黃錦鈮,程 煜,楊紅玉,鄭凱舟,王家駿

福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007

模擬N沉降下三種林分土壤營養(yǎng)動(dòng)態(tài)分析

黃錦鈮,程 煜*,楊紅玉,鄭凱舟,王家駿

福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007

通過模擬N沉降實(shí)驗(yàn),設(shè)置對(duì)照( CK, 0 g N m-2a-1)；低氮( LN, 5 g N m-2a-1)；中氮( MN, 10 g N m-2a-1)；高氮( HN, 15 g N m-2a-1) 4 種N處理,以NH4NO3為外源N來研究福建省三明格氏栲自然保護(hù)區(qū)內(nèi)板栗人工林、觀光木人工林及米櫧天然林0—10 cm土層養(yǎng)分變化動(dòng)態(tài)。結(jié)果表明：N沉降會(huì)使板栗人工林土壤顯著酸化,P含量降低,在一些時(shí)間段內(nèi),中高水平的N沉降會(huì)顯著降低有機(jī)C、全N和速效N含量,中或低水平N沉降會(huì)顯著降低土壤全P和速效P含量,而從第6個(gè)月起只有LN處理會(huì)顯著降低土壤K含量。N沉降總體上會(huì)不同程度地提高觀光木人工林土壤pH值、有機(jī)C、全N和速效N含量,有時(shí)影響會(huì)達(dá)顯著或極顯著水平；比較而言,LN和HN處理更會(huì)造成土壤全P的富集,而MN處理對(duì)速效P的影響更顯著；LN和HN處理也會(huì)顯著增加K含量,且以LN處理的效果更穩(wěn)定?？傮w上N沉降量越大米櫧天然林土壤酸化越顯著；N沉降會(huì)使其有機(jī)C和速效P量顯著波動(dòng)；實(shí)驗(yàn)期間,HN處理會(huì)顯著降低土壤全N和速效N量,而LN與MN處理則會(huì)使速效N和K含量增加；在4種處理下全P含量會(huì)呈相同趨勢(shì)波動(dòng),差異不顯著。

氮沉降；土壤養(yǎng)分；板栗人工林；觀光木人工林；米櫧天然林

N沉降對(duì)生態(tài)系統(tǒng)輸入的重要具體對(duì)象之一是土壤。N沉降下,土壤酸堿度及養(yǎng)分發(fā)生變化[4-8],在一定程度上增加土壤有效N,相當(dāng)于農(nóng)業(yè)上的施加N肥的作用。N沉降對(duì)不同地區(qū)土壤及其養(yǎng)分的影響不同,研究表明[9],因溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)通常受N限制,N輸入能增加森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力；亞熱帶可能不受N限制,因而N輸入會(huì)加劇土壤酸化,增加K+、Ca2+和Mg2+等堿性陽離子的流失和N2O的大量排放,從而降低生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力并減少碳貯量。

我國南方以亞熱帶區(qū)域?yàn)橹?相較于全球同緯度地帶的荒漠、半荒漠,我國亞熱帶分布著世界上面積最大、最具代表性的常綠闊葉林[10],同時(shí),它也是繼歐洲、北美之后全球的第三大N沉降區(qū)[11],因此,作為N沉降的主要受體——我國南方森林一直被學(xué)者極大關(guān)注。當(dāng)前,對(duì)本區(qū)森林凋落物的分解與群落特征等方面的研究較多[12-18],而對(duì)于模擬N沉降的研究近幾年來多關(guān)注于溫室氣體的排放[19-21],而對(duì)土壤養(yǎng)分影響的研究較少。

本研究組在福建省三明格氏栲自然保護(hù)區(qū)“省部共建濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”的野外定點(diǎn)觀測(cè)站內(nèi)選取了板粟人工林(低N土壤)、觀光木人工林(中N土壤)和米櫧天然林(高N土壤)構(gòu)成土壤N有效性梯度樣地序列,設(shè)置模擬N沉降野外實(shí)驗(yàn),配合凋落物分解實(shí)驗(yàn),對(duì)林地0—10 cm土層土壤中的氮(N)、磷(P)、鉀(K)等主要營養(yǎng)成分及土壤有機(jī)C的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析,以期揭示日益加劇的大氣N沉降對(duì)濕潤(rùn)亞熱帶地區(qū)幾種林分土壤養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)影響。

1 試驗(yàn)地概況

福建省三明市格氏栲自然保護(hù)區(qū)地理坐標(biāo)為北緯26.13 °,東經(jīng)117.36 °。區(qū)內(nèi)的米櫧天然林樣地海拔315 m,北偏東25 °,坡度35 °,約200 a較少人為干擾,喬木、灌木、草本群落分層明顯。區(qū)內(nèi)林分密度為1955株/hm2,郁閉度為0.89,平均樹高11.9m,平均胸徑20cm。建群種為米櫧,喬木層主要樹種還有木荷(Schimasuperba)、格氏栲(Castanopsiskawakamii)、桂北木姜子(Litseasubcoriace)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)等,其中米櫧占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；灌木層(樹高小于3 m)植物種類較豐富,主要有更新的幼苗：米櫧、黃丹木姜子(Litseaelongata)、赤楠(Syzygiumbuxifolium)、冬青(Ilexpubescens)等；草本層植物分布連續(xù),由草珊瑚(Sarcabdraglabra)、山姜(Alpiniajaponica)、扇葉鐵線蕨(Adiantumflabellulatum)等組成。林下地被層較厚,散布有枯立木、倒木和死樹枝桿等,枯枝落葉厚度5—8 cm[23-24]。

觀光木(Sightseeingwood)人工林和板粟人工林均為天然林采伐跡地上栽植的純林,喬木層植物組成簡(jiǎn)單。觀光木林以觀光木占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),雜生著千年桐(Verniciamontana)、東南野桐(Mallotuslianus)和紅楠(Machilusthunbergii)等；板粟人工林灌木層主要由杜莖山(Maesajaponica)、紅楠、狗骨柴(Tricalysiadubia)、虎皮楠(Daphniphyllumoldhamii)、鼠刺(Iteachinensis)、藤黃檀(Dalbergiahancei)等植物組成；草本層由金毛狗(Cibotiumbarometz)、烏毛蕨(Blechnumorientale)、狗脊(Woodwardiajapo-nica)、黑莎草(Gahniatristis)、山姜(Alpiniajaponica)等組成。

2 材料與方法

2.1 樣地布設(shè)

分別在米櫧天然林、板栗人工林及觀光木人工林內(nèi)各選取4個(gè)3 m×3 m的樣方(各樣方土壤類型相同、海拔高度和坡度相似,且樣方間設(shè)置至少5 m的緩沖帶)作為模擬N沉降樣地。根據(jù)本區(qū)的N沉降情況,N處理的強(qiáng)度和頻度參考同類研究方法[22],4個(gè)樣方分別設(shè)置高氮(HN)、中氮(MN)、低氮(LN)和對(duì)照(CK)4個(gè)實(shí)驗(yàn)處理,分別噴灑N含量濃度為為15、10、5、0 g m-2a-1的NH4NO3溶液。將相應(yīng)質(zhì)量的NH4NO3溶于1L水中,每3個(gè)月噴灑1次,每年共4次,實(shí)驗(yàn)從2011年8月開始,實(shí)驗(yàn)為期兩年。

2.2 土壤樣品的收集與前處理

土壤樣品的采集方法為：在噴灑含N溶液前,在各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)用直徑2 cm,深10 cm的取土鉆取5個(gè)以上重復(fù)土壤,混合均勻,裝袋,挑去細(xì)根和砂礫,過2 mm的篩,裝入自封袋備用,取樣時(shí)間為0、3、6、9、12、18、24個(gè)月進(jìn)行取樣。

2.3 化學(xué)分析

研磨過篩后的樣品用德國ELMENTAR公司產(chǎn)Vario EL Ⅲ元素分析儀測(cè)定土壤有機(jī)C和全N含量；電極法測(cè)定土壤pH值；堿解-擴(kuò)散法測(cè)速效N；鉬銻抗比色法測(cè)P；化學(xué)測(cè)速法測(cè)土壤速效P；火焰分光光度計(jì)法測(cè)K。

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

4)消除偏差(A)：包括成本控制目標(biāo)和核電工程預(yù)算的調(diào)整，即當(dāng)實(shí)際成本超過或可能超過計(jì)劃控制目標(biāo)時(shí)，首先從技術(shù)、管理、組織等方面采取消偏措施，調(diào)整資源配置或業(yè)務(wù)流程，避免突破成本控制目標(biāo)和核電工程預(yù)算。

利用EXCELL和SPSS17.0軟件分析,用LSD多重檢驗(yàn)法檢測(cè)土壤各肥力指標(biāo)在不同N沉降處理間差異的顯著性。

3 結(jié)果

3.1 模擬N沉降下3種林分土壤pH值變化動(dòng)態(tài)

從圖1中可看出,在監(jiān)測(cè)的24個(gè)月內(nèi),無論有無施加外源N,三明格氏栲自然保護(hù)區(qū)內(nèi)3種林地土壤pH值的變化趨勢(shì)均基本相同,板栗人工林與觀光木人工林土壤pH值均呈升—略降—升—降—升的趨勢(shì)變化,米櫧天然林的則呈升—降—略升變化,且都在監(jiān)測(cè)的第9或12個(gè)月時(shí)達(dá)到最高值,在第18個(gè)月時(shí)最低。其中,模擬N沉降都會(huì)使板栗人工林土壤顯著酸化(P<0.05)；而米櫧天然林,除第12個(gè)月時(shí)的MN處理以及第18個(gè)月時(shí)3種加N處理均會(huì)使土壤pH值升高外,N沉降也會(huì)使其土壤酸化,尤其在第3—12個(gè)月期間土壤酸化顯著(P<0.05),總體上隨著N沉降量的加大,兩林分土壤酸化越顯著。與之相反,在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間,與CK相比,除了HN處理在第12月時(shí)會(huì)降低觀光木人工林土壤pH值外,N沉降會(huì)明顯提高觀光木人工林土壤pH值,其中LN、MN處理會(huì)顯著緩解林地土壤酸化(P<0.05),且以MN處理的效果最好,LN處理次之。

圖1 模擬N沉降下3種林分土壤pH值變化動(dòng)態(tài)Fig.1 Variations of soil pH in three forests during N deposition

3.2 模擬N沉降下3種林分土壤有機(jī)C含量變化動(dòng)態(tài)

3種林分土壤有機(jī)C初始含量為：板栗人工林<觀光木人工林<米櫧天然林的(圖2)。板栗人工林中,中高水平的N沉降會(huì)顯著降低板栗人工林土壤有機(jī)C含量(P<0.05),且以MN處理的效果最明顯；LN處理雖然也會(huì)使板栗人工林土壤有機(jī)C含量降低,但作用效果變化較大,與CK相比,在6—9個(gè)月時(shí)甚至?xí)雇寥烙袡C(jī)C含量增加。除第18個(gè)月時(shí)的LN處理外,向觀光木人工林地添加外源N后,會(huì)不同程度地提高土壤有機(jī)C含量。在0—6個(gè)月,以MN處理效果最明顯；而其后,則隨著N沉降量的增大,觀光木人工林土壤有機(jī)C含量越高,在9—24個(gè)月期間HN處理的影響達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。而土壤有機(jī)C含量最高的米櫧天然林(初始含量達(dá)24.51 g/kg)在不同的實(shí)驗(yàn)時(shí)期,對(duì)不同水平的施N水平呈不同響應(yīng)：在實(shí)驗(yàn)初期(0—6個(gè)月期間),模擬N沉降會(huì)不同程度地增加米櫧天然林土壤有機(jī)C含量,且以MN處理效果最佳；在6—9個(gè)月時(shí),LN處理樣地土壤有機(jī)C會(huì)顯著上升(P<0.05),在12—24個(gè)月期間又顯著下降(P<0.05), MN處理則是僅在第9個(gè)月時(shí)會(huì)使土壤有機(jī)C顯著下降(P<0.05),此外均為不同程度的上升,但都未達(dá)顯著水平；而HN處理的影響結(jié)果波動(dòng)較大,在第6、18個(gè)月時(shí)使樣地有機(jī)C呈顯著下降(P<0.05),并在第9、12、24個(gè)月時(shí)使其顯著上升(P<0.05)。

圖2 模擬N沉降下3種林分土壤有機(jī)C含量變化動(dòng)態(tài)Fig.2 Variations of soil organic carbon mass fraction in three forests during N deposition

3.3 模擬N沉降下3種林分土壤全N和速效N含量變化動(dòng)態(tài)

米櫧天然林土壤全N初始含量為板栗人工林的1.70倍、觀光木人工林的1.25倍(圖3)。模擬N沉降后可看到：自然狀態(tài)下板栗人工林土壤全N含量呈升—降—升變化,施加外源N后,僅在9—18個(gè)月期間改變了土壤中全N的變化趨勢(shì),除了第24個(gè)月時(shí)的LN處理外,都會(huì)造成樣地土壤全N含量明顯下降。其中,中高水平的N沉降(尤其是MN處理)會(huì)使板粟林土壤中全N含量顯著降低(P<0.05),在第18個(gè)月時(shí),MN處理會(huì)使樣地土壤全N含量最大降低34.1%。施加外源N基本上不會(huì)改變觀光木人工林土壤全N含量的變化趨勢(shì),除在18個(gè)月時(shí)LN與MN處理會(huì)降低土壤全N含量外,N沉降會(huì)不同程度的增加觀光木林土壤中的N含量,且在0—6個(gè)月時(shí)MN處理的作用達(dá)顯著水平(P<0.05),此后,則以HN處理的提升效果最明顯。模擬N沉降也不改變米櫧天然林土壤全N的變化趨勢(shì),但與觀光木人工林地不同,在第1、3、5次取樣時(shí),添加外源N會(huì)不同程度的降低米櫧天然林土壤中全N的含量；在第3、18個(gè)月時(shí),3種加N處理、尤其是HN處理會(huì)顯著降低米櫧天然林土壤全N含量(P<0.05,第3個(gè)月時(shí)使土壤N含量降低了30.0%,第18個(gè)月時(shí)降低25.6%)；在其它取樣時(shí)間點(diǎn)上,與CK相比,則作用效果不一,土壤N含量有升有降。

圖3 模擬N沉降下3種林分全N含量變化動(dòng)態(tài)Fig.3 Variations of soil total nitrogen mass fraction in three forests during N deposition

從圖4可見,在第3、18個(gè)月時(shí),添加外源N均會(huì)顯著降低板栗人工林土壤速效N含量(P<0.05),且MN、HN處理的影響達(dá)極顯著水平(P<0.01)。但是,在第3個(gè)月時(shí)是隨著N沉降量越高,土壤速效N量降低的越少；而在第18個(gè)月時(shí)則隨著N沉降量越大土壤速效N量流失的越多。與之相反,在第24個(gè)月時(shí)則隨著N沉降量越高板栗林土壤速效N富集量越多。與其全N含量變化相似,0—9個(gè)月時(shí),N沉降會(huì)使觀光木人工林土壤速效N含量上升,與CK相比,在0—6個(gè)月期間以MN處理效果最顯著(P<0.01),第3個(gè)月時(shí)使其增加了46.6%,第6個(gè)月時(shí)增加了15.4%；第9個(gè)月時(shí)則以LN處理效果最顯著(P<0.05)。其后,與土壤全N含量經(jīng)歷波動(dòng)后明顯上升(其中HN處理會(huì)顯著增加全N含量)不同,N沉降、尤其是中低水平的N沉降會(huì)使觀光木林土壤速效N含量降低。在實(shí)驗(yàn)初期(0—6個(gè)月),N沉降使米櫧天然林土壤速效N含量發(fā)生不同程度的降低,但影響均未達(dá)到顯著水平；其后,在6—18個(gè)月內(nèi),HN處理會(huì)顯著降低米櫧天然林土壤速效N含量(P<0.05),且降幅隨時(shí)間在逐漸增大(3次取樣結(jié)果分別下降了7.69%；12.8%；40.5%),但到第24個(gè)月時(shí)其作用效果則與等量蒸餾水的效果基本相同。而LN處理在第9—12個(gè)月時(shí)、MN處理在第6、12—24個(gè)月時(shí)均會(huì)使米櫧林土壤速效N含量增加。

圖4 模擬N沉降下3種林分速效N含量變化動(dòng)態(tài)Fig.4 Variations of soil available nitrogen mass fraction in three forests during N deposition

3.4 模擬N沉降下3種林分土壤全P和速效P含量變化動(dòng)態(tài)

雖然3種林地土壤的pH值、有機(jī)C、全N、速效N含量均為板栗人工林<觀光木人工林<米櫧天然林的,但土壤全P含量卻為米櫧天然林的<觀光木人工林<板栗人工林:以板栗林土壤P貯量最為豐富。從圖5可看出,模擬N沉降基本上沒有改變板栗人工林土壤全P含量的變化趨勢(shì),但都會(huì)使其P含量降低。其中,0—6個(gè)月、12—18個(gè)月時(shí)MN處理會(huì)顯著降低板栗人工林土壤全P含量(P<0.05)；6—12個(gè)月及18—24個(gè)月時(shí)則以LN處理效果最顯著(P<0.05)。在實(shí)驗(yàn)前期(0—6個(gè)月),N沉降會(huì)造成觀光木人工林土壤全 P量發(fā)生較大的波動(dòng),隨后4種處理土壤P含量均呈一至趨勢(shì)變化。在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間,與CK相比,LN處理均會(huì)造成土壤P含量顯著上升(P<0.05),即低水平的N沉降有利于觀光木人工林土壤P的富集；MN處理則僅在第6個(gè)月時(shí)使土壤全P顯著增加(P<0.05),此外均會(huì)使其下降；而HN處理除在第3、18個(gè)月時(shí)會(huì)使土壤全P略有降低外,其它時(shí)間內(nèi)均會(huì)使P富集,且在第6個(gè)月時(shí)達(dá)到顯著水平(P<0.05),高水平的N沉降總體上也利于觀光木林土壤P的富集。在2 a的實(shí)驗(yàn)期間,模擬N沉降的4種處理下米櫧天然林土壤全P的變化動(dòng)態(tài)相似,均呈降—升—降變化。在0—12個(gè)月期間,LN與HN處理會(huì)使米櫧林土壤全P含量增加,18、24個(gè)月則會(huì)使其小幅降低；而MN處理的作用效果在實(shí)驗(yàn)期間呈先略降—增—降—略增—降的不顯著變化。

圖5 模擬N沉降下3種林分土壤全P含量變化動(dòng)態(tài)Fig.5 Variations of soil total phosphorus mass fraction in three forests during N deposition

如圖 6 所示,自然狀態(tài)下,板栗人工林土壤速效P含量呈降—升—降—升變化。模擬N沉降后,在0—18個(gè)月期間,雖然不會(huì)改變土壤速效P變化趨勢(shì),但造成了土壤速效P含量的波動(dòng)。除18個(gè)月時(shí)的LN處理外,在9—24個(gè)月期間(其中MN處理是在6—24個(gè)月期間),N沉降均造成板栗林土壤速效P含量顯著下降(P<0.05),使板栗人工林土壤P的貯量和供應(yīng)能力都降低。在實(shí)驗(yàn)期間,N沉降整體上也未改變觀光木人工林土壤速效P含量的變化趨勢(shì),但在0—9個(gè)月時(shí),外源N均造成土壤速效P含量富集,其中MN處理在3—6個(gè)月時(shí)的作用效果達(dá)到了顯著水平(P<0.05),最高時(shí)(第6個(gè)月)可使土壤速效P含量增加到1.86倍；隨后,3種加N處理只造成觀光木林土壤速效P含量小幅的波動(dòng),其影響均不顯著。在0—6個(gè)月期間,施加外源N與等量的水對(duì)米櫧天然林土壤速效P含量的影響差別不大；但隨后,模擬N沉降會(huì)造成土壤速效P大幅波動(dòng),第9個(gè)月時(shí),以MN處理效果最明顯,使米櫧林土壤速效P含量顯著降低了60.6% (P<0.05),其次為L(zhǎng)N處理,降低了50.0%,也達(dá)顯著水平(P<0.05)；而HN處理也在第12—18個(gè)月時(shí)顯著降低了米櫧林土壤P肥供應(yīng)能力 (P<0.05),但在第24個(gè)月時(shí)又造成了速效P顯著富集(P<0.05)。

圖6 模擬N沉降下3種林分速效P含量變化動(dòng)態(tài)Fig.6 Variations of soil available phosphorus mass fraction in three forests during N deposition

3.5 模擬N沉降下3種林分土壤全K含量變化動(dòng)態(tài)

3種林分土壤全K初始含量為米櫧天然林<觀光木人工林<板栗人工林,以米櫧林土壤K肥供應(yīng)能力最差。第一次取樣后,無論添加外源N與否,三林分土壤K含量均呈略升—略降—升—降相同趨勢(shì)變化(如圖7)。模擬N沉降后,在實(shí)驗(yàn)初期(0—3個(gè)月)會(huì)造成板栗人工林土壤K含量小副下降,且隨著N沉降量的增大而降低量增多；其后,林地K含量即與另外兩種林分的呈相同趨勢(shì)變化,且從第6個(gè)月起, LN處理會(huì)使板栗林土壤K含量顯著下降(P<0.05)；但除了MN處理在第24個(gè)月時(shí)會(huì)顯著降低土壤K含量外,中高水平的N沉降雖然會(huì)造成板栗林土壤K或富集或淋失,但影響都未達(dá)顯著水平。除第9個(gè)月外,與板栗人工林情況不同,LN處理會(huì)使觀光木人工林土壤K含量顯著上升(P<0.05),且在后期(18—24個(gè)月)其影響逐漸增強(qiáng)；而HN處理也在第6、12—24個(gè)月時(shí)顯著增加觀光木林土壤K含量(P<0.05)；相比較而言,在實(shí)驗(yàn)期間,MN處理對(duì)林地K含量的影響效果與等量水的相似；低或高水平的N沉降量會(huì)顯著增加三明格氏栲自然保護(hù)區(qū)內(nèi)觀光木人工林土壤K含量,且以低水平N沉降的作用效果更穩(wěn)定。LN處理也會(huì)使米櫧天然林土壤K含量顯著上升(P<0.05),與觀光木林的相似,在后期(18—24個(gè)月)其影響增大；在0—18個(gè)月期間,MN處理也會(huì)不同程度地提高土壤K含量,但影響力逐漸降低,到第24個(gè)月時(shí)甚至?xí)档屯寥繩含量；而在同期間,HN處理對(duì)米櫧天然林土壤K含量的影響效果也與等量水的差別不大；低水平的N沉降能更好的提高米櫧天然林土壤K含量。

圖7 模擬N沉降下3種林分土壤K含量變化動(dòng)態(tài)Fig.7 Variations of soil total potassium mass fraction in three forests during N deposition

4 討論

4.1 模擬N沉降下3種林分土壤pH值變化

4.2 模擬N沉降下3種林分土壤有機(jī)C含量值變化

土壤有機(jī)C是全球C循環(huán)中的重要碳庫,土壤有機(jī)C庫約為大氣碳庫的3倍、植被碳庫的2.5—3倍[4]。土壤有機(jī)C的礦化直接影響著土壤養(yǎng)分的釋放和供給、土壤質(zhì)量的維持、溫室氣體的形成以及土壤微生物的活動(dòng)等[33]。N沉降的增加會(huì)降低土壤有機(jī)C礦化量,使土壤總有機(jī)C含量增加[4,34]；提高土壤有機(jī)C的固持能力[35]；增加土壤有機(jī)C中較穩(wěn)定部分的含量及土壤可溶性有機(jī)C含量[36-37]。本研究中觀光木人工林的研究結(jié)果基本上符合他們的結(jié)論,N添加增加了土壤有機(jī)C含量。而段雷等[38]研究發(fā)現(xiàn)土壤N飽和狀況下會(huì)使土壤有機(jī)C含量下降。N沉降會(huì)使板栗人工林土壤有機(jī)C含量降低,部分的N沉降處理使米櫧天然林土壤有機(jī)C含量降低,可能是受土壤N飽和的影響。

4.3 模擬N沉降下3種林分土壤全N和速效N含量值變化

4.4 模擬N沉降下3種林分土壤全P和速效P含量值變化

研究表明,在熱帶和亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中,P是生物生長(zhǎng)和重要生態(tài)過程中的主要的限制元素[41-43]。N沉降能促使生物產(chǎn)生更多的胞外磷酸酶,而加速了土壤磷循環(huán)[44-46]。速效P是指土壤中能被植物直接吸收利用的磷組分,是土壤P養(yǎng)分供應(yīng)水平高低的指標(biāo)[47]。

本研究中,板栗人工林土壤全P含量下降,這可能是N沉降能促使生物產(chǎn)生更多的胞外磷酸酶,導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)釋放出更多的磷酸鹽[45],磷酸鹽易被植物利用,因此加速了P素的匯；而觀光木人工林中全P含量上升,可能是N沉降促使促使生物產(chǎn)生更多的胞外磷酸酶,加速了凋落物、動(dòng)物殘?bào)w等有機(jī)質(zhì)中P素的的分解[46],且分解的速率大于植物利用的速率；米櫧天然林則可能是因?yàn)閬啛釒质躊限制[41-43],釋放P素速率與被生物利用的速率相近,因而土壤中全P含量的變化較小。

李銀等[48]認(rèn)為：N沉降增加能緩解鼎湖山土壤P限制；但當(dāng)N含量超過生態(tài)系統(tǒng)需求時(shí),會(huì)導(dǎo)致土壤有效P含量下降。模擬N沉降整體上使板栗人工林與米櫧天然林土壤速效P含量下降,可能是因?yàn)榱种兄参锏奈账俾蚀笥谟袡C(jī)質(zhì)分解釋放有效P的速率,也可能是因N含量超過了森林生態(tài)系統(tǒng)的需求所致；相較于初始狀態(tài),觀光木人工林在實(shí)驗(yàn)前期(3—9個(gè)月)土壤中速效P大量富集,但隨后速效P逐漸減少流失,可能即是前期在外源N的影響下土壤酶活性的提高,加速了土壤中有機(jī)質(zhì)及凋落物中P素的分解,增加了土壤速效P含量,但隨著植物對(duì)P吸收速率的提高及整個(gè)系統(tǒng)中N量過飽和的影響,無論是否添加外源N,土壤中有效P含量均逐漸減少。

4.5 模擬N沉降下3種林分土壤全K含量值變化

K是植物生長(zhǎng)所必需大量營養(yǎng)元素之一[49],在植物的生長(zhǎng)代謝過程中舉足輕重[50]。占麗平等[51]發(fā)現(xiàn)土壤中K+受H+與Al3+濃度影響,與其競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn),pH值升高,能提高土壤固K能力。N沉降,特別是高水平的N沉降會(huì)顯著使板栗人工林土壤酸化,以LN處理更符合這一研究結(jié)果,顯著降低了板栗人工林土壤pH值和土壤固K能力；在觀光木人工林地內(nèi),LN處理顯著提高了觀光木人工林土壤的pH值和土壤固K能力,而最顯著提高土壤pH值的MN處理對(duì)林地固K能力的影響與水的作用相當(dāng)；在第0—12與第24個(gè)月期間,LN處理雖然使林地土壤顯著酸化(P<0.05),pH值降低,但其卻會(huì)顯著提高米櫧天然林土壤土壤固K能力,同時(shí),顯著影響土壤pH值的HN處理對(duì)林地固K能力的影響與水的作用相當(dāng),與占麗平等觀點(diǎn)有較大不同。除了地域不同、林分類型與監(jiān)測(cè)時(shí)間的差異會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果,造成本研究結(jié)論與前人的研究有較大出入外,具體造成研究差異的原因,還有待于在深入實(shí)驗(yàn)分析中去探尋。

5 結(jié)論

在福建省三明格氏栲自然保護(hù)區(qū)內(nèi),N沉降使板栗人工林土壤顯著酸化,P含量降低,中高水平的N沉降(尤其是MN處理)顯著降低有機(jī)C和全N含量,在第3、18個(gè)月時(shí)添加N均顯著(MN、HN處理極顯著)降低速效N含量,中或低水平N沉降顯著降低土壤全P含量,在9—24個(gè)月(MN處理是在6—24個(gè)月)期間,N沉降均顯著降低土壤速效P含量；而從第6個(gè)月起只有LN處理會(huì)顯著降低土壤K含量。N沉降總體上會(huì)不同程度地提高觀光木人工林土壤pH值、有機(jī)C和全N含量,中低水平N沉降(尤其是MN處理)會(huì)顯著緩解土壤酸化；在0—6個(gè)月期間MN處理能顯著提高全N含量并極顯著提高速效N量,9個(gè)月后,N沉降、尤其是中低水平的N沉降會(huì)降低土壤速效N量；在實(shí)驗(yàn)前期(0—6個(gè)月),LN處理顯著利于土壤全P的富集,HN處理則僅在第6個(gè)月時(shí)會(huì)顯著增加P含量；除MN處理在3-6個(gè)月時(shí)使土壤速效P顯著富集外,其它時(shí)間內(nèi)速效P含量的波動(dòng)均不顯著；低或高水平N沉降會(huì)顯著增加土壤K含量,且以低水平N沉降的效果更穩(wěn)定。在第一年內(nèi),總體上隨N沉降量加大,米櫧天然林土壤酸化越顯著；N沉降會(huì)使土壤有機(jī)C含量波動(dòng)較大,造成有機(jī)C量顯著上升或顯著下降；在第3、18個(gè)月時(shí),N沉降(尤其是HN處理)會(huì)顯著降低土壤全N含量,其它時(shí)間段內(nèi)則作用效果不一；在實(shí)驗(yàn)期間,HN處理會(huì)使土壤速效N量顯著降低,而LN與MN處理則會(huì)使速效N含量增加；4種處理下土壤全P含量會(huì)呈相同趨勢(shì)波動(dòng),但差異均不顯著；第9個(gè)月時(shí),中低水平N沉降顯著降低了土壤速效P含量,而HN處理也造成了速效P量顯著減少后又顯著富集；低水平的N沉降能更好的提高米櫧林土壤K含量,會(huì)使土壤K含量顯著上升。

不同的土壤pH值、土壤有機(jī)C含量及土壤養(yǎng)分含量本底值不同,微生物分布狀況不同,凋落物分解速率及降水淋溶等存在差異,導(dǎo)致其對(duì)N沉降的響應(yīng)不同,且響應(yīng)后土壤肥力各指標(biāo)發(fā)生變化,相互影響,因而濕潤(rùn)亞熱帶常綠闊葉林土壤養(yǎng)分對(duì)N沉降的響應(yīng)機(jī)制仍需進(jìn)一步的研究。

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Analysis of the dynamic soil nutrients of aCastanopsiscarlesii,ChineseChestnut&SightseeingWoodnatural forest under simulated nitrogen deposition

HUANG Jinni, CHENG Yu*, YANG Hongyu, ZHENG Kaizhou, WANG Jiajun

CollegeofGeographicalScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China

In this study, four treatments were installed inCastanopsiscarlesiinatural forests, aChinesechestnutplantation and aSightseeingwoodplantation at Sanming City, Fujian Province, China, for a simulated nitrogen deposition experiment: control (CK, 0 g N m-2a-1), low nitrogen (LN, 5 g N m-2a-1), medium nitrogen (MN, 10 g N m-2a-1), and high nitrogen (HN, 15 g N m-2a-1). A solution of NH4NO3was applied as the nitrogen source. The results show that under the experimental conditions, N significantly acidified the soil in theChinesechestnutplantation, decreasing the mass fraction of P. Over some period, HN treatment can significantly reduce the mass fraction of organic C, total N, and available N; low levels of N deposition can significantly reduce the mass fraction of soil total P and available P; and from six months, only the LN treatment significantly reduced the content of soil K. N settlement generally improved soil pH, organic C, total N, and the available N mass fraction in theSightseeingwoodplantation, and sometimes the impact was significant or extremely significant. In comparison, the LN and HN treatments caused enrichment of the soil total P mass fraction, and the effect of the MN treatment on available P was significant; the LN and HN treatments also significantly increased the mass fraction of K, and the effects of the LN treatment were more stable. With N settlement rose, the acidification of the soil was more significant in theCastanopsiscarlesiinatural forest; the N settlement of organic C and available P fluctuated significantly. During the experiment, HN treatment significantly reduced the soil total N and available N; LN and MN treatment increased the mass fractions of available N and K. The mass fraction of P showed the same trend of fluctuations in all 4 treatments, and the difference was not significant.

N deposition; soil nutrients;Chinesechestnutplantation;Sightseeingwoodplantation;Castanopsiscarlesiinatural forest

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31000298)；福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015J01122)；福建師范大學(xué)優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(fjsdjk2012075)

2016- 07- 23;

2016- 11- 18

10.5846/stxb201607231501

*通訊作者Corresponding author.E-mail: chengyu76@163.com

黃錦鈮,程煜,楊紅玉,鄭凱舟,王家駿.模擬N沉降下三種林分土壤營養(yǎng)動(dòng)態(tài)分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(1):63- 73.

Huang J N, Cheng Y, Yang H Y, Zheng K Z, Wang J J.Analysis of the dynamic soil nutrients of aCastanopsiscarlesii,ChineseChestnut&SightseeingWoodnatural forest under simulated nitrogen deposition.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):63- 73.