趙 河,張志銘,趙 勇,祝憶偉,楊文卿,楊喜田

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 鄭州 450000

模擬氮沉降對(duì)荊條灌木“肥島”土壤養(yǎng)分的影響

趙 河,張志銘,趙 勇*,祝憶偉,楊文卿,楊喜田

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 鄭州 450000

氮沉降的增加,可能會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分造成更為顯著的影響,目前關(guān)于大氣氮沉降對(duì)植物“肥島”效應(yīng)中土壤養(yǎng)分的影響鮮有報(bào)道。于河南省太行山南麓地區(qū),以NH4NO3為供施氮源,按土層深度采集土樣,以模擬氮沉降方法(3個(gè)水平,無氮CK、低氮2 gN m-2a-1處理、中氮12gN m-2a-1處理和高氮24gN m-2a-1處理),分析了氮沉降對(duì)太行山荊條灌木(VitexnegundoL.var.)“肥島”土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮和速效磷含量的影響。結(jié)果表明：灌木“肥島”中全氮和速效磷含量,總體表現(xiàn)出隨氮沉降量增長(zhǎng)而增加的趨勢(shì)；氮沉降顯著增加了土壤表層有機(jī)質(zhì)、氮、磷的含量；高氮沉降與CK相比引起的各土層間養(yǎng)分差異更顯著；隨著氮沉降水平的增加,冠幅內(nèi)外和土層間養(yǎng)分差異增大,土壤養(yǎng)分的增長(zhǎng)率隨之加大；氮沉降在一定程度內(nèi)加劇了“肥島”的富集效應(yīng),且氮沉降量越大,這種富集效應(yīng)越顯著。這些研究結(jié)果可為研究灌木“肥島”對(duì)外源氮的響應(yīng)機(jī)制及保育作用提供參考。

荊條；氮沉降；肥島；影響；土壤養(yǎng)分

人類活動(dòng)向大氣中排放的大量氮化物,使得自然界中氮沉降日益加劇,而外源氮含量的增加將改變土壤養(yǎng)分原始狀態(tài),影響植物的生長(zhǎng),對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響[1- 3]。近年來,我國陸地生態(tài)系統(tǒng)中氮沉降量出現(xiàn)顯著升高,區(qū)域性的“氮富集”不斷出現(xiàn)[4,5]。已有研究表明,氮沉降能夠影響土壤氮素礦化和硝化速率[6- 8],導(dǎo)致林地氮素流失[9]；加快土壤溶液系統(tǒng)的酸化速率[10]；對(duì)森林生態(tài)體系中土壤質(zhì)量和植物根系微生物產(chǎn)生影響[11- 14]；與此同時(shí),植物“肥島”效應(yīng)能夠促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的保持和恢復(fù)[15- 17],然而目前有關(guān)氮沉降增加對(duì)植物“肥島”效應(yīng)的影響的相關(guān)研究較少[18]。因此關(guān)于植物“肥島”現(xiàn)象受氮沉降影響的變化機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

太行山區(qū)是河南省生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一,荊條灌木(VitexnegundoL.var.)是太行山地區(qū)的重要植被類型,其分布極廣,也是區(qū)域群落演替的重要階段,在改善生境和提高植被質(zhì)量方面具有至關(guān)重要的作用。與此同時(shí),灌木荊條群落又具有“肥島”效應(yīng),及土壤養(yǎng)分在單株喬木(灌木)冠幅下產(chǎn)生聚集的現(xiàn)象[19- 21],外加氮源可能會(huì)改變灌木的“肥島”效應(yīng)。因此,本試驗(yàn)擬在人工施氮條件下,通過對(duì)該區(qū)域荊條灌木“肥島”方面進(jìn)行研究,探索不同氮處理對(duì)“肥島”土壤養(yǎng)分的影響,旨在揭示該區(qū)域典型植物—荊條灌木在氮變化環(huán)境下,其土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)的變化過程,并為提高林木幼苗的成活率和了解植物對(duì)氮素適應(yīng)策略提供幫助,有利于當(dāng)?shù)鼗纳骄G化、水土保持等生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究試驗(yàn)地位于太行山南麓地區(qū),借助于當(dāng)?shù)貒伊謽I(yè)局黃河小浪底森林生態(tài)站。試驗(yàn)地區(qū)的地理坐標(biāo)E112°28′—112°30′,N35°01′—35°03′,海拔337—342m。該區(qū)氣候?yàn)榕瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,年均氣溫14.3℃,平均≥5℃的活動(dòng)積溫50610℃,年均日照時(shí)間2370.5 h,年際間變化1948.5—2602.0 h,年均日照率54%,年際間變幅 44%—50%,當(dāng)?shù)厣絽^(qū)土壤主要為褐土,土壤pH值7.0—7.5,其母巖組成主要為砂巖和頁巖。當(dāng)?shù)刂饕郝漕愋鸵詥棠?、灌木為?其中灌木主要有荊條(VitexnegundoL.var.)、酸棗(Ziziphusjujube)和胡枝子(Lespedezabicolor)等；喬木主要有栓皮櫟(Quercusvariabilis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)和刺槐(Robiniapseudoacacia)等；草本植物有狗尾草(Setariaviridis)、魁蒿(Artemisiaprinceps)、白草(Pennisetumflaccidum)、藎草(Arthraxonheterophylla)、地黃(Rehmanniaglutinosa)等。荊條因其耐土壤干旱和瘠薄的特性,是當(dāng)?shù)胤植甲顬閺V泛的灌木之一。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品采集

于2015年3月,在太行山南麓地區(qū)選擇生長(zhǎng)情況及立地條件基本一致的4株荊條單株,以每株灌木為中心,建立4個(gè)5m×5m的樣方,同時(shí)為避免灌木間相互干擾,選取時(shí)確保單株荊條距離周圍其他灌叢的距離大于3m。分別于荊條“肥島”效應(yīng)范圍下的灌木冠幅內(nèi)(具荊條莖基60cm處)和冠幅外(具荊條莖基190cm處)各選擇3處樣點(diǎn),每個(gè)樣點(diǎn)作為一次重復(fù),并在各樣點(diǎn)的垂直方向上選取0—5cm、5—10cm和10—20cm 共3個(gè)土層,用取土刀在每個(gè)樣采集500g 土樣。模擬氮沉降中,氮沉降量依次為無氮沉降(CK)處理、低氮沉降2gN m-2a-1(LN)處理、中氮沉降12gN m-2a-1(MN)處理和高氮沉降24gN m-2a-1(HN)處理。同時(shí)采用配置溶液噴施的方式進(jìn)行施氮(供施氮肥為NH4NO3,純度99.5%),以荊條莖基為中心的5m×5m樣地內(nèi),將樣方所需NH4NO3溶解于清水中,裝入噴霧器,噴霧器桿置于各樣方上方2m高度,來回均勻噴施,對(duì)照(CK)僅噴施等量清水。分別于3月、4月、5月進(jìn)行施氮,共施氮3次。采集第1次未噴施氮肥前的土壤,作為施氮前土樣,于6月及第3次施氮后30d再次取土,作為氮沉降后的土樣。

1.2.2 分析方法和數(shù)據(jù)處理

采用凱氏定氮法對(duì)全氮(TN)進(jìn)行測(cè)定；采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷(AP)含量；采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定有機(jī)質(zhì)(SOM)[22]。采用Excel軟件制圖和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮沉降水平對(duì)荊條“肥島”土壤養(yǎng)分的影響

2.1.1 全氮

氮沉降后不同氮沉降水平引起的土壤養(yǎng)分顯著性差異的分析表明(表1),荊條“肥島”土壤養(yǎng)分總體表現(xiàn)出HN處理>MN處理>LN處理的變化趨勢(shì)。與CK相比較,冠幅內(nèi)0—5cm土層的全氮含量顯著高于其他土層,達(dá)1.18g/kg；在LN處理中,冠幅內(nèi)0—5cm土層的全氮含量顯著高于冠幅內(nèi)和冠幅外的5—20cm土層,達(dá)1.37g/kg；在MN處理中,冠幅內(nèi)0—5cm土層的全氮含量顯著高于冠幅內(nèi)和冠幅外的10—20cm土層,冠幅外0—5cm土層顯著高于冠幅外5—20cm土層；在HN處理中,冠幅內(nèi)0—5cm土層的全氮含量顯著高于冠幅內(nèi)10—20cm和冠幅外5—20cm土層。表明荊條“肥島”中冠幅內(nèi)外和土層深度的全氮含量差異受氮沉降的影響而發(fā)生變化。

表1 不同氮沉降水平下荊條“肥島”中土壤養(yǎng)分的差異

大寫字母代表同列5%顯著水平；小寫字母代表同行5%顯著水平(P<0.05)

2.1.2 速效磷

在CK處理、LN處理、MN處理和HN處理中,冠幅內(nèi)0—5cm土層的速效磷含量均顯著高于其他土層,依次達(dá)到8.96、13.88、18.47和21.47mg/kg。HN處理在冠幅內(nèi)0—5cm土層顯著高于冠幅內(nèi)外其他土層；MN處理在冠幅內(nèi)0—10cm土層和冠幅外5—10cm土層的速效磷含量顯著高于CK；LN處理在各采樣點(diǎn)相對(duì)于CK均無顯著性差異。表明隨著氮沉降量的增加,氮沉降對(duì)土壤速效磷含量影響逐漸加大。

2.1.3 有機(jī)質(zhì)

在CK處理中,冠幅內(nèi)0—5cm土層的有機(jī)質(zhì)含量最高,達(dá)25.25g/kg,其次是冠幅外0—5cm土層；在LN處理中,冠幅內(nèi)0—5cm土層的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他冠幅內(nèi)外土層,達(dá)26.86g/kg；在MN處理中,冠幅內(nèi)0—5cm土層的有機(jī)質(zhì)含量最高,達(dá)28.49g/kg；在HN處理中,冠幅內(nèi)0—5cm土層的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他冠幅內(nèi)外土層,達(dá)35.38g/kg,同時(shí)HN處理在冠幅內(nèi)0—5cm和5—10cm土層顯著高于CK。表明氮沉降能夠影響荊條“肥島”土壤有機(jī)質(zhì)含量。

2.2 模擬氮沉降下荊條“肥島”冠幅內(nèi)外的0—20cm土層養(yǎng)分均值的變化

由圖1可知,荊條“肥島”0—20cm土層養(yǎng)分均值,均為冠幅內(nèi)高于冠幅外；荊條“肥島”冠幅內(nèi)土壤全氮、速效磷和有機(jī)質(zhì)含量總體表現(xiàn)出隨氮沉降量增長(zhǎng)而增加的趨勢(shì)。其中土壤中的全氮和速效磷含量方面,均表現(xiàn)出隨氮沉降量的增加,冠幅內(nèi)外的差異逐漸加大；有機(jī)質(zhì)含量方面,冠幅內(nèi)表現(xiàn)出隨氮沉降增長(zhǎng)而增長(zhǎng),冠幅外則出現(xiàn)先下降后增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這反映出土壤全氮、速效磷和有機(jī)質(zhì)向冠幅內(nèi)富集,氮沉降加劇了灌木“肥島”效應(yīng)。

圖1 荊條“肥島”0—20cm土層養(yǎng)分均值的變化Fig.1 The variation of Vitex negundo L.var. "fertile island" soil nutrient in 0— 20 cm soil layer

2.3 模擬氮沉降前后荊條“肥島”中土壤養(yǎng)分增長(zhǎng)率

從增長(zhǎng)率總體來看,氮沉降明顯增加了土壤表層有機(jī)質(zhì)、氮、磷的含量(圖2)。氮沉降增加了荊條“肥島”中土壤全氮含量,通過對(duì)氮沉降后不同取樣點(diǎn)的全氮含量與氮沉降前比較分析,其中HN處理后在冠幅內(nèi)的0—5cm土層的全氮增長(zhǎng)最多,增長(zhǎng)率達(dá)到51.88%；MN處理后在冠幅內(nèi)5—10cm和冠幅外的5—10cm土層全氮增長(zhǎng)較多,達(dá)28.82%和27.78%。結(jié)果顯示全氮增長(zhǎng)率,基本呈現(xiàn)冠幅內(nèi)高于冠幅外,土壤表層0—5cm高于5—20cm土層的規(guī)律,表明氮沉降處理在一定程度上加劇了灌木“肥島”對(duì)土壤全氮的富集。

荊條“肥島”中土壤速效磷含量受氮沉降影響均有增長(zhǎng)(圖3)。HN處理引起的土壤速效磷增長(zhǎng)率較大。在冠幅內(nèi)外的0—5cm土層增長(zhǎng)率較高,增長(zhǎng)率依次達(dá)到62.94%、55.74%,增長(zhǎng)率最大值出現(xiàn)在冠幅內(nèi)10—20cm土層,達(dá)71.79%；LN處理后在冠幅外的5—10cm和10—20cm土層的速效磷增長(zhǎng)較多,依次達(dá)到30.63%、39.58%。結(jié)果顯示,在速效磷方面,冠幅內(nèi)的增長(zhǎng)率總體略高于冠幅外,且隨氮沉降量的增加冠幅內(nèi)外差異逐漸加大,土壤速效磷向冠幅內(nèi)富集的效應(yīng)越強(qiáng)。

由圖4可知,氮沉降增加了荊條“肥島”中土壤有機(jī)質(zhì)含量,HN處理在冠幅內(nèi)外0—10cm土層均表現(xiàn)為最高的增長(zhǎng)率,在冠幅內(nèi)0—5cm土層增長(zhǎng)率最高,達(dá)33.22%；MN處理在冠幅內(nèi)外的10—20cm土層出現(xiàn)較高的增長(zhǎng)率,達(dá)19.78%和14.97%。結(jié)果表明,氮沉降對(duì)土壤表層0—5cm的有機(jī)質(zhì)含量影響較5—20cm土層高,土壤淺層有機(jī)質(zhì)含量更容易受到氮沉降的影響。

圖2 氮沉降影響下土壤全氮增長(zhǎng)率 Fig.2 The growth percentage of total nitrogen under the nitrogen deposition

圖3 氮沉降影響下土壤速效磷增長(zhǎng)率 Fig.3 The growth percentage of available phosphorus under the nitrogen deposition

圖4 氮沉降影響下土壤有機(jī)質(zhì)增長(zhǎng)率 Fig.4 The growth percentage of organic matter under the nitrogen deposition

3 討論與結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn),在模擬氮沉降后,土壤養(yǎng)分出現(xiàn)差異性變化,荊條“肥島”冠幅內(nèi)外土壤養(yǎng)分含量,總體表現(xiàn)出隨氮沉降量增長(zhǎng)而增加的趨勢(shì)；相比CK處理,HN處理相對(duì)于其他處理對(duì)土壤養(yǎng)分的改變更加明顯,引起的冠幅內(nèi)外和不同土層間養(yǎng)分差異更為顯著,這與莫江明等人[23]的研究,模擬氮沉降中氮的增加使得生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)得到改變,使得土壤的礦化速率隨著氮沉降量的增加而加快的結(jié)果相一致。另一方面,模擬氮沉降后土壤各養(yǎng)分較高的增長(zhǎng)率,主要出現(xiàn)于HN和MN處理的現(xiàn)象,這可能是由于模擬氮沉降會(huì)改變土壤中離子的數(shù)量,其與土壤氮沉降量呈正相關(guān),及隨氮沉降水平增高,土壤離子數(shù)量越高,土壤養(yǎng)分增長(zhǎng)率因此較高[24]。

在土壤養(yǎng)分空間比較方面,氮沉降前后荊條灌木冠幅內(nèi)的養(yǎng)分含量總體要高于灌木冠幅外,土壤全氮、速效磷和有機(jī)質(zhì)也總體表現(xiàn)出由表層向深層遞減的規(guī)律,這與前人[25-26]關(guān)于“肥島”的研究相一致,這是荊條灌木為適應(yīng)干旱半干旱環(huán)境,吸收更多養(yǎng)分維系根系生長(zhǎng)引起的“肥島”效應(yīng)養(yǎng)分富集現(xiàn)象[27- 29]。不同氮沉降處理后,通過土壤養(yǎng)分空間比較發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分變化幅度各有不同,總體表現(xiàn)為,隨著氮沉降水平的增加,冠幅內(nèi)外和土層間養(yǎng)分差異增大,這是由于在灌木“肥島”作用下土壤養(yǎng)分發(fā)生遷移,而灌木下不同位置的養(yǎng)分遷移速率不同引起的[30]。結(jié)果證實(shí)在一定的范圍內(nèi)氮沉降顯著增加了“肥島”效應(yīng)。

本試驗(yàn)結(jié)果表明,氮沉降前后,在荊條“肥島”作用下土壤養(yǎng)分均呈現(xiàn)由表層向深層遞減；冠幅內(nèi)總體高于冠幅外的空間變化特征；荊條“肥島”中土壤養(yǎng)分含量,在一定范圍內(nèi)有隨氮沉降量增長(zhǎng)而增加的規(guī)律；相比較其他土層,土壤表層有機(jī)質(zhì)、氮、磷的含量受氮沉降影響顯著增加；土壤養(yǎng)分增長(zhǎng)率受氮沉降水平的影響,隨著氮沉降量的增加,土壤各全氮和速效磷的增長(zhǎng)率也隨之加大；比較于冠幅外,氮沉降對(duì)冠幅內(nèi)影響更為顯著,氮沉降處理使冠幅內(nèi)外養(yǎng)分差異更加顯著；氮沉降加劇了荊條灌木的“肥島”的養(yǎng)分富集效應(yīng)。

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EffectsofsimulatednitrogendepositiononsoilnutrientsofVitexnegundoL.var. “fertileislands”

ZHAO He, ZHANG Zhiming, ZHAO Yong*, ZHU Yiwei, YANG Wenqing, YANG Xitian

CollegeofForestryofHe′nanAgricultureUniversity,Zhengzhou450000,China

Nitrogen deposition may have a significant effect on soil nutrients; however, research regarding the influence of atmospheric nitrogen deposition on the soil nutrients of the plant “fertile islands” is limited. In this field study, we analyzed theVitexnegundoL. var. “fertile islands” distributed in the southern foot of the TaiHang Mountain Range, Henan Province. Simultaneously, ammonium nitrate (NH4NO3) was selected as the nitrogen source, and soil samples were collected from different soil depths. The research simulated nitrogen deposition (three levels, including a low-nitrogen treatment, 2 gN m-2a-1; secondary-nitrogen treatment, 12 gN m-2a-1; and high-nitrogen treatment, 24 gN m-2a-1) to analyze the impacts on organic matter, total nitrogen, and available phosphorus contents embedded in the “fertile islands”. The results demonstrated that the amount of total nitrogen and available phosphorus contents in “fertile islands” increased with the increase in nitrogen deposition. Organic matter, nitrogen, and phosphorus contents on the soil surface increased obviously with increased nitrogen deposition. Compared with that of the control, the differences in the nutrient contents of soil layers caused by high nitrogen deposition were more obvious. Nutrient differences between the crown and soil layers increased, and the soil nutrients increased with the increase in nitrogen deposition. Nitrogen deposition intensified the "fertile island" aggregation effect to a certain extent, which became more prominent as a result of the increased nitrogen deposition. The results provide a baseline to analyze the response mechanisms and conservation function of nitrogen fertilization in “fertile islands”.

VitexnegundoL. var.; nitrogen deposition; fertile island; interactivity; soil nutrients

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31270750)

2016- 07- 21; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 04- 25

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

10.5846/stxb201607211485

趙河,張志銘,趙勇,祝憶偉,楊文卿,楊喜田.模擬氮沉降對(duì)荊條灌木“肥島”土壤養(yǎng)分的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(18):6014- 6020.

Zhao H, Zhang Z M, Zhao Y, Zhu Y W, Yang W Q, Yang X T.Effects of simulated nitrogen deposition on soil nutrients ofVitexnegundoL. var. “fertile islands”.Acta Ecologica Sinica,2017,37(18):6014- 6020.