氮添加对华北落叶松根际与非养分的影响

摘要：[目的]大气氮沉降对森林根际与非根际土壤养分有重要影响。华北地区是我国氮沉降高值区之一，然而目前关于氮沉降对该地区森林土壤养分影响的阈值及其是否引起其它养分限制还不清楚。[方法]本研究以河北省木兰林场国有林场的华北落叶松人工林为研究对象，通过多水平氮添加实验（0、5、10、20、40、80、160 kg N·ha-1·yr-1），分析氮添加对根际和非根际土壤在全量养分、速效养分及其生态化学计量的差异影响，旨在揭示氮添加对华北落叶松人工林根际效应的影响。[结果]研究表明：1）根际土壤有机碳（SOC）、总氮（TN）、硝态氮（N03--N）和有效氮（AN）含量随氮添加水平呈上升趋势，且都在氮添加为80 kgN·ha-1·yr-1时达到最高值，与对照组相比增加了39.55%、36.27%、56.6g%、44.02%。2）非根际土壤NO3--N在氮添加为160 kg N·ha-1·yr-1时达到最大，与对照组存在显著性差异，不同氮添加水平下SOC、TN、TP含量等均无显著变化。3）随着氮添加水平的增加，根际土壤的C：P、N：P呈上升趋势，非根际土壤的C：P、N：P呈下降趋势。4）相对于对照组，氮添加后土壤SOC、TN、NO3--N、AN、AP、C：P、N：P的根际效应呈增加趋势。[结论]本研究表明，氮添加会增强根际效应，提高华北落叶松人工林根际土壤SOC、TN、NO3--N、AN的含量，且阈值均在80 kg N·ha-1·yr-1，而且氮添加会改变土壤磷元素平衡，华北落叶松人工林生长未来可能会面临土壤磷限制。本研究可为大气氮沉降或施肥措施下华北落叶松人工林的养分调控提供理论和科学依据。

关键词：氮添加；土壤养分；化学计量学；根际效应；华北落叶松人工林

中图分类号：S154.1 文献标识码：A 文章编号：1001-1498（2024）05-0195-10

自工业革命以来，工业废气的大量排放以及农田化肥的过度使用，导致全球氮沉降量持续增加。目前中国成为了全世界目前活性氮排放量最多的国家，其中我国华北地区的总氮沉降平均通量已达到54.5 kg N·ha-1·yr-1。氮沉降的增加不仅会影响植物光合作用，刺激植物生长，还会对土壤养分循环造成重要影响。根据植物根系对土壤的影响可将土壤分为根际土壤和非根际土壤。根际土壤通常是指植物细根周围2mm范围内直接受到植物根系密切影响的那一部分土壤，不同种类植物根际范围略有差异。研究表明，根际土壤是植物细根和土壤之间接触最密切、养分物质交换最频繁的区域，具有重要研究价值。氮作为森林土壤中的主要限制元素，氮的添加会改变植物根系养分、生长及根际活动，从而影响根际土壤的养分特征以及与非根际土壤的差异。因此，在氮沉降加剧的背景下，研究根际与非根际土壤的养分变化具有重要意义。

研究表明，根际土壤养分含量绝大多数情况下均高于非根际土壤，存在根际效应。林莉在亚热带的木荷（Schima superba Gardn. et Champ.）次生林中研究发现根际土壤有机碳（SOC）含量均高于非根际土壤。Toberman等也得出相似结论，热带雨林中根际土壤SOC和TN含量均高于非根际土壤。氮添加对土壤养分根际效应影响有所差异。陈杰在湿地松（Pinus elliottii Engelmann.）人工林的研究中发现，在低氮（50 kg N·ha-1·yr-1）和高氮（100 kg N·ha-1·yr-1）不同氮添加水平下，根际土壤的C、N、P含量均高于非根际土壤。景航研究发现：氮添加会提高根际土壤的NO3--N含量，降低TP含量，而SOC、TN和NH4+-N含量均呈增加后降低的趋势，低氮（30 kg N·ha-1·yr-1）处理提高了而高氮（90 kg N·ha-1·yr-1）处理却降低了非根际土壤SOC、TN、NH4+-N和N03--N含量。但也有研究发现，长期施氮（100 kgN·ha-1·yr-1）处理下，会增加根际土壤TN和TP含量，或氮添加均可以提高根际和非根际土壤SOC、TN含量和N：P、C：P，降低TP含量。目前，关于氮添加对根际和非根际土壤养分含量、根际效应及对土壤C、N、P生态化学计量的影响的研究存在不同的结论，这可能与不同的施氮量有关，也就是生态系统过程对氮输入量存在非线性关系。然而，目前对于森林根际效应对氮沉降的响应阈值及其超过阈值后是否会引起其它养分限制还并不清楚。

华北落叶松（Larix principis-rupprechtiiMayr.）是燕山北部山地人工林的主要树种，具有耐寒耐旱特性，是优良的速生用材树种，在地区碳平衡中具有重要作用。本研究以河北围场地区的华北落叶松人工林为研究对象，通过多梯度的氮添加实验，分析氮添加对根际和非根际土壤养分及其根际效应的影响。本研究要解决的问题是：1）华北落叶松人工林根际和非根际土壤养分对氮添加响应是否存在阈值，阈值是多少；2）氮添加是否会造成土壤其它养分元素失衡，从而导致其它养分对植物生长的限制。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

河北省承德市围场县孟滦林场（116°32＇～118°1＇E，41°35＇～42°40＇N），地处大兴安岭余脉、内蒙古高原和燕山余脉交汇处、滦河上游地区，地势西北高、东南低，海拔750～2 067 m。该地区属于半湿润半干旱的过渡地区，冬季酷寒干燥，夏季无暑热，且冬长春秋短，年均降水445 mm，年均温3.3℃，雨热同期；1月平均气温-13.2℃，极端最低气温-42.9℃，7月平均气温20.7℃，降水多集中在7、8月。土壤类型主要有棕壤、褐土、灰色森林土、黑土等。

1.2 样地设置和取样方法

2019年8月开始，在木兰围场国有林场孟滦分场，以华北落叶松人工林为研究对象进行试验。该林位于山坡北部，背阴坡约为15°，土壤类型为棕壤土，当时均是植苗造林，苗龄2a，现在林龄为30 a，林地背景信息见表1，详细信息可见本研究的前期进展。本试验采用随机区组设计的方法，开展不同水平的氮添加实验，在山坡等高线一字排开设置28块20 m × 20 m的样地，相邻样地间隔10 m，设计了7个水平，每个水平4个重复，每个重复为一个小区，每个小区7个水平的氮添加样地随机排列。本研究通过雨量计法测定该地区的大气湿沉降通量，发现该地区年湿氮沉降通量为5.03 kg N·ha-1·yr-1，其中88%沉积量集中于生长季5月-10月。依据该地区氮沉降的背景值，本试验设定7个处理的氮添加量分别为0、5、10、20、40、80、160 kg N·ha-1·yr-1，其中氮添加量为0 kg N·ha-1·yr-1的是对照组（CK）。在生长季（5-10月），每月施肥一次，施肥种类为尿素。施肥时将相应质量的尿素溶于40 L水中，均匀喷洒于样地中，对照样地喷洒等量清水。每次喷洒量相当于1 mm降雨量，对土壤湿度无明显影响。

于2021年8月中旬采集华北落叶松人工林根际和非根际土壤，在样地进行表层土壤（0—10 cm）取样。取样方法为五点取样，每个取样点面积为1 m×1m，采用“抖落法”，将挖出的土壤与植物根系分离，将根系用力抖动，直至附着在根系上的土壤厚度约＜2 mm，抖落的土壤与分离的土壤为非根际土壤，未抖落的附着在根系上（厚度＜2 mm）的土壤用毛刷刷下为根际土壤，根际和非根际土壤各取样28个，共56个样。所有土壤样品过2 mm筛后分为两份：一份自然风后置于自封袋中，带回实验室用于土壤SOC、TN等含量测定，另一份置于自封袋于4℃冰箱保存用于土壤无机氮等含量测定。

1.3 测定方法

土壤碳（C）、氮（N）和磷（P）是必要的土壤养分，其中铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、有效氮（AN）和有效磷（AP）可以快速直观反映出土壤中N、P养分的供需状况，且会受到外源氮输入的影响，所以本研究土壤养分的测定的指标包括土壤有机碳（SOC）、总氮（TN）、总磷（TP）、NH4+-N、NO3--N、AN、AP。土壤SOC采用重铬酸钾氧化法测定，土壤TN采用全自动凯氏定氮仪测定，土壤TP采用NaOH熔融—钼锑抗比色法测定。土壤NH4+-N和NO3--N采用2 mol·L-1 KCl浸提法测定。土壤AN为铵态氮与硝态氮总量之和。土壤AP采用0.5 mol·L-1碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定。

1.4 数据分析

采用Excel 2019软件对测量数据进行记录处理；运用SpSS 26.0统计分析软件采用单因素方差分析（ONE-WAY ANOVA）对不同氮添加水平处理下全量养分、速效养分、化学计量、根际效应进行LSD最小差异显著性分析，采用独立样本T检验进行根际与非根际间土壤养分显著性分析；运用Origin 2022对根际和非根际土壤各养分结果绘制柱状图，数据柱状图用平均值、标准误和显著性绘制，化学计量采用养分含量比，并标注显著性（p＜0.05）；根际效应（RINR）为根际养分含量（R）／非根际养分含量（NR）。

2 结果与分析

2.1 氮添加对华北落叶松根际与非根际土壤全量养分的影响

2.1.1 根际与非根际土壤全量养分含量的变化

氮添加对华北落叶松根际与非根际土壤SOC、TN、TP的影响如图1所示。

在氮添加处理下，根际土壤SOC含量在85.56～119.40 g·kg-1范围内，随着氮添加水平的增加，根际土壤SOC含量有增加趋势，氮添加量为80、160 kg N·ha-1·yr-1时，与对照组有显著性差异（p＜0.05）；非根际土壤SOC含量范围在62.53～68.50 g·kg-1范围内，随着氮添加水平的增加，SOC含量变化不显著。在氮添加处理下，根际土壤SOC含量均高于非根际土壤，除氮添加量为10、40 kg N·ha-1·yr-1外，根际和非根际土壤SOC含量均存在显著性差异（p＜0.05）。

在氮添加处理下，根际土壤TN含量在2.52～3.64 g·kg-1范围内，随着氮添加水平的增加，TN含量有增加趋势，氮添加量为80、160 kgN·ha-1·yr-1时，与对照组存在显著性差异（p＜0.05）；非根际土壤TN含量在2.06～2.26 g·kg-1范围内，随着氮添加水平的增加，TN含量变化不显著（p＜0.05）。在氮添加处理下，根际土壤TN含量均高于非根际土壤，除氮添加量为10 kgN·ha-1·yr-1外，根际和非根际土壤TN含量均存在显著性差异（p＜0.05）。

在氮添加处理下，根际土壤TP含量在0.49～0.61 g·kg-1范围内，随着氮添加水平的增加，TP含量变化不显著（p＜0.05）；非根际土壤TP含量在0.42～0.56 g·kg-1范围内，随着氮添加水平的增加，TP含量有增加趋势，未达到显著水平（p＜0.05）。根际土壤TP含量均高于非根际土壤，对照组根际和非根际土壤TP含量存在显著差异（p＜0.05），其它氮添加水平下，根际与非根际土壤TP含量差异性不显著。

2.1.2 土壤全量养分的根际效应

氮添加对华北落叶松根际与非根际土壤SOC、TN、TP的根际效应影响如图2所示。在氮添加处理下，土壤SOC的R/NR在1.23～1.87范围内，随着氮添加水平的增加，土壤SOC的R/NR有增加趋势，氮添加量为5 kg N·ha-1·yr-1时，与对照组有显著性差异（p＜0.05）；土壤TN的R/NR在1.18～1.69范围内，随着氮添加水平的增加，土壤TN的R/NR呈先增加后降低趋势，氮添加量为5、80 kg N·ha-1·yr-1时，与对照组有显著性差异（p＜0.05）：土壤TP的R/NR在1.08～1.44范围内，随着氮添加水平的增加，土壤TP的R/NR没有显著变化（p＜0.05）。

2.2 氮添加对华北落叶松根际与非根际土壤速效养分的影响

2.2.1 根际与非根际土壤速效养分含量的变化

氮添加对华北落叶松根际与非根际土壤NH4+-N、NO3--N、AN、AP的影响如图3所示。

在氮添加处理下，根际土壤NH4+-N含量在12.11～16.24 mg·kg-1范围内，随着氮添加水平的增加，NH4+-N含量呈先降低后增加趋势，氮添加量为10 kg N·ha-1·yr-1时，与对照组有显著性差异（p＜0.05）；非根际土壤NH4+-N含量范围在7.80～8.66 mg·kg-1范围内，随着氮添加水平的增加没有显著变化（p＜0.05）。在氮添加处理下，根际土壤NH4+-N含量均高于非根际土壤，根际和非根际土壤NH4+-N含量有显著性差异（p＜0.05）。

在氮添加处理下，根际土壤NO3--N含量在46.45～92.83 mg·kg-1范围内，随着氮添加水平的增加，NO3--N含量整体呈增加趋势，氮添加量为80、160 kg N·ha-1·yr-1时，与对照组存在显著性差异（p＜0.05）；非根际土壤的NO3--N含量在46.45～92.83 mg·kg-1范围内，随着氮添加水平的增加呈先降低后增加的趋势，氮添加量为160 kgN·ha-1·yr-1时，与对照组存在显著性差异（p＜0.05）。在氮添加处理下，根际土壤N03--N含量高于非根际土壤，除氮添加量为40 kg N·ha-1·yr-1外，根际和非根际土壤的NO3--N含量均存在显著性差异（p＜0.05）

在氮添加处理下，根际土壤AN含量在61.11～107.97 mg·kg-1范围内，随着氮添加水平的增加，根际土壤AN含量整体呈增加趋势，氮添加量为80、160 kg N·ha-1·yr-1时，与对照组存在显著性差异（p＜0.05）；非根际土壤AN含量范围在39.32～58.41 mg·kg-1范围内，随着氮添加水平的增加呈先降低后增加的趋势，未达到显著水平（p＜0.05）。在氮添加处理下，根际土壤AN含量高于非根际土壤，除氮添加量为40 kgN·ha-1·yr-1外，根际和非根际土壤AN含量均存在显著性差异（p＜0.05）。

在氮添加处理下，根际土壤AP含量在8.61～15.46 mg·kg-1范围内，随着氮添加水平的增加，根际土壤AP含量有增加趋势，氮添加量为5、80、160 kg N·ha-1·yr-1时，与对照组存在显著性差异（p＜0.05）；非根际土壤AP含量在6.25～9.65 mg·kg-1范围内，随着氮添加水平的增加整体呈降低趋势，氮添加量为5、10、20 kg N·ha-1·yr-1时，与对照组存在显著性差异（p＜0.05）。在氮添加处理下，根际土壤AP含量高于非根际土壤，除氮添加量为0、40 kg N·ha-1·yr-1外，根际和非根际土壤AP含量均存在显著差异（p＜0.05）。

2.2.2 土壤速效养分的根际效应

氮添加对华北落叶松根际与非根际土壤NH4+-N、NO3--N、AN、AP的根际效应影响如图4所示。

不同梯度的氮添加处理下土壤NH4+-N、NO3--N、AN、AP均存在根际效应。在氮添加处理下，土壤NH4+-N的R/NR在1.46～1.95范围内，随着氮添加水平的增加，土壤NH4+-N的R/NR呈先降低后增加趋势，氮添加量为10 kg N·ha-1·yr-1时，与对照组存在显著性差异（p＜0.05）；土壤NO3--N的R/NR在1.16～1.91范围内，随着氮添加水平的增加，土壤N03--N的R/NR呈现先增加后降低趋势，氮添加量为5 kg N·ha-1·yr-l时，与对照组存在显著性差异（p＜0.05）；土壤AN的R/NR在1.27～2.51范围内，随着氮添加水平的增加，土壤AN的R/NR呈先增加后降低趋势，氮添加量为5 kg N·ha-1·yr-1时，与对照组存在显著性差异（p＜0.05）；土壤AP的R/NR在0.90～1.99范围内，随着氮添加水平的增加，土壤AP的R/NR整体呈增加趋势，除氮添加量为10、40 kgN·ha-1·yr-1外，其他氮添加水平下土壤AP的R/NR均与对照组存在显著性差异（p＜0.05）。

2.3 氮添加对华北落叶松根际与非根际土壤生态化学计量的影响

2.3.1 根际与非根际土壤养分化学计量的变化

氮添加对华北落叶松根际与非根际土壤C：N、C：P、N：P的影响如图5所示。

在氮添加处理下，根际土壤C：N在26.99～34.13范围内，非根际土壤的C：N在30.01～32.05范围内，随着氮添加水平的增加，根际土壤、非根际土壤C：N没有显著变化，且根际与非根际间土壤C：N无显著差异（p＜0.05）。

在氮添加处理下，根际土壤C：P在149.79～254.90范围内，随着氮添加水平的增加，根际土壤C：P呈先增加后降低趋势，未达到显著水平（p＜0.05）；非根际土壤C：P在125.26～171.98范围内，随着氮添加水平的增加呈降低趋势，变化不显著（p＜0.05）。在氮添加处理下，根际土壤C：P均高于非根际土壤，氮添加量为80和160 kg N·ha-1·yr-1时，根际与非根际土壤间C：P存在显著性差异（p＜0.05）。

在氮添加处理下，根际土壤N：P在4.68～6.55范围内，随氮添加水平的增加，N：P整体呈增加趋势，未达到显著水平（p＜0.05）；非根际土壤N：P在4.12～5.68范围内，随氮添加水平的增加呈降低趋势，未达到显著水平（p＜0.05）。在氮添加处理下，除对照组外，根际土壤N：P均高于非根际土壤，氮添加量为80和160 kg N·ha-1·yr-1时，根际与非根际土壤间N：P存在显著性差异（p＜0.05）。

2.3.2 土壤养分化学计量的根际效应

氮添加对华北落叶松根际与非根际土壤C：N、C：P、N：P的根际效应影响如图6所示。

在氮添加处理下，土壤C：N的R/NR在0.89～1.33范围内，随着氮添加水平的增加，土壤C：N的R/NR没有显著变化。土壤C：P的R/NR在0.93～1.89范围内，随着氮添加水平的增加，土壤C：P的R/NR整体呈现增加趋势，氮添加量为80、160 kg N·ha-1·yr-l时，与对照组存在显著性差异（p＜0.05）。土壤N：P的R/NR在0.88～1.58范围内，随着氮添加水平的增加，土壤N：P的R/NR整体呈现增加的趋势，氮添加量为80 kg N·ha-1·yr-1时，与对照组存在显著性差异（p＜0.05）。

3 讨论

3.1 氮添加对华北落叶松土壤养分影响的阈值

本研究中，华北落叶松人工林根际土壤SOC、TN、NO3--N、AN含量随着氮添加水平呈现先增加后趋于平稳的趋势，且均在氮添加量为80 kg N·ha-1·yr-1时达到最大，因此本研究认为根际土壤SOC、TN、NO3--N、AN含量对氮添加量响应阈值为80 kg N·ha-1·yr-1。张丹等在黄土丘陵地区设置0、10、20、40、80 kg N·ha-1·yr-15个氮添加水平实验，结果表明在氮添加80 kgN·ha-1·yr-1时SOC含量增长最多，氮添加缓解了根际微生物的氮限制，促进林下植物生长，凋落物返还到土壤中的碳增多，从而使SOC含量呈现增加的趋势。同时，也有研究发现过度氮添加会降低地上植物多样性和生产力，影响碳输入，降低SOC含量，NH4+-N会发生硝化作用释放H+降低土壤pH，减弱矿物对SOC的保护作用从而降低SOC含量。本研究中，氮添加增加了根际土壤TN含量，这与很多研究结果一致。王昭等在鼎湖山常绿阔叶林设置0、50、1 00、150、200kg N·ha-1·yr-15个氮添加水平实验，结果表明在氮添加150 kg N·ha-1·yr-1水平下TN含量最高，显著高于其他处理。本研究中根际土壤TN在氮添加80 kg N·ha-1·yr-1水平下含量达到阈值，继续施氮会减少TN含量，可能是因为在缺氮地区，氮添加会一定程度上缓解了森林土壤氮限制，增加土壤氮库，提高了土壤的TN含量，然而施氮过多会引起土壤酸化，降低土壤TN含量。李琛琛等在华北落叶松林开展的模拟氮沉降研究发现，低氮添加会促进NO3--N含量增加，高氮添加促进效果减弱。本研究中，随着氮添加水平的增加，NO3--N含量整体呈上升趋势，且在氮添加80 kgN·ha-1·yr-1水平下含量达到阈值，说明氮添加对土壤硝化有促进作用，促进了NO3--N的积累，然而超过阈值后的氮添加可能因为氮素积累导致根际土壤反硝化作用增强，NO3--N被还原成N2O和N2从土壤中排出，降低了NO3--N含量。与对照组相比，非根际土壤SOC、TN含量在氮添加下变化并不显著，这可能与施氮年限较短有关。

3.2 氮添加对华北落叶松土壤磷元素的影响

磷是植物生长的必要元素，且生态系统碳氮磷循环是耦合在一起发挥作用，因此，氮输入会改变森林土壤磷循环，从而影响植物的生长。Ren等在内蒙古荒漠草原进行氮添加试验显示氮添加增加了土壤AP含量。一项热带森林的研究表明，氮添加会促进植物对磷素的吸收，刺激了土壤酸性磷酸酶活性，加速了土壤有机物分解，从而提高土壤AP含量。本研究中，在氮添加量为5、80、160 kg N·ha-1·yr-1时显著增加了根际土壤AP含量，且土壤N：P的根际效应呈上升趋势。其主要原因可能也是氮添加促进华北落叶松林下植物快速生长，从而增加对磷元素的获取，使得根系分泌促进磷转化的酶活性提高，促进了土壤总磷向有效磷的转化，最终提高了土壤根际AP含量，但降低土壤TP含量，使得土壤N：P的根际效应增强。土壤N：P反映了土壤对磷的固持能力，一定程度体现了土壤养分变化。氮添加刺激植物对磷的需求，加速磷的转化，促进磷从土壤系统中输出，使土壤TP含量减低，造成土壤N：P失衡。植物生长发育需要维持稳定的N：P，在持续的氮素输入下，未来磷素可能会成为限制华北落叶松人工林生长的重要因素。本研究通过分析不同氮添加水平下土壤AP和N：P根际效应的变化趋势，预测燕山北部山地华北落叶松在未来大气氮沉降增加或氮施肥情景下可能面临土壤磷元素的限制，因此，未来合理添加磷肥是华北落叶松人工林应对外源氮输入的重要手段之一。

4 结论

本研究对燕山北部山地华北落叶松人工林根际与非根际土壤在全量养分、速效养分及生态化学计量在氮添加处理下的变化进行研究分析，得出以下结论：1）氮添加对根际土壤养分含量影响显著，SOC、TN、NO3--N、AN含量随氮添加水平增加呈上升趋势，且均在氮添加为80 kg N·ha-1·yr-1时含量达到阈值。2）氮添加会改变土壤磷元素平衡，在未来外源氮输入背景下华北落叶松人工林生长可能会面临土壤磷限制的压力。本研究可为华北落叶松人工林养分管理提供科学依据。

（责任编辑：崔贝）

基金项目：国家自然科学基金（31700377）;河北省自然科学基金（C2018204096）