氮添加对樟树林生长的影响

郑 威 ，闫文德，梁小翠 ，张 超 ，赵亮生

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004）

氮添加对樟树林生长的影响

郑 威1,2，闫文德1,2，梁小翠1,2，张 超1,2，赵亮生1,2

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004）

采用人工氮添加试验，研究樟树林生长对不同氮添加水平（CK，0 g·m-2a-1；低氮LN，5 g·m-2a-1；中氮MN，15 g·m-2a-1；高氮HN，30 g·m-2a-1）的响应。结果表明：施氮处理促进了樟树林的胸径生长，LN、MN和HN处理的胸径生长率分别高出CK处理5.29%、4.82%和14.10%。氮添加对树高生长的影响表现为正效应。随着氮添加水平的增加，其对树高生长率的促进作用有微弱增加，LN、MN和HN处理林分胸径生长率分别高出CK处理，7.69%、8.23%和10.66%。施氮处理能明显促进低径阶林木的生长率，但对于中径阶林木起抑制作用。施氮处理增加了土壤中有效氮含量，LN、MN和HN处理土壤中总有效氮含量分别高出对照8.47%、31.60%和28.13%。

樟树；生长率；氮添加处理；土壤有效氮含量

氮素是植物体的基本构成元素之一，在植物生理过程中有着重要作用[1]。氮素与植物光合作用密切相关，叶绿体是叶片中氮素的主要归宿[2]，Rubisco等与光合作用相关蛋白质的合成也与氮素供应相关[3]。因此，可假定施氮可增加氮素缺乏生态系统的光合作用，从而增加森林生物量。

热带、亚热带地区是全球碳储量的主要集中地区。在中纬度及高纬度生态系统中，已有研究表明氮有效性能直接控制陆地碳摄取和流失[4]，但在低纬度的生态系统中相关研究较少。亚热带森林生态系统中，净初级生产力NPP的营养调节规律可能与温带生态系统不一致。因为许多低纬度热带森林岩石发育成熟，含有相对丰富的N元素，而中纬、高纬地区森林表现为氮素缺乏[5]。

我国亚热带地区面积广大、森林多样性高，是我国陆地碳循环的重要组成部分。中南地区亚热带森林氮沉降非常严重，许多森林已超过欧洲森林氮饱和临界值（25 kg·hm-2a-1）[6]。额外的氮输入会给生态系统带来多种负面影响，对森林生态系统的碳平衡造成影响[7]。

本研究采用人工施氮实验设计，研究氮输入升高条件下亚热带樟树林Cinnamomum camphora生长的的响应情况，研究结果有助于加深对森林生态系统碳循环的认识，为评测全球气候变化背景森林碳收支动态提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验林分是位于湖南省森林植物园的樟树人工林（113°02′E，28°06′N），营造于 1979 ～ 1982年间，后经自然更新而成。林分平均胸径(DBH)为14.9 cm，平均树高12.6 m，郁闭度0.9。该地区属亚热带湿润季风气候, 年平均温度17.2 ℃，1月平均温度最低，为4.7 ℃；7月平均温度最高，达29.4 ℃；无霜期270～300 d，年平均日照时数1 677.1 h；年平均降水量1 422 mm。

该地为典型红壤丘陵区，海拔100 m左右，坡度在5°～15°之间；土壤类型为第四纪更新世的冲积性网纹红土和砂砾。

1.2 研究方法

1.2.1 试验方案

根据同类试验的氮添加水平及当地的氮沉降量[8-9]，设置4个氮添加水平：CK (no N added)，LN (5 g·m-2a-1，MN (15 g·m-2a-1)，HN (30 g·m-2a-1)，2010年5月下旬进行首次施氮，添加氮素为NH4NO3。各施氮水平设置3个重复样地，大小为20 m×20 m，样地间保留10 m宽缓冲带。将每个样地需要的采用NH4NO3混合20 L自来水，采用喷雾器均匀喷洒至样地，对照样地仅施加20 L自来水。每年施氮分两次进行[11]，分别于5月、10月等量施加。

表1 樟树林的林分特征、土壤理化特性†Table 1 Stand characteristics and soil physical chemical properties in C. camphora forest

1.2.2 测试项目与方法

2010年4月份（施氮之前），对各样地所有胸径大于5cm的植物进行每木检尺，测定其胸径、树高，2012年10月份，按相同方法重复调查。将样地林木划分为8（2.5 cm～8.9 cm）、16（9 cm～16.9 cm）、24（17 cm～24.9 cm）和30（大于24.9 cm）4个径阶，以计算不同径阶林木对施氮的响应。

土壤中铵态氮、硝态氮的测定及计算见文献[10]，取样及测定时间为2011年4月份。

1.2.3 数值计算与分析

数据统计分析用SPSS13.0软件。采用单因子方差分析和Duncan多重比较检验乔木层胸径、树高生长在径阶和施氮处理间的差异。用Sigmaplot 10.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 施氮樟树林生长的影响

施氮处理前， CK、LN、MN和HN处理样地的林分平均胸径为13.31±0.31 cm、12.49±0.94 cm、12.99±0.90 cm和13.50±0.52 cm，各处理间胸径差异不显著。

图1 施氮对樟树林平均胸径的影响Fig.1 Effects of nitrogen addition treatments on average DBH of C. camphora forest

LN、MN和HN施氮处理均增加了樟树林的胸径生长，其胸径生长率分别高出CK处理5.29%、4.82%和14.10%，但各处理间胸径生长率差异不显著。氮添加对树高生长的影响表现为正效应。随着氮添加水平的增加，其对树高生长的促进有微弱增大，LN、MN和HN处理林分胸径生长率分别高出CK处理，7.69%、8.23%和10.66%，各处理差异没有达到显著水平。

2.2 不同径阶樟树林木对氮添加的响应

自然状态的对照样地中，8径阶林分拥有最高的生长速率，16径阶生长率最小。不同径阶樟树林木生长对氮沉降增加的响应有所不同(图2)。在8径阶中，施氮处理均提高了林木的生长率，LN、MN和HN处理的林木生长率分别高出CK处理9.09%、57.05%和45.37%，CK与MN、HN处理间差异显著。16径阶中，仅HN处理促进了林木的生长。在24径阶，施氮处理下林木生长要小于对照处理。在24径阶，LN和MN处理的林木生长率显著高于对照，HN处理显著小于对照。可以看出，HN处理中林木生长率随径阶的增大而减小。施氮处理对8径阶林木生长速率的促进作用最大，显著高于其他径阶。

图2 樟树林不同径阶林木生长对氮添加的响应Fig.2 Responses of mean DBH of different diameter classes in camphor forest to nitrogen addition

2.3 施氮处理下土壤中可利用氮

MN、HN施氮处理土壤中铵态氮含量高于CK组，但LN处理土壤铵态氮含量小于CK，MN处理显著高于CK处理，LN、HN处理与CK处理无显著差异。施氮处理下樟树林土壤中硝态氮含量均较对照组有所增大，趋势为随施氮浓度升高而增大，LN、MN和HN处理土壤中硝态氮显著高于CK处理。

图3 不同施肥处理下樟树林土壤中可利用氮的含量Fig. 3 Contents of soil available nitrogen in camphor stand treated with fertilization

LN、MN和HN处理土壤中总有效氮含量分 别 为 15.62±1.41 mg·kg-1、18.95±1.16 mg·kg-1和 18.45±1.36 mg·kg-1， 分 别 高 出 对 照 8.47%、31.60%和28.13%，MN、HN处理与CK处理间差异显著。

3 讨 论

经过2年的施氮，施氮促进了林木胸径的生长，且氮沉降水平越高，林木胸径生长的越快。生态系统为氮素限制类型时，施氮可以提高土壤中有效氮水平，促进林分的生长。本研究中氮添加增加了土壤中硝态氮和氨态氮的量（LN处理硝态氮除外），与樊后保等的研究结果一致[11]。氮输入能增加土壤和凋落物层中矿质氮含量，降低硝化菌、反硝化菌与植物对矿质氮的竞争，增加土壤的矿化硝化，从而增进土壤氮的有效性[12]。本研究中，施氮后土壤中有效氮含量出现增加的同时，林分生长率也有所增加，可以认为研究区樟树林属于氮限制生态系统。在其他氮添加试验中，相似氮添加水平下，林木生长量比对照处理高出16. 36%～105. 6%[13-15]。本研究中施氮处理林木生长率高出对照5.29%～14.10%，小于其他研究所得结论。原因可能在于本研究区为高氮沉降区，生态系统可能处于近氮饱和状态，外加氮源的输入仅有部分被植物所吸收利用，其他氮素可能会降雨过程而流失。

氮添加对树木的生长存在明显径阶差别。施氮能够明显提高8 cm径阶和30 cm径阶的林木生长率，对24 cm径阶的林分生长抑制作用。表明在樟树快速生长的幼树阶段，冠层增长迅速，对氮素需求较大，此时施加氮肥能够有效的提高林木的生长速率。处于16 cm和24 cm径阶的林木对氮的需求很低，无需外加氮源即可满足生长需求，此时施氮并不能提高林分生长率，反而会出现抑制作用。而30 cm径阶的林木，施以低、中浓度的氮肥，亦可有效增加其林分生长率。

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Effect of nitrogen addition on tree growth in subtropical Cinnamomum camphora forest

ZHENG Wei1,2, YAN Wen-de1,2, LIANG Xiao-cui1,2, ZHANG Chao1,2, ZHAO Liang-sheng1,2
(1. Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China)

By using a manual nitrogen addition method, the responses of growth Cinnamomum camphora forest growth to different nitrogen addition levels [CK, 0 g·m-2a-1; 5 g·m-2a-1(low nitrogen); 15 g·m-2a-1(middle nitrogen); 30 g·m-2a-1(high nitrogen)]. The results indicate that the nitrogen addition stimulated the growth of diameter at bread height(DBH), the growth rate of DBH in LN, MN and HN plots were higher than that in CK plots separately by 5.29%, 4.82% and 14.10, the nitrogen addition with different levels had the positive effects on height growth of the trees; As the increase of nitrogen addition levels, the height growth rates have small increment, the DBH growth rates of LN, MN and HN plots were higher than that of the control’s separately by 7.69%, 8.23% and10.66%, this showed that the nitrogen addition has an obvious enhancement for low diameter class trees, and had a negative effect on medium diameter class trees;the nitrogen addition treatments increased the content of available nitrogen in soil, the contents of available nitrogen in LN, MN and HN plots were higher than that in control plot by 8.47%, 31.60% and 28.13%.

Cinnamomum camphora; growth rate; nitrogen inclution treatments; contents of soil available nitrogen

S792.23

A

1673-923X(2013)04-0034-04

2012-11-28

国家“十二五”科技支撑项目（2011BAD38B0204）；教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-10-0151）；长沙市科技局项目（K1003009-61）；中南林业科技大学青年科学研究基金重点项目（QJ2010008A）

郑 威（1982-），男，河南安阳人，博士研究生，主要从事城市生态学研究

闫文德（1968-），男，甘肃武威人，教授，博导，主要从事生态学研究；E-mail：csfuywd@hotmail.com

[本文编校：吴 彬]