模拟氮沉降对杨树人工林土壤动物类群结构的影响

张铁锁，赵小龙，郭钦东，赵慧敏，谭 燕，范 换，葛之葳*，阮宏华*

(1.江苏省东台林场，江苏 盐城 224242;2.南京林业大学森林资源与环境学院，江苏 南京 210037)

氮沉降是人类面临的重大环境问题之一。北美和欧洲的部分地区，大气氮沉降的量比工业化前增加了20倍以上[1-3]。随着经济的迅猛发展，我国也出现了氮沉降水平很高的地区，1994年广东全省降雨pH年均值为4.86，较上年降低了0.07，其中铵根离子浓度比美国酸雨区高出5～10倍[4]，而该省鼎湖山地区降雨中的氮沉降达38.4 kg/(hm2·a)[5]。我国已成为全球三大氮沉降集中区之一[6-8]。氮沉降量的绝大部分最终进入土壤。评价氮沉降所造成的环境影响，需要对氮沉降下土壤动物的响应进行研究[9～10]。本研究拟在中国杨树人工林分布较为集中的江苏北部展开室外模拟氮沉降试验，并结合室内分析试验，明确不同梯度额外氮沉降对于不同龄级苏北杨树人工林土壤动物群落结构的影响规律。

1 试验区概况与研究方法

1.1 试验区概况

试验区位于江苏省盐城市境内的东台林场，其地理位置为东经120°49'，北纬32°52'。东台境内地势平坦，地面高程1.4～5.1 m，大部分地区在2.6～4.6 m之间。东台林场位于江苏省中东部，地处黄海之滨，创建于1965年，该区属亚热带和暖温带的过渡区，土壤为脱盐草甸土，土壤质地为沙质壤土，土壤偏碱性。

1.2 样地设置

1.2.1 样地选择 从试验区立地条件和经营管理措施基本一致的林分中选择不同林龄杨树(黑杨派无性系I-35)人工林分，即幼龄林(4年生)、中龄林(8年生)和成熟林(15年生)。

1.2.2 样方设置 每个林龄4个重复样方，每个样方内均匀划分为5个小样方，每个小样方25 m×30 m。样方设置按照随机区组试验设计。其中N0代表对照，不施加任何外源氮素，N1代表施加氮素5 g/(a·m2)，N2代表施加氮素10 g/(a·m2)，N3代表施加氮素15 g/(a·m2)，N4代表施加氮素30 g/(a·m2)。所施氮素为NH4NO3。

1.3 试验地处理

本试验运用模拟氮沉降的方法。于试验期间施加外源氮素处理，将氮素人工均匀撒入样地，然后均匀喷洒少量水，以便土壤对氮素的迅速吸收。

1.4 土样采集

在试验样地内，用直径40 mm土钻为主的土壤采样器，随机采集土壤原状样品——表层土(0～10 cm)，采集的土样放入自封袋封存后带回实验室。

1.5 室内试验

土壤样品带回实验室后，用改良之后的Tullgren 12土壤动物分离漏斗，分离土壤动物，收集土壤动物样本，所有样本均收集在装有酒精的广口瓶中。用胶头滴管吸取瓶内液体放入培养皿中，用光学显微镜观察，土壤动物分类鉴定参照《中国土壤动物检索图鉴》[11]。

2 结果与分析

2.1 不同龄级杨树人工林地土壤动物分布及优势种分析

结果可见图1，在幼龄林地中，甲螨亚目的土壤动物数量最多，大于其他任一类动物的5倍以上。其次是前气门亚目、盲蛛目、弹尾纲、等翅目、膜翅目及寡毛纲等，这些土壤动物类型数量较均匀，均在10头上下。

在中龄林地中，甲螨亚目的土壤动物依然数目最多，已经大于100头，是其他类土壤动物的6倍以上。而后依次是前气门亚目、寡毛纲和盲蛛目。除了螨类以外，后3类土壤动物数目也相对增多，已经与其他类型有了较为明显的区别(见图2)。

在老龄林地中，依然是甲螨亚目的土壤动物数量最多，而且数目之大十分明显。而前气门亚目的数量也有了显著增加，明显高出其他土壤动物类型，居第2位，膜翅目、齿目及缨翅目依次顺延。其中螨类、前气门类数量之大十分明显(见图3)。

由图3还可以看出，甲螨亚目的土壤动物数目最多，占土壤动物总数的57.9%，为典型的优势类群;在甲螨亚目之后为前气门亚目，属于蜱螨目，也属于优势类群。

2.2 不同氮沉降浓度土壤动物类型及数量变化趋势分析

在施氮素N1浓度时，土壤动物无论种类还是数目都达到最高值，这是由于施加氮肥之后，增大了土壤肥力，土壤环境适应了土壤动物的生活;但当浓度增加到N2时，土壤动物类群丰富度及数量都开始呈下降趋势(见图4)。这说明一定限度内的氮沉降对于土壤动物也许是有利的，但是过量的氮沉降会造成负面影响[9]，比如造成土壤酸化。

图1 幼龄林地各类土壤动物数量

图2 中龄林地各类土壤动物数量

图3 老龄林地各类土壤动物数量

同时，由图4可知，类群丰富度与数量呈正相关的关系，当土壤动物种类增多时，相应的数量也会增多。它们都呈现先升后降的趋势，由于N0是对照试验，不施加任何氮肥，因此可以说明土壤动物类型及数量均随氮沉降效应的加大而减少[10]。

由图5可见，中龄林类群数及个体数变化趋势和幼龄林比较相似。之所以都在N1浓度之后开始有下降的趋势是由于杨树人工林的性质决定的。东台杨树人工林所在地属于砂质土壤[13]，通透性强，保蓄性弱，养分含量低，气多水少，温度高而不稳，这造成了脱氮生物含量较低，因此当氮沉降浓度增大以后，没有一定数量能进行脱氮[14]的土壤动物生存，环境逐渐恶劣却无法改善，其他类型土壤动物数量也逐渐减少。

图4 幼龄林地不同氮沉降浓度梯度下土壤动物的类群数及数量

但是和幼龄林地不同的是，中龄林地土壤动物数量明显增多，氮浓度从N1增加至N2后，土壤动物数量的大幅度下降，是幼龄林的2倍。这是由于中龄林中的生物多样性会逐渐丰富，土壤动物也有了更长的生活适应时间，数量也相应增多。

图5 中龄林地不同氮沉降浓度梯度下土壤动物的类群数及数量

在老龄林中，由图6可见，土壤动物的类群丰富度依然是先升后降的趋势，土壤中施加N2和N3浓度的氮肥均使土壤动物达到了最高类群数，反映了其最适的生活环境;但在施氮浓度N1和N2的条件下，类群丰富度为上升趋势，而数量呈下降趋势，这一反常情况说明随着林龄的不断增加，土壤的性质发生了变化，土壤动物生境异质性相当大而且其本身性质也极其复杂[15]。

本研究还发现老龄林中N4浓度下土壤动物总数低于对照样地(与幼龄林与中龄林中的情况相反)，这一方面说明土壤动物和所处环境本身所具有的复杂性及易变性之外，也说明人工氮沉降打破了老龄林自然生态系统所保持的平衡，干扰了起初比较稳定的生物群落[9]。

图6 老龄林地不同氮沉降浓度梯度下土壤动物的类群数及数量

2.3 不同龄级杨树人工林地土壤动物多样性分析

幼龄林地土壤动物的物种多样性指数在不同氮沉降浓度下波动最为明显，呈先升后降、而后再升高的趋势;而中龄林地则是先升后降，老龄林地先升后趋于平缓(见图7)。这可以说明幼龄林地对于环境变化比较敏感，而中、老龄林地中长时间积累的枯枝落叶为土壤动物的繁殖提供了能量来源，再加上人为灌溉，促进了地表营养物质的转化，为土壤动物的生长繁殖创造了良好的条件，使得林中生物多样性比较稳定[16]。

在各个不同氮沉降浓度下，多样性指数基本上均是幼龄林 ＞中龄林 ＞老龄林，这是由于老龄林林木的枝叶茂密，郁闭度高，林下通风状况不良，通气状况较差造成的。同时，老龄林林木生长比较旺盛、代谢稳定，土壤从林木获得的能量物质较少。这些原因都造成了土壤动物多样性水平较低，并且个体数量少的结果。

2.4 不同氮沉降浓度对土壤甲螨分布情况的影响分析

土壤甲螨对其生活环境十分敏感，因此具有环境指示作用。当氮沉降浓度为N1时，个体数目达到最高(见图8)，说明土壤环境优良，土壤肥力较大[10]。随着氮沉降浓度的继续增大，甲螨数量在N2浓度时出现最低点，产生抑制现象，但是随后在N3，N4浓度时又回到未受干扰时的水平。土壤甲螨能分解土壤中的有机物质，改善土壤的通气情况，在维持土壤肥力中起着很大作用。这是由于甲螨通过取食或体表携带微生物和植物有机质，可以使这些微生物在土壤中扩大分布、有机质的表面积增大、有机质与微生物充分混合，从而加快有机质分解的缘故[17]。而且螨类动物分布很广，数量惊人(甲螨的数量和种类是土壤节肢动物中最多的[18])，因此可以引用土壤螨类作为生物修复技术的修复生物，通过其直接作用(吸收，转化和分解)或间接作用(改善土壤的理化性质，提高土壤肥力，促进植物和微生物的增长)来改善土壤环境[19-21]。由于试验地为砂质土壤，营养匮乏，人为施加氮素更加促进甲螨完成这一任务。

图7 不同氮沉降浓度梯度下各龄林多样性指数变化趋势

图8 甲螨亚目数量变化趋势

同时，甲螨对于周围环境有很强的敏感度，对于土壤中的细微变化都能做出迅速的反应，因此可以大量引用作监测环境质量的指示生物，监测环境的优劣变化。

3 结论

(1)甲螨亚目、前气门亚目、弹尾纲、寡毛纲、膜翅目及盲蜘目在不同龄级、不同氮沉降梯度下所占比例较高，为典型的优势类群。

(2)杨树人工林中土壤动物类群丰富度及数量在不同氮沉降浓度下呈现先升后降的趋势。

(3)幼龄林土壤动物多样性指数普遍较高，且随氮沉降浓度的增加波动明显，老龄林与之相反，在各个不同氮沉降浓度下，多样性指数基本上均是幼龄林 ＞中龄林 ＞老龄林。

(4)土壤甲螨随着氮沉降增加呈现先增后减的趋势，具有环境指示作用。

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