氮沉降对杉木人工林土壤化学计量特征的影响

郭虎波，吴建平，袁颖红，刘文飞，樊后保，许鲁平，张子文，孟庆银

(1.南昌工程学院生态与环境科学研究所，江西 南昌 330099； 2.江西农业大学园林与艺术学院，江西 南昌 330045； 3.福建省沙县官庄国有林场，福建 沙县 365503)

氮沉降对杉木人工林土壤化学计量特征的影响

郭虎波1，2，吴建平1，袁颖红1，刘文飞1，樊后保1，许鲁平3，张子文3，孟庆银3

(1.南昌工程学院生态与环境科学研究所，江西 南昌 330099； 2.江西农业大学园林与艺术学院，江西 南昌 330045； 3.福建省沙县官庄国有林场，福建 沙县 365503)

以福建沙县官庄国有林场杉木人工林模拟氮沉降试验平台为对象，研究土壤碳氮磷化学计量特征对氮沉降(N沉降量分别为0、60、120、240 kg·hm-2·a-1)的响应。连续7 a的试验结果表明：模拟氮沉降对土壤碳含量影响不显著，对土壤氮含量和氮磷比有增加作用而对土壤磷含量有减少作用。但模拟氮沉降的效应主要集中在表层土壤，表明加强对表层土壤生物地球化学循环研究可以更好地评价生态系统对氮沉降的响应。

氮沉降；杉木人工林；土壤化学计量特征

生态化学计量学结合了生物学、化学和物理学基本原理，是研究生物系统能量平衡和多重化学元素平衡的科学，特别在C、N、P生物地球化学循环研究中得到了广泛的应用[1]。由于C、N、P元素是重要的生命元素，其在生态系统各个水平上都是相互联系的整体，并且受到外界环境变化和生态系统本身特性的影响[2]。例如，黄土高原典型草原开展的试验表明氮素添加增加了植物组织的C和N含量，但是氮素添加导致N和P元素比例失调，反而进一步加剧了P元素的限制现状[3]。对南亚热带森林不同演替阶段植物和土壤中N和P化学计量特征研究发现，在表层土壤中N和P元素含量呈现增加趋势，但植物叶片中的N和P含量呈现减少的趋势，并指出P元素是南亚热带森林重要限制性因子[4]。以往的研究集中在大尺度和植物体为对象，而对环境变化下土壤生态化学计量研究还不足。土壤中碳库含量的大小也受到C、N、P比例的影响[5]，因此研究环境变化下的土壤生态化学计量学响应还需要更多的实例研究。

氮沉降是全球变化的核心内容之一，据研究在过去的一个世纪中，氮沉降量是以前时期的3～5倍[6]。由于石化燃料和森林生物量消耗仍在持续，氮沉降量在本世纪还将继续增加[7]。目前已有研究表明氮沉降增加影响森林生态系统的诸多方面，例如植物生长、群落多样性和土壤酸化等[8-9]，但氮沉降对土壤生态化学计量学方面的研究还需加强。基于此，本研究依托长期野外氮沉降试验平台，以我国南方普遍造林树种杉木为对象，探讨土壤化学计量特征对氮沉降的响应，为全面评价氮沉降对生态系统的影响提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地设在福建省三明市沙县官庄国有林场白溪工区21林班8小班南坡上，位于117°43′29″E、26°30′47″N。属中亚热带季风气候，四季气温温暖适中，日照充足，年平均气温18.8～19.6 ℃，年均降水量1606～1650 mm，无霜期271 d。平均海拔200 m左右，土壤为山地红壤。试验林为1992年营造的杉木人工林，面积6 hm2。林下植被稀疏，以芒萁(Dicranopterisdichotoma)、五节芒(Miscanthusfloridulus)、蕨(Pteridiumaquilinumvar.latiusculum)等为主。

1.2 研究方法

1.2.1 模拟氮沉降方法 2003年12月，选择林分和立地条件相似的杉木人工林建立面积均为20 m×20 m的固定试验样地12块，样地内设15 m × 15 m中心区域，以便破坏性试验在中心区外围的处理区进行。采用完全随机区组设计，按氮施用量的高低设4种处理，从低到高分别标记为N0(0 kg·hm-2·a-1，对照)，N1(60 kg·hm-2·a-1)，N2(120 kg·hm-2·a-1)，N3(240 kg·hm-2·a-1)，每种处理重复3次。于2004年1月开始进行模拟氮沉降试验，每月月初按照处理水平的要求，将CO(NH2)2溶解在20 L水中，以背式喷雾器在林地人工来回均匀喷洒。对照样地喷施同样量的水，以减少因外加的水而造成对林木生物地球化学循环的影响。

1.2.2 取样和处理 2011年7月每样地挖取3个土壤剖面，分层(表层0～20 cm，中层20～40 cm，底层40～60 cm)取土样带回实验室，风干研磨，过100目土壤筛后，装入密封的玻璃瓶中待实验分析。

1.2.3 测定方法 有关项目测定均按常规方法[11]进行。土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法；全氮采用半微量凯氏定氮法；全磷采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法。

1.2.4 统计分析 本实验数据采用Excel 2003、Spss 17.0进行数据整理与分析。

2 结果与分析

2.1 土壤C、N、P含量

由图1可知，土壤有机碳含量在0～60 cm土层中都以N2处理最大，N3处理最小，但统计分析表明模拟氮沉降对土壤有机碳含量的影响都不显著。在0～20 cm土层中，模拟氮沉降增加了土壤全氮含量，并且在N3处理显著增加，与N0相比，增加了8.45%；在20～40 cm土层中，与N0相比，N1和N2处理显著增加了土壤全氮含量，分别增加了20.46%、16.4%；N3处理土壤全氮含量有一定增加，但未达显著水平；在40～60 cm土层中表现出与0～20、20～40 cm土层不一致的趋势，各模拟氮沉降处理对土壤氮含量影响不明显。土壤全磷含量在0～20 cm土层中表现为下降趋势，依次为N0>N2>N3>N1，其中N1处理显著降低土壤中全磷的含量，N2和N3处理的下降量未达到显著差异水平；在20～60 cm土层中，模拟氮沉降对土壤全磷的影响很小，统计分析均未达到显著水平。

2.2 土壤C∶N∶P化学计量比

由图2可知，土壤碳氮比和碳磷比表现出与土壤有机碳含量一致的趋势，N2处理最大，但是统计分析表明各处理间和各土层间差异均不显著。仅在40～60 cm土层中N1处理土壤碳氮比值显著减少；在20～40、40～60 cm土层中，土壤碳氮比和碳磷比从N2到N3处理间有明显下降的趋势。土壤氮磷比在0～20 cm土层中表现为上升趋势，N0处理最小，N3处理显著增加；在20～40 cm土层中，氮磷比值变化不明显，各处理间未达到显著水平；在40～60 cm土层中，氮磷比表现为N1处理最大，N2处理显著下降，比对照下降22.5%，N1和N3处理对氮磷比值影响不显著。

同一部分不同字母为差异显著(P<0.05)。下同。图1 模拟氮沉降对土壤C、N、P含量影响

图2 模拟氮沉降对土壤C∶N∶P化学计量特征影响

2.3 相关性分析

通过分析不同氮沉降水平土壤有机碳(C)与全氮(N)、全磷(P)、碳氮比(C∶N)等之间的相关性(表1)可以发现，各土层土壤C、N、P之间的相关性均不显著，而C与C∶N、C∶P均达到极显著正相关(P<0.01)。土壤全N与N∶P之间也均有显著正相关性，其中0～20、40～60 cm土层达到极显著正相关(P<0.01)。土壤全N与C∶N之间在0～20、40～60 cm土层存在显著负相关(P<0.05)，而在20～40 cm土层相关性不显著。土壤全P与N∶P之间也均存在显著负相关性，其中0～20 cm达到极显著负相关(P<0.01)，而与C∶P相关性不显著(P>0.05)。所有土层土壤中C∶N与C∶P之间均达到显著正相关，其中在20～60 cm土层达到极显著正相关(P<0.01)。

表1 土壤生态化学计量特征相关分析

*：n=12，*为相关性达显著水平(P<0.05)，**为相关性达极显著水平(P<0.01)。

3 结论与讨论

本研究表明在氮沉降后土壤有机碳含量没有表现出显著差异，仅有小幅度的变化。氮添加试验对土壤碳的积累效应通常不显著，在热带地区的研究表明氮沉降对总的土壤有机碳含量有促进作用，增加的部分来源于不易分解的矿物质相关的碳含量，而对易分解部分碳增加效应不明显[12-13]。主要原因有可能是氮沉降虽然在一定时期内增加了植物的生长，但植物对地下部分的碳输入的量并没有同步增加[14]。植物凋落物输入碳与输入氮相结合成难分解的碳组分，从而增加了矿物相关的碳含量[15]。结果还发现在深层土壤中土壤有机碳含量变化也不明显，可能是由于土壤微生物活性的减少，使得表层的碳输入很难通过微生物的分解活动到达更深的土层中，从而使得仅仅增加了表层的碳含量[14]。

由于氮的额外输入，土壤全氮的含量通常表现出增加的趋势，本试验研究也发现模拟氮沉降增加了土壤氮含量。但是在40～60 cm土层中氮含量差异不显著，这可能与施肥的方式和浓度有关。本试验中采用喷雾的形式，大部分的氮停留在表层土壤，而南方水热同期的气候特征使得大部分添加的氮由于挥发或淋失而损失，并没有到达深层土壤[16]。在亚热带地区，氮的输入有可能增加植物对磷元素的吸收，从而增加了对磷元素的需求，以至于减少了土壤中磷的含量[4]。本研究中0～20 cm土层中磷元素在氮沉降后减少，但由于磷元素以闭蓄态为主的生物地球化学循环，在20～60 cm土层中各处理间的磷含量并没有表现出显著差异。

由于土壤有机碳含量变化不明显，而土壤全氮增加的幅度也不大，土壤碳氮比值在各处理和不同土层间变化一般不显著。土壤全磷的含量比土壤有机碳含量相对较小，碳磷比值主要受到碳含量的影响，这可能是土壤碳磷比在各处理间和各土层间变化不显著的原因。氮磷比值作为重要的化学计量特征，在0～20 cm土层中处理效应明显，主要是增加表层土壤氮含量和减少土壤磷含量的共同结果。而在20～60 cm土层中氮磷比值变化不显著，说明相对于深层土壤，在表层土壤中的生物地球化学循环更为强烈。

总之，通过7 a的试验研究表明，模拟氮沉降对土壤碳影响不明显，对土壤氮和磷有一定的影响，而且主要集中在表层土壤中。鉴于土壤化学计量特征对生态系统的重要指示作用，对表层土壤相关生态因子的测定可能是研究的重点，可以更好地评估氮沉降对生态系统的影响。

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Effects of N Deposition on Soil Stoichiometric Characteristics of Chinese fir Plantation

GUO Hu-bo1，2，WU Jian-ping1，YUAN Ying-hong1，LIU Wen-fei1，FAN Hou-bao1，XU Lu-ping3，ZHANG Zi-wen3，MENG Qin-yin3

(1.ResearchInstituteofEcology&EnvironmentalSciences，NanchangInstituteofTechnology，Nanchang330099，Jiangxi，China； 2.CollegeofLandscapeandArt，JiangxiAgriculturalUniversity，Nanchang330045，Jiangxi，China；3.ShaxianGuanzhuangStateForestFarmofFujianProvince，Shaxian365503，Fujian，China)

Taking the simulated nitrogen deposition experiment field in a Chinese fir plantation Shaxian Guanzhuang State Forest Farm of Fujian Province as the researched object，this paper studied the responses of soil carbon，nitrogen，phosphorus and their stochiometric characteristics on nitrogen deposition.Which were 0，60，120 and 240 kg·hm-2·a-1.The continuous 7-year-long experiment results showed that the simulated nitrogen deposition did not effect evidently on the soil carbon content，but increased soil nitrogen concentration and ratios of N：P and decreased concentrations of soil phosphorus.The responses of stochiometric characteristics were mainly focused in the upper soil layer，which indicated that more attention should be paid to the upper soil biogeochemical cycle research in order to appropriately assess the effects of ecosystem on nitrogen deposition.

nitrogen deposition；Chinese fir plantation；soil stoichiometric characteristic

10.13428/j.cnki.fjlk.2014.01.001

2013-05-09；

2013-05-26

国家自然科学基金项目(31060109；31200406)；江西省教育厅科技落地计划(KJLD12097)

郭虎波(1986—)，男，河北石家庄人，南昌工程学院生态与环境科学研究所硕士研究生，从事土壤生态学研究。E-mail：huboguo@hotmail.com。

樊后保(1965—)，男，江西修水人，南昌工程学院生态与环境科学研究所教授，博士，从事森林生态系统养分循环与酸沉降研究。E-mail：hbfan@nit.edu.cn。

S714.2；S791.27

A

1002-7351(2014)01-0001-05