滇中亚高山森林土壤有机碳组分对模拟氮沉降的响应

尚旭冉,王克勤,宋娅丽,杨晓雨,郑兴蕊,潘 禹,潘天森

(西南林业大学生态与环境学院,云南 昆明 650224)

工业革命以来，人类活动导致的大气氮沉降不断增加[1]，引发一系列如植物丰富度减少、生物多样性降低、土壤碳储量减少以及生态系统稳定性降低等生态问题[2-3].陆地生态系统碳与氮循环过程紧密耦合在一起，分别反映了能量和养分的流动特征[4].陆地生态系统的生产力主要受氮素的限制，一定水平的大气氮沉降输入可以促进土壤养分循环，提高生态系统氮的可利用性，进而提高生态系统碳氮的转化速率[5].森林生态系统是陆地生态系统中覆盖面积最大、结构最复杂的生态系统[6]，受氮沉降的影响最为显著；氮沉降的持续增加在一定程度上影响了森林土壤的养分循环，改变了生物地球化学循环中的碳平衡和养分平衡[7-9].因此，深入研究氮沉降对土壤有机碳组分的影响，对揭示未来大气氮沉降影响下土壤有机碳组分的变化趋势、完善碳氮循环的动态平衡机制以及亚热带地区森林生态环境保护具有重要意义[10].

森林生态系统有机碳组分受林龄、海拔、土壤微生物酶活性等因素的影响.例如，王心怡等[11]发现福建亚热带杉木人工林中，不同林龄对黏土团聚体及有机碳具有影响显著，不同林龄对土壤团聚体稳定性及有机碳的促进效果为成熟林>幼龄林>中龄林.王海华等[12]研究发现氮沉提高了武夷山低海拔地区(650 m)常绿阔叶林的土壤微生物活性，微生物碳代谢升高，土壤有机碳累积矿化量和矿化速率提高.在长白山兴安落叶松林[13]和四川云杉人工林中[14]，低中水平氮提高了土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)和水溶性有机碳(water soluble organic carbon,WSOC)含量，但中水平氮降低了易氧化有机碳(easily oxidized organic carbon,EOC)浓度；高浓度氮提高了EOC含量，但SOC和WSOC含量降低；土壤SOC的含量随着氮浓度的增加呈先上升后下降的趋势.

从前人的研究可以看出，人为导致的氮沉降对土壤碳储量演变方向及时空格局的影响具有极大不确定性[15]，同时对SOC各组分特征及相互关系的研究不够深入.因此，本研究以滇中亚高山典型森林常绿阔叶林、高山栎林(Quercussemicarpifolia)、云南松林(Pinusyunnanensis)和华山松林(Pinusarmandii)为研究对象，在模拟氮沉降条件下，研究不同氮沉降水平(0、5、15、30 g·m-2·a-1)持续施氮12个月后，对不同土层(0～10 cm和10～20 cm)土壤有机碳组分的影响，包括较少涉及的颗粒有机碳(particulate organic carbon,POC)和轻组分有机碳(light component organic carbon,LFC)，旨在揭示该区域不同森林生态系统在未来大气氮沉降影响下土壤有机碳组分的变化趋势，为我国亚热带地区森林生态系统的森林资源管理和生态环境保护提供理论数据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省玉溪市新平县磨盘山森林生态系统国家定位观测研究站(23°46′18″—23°54′34″N，101°16′06″—101°16′12″E)，地处于云南高原南部边缘，海拔1 260.0～2 614.4 m，年平均气温15.5～23.7 ℃，年降水量1 050 mm，属于亚热带内陆高原型气候.土壤以第三纪古红土发育的山地红壤和玄武岩红壤为主，高海拔地区有黄棕壤.磨盘山地区以中山半湿性常绿阔叶林为主的原生和次生原始森林区，森林覆盖率达86%，分布有梭罗树、楠木、野茶树、树蕨等高等植物98科137属324种[16]，植被类型随海拔的升高呈明显的垂直分布特征.

1.2 试验设计

选取具有代表性的常绿阔叶林、高山栎林、云南松林和华山松林，每个林分设置3个面积为20 m×20 m的标准样地，在每个样地中随机设置4个3 m×3 m的小样方，样方间距大于10 m，各样地特征如见表1.该地区年N沉降量为3.84 g·m-2·a-1，参照森林生态系统氮饱和研究[17]、大气氮沉降监测[18]、亚热带氮沉降处理的试验设置[19]和未来氮沉降的增加趋势，设置对照、低(LN)、中(MN)、高(HN)4个氮沉降水平，分别为0、5、15、30 g·m-2·a-1.每个水平重复3次.使用N肥为NH4NO3溶液，从2018年1月开始，每月中旬对样地施氮1次，持续12个月.具体方法是：将各水平所需NH4NO3溶解至750 mL水中，用喷雾器在该水平样方中来回均匀喷洒，对照组喷洒等量清水.4种森林类型样地概况及土壤基本理化性质见表1和表2.

表1 磨盘山各森林类型样地基本概况Table 1 Basic information of the sample plots in different forests of Mopan Mountain

表2 4种森林类型试验前土壤基本理化性质1)Table 2 Basic physiochemical properties of soil in 4 types of forests before the experiment

1.3 土壤样品的采集与测定

施氮1 a后，于2019年2月，按照多点混合采样法用土钻对各样地进行分层采样，采样深度分别为0～10和10～20 cm，不包括有机层.土样带回实验室后，剔除动物残体和根系，保存部分新鲜土样于4 ℃冰箱用以测定土壤WSOC含量，其余自然风干，粉碎后分别过2和0.25 mm筛，以测定土壤SOC、POC、EOC和LFC含量.土壤pH值采用电位法测定[20].

SOC采用重铬酸钾外加热法测定[20]；POC采用六偏磷酸钠分离法测定[21]；EOC采用高锰酸钾氧化—比色法测定[22]；LFC采用密度浮选法测定[23]；WSOC采用硫酸亚铁浸提法测定[24].

1.4 数据处理

使用单因素、双因素方差分析和独立样本T检验，分析不同水平氮沉降下各林分类型不同土层各组分有机碳的差异，并用Pearson相关分析土壤各组分有机碳之间的相关性.所有数据处理和图表绘制均使用Excel 2010和SPSS 25完成.

2 结果与分析

2.1 氮沉降下土壤有机碳的变化特征

由图1可得，随着氮沉降水平的提高，常绿阔叶林、高山栎林和华山松林SOC含量整体上呈上升趋势；其中，常绿阔叶林SOC平均含量显著增加，HN处理下SOC平均含量为CK的2.01倍；云南松林SOC含量呈先降低后升高的趋势.同一氮沉降水平下，4种林分土壤SOC含量均随着土层深度的增加而降低，呈现出明显的垂直递减性.0～10 cm土层中，SOC平均含量为常绿阔叶林(65.19 g·kg-1)>高山栎林(52.64 g·kg-1)>云南松林(38.53 g·kg-1)>华山松林(36.59 g·kg-1)；在10～20 cm土层中，SOC平均含量为高山栎林(42.30 g·kg-1)>常绿阔叶林(28.24 g·kg-1)>华山松林(27.70 g·kg-1)>云南松林(21.56 g·kg-1).同一水平氮沉降下10～20 cm土层的SOC含量显著低于0～10 cm土层，且MN处理时差值最大，0～10 cm土层SOC平均含量为10～20 cm土层的1.63倍.

不同小写字母表示同一森林类型不同施氮水平间差异显著，不同大写字母表示同一施氮水平不同森林类型间差异显著(P<0.05).图1 不同水平氮沉降下土壤有机碳的含量特征Fig.1 Characteristics of soil organic content under different N deposition levels

2.2 氮沉降下土壤颗粒有机碳的变化特征

由图2可知，随着氮沉降水平的提高，常绿阔叶林和高山栎林的POC含量逐渐升高，HN处理下达到最大值，POC含量分别为CK的1.16倍和0.65倍；华山松林POC含量先升高后降低，在MN处理达到最大值；云南松林POC含量先降低后升高，与SOC含量变化趋势相同.0～10 cm土层中，POC含量为常绿阔叶林(42.70 g·kg-1)>高山栎林(39.41 g·kg-1)>华山松林(29.32 g·kg-1)>云南松林(25.12 g·kg-1)；在10～20 cm土层中，POC含量为高山栎林(22.21 g·kg-1)>常绿阔叶林(19.72 g·kg-1)>华山松林(17.95 g·kg-1)>云南松林(13.19 g·kg-1)，各林分POC含量在10～20 cm土层的变化规律与SOC一致.同一氮沉降水平下各林分0～10 cm土层的POC含量明显高于10～20 cm土层，0～10 cm土层POC含量为10～20 cm土层的1.31倍.

不同小写字母表示同一森林类型不同施氮水平间差异显著，不同大写字母表示同一施氮水平不同森林类型间差异显著(P<0.05).图2 不同水平氮沉降下土壤颗粒有机碳含量特征Fig.2 Characteristics of soil particulate organic carbon content under different N deposition levels

2.3 氮沉降下土壤易氧化有机碳的变化特征

由图3可得，常绿阔叶林、云南松林在各水平氮沉降处理下土层间差异均达到显著水平(P<0.05).3种水平氮沉降均显著提高了常绿阔叶林的EOC含量，其中HN的EOC含量比CK提高了27.22%.随着氮沉降水平的增加，高山栎林两个土层EOC含量均呈现先降低后升高的趋势，而云南松林、华山松林各土层EOC含量均显著增加，并在MN达到最高值.在0～10 cm土层中，EOC平均含量表现与POC一致，为常绿阔叶林(24.35 g·kg-1)>高山栎林(22.23 g·kg-1)>华山松林(20.36 g·kg-1)>云南松林(12.24 g·kg-1)；在10～20 cm土层中，EOC含量为高山栎林(21.48 g·kg-1)>华山松林(16.99 g·kg-1)>常绿阔叶林(14.49 g·kg-1)>云南松林(12.24 g·kg-1).4种林分在0～10 cm土层EOC含量大小关系与SOC、POC规律一致.在同一水平氮沉降下4种林分土壤EOC含量均为10～20 cm土层明显低于0～10 cm土层，且在LN时相差最大，10～20 cm土层EOC含量比0～10 cm降低46.35%.

2.4 氮沉降下土壤轻组分有机碳的变化特征

由图4可以看出，不同林分土壤LFC含量对氮沉降水平的响应各不同，不同土层间LFC的变化无明显规律.其中，常绿阔叶林LFC含量在MN处理下达到最高值(15.38 g·kg-1)，比CK提高17.49%；在HN处理下显著降低，减少了63.64%.高山栎林各土层LFC含量在LN、MN处理下显著降低，在HN处理下达到最高值(22.15 g·kg-1).云南松林LFC含量随着氮沉降水平的升高而降低.华山松林各土层LFC含量均在LN处理下较高，MN和HN处理间无显著差异.在0～10 cm土层中，LFC平均含量表现为高山栎林(20.92 g·kg-1)>常绿阔叶林(12.62 g·kg-1)>云南松林(5.12 g·kg-1)>华山松林(2.49 g·kg-1)；在10～20 cm土层中，LFC平均含量为常绿阔叶林(9.44 g·kg-1)>高山栎林(6.20 g·kg-1)>云南松林(5.41 g·kg-1)>华山松林(1.39 g·kg-1).在同一水平氮沉降下4种林分土壤LFC含量均为10～20 cm土层明显低于0～10 cm土层，且在LN处理下差值最大，0～10 cm土层LFC含量为10～20 cm土层的1.38倍.

不同小写字母表示同一森林类型不同施氮水平间差异显著，不同大写字母表示同一施氮水平不同森林类型间差异显著(P<0.05).图3 不同水平氮沉降下土壤易氧化有机碳含量特征Fig.3 Characteristics of soil easily oxidized organic carbon content under different nitrogen deposition levels

不同小写字母表示同一森林类型不同施氮水平间差异显著，不同大写字母表示同一施氮水平不同森林类型间差异显著(P<0.05).图4 不同水平氮沉降下土壤轻组分有机碳含量特征Fig.4 Characteristics of soil light component organic carbon content under different N deposition levels

2.5 氮沉降下土壤水溶性有机碳的变化特征

由图5可以看出，3个水平的氮沉降均显著提高了常绿阔叶林和云南松林的WSOC含量，HN处理下WSOC含量最高，分别为CK的1.83和0.45倍；华山松林和高山栎林WSOC含量随着氮沉降水平呈先降低后升高的趋势.0～10 cm土层，WSOC含量为华山松林(75.91 mg·kg-1)>云南松林(39.80 mg·kg-1)>高山栎林(34.45 mg·kg-1)>常绿阔叶林(25.74 mg·kg-1)；10～20 cm土层各林分WSOC大小关系与0～10 cm一致，即华山松林(94.87 mg·kg-1)>云南松林(88.61 mg·kg-1)>高山栎林(28.26 mg·kg-1)>常绿阔叶林(26.08 mg·kg-1).在同一水平氮沉降下4种林分土壤WSOC含量均为10～20 cm土层高于0～10 cm土层，且在HN时相差最大，10～20 cm土层WSOC含量比0～10 cm增加63.98%.

2.6 土壤有机碳各组分间相关关系

森林类型、氮沉降水平及其交互作用对土壤有机碳组分含量的影响程度不同(表3).在0～10 cm土层中，SOC、POC、EOC、LFC和WSOC含量主要受森林类型的影响，氮沉降对SOC、POC、EOC和WSOC含量的影响均达到极显著水平(P<0.01)，森林类型与氮沉降的交互作用对SOC、POC、EOC、LFC和WSOC含量的影响均达到极显著水平(P<0.01).在10～20 cm土层中，森林类型是SOC、EOC和WSOC含量的主要影响因素，森林类型与氮沉降的交互作用是POC和FLC含量的主要影响因素，森林类型、氮沉降和森林类型与氮沉降的交互作用均对SOC、POC、EOC、LFC和WSOC含量产生极显著影响(P<0.01).

不同小写字母表示同一森林类型不同施氮水平间差异显著，不同大写字母表示同一施氮水平不同森林类型间差异显著(P<0.05).图5 不同水平氮沉降下土壤水溶性有机碳含量特征Fig.5 Characteristics of soil WSOC under different nitrogen deposition levels

土层/cm差异来源SOCFPPOCFPEOCFPLFCFPWSOCFP0～10森林类型160.36<0.0168.36<0.0171.80<0.0157.22<0.011 613.50<0.01氮沉降19.39<0.0124.93<0.0115.39<0.012.52<0.1074.19<0.01森林类型×氮沉降20.48<0.0113.25<0.0111.55<0.0110.67<0.01339.19<0.0110～20森林类型73.63<0.0140.31<0.01155.22<0.011 249.91<0.012 518.86<0.01氮沉降36.20<0.0176.64<0.0124.17<0.0178.47<0.01541.03<0.01森林类型×氮沉降24.39<0.0140.46<0.0130.09<0.01533.98<0.01129.03<0.01

表4 土壤有机碳各组分间相关关系1)Table 4 Correlation between soil organic carbon components

由表4可以看出，SOC各碳组分相关性较高，其中SOC与POC、EOC、LFC呈极显著正相关关系(P<0.01)，与POC的相关性最高(0.885)；POC和EOC、LFC呈极显著正相关关系(P<0.01)；WSOC与SOC、POC、LFC呈极显著负相关关系(P<0.01)，与EOC呈显著负相关关系(P<0.05).

3 讨论

目前，关于氮沉降对土壤有机碳组分的影响主要分为3类：促进、抑制或无显著影响[25].本研究中12个月的施氮，在不同程度提高了常绿阔叶林和华山松林各土层的有机碳含量(P<0.05)，大部分指标随氮沉降水平提高呈上升趋势.然而HN处理下华山松林的SOC、POC、EOC、LFC含量略低于LN和MN，可能是由于持续施氮已造成土壤氮饱和，植物营养单一而生长受阻，超出了其吸收养分的阈限，因此在HN处理下，土壤各有机碳组分含量均有所下降.同时HN处理下华山松林土壤pH值降幅最大，由5.52降低到4.47(表5)，引起土壤酸化等诸多问题[26]；土壤微生物活性与pH值呈显著负相关关系[27]，土壤微生物活性降低，导致微生物代谢不平衡，抑制了其活动，从而降低了华山松林土壤SOC、POC、EOC、LFC含量.而高山栎林和云南松林各项指标在HN处理下相较CK略有上升，可能是由于施加的N迅速被土壤微生物吸收利用，导致中低水平氮沉降下土壤各有机碳含量变化不明显，在高水平氮沉降下却略有提高.

本研究表明氮沉降对4种森林土壤有机碳含量具有显著影响，不同森林类型对不同水平氮沉降响应各不相同(图1)，施氮后SOC含量变化为常绿阔叶林(66.75%)>华山松林(35.42%)>高山栎林(26.58%)>云南松林(-20.62%).常绿阔叶林和高山栎林SOC含量明显高于华山松林和云南松林，这是由于常绿阔叶林和高山栎林植被组成丰富、多样性较高、凋落物输入量高、群落内温湿环境稳定[16]，导致土壤化学组成、凋落物数量、原有的养分有效性以及有机质输入不同，因此这两种林分SOC含量比华山松林和云南松林高.但是高山栎林施氮后SOC含量却没有显著提高，这可能与氮沉降处理时间及SOC含量已达到本研究氮沉降的阈值有关.HN处理显著提高了常绿阔叶林SOC含量，为CK的2.01倍.研究表明，凋落物分解前期的速率受到养分含量、水溶性和结构碳化合物含量的强烈影响[28].本试验周期1 a，尚处于凋落物分解前期，建议继续观测SOC变化规律.氮沉降可以促进土壤表层凋落物的分解和腐殖质的合成，腐殖质又为土壤SOC的重要储存形式[29-30]，因此SOC含量提高；同时高水平氮沉降也可通过影响土壤微生物的活性和组成直接影响土壤有机质分解，或者通过促进地上生物量，导致SOC的输入高于损失[31]，最终提高了SOC含量.而MN处理对云南松林和华山松林SOC含量产生相反的影响，提高了华山松林SOC含量(44.57%)，降低了云南松林SOC含量(-29.43%)，这有可能是由于中高水平氮沉降持续输入导致土壤氮饱和、土壤腐殖质开始分解，使土壤SOC含量上升缓慢甚至出现下降趋势[32].

本研究中，SOC与POC、EOC、LFC呈极显著正相关关系，与WSOC呈极显著负相关关系，说明土壤活性有机碳的含量在很大程度取决于土壤有机碳的含量.土壤有机碳中的活性部分直接参与了土壤生物化学转化过程，与土壤有机碳处于动态平衡中，在一定条件下实现了相互转化[33].POC、EOC、WSOC间两两相关，LFC与POC、WSOC呈极显著正相关，说明有机碳组分间关系密切，进一步说明SOC、EOC、POC、WSOC等可作为表征土壤碳库的敏感因子，这与张华渝等[34]的研究结果一致.森林类型和氮沉降的变异分析表明，在0～10 cm土层中森林类型为主要影响因素，其次为林型与氮沉降的交互作用，随着土壤深度增加，森林类型对于有机碳组分含量的主导作用减弱.本研究中，氮沉降下0～10 cm土壤有机碳组分含量的变异主要受森林类型的影响，其次为林型与氮沉降的交互作用.虽然受自身遗传特性和生理机制影响，不同森林类型在进行储存C积累有机物时存在一定差异[35]，但是随着土壤深度增加，森林类型对有机碳组分的主导作用减弱，在10～20 cm土层，林型与氮沉降的交互作用是POC和LFC含量的主要影响因素，森林类型则依旧是SOC、EOC、WSOC的主要影响因素.氮沉降和林型对土壤有机碳的交互作用受到凋落物分解速率、土壤微生物数量及酶活性等诸多种因素影响，今后研究应集中于控制其他因素基础上比较不同氮沉降水平对土壤有机碳的时空动态变化研究，将有助于研究区域不同森林生态系统在未来大气氮沉降的影响下土壤有机碳组分的变化趋势，为全球陆地碳循环途径提供理论基础.