黃日昌，高學(xué)通，崔 洋，牛繼強(qiáng)

（1.信陽師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，河南信陽 464000；2.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南開封 475004；3.黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南開封 475004）

世界發(fā)達(dá)地區(qū)氮沉降日趨嚴(yán)重［1］，受氮沉降影響的區(qū)域逐步擴(kuò)大，氮沉降逐漸成為全球性問題［2-3］，中國現(xiàn)已成為第三大氮沉降集中區(qū).氮沉降即氮素通過沉降到達(dá)土壤表層的過程［4］，能對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能造成極大影響［5］.可溶性碳是森林土壤中較為活躍的部分，易受氮沉降影響.可溶性碳分為可溶性有機(jī)碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）與可溶性無機(jī)碳（Dissolved Inorganic Carbon，DIC），其中土壤DOC含量占比較高，相關(guān)研究也較多.土壤DOC的主要成分包括氨基酸、有機(jī)酸、糖等有機(jī)物質(zhì)，來源于植物凋落物、土壤表層的有機(jī)質(zhì)、根系分泌物和微生物生物量［6-7］，在陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)中有重要作用.土壤DOC具有高活性、轉(zhuǎn)移速度快、穩(wěn)定性差、易礦化的特點(diǎn)［8］.影響土壤DOC含量的因素有植物凋落物的數(shù)量和組成、土壤pH值、環(huán)境溫度、土壤水分等［9］.目前已有大量有關(guān)氮沉降與森林土壤DOC的研究，但研究結(jié)果間差異較大.有的研究認(rèn)為，土壤增氮能促進(jìn)碳的生產(chǎn)、固定和淋溶，進(jìn)而增加土壤DOC含量［10-12］.但也有研究認(rèn)為土壤增氮將降低土壤DOC含量［13］或含量的變化無統(tǒng)計(jì)意義［14］.如Boissier等［15］研究發(fā)現(xiàn)人工模擬氮沉降對(duì)森林土壤DOC含量的影響是先下降，后逐漸平穩(wěn).此外，也有研究表明在不同森林中土壤DOC對(duì)氮沉降的響應(yīng)不同［16］.因此，需進(jìn)一步研究氮沉降與土壤DOC的關(guān)系.目前有關(guān)氮沉降與林冠過濾作用的研究大多是通過直接采集雨水樣本來監(jiān)測(cè)穿過林冠的氮沉降［17-18］，而通過土壤指標(biāo)反映氮沉降對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)影響的研究較少.位于河南省信陽市雞公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的林冠模擬氮沉降野外試驗(yàn)平臺(tái)克服了林下施氮的局限，可進(jìn)行林冠施氮模擬，能夠更準(zhǔn)確地模擬大氣氮沉降的自然情況.鑒于此，本研究借助河南省信陽市雞公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的林冠模擬氮沉降野外試驗(yàn)平臺(tái)，通過對(duì)比林冠施氮與林下施氮樣地中土壤可溶性碳含量來研究林冠對(duì)大氣氮沉降的過濾作用，同時(shí)分析了氮素輸入對(duì)雞公山落葉闊葉混交林內(nèi)土壤可溶性碳的影響.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省信陽市雞公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)（114°05′E，31°46′N）的林冠模擬氮沉降野外試驗(yàn)平臺(tái)的面積為2917 hm2，全區(qū)相對(duì)高度差約為450 m，溝谷切深約為350 m，大部分山坡坡度大于30°.該地的氣候?yàn)榧撅L(fēng)氣候和山地氣候，年均氣溫為15.2℃，年均降水量為1 118.7 mm，相對(duì)濕度在69%～89%之間，空氣干燥度為0.84，日照百分率為47%.土壤以黃棕壤、黃褐土為主，pH值在5～6之間.林齡約為50年，冠層高度約為25 m，林冠郁閉度約為90%［11］.植被地帶性表現(xiàn)出由北亞熱帶常綠落葉闊葉林地帶向暖溫帶落葉闊葉林地帶過渡的特征.大氣降水中氮沉降量約為19.68 kg·hm-2·a-1（監(jiān)測(cè)于2010年8月—2011年7月）.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

如圖1所示，在考慮了坡向、坡度、植被等引起誤差的因素后，使用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)設(shè)置了4個(gè)區(qū)組.每個(gè)區(qū)組中均設(shè)置5種處理，分別為對(duì)照處理組（CK，無氮）、林冠低氮處理組（CAN25，25 kg·hm-2·a-1）、林冠高氮處理組（CAN50，50 kg·hm-2·a-1）、林下低氮處理組（UAN25，25 kg·hm-2·a-1）、林下高氮處理組（UAN50，50 kg·hm-2·a-1），5種處理組在每個(gè)區(qū)組中的位置隨機(jī).添加的氮素為NH4NO3（化學(xué)純）.為防止因噴灑水量不同而導(dǎo)致誤差，對(duì)照處理組中噴灑的水的體積同林下施氮處理組中噴灑的溶液體積一致.林冠施氮處理組中，將每個(gè)樣方所需的NH4NO3溶于水中，通過河南省信陽市雞公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)林冠模擬氮沉降野外試驗(yàn)平臺(tái)中的變頻調(diào)速恒壓噴灌設(shè)備在林冠層執(zhí)行均勻噴灑.溶液濃度根據(jù)各個(gè)處理組的水平（高氮或低氮）和樣方面積單獨(dú)計(jì)算，效果相當(dāng)于2 mm降雨量.為避免因太陽光直射或太過強(qiáng)烈造成處理溶液蒸發(fā)速度過快而導(dǎo)致的高濃度氮灼傷植物葉面，要在無風(fēng)或風(fēng)速小于1 m·s-1的條件下進(jìn)行噴灑，噴灑時(shí)間選擇在早晨或傍晚，并精確控制噴灑范圍.林下施氮處理組中，在樣方內(nèi)均勻安置五個(gè)直連供水管的搖臂式噴射點(diǎn)進(jìn)行覆蓋式噴灑，為了防止因增加降水量而導(dǎo)致地球化學(xué)循環(huán)變化的影響，每次噴灑溶液的效果相當(dāng)于增加0.1 mm降水量，噴灑工具為背式電動(dòng)噴霧器，在樣方內(nèi)均勻噴灑.

圖1 雞公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)林冠模擬氮沉降野外試驗(yàn)平臺(tái)樣地分布Fig.1 Sample plot distribution of simulated nitrogen deposition field test platform in Jigongshan National Nature Reserve

1.3 測(cè)定方法

稱取10 g新鮮土樣，挑去可見的根系，過篩（孔徑2 mm），放入離心管中，加入25 mL的蒸餾水，在250 r·min-1轉(zhuǎn)速的震蕩機(jī)中震蕩1 h，保證可溶性碳充分溶解于蒸餾水中.震蕩后在4000 r·min-1轉(zhuǎn)速的離心機(jī)中離心20 min，上層清液經(jīng)定性濾紙過濾后得到土壤浸提液.由于浸提液內(nèi)土壤DOC含量過高，故需將其稀釋4倍后在紫外分光光度計(jì)中檢測(cè)稀釋液在254 nm波長處的吸光度值（UVA254）.吸取5 mL浸提液與45 mL蒸餾水混合搖勻，使用Elementar德國元素varioTOC分析儀檢測(cè)稀釋液中可溶性碳的含量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

視4個(gè)區(qū)組為4個(gè)重復(fù)，將數(shù)據(jù)以5種不同處理區(qū)分，每種處理下有16條數(shù)據(jù)記錄.使用一元線性回歸分析，確定土壤DOC含量和土壤浸提液在254 nm波長處的吸光度值的相關(guān)性.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤DOC含量與土壤浸提液UVA254的相關(guān)性分析

已有研究證明土壤浸提液UVA254與土壤DOC含量之間具有相關(guān)性，可根據(jù)土壤浸提液UVA254的值來估算土壤DOC的含量［19-20］.將5個(gè)處理組的土壤DOC含量分別與其對(duì)應(yīng)的土壤浸提液UVA254作一元線性回歸模型，兩者的相關(guān)性分析結(jié)果如圖2所示.由圖2可知，土壤DOC含量與土壤浸提液UVA254總體呈正相關(guān)關(guān)系，并且P值較低，置信程度較高，故實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果能有效反映氮沉降模擬中土壤DOC含量的變化，但二者的相關(guān)度達(dá)不到強(qiáng)相關(guān)水平，所以不能只依靠這一個(gè)指標(biāo)來確定土壤DOC的含量.

圖2 不同處理組中土壤DOC含量與土壤浸提液UVA254的相關(guān)性Fig.2 Correlation of soil DOC content and UVA254 of soil extraction in different treatment groups

2.2 模擬氮沉降對(duì)土壤DOC含量的影響

人工增氮對(duì)表層土壤DOC含量產(chǎn)生了一定的影響.不同處理組的土壤可溶性總碳（TC）與土壤DOC的含量如圖3所示.CAN25處理組和CAN50處理組的土壤DOC含量分別為157.86 mg·kg-1、164.69 mg·kg-1，與CK處理組的土壤DOC含量（168.10 mg·kg-1）相比分別下降了6.1%、2.0%.UAN25處理組的土壤DOC含量為169.47 mg·kg-1，與CK處理組相比差異不顯著.UAN50處理組的土壤DOC含量為195.22 mg·kg-1，與其余各個(gè)處理組差異顯著，其中與CK處理組相比上升了16.1%，與CAN50處理組相比上升了18.5%.各處理組中土壤TC含量的變化趨勢(shì)與土壤DOC含量的變化趨勢(shì)相似.

對(duì)比林冠處理組與林下處理組發(fā)現(xiàn)，林下處理組中土壤DOC含量均明顯高于林冠處理組，這可能是因?yàn)榱窒绿幚斫M受模擬氮沉降的影響更顯著；與CAN25處理組相比，CAN50處理組的土壤DOC含量上升了4.33%；與UAN25處理組相比，UAN50處理組的土壤DOC含量上升了15.19%，這表明無論是林冠處理組還是林下處理組，模擬氮沉降中氮素濃度加倍后，土壤DOC含量均會(huì)上升，并且當(dāng)?shù)貪舛壬仙罅止谔幚斫M與林下處理組的土壤DOC含量的差異更明顯.綜上可知，人工添加氮素會(huì)使土壤DOC含量先降低后升高，林冠能有效過濾大氣氮沉降，減少森林土壤接收到的氮素量.

圖4 不同處理組中土壤DIC的含量Fig.4 Soil DIC content in different treatment groups

2.3 模擬氮沉降對(duì)土壤DIC含量的影響

不同處理組的土壤DIC含量如圖4所示.由圖4可知，施氮處理組的土壤DIC含量均顯著低于CK處理組，說明人工增氮對(duì)土壤DIC含量產(chǎn)生了顯著影響.其中，CAN25處理組、CAN50處理組與UAN25處理組的土壤DIC含量差異較小.CAN25處理組、CAN50處理組與UAN25處理組的土壤DIC含量與CK處理組相比分別下降了12.8%、10.4%、13.4%.UAN50處理組的土壤DIC含量為15.26 mg·kg-1，明顯低于其他處理組，且與CK處理組相比下降了21.9%.以上結(jié)果表明氮沉降會(huì)引起土壤DIC含量的減少，其主要原因在于氮添加改變了土壤pH值，促使土壤DIC轉(zhuǎn)化為CO2.林下處理組對(duì)土壤DIC含量的影響較大，林冠處理組對(duì)土壤DIC含量的影響則并不明顯，這表明林冠對(duì)大氣氮沉降有過濾作用，可降低氮沉降對(duì)土壤DIC的影響.

3 結(jié)論與討論

目前有關(guān)土壤DOC含量對(duì)氮沉降的響應(yīng)有上升、下降和無顯著變化［13］3種結(jié)論.本研究結(jié)果則與氮沉降會(huì)引起土壤DOC含量下降這一結(jié)論一致.另外，施加氮素含量加倍后，林冠處理組與林下處理組的土壤DOC含量均會(huì)增加，其中林下處理組中土壤DOC含量的增加量顯著高于林冠處理組，原因可能在于高濃度氮素可促進(jìn)微生物對(duì)顆粒有機(jī)碳（如新近凋落物、土壤腐殖質(zhì)）的分解，從而導(dǎo)致土壤DOC含量上升.

土壤DIC含量易受溫度、土壤pH值、含水量等條件的影響.河南省信陽市雞公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的林冠模擬氮沉降野外試驗(yàn)平臺(tái)的模擬氮沉降操作未顯著改變大氣降水量，對(duì)森林土壤含水量影響較低，故可忽略含水量對(duì)土壤DIC含量的影響.與CK處理組相比，施氮處理組的土壤DIC含量均顯著降低，可能是因?yàn)橥寥繢IC主要為CO2、碳酸、碳酸氫根和碳酸根離子，增加大氣氮沉降的濃度（通過人工噴灑硝酸銨溶液）將導(dǎo)致土壤酸化，進(jìn)而促使土壤DIC轉(zhuǎn)化為氣態(tài)CO2，最終引起土壤DIC含量減少.

根據(jù)土壤DOC和土壤DIC的含量變化可知，林冠對(duì)氮沉降的過濾作用顯著.與連續(xù)降雨過程導(dǎo)致的林冠對(duì)大氣氮沉降的富集作用不同，本研究的模擬氮沉降對(duì)樣地降水量的影響較小.雞公山地區(qū)大氣降水中氮沉降量約為19.68 kg·hm-2·a-1，額外添加兩倍于大氣降水中氮沉降量的氮素（50 kg·hm-2·a-1）后，CAN50處理組的土壤DOC含量與CAN25處理組的差異不顯著，UAN50處理組的土壤DOC含量同其他處理組的差異顯著，這表明氮素在沉降過程中受到林冠過濾作用，導(dǎo)致沉降至土壤的氮素減少，即林冠能降低氮沉降對(duì)土壤DOC含量的影響.另外，河南省信陽市雞公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)林冠模擬氮沉降野外試驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)的森林郁閉度約為90%，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可知，郁閉度較高的落葉闊葉混交林能有效降低大氣濕沉降對(duì)土壤表層的影響，進(jìn)而降低大氣氮沉降對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響.