郝龍飛,王慶成,劉婷巖

1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,呼和浩特 010019 2 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,哈爾濱 150040

氮是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中最為復(fù)雜的元素之一,對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義[1]。氮沉降向森林生態(tài)系統(tǒng)中輸入了大量的活性氮,已對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)過(guò)程產(chǎn)生了巨大的影響[2],預(yù)計(jì)到2050年其影響程度將繼續(xù)增加50%—100%[3]。當(dāng)前氮沉降已成為國(guó)際上生態(tài)和環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,且我國(guó)也已成為僅次于歐洲和美國(guó)的第三大氮沉降區(qū)[4],根據(jù)2014年出版的關(guān)于氮沉降的研究專著中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：我國(guó)高氮沉降區(qū)集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),氮沉降量范圍為25.01—59.97 kg N hm-2a-1；西北地區(qū)氮沉降量范圍為1.72—10.00 kg N hm-2a-1；東北地區(qū)氮沉降量變化范圍為5.01—25.00 kg N hm-2a-1[5]。因此,我國(guó)氮沉降現(xiàn)象已非常嚴(yán)重,但目前關(guān)于氮沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)影響研究結(jié)果仍存在較大的分歧[6]。

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù),在全球碳循環(huán)過(guò)程中起著重要的作用[7]。當(dāng)前全球碳循環(huán)研究中一個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題是碳匯的分布及驅(qū)動(dòng)機(jī)制,以往研究發(fā)現(xiàn),氮沉降下土壤碳儲(chǔ)量的演變方向存在分歧,包括增加、降低或不變等3種結(jié)論[8]。大氣氮沉降輸入提高了生態(tài)系統(tǒng)中氮素有效性,直接影響林木根系生長(zhǎng)及土壤微生物群落數(shù)量和組成,進(jìn)而影響土壤碳循環(huán)[9]。土壤碳儲(chǔ)量的變化主要取決于土壤碳輸入和輸出兩個(gè)過(guò)程間的平衡,而土壤呼吸是土壤碳輸出的主要過(guò)程之一[10- 11]。研究表明,氮沉降通過(guò)改變土壤性狀,直接或間接影響自養(yǎng)呼吸[12]和異養(yǎng)呼吸[13],進(jìn)而影響林分土壤呼吸。由于土壤呼吸的影響因素較多,土壤呼吸的研究較為復(fù)雜,氮沉降對(duì)土壤呼吸影響的研究結(jié)果存在分歧。以往研究表明亞熱帶和熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中氮添加導(dǎo)致土壤呼吸平均降低了3.4%,而在溫帶森林中氮添加對(duì)土壤呼吸則無(wú)顯著影響[11]。分析其原因,可能與林分土壤初始氮含量相關(guān),大多數(shù)熱帶和亞熱帶森林為氮豐富的生態(tài)系統(tǒng),額外氮輸入使土壤氮飽和,最終導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)植被地下根系分配減少,降低自養(yǎng)呼吸[14],同時(shí)氮沉降下其森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤酸化也可能導(dǎo)致微生物受抑制,降低異養(yǎng)呼吸[15]。研究表明,我國(guó)溫帶森林土壤呼吸對(duì)氮沉降呈非線性響應(yīng),低氮促進(jìn)而高氮抑制[11]。然而,不同林分對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力也存在差異,導(dǎo)致林地氮豐富或貧瘠的閾值界定較為困難。以往研究不同森林生態(tài)系統(tǒng)處于不同氣候區(qū)[16-17],無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估不同林分土壤呼吸對(duì)氮沉降的響應(yīng)差異[10]。

本研究通過(guò)對(duì)黑龍江省東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)的白樺(Betulaplatyphylla)次生林,以及水曲柳(Fraxinusmandschurica)、紅松(Pinuskoraiensis)、長(zhǎng)白落葉松(Larixolgensis)人工林進(jìn)行2年不同水平的氮添加試驗(yàn),通過(guò)分析同一地區(qū)不同林分類型土壤呼吸及其溫、濕度敏感性對(duì)氮添加的響應(yīng)差異,旨在探討不同林分碳輸出過(guò)程對(duì)氮添加的響應(yīng)差異,最終為森林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于黑龍江省東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)尖砬溝森林培育實(shí)驗(yàn)站(127°30′—127°34′ E,45°21′—45°25′ N),海拔高度500 m左右,坡度為10°—15°,屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。該地區(qū)年均氣溫2.8 ℃,1月平均溫度 -19.6 ℃,7月平均溫度20.9 ℃。年平均降水量723 mm,年平均蒸發(fā)量1094 mm。無(wú)霜期120—140 d,≥10 ℃的積溫2526 ℃[18-19]。

表1 東北地區(qū)4種林分0—20 cm土壤基本理化性質(zhì)

表中數(shù)據(jù)為平均值(標(biāo)準(zhǔn)誤)

1.2 試驗(yàn)樣地設(shè)置

2013年5月分別在白樺次生林和水曲柳、紅松、長(zhǎng)白落葉松人工林林分中設(shè)置樣地,每個(gè)林型內(nèi)設(shè)置3塊樣地(20 m×30 m),每塊樣地間距離10 m以上。在林分樣地內(nèi)沿對(duì)角線方向設(shè)置4個(gè)5 m×5 m小樣方進(jìn)行模擬氮添加試驗(yàn)(各小樣方之間距離5 m),共4個(gè)處理,模擬氮添加梯度參照國(guó)內(nèi)外氮沉降水平[21-23]以及該地區(qū)2012年預(yù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的年濕沉降氮量進(jìn)行設(shè)定,采用NH4NO3作為供氮肥料。4個(gè)氮添加處理分別為：對(duì)照(CK,0 kg N hm-2a-1)、低氮(LN,50 kg N hm-2a-1)、中氮(MN,100 kg N hm-2a-1)和高氮(HN,150 kg N hm-2a-1)。模擬氮添加過(guò)程采用多次均勻噴灑方式進(jìn)行,多次噴灑使氮輸入更接近于大氣氮沉降過(guò)程,噴灑既可以模擬降雨過(guò)程將氮帶入土壤,同時(shí)也更為均勻。2013—2014年連續(xù)兩年,從6—10月,將每個(gè)處理的年施氮量均分為5份,每月初施肥1次。具體操作方法是,將氮肥溶于2 L水中,使用噴霧器在對(duì)應(yīng)樣地內(nèi)均勻噴灑,對(duì)照噴灑清水。噴灑操作相當(dāng)于每年增加4 mm的降雨,對(duì)于該地區(qū)降雨量來(lái)講,可以忽略其水分增加對(duì)林分產(chǎn)生的影響。所有土壤取樣以及相關(guān)指標(biāo)測(cè)定均在每次施肥操作之前進(jìn)行。

2013年5月在白樺、水曲柳、紅松、長(zhǎng)白落葉松林分中各氮添加處理樣地內(nèi)設(shè)置5 個(gè)土壤呼吸環(huán),隨機(jī)設(shè)置于氮添加樣地內(nèi)。呼吸環(huán)采用內(nèi)徑為10.2 cm,高10 cm的PVC管,將其一部分插入土壤,露出地面部分約為2 cm左右。林分中共設(shè)定240個(gè)土壤呼吸環(huán),清除呼吸環(huán)內(nèi)植被和凋落物,測(cè)定間隔期約30 d(根據(jù)天氣情況做相應(yīng)調(diào)整,以排除天氣對(duì)測(cè)定產(chǎn)生的影響),每次測(cè)定需要4 d完成。為了減小日溫度對(duì)土壤呼吸的影響,需要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成成組樣地(氮添加處理和對(duì)照)的測(cè)定。

1.3 根生物量密度測(cè)定

2014年8月在各氮添加樣地內(nèi)隨機(jī)選取6個(gè)點(diǎn),用內(nèi)徑53 mm的土鉆取0—20 cm土樣,將該土樣放入已編號(hào)的自封袋內(nèi)。樣品帶回野外實(shí)驗(yàn)站后,用流水沖洗、除去泥土和雜物,根據(jù)外形、顏色和彈性區(qū)分剔除死根后,將小于2 mm細(xì)根放入塑料袋內(nèi),低溫冷凍保存。帶回實(shí)驗(yàn)室后將樣品烘干至恒重(70 ℃),測(cè)定其生物量,然后計(jì)算氮添加處理下各林分細(xì)根生物量密度[18]。

1.4 土壤微生物量碳測(cè)定

土壤微生物量碳測(cè)定：采用氯仿熏蒸浸提法。稱取20 g新鮮土樣放于100 mL燒杯中,同時(shí)將盛有60 mL的去乙醇氯仿溶液的小燒杯一起放入真空干燥器內(nèi),在干燥器底部加入少量溫水和1 mol/L NaOH溶液。用真空泵抽真空使氯仿持續(xù)沸騰2 min。關(guān)閉閥門,將干燥器放入25℃的生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。取出氯仿及干燥器底部的堿液,再用真空泵反復(fù)抽氣,去除殘留氯仿。處理后的土樣轉(zhuǎn)入100 mL三角瓶中,加入40 mL,0.5 mol/L硫酸鉀溶液,在25℃水浴恒溫振蕩(200 r/min)30 min后過(guò)濾,同時(shí)做無(wú)氯仿熏蒸的空白試驗(yàn),再用0.45 μm濾膜抽濾,濾液用TOC自動(dòng)分析儀(luqui TOCII,Elementer,Germany)測(cè)定[24]。

1.5 土壤呼吸測(cè)定

放置PVC呼吸環(huán)后,于2013、2014年5—10月,采用LI—6400土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)(6400-09)對(duì)土壤呼吸速率進(jìn)行測(cè)定。土壤呼吸速率于每月月初選擇晴朗天氣進(jìn)行測(cè)定,3—5次循環(huán)的平均值為1個(gè)測(cè)定點(diǎn)的呼吸值。測(cè)定土壤呼吸速率同時(shí),除去表層腐殖質(zhì),用數(shù)字瞬時(shí)溫度計(jì)(11025, Delta TRAK, Inc., USA)測(cè)定土壤(5 cm、10 cm)溫度,用土壤水分速測(cè)儀(TDR- 300, Spectrum Technologies, Inc., USA)測(cè)定土壤(5 cm、10 cm)濕度。

各月土壤呼吸測(cè)定后,所得數(shù)據(jù)為每個(gè)測(cè)定點(diǎn)在不同時(shí)段的土壤呼吸速率值。土壤呼吸速率與土壤溫度的單因素指數(shù)模型為Rs=aebT,式中Rs為土壤呼吸速率(μmol m-2s-1),T為土壤溫度(℃),a、b為系數(shù)。Q10值計(jì)算方法為：Q10=e10b,式中b是土壤呼吸與溫度單因素指數(shù)曲線模型Rs=aebT中的溫度反應(yīng)常數(shù)。土壤呼吸速率與土壤濕度的單因素線性模型為Rs=kW+c式中W為土壤體積含水量,c、k為系數(shù)[25]。

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)通過(guò)Excel(Microsoft 2013, USA)整理,采用SPSS 18.0 (SPSS Inc., USA)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用Sigmaplot 10.0(SYSTAT Software Inc, USA)作圖。數(shù)據(jù)采用單因素(氮添加處理)方差分析,同時(shí)進(jìn)行Duncan和LSD方差顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加處理對(duì)根生物量密度、土壤微生物量碳的影響

氮添加處理顯著影響4種林分根生物量密度。與CK相比,LN處理下白樺、長(zhǎng)白落葉松、紅松林分中根生物量密度呈增加的趨勢(shì),水曲柳林呈下降的趨勢(shì),但均未達(dá)到顯著水平；MN處理除白樺林分外,均顯著降低了其他林分根生物量密度；HN處理顯著降低了所有林分根生物量密度(表2)。不同林分土壤微生物量碳濃度隨氮添加量遞增均呈先增加后降低的趨勢(shì)。與CK相比,LN處理均顯著提高了各林分土壤微生物量碳濃度；MN處理顯著提高了水曲柳和長(zhǎng)白落葉松林土壤微生物量碳濃度,其他林分差異不顯著；HN處理僅顯著提高了水曲柳林土壤微生物量碳濃度,其他林分均不顯著(表2)。

2.2 氮添加處理對(duì)土壤呼吸的影響

不同林分年平均土壤呼吸速率均隨氮添加量遞增呈先上升后下降的趨勢(shì)。2013年除紅松林分外,氮添加處理對(duì)其他3種林分土壤呼吸速率無(wú)顯著影響(圖1)。2014年,與CK相比,LN處理顯著提高針葉林(紅松和長(zhǎng)白落葉松)土壤呼吸速率；MN處理與CK相比,長(zhǎng)白落葉松林土壤呼吸速率顯著降低；各林分HN處理土壤呼吸速率均顯著低于LN處理。白樺林土壤呼吸速率HN處理較LN處理顯著降低了20.63%(P<0.05)；水曲柳林土壤呼吸速率HN處理較LN和MM處理分別降低了31.35%(P<0.05)、32.01%(P<0.05)；紅松林土壤呼吸速率CK、MN 和HN處理較LN處理分別降低了11.39%(P<0.05)、17.08%(P<0.05)、19.93%(P<0.05)；長(zhǎng)白落葉松林土壤呼吸速率LN處理較CK增加了9.53%(P<0.05),MN和HN處理較CK分別降低了12.54%(P<0.05)、18.13%(P<0.05)(圖1)。

表2 氮添加對(duì)4種林分根生物量密度、土壤微生物量碳濃度的影響

表中數(shù)據(jù)為平均值(標(biāo)準(zhǔn)誤)。不同字母表示同一林分不同處理間差異顯著(P<0.05)

圖1 氮添加對(duì)4種林分2013、2014年平均土壤呼吸速率的影響Fig.1 Effects of nitrogen addition on average soil respiration rate of four forest stands in 2013, 2014Bp: 白樺(B. platyphylla); Fm: 水曲柳 (F. mandschurica); Pk: 紅松 (P. koraiensis); Lo: 長(zhǎng)白落葉松(L. olgensis); CK: 對(duì)照(Contrast)；LN: 低氮處理(Low Nitrogen)；MN: 中氮處理(medium Nitrogen)；HN: 高氮處理(High Nitrogen)

2.3 氮添加處理下土壤呼吸與根生物量和微生物量相關(guān)性分析

土壤呼吸與根生物量和微生物量之間的Pearson相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),氮添加處理下4種林分中細(xì)根生物量密度與土壤呼吸速率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),而微生物量碳濃度與土壤呼吸速率無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)(表3)。

表3 氮添加處理下土壤呼吸速率與根生物量密度和微生物量碳濃度相關(guān)性分析

Table 3 Pearson′s correlation test among soil respiration rate and root biomass density, and microbial biomass C concentration after N addition

指標(biāo)Indexes土壤呼吸速率Soil respiration rate/(μmol m-2 s-1)指標(biāo)Indexes土壤呼吸速率Soil respiration rate/(μmol m-2 s-1)微生物量碳濃度 Microbial biomass C concentration/(mg/kg)0.20根生物量密度 Root biomass density/(g/m2)0.81??

**. 表示顯著水平為0.01

2.4 氮添加處理下土壤呼吸與土壤溫度和濕度的相關(guān)性分析

氮添加處理下,4種林分中土壤呼吸速率與土壤溫度的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平(P<0.01)(表4)。5 cm處土壤呼吸Q10值均低于10 cm處土壤呼吸Q10值。5 cm、10 cm處土壤呼吸Q10值均在LN處理下最大,從高到低順序均為L(zhǎng)N>CK>MN>HN。5 cm處LN處理下土壤呼吸Q10值較CK提高了2.65%,MN和HN處理下土壤呼吸Q10值較CK分別降低了2.98%,6.29%。10 cm處LN處理下土壤呼吸Q10值較CK提高了3.12%,MN和HN處理下土壤呼吸Q10值較CK分別降低了4.16%,5.46%(表4)。氮添加處理下,4種林分中土壤呼吸速率與土壤濕度的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)(表5)。

表4 氮添加對(duì)土壤呼吸與土壤溫度敏感性系數(shù)的影響

表5 氮添加對(duì)土壤呼吸與土壤濕度間相關(guān)系數(shù)的影響

3 討論

土壤呼吸是地下碳循環(huán)的主要指示因子[26]。通過(guò)比較2013、2014年平均土壤呼吸速率變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)2013年氮添加處理對(duì)土壤呼吸的影響較弱(圖1),原因可能為生態(tài)系統(tǒng)中根系及微生物對(duì)氮添加的響應(yīng)存在滯后現(xiàn)象,因此,本研究主要針對(duì)2014年土壤呼吸對(duì)氮添加的響應(yīng)展開(kāi)討論。與CK相比,LN處理顯著提高了針葉林土壤呼吸,而闊葉林無(wú)顯著影響(圖1)。以往研究表明,低氮處理促進(jìn)根生物量增加[11],但不同林分根生物量對(duì)氮添加的響應(yīng)存在差異(表2)；同時(shí)氮添加下針葉林較闊葉林土壤酸化程度可能更為明顯,導(dǎo)致其異養(yǎng)呼吸的響應(yīng)程度也存在差異[27]。本研究發(fā)現(xiàn)闊葉林較針葉林根生物量密度較大(表2),導(dǎo)致闊葉林分對(duì)氮添加的響應(yīng)程度更為敏感,可能低于LN處理時(shí)森林土壤呼吸速率才會(huì)出現(xiàn)顯著增加的作用[28]。以往研究也發(fā)現(xiàn),林分根生物量密度對(duì)異養(yǎng)呼吸存在強(qiáng)烈影響[29],因?yàn)橹参锔岛臀⑸镏g對(duì)碳源的利用存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[30]。根生物量密度較大林分,氮添加處理會(huì)提高根凋落物碳輸入(表2),增加微生物的可能碳源,導(dǎo)致氮添加對(duì)根生物量密度較大林分異養(yǎng)呼吸速率抑制作用減弱。4個(gè)林分中HN處理下土壤呼吸速率均顯著低于LN處理(圖1),表明高氮處理抑制土壤呼吸。原因可能是高氮處理下林分遵循生長(zhǎng)策略規(guī)律減少根生物量分配,根呼吸降低；同時(shí)高氮處理下土壤酸化嚴(yán)重,抑制微生物活性明顯,異養(yǎng)呼吸下降[11]。綜合以上結(jié)果可以得出氮添加對(duì)土壤呼吸的影響取決于根呼吸和異養(yǎng)呼吸二者的平衡作用。然而本研究中通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)氮添加下土壤呼吸速率與林分細(xì)根生物量密度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與微生物量碳濃度無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系(表3),表明短期氮添加處理主要通過(guò)影響根系生長(zhǎng)及分配,進(jìn)而影響土壤呼吸。

在全球變化背景條件下,了解全球變化中(如氣候變暖及降雨分配變化等)協(xié)同作用對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響有重要的意義[6,31]。氮添加對(duì)土壤呼吸的溫、濕度敏感性的影響可以評(píng)價(jià)溫、濕度和氮添加對(duì)土壤呼吸協(xié)同效應(yīng)。本研究發(fā)現(xiàn),氮添加處理對(duì)土壤呼吸與濕度相關(guān)性無(wú)顯著影響,表明氮添加處理和土壤濕度協(xié)同效應(yīng)較弱。然而,4種林分中5 cm、10 cm處土壤呼吸Q10值均在LN處理下達(dá)到最大,從高到低順序均為L(zhǎng)N>CK>MN>HN(表4),表明低氮處理提高了土壤溫度敏感性,高氮處理降低了土壤溫度敏感性。導(dǎo)致以上結(jié)果的原因可能是,低氮處理對(duì)林分根生物量密度有促進(jìn)作用,同時(shí)顯著提高了土壤微生物量(表2),微生物量增加可以增加土壤呼吸溫度敏感性[32]。高氮處理下土壤微生物量增量降低(表2),而其微生物活性下降[11],同時(shí)顯著降低了土壤根生物量密度(表2),進(jìn)而導(dǎo)致了土壤呼吸溫度敏感性降低。由此可以推測(cè)低氮添加下,隨全球變暖土壤碳釋放速率可能會(huì)相應(yīng)增加,進(jìn)而可能導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量下降,使大氣中溫室氣體進(jìn)一步增加,加速全球碳循環(huán)。

4 結(jié)論

白樺、水曲柳、紅松和長(zhǎng)白落葉松4種林分土壤呼吸速率對(duì)氮添加的響應(yīng)存在差異。闊葉林(白樺和水曲柳)土壤呼吸速率較針葉林(紅松和長(zhǎng)白落葉松)更易受氮添加的影響。林分根生物量密度影響土壤呼吸對(duì)短期氮添加響應(yīng)程度。