施氮对亚热带樟树人工林土壤氮矿化的影响

文 汲 ，闫文德 ,2,3，刘益君 ,2，梁小翠 ,2，高 超 ,2

（1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，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；3.城市森林生态湖南省重点实验室，湖南 长沙 410004）

施氮对亚热带樟树人工林土壤氮矿化的影响

文 汲1，闫文德1,2,3，刘益君1,2，梁小翠1,2，高 超1,2

（1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，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；3.城市森林生态湖南省重点实验室，湖南 长沙 410004）

20世纪以后，全球工业、农业飞速发展，从而导致大量活性氮输入至森林生态系统，作为生物地球化学循环的重要部分，森林生态系统中土壤氮元素的转换过程及其对外源性氮输入的响应机制越来越被重视。以亚热带樟树Cinnamomum camphora人工林为研究对象，在施加氮肥（低氮5 g·m-2、中氮15 g·m-2、高氮30 g·m-2）的基础上，用树脂芯法对其不同季节土壤氮矿化特征的影响进行了研究。结果表明：经过施氮肥处理后，在1、4、7月份樟树人工林的土壤氮矿化量均表现为随施肥量的增加而递增，但10月份的高氮浓度处理樟树人工林土壤氮矿化量呈现下降趋势，但高于对照处理，说明施氮肥处理可以增加樟树林土壤氮矿化速率；施肥处理可以显著增加樟树林土壤铵态氮含量及氨化速率，但是对土壤硝态氮量和硝化速率影响不显著。

樟树人工林；施氮；土壤氮矿化；亚热带

氮元素是自然界中最重要元素之一，是植物生长过程中必需的大量元素[1]，也是植物体从土壤体中吸收最多的矿质元素[2]。氮元素同时对各森林生态系统中所有绿色植物生长以及森林生产力起到非常关键的作用，是重要的限制因子[3]。植物的氮素主要来源于土壤有机氮的矿化[4]，植物直接吸收利用的氮素形式是无机形态的氮，这部分氮素主要以铵态氮、硝态氮和少量的亚硝态氮形式而存在[5]。

自20世纪70年代以来，全球生态环境等方面包括生物多样性的损失越来越严重，N饱和及N沉降在内的严重的大气污染问题、人工林地力衰退的加重等在内的一系列生态问题出现，严重影响到人类的生存与发展后，人类才意识到土壤氮素转换在森林生态系统研究中的重要性，这些方面的研究愈加得到重视[6]，对森林生态系统内土壤中不同形态的氮素（铵态氮及硝态氮等）的动态、氮素转化速率、影响氮素矿化的因素等内容展开大量研究工作，对于更好地了解森林生态系统的生产力、养分循环、N素的转化及循环具有极其重要的现实意义[7]。

近几年，对土壤铵态氮及硝态氮的状况以及微生物因子在土壤氮矿化中发挥的作用等研究均受到国内外的众多学者高度重视，并且在不同方面展开了大量研究工作，如森林生态系统土壤氮素矿化速率及影响因子[8]、不同因素对土壤氮素矿化过程的影响[9]、植物对土壤氮矿化的影响[10]、水热因素对土壤氮素矿化的影响[11]等。我国学者在不同的地区也开展了一些研究，如热带森林[7-12]、温带草原[13]、农田地区土壤[14]、海拔高度[15]等方面。然而国内外目前针对亚热带地区的森林群落土壤氮矿化量及速率对施肥响应的研究尚有不足，且樟树人工林是湖南省长沙市常见的城市森林群落之一。因此，在此前提之下，本研究将樟树人工林作为研究对象，并分析施氮肥处理对樟树人工林土壤氮矿化过程的影响，深入了解森林生态系统的生产力、氮素转化及循环之间的关系。

1 样地概况及研究方法

1.1 试验样地概况

选取位于湖南省长沙市湖南省森林植物园（113°02′～ 113°03′E，28°06′～ 28°07′N） 内 的23年生樟树人工林作为试验样地。该地年均温度18.7 ℃，1月份为最冷月，极端低温-11.3 ℃，平均气温4.7 ℃，7月份为最热月，极端高温40.6 ℃，平均气温29.4 ℃；年均日照时数达1 677.1 h，年均无霜期275 d；年均降水量1 313.1 mm，年均相对湿度为81.8%，属于典型的亚热带湿润季风气候。研究地坡度12°～20°，海拔为50～100 m，属于典型的红壤丘陵区，地层主要是第四纪更新世的冲积性砂砾和网纹红土。

樟树人工林的基本情况见表1和表2。樟树群落以樟树为主，林下植被有山矾Symplocoscaudata、毛泡桐Paulowwnia tomaentosa、淡竹叶Lophantherum gracile、 白 栎Quercus fabri、柘树Cudrania tricuspidata、糙叶树Aphananthe aspera、 苦 槠Castanopsis sclerophylla、 栀 子Gardenia jasminoides，草本植物有酢浆草Oxalis comiculata、商陆Phytolacca acinosa等。

表1 样地基本情况Table 1 Base situation of C. camphora plantation plot

表2 樟树林土壤理化性质Table 2 Soil physico-chemical properties of C. camphora plantation

1.2 试验设计

2010年7月，在长沙市湖南省森林植物园的樟树林内，设立10小块面积为25 m×25 m的固定样地。采用高浓度的NH4NO3氮肥，将其稀释一定倍数，分为低氮 5 g·m-2（LN）、中氮 15 g·m-2（MN）、高氮30 g·m-2（HN）3种处理，且各处理分别设置3个重复及一个施同等量水的对照样地（CK）。

1.3 试验方法

本试验对土壤中无机氮以及氮矿化速率的测定采用PVC树脂芯原位法，试验装置见图1。树脂芯原位法的试验装置主要由以下几个主要部分构成：(1)PVC管：规格为高150 mm，内径40 mm；（2）阴离子树脂带：内含5 g上海汇脂树脂厂生产717#氯型强碱性树脂；（3）中间打圆孔管塞：规格为直径40 mm，厚5 mm；（4）滤纸：规格为直径40 mm。

本试验选取采样点时要求采样点能代表样地特征且地势平坦，取样前还需清理地表凋落物和土壤表层腐殖质。之后选取临近的两个采样点，将两根PVC管竖直打入土壤，随后取其中一根PVC管内土样，测定其土壤的含水率、pH值、C/N、硝态氮、铵态氮含量，并将得到的值作为初始值。将另一根PVC管内土样取出，挖除底部20 mm土壤后，依次将滤纸、树脂袋、滤纸、管塞放入管底部，最后将PVC管及其中土样归置原位培养30 d。培养时间结束后，取出PVC管内土壤并测定铵态氮含量、硝态氮含量及阴离子树脂所吸附的硝态氮含量。

图 1 树脂芯方法的实验装置Fig.1 Experimental facilities of resin-core technique

1.3.1 取样方法

在为期一年的试验周期内，按季度取样，共取样4次，分别在2010年7月、2010年10月、2011年1月、2011年4月各取样1次。每次取样的个数为：根据各浓度梯度不同，每个浓度梯度取样2个。

1.3.2 样品处理及分析

取得的土壤样品均放在冰箱里，在0℃以下进行保存，对土壤铵态氮含量及硝态氮含量进行测定。铵态氮，KCl溶液浸提+蒸馏法；硝态氮，多波长紫外分光光度法；土壤含水率，105℃烘干法。测定无机氮后，剩余样品经过常温风干、去杂、研磨，过筛测定其pH值，利用全自动凯氏定氮仪测定土壤全氮，利用重铬酸钾水热法测定土壤全碳。用2 mol·L-1KCl溶液浸提阴离子树脂袋所吸附的硝态氮，利用多波长紫外分光光度法测定浸提液。

1.4 数据处理与分析

式中：MN为土壤净氮矿化量；BN为培养后无机氮（铵态氮和硝态氮）量；AN为培养前无机氮（铵态氮和硝态氮）量；CN为淋溶硝态氮量；RN为土壤净氮矿化速率；A铵、硝为培养前铵态氮、硝态氮量；B铵、硝为培养后铵态氮、硝态氮量；R铵为土壤净氨化速率；R硝为土壤净硝化速率；t为培养时间。

采用EXCEL 2013进行图表的绘制，采用SPSS 19.0对实验数据进行统计分析处理。

2 结果与分析

2.1 对铵态氮的影响

在LN、MN、HN 3种水平的施N处理后，对樟树人工林土壤中铵态氮含量测定的结果（见表3）表明，除4月份低氮处理外，不同季节樟树林各浓度施氮肥处理与对照处理的土壤铵态氮的含量均表现出显著差异（P＜0.05），结果表明施氮处理显著降低了樟树林中土壤铵态氮的含量。樟树林中，4月份 3种浓度施肥处理间土壤铵态氮的含量差异达显著水平（P＜0.05），表现为：高氮＜中氮＜低氮。而1月份、7月份及10月份，低氮处理与中氮处理间均未表现出显著差异（P＞0.05），但是低氮处理与高氮处理间差异均达显著水平（P＜0.05），且高氮（HN）处理下樟树人工林土壤铵态氮的含量显著高于低氮及中氮（P＜0.05）。由此可以看出，施肥处理对樟树林土壤铵态氮的含量表现出显著抑制作用，但铵态氮含量随着施肥量的增加而上升。

表3 不同施肥处理下樟树人工林土壤铵态氮含量†Table 3 Contents of soil ammonium nitrogen of C. camphora plantation with different fertilization treatments

2.2 对硝态氮的影响

从表4中可以看出，1月份、7月份及10月份，在樟树林各施氮肥处理下，土壤硝态氮含量显著大于对照处理，表现出显著差异（P＜0.05）；4月份，低氮、中氮处理和对照处理间未表现出显著差异，但高氮处理下土壤与对照处理土壤相比，硝态氮含量差异较显著（P＜0.05），具体表现为高氮处理下土壤硝态氮含量大于对照处理土壤。低氮、中氮、高氮与对照处理间对土壤硝态氮含量的季节波动变化未表现出显著影响，表现为：1月份＞10月份＞4月份＞7月份。通过对低氮、中氮及高氮之间土壤硝态氮含量的分析可以看出，低氮、中氮处理与高氮处理间土壤硝态氮含量差异较显著（P＜0.05），而低氮处理与中氮处理之间土壤硝态氮含量差异性不显著（P＞0.05）。

表4 不同施肥处理樟树林土壤硝态氮含量Table 4 Contents of soil nitrate nitrogen of C. camphora plantation with different fertilization treatments

2.3 对有效氮的影响

从表5可以看出，不同处理樟树林土壤有效氮含量呈现不同的季节变化，表现为4月份最低，10月份最高。与对照相比， 1月及10月份3种施氮处理均对土壤有效氮的含量表现为显著抑制作用（P＜0.05），但土壤有效氮量随着施氮浓度的增加而增加；4月份，低氮处理下土壤有效氮含量较对照处理略有增加，但增加量未达到显著水平（P＞0.05），当施肥量增加后，土壤有效氮含量显著降低；7月份，低氮处理降低了土壤有效氮的含量，中氮与高氮处理均增加了土壤有效氮含量，但仅在高氮处理下土壤中有效氮含量与对照处理相比差异较显著（P＜0.05）。不同浓度处理下，土壤有效氮含量随着施氮浓度的增加而增加，表现为低氮＜中氮＜高氮。

表5 不同施肥处理樟树林土壤有效氮含量Table 5 Contents of soil available nitrogen of C.camphora plantation with different fertilization treatments

2.4 对硝化及氨化速率的影响

从图2可以看出，樟树林土壤硝化速率呈现明显的季节变化。4月份及10月份较高，1月份及7月份较低，且整个培养期内，土壤硝化速率均为正值。通过对土壤施氮处理浓度的变化，并不能使土壤硝化速率发生显著改变，表明土壤硝化速率并未受到施氮处理的影响。

从图3可得，樟树林土壤氨化速率呈现明显的季节性变化，具体表现为10月份土壤氨化速率最高，1月份土壤氨化速率最低；樟树林中，增加施肥量的同时土壤氨化速率也随之增加，表明施氮处理对土壤氨化速率表现为促进作用。

图2 樟树林土壤硝化速率Fig. 2 NO3--N mineralization rate of C. camphora plantation soil

图3 樟树林土壤氨化速率Fig. 3 NH4+-N mineralization rate of C. camphora plantation soil

2.5 对净氮矿化速率的影响

从图4可以看出，樟树林土壤净氮矿化速率随着施氮浓度的增加而提高。目前，虽然对森林土壤养分循环方面展开了许多研究，但由于森林土壤氮素转换过程本身的复杂性及各种因子的影响，使得就施肥量因素对土壤氮素转换的影响以及对森林生态系统氮循环很难作出具体结论。Aber等[16]通过长期对温带森林的施氮试验结果表明，土壤中氮含量的增加可以促进土壤的氮矿化速度。

3 讨 论

经过1 a不同水平的施氮肥处理后，樟树林土壤铵态氮的含量显著降低，但铵态氮含量随着施肥量的增加而上升；3种处理下樟树林土壤硝态氮含量随着施氮浓度的增加而增加。4月份，低氮、中氮处理和对照处理间未表现出显著差异，但樟树人工林中土壤硝态氮含量在高氮处理下显著高于对照处理。造成这一现象的原因可能是4月份是樟树的生长旺盛期，对氮元素需求较大，从而导致在低氮、中氮处理下，施氮处理对土壤硝态氮影响不显著。

图4 樟树林土壤净矿化速率Fig. 4 Net nitrogen mineralization rate of C. camphora plantation soil

不同处理樟树林土壤有效氮含量季节性变化规律均表现为4月份最低，10月份最高。与许多研究相同的是，本研究中施氮处理对土壤硝化速率并未产生影响[17-18]，这可能是因为外源性施肥并非是影响土壤硝化速率的主要因子。一个氮沉降的模拟实验结果表明，经过2.5 a的施氮处理，原位净硝化速率与N沉降之间不存在相关性[19]。

本研究发现，随着施氮浓度的增加，樟树林土壤净氮矿化速率也随之提高。通过对瑞典针叶林进行的研究结果显示，土壤氮矿化速率会随着土壤氮输入的增加而显著提高[20-22]。但随着研究的不断进行，也有实验得出不同结论[23-24]。另一些美国学者的研究[24-25]表明，在不同浓度的施氮处理下，净氮矿化速率的趋势均表现为增加，但氮矿化速率会随着时间的推移达最高值后开始降低，逐步接近对照处理的水平及低氮处理水平。该现象说明氮输入的增加并不能增加氮矿化速率，氮矿化速率会在氮输入量达到一定水平后逐渐降低，最终接近对照处理甚至比对照更低。出现这种下降趋势，可能有以下两种解释：第一，细胞外代谢酶的效率及分解速度降低，这是由于土壤有机质会随着氮素的增加发生改变，土壤中有机质的化学结构随机化而导致；第二，土壤矿质氮含量增加会对土壤微生物产生影响，降低了土壤中由微生物产生的腐殖质分解酶的含量，进而间接地对土壤氮矿化速率产生影响。

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Effect of nitrogen application on soil nitrogen mineralization ofCinnamomum camphoraplantation in subtropical area

WEN-Ji1, YAN Wen-de1,2,3, LIU Yi-jun1,2, LIANG Xiao-cui1,2, GAO Chao1,2
(1. School of Life Science, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2.National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China; 3. Key Lab. of Urban Forest Ecology of Hunan, Changsha 410004, Hunan, China)

Since 20th century, with the rapid development of global industry and agriculture, a large number of reactive nitrogen has been inputting into the forest ecosystems. As an important part of biogeochemical cycles, the forest soil nitrogen conversion process and the response mechanism of to exogenous nitrogen input were concerned more widely. By taking the subtropicalC. camphorplantation as the research object, the effects of applied nitrogen fertilizer (low nitrogen 5 g·m-2, middle nitrogen 15 g·m-2, high nitrogen 30 g·m-2)in the plantations in different seasons on soil nitrogen mineralization characteristics were investigated by means of resin-core technique.The results show that after nitrogen treatments (in January, April, July and October respectively), theC. camphorplantation appeared a declining trend under high nitrogen treatment in October, but it showed a increasing trend with fertilizing concentration increased in the other three months, and the soil nitrogen mineralization of four mouths were higher than that of the control treatment group; This suggests that the nitrogen application increased the soil nitrogen mineralization rate and significantly increase ammonium nitrogen content in the forest soil, but had slight in fluence on soil nitrate nitrogen and the nitri fication rate in the forest soil.

Cinnamomun camphoraplantation; nitrogen application; soil nitrogen mineralization; subtropical area

S792.23；S718.51+6

A

1673-923X(2015)05-0103-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.05.018

2014-07-10

国家林业公益性行业科研专项（201404316）； “十二五”农村领域国家科技计划课题（2011BAD38B0204）；湖南省自然科学基金创新群体项目（湘基金委字[2013]7号）；国家林业局软科学研究项目（2012-R09）；湖南省高校创新平台开放基金项目（12K070）；城市森林生态湖南省重点实验室运行项目资助

文 汲，硕士研究生

闫文德，教授，博士；E-mail：csfuywd@hotmail.com

文 汲,闫文德,刘益君,等. 施氮对亚热带樟树人工林土壤氮矿化的影响[J].中南林业科技大学学报，2015,35(5)：103-108.

[本文编校：谢荣秀]