張揚(yáng) 裴亞蒙 任昊曄

摘要：? 以凈月潭國(guó)家森林公園興安落葉松林為研究對(duì)象，以NH4NO3為原料模擬4個(gè)強(qiáng)度的氮沉降，分析土壤總有機(jī)碳（TOC）、易氧化有機(jī)碳（ROC）、溶解性有機(jī)碳（DOC）和微生物量碳（MBC）的動(dòng)態(tài)變化。研究結(jié)果表明：低氮沉降量（L，50 kg N yr-1 ha-1）提高了TOC、ROC、DOC和MBC濃度，但除MBC外均未達(dá)到顯著性水平;中氮沉降量（M，100 kg N yr-1 ha-1）提高了TOC和DOC濃度，降低了ROC和MBC濃度;高氮沉降量（H，150 kg N yr-1 ha-1）提高了ROC和MBC濃度，降低了TOC和DOC濃度。

關(guān)鍵詞：? 氮沉降;? 興安落葉松林;? 土壤有機(jī)碳

中圖分類號(hào)：? ?S 714. 8， S 791. 222? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001 - 9499（2019）03 - 0022 - 04

由于燃燒化石燃料和施用氮肥等人類活動(dòng)，大氣中活性氮的含量不斷增加[ 1 ， 2 ]，并通過(guò)氮沉降進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)[ 3 ]，打破了原本相對(duì)封閉的氮循環(huán)過(guò)程，對(duì)生產(chǎn)力、生物質(zhì)分配和碳循環(huán)等過(guò)程產(chǎn)生了深刻影響[ 4 ， 5 ]。生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)存在耦合關(guān)系，氮供給狀況對(duì)植物的物質(zhì)生產(chǎn)、分配、循環(huán)等過(guò)程具有重要作用，并通過(guò)凋落物分解、細(xì)根周轉(zhuǎn)和土壤呼吸等影響土壤碳庫(kù)的積累。土壤碳庫(kù)是森林碳庫(kù)重要組成部分，容量是植被碳庫(kù)的2～3倍，是大氣碳庫(kù)的2倍，其微小變化將對(duì)全球碳循環(huán)乃至氣候變化產(chǎn)生影響[ 6 ]。土壤碳庫(kù)包括了不同的有機(jī)碳組分，各組分具有不同的循環(huán)特點(diǎn)，對(duì)氮沉降的響應(yīng)存在差異[ 7 ]。由于土壤碳庫(kù)積累過(guò)程比較復(fù)雜，對(duì)于氮沉降的作用目前沒有一致性結(jié)論，尤其對(duì)于TOC、ROC、DOC和MBC等活性碳組分的比較研究還很少。本文通過(guò)模擬氮沉降環(huán)境，分析興安落葉松林土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化情況，有助于準(zhǔn)確了解氮沉降對(duì)長(zhǎng)白山地區(qū)興安落葉松林生態(tài)系統(tǒng)的影響。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于長(zhǎng)春市凈月潭國(guó)家森林公園（43°46′57″N，125°28′15″E），該地區(qū)屬長(zhǎng)白山余脈的低山丘陵地帶，海拔220～406 m。屬溫帶半干旱與半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候的過(guò)渡性氣候區(qū)，年平均氣溫4.7 ℃，平均最高氣溫28.3 ℃，平均最低氣溫-22.4 ℃，平均相對(duì)濕度69%，年平均降水量645.3 mm。土壤主要為白漿化暗棕壤，厚度15～50 cm。該地區(qū)優(yōu)勢(shì)樹種為興安落葉松（Larix gmelinii）、樟子松（Pinus sylvestris var. mongholica）、油松（Pinus tabuliformis）、紅松（Pinus koraiensis）等。

2 試驗(yàn)材料與方法

2. 1 試驗(yàn)材料

主要試驗(yàn)材料包括：土鉆、自封袋、保溫箱、土壤刀、NH4NO3、氯仿、噴霧器、2 mm篩、0.25 mm篩，TOC自動(dòng)分析儀（luqui TOCII，Elementer，Germany）。

2. 2 試驗(yàn)方法

2. 2. 1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在凈月潭國(guó)家森林公園中，隨機(jī)設(shè)置3塊標(biāo)準(zhǔn)地（20 m×30 m），樣地之間距離至少8 m，每個(gè)樣地內(nèi)沿對(duì)角線方向設(shè)置4個(gè)小樣方（5 m×5 m）進(jìn)行氮沉降模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，包括低氮沉降量（L，50 kg N yr-1 ha-1）、中氮沉降量（M，100 kg N yr-1 ha-1）、高氮沉降量（H，150 kg N yr-1 ha-1）和對(duì)照處理（CK）。氮源選用NH4NO3，將每個(gè)處理的年施氮量均分成6份，自2017年4月開始，每月初將其溶于2L水中，采用噴霧器對(duì)林下土壤均勻噴施，對(duì)照處理噴灑等量的水。

2. 2. 2 土壤采集和處理

2017年5～10月，采集土壤樣品，在每塊氮沉降處理樣地內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，清除地表凋落物，使用土鉆取0～20 cm土樣，將各采樣點(diǎn)樣品混勻，篩除土壤中的動(dòng)植物殘?bào)w，裝入自封袋，標(biāo)記并放入保溫箱低溫保存。土樣帶回試驗(yàn)室后，新鮮土樣過(guò)2 mm篩，測(cè)定MBC和DOC濃度，MBC測(cè)定采用氯仿熏蒸浸提法[ 8 ]，DOC測(cè)定參考張甲珅的方法[ 9 ]。自然風(fēng)干土樣過(guò)0.25 mm篩，測(cè)定TOC濃度，采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定;過(guò)百目篩，測(cè)定ROC濃度，測(cè)定方法參考Garten[ 10 ]。

2. 2. 3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel整理數(shù)據(jù)，使用SPSS22.0進(jìn)行Kolmogorov-Smirnov正規(guī)性檢驗(yàn)。采用Levene進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncan檢驗(yàn)比較不同氮處理下各參數(shù)間的差異（α=0.05）[ 11 - 13 ]。使用Sigmaplot 13.0作圖，分析土壤總有機(jī)碳（TOC）、易氧化有機(jī)碳（ROC）、溶解性有機(jī)碳（DOC）和微生物量碳（MBC）等指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化情況[ 14 - 15 ]。

3 結(jié)果與分析

3. 1 氮沉降對(duì)土壤有機(jī)碳不同組分的影響

由氮沉降對(duì)土壤有機(jī)碳不同組分的影響（表1）可以看出，相對(duì)于CK，L處理分別提高TOC、ROC、DOC和MBC濃度為8.72%（p>0.05）、6.47%（p>0.05）、18.11%（p>0.05）、44.16%（p<0.05）;M處理分別提高了TOC和DOC濃度7.94%（p>0.05）、4.62%（p<0.05），分別降低了ROC和MBC濃度7.41%（p>0.05）、13.46%（p>0.05）;H處理分別提高了ROC和MBC濃度15.66%（p>0.05）、10.66%（p>0.05），分別降低了TOC和DOC濃度5.38%（p>0.05）、14.32%（p<0.05）。

3. 2 氮沉降對(duì)TOC濃度的影響

由模擬氮沉降條件下TOC濃度月動(dòng)態(tài)（圖1）可以看出，在4種模擬氮沉降處理下，興安落葉松林TOC濃度呈先下降再升高趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在5月（87.05 g·kg-1），最小值出現(xiàn)在8月（67.42 g·kg-1），除了這兩個(gè)月外，其他各月無(wú)顯著性差異。在L處理下，TOC濃度各月無(wú)顯著差異，5～9月的各月TOC濃度均與CK存在顯著性差異，分別提高了10.56%、10.98%、10.79%、14.20%和7.41%。在M處理下，8月TOC濃度顯著低于5、6月，較CK分別提高了15.14%、14.75%、11.60%、12.80%和7.64%，10月無(wú)顯著性差異。在H處理下，TOC濃度各月間無(wú)顯著性差異，9月較CK降低了12.29%。

3. 3 氮沉降對(duì)ROC濃度的影響

由模擬氮沉降條件下ROC濃度月動(dòng)態(tài)（圖2）可以看出，在4種模擬氮沉降處理下，興安落葉松林ROC濃度在5～10月呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，各月間無(wú)顯著性差異，最大值出現(xiàn)在5月（17.27 g·kg-1），最小值出現(xiàn)在7月（10.40 g·kg-1）。在L處理下，ROC濃度在7～9月顯著高于CK，分別提高了32.04%、18.82%和12.30%，其余月份無(wú)顯著差異。在M處理下，ROC濃度變化較復(fù)雜，除6、10月外均與CK存在顯著性差異，5月提高了14.54%，7、8、9月分別降低了16.94%、28.72%和11.44%。在H處理下，ROC濃度在5、10月無(wú)顯著性差異，6、7、8、9月分別降低了18.72%、28.93%、27.34%和40.82%。

3. 4 氮沉降對(duì)DOC濃度的影響

由模擬氮沉降條件下DOC濃度月動(dòng)態(tài)（圖3）可以看出，在4種模擬氮沉降處理下，興安落葉松林DOC濃度在5～10月呈波動(dòng)下降趨勢(shì)， 最大值出現(xiàn)在5月（89.63 mg·kg-1），最小值出現(xiàn)在10月（36.72 mg·kg-1）。在L處理下，DOC濃度除9月外均顯著高于CK，5、6、7、8、10月分別提高了19.87%、26.88%、21.53%、25.59%和38.99%。在M處理下，DOC濃度除9、10月外均顯著高于CK，5、6、7、8月分別提高了24.54%、17.58%、20.02%和22.12%。在H處理下，DOC濃度在8、10月顯著低于CK，分別降低了20.08%和22.39%，其余月份不存在顯著性差異。

3. 5 氮沉降對(duì)MBC濃度的影響

由模擬氮沉降條件下MBC濃度月動(dòng)態(tài)（圖4）可以看出，在4種模擬氮沉降處理下，興安落葉松林MBC濃度在5～10月呈波動(dòng)上升趨勢(shì)， 最大值出現(xiàn)在9月（1 170.66 mg·kg-1），最小值出現(xiàn)在5月（352.70 mg·kg-1）。在L處理下，MBC濃度與CK存在顯著性差異，5～10月分別提高了13.59%、39.43%、76.93%、70.20%、21.70%和11.40%。在M處理下，6～8月MBC濃度與CK存在顯著性差異，分別提高了19.75%、32.53%和32.32%，5、9、10月不存在顯著性差異。在H處理下，5～8月MBC濃度與CK存在顯著性差異，分別提高了20.09%、17.68%、26.90%和26.37%，9、10月不存在顯著性差異。

4 結(jié) 論

試驗(yàn)結(jié)果表明，低氮沉降量（L）提高了TOC、ROC、DOC和MBC濃度，但除MBC外未達(dá)到顯著性水平;中氮沉降量（M）提高了TOC和DOC濃度的同時(shí)降低了ROC和MBC濃度;高氮沉降量（H）提高了ROC和MBC濃度的同時(shí)，降低了TOC和DOC濃度;中氮和高氮沉降量下，DOC濃度降低達(dá)到了顯著水平。這說(shuō)明，在長(zhǎng)白山興安落葉松林土壤環(huán)境中，低、高氮環(huán)境可提高ROC水平，中氮環(huán)境可降低ROC水平。低、中氮環(huán)境可提高DOC水平，高氮環(huán)境可降低DOC水平。高、中、低氮環(huán)境均可提高M(jìn)BC，其中，低氮環(huán)境的提高效果較為顯著。本研究分析了氮沉降對(duì)興安落葉松土壤不同組分有機(jī)碳庫(kù)的短期影響，但由于氮沉降對(duì)土壤有機(jī)碳的影響機(jī)制較為復(fù)雜，要解釋這種變化的原因需要進(jìn)一步定量研究，以對(duì)氮沉降的影響做出更具體的判斷。

參考文獻(xiàn)

[1] Galloway， J.N.， F.J. Dentener， D.G. Capone， et al.， NitrogenCycles： Past， Present， and Future[J]. Biogeochemistry， 2004， 70（2）： 153 - 226.

[2] Davidson， E.A.， The contribution of manure and fertilizer nitrogen to atmospheric nitrous oxide since 1860[J]. Nature Geoscience， 2009， 2（4）： 659 - 662.

[3] Vitousek， P.M.， P. Stephen， B.Z. Houlton， et al.， Terrestrialphosphorus limitation： mechanisms， implications， and nitrogen-phosphorus interactions[J]. Ecological Applications， 2010， 20（1）： 5 - 15.

[4] Peter， H.G.， Environmental science： nitrogen impacts on forestcarbon[J]. Nature， 2007， 447（7146）： 781 - 782.

[5] Bedison， J.E. and B.E. Mcneil， Is the growth of temperate forest trees enhanced along an ambient nitrogen deposition gradient[J]. Ecology， 2009， 90（7）： 1 736 - 1 742.

[6] 沈芳芳，? 袁穎紅，? 樊后保，? 等.? 氮沉降對(duì)杉木人工林土壤有機(jī)碳礦化和土壤酶活性的影響[J].? 生態(tài)學(xué)報(bào)，? 2012（2）：? 517 - 527.

[7] 劉建才，? 陳金玲，? 金光澤.? 模擬氮沉降對(duì)典型闊葉紅松林土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分的影響[J].? 植物研究，? 2014（1）：? 121 - 130.

[8] 汪金松，? 趙秀海，? 張春雨.? 模擬氮沉降對(duì)油松林土壤有機(jī)碳和全氮的影響[J].? 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，? 2016（10）：? 88 - 94.

[9] 張甲珅，? 陶澍，? 曹軍.? 土壤中水溶性有機(jī)碳測(cè)定中的樣品保存與前處理方法[J].? 土壤通報(bào)，? 2000，? 31（4）：? 174 - 176.

[10] Garten C T， Post W M， Hanson P J， et al. Forest soil carbon inventories and dynamics along an elevation gradient in the southern Appalachian Mountains[J]. Biogeochemistry， 1999， 45（2）： 115 - 145.

[11] 王晶苑，? 張心昱，? 溫學(xué)發(fā).? 氮沉降對(duì)森林土壤有機(jī)質(zhì)和凋落物分解的影響及其微生物學(xué)機(jī)制[J].? 生態(tài)學(xué)報(bào)，? 2013， 33（5）： 1 337 - 1 346.

[12] 張江勇，? 王娓，? 曾輝.? 樟子松人工林細(xì)根生產(chǎn)、周轉(zhuǎn)和碳?xì)w還對(duì)施氮的響應(yīng)[J].? 北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），? 2018（04）： 828 - 838.

[13] 陳平，? 趙博，? 閆子超.? 太岳山油松人工林土壤呼吸對(duì)模擬氮沉降的短期響應(yīng)[J].? 生態(tài)學(xué)報(bào)，? 2018（22）：? 1 - 6 + 8 - 9.

[14] 樊后保，? 袁穎紅，? 王強(qiáng).? 氮沉降對(duì)杉木人工林土壤有機(jī)碳和全氮的影響[J].? 福建林學(xué)院學(xué)報(bào)，? 2007（1）： 1 - 6.

[15] 姚旭，? 景航，? 梁楚濤.? 人工油松林表層土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量對(duì)短期氮添加的響應(yīng)[J].? 生態(tài)學(xué)報(bào)，? 2017，? 37（20）： 6 724 - 6 731.

（責(zé)任編輯：? ?王 巖）