模拟氮沉降对辽东山区长白落叶松人工林树木生长的影响

王睿照，毛沂新，张慧东，颜廷武，魏文俊，朱 健，黄 夏

(辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032)

随着全球工业化的发展，人类活动改变了氮素的存在形态，具有生物活性的还原态氮氢化合物和含氮氧化物显著增加，引起了大气氮沉降格局的改变，目前中国已成为世界上活性氮产生和排放量最大的国家。元素限制模型认为氮(N)和磷(P)是限制植物生长的重要元素。普遍观点认为暖温带和寒温带等中高纬度区域树木生长主要受氮限制，热带和亚热带树木生长受磷限制[1]。在氮受限的生态系统中，增加有效氮供应可能会导致生物量生产的增加，促进树木生长。不同氮沉降速率对树木生长的影响也不尽相同。有研究指出，长期持续氮添加水平超过10 kg·hm-2·a-1时降低生物多样性，使植物物种数量减少17%[2]。也有研究认为，氮沉降速率高于25 kg·hm-2·a-1时，植物生长会受抑制[3]。欧洲开展的氮饱和实验结果显示，大气氮沉降的增加对森林生态系统的结构和功能构成严重的威胁，造成植物组织中元素比例的不平衡[4]，系统养分平衡失调，土壤酸化，削弱植物对于暴雨、干旱等极端天气以及病原体等环境胁迫的抗性。

长白落叶松Larixolgensis生长速度快、材质好，是我国东北地区主要的人工用材树种之一。本文以长白落叶松人工林为研究对象，通过连续5年的野外模拟氮沉降试验，研究添加铵态氮肥和硝态氮肥两种形式及不同氮添加水平对落叶松人工林生长特征的影响，为长白落叶松人工林的可持续经营提供理论指导。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验地位于辽宁省西丰县冰砬山森林生态系统国家定位观测站，地处124°45′～125°15′E，42°20′～42°40′N，属长白山系余脉，平均海拔500～600 m。属温带大陆性气候，年均气温5.2℃，年均降水量684.8 mm，年均蒸发量1 379.8 mm，无霜期133 d。土壤以暗棕色森林土为主，其次为棕色森林土。原生植被阔叶红松林已被破坏殆尽，现存植被多为天然次生林和人工林，天然次生林以蒙古栎林和杂木林居多，人工林多为长白落叶松、红松Pinuskoraiensis、油松P.tabulaeformis和樟子松P.sylvestrisvar.mongolica等。

1.2 试验设计

以长白落叶松人工纯林为研究对象，该林班为20世纪80年代退耕还林后营造的落叶松人工林，林龄40 a，郁闭度0.8，平均胸径17.4 cm，树高15 m。根据沈阳地区总无机氮沉降量的研究结果[5]，设置铵态氮肥(NH4)2SO4和硝态氮肥NaNO3两种氮添加形式，共设7个氮添加水平，即低铵态氮(20 kg N·hm-2·a-1)、中铵态氮(40 kg N·hm-2·a-1)、高铵态氮(80 kg N·hm-2·a-1)、低硝态氮(20 kg N·hm-2·a-1)、中硝态氮(40 kg N·hm-2·a-1)、高硝态氮(80 kg N·hm-2·a-1)和对照(CK，0 kg N·hm-2·a-1)，每个样方7 m×10 m，样方之间留10 m缓冲带，防止互相干扰。

自2015年5月，于每月月初将相应数量的(NH4)2SO4和NaNO3溶于10 L水中(相当于增加0.1 mm降雨量)，用背式喷雾器分别均匀喷洒于不同试验区，对照样方内均匀喷洒等量的水。于2015年试验开始前、2017年10月(施肥2年)和2019年10月(施肥5年)对7块处理样地进行每木检尺，记录每株树木胸径(DBH，树高1.3 m处)。

1.3 叶片和土壤样品采集与测定

2016年8月和2017年8月获取各处理样方内的落叶松针叶，分别选取向阳、林冠层1/3处的当年生健康新叶，带回实验室后洗净装入信封，80 ℃恒温烘48 h至恒质量。烘干后的针叶样品用粉碎机磨碎过100目网筛，用于叶片的全N和有机碳含量测定。

2017年8月和2019年8月在每个处理样地内随机选取5个点，采集表层土壤(0～20 cm)，风干磨成粉末，过100目筛网后，用于土壤中全N和有机碳含量测定。土壤和针叶的全氮和有机碳含量采用元素分析仪(ElementarVario MACRO CUBE，Germany)测定。

1.4 数据统计分析

利用单因素方差分析研究不同氮添加处理对碳氮元素含量以及胸径年生长速率等指标的差异性，利用LSD对不同处理之间的差异性进行多重比较，利用成对比较(Paired Samples T-test)分析实验前期和后期土壤碳氮含量之间的差异性，利用线性回归方程检验碳氮元素与树木年生长速率之间的相关性。采用Origin 2018软件作图，SPSS 18.0 进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 氮添加对落叶松人工林土壤碳氮含量的变化

添加铵态氮肥和添加硝态氮肥对土壤表层全氮和有机碳含量的影响略有不同。随着铵态氮肥添加量增加，表层土壤全氮含量和有机碳含量呈先降低后升高的趋势(图1)。高铵态氮肥添加处理的土壤全氮含量显著高于中铵态氮肥处理(P<0.05)；高于低铵态氮肥和对照，但差异并不显著。随着硝态氮肥添加量增加，表层土壤全氮和有机碳含量均随之升高，但处理间差异不显著。铵态氮肥和硝态氮肥均能够提高土壤表层的全氮和有机碳含量。

注：图中不同小写字母间表示同一年度在0.05水平差异显著，下图同。图1 氮添加对落叶松人工林土壤全氮、有机碳含量的影响

2.2 氮添加对落叶松针叶碳氮含量的变化

如图2所示，落叶松针叶的有机碳含量对氮添加的响应并不明显，7个处理间无显著差异。落叶松针叶全氮含量随着氮添加量增加呈先降低后升高的趋势，高铵态氮肥和高硝态氮肥处理的针叶全氮含量均高于其他处理(P<0.05)，这与高铵态氮肥和高硝态氮肥处理土壤表层中全氮含量的增加相互呼应。

图2 氮添加对落叶松针叶全氮(TN)、有机碳(C)含量的影响

2.3 氮添加对落叶松人工林生长的影响

从图3可以看出，氮添加对落叶松人工林的胸径生长具有抑制作用。试验5年，添加铵态氮肥和添加硝态氮肥的落叶松人工林年生长速率均低于对照处理。随着铵态氮肥添加量增加，中铵态氮肥和高铵态氮肥处理的年生长速率均显著低于对照(P<0.05)，年生长速率分别是对照的70.9%和63.3%。添加硝态氮肥和添加铵态氮肥呈现出完全相反的趋势。随着硝态氮肥添加量的增加，落叶松人工林胸径年生长速率随之上升，中硝态氮肥和高硝态氮肥处理的胸径年生长速率均显著高于低硝氮处理(P<0.05)。

注：不同小写字母代表试验前期不同处理间差异性显著(P<0.05)。

进一步研究显示，高硝态氮肥处理的土壤全氮含量和有机碳含量与落叶松人工林胸径年生长速率均具有显著的正相关关系(P<0.05)；低铵态氮肥处理的针叶有机碳含量与胸径年生长速率具有显著的正相关关系(P<0.05)。此外，对土壤表层的总氮和有机碳含量与落叶松针叶中的总氮和有机碳含量进行相关分析，未见显著相关关系(P>0.05)。

3 讨论与结论

铵态氮和硝态氮是植物从土壤中吸收有效氮的两种主要存在形式[6]。本试验分别添加这两种形式的氮肥，探讨对落叶松人工林土壤特征及胸径生长的影响。随着氮添加时间增加，高铵态氮肥处理的土壤全氮和有机碳含量后期均高于前期，显示出较长时间高浓度铵态氮添加对土壤营养元素有一定的积累作用，这也证明了土壤中的铵态氮比硝态氮有更好的固持效果[7]。以往的研究显示，当土壤中矿质元素含量增加时，植物体内相应的矿质元素含量也会随之增加[8]。本研究结果与之一致。添加铵态氮肥和添加硝态氮肥两种形式均对落叶松针叶的全氮含量具有促进作用，与高铵态氮肥和高硝态氮肥处理的土壤表层中全氮含量的增加相互呼应。

氮沉降对植物生长的影响与所处森林生态系统中的氮素饱和程度具有密切的关系。较多研究表明，氮添加试验前期氮沉降在一定的程度上增加了森林生态系统的生产力，而到了试验后期氮添加对生产力具有抑制作用，显示了由于氮素大量添加导致氮素过饱和从而对林木生长产生不利影响[8]。本试验中，该林分经过5年氮添加对落叶松的胸径生长有抑制作用，氮添加处理的落叶松人工林胸径的年生长速率均低于对照处理。添加铵态氮肥和添加硝态氮肥对落叶松生长的影响并不相同，添加铵态氮肥加剧了落叶松人工林胸径年生长速率的降低，添加硝态氮肥对胸径年生长速率有一定的促进作用。氮沉降会导致土壤酸化以及铝离子的增加，限制植物对磷素的吸收，从而破坏植物体内营养元素化学计量耦合关系的平衡，抑制植物的生长[9]。由于本试验并未开展针叶磷元素含量的相关研究，氮添加对落叶松人工林生长的影响还需进一步研究。