喬楓，史偉，薛元杰

1. 國家林業(yè)局西北林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，陜西 西安 710048；2. 中國科學(xué)院成都生物研究所生態(tài)恢復(fù)重點實驗室，四川 成都 610041

碳循環(huán)在地球生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與能量交換中起著重要作用。土壤作為植被生長的主要載體，在碳循環(huán)系統(tǒng)中扮演著重要的角色（王紹強等，1999）。土壤有機碳是植被碳庫的2.5倍，制約著植物的光合作用和生長發(fā)育，是生物化學(xué)循環(huán)中重要的生態(tài)因子（王紹強等，2000；彭新華等，2004）。土壤有機碳的組成形態(tài)不同，其土壤的肥力影響也不盡一致；土壤有機碳能夠直接影響土壤微生物新陳代謝等活動，進而影響植物的生長。另外，土壤微生物也能夠產(chǎn)生生物碳，雖然數(shù)量較少，但能夠參與整個生態(tài)循環(huán)，進而促進土壤養(yǎng)分循環(huán)，加速腐殖質(zhì)分解。不同土壤有機碳組分在土壤循環(huán)過程中發(fā)揮著各自的作用，因此具體探究不同有機碳組分，能夠更好地研究土壤有機碳質(zhì)量，從而為改善土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分等提供有益參考（張英英等，2017）。活性有機碳是土壤有機碳中最為活躍的那一部分碳，能夠充分被微生物吸收利用，同時能夠改善土壤結(jié)構(gòu)、提升植物養(yǎng)分供給，對促進植物的生長具有顯著的作用，因此，研究土壤活性有機碳有助于更好地研究土壤結(jié)構(gòu)、增強植物養(yǎng)分供給，反映有機碳的抗氧化程度和利用難易程度（張忠啟等，2015；廖丹等，2015）。

隨著工業(yè)化的迅猛發(fā)展和人類活動的加劇，各類含氮化合物（氮肥、汽車尾氣等）被大量排放，尤其是煤等礦物質(zhì)燃燒產(chǎn)生了大量碳氮化合物，大氣氮沉降問題日益突出，已成為全球性問題（劉彩霞等，2015）。中國已然成為全球第三大氮沉降危險區(qū)（李德軍等，2015；王晶苑等，2013）。就全球而言，氮沉降已然成為整個生態(tài)系統(tǒng)面臨的生態(tài)現(xiàn)象，氮沉降量的增加為森林的生態(tài)循環(huán)帶來了新的挑戰(zhàn)（張煒等，2015）。長期的高氮輸入顯著提升了土壤的礦化速度，加劇土壤的酸化，進而帶來土壤板結(jié)、養(yǎng)分不足等問題，不利于植物的生長發(fā)育（樊后保等，2007；段洪浪等，2009；陳浩等，2012；方華等，2015）。當前，國內(nèi)外有關(guān)氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)影響的研究已經(jīng)引起了足夠大的關(guān)注，這對于碳循環(huán)的研究具有重要的意義（陳美領(lǐng)等，2016）。例如，Magnani et al.（2007）認為南方和北方的土壤具有較為顯著差異的碳含量，但這種差異能夠較好地通過氮沉降進行相應(yīng)的解釋。國內(nèi)學(xué)者樊后保等（2015）通過對福建國有林場進行長期的觀測研究分析發(fā)現(xiàn)，氮沉降對杉木Cunninghamia lanceolata林生態(tài)循環(huán)具有重要的影響作用。莫江明等（2004）將鼎湖山的馬尾松Pinus massoniana及混交林作為研究對象，探究氮沉降在森林生態(tài)循環(huán)中的主要影響效果，并對其影響機理進行了分析。然而，在眾多的研究中，對于深入到氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳組分的研究尚不多見，而碳組分，特別是土壤活性有機碳，只要發(fā)生微小的變化，就可對森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)產(chǎn)生重要作用，因此，深入探究氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳組分的研究對于研究生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要意義。

大氣氮素以無機態(tài)和有機態(tài)形式發(fā)生沉降，二者分別占總氮沉降量的70%和30%左右（方運霆等，2004）。其中，無機氮素形態(tài)主要以硝態(tài)氮和銨態(tài)氮為主，而有機氮沉降形態(tài)主要為尿素和氨基酸（李德軍等，2003）。有研究表明，與無機氮相比，施用有機氮其生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境受到的干擾相對較?。ɡ畹萝姷?，2003）。此外，與礦化、硝化作用一樣，氮施加引起的反硝化作用的影響與施加氮的類型有關(guān)，尿素比其他氮肥更容易刺激反硝化作用的發(fā)生，可能是因為：（1）尿素促進硝化作用而提供了硝酸鹽源；（2）尿素提高了土壤pH值；（3）尿素水解使含碳化合物向可溶性方向轉(zhuǎn)換，進而為反硝化菌提供能量源。另一方面，礦質(zhì)氮肥施加和隨后的鹽度增加可能引起滲透脅迫而抑制異養(yǎng)微生物的活動（王暉等，2008；吳迪等，2015）。

四川的高山針葉林作為長江重要的生態(tài)屏障之一，在上世紀中葉，遭受了大量采伐，雖然后續(xù)也種植了大量的人工林，但因其過度采伐，超過了生態(tài)承受能力，導(dǎo)致大面積自然林消失。其中人工林以大面積的粗枝云杉Picea asperata為主，形成了較為單一的樹種結(jié)構(gòu)，物種多樣性水平低下，其土壤肥力遠不如原始林（龐學(xué)勇等，2003）。目前多從地上部分對川西地區(qū)針葉林開展相應(yīng)的研究，對土壤的研究也多從養(yǎng)分方面開展，而有關(guān)氮沉降對土壤有機碳組分的影響尚不多見。結(jié)合華南地區(qū)前人關(guān)于氮沉降的研究，本研究采用尿素進行氮沉降模擬，研究氮沉降對川西針葉林土壤有機碳組分的影響，以期為該區(qū)土壤優(yōu)化和林業(yè)資源管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本實驗區(qū)位于四川阿壩地區(qū)的米亞羅鎮(zhèn)（31°11'～31°47'N，102°35'～103°31'E），屬于岷江上游，因其地形地貌和氣候特殊，形成了較為獨特的山地季風(fēng)氣候，四季分明。冬天雖然較為寒冷，但日照時間較充足；全年降雨集中在夏季，年均降雨量近800 mm。該地區(qū)海拔高達3300 m，坡度約為23°，平均氣溫約為 9 ℃。該地區(qū)的原生樹種主要是岷江云杉 Picea asperata，屬于亞高山針葉林，生長在2400 m以上地區(qū)，上世紀50年代以后原始森林被大量采伐，故而形成了懸鉤子 Rubus crataegifolius及箭竹Pseudosasa japonica等灌叢，后進行了粗枝云杉的人工種植。本研究于2015年7月開展了相應(yīng)的底值調(diào)查，具體結(jié)果如表1所示。

模擬氮沉降實驗即以人工噴氮的方式對未來的氮沉降趨勢進行模擬。本研究參照前人類似研究設(shè)計（Fenn et al.，1998），按氮施用量的高低，設(shè)置4種處理，采用隨機區(qū)組設(shè)計，從低到高分別標記為 N0（0 kg·hm-2·a-1，對照），N1（60 kg·hm-2·a-1），N2（120 kg·hm-2·a-1），N3（240 kg·hm-2·a-1），每種處理重復(fù)3次（樣地面積為100 m×100 m），樣地之間留10 m寬的緩沖帶。2015年12月建立樣地后，于2016年1月開始進行模擬氮沉降處理，每月月初以溶液的形式將氮素噴灑于樣地地面。按照處理水平的要求，將尿素[CO(NH2)2]溶解在20 L水中，以背式噴霧器在林地人工來回均勻噴灑。對照樣地噴施等量水，以減少因處理之間的差異。

表1 各樣地的主要林分特征Table 1 The characteristics of the sampling sites

1.2 土壤樣品采集

于2017年9月中旬，對4種樣地進行取樣，每個樣地內(nèi)隨機設(shè)置5個采樣點，每個采樣點間距在10 m以上，每個采樣點重復(fù)取5個土壤樣品作為平行，5個平行樣品之間間隔2 m，為了保證取樣的一致性，所取樣的土壤坡度均小于5°。采用四分法留取1 kg左右土樣，取樣深度為0～20 cm混合土樣（除去表層的枯落物層）；所取樣品分為兩部分，一部分鮮土現(xiàn)場過2 mm篩后于4 ℃保溫冰箱中保存用于測定土壤微生物量，另一部分帶回實驗室風(fēng)干后去除雜質(zhì)后對其養(yǎng)分和有效養(yǎng)分進行測定。在取樣點附近挖取剖面測定土壤容重（環(huán)刀法，g·cm-3），并計算土壤總孔隙度（%）。

1.3 土壤樣品測定

土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分含量的測定：土壤容重（BD）采用烘干法，計算土壤孔隙度（TPO）；機械組成采用激光粒度分析儀測定；pH采用電極電位法（1∶2.5土水比）測定；土壤有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；土壤全氮（TN）采用全自動凱氏定氮法測定；土壤全磷（TP）采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；有效磷（AP）采用 NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；全鉀（TK）和有效鉀（AK）采用火焰分光光度法測定（鮑士旦，2000）。

土壤有機碳組分的分離：將土壤研磨過 0.25 mm篩，60 ℃水浴鍋蒸干，然后60 ℃烘干12 h，冷卻，稱重。易氧化有機碳（EOC）采用 K2MnO4氧化-比色法測定（張俊華等，2010）；顆粒有機碳（POC）采用濕篩法測定（黃雪夏等，2007）；輕質(zhì)有機碳（LFOC）采用浮選法測定（楊君瓏等，2017）；水溶性有機碳（WSOC）采用TOC分析儀測定（Phoenix 8000，Teledyne Tekmar公司，美國）（曾婷婷等，2016）；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸提取法測定（SMBC），熏蒸和未熏蒸處理的碳含量之差，再乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)K（EC）即可得到生物量碳，即BC=2.64EC（吳金水，2006）。

1.4 統(tǒng)計分析

利用Excel 2003和SPSS 18.00軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（One-way ANOVA），采用鄧肯新復(fù)檢驗法進行差異顯著性檢驗。所有數(shù)據(jù)測定結(jié)果以平均值±標準誤的形式表達。通徑分析（Path Analysis）用于研究自變量（土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分）和因變量（土壤有機碳組分）之間的相互關(guān)系、作用方式。通過通徑分析，能夠找出自變量對因變量影響的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)。為了進一步研究在氮添加模式下土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分對土壤有機碳組分的影響，于SPSS軟件中對土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分進行通徑分析，明確其對有機碳組分的貢獻程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮沉降對土壤粒徑組成及理化性質(zhì)的影響

表2反映了氮沉降對人工林土壤機械組成及理化性質(zhì)的影響，其中1～0.05 mm土壤所占比例范圍為18.25%～21.79%，平均值為19.89%，基本表現(xiàn)為：N3>N2>N1>N0，其中N3>N2差異不顯著（P>0.05），顯著高于N0（P<0.05）；0.05～0.002 mm土壤所占比例范圍為 54.60%～56.86%，基本表現(xiàn)為：N3>N2>N1>N0，其中 N3和 N2差異不顯著（P>0.05），二者顯著高于 N1和 N0（P<0.05）；<0.002 mm土壤所占比例范圍為21.35%～26.98%，基本表現(xiàn)為：N3>N2>N1>N0，其中N0和N1差異不顯著（P>0.05），二者顯著高于 N2 和 N3（P<0.05）。BD變化范圍在1.03～1.26 g·cm-3之間，隨N處理水平的增加而降低，其中N0和N1顯著高于N2和N3（P<0.05），而N2和N3差異不顯著（P>0.05）；TPO與BD變化趨勢相反，隨N處理水平的增加而增加，其中N0、N1和N2差異均不顯著，三者顯著低于 N3（P<0.05）；土壤 pH值變化范圍在6.58～7.02之間，隨 N處理水平的增加而降低，其中N1和N2顯著高于N3和N4（P<0.05）。

表2 氮沉降對土壤粒徑組成及理化性質(zhì)的影響Table 2 Effects of simulated nitrogen deposition on soil mechanical composition and physico-chemical properties in Picea asperata plantation in Sichuan

2.2 氮沉降對土壤養(yǎng)分含量的影響

由表3可知，在N添加基礎(chǔ)上，土壤養(yǎng)分（除了 TP）和有效養(yǎng)分均呈現(xiàn)出一致性規(guī)律，隨著 N處理水平的增加而增加。土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)變化范圍為 12.56～16.78 g·kg-1，平均值為 15.51 g·kg-1，其中N2和N3差異不顯著（P>0.05），N0和N1差異不顯著（P>0.05），N2和N3顯著高于N0和N1（P<0.05）；TN 變化范圍為 0.98～1.67 g·kg-1，平均值為 1.29 g·kg-1，不同 N 處理下差異均顯著（P<0.05）；TK 變化范圍為 15.23～29.78 mg·kg-1，平均值為21.26 mg·kg-1，其中N1和N0差異不顯著（P>0.05），二者顯著低于 N2和 N3（P<0.05）；AP變化范圍為20.08～39.78 mg·kg-1，平均值為26.94 mg·kg-1，不同 N 處理下差異均顯著（P<0.05）；AK變化范圍為75.23～91.07 mg·kg-1，平均值為8.22 mg·kg-1，其中 N1和 N0差異不顯著（P>0.05），N3顯著高于N1和N0（P<0.05）。

2.3 氮沉降對土壤有機碳組分的影響

氮沉降對土壤活性、輕組和顆粒有機碳含量的影響見表4，由表可知，EOC、POC、LFOC、WSOC和SMBC明顯受氮沉降的影響。EOC、POC、LFOC、WSOC均呈現(xiàn)出一致性規(guī)律，隨N處理水平的增加而增加。EOC變化范圍為1.26～1.69 mg·kg-1，平均值為 1.46 g·kg-1，其中 N0和 N1差異不顯著（P>0.05），二者顯著低于 N2和 N3（P<0.05）；POC變化范圍為1.42～1.72 mg·kg-1，平均值為1.54 mg·kg-1，其中 N0和 N1差異不顯著（P>0.05），二者顯著低于N2和N3（P<0.05）；LFOC變化范圍為 1.32～2.23 mg·kg-1，平均值為 1.80 mg·kg-1，不同處理下差異均顯著（P<0.05）；WSOC變化范圍為 6.98～12.56 mg·kg-1，平均值為 9.37 mg·kg-1，其中N0和N1差異不顯著（P>0.05），二者顯著低于N2和N3（P<0.05）；SMBC變化范圍為69.85～197.46 mg·kg-1，平均值為 120.70 mg·kg-1，不同處理下差異均顯著（P<0.05）。

2.4 土壤活性碳與總有機碳的比例關(guān)系

易氧化有機碳分配比例是指其占土壤有機碳含量的多少，可用于表征土壤有機碳的穩(wěn)定性，比例越高，說明土壤碳穩(wěn)定性越差。由表 5可知，EOC/SOC比例變化范圍為10.03%～13.46%，變異系數(shù)范圍在8.56%～12.47%之間，基本表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0，其中N1和N0差異不顯著（P>0.05），二者顯著低于N3和N2（P<0.05），說明氮沉降對土壤EOC/SOC有顯著影響。土壤微生物量碳占有機碳的百分比稱為微生物熵。微生物熵的變化反映了土壤中輸入的有機質(zhì)向微生物量碳的轉(zhuǎn)化效率、土壤中碳損失和土壤礦物對有機質(zhì)的固定。土壤SMBC/SOC比例變化范圍在0.56%～1.57%，基本表現(xiàn)為 N3>N2>N1>N0，其中不同處理間的 SMBC/SOC比例差異均顯著（P<0.05）。

表3 氮沉降對土壤養(yǎng)分含量的影響Table 3 Effects of simulated nitrogen deposition on soil nutrients in Picea asperata plantation in Sichuan

表4 氮沉降對土壤碳組分的影響Table 4 Effects of simulated nitrogen deposition on soil organic carbon fractions in Picea asperata plantation in Sichuan

表5 EOC/SOC和SMBC/SOC比例Table 5 Effects of simulated nitrogen deposition on the ratio of EOC/SOC and SMBC/SOC

2.5 土壤有機碳組分與土壤環(huán)境因子的通徑分析

表6和表7反映了環(huán)境因子對土壤EOC、POC、LFOC、WSOC和SMBC影響的通徑系數(shù)。由表6可知，1～0.05 mm粒徑和TPO對土壤有機碳組分產(chǎn)生直接效應(yīng)；<0.002 mm和pH對土壤有機碳組分產(chǎn)生間接效應(yīng)；土壤理化性質(zhì)對土壤有機碳組分產(chǎn)生的總效應(yīng)值具體表現(xiàn)為 1～0.05 mm>pH>TPO=(<0.002) mm>BD>0.05～0.002 mm。

表7反映了土壤養(yǎng)分對土壤有機碳組分影響的通徑系數(shù)。不同養(yǎng)分對土壤有機碳組分產(chǎn)生直接和間接負作用，SOC、TN和 AK對土壤有機碳組分產(chǎn)生直接效應(yīng)；TK和AP對土壤有機碳組分產(chǎn)生間接效應(yīng)；總效應(yīng)值大小依次為 SOC>TN>AK>TK>TP>AP。

3 討論

本研究中氮沉降對土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分的影響并不一致，土壤孔隙度與其容重具有相反變化趨勢，土壤pH隨著N濃度的增加而降低，與此同時，氮沉降增加了土壤養(yǎng)分含量，對TP沒有明顯的影響，氮沉降通過降低土壤pH值，增大土壤孔隙度，促進了土壤微生物代謝活動，使養(yǎng)分增加，進而促進了土壤有機碳的分解（鄔建紅等，2015；陳志杰等，2016）。Schuur et al.（2015）研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物在土壤有機碳的分解中起著重要的作用，尤其是微生物的數(shù)量及活性。本研究中，SOC、TN和pH對POC的直接作用最大，pH值的降低導(dǎo)致有機碳各組分的增加。由此可知，在氮沉降處理下，pH值的降低和孔隙度的增加，加速了微生物的代謝活動，氮沉降在一定程度上促進了SOC的增加，有利于土壤有機碳的累積。

有研究發(fā)現(xiàn)，高濃度N并沒有抑制土壤微生物量碳，在正常水平下，土壤微生物量碳呈現(xiàn)增長的變化趨勢，當濃度較低氮進入土壤后微生物能夠及時將之消化吸收，但是短時間內(nèi)如果高濃度氮進入土壤，則很容易導(dǎo)致微生物數(shù)量下降，多余的氮難以被及時消化吸收，很可能以 NO3-的方式形成淋溶，最終導(dǎo)致土壤酸化，酸化使Al3+等有毒離子釋放從而形成鋁毒，制約微生物的生長及活動（許凱等，2014）。長時間的氮輸入很容易導(dǎo)致微生物量碳減少，且氮影響生物量分配，制約著土壤的理化特性，土壤生物量下降和土壤酸化問題也將更加明顯，對地下微生物新陳代謝等活動形成顯著抑制作用。一定量的碳氮進入土壤將為微生物提供更為充足的可吸收碳氮，從而有利于微生物的新陳代謝等活動（林偉等，2016）。龍鳳玲等（2014）研究發(fā)現(xiàn)，對于多數(shù)人工林而言，一般處于氮限制的狀態(tài)，當?shù)拗凭徑鈺r，植物會為地上部分分配更多的碳，地下微生物量會發(fā)生相應(yīng)的下降。就人工林生態(tài)系統(tǒng)而言，微生物群落具有相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，能夠更好地應(yīng)對氮素沉降，在氮沉降過程中能夠發(fā)生較為明顯的固氮作用。

表6 土壤有機碳組分與土壤理化性質(zhì)的通徑分析Table 6 Pathway analysis between soil organic carbon fractions and soil physico-chemical properties

表7 土壤有機碳組分與土壤養(yǎng)分的通徑分析Table 7 Pathway analysis between soil organic carbon fractions and soil nutrients

大量研究發(fā)現(xiàn)，枯枝落葉及生物殘體等一定量的腐殖質(zhì)分解能夠顯著促進土壤有機碳的積累，提高土壤肥力（張建華等，2017）。本研究中，N輸入增加了枯枝落葉等凋落物，為微生物提供了更多的能量，從而釋放更多的可溶性有機碳，另外，微生物數(shù)量的增多也能夠促進腐殖質(zhì)的分解速度和質(zhì)量，提升土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)；此外，根的活動加速，根系分泌速度顯著加快，能夠產(chǎn)生更多的有機碳（游成銘等，2016）。例如，全權(quán)等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，氮沉降能夠?qū)ν寥滥举|(zhì)素的分解形成抑制作用，進而提升土壤有機碳含量。馬芬等（2015）認為，氮沉降能夠?qū)扇苄苑宇愇镔|(zhì)積累起促進作用，也能夠促進可溶性碳的增加。經(jīng)過長時間的氮輸入發(fā)現(xiàn)，有機碳的淋溶會相應(yīng)加快，含量降低。通徑分析結(jié)果表明，土壤有機碳組分的影響因素具有多樣性，其中1～0.05 mm粒徑和TPO能夠?qū)χa(chǎn)生直接的作用，而0.002 mm以下粒徑及pH間接影響有機碳組分；土壤養(yǎng)分對有機碳組分產(chǎn)生的是負向影響，且SOC、TN、AK能夠產(chǎn)生直接負作用，TK、AP則產(chǎn)生間接的負向影響。因此，氮沉降能夠促進云杉人工林有機碳組分的穩(wěn)定性，對有機碳積累具有促進作用。

4 結(jié)論

（1）氮沉降對土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分的影響較為明顯，隨著氮濃度的增加，土壤總孔隙度（TPO）和土壤容重（BD）呈相反的變化趨勢，土壤養(yǎng)分（有機碳SOC、全氮TN、全鉀TK、有效磷AP和有效鉀AK）隨著N濃度的增加而增加，說明氮沉降對土壤養(yǎng)分起到了一定的促進作用。然而，長期的氮沉降是否仍然對土壤養(yǎng)分起促進作用，還需要后續(xù)試驗進行驗證。

（2）土壤易氧化有機碳（EOC）、顆粒有機碳（POC）、輕組有機碳（LFOC）、水溶性有機碳（WSOC）、微生物量碳（SMBC）、EOC/SOC比例和微生物熵（MBC/SOC）均隨N濃度的增加而增加。通徑分析表明，SOC、TN和 AK對土壤有機碳組分產(chǎn)生直接效應(yīng)，TK和AP對土壤有機碳組分產(chǎn)生間接效應(yīng)，說明氮沉降能夠促進云杉人工林有機碳組分的穩(wěn)定性，有效養(yǎng)分對有機碳積累貢獻更大，其機理還有待進一步研究。

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