王睿照，毛沂新，張慧東，顏廷武，魏文俊，朱 健，黃 夏

(遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110032)

隨著全球工業(yè)化的發(fā)展，人類活動(dòng)改變了氮素的存在形態(tài)，具有生物活性的還原態(tài)氮?dú)浠衔锖秃趸镲@著增加，引起了大氣氮沉降格局的改變，目前中國(guó)已成為世界上活性氮產(chǎn)生和排放量最大的國(guó)家。元素限制模型認(rèn)為氮(N)和磷(P)是限制植物生長(zhǎng)的重要元素。普遍觀點(diǎn)認(rèn)為暖溫帶和寒溫帶等中高緯度區(qū)域樹木生長(zhǎng)主要受氮限制，熱帶和亞熱帶樹木生長(zhǎng)受磷限制[1]。在氮受限的生態(tài)系統(tǒng)中，增加有效氮供應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致生物量生產(chǎn)的增加，促進(jìn)樹木生長(zhǎng)。不同氮沉降速率對(duì)樹木生長(zhǎng)的影響也不盡相同。有研究指出，長(zhǎng)期持續(xù)氮添加水平超過(guò)10 kg·hm-2·a-1時(shí)降低生物多樣性，使植物物種數(shù)量減少17%[2]。也有研究認(rèn)為，氮沉降速率高于25 kg·hm-2·a-1時(shí)，植物生長(zhǎng)會(huì)受抑制[3]。歐洲開展的氮飽和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，大氣氮沉降的增加對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，造成植物組織中元素比例的不平衡[4]，系統(tǒng)養(yǎng)分平衡失調(diào)，土壤酸化，削弱植物對(duì)于暴雨、干旱等極端天氣以及病原體等環(huán)境脅迫的抗性。

長(zhǎng)白落葉松Larixolgensis生長(zhǎng)速度快、材質(zhì)好，是我國(guó)東北地區(qū)主要的人工用材樹種之一。本文以長(zhǎng)白落葉松人工林為研究對(duì)象，通過(guò)連續(xù)5年的野外模擬氮沉降試驗(yàn)，研究添加銨態(tài)氮肥和硝態(tài)氮肥兩種形式及不同氮添加水平對(duì)落葉松人工林生長(zhǎng)特征的影響，為長(zhǎng)白落葉松人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于遼寧省西豐縣冰砬山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)站，地處124°45′～125°15′E，42°20′～42°40′N，屬長(zhǎng)白山系余脈，平均海拔500～600 m。屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫5.2℃，年均降水量684.8 mm，年均蒸發(fā)量1 379.8 mm，無(wú)霜期133 d。土壤以暗棕色森林土為主，其次為棕色森林土。原生植被闊葉紅松林已被破壞殆盡，現(xiàn)存植被多為天然次生林和人工林，天然次生林以蒙古櫟林和雜木林居多，人工林多為長(zhǎng)白落葉松、紅松Pinuskoraiensis、油松P.tabulaeformis和樟子松P.sylvestrisvar.mongolica等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以長(zhǎng)白落葉松人工純林為研究對(duì)象，該林班為20世紀(jì)80年代退耕還林后營(yíng)造的落葉松人工林，林齡40 a，郁閉度0.8，平均胸徑17.4 cm，樹高15 m。根據(jù)沈陽(yáng)地區(qū)總無(wú)機(jī)氮沉降量的研究結(jié)果[5]，設(shè)置銨態(tài)氮肥(NH4)2SO4和硝態(tài)氮肥NaNO3兩種氮添加形式，共設(shè)7個(gè)氮添加水平，即低銨態(tài)氮(20 kg N·hm-2·a-1)、中銨態(tài)氮(40 kg N·hm-2·a-1)、高銨態(tài)氮(80 kg N·hm-2·a-1)、低硝態(tài)氮(20 kg N·hm-2·a-1)、中硝態(tài)氮(40 kg N·hm-2·a-1)、高硝態(tài)氮(80 kg N·hm-2·a-1)和對(duì)照(CK，0 kg N·hm-2·a-1)，每個(gè)樣方7 m×10 m，樣方之間留10 m緩沖帶，防止互相干擾。

自2015年5月，于每月月初將相應(yīng)數(shù)量的(NH4)2SO4和NaNO3溶于10 L水中(相當(dāng)于增加0.1 mm降雨量)，用背式噴霧器分別均勻噴灑于不同試驗(yàn)區(qū)，對(duì)照樣方內(nèi)均勻噴灑等量的水。于2015年試驗(yàn)開始前、2017年10月(施肥2年)和2019年10月(施肥5年)對(duì)7塊處理樣地進(jìn)行每木檢尺，記錄每株樹木胸徑(DBH，樹高1.3 m處)。

1.3 葉片和土壤樣品采集與測(cè)定

2016年8月和2017年8月獲取各處理樣方內(nèi)的落葉松針葉，分別選取向陽(yáng)、林冠層1/3處的當(dāng)年生健康新葉，帶回實(shí)驗(yàn)室后洗凈裝入信封，80 ℃恒溫烘48 h至恒質(zhì)量。烘干后的針葉樣品用粉碎機(jī)磨碎過(guò)100目網(wǎng)篩，用于葉片的全N和有機(jī)碳含量測(cè)定。

2017年8月和2019年8月在每個(gè)處理樣地內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，采集表層土壤(0～20 cm)，風(fēng)干磨成粉末，過(guò)100目篩網(wǎng)后，用于土壤中全N和有機(jī)碳含量測(cè)定。土壤和針葉的全氮和有機(jī)碳含量采用元素分析儀(ElementarVario MACRO CUBE，Germany)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用單因素方差分析研究不同氮添加處理對(duì)碳氮元素含量以及胸徑年生長(zhǎng)速率等指標(biāo)的差異性，利用LSD對(duì)不同處理之間的差異性進(jìn)行多重比較，利用成對(duì)比較(Paired Samples T-test)分析實(shí)驗(yàn)前期和后期土壤碳氮含量之間的差異性，利用線性回歸方程檢驗(yàn)碳氮元素與樹木年生長(zhǎng)速率之間的相關(guān)性。采用Origin 2018軟件作圖，SPSS 18.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對(duì)落葉松人工林土壤碳氮含量的變化

添加銨態(tài)氮肥和添加硝態(tài)氮肥對(duì)土壤表層全氮和有機(jī)碳含量的影響略有不同。隨著銨態(tài)氮肥添加量增加，表層土壤全氮含量和有機(jī)碳含量呈先降低后升高的趨勢(shì)(圖1)。高銨態(tài)氮肥添加處理的土壤全氮含量顯著高于中銨態(tài)氮肥處理(P<0.05)；高于低銨態(tài)氮肥和對(duì)照，但差異并不顯著。隨著硝態(tài)氮肥添加量增加，表層土壤全氮和有機(jī)碳含量均隨之升高，但處理間差異不顯著。銨態(tài)氮肥和硝態(tài)氮肥均能夠提高土壤表層的全氮和有機(jī)碳含量。

注：圖中不同小寫字母間表示同一年度在0.05水平差異顯著，下圖同。圖1 氮添加對(duì)落葉松人工林土壤全氮、有機(jī)碳含量的影響

2.2 氮添加對(duì)落葉松針葉碳氮含量的變化

如圖2所示，落葉松針葉的有機(jī)碳含量對(duì)氮添加的響應(yīng)并不明顯，7個(gè)處理間無(wú)顯著差異。落葉松針葉全氮含量隨著氮添加量增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，高銨態(tài)氮肥和高硝態(tài)氮肥處理的針葉全氮含量均高于其他處理(P<0.05)，這與高銨態(tài)氮肥和高硝態(tài)氮肥處理土壤表層中全氮含量的增加相互呼應(yīng)。

圖2 氮添加對(duì)落葉松針葉全氮(TN)、有機(jī)碳(C)含量的影響

2.3 氮添加對(duì)落葉松人工林生長(zhǎng)的影響

從圖3可以看出，氮添加對(duì)落葉松人工林的胸徑生長(zhǎng)具有抑制作用。試驗(yàn)5年，添加銨態(tài)氮肥和添加硝態(tài)氮肥的落葉松人工林年生長(zhǎng)速率均低于對(duì)照處理。隨著銨態(tài)氮肥添加量增加，中銨態(tài)氮肥和高銨態(tài)氮肥處理的年生長(zhǎng)速率均顯著低于對(duì)照(P<0.05)，年生長(zhǎng)速率分別是對(duì)照的70.9%和63.3%。添加硝態(tài)氮肥和添加銨態(tài)氮肥呈現(xiàn)出完全相反的趨勢(shì)。隨著硝態(tài)氮肥添加量的增加，落葉松人工林胸徑年生長(zhǎng)速率隨之上升，中硝態(tài)氮肥和高硝態(tài)氮肥處理的胸徑年生長(zhǎng)速率均顯著高于低硝氮處理(P<0.05)。

注：不同小寫字母代表試驗(yàn)前期不同處理間差異性顯著(P<0.05)。

進(jìn)一步研究顯示，高硝態(tài)氮肥處理的土壤全氮含量和有機(jī)碳含量與落葉松人工林胸徑年生長(zhǎng)速率均具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；低銨態(tài)氮肥處理的針葉有機(jī)碳含量與胸徑年生長(zhǎng)速率具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。此外，對(duì)土壤表層的總氮和有機(jī)碳含量與落葉松針葉中的總氮和有機(jī)碳含量進(jìn)行相關(guān)分析，未見(jiàn)顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。

3 討論與結(jié)論

銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是植物從土壤中吸收有效氮的兩種主要存在形式[6]。本試驗(yàn)分別添加這兩種形式的氮肥，探討對(duì)落葉松人工林土壤特征及胸徑生長(zhǎng)的影響。隨著氮添加時(shí)間增加，高銨態(tài)氮肥處理的土壤全氮和有機(jī)碳含量后期均高于前期，顯示出較長(zhǎng)時(shí)間高濃度銨態(tài)氮添加對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素有一定的積累作用，這也證明了土壤中的銨態(tài)氮比硝態(tài)氮有更好的固持效果[7]。以往的研究顯示，當(dāng)土壤中礦質(zhì)元素含量增加時(shí)，植物體內(nèi)相應(yīng)的礦質(zhì)元素含量也會(huì)隨之增加[8]。本研究結(jié)果與之一致。添加銨態(tài)氮肥和添加硝態(tài)氮肥兩種形式均對(duì)落葉松針葉的全氮含量具有促進(jìn)作用，與高銨態(tài)氮肥和高硝態(tài)氮肥處理的土壤表層中全氮含量的增加相互呼應(yīng)。

氮沉降對(duì)植物生長(zhǎng)的影響與所處森林生態(tài)系統(tǒng)中的氮素飽和程度具有密切的關(guān)系。較多研究表明，氮添加試驗(yàn)前期氮沉降在一定的程度上增加了森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，而到了試驗(yàn)后期氮添加對(duì)生產(chǎn)力具有抑制作用，顯示了由于氮素大量添加導(dǎo)致氮素過(guò)飽和從而對(duì)林木生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響[8]。本試驗(yàn)中，該林分經(jīng)過(guò)5年氮添加對(duì)落葉松的胸徑生長(zhǎng)有抑制作用，氮添加處理的落葉松人工林胸徑的年生長(zhǎng)速率均低于對(duì)照處理。添加銨態(tài)氮肥和添加硝態(tài)氮肥對(duì)落葉松生長(zhǎng)的影響并不相同，添加銨態(tài)氮肥加劇了落葉松人工林胸徑年生長(zhǎng)速率的降低，添加硝態(tài)氮肥對(duì)胸徑年生長(zhǎng)速率有一定的促進(jìn)作用。氮沉降會(huì)導(dǎo)致土壤酸化以及鋁離子的增加，限制植物對(duì)磷素的吸收，從而破壞植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素化學(xué)計(jì)量耦合關(guān)系的平衡，抑制植物的生長(zhǎng)[9]。由于本試驗(yàn)并未開展針葉磷元素含量的相關(guān)研究，氮添加對(duì)落葉松人工林生長(zhǎng)的影響還需進(jìn)一步研究。