氮沉降对城市绿地植物及土壤养分的影响初探——以果岭草（Cynodon dactylon）为例

莫凌梓，彭彬，王嘉珊，黄伟斌，陈小花，徐国良

广州大学地理科学学院，广东 广州 510006

大气氮沉降是近年来全球变化研究的焦点问题之一（Liu et al.，2011；Bobbink et al.，2010），随着矿物燃料、汽车产业、农业现代化和土地利用变化的发展，大气氮沉降在全球范围内迅速增加。大量而持续的氮沉降对陆地生态系统造成了广泛的影响（贺成武等，2014；Tu et al.，2011）。随着中国社会经济的进一步发展，近年来中国大气氮沉降量也逐年上升。1981—2010年，中国总氮沉降量以 0.041 g·m-2的速度逐年上升（Liu et al.，2013），2010年中国氮沉降总量约为7.6×1012g（郑丹楠等，2014）。氮沉降对环境影响的研究成为确保可持续发展的一个战略需求，逐渐引起国内学者的重视（Fang et al.，2011；Lu et al.，2010）。

随着生态城市概念的提出和发展，人们日益注意到城市绿地的生态意义（保护生物多样性）和环境价值（降温增湿、固碳释氧、抗污染、降噪）（苏泳娴等，2011）。然而，城市生态系统是人类活动最强烈的区域，快速的城市化进程改造了城市大部分下垫面（周莉等，2015；陶玮等，2014），且城市建筑紧凑密集，而城市内的林地、草地、水体等面积相对较小，这就影响到城市内的水、热、小循环和小气候，整个城市生态系统容易被影响和破坏。由于人口密度高、工业布局密集和交通繁忙等原因，人类生产、生活排放的氮化合物大量存在于城市环境中，并且城市氮的来源复杂。研究发现，城市内部产生的氮氧化物可通过大气沉降回到城区范围内（Russell et al.，1993），这些氮氧化物最终成为城市生态系统中的营养盐来源（Schaefer et al.，2009）。目前已知氮沉降的增加将对各种生态系统的结构、功能和过程产生重要影响。例如，短期的氮沉降增加会促进植物生长（李德军等，2005）、降低有机质分解速度并提高生态系统生产力（Tonitto et al.，2014），然而过量的氮沉降会引起植被衰退、土壤酸化、土壤元素比例失衡等生态问题（Isobe et al.，2012；袁颖红等，2011；肖辉林，2001）。因此大量而持续的氮沉降可能对城市绿地植物和土壤产生影响，并且最终影响城市绿地系统质量、功能。然而，目前关于氮沉降对城市绿地生态环境和生物健康的影响途径、危害程度仍缺乏足够的研究，未能深入认识其生态风险。

果岭草（Cynodon dactylon）成坪后草从较密，耐低矮修剪和频繁刈割，践踏后易于复苏，全年常青，被应用于城市绿化。本研究选取果岭草作为研究对象，设置模拟大气氮沉降梯度控制实验，探讨不同程度氮沉降增加对城市绿地植物及土壤化学性质的影响。本研究试图验证以下科学假设：（1）与其他生态系统类似，大气氮沉降将对城市绿地生态系统产生明显影响；（2）持续氮沉降下，城市绿地生态系统地上、地下部分将产生协同响应。本研究可以进一步完善大气氮沉降对城市生态系统影响的研究，揭示氮沉降在城市中可能产生的生态风险。

1　材料与方法

1.1　实验地概况

实验地设置在广东省广州市广州大学城内（113°38′E，23°04′N），由于长期的人为扰动，样地土壤中含有少量石头、瓦块等侵入体。实验地属海洋性亚热带季风气候，以温暖多雨、光热充足、夏季长、霜期短为特征。全年平均气温20～22 ℃，一年中最热的月份是 7月，月平均气温达 28.7 ℃。最冷月为1月，月平均气温为9～16 ℃。平均相对湿度77%，4—9月为雨季，全年水热同期，雨量充沛。Huang et al.（2012）于广州市白云区、天河区、萝岗区、从化市设立观测点，测得其大气无机氮沉降量分别为 4.33、4.12、3.52 和 3.01 g·m-2·a-1。

1.2　样地设计

2016年4月4日建设样地，样地所有土壤均混匀。实验分为4个处理组，包括对照（0 g·m-2·a-1）、N1（5 g·m-2·a-1），N2（10 g·m-2·a-1），N3（15 g·m-2·a-1），采用区组设计，共设 5 个区组，每个区组包括 4种处理，即每个处理有5个重复，共有20个小样方。每个小样方的面积为2 m×2 m=4 m2。不同区组之间以宽50 cm，深35 cm的沟作为间隔；同一区组不同处理小样方之间以长2 m，宽1 m的地块作为间隔。为防止不同处理间土壤相互之间产生干扰，小样方四周均插入有机塑料挡板（深 60 cm）作为间隔。每个小区内均匀铺种50 g果岭草草籽，草籽铺植两周后，每月使用背负式自动喷雾器于不同处理小区内喷洒1次NH4NO3溶液。为保证试验顺利进行，每月进行人工除杂草1～2次。

1.3　样地土壤性质本底调查

试验开始前（2016年4月）对样地0～10 cm土层土壤性质背景进行本底调查，各项指标均无显著差异（表1）。

1.4　采样与测定

连续进行氮沉降实验3个月（2016年7月）、6个月（2016年10月）和12个月（2017年5月）后测定土壤化学性质和果岭草株高。

土壤样品采集：采样时，采用对角线法，在每个小样方内，选取4个点，在每个点用直径为3 cm的取土器分两个土层（0～5 cm和5～10 cm）采集土样，同一个小样方的土壤充分混合后作为1份混合样品，每个处理共得到5个重复样品。

土壤化学性质测定：土壤硝态氮采用波长比色法测定；铵态氮采用靛酚蓝比色法测定；全氮采用靛酚蓝比色法测定；全碳采用重铬酸钾法测定；全磷采用钼锑抗（钼蓝）比色法测定；土壤pH值采用水浸提酸度计法，水土质量比为2.5∶1。

株高测定：在每个样地内分别选择 50株果岭草，用直尺测量其株高，计算株高平均值，每个处理得到5个重复样品。

生物量测定：试验进行 12个月后，将完整的植株连同根系从样地中取出，洗净，将地下部分与地上部分分离，采用烘干称重法（精确到0.01 g）测定植物地上部分和地下部分的生物量干质量，每个处理得到5个重复样品。

根冠比测定：根冠比为植物地下部分与地上部分生物量干质量（g）的比值。

1.5　数据分析

运用SPSS 19.0和Excel 2007软件对数据进行处理和分析，采用多因素方差分析（three-way ANOVA）检验取样期、土层、不同氮处理组之间是否存在交互作用；采用独立样本t检验分析不同土层的显著性差异；采用单因素方差分析（one-way ANOVA）检验不同取样期和氮处理组的差异显著性，并采用最小显著差异法（LSD）对不同处理间各项指标进行多重比较。运用 Origin 8.5软件作图。

表1　苗圃样地土壤基本化学性状（0～10 cm）Table 1　The basis soil chemical properties of the plots (0～10 cm)

2　结果与分析

方差分析结果（表 2、表 3）显示，不同取样期的果岭草株高、土壤 pH、全氮、硝态氮、铵态氮、全碳、全磷均存在极显著差异（P＜0.01）；不同土层的土壤 pH、全氮、铵态氮和全碳存在极显著差异（P＜0.01）；不同氮处理下，果岭草株高、植株密度、根冠比、土壤 pH、硝态氮和铵态氮存在极显著差异（P＜0.01），地上、地下生物量和全碳存在显著差异（P＜0.05）。取样期与土层的交互作用下，铵态氮和硝态氮存在极显著差异（P＜0.01），pH、硝态氮和全氮存在显著差异（P＜0.05）；取样期与氮处理交互作用下，铵态氮与硝态氮存在极显著差异（P＜0.01）；土层与氮处理交互作用下，pH存在显著差异（P＜0.05），铵态氮存在极显著差异（P＜0.01）；取样期、土层和氮处理的交互作用下，铵态氮存在极显著差异（P＜0.01）。

2.1　氮沉降对果岭草的影响

2.1.1氮沉降对果岭草株高和密度的影响

试验期间，果岭草持续生长。不同水平氮沉降处理之间果岭草株高呈现显著差异（P＜0.05）（图1）。施氮3个月和6个月后，不同处理间果岭草株高表现为 N1＞N2＞N0＞N3。施氮 3个月，N1处理和N2处理下果岭草株高比 N0分别高 19.70%和8.92%，而N3处理果岭草株高比 N0低17.69%，N1、N2处理与N3处理差异显著（P＜0.05）。施氮6个月，N1处理和N2处理下果岭草株高比N0分别高23.50%和7.58%，而N3处理果岭草株高比N0低32.34%，N3处理与N1处理差异显著（P＜0.05）。施氮12个月后，果岭草株高表现为N2＞N1＞N3＞N0，N1、N2和 N3 处理下果岭草株高比N0分别高28.00%、39.45%和14.02%，N2处理与N0处理差异显著（P＜0.05）。

图1　不同氮沉降处理对果岭草株高的影响Fig. 1　Effects of different nitrogen treatments on the height of the green grass

表2　各因子及其交互作用对样地植株的影响Table 2　Main and interaction effects of sampling data and nitrogen treatments on plant in sample plot (A three-way ANOVA results were showed)

表3　各因子及其交互作用对样地土壤化学性质的影响Table 3　Main and interaction effects of sampling data, soil layer and nitrogen treatments on soil chemical properties in sample plot(A three-way ANOVA results were showed)

施氮 12个月后，不同氮处理的果岭草植株密度差异极显著（P＜0.01），不同处理间果岭草植株密度表现为N1＞N2＞N0＞N3，N1处理植株密度极显著大于N0、N2和N3处理（图2）。

图2　12个月后不同氮沉降处理对果岭草植株密度的影响Fig. 2　Effects of different nitrogen treatments on the density of the green grass after 12 months

2.1.2氮沉降对果岭草生物量及根冠比的影响

施氮 12个月后，不同氮处理对果岭草地上、地下生物量和根冠比产生显著影响（P＜0.05）（表2），地上生物量表现为 N1＞N2＞N0＞N3（图 3），N1与N0、N3地上生物量差异极显著（P＜0.01）；地下生物量表现为 N1＞N2＞N3＞N0（图 4），其中 N1与N0、N2地下生物量差异显著（P＜0.05），与N3差异极显著（P＜0.01）。根冠比表现为 N0＞N1＞N3＞N2（图 5），N0与 N2、N3根冠比具有极显著差异（P＜0.01），与 N1 具有显著差异（P＜0.05）。

图3　12个月后不同氮沉降处理对果岭草地上生物量的影响Fig. 3　Effects of different nitrogen treatments on the above biomass of the green grass after 12 months

图4　12个月后不同氮沉降处理对果岭草地下生物量的影响Fig. 4　Effects of different nitrogen treatments on the underground biomass of the green grass after 12 months

图5　12个月后不同氮沉降处理对果岭草根冠比的影响Fig. 5　Effects of different nitrogen treatments on the Root/Shoot ratio of the green grass after 12 months

2.2　氮沉降对土壤化学性质的影响

2.2.1氮沉降对土壤pH值的影响

施氮处理前，苗圃各个样地土壤pH值近似，均呈弱碱性（表1）。N处理水平和时长对土壤pH值均产生了显著影响（表3）。氮沉降处理3个月后，苗圃土壤pH值有所下降，但总体下降幅度较小，不同浓度氮沉降处理之间的土壤pH值差异并不显著（图6）。6个月氮处理后，土壤表层pH值受到氮处理明显影响，0～5 cm土层pH值显著低于5～10 cm土层（P＜0.05），同时0～5 cm土层不同处理水平之间也存在显著差异（P＜0.05），处理强度越大，土壤pH值越低，N1、N2、N3的pH值分别比N0低8.81%、17.11%、21.23%，其中N0与N2、N3之间存在显著性差异（P＜0.05）。12个月氮处理后，土壤pH值进一步下降，0～5 cm土层pH值低于5～10 cm土层，且两个土层间存在极显著差异（P＜0.01），0～5 cm 土层不同处理水平之间存在极显著差异（P＜0.01），N1、N2、N3的pH值分别比N0低9.11%、20.00%、26.39%，其中 N0与 N2差异显著（P＜0.05）、与N3差异极显著（P＜0.01）；5～10 cm土层不同处理水平之间存在显著差异（P＜0.05），N1、N2、N3的pH值分别比N0低2.91%、6.39%、8.27%，其中N0与N2、N3存在显著性差异（P＜0.05）。

图6　氮沉降处理对土壤pH的影响Fig. 6　Effects of different nitrogen treatments on soil pH

2.2.2氮沉降对土壤全氮、铵态氮、硝态氮的影响

不同取样期土壤全氮存在极显著差异（P＜0.01）（表 3），氮沉降增加处理对土壤全氮含量产生了一定影响（图7）。氮处理3个月后，不同处理间土壤全氮含量并未出现显著差异。施氮处理6个月后，两个土层的土壤全氮含量表现为 N3＞N2＞N1＞N0。施氮处理12个月后，0～5 cm土层的土壤全氮含量表现为 N3＞N2＞N1＞N0；5～10 cm 土壤全氮含量表现为 N3＞N1＞N2＞N0，其中 N3与 N0、N1存在显著差异（P＜0.05）。

氮沉降增加对土壤铵态氮影响显著，土壤铵态氮含量随施氮水平增加和施氮时间延长而增加（图8）。氮沉降处理6个月后，0～5 cm土层的铵态氮含量极显著高于 5～10 cm 土层（P＜0.01），同时 0～5 cm土层铵态氮含量随处理水平的增加而显著递增，呈现明显的N3＞N2＞N1＞N0梯度变化。氮沉降处理12个月后，土壤铵态氮含量持续增加，0～5 cm土层铵态氮含量极显著高于5～10 cm土层（P＜0.01），两个土层均呈N3＞N2＞N1＞N0梯度变化，不同氮处理之间的差异极显著（P＜0.01）。

图7　氮沉降处理对土壤全氮含量的影响Fig. 7　Effects of different nitrogen treatments on soi ltotal nitrogen

不同取样期及不同氮沉降处理下硝态氮的差异极显著（P＜0.01）（表3）。施氮 3个月后，不同氮沉降处理土壤硝态氮含量差异并不显著（图9），0～5 cm土层土壤硝态氮含量均低于5～10 cm土层；施氮6个月后，硝态氮含量反而比3个月时低，0～5 cm 土层硝态氮含量极显著高于 5～10 cm 土层（P＜0.01），两个土层不同氮沉降处理下呈现N3＞N2＞N1＞N0梯度变化，0～5 cm 土层不同氮处理之间土壤硝态氮存在极显著差异（P＜0.01）。施氮12个月后，硝态氮含量比施氮6个月时高，0～5 cm土层硝态氮含量高于5～10 cm土层，但两个土层差异不显著，不同氮沉降处理均呈现 N3＞N2＞N1＞N0梯度变化，两个土层不同氮处理之间土壤硝态氮含量存在极显著差异（P＜0.01）。

图8　氮沉降处理对土壤铵态氮含量的影响Fig. 8　Effects of different nitrogen treatments on soilN

图9　氮沉降处理对土壤硝态氮含量的影响Fig. 9　Effects of different nitrogen treatments on soil N

2.2.3氮沉降对土壤全碳、全磷的影响

不同取样期全碳与全磷含量均有极显著差异（P＜0.01）（表3），但不同氮沉降增加处理间的全碳和全磷含量并未出现显著差异（图10，图11），氮沉降并未对土壤全碳和全磷含量产生显著影响。

3　讨论

3.1　氮沉降对城市绿地植物生长的影响

株高是表征植物获取空间和光照资源能力的重要指标，也是衡量植物生长发育的重要指标（李文达等，2016）。本研究中，增加外源氮总体上促进了果岭草的生长。氮沉降处理3个月和6个月后，低氮、中氮处理组的果岭草株高均高于对照组。值得注意的是，3个月时低氮处理组果岭草株高最大，而6个月时中氮处理组株高最大；高氮处理组的果岭草株高在处理3个月和6个月时低于对照组，表明受到氮处理的负效应影响，但在处理12个月后，高氮处理组的果岭草株高高于对照组。氮增加的负效应没有体现时间累积作用，却表现出高氮处理的正效应，可能是受到了水分条件变化的影响（徐国良等，2005）。因为降水的季节变化影响了植物对氮的吸收利用。氮沉降处理后3～6个月广州正值雨季，尤其是7月、8月降水较多，植物对氮的利用率较高，而处理 12个月时广州正值干季，降水较少，植物对氮的利用率较低，因此高氮处理可对果岭草株高产生正效应。相关研究表明，水分能够影响氮对植物生长的促进作用，充足的水分供给能保证氮发挥最大的效应，反之，水分缺乏时氮对植物生长的作用会受到限制（周晓兵，2010）；Mcculley et al.（2009）对半干旱矮草草原和半湿润高杆草草原进行研究，指出植物对氮素的利用效率随降水增加而增加；Giese et al.（2011）发现可利用无机氮和植物生产力与植物氮吸收量之间存在正相关关系，植物生产力和氮的可利用性具有同步变化规律。不过，由于本实验研究时间较短，关于降水变化影响城市草本植物对氮素吸收利用的作用机制，还有待进一步研究。

图10　氮沉降处理对土壤全碳含量的影响Fig. 10　Effects of different nitrogen treatments on soil total carbon

图11　氮沉降处理对土壤全磷含量的影响Fig. 11　Effects of different nitrogen treatments on soil total phosphor

生物量可有效反映植物的生长状况（杨鑫等，2014），而根冠比可表征植物地上和地下生物量之间分配比例的关系，也可反映植物对自身资源的空间配置状况（潘庆民等，2004）。相关研究表明，随着土壤中氮质量分数的增加，植物根系的养分吸收能力逐渐过剩，植株会将更多的资源分配给地上部分，使得地上部分变得高大，地上生物量相应增加，以利于获得更多的光照（李盼盼等，2017）；同时，当土壤中养分充足时，植物生长由养分限制转变为光限制，为了使自身获得充足的光照，减轻植物受遮阴的影响，相较于根系，植株需分配更多的生物量到地上碳同化器官，使植物地上部分得到最快生长，在土壤养分过于充足时，根冠比反而较低（祁瑜等，2011；唐华等，2011）。因此，植物根冠比通常随着施氮量的增加而减小（王忠强等，2007）。Pan et al.（2005）发现氮添加显著増加了羊草（Leymus chinensis）的地上、地下生物量，并且显著降低了植株的根冠比。本研究中，低氮和中氮处理的地上、地下生物量均高于对照，而高氮处理的地上、地下生物量则略低于对照；同时果岭草根冠比随着施氮量的增加呈减小趋势，这说明氮沉降影响了果岭草生物量的积累，同时也影响了其生物量在地下、地下之间的分配，这与Pan et al.（2005）的研究结果是一致的。

已有研究表明，一定量的氮沉降虽然可以提高植物的生产力，但当沉降量超过了植物和微生物对氮的需求时，也就是氮积累到一定程度出现氮饱和现象时，植物的生产力反而降低，这是由于高氮量会导致土壤酸化、营养元素不平衡，不利于植物的生长（李德军等，2005；樊后保等，2006；Bauer et al.，2004；Lu et al.，2014），即氮沉降增加对植物生长的作用存在着阈值效应。城市绿化草种对氮沉降也有相同的响应。从本研究结果看，氮沉降处理对果岭草株高具有显著影响（P＜0.05），施氮3个月后，低氮处理N1、中氮处理N2显著高于高氮处理N3（P＜0.05）；6个月后，低氮处理N1显著高于高氮处理N3（P＜0.05）。不同处理间果岭草植株密度、地上生物量、地下生物量都表现为典型的单峰曲线，低氮处理处于最高峰，高氮处理一般处于最低值，表现出低氮处理的正效应及高氮处理的负效应。因此一定量的氮输入虽然可能提高果岭草的生产力，促进其生长，但是应该密切关注区域的氮沉降量变化，并找出氮沉降对城市绿地植物生长及相关生理指标造成负面影响的临界值。

3.2　氮沉降对城市绿地土壤养分的影响

城市土壤是城市生态系统的重要组成部分，是城市绿色植物的生长介质和养分的供应者（张甘霖等，2007）。由于受到人为扰动，城市土壤与自然土壤有一定的差异，许多城市土壤存在土壤酸碱度变化较大、有效态养分匮乏或营养过剩以及土壤肥力下降等问题（Stroganova et al.，1998；张甘霖，2005）。另外，大部分城市新建绿地土壤均是客土，许多绿地土壤质量较差是自绿化施工之时就存在的（伍海兵，2013）。据报道，广州市绿地土壤pH为强酸性（pH＜4.5）至微碱性（pH 7.5～8.5），并以中性至碱性为主（卓文珊等，2007），且部分存在碱化现象（朱纯等，2010）。本研究中，虽然土壤背景值明显呈弱碱性（表1），但是氮沉降增加造成了土壤pH值降低，变化最为明显的是0～5 cm土层，其经过6个月的氮沉降后，不同氮处理组间的 pH值具有一定差异，这是因为本研究所施加的氮源为都能导致土壤发生酸化。袁颖红等（2011）在施加NH4NO3的处理中发现，与对照相比，土壤中的浓度有明显提高；胡波等（2015）研究表明，土壤pH随着氮沉降量的增加而降低。本研究中的苗圃样地土壤原为弱碱性土壤，试验期间低氮和中氮输入使表层土壤趋于中性，而高氮输入则使表层土壤呈酸性。换言之，低度适量的氮沉降作用于碱性土壤中可以中和土壤酸碱度，调节土壤pH值，但是过量的氮沉降则会使土壤发生酸化。

氮素是植物生长需要的重要元素之一，土壤铵态氮和硝态氮则是土壤有效氮的普遍存在形式，最易被植物吸收（莫江明等，2001；孟盈等，2001）。本研究中，土壤铵态氮的含量随着氮沉降水平升高，施氮时间延长，其增长趋势趋于明显；硝态氮含量虽然有显著的季节效应，但在试验6个月和12个月后，两个土壤层硝态氮含量都随着氮处理水平增加而明显增加。相关研究表明，铵态氮可被土壤吸附而不易造成淋失，因此施氮后铵态氮较多集中在上层土壤，并使上下层土壤中含量差异加大（奚振邦，2011）；但是，硝态氮则较易于淋溶，当土壤湿润时，硝态氮会随水分下渗而下移，在饱和水流条件下引起氮的淋失，因此雨季是硝态氮淋溶发生的重要时期（蔡乾坤等，2016；串丽敏等，2010）。硝态氮易随向下水流移动并分布至中下层土壤，一方面，有利于植物不断伸展的深层根系吸收氮，另一方面也可能增加氮素的淋失（奚振邦，2011）。林兰稳等（2013）对广州东北郊大气氮湿沉降进行研究，发现各种形态氮的湿沉降量与降雨量呈极显著正相关关系，降雨量越大的月份，该月份的氮沉降量占年度总沉降量的比例也越大。本研究时间为2016年4月—2017年4月，在试验进行3个月时，正值广州夏季而有较高的降水量，降水输入使得土壤硝态氮含量较高，土壤硝态氮随着降水下渗，因此试验 3个月时，5～10 cm土层硝态氮含量高于0～5 cm土层。试验处理6个月后和12个月后铵态氮在0～5 cm土层累积，这主要是由于铵态氮比硝态氮更易被固持。从氮沉降对土壤有效氮综合影响来看，施氮使得绿地土壤硝态氮与铵态氮含量有所增加，一方面硝态氮与铵态氮的增加提高了城市绿地的生产力，而另一方面也可能提高氮素从城市绿地流失的风险。

4　结论

本文以城市绿地典型植物——果岭草为研究对象，进行了为期 12个月的模拟大气氮沉降梯度控制试验，得出以下结论：

（1）氮沉降量为5 g·m-2·a-1时，果岭草地上、地下生物量以及植株密度最大；氮沉降量为 10 g·m-2·a-1时，株高最高；根冠比随着施氮量的增加呈减小趋势。由此表明，适量氮沉降处理有利于植株的生长及生物量的积累，但应该密切关注区域的氮沉降量变化，并找出氮沉降对城市绿地植物生长及相关生理指标造成负面影响的临界值。

（2）城市绿地土壤pH值随着施氮量的增加呈减少趋势，低度适量的氮沉降作用于城市碱性土壤中可以中和土壤酸碱度，调节土壤pH值。

（3）施氮处理使得绿地土壤中的有效氮含量得到一定程度的提高，一定程度有利于提高城市绿地的生产力。

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