壤湿度对南京龙王山土壤呼吸的影响无显著相关性（P＞0.05），这与本研究结果不同。这可能是由于本研究区季节呈明显的干湿两季[61]，导致不同季节降水、蒸发量等不均匀，使土壤湿度在湿干季差异较大；而南京龙王山属于北亚热带季风气候，年相对湿度为76%，土壤湿度并未成为限制土壤微生物的活动与生长的因素，因此土壤湿度对土壤呼吸影响不显著。土壤特性、氮沉降水平、土壤温度和湿度均会对土壤呼吸产生影响，为了进一步研究氮沉降对土壤呼吸的影响，仍需进行长期的实验研究，从多方面进行探索，以深入了解土壤呼吸与土壤特性之间的耦合机制。