模拟氮沉降对西藏高山栎林地土壤理化性质的影响1)

韩艳英 刘云龙 叶彦辉 杜佳豪

(西藏农牧学院，林芝，860000 )

模拟氮沉降对西藏高山栎林地土壤理化性质的影响1)

韩艳英 刘云龙 叶彦辉 杜佳豪

(西藏农牧学院，林芝，860000 )

以西藏林芝县布久乡朱曲登村高山栎林地为研究对象，于2014年7月份到2015年8月份原位模拟氮沉降(CK(对照)、LN低氮(25 kg·hm-2·a-1)、MN中氮(50 kg·hm-2·a-1)、HN高氮(150 kg·hm-2·a-1)，探讨不同程度的氮沉降量对林地土壤养分和土壤可溶性有机碳质量分数的影响。结果表明：不同程度模拟氮沉降对林地有机质、全N、全P、全K、速效N、速效P、速效K、交换性Ca、交换性Mg质量分数和pH值以及可溶性有机碳质量分数都有显著影响(P<0.05)。随着模拟氮沉降增加，0～20 cm林地土壤的交换性Mg和可溶性有机碳质量分数受到抑制；全K质量分数和pH值升高；有机质、全N和速效K质量分数在低氮处理下升高，在中高氮处理下降低；全P、速效N和速效P质量分数则在LN和HN处理下升高，在MN处理下降低；而交换性Ca质量分数在中高氮处理下升高后又在高氮处理下降低。

氮沉降；西藏林芝；高山栎林地；土壤理化性质

在过去几十年中，化石燃料燃烧、化肥生产和使用及畜牧业集约化经营等人类活动向大气排放了大量的氮化物，导致氮化物在大气中聚集并向陆地和水域生态系统沉降[1]，林地土壤每年所接受的大气氮沉降量无法忽略。森林土壤是森林生态系统中一个非常重要的组成部分，也一直是人们研究的重点和热门[2]，所以对于氮沉降给林地带来诸多影响的探究显得尤为重要。

诸多研究表明，氮沉降对森林生态系统具有一定的影响，它不仅改变了森林树木的生理状态，还造成了土壤养分的变化[3-5]。国内外对于氮沉降是否对森林土壤养分产生影响和对土壤中各养分的影响如何目前还没有统一的结论。有的研究表明，模拟氮沉降会影响到土壤中有机质、氮、磷质量分数[6-8]，也有的研究结果表明，模拟氮沉降对土壤中有机质、氮、磷、钾质量分数影响不大[9-12]。同样，氮沉降对土壤有机碳库不同组分的影响研究也尚无定论[9]。近20年来，中国的氮沉降问题愈加严重，尤其东部地区存在着高氮沉降问题，有关氮沉降对森林生态系统土壤可溶性有机碳影响的研究已经刻不容缓[13]。国外对于氮沉降的研究已有很长时间，而国内对氮沉降的研究与国外还有一定的差距，而国内在这两个方面上对于西藏的研究也尚处于起步阶段，探究结果之路任重而道远。

西藏自治区有着独特的自然生态和地理环境，既是南亚、东南亚地区的“江河源”和“生态源”，也是中国乃至东半球气候的“启动器”和“调节区”，其高山湿地在世界上独一无二[14]，西藏林地条件丰富，森林结构多样，生物多样性较高，是探究氮沉降对土壤养分和可溶性有机碳影响的比较良好的实验区。本研究通过在西藏林芝高山栎林地系统进行1年的短期氮沉降模拟试验，研究土壤养分和土壤可溶性有机碳对氮沉降增加的响应，以探究氮沉降对林地土壤存在的影响，为更好地了解大气氮沉降对西藏乃至全国和世界的林地土壤养分和土壤可溶性有机碳质量分数的影响提供数据支持。

1 研究区概况

林芝县地处青藏高原念青唐古拉山东南麓，雅鲁藏布江与尼洋河在此相汇，地处北纬29°21′～30°15′、东经93°27′～95°17′，东邻墨脱县，南接米林县，西部和西北部与工布江达县交界，北部和东北部与波密县相通。东西长177.2 km，南北宽98.6 km。林芝县境南部为冈底斯山余脉，北部属念青唐古拉山支脉高山地段。平均海拔3 000 m，属温带湿润季风气候，年平均气温8.5 ℃(最冷1月份，平均气温为-2 ℃；最热7月份，平均气温20 ℃)，无霜期175 d左右，年日照时间2 022 h，年平均降水量654 mm，主要集中在5—9月份，占全年降水量的90%左右。研究区植物为高山栎林地，主要有川滇高山栎(QuercusaquifolioidesRehd. et Wils.)、三颗针(Berberisjulianae)、蔷薇(Rosamultiflora)、小叶栒子(cotoneastermicrophyllus)、夏枯草(PrunellavulgarisLinn.)、紫羊茅(Festucarubra)、委陵菜(PotentillasaundersianaRoyle)、平车前(PlantagodepressaWilld.)、狗娃花(Heteropappushispidus)等。

2 研究方法

2.1 模拟氮沉降法

试验样地选在林芝县布久乡朱曲登村(29°28′18.8′N，94°22′41.6″E)中山西北坡，平均坡度8°，高山栎平均高6.5 m，平均胸径23.5 cm，平均树龄30 a，林分郁闭度0.6，土壤以山地棕壤为主，样地四周用网围栏做保护，防止人类及动物破坏。2014年在同一海拔(2 999～3 005 m)高山栎林地设置12个5 m×5 m样地，每个样地保留10 m间隔，以防止相互干扰。不同施氮量的样方处在相同坡位，为了便于更清楚地揭示氮添加的影响，参照国际上通用的施氮量成倍增加的惯例[15]，分别设置对照(CK)、低氮(LN,25 kg·hm-2·a-1)、中氮(MN,50 kg·hm-2·a-1)、高氮(HN,150 kg·hm-2·a-1)4种处理，每种处理3次重复。于2014年7月份开始进行模拟氮沉降试验，每月月初按照处理要求，将NH4NO3溶解于水中，均匀喷施于样地内，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。

2.2 样品采集与测定

2015年8月份采集土壤，采用土钻法进行取样，在样地内沿对角线随机取样，清除凋落物层，随机取5钻0～20 cm土壤均匀混成一个样品(由于高山栎林地土壤土层较薄，因此只取0～20 cm土壤)。带回实验室分析，迅速挑出细根和碎石，自然风干，测定土壤养分。

2.3 养分和可溶性有机碳质量分数测定

2.4 数据分析

利用Excel 2010和SPSS20.0对数据进行统计、分析。

3 结果与分析

3.1 模拟氮沉降对有机质质量分数的影响

土壤层有机质质量分数因不同氮沉降水平而异(表1)。模拟氮沉降1 a后有机质质量分数在LN处理下升高，比CK升高了43.66%，在MN和HN处理下降低，分别比CK降低了50.21%和2.88%。

3.2 模拟氮沉降对N元素质量分数的影响

氮沉降对土深0～20 cm全N、速效N质量分数影响显著(表1)。与CK相比，全N质量分数在LN处理下升高，比CK升高了46.64%，在HN和MN处理下依次降低，分别比CK降低了4.80%和49.14%；速效N质量分数在LN和HN处理下依次升高，分别比CK升高了61.49%和83.94%，MN处理下降低，比CK降低了8.41%。

3.3 模拟氮沉降对P元素质量分数的影响

氮沉降对土深0～20 cm全P和速效P质量分数影响显著(表1)。随模拟氮沉降的加深，全P和速效P质量分数均在LN和HN处理下升高，全P质量分数分别比CK升高了68.51%、6.20%，速效P质量分数分别比CK升高了160.58%、14.11%，在MN处理下降低，两种养分的响应相同，全P质量分数比CK降低了29.59%，速效P质量分数比CK降低了23.16%。

3.4 模拟氮沉降对K元素质量分数的影响

氮沉降对土深0～20 cm全K、速效K质量分数影响显著(表1)。各处理下全K质量分数显著高于CK的，经LN、MN、HN处理的分别比CK高出了26.44%、7.21%、9.18%，经MN与HN处理的全K质量分数之间差异不显著；经各处理的速效K质量分数分别与CK之间差异都达到了显著水平。速效K质量分数则在LN处理下升高，比CK高了16.96%，HN和MN处理下的依次降低，分别比CK低了4.54%和24.34%。

3.5 模拟氮沉降对交换性钙、镁质量分数的影响

氮沉降对土深0～20 cm交换性钙和交换性镁质量分数影响显著(表1)。随模拟氮沉降程度的加深，交换性钙质量分数在LN和MN处理下降低，分别比CK降低了63.14%和76.29%，在HN处理下升高，比CK高了59.05%；交换性镁的质量分数则呈现了对氮沉降的负响应，经HN、LN、MN处理的分别比CK低了26.3%、36.39%、62.1%。

3.6 模拟氮沉降对pH值的影响

氮沉降对0～20 cm土壤pH值有显著影响(表1)。各处理中，经HN处理的与对照之间有显著差异，但CK、LN、MN三种处理之间差异不显著。模拟氮沉降1 a后，pH值在氮沉降处理下升高(经HN处理的大于CK的)。出现HN处理结果可能是因为pH值受多种因素影响，而施加过量氮后引起土壤某些物质质量分数的不正常变化，进而使得pH值有所升高。

3.7 模拟氮沉降对可溶性有机碳质量分数的影响

氮沉降对0～20 cm土壤可溶性有机碳质量分数有显著影响(表1)。经LN、MN、HN处理的显著低于CK，分别比CK低了63.56%、67.94%、63.31%，但经LN、MN、HN处理的之间差异不显著。

表1 不同氮沉降水平对土壤理化性质的影响

处理速效K质量分数/mg·kg-1可溶性有机碳质量分数/mg·kg-1pH值交换性Ca质量分数/mg·kg-1交换性Mg质量分数/mg·kg-1CK(240．02±0．725)b(243．54±0．041)a(4．57±0．041)b(2526．15±7．139)b(441．42±3．819)aLN(280．73±2．110)a(88．74±2．496)b(4．00±0．141)b(931．22±2．739)c(280．79±0．003)cMN(181．60±0．228)d(78．09±0．027)b(4．30±0．061)b(598．83±4．509)d(167．30±0．263)dHN(229．11±1．083)c(89．36±4．330)b(5．30±0．020)a(4017．94±3．142)a(325．32±1．845)b

注：表中数据为平均值±标准差；同列不同字母表示在P<0.05时差异达显著水平。

4 结论与讨论

本研究发现，模拟氮沉降使林地0～20 cm土壤可溶性有机碳的质量分数比对照有显著下降，原因可能是，一方面氮沉降对土壤中的有机质的溶出作用，另一方面，有机矿质复合体在酸性作用下被分解破坏而流失。这与樊后保等[7]在福建的研究结果相一致，但与魏春兰等[13]的研究结果不一致，到目前为止，关于氮沉降对DOC的影响没有定论[16]，主要原因可能是一方面土壤DOC的提取方法不同，所得结果对比性不强，另外，土壤DOC的释放、分解与土壤自身的物理化学性质密切相关，单一因子的研究对结果造成不确定性。

模拟氮沉降对高山栎林地0～20 cm土壤有机质、N、P、K质量分数有显著影响，且各处理与对照之间差异达到了显著水平。随氮沉降程度的加深，表现出在低氮和高氮处理下，分别比对照有所增加，而在中氮水平下分别比对照降低。原因可能是高山栎森林生态系统一定程度上受N限制影响，外加氮处理对森林凋落物分解有一定影响，使得氮沉降对表层土壤养分影响增加。但在高氮水平下相对于对照增加程度较小，主要原因是森林生态系统达到氮饱和后，将抑制掉落物分解，土壤养分不再变化。这一结果与张莉等[17]和樊后保等[7]的研究相一致。朱仕明等[18]、涂利华等[8]、黄军等[19]的研究表明，N沉降显著增加了土壤N的质量分数，裴广廷等[12]研究表明，N沉降显著增加了土壤P质量分数。然而李琛琛等[20]和刘建才[21]发现氮沉降对土壤中N元素影响不显著。交换性钙质量分数表现出了在LN处理下降低、在MN和HN处理下升高的响应，影响机理可能是，氮沉降的施加，导致基岩的风化，随着植物对水分的吸收进入上层土壤，从而提高了全Ca质量分数。交换性镁质量分数则明显受到氮沉降抑制。造成这种情况的机理可能是在土壤胶体中的Mg被其他离子吸附。研究结果与袁颖红等[22]和樊后保等[23]相一致，但与王强等[24]的相反。生态系统氮素循环的改变程度和方向往往取决于多种因素，例如，物种组成、林龄、土壤类型、气候、地形和外加氮源的组成与施加的频率等，因此，目前研究结果出现不一致性。

本研究在西藏开展了1 a的氮沉降的试验，试验结果与现有研究有相同的地方，也有不同的地方，建议未来的研究集中于长期试验资料与在受到和未受到影响的地方进行野外观测的比较，根据不同地区的氮沉降量进行氮增加试验，可以更精确地反映未来大气氮沉降的速度，通过对所选定的生态系统响应状况的探测，反映不同地区调控因子的变化梯度。

[1] PETER M V, JOHN D A, ROBERT W H, et al. Human alteration of the global nitrogen cycle: sources and consequences[J]. Ecol Appl,1997,7(3):737-750.

[2] 周国模,刘恩斌,佘光辉.森林土壤碳库研究方法进展[J].浙江林学院学报,2006,23(2):207-216.

[3] SANTIAGO L S, TURNER B L． Tropical tree seedling growth responses to nitrogen, phosphorus and potassium addition[J]. Journal of Ecology,2012,100(2):309-316.

[4] LEITH I D, HICKS W K, FOWLER D, et al． Differential responses of UK upland plants to nitrogen deposition[J]. New Phytologist,1999,141(2):277-289.

[5] EMMETT B A, BOXMAN D, BREDEMEIER M, et al． Predicting the effects of atmospheric nitrogen deposition in conifer stands: evidence from the NITREX ecosystem-scale experiments[J]. Ecosystems,1998,1(4):352-360.

[6] 郭虎波,袁颖红,吴建平,等.氮沉降对杉木人工林土壤团聚体及其有机碳分布的影响[J].水土保持学报,2013,27(4):268-272.

[7] 樊后保,袁颖红,王强,等.氮沉降对杉木人工林土壤有机碳和全氮的影响[J].福建林学院学报,2007,27(1):1-6.

[8] 涂利华,胡庭兴,张健,等.模拟氮沉降对华西雨屏区苦竹林土壤有机碳和养分的影响[J].植物生态学报,2011,35(2):125-136.

[9] 祁瑜,MULDER J,段雷,等.模拟氮沉降对克氏针茅草原土壤有机碳的短期影响[J].生态学报,2015,35(4):1104-1113.

[10] 文海燕,傅华,牛得草,等.大气氮沉降对黄土高原土壤氮特征的影响[J].草业科学,2013,30(5):694-698.

[11] 李秋玲,肖辉林,曾晓舵,等.模拟氮沉降对森林土壤化学性质的影响[J].生态环境学报,2013,22(12):1872-1878.

[12] 裴广廷,马红亮,高人,等.模拟氮沉降对森林土壤速效磷和速效钾的影响[J].中国土壤与肥料,2014(4):16-20,87.

[13] 魏春兰,马红亮,高人,等.模拟氮沉降对森林土壤可溶性有机碳的影响[J].亚热带资源与环境学报,2013,8(4):16-24.

[14] 何建清,张格杰,张新军,等.西藏色季拉山土壤放线菌的区系[J].山地学报,2008,26(4):503-508.

[15] BOWDEN R D, DAVIDSON E, SAVAGE K, et al. Chronic nitrogen additions reduce total soil respiration and microbial respiration in temperate forest soils at the Harvard Forest[J]. Forest Ecology and Management,2004,196(1):43-56.

[16] 张萌新,朱琳琳,杨佳,等.亚热带常绿阔叶林降雨中可溶性碳氮动态及其对模拟氮沉降的响应[J].安徽农业大学学报,2014,41(4):624-628.

[17] 张莉,吕广林,朱洪如,等.邓恩按幼龄林土壤有机质和全氮质量分数对模拟氮沉降的响应[J].林业勘查设计,2011(1)：63-66.

[18] 朱仕明,董喜光,薛立,等.外源性氮和磷添加对藜蒴林土壤养分及生化特性的影响[J].安徽农业大学学报,2015,42(3):347-352.

[19] 黄军,王高峰,安沙舟,等.施氮对退化草甸植被结构和生物量及土壤肥力的影响[J].草业科学,2009,26(3):75-78.

[20] 李琛琛,刘宁,郭晋平,等.氮沉降对华北落叶松叶特性和林下土壤特性的短期影响[J].生态环境学报,2014,23(12):1924-1932.

[21] 刘建才,陈金玲,金光泽.模拟氮沉降对典型阔叶红松林土壤有机碳和养分的影响[J].植物研究,2014,34(1):121-130.

[22] 袁颖红,樊后保,王强,等.模拟氮沉降对杉木人工林土壤有效养分的影响[J].浙江林学院学报,2007,24(4):437-444.

[23] 樊后保,刘文飞,李燕燕,等.亚热带杉木人工林生长与土壤养分对氮沉降的响应[J].生态学报,2007,27(11):4630-4642.

[24] 王强,陈冬萍,温磊.土壤速效钾对模拟氮沉降增加的响应[J].萍乡高等专科学校学报,2010,27(3):74-77.

EffectsofSimulatedNitrogenDepositiononSoilPhysicochemicalPropertyofQuercusForestinTibet//

Han Yanying, Liu Yunlong, Ye Yanhui, Du Jiahao
(Xizang Agriculture and Animal Husbandry College, Linzhi 860000, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(9)：73-76.

Nitrogen deposition; Linzhi Tibet;Quercusforest; Soil physicochemical property

S151

1)国家自然科学基金项目(31360119，31460112)、西藏农牧学院大学生创新性实验项目(2014，2015)、卓越农林人才教育培养计划改革试点项目-林学(2014)。

韩艳英，女，1978年4月生，西藏农牧学院资源与环境学院，副教授。E-mail:hanyanying3554@126.com。

，叶彦辉，西藏农牧学院资源与环境学院，副教授；中国农业大学资源与环境学院，博士研究生。E-mail:yeyanhui3554@126.com。

2017年4月17日。

责任编辑：任 俐。

To investigate the effects of different degrees of nitrogen deposition on soil nutrient and soil soluble organic carbon content, a field experiment was conducted in Zhuqudeng Village Bujiu Linzhi County TibetQuercusforest, fom July 2014 to August 2015 of simulated nitrogen depositioninsitu(CK, 0, 25, 50, and 150 kg·hm-2·a-1). The effects of nitrogen deposition on the organic matter, total N, total P, total K, available N, available P, available K, exchangeable Ca, exchangeable Mg and pH value and soluble (P<0.05). With the increase of simulated nitrogen deposition, the exchangeable Mg and soluble organic carbon fractions of 0-20 cm soil were inhibited, and the total K content and pH value were increased. The contents of organic matter, total N and available K were increased under low nitrogen treatment and decreased under medium and high nitrogen treatment. All P, available N and available P were increased under LN and HN treatment and decreased in MN treatment. While the exchangeable Ca content was increased after high nitrogen treatment, and then decreased under high nitrogen treatment.