凋落物和氮添加对亚热带森林土壤浸提氮组分的影响

王梦思 ，林伟 , ，马红亮 *，尹云锋 ，高人

1. 福建师范大学地理科学学院，福建 福州 350007；2. 福建师范大学湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福建 福州 350007；3. 广西玉林实验中学，广西 玉林 537000

氮素是森林生态系统中主要的生长限制因子，与森林群落组成、生产力、植物多样性等都具有密不可分的关系（Grant，2014）。土壤可溶性氮作为土壤活跃的氮组分易淋溶流失（殷睿等，2013），水溶性和交换性氮可用于衡量土壤肥力（钟珍梅等，2017）。Gerardh et al.（2009）研究发现，酸解性SON含量可比中性盐浸提含量高出10倍以上，水浸提的土壤无机氮含量比K2SO4浸提的高（邹玉亮等，2012）。铵态氮、硝态氮等可溶性氮含量虽少，但森林植被对其的时空干扰动态在退化生态系统恢复与重建中具有重要意义（欧江等，2015），且用不同浸提剂序列浸提土壤氮素的含量和特征不一样。因此，不同氮组分对土壤氮素循环和转化过程具有不同程度的调节作用。目前，有关碳组分（Buckingham et al.，2008；王春燕等，2016；李志聪等，2018）的研究较多，而关于氮组分的研究大多集中于对比不同植被间（赵溪等，2010）、水热关系间（赵路红等，2018）的氮组分差异，而对氮添加对不同浸提剂浸提土壤氮组分的影响研究鲜见报道。

自工业革命以来，矿物燃料燃烧、含氮化肥使用等活动导致大气氮沉降急剧增加（Bai et al.，2010）。据预计，全球输入陆地生态系统的活性氮将由 1995年的 86 Tg增加到 2050年的 135 Tg（Fowler et al.，2013）。有研究表明，氮添加使土壤氮更多地以有机氮的形式增加，且降低土壤pH值（陈冠陶等，2018），使土壤酸化，降低土壤微生物呼吸速率，从而影响土壤呼吸（肖胜生等，2018）。Yan et al.（2008）发现氮输入使木质素与NO3--N、NH4+-N结合形成稳定化合物储存在土壤中，氮添加能显著增加土壤水溶性氮，影响K2SO4浸提的土壤总氮和氨基酸的含量（郭景恒等，2011；Chen et al.，2013）。在森林生态系统，凋落物分解影响土壤氮动态（Zhou et al.，2015），以及土壤有机质分解、氮素转化和微生物活性等过程（Jiang et al.，2013）。唐佐芯等（2018）发现叶凋落物输入可增加土壤无机氮含量、土壤微生物生物量氮和土壤酶活性，能有效维持和提高林地土壤质量。Chen et al.（2015）研究表明，凋落物分解能提高土壤水溶性有机氮含量，影响土壤净氮矿化；甚至，Turner et al.（2017）认为凋落物分解物质的输入、土壤氮组分间的转化以及氮的矿化，是参与氮循环的重要环节，氮沉降和土壤氮素转换间存在紧密联系。因此，分析氮沉降和凋落物对土壤氮组分的影响是准确评价和理解其对土壤氮动态影响的基础。

本研究以福建省建瓯市万木林自然保护区针阔叶林为研究对象，在去除凋落物和保留凋落物条件下，通过不同氮添加处理来探讨亚热带森林土壤氮组分对氮沉降的响应。测定土壤水溶性氮，交换性氮，酸解性氮组分中的无机氮、总可溶性氮、可溶性有机氮、土壤惰性氮组分，以及微生物生物量氮，阐明凋落物和氮添加对各氮组分含量的影响以及各组分之间的相关性，以期为生态系统中的氮素转化与固持问题研究提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与样地设计

研究区位于福建省建瓯市万木林自然保护区（27°03′N，118°09′E），平均海拔为 554 m，气候类型属于亚热带季风气候，年均温为 18.8 ℃，年均降水量为1673.3 mm，无霜期约为290 d；土壤类型为微酸性山地红壤。为了研究中亚热带不同植被类型土壤浸提氮对氮沉降的响应，本研究选取了保护区内以罗浮栲林（Castanopsis fabri，CAF）为优势种的天然林和以杉木林（Cunninghamia lanceolata，CUL）为优势种的人工林为研究对象。用土钻采集0～15 cm土层，测定土壤pH、全碳、全氮，试验样地主要特征见表1。

2009年9 月，在罗浮栲天然林和杉木人工林的中坡布置试验样地，采用二因素三重复区组设计，即2种凋落物处理方式，3个施氮水平，3个重复，共18个试验小区，每个试验小区面积为2 m×2 m，各处理间隔10 m以上，以防止相互干扰。其中，凋落物处理方式为去除凋落物层（去凋）和保留凋落物层（留凋）；施氮水平为对照（CK，0 kg·hm-2·a-1）、低氮（LN，30 kg·hm-2·a-1）和高氮（HN，100 kg·hm-2·a-1），以 NH4NO3为氮源，用蒸馏水将其配制成所需氮浓度梯度溶液，分别于每年的5月、9月、12月均匀喷洒于样地土壤表面，CK处理喷洒等量蒸馏水。从2012年9月开始调整施肥量：对照（CK，0 kg·hm-2·a-1）、低氮（LN，75 kg·hm-2·a-1）和高氮（HN，150 kg·hm-2·a-1）。

1.2 采样与样品分析

2014年8 月，在每个试验小区内，使用土钻按照对角线（即4个角+对角线中点）采集0～15 cm土层，将相同样地的土壤均匀混合，室内风干，去除砂石、根系等杂质后，过2 mm筛，待用。新鲜土壤用不同的浸提剂（水、0.5 mol·L-1K2SO4、2.5 mol·L-1H2SO4、13 mol·L-1H2SO4）按照水土比（V:m=5:1）逐步浸提获取各氮组分。具体操作如下：

（1）水溶性氮：称取相当于20 g干土的鲜土，注入100 mL蒸馏水浸提土壤，振荡、过滤，其滤液用于无机氮（NH4+-N、NO3--N）、可溶性有机氮（SON）、可溶性总氮（TSN）测定，剩余的土壤用蒸馏水冲洗3次后风干，待浸提。

（2）交换性氮：称取步骤（1）风干土壤8 g，注入40 mL 0.5 mol·L-1K2SO4浸提土壤，其他操作同步骤（1），剩余的土壤用蒸馏水冲洗3次后风干，待浸提。

（3）酸解性氮：称取步骤（2）风干土壤1 g，加入 5 mL 2.5 mol·L-1H2SO4溶液，在 105 ℃下水解3 h，随后用20 mL蒸馏水冲洗并转移到50 mL离心管中，振荡、离心、过滤，获得的滤液待测；往剩余土壤中加入2 mL 13 mol·L-1H2SO4溶液，常温下振荡 12 h后用蒸馏水稀释使其浓度为 1 mol·L-1，105 ℃下水解3 h，再用20 mL蒸馏水冲洗并转移到50 mL离心管中，置于摇床中振荡1 h（250 r·min-1），最后离心 10 min（4000 r·min-1），过0.45 µm滤膜，获得的滤液待测。

难溶于酸的那部分惰性氮（RN）采用差减法计算，用元素分析仪测得的土壤全氮含量减去用各种浸提剂获得的土壤可溶性氮总含量之和的差即为惰性氮含量。

土壤微生物生物量氮采用氯仿熏蒸浸提法测定（吴金水等，2006）。称取两份新鲜土样（约相当于烘干土8.0 g）于平面皿中，放入真空干燥器内，再放入一只盛有无水乙醇氯仿的小烧杯，真空抽气，氯仿沸腾约5 min后，黑暗处熏蒸24 h，然后反复抽真空以排除氯仿，并用0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提，振荡30 min，过滤。对照土样不进行熏蒸处理，直接用0.5 mol·L-1K2SO4浸提、振荡和过滤。滤液用于微生物生物量氮测定。

表1 试验样地基本概况Table 1 Basic characteristics of experimental plots

1.3 测定方法

使用连续流动分析仪（SKALAR SAN++，荷兰）测定土壤浸提液中的NH4+-N、NO3--N和TSN含量，SON含量为TSN与无机氮（NH4+-N、NO3--N）之差；土壤全碳全氮用碳氮元素分析仪（Elemantar Vario MAX CN，德国）测定。

土壤惰性氮含量计算：

式中，ωRN为惰性氮质量分数，mg·kg-1；ωTN为土壤全氮质量分数，mg·kg-1。ωITN为蒸馏水浸提的氮质量分数，mg·kg-1；ωIITN为硫酸钾浸提的氮质量分数，mg·kg-1；ωPITN为弱酸浸提的氮质量分数，mg·kg-1；ωPIITN为强酸浸提的氮质量分数，mg·kg-1。

惰性氮指数可反映土壤中难被利用的氮含量变化情况，在土壤氮素循环中起重要作用，计算式为（Rovira et al.，2002）：

式中，IRN为惰性氮指数，%；ωRN为惰性氮质量分数，mg·kg-1；ωTN为土壤全氮质量分数，mg·kg-1。

土壤微生物生物量氮含量计算：

ωMBN=ωEN/KEN

式中，ωMBN为土壤微生物生物量氮质量分数，mg·kg-1；ωEN为熏蒸土样与未熏蒸土样全氮之差，mg·kg-1；KEN为转化系数，取 0.54（Rainer，1996）。

1.4 数据处理

测定结果均以土壤干重计算，运用Excel 2003对数据进行统计处理并计算平均值和标准偏差。采用 SPSS 18.0中的单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）分析不同氮添加处理间的差异显著性；采用三因素方差分析氮添加、林分、凋落物及其交互作用；采用线性回归模型分析 SON与 MBN的相关性；采用 Pearson简单相关系数双侧检验各氮组分之间的相关性。运用Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 凋落物和氮添加对不同浸提剂浸提森林土壤NH4+-N含量的影响

各处理中水、硫酸钾、弱酸和强酸浸提的NH4+-N平均含量分别占总NH4+-N含量的1.0%、5.5%、57.8%和35.7%（图1a），林分显著影响水和强酸浸提土壤NH4+-N含量（表2），水和强酸浸提的 CAF土壤中 NH4+-N平均含量分别比 CUL高163.1%和 41.6%。凋落物显著影响水和弱酸浸提NH4+-N，留凋处理比去凋处理分别高 47.4%和15.0%。氮添加仅对硫酸钾浸提土壤NH4+-N有显著影响，CUL-B中LN分别比CK、HN增加57.1%和35.0%。氮添加、林分和凋落物交互作用对 4种浸提剂浸提土壤NH4+-N影响不显著。

表2 不同氮添加、林分、凋落物对土壤浸提氮组分的三因素方差分析Table 2 Results of three-factor ANOVA comparing nitrogen addition, forest types, litter and their interaction on NH4+-N, NO3--N, TSN and SON in different extracts

图1 氮添加对不同浸提剂浸提土壤氮组分含量的影响Fig. 1 Effect of nitrogen addition on the soil NH4+-N (a), NO3--N (b), SON (c) and TSN (d) in soil extracts for two forests

2.2 凋落物和氮添加对不同浸提剂浸提森林土壤NO3--N含量的影响

各处理中水、硫酸钾、弱酸和强酸浸提的NO3--N平均含量分别占总NO3--N含量的18.8%、0.8%、40.0%和40.3%。CUL土壤中水、硫酸钾、弱酸和强酸浸提的NO3--N平均含量分别比CAF显著高60.8%（P=0.004）、73.0%（P=0.003）、-14.4%（P=0.046）和-16.3%（P=0.013）（图 1(b)，表 2）。凋落物显著影响水和弱酸浸提以及强酸浸提的NO3--N。与留凋处理相比，去凋处理水浸提NO3--N平均含量显著降低了51.8%，而弱酸和强酸分别显著提高了 25.5%和19.3%。氮添加对水和硫酸钾浸提的NO3--N有显著影响，CAF-B土壤中浸提的总NO3--N含量表现为 LN显著低于 CK，水浸提的NO3--N表现为HN显著高于CK（118.4%）和LN（72.2%），而弱酸浸提的CK显著高于LN（55.0%）。CUL-A中水和硫酸钾浸提NO3--N平均含量表现为HN比CK分别显著增加588.8%和158.7%。氮添加、林分和凋落物三者交互作用仅对弱酸浸提土壤NO3--N有显著影响。

2.3 凋落物和氮添加对不同森林土壤浸提SON含量的影响

各处理中水、硫酸钾、弱酸和强酸浸提的SON平均含量分别占总SON含量的0.6%、3.2%、60.0%和 36.2%（图 1c）。林分显著影响水、硫酸钾和弱酸浸提的SON含量（表2），CAF中SON平均含量分别比CUL显著高34.0%、117.9%和21.1%。与去凋处理相比，留凋处理中弱酸和强酸浸提 SON平均含量分别显著增加13.6%和25.1%。氮添加对不同方法浸提的 SON的影响不显著。氮添加和林分交互作用对硫酸钾浸提的 SON有显著影响。氮添加、林分和凋落物三者交互作用仅对水浸提的土壤SON有显著影响。

2.4 凋落物和氮添加对不同森林土壤浸提TSN含量的影响

各处理中水、硫酸钾、弱酸和强酸浸提的SON平均含量分别占总SON含量的1.2%、3.8%、58.7%和36.3%（图1d）。林分显著影响硫酸钾、水和弱酸浸提的土壤 TSN（表 2），与 CUL土壤相比，CAF中硫酸钾、水和弱酸浸提的TSN平均含量分别显著增加 48.5%、13.3%和 13.1%。留凋处理中水、弱酸和强酸浸提的TSN平均含量比去凋处理分别显著增加 26.4%、13.3%和 19.9%。氮添加仅对水浸提的土壤TSN有显著影响，CUL-A中水浸提的TSN含量表现为HN显著高于LN（77.0%）和CK（50.5%），CUL-A中总TSN表现为HN显著高于CK（24.8%）。三者的交互作用对浸提的土壤TSN影响不显著。

图2 氮沉降和凋落物对不同土壤惰性氮指数IRN和MBN含量的影响Fig. 2 Effect of nitrogen addition and litter on inert nitrogen index (IRN, a) and the content of MBN(b) in soils

2.5 凋落物和氮添加对不同森林土壤 IRN和 MBN含量的影响

如图 2(a)所示，林分对 IRN影响不显著。去凋处理中 IRN比留凋处理高 34.9%，氮添加显著降低了 2种林分土壤中 IRN（P=0.000），降幅为64.7%～82.2%；去凋处理比留凋处理降幅更大，CAF-A和CUL-A土壤IRN均表现为HN显著低于CK（73.5%和72.5%）。如图2(b)所示，林分显著影响MBN含量（P=0.000），CAF的MBN平均含量显著高于 CUL（119.3%），且 CAF-B高于 CAF-A（38.5%，P=0.002）。氮添加对MBN含量的影响不显著。

2.6 土壤浸提氮的相关性分析

由图3可知，土壤微生物生物量氮与用水、硫酸钾和弱酸浸提的SON含量具有显著的正相关性。由R2可知，用弱酸浸提的SON对微生物的有效程度最高，其次为硫酸钾和水，用强酸浸提的 SON对微生物的有效程度最低。

土壤各组分氮之间显著的正相关性主要体现在不同的氮形态上；且水浸提组分与其他组分的相关性低于硫酸钾浸提的（表 3）。水溶性和交换性NO3--N与SON呈负相关，而各组分NH4+-N与SON呈正相关（表4）。

3 讨论

3.1 凋落物对不同土壤浸提剂浸提森林土壤氮组分的影响

图3 土壤微生物生物量氮与土壤各浸提有机氮的相关性Fig. 3 Correlation analysis between soil microbial biomass nitrogen and soil extractable organic nitrogen

表3 不同浸提剂浸提氮组分、氮素之间的相关分析Table 3 Correlation analysis between different nitrogen components and nitrogen by different extracts solution

凋落物分解是土壤有效氮的重要来源。在2个林分中，留凋处理中浸提的土壤总 SON含量高于去凋处理，而凋落物中较难分解的木质素、多酚等会影响 SON的释放，说明去凋处理相当于去除了一部分外源 SON（杨秀虹等，2013）。去除凋落物减少养分输入土壤，降低土壤持水能力，加快养分流失，最终导致土壤碳氮含量降低（郑卫国等，2011），这与本研究中留凋处理TSN含量显著高于去凋处理的结果一致，而且也不利于惰性组分的累积。阔叶林凋落物现存量（表1）、留凋处理的可溶性有机氮（图 1c）、MBN含量（图 2b）和留凋处理SON占TSN的比例平均值均高于针叶林，因此，林分显著影响土壤NH4+-N和NO3--N含量（表2）。本研究区罗浮栲天然林土壤活性有机质中可溶性糖比杉木人工林高（高艳等，2014），说明阔叶林土壤由活性有机氮矿化而来的无机氮含量比针叶林高。针叶树种凋落物中含有较多难分解的、疏水性芳香族化合物，而阔叶树种凋落物中含有较多易变的、亲水性低分子量化合物。因此，阔叶林植物利用无机氮的有效性高，这些物质的性质差异在释放和分解过程中也会造成土壤碳氮组分的不同（Kalbitz et al.，2003）。由于亚热带不同植被类型对土壤活性有机质（微生物量碳氮、水溶性有机碳氮、轻组有机质）有显著影响（Wang et al.，2011），阔叶天然林中SON占TSN的比例显著高于针叶林（闫聪微等，2012）。

Xing et al.（2010）发现土壤MBN与土壤SON呈显著正相关，这与本研究结果一致（图3），说明微生物群落在森林土壤有机氮动态转化中扮演重要角色。Rovira et al.（2002）发现 13 mol·L-1H2SO4获得的有机质大多数为凋落物腐殖质中较难分解的物质，其中含有氧化缩合的氨基酸、多肽、酚类物质和木质素类等不易被微生物分解的物质，故强酸性SON与MBN的相关性较弱。而用水、硫酸钾和弱酸浸提的SON与MBN具有极显著的正相关性（图3），且Oades et al.（1979）用H2SO4分两步水解土壤发现获得的有机质都主要来源于微生物，说明这部分 SON显著影响土壤微生物氮的固定和矿化，能够为微生物提供大量的能量来源。

3.2 氮添加对不同土壤浸提剂浸提森林土壤氮组分的影响

氮添加对各水溶性氮形态的影响不同。辛奇等（2017）发现，由于研究区域土壤氮贫瘠和植物生物量提高会增加植物对溶解性氮素的需求从而减弱水溶性氮对氮添加的响应。本研究中，留凋罗浮栲林土壤浸提 NO3--N含量随施氮量的增加而减少，氮添加提高土壤微生物活性从而加速了硝化进程（华茜，2016），促进NO3--N的利用（Kalbitz et al.，2003）和流失（Gundersen et al.，1998），使土壤氮含量减小。而留凋杉木林土壤浸提的总NO3--N和NH4+-N都随施氮的增加而增加，可能是有效氮的增加会抑制杉木人工林中木质素分解酶的产生，且NO3--N和NH4+-N都可能与木质素或酚类化合物结合，形成难分解的腐殖化合物，降低氮分解速率，从而提高土壤氮积累（Berg et al.，1997；吕超群等，2007）。杉木林土壤中水溶性NO3--N含量随氮添加量增加而显著增加，而NH4+-N没有明显变化，可能原因是氮添加通过SON的增加来促进异养硝化，使土壤NO3--N积累。植物生物量随施氮量的增加而提高，多吸收的这部分NH4+-N与氮添加的部分NH4+-N抵消了，这与Gundersen et al.（1998）研究结果类似。

表4 不同氮组分中各氮素之间的相关分析Table 4 Correlation analysis between nitrogen in different nitrogen components

氮添加使得去凋杉木人工林水溶性 SON显著降低，说明外源氮添加可促进土壤微生物分解凋落物（辛奇等，2017），以释放更多的SON，或SON矿化增加水浸提的无机氮含量（图 1）。裴广廷等（2015）研究也发现，亚热带森林土壤中添加的低分子化合物（氨基酸）能迅速转化为无机氮，且氨基酸的半衰期较短（Ma et al.，2016）。VonLützow et al.（2007）发现酸溶液能有效酸解土壤中的碳水化合物和蛋白质，剩下的相当大一部分难酸解的惰性有机质主要以未分解的木质素结构存在于土壤中。本研究发现，2个林分惰性氮指数在土壤中的含量随施氮的增加而下降（图2），酸解获得的SON随着施氮的增加而增加（图1），可能原因是氮添加促进土壤木质素的降解，更容易产生溶解性的碳水化合物和含氮化合物。与本研究不同，Craine et al.（2007）认为，在氮有效性较低的情况下，凋落物分解加快，以从惰性有机质中获取更多的氮。因此，氮添加降低土壤惰性氮指数是否是短期效应还需要深入研究。

3.3 组分之间的关系

研究发现，用不同浸提剂浸提的土壤氮含量和特征不一样，植物吸收和微生物分解利用的氮组分本身存在差异，因此，氮组分的变化被用来预测土壤SON矿化和氮流失（Zhong et al.，2003）。Chen et al.（2008）发现用水和盐溶液浸提获得的森林土壤SON含量变化范围是1～448 mg·kg-1，本研究中水和硫酸钾浸提的 SON也在此范围，而用硫酸浸提的SON是382～1132 mg·kg-1，显著高于这个水平，说明酸解土壤氮组分可能是最大的SON库，为其他形态氮的转化提供氮源。本研究发现，用硫酸钾浸提的NH4+-N和SON远高于用水浸提的，说明土壤中有效的 NH4+-N（Murphy et al.，2000）和 SON（Chen et al.，2013）主要以交换态存在，影响土壤氮的有效性。由于水浸提的NO3--N与硫酸钾浸提的呈正相关（r=0.695）（表3），说明水溶性NO3--N主要受交换性的影响。而水浸提的 NH4+-N与硫酸钾浸提的SON呈正相关（r=0.623）（表4），可能是交换性SON矿化形成的 NH4+-N因附着位置饱和而不能被就地保护从而进入水中，导致水浸提的NH4+-N增多；然而这并不一定会增加水溶性 NO3--N，因为其与硫酸钾浸提的 SON 呈负相关（r=0.462）（表 4）。可见，SON变化对NH4+-N的动态的影响最直接，正如Eshetu et al.（2013）发现的被土壤粘土和粘粒聚合物保护的部分 SON可能为补充某部分氮而释放到土壤中，Kalbitz et al.（2000）也发现土壤水溶性氮的形成依赖于交换性氮的分解速率。因此，仅用某一氮组分研究土壤碳氮转化及其对氮沉降的响应，会忽略组分特征的一些细微变化。不同组分中的氮以及不同形态氮之间存在的相互关系，还有待进一步研究。正如氮添加对每一氮汇的影响可以解释整个土壤氮素转化对氮沉降响应的差异（Chen et al.，2018），采用更加全面、系统的分级开展氮组分研究可能对评估土壤氮的有效性、稳定与贮存更为有效。

4 结论

（1）4种浸提剂浸提的土壤氮组分含量差异显著，活性库小，惰性库大。用硫酸钾、水浸提的SON与土壤微生物生物量呈显著相关性，说明土壤水溶性和交换性 SON是参与土壤中氮矿化和硝化作用的重要组分。

（2）水溶性氮对凋落物的响应最明显，留凋处理有利于惰性氮的分解，且林分显著影响土壤有机氮库的大小。

（3）在去凋杉木人工林中，氮添加促进了土壤水溶性和交换性NO3—N的含量；土壤SON含量受施氮影响不明显，而施氮显著降低了土壤惰性氮，说明氮添加对罗浮栲天然林和杉木人工林土壤活性和惰性氮组分的影响有所差异，阔叶天然林土壤氮组分对氮添加的响应更明显。