模拟氮沉降下喀斯特原生乔木林土壤养分的动态分析

赵文君 刘永涛 崔迎春 吴 鹏 杨永艳 丁访军*

(1.贵州省林业科学研究院，贵州 贵阳 550005；2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳550081 )

由于化石燃料燃烧，工业氮肥使用等使大气中含氮化合物激增，大气氮沉降也不断增加(从1.5 kg N·hm-2·a-1增加到4.2 kg N·hm-2·a-1)[1]，氮沉降作为驱动因子势必改变森林土壤生态过程，引起陆地生态系统初级生产力和生物地球化学碳、氮、磷循环的诸多变化[2]，土壤养分的变化，调整了物种之间的竞争动态[3]，改变了植物群落结构[4]，进而影响森林生态系统功能和结构。因此，研究氮沉降对森林土壤养分的影响对了解森林生态系统生产力、合理利用氮沉降带来的养分等具有重要意义。氮沉降对不同地区土壤养分的影响不同，有研究表明与森林生态系统是否N限制有关[5]，不同生态系统因初始氮状况、植被 、土壤特征等存在不同的临界氮容量[6]。氮沉降对土壤有机质、全氮、全磷、全钾、水解性氮、速效磷、速效钾含量的影响，既有增加的研究案例[7-8]，也有影响不明显，甚至相反的案例[9-11]。因此有必要针对不同森林类型开展研究，为全球大气氮沉降背景下森林生态系统健康稳定发展提供理论参考。

喀斯特生态系统有特殊的水文地质二元结构及复杂的峰丛、峰林、洼地和漏斗等地貌形态，地面岩石裸露形成石面、石沟和土面等多样的小生境，小尺度上的生境异质性显著[12]，进而引起土壤、小气候及其他生态因子的变化[13-14]，可能对土壤养分动态产生影响，但有关氮沉降下喀斯特森林不同小生境土壤养分动态变化研究较少涉及，因此，本研究选择茂兰喀斯特原生林为研究对象，对模拟氮沉降下土面和石沟小生境土壤养分动态变化特征进行比较，为更好地理解和评估大气氮沉降对喀斯特森林生态系统土壤养分影响提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与样品采集

通过对贵州荔波喀斯特森林生态系统定位观测研究站原有固定样地踏查，筛选了有代表性的3个原生乔木林群落样地，海拔770 m，坡度20～25°，中下坡位，样地面积30 m × 30 m。每个样地内按照刘方等[19]对小生境划分，考虑小生境面积和数量，随机选取了石沟(出露的岩石溶蚀沟或侵蚀沟)、土面(面积相对较大的小型台地)两种小生境布置模拟氮沉降试验。施氮量设置3个处理，分别为低氮N1(25 kg·hm2·a)、高氮N2(50 kg·hm2·a)和对照N0 (0 kg·hm2·a)。每个样方间距>3 m，以防止相互干扰。自2018年6月开始施氮试验，施氮时间为1 a，按照处理水平的要求，将各样方所需NH4N03溶解至1 L水中，用喷雾器在该水平样方中来回均匀喷洒，每次施氮量相当于全年模拟总施氮量的1/12，对照样方喷施同样量的水，以减少因外加水而造成对森林生物地球化学循环的影响。

2018年6月、11月和2019年5月，每次施氮前采样，先将地表凋落物去除，将内径7.5 cm、长15 cm PVC管打入采集原状土，低温保存带回实验室。每个处理样方内均重复取样三次。测定土壤pH值、有机碳、全氮、全磷、全钾、有效磷和有效钾，分别采用电位法、重铬酸钾氧化-外加热法、凯氏消煮法-扩散法、碱熔-钼锑抗比色法、和碱熔-火焰光度法、盐酸-硫酸浸提法和硝酸煮沸浸提-火焰光度法，测定土壤铵态氮和硝态氮分别采用氧化镁-扩散法和酚二磺酸比色法[20]。

1.3 数据处理

采用Excel 2010、SPSS 16.0对数据进行统计分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 模拟氮沉降对土壤pH值的影响

由图1可知，施氮前，土面和石沟两生境各自pH值很接近，经施氮处理后，pH值出现不同程度的下降。最大变化出现在土面的N2处理，随着施氮时间分别比对照下降了15.76%和15.11%。石沟pH值变化较土面缓和，N2处理下分别下降了1.38%和3.09%。土面较石沟pH值低，且土面土层较石沟更敏感，更易引起酸化。经方差分析，土面pH值N1、N2与N0间呈现显著差异(P <0.05)，而石沟各处理间pH值差异不显著(P >0.05)。且土面和石沟两生境间差异显著(P <0.05)。

图1 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石沟土壤pH值动态

2.2 模拟氮沉降对土壤有机碳的影响

由图2可知，土壤有机碳变化趋势为先增加后降低，外源氮添加提高了土壤有机碳含量，土面N1处理分别使土壤有机碳含量提高了20.64%，20.41%，N2处理分别使土壤有机碳含量提高了3.64%和3.89%，但作用效果都不显著(P >0.05)。石沟N1处理显著提高了土壤有机碳含量最高达40.66%(P <0.05)，N2处理分别使土壤有机碳含量提高了16.36%和6.23%，但未达到显著水平(P >0.05)。石沟生境下土壤有机碳对氮添加的响应显著高于土面(P <0.05)

图2 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石沟土壤有机碳动态

2.3 模拟氮沉降对土壤全氮的影响

由图3可知，石沟土壤TN初始含量高于土面，外源氮添加没有改变土壤全氮的变化趋势，随施氮时间均呈现先降低后升高的趋势。土面N1、N2处理在11月分别使土壤全N含量降低了12.25%，27.71%，N2处理使土壤TN含量显著降低(P <0.05)，在5月分别使土壤TN含量增加了13.10%和9.02%。石沟N1、N2处理均使土壤TN含量增加，11月增加值分别为12.58%和17.24%，5月增加值分别为22.29%和34.43%，N2处理使土壤TN含量显著增加(P <0.05)。土壤TN含量在不同N水平间大多差异不显著(P >0.05)，在土面和石沟两生境间差异显著(P <0.05)。

图3 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石沟土壤全氮动态

2.4 模拟氮沉降对土壤全磷、速效磷的影响

由图4可知，施氮处理没有改变土壤TP含量先升高后降低的变化趋势，向土面添加氮均都使其TP含量降低，其中N2处理会使TP含量显著降低(P <0.05)。除2019年5月N2处理外，向石沟添加氮都会使TP含量不同程度的降低。在5月N1处理显著降低了TP含量(P <0.05)，而N2处理显著增加了TP含量(P <0.05)。土壤速效P含量同样为先升高后降低的变化趋势，在2018年11月达到高值。氮沉降后，土壤速效P含量与对照相比，N1水平下含量下降，最低降低了25.77%，N2水平下增加，最大增加了15.64%，N1与N0、N2处理间达到显著水平(P <0.05)。土壤TP和速效P在土面和石沟两生境间差异不显著(P >0.05)。

图4 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石沟土壤全磷和速效磷动态

2.5 模拟氮沉降对土壤全钾、速效钾的影响

由图5可知，无论添加外源氮与否，土壤TK含量均呈先略升后降的变化趋势。模拟氮沉降后，N1处理会使土面土壤TK含量增加11.68%，随着氮沉降时间延长后较对照降低7.29%。N2 处理使土面土壤TK含量分别增加17.73%和7.76%。而石沟土壤TK含量在N1处理后分别降低5.85%和7.10%，N2处理后分别增加14.74%和7.60%。土壤速效K含量为先降低后升高的变化趋势，土面较石沟变幅大。施氮后，均使土壤有效K含量增加，不同氮处理使土面分别增加13.66%、9.31%和3.21%、24.01%，使石沟分别增加了17.03%、31.19%和3.01%、6.30%。土壤TK、速效K含量在不同N水平间、不同生境间差异均不显著(P >0.05)。

燃料及助燃空气系统主要由分区关断阀、先导式减压调节器(SR)、先导式平衡零位调节器(BRR)、空气脉冲管路、燃气比率调节阀、火力控制阀及输送管路等组成。

图5 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石沟土壤全钾和速效钾动态

2.6 模拟氮沉降对土壤有效氮的影响

由图6可知，无论添加外源氮与否，土壤NH4+-N含量均呈先升后降的变化趋势，土壤NO3--N含量均为升高的趋势。不同氮添加后，均增加了土壤有效氮含量，且随施氮强度的增加而增加。不同氮添加后，土面和石沟土壤NH4+-N含量2018年11月分别增加了30.58%，47.63%和29.02%，45.55%，2019年5月分别增加了36.68%，67.12%和32.88%，67.58%。土面和石沟土壤NO3--N含量11月分别增加了24.64%，59.26%和15.00%，69.11%，5月分别增加了35.37%，70.56%和24.77%，53.12%。土壤有效氮含量在土面和石沟两生境间差异不显著(P >0.05)。

图6 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石沟土壤铵态氮和硝态氮动态

3 结论与讨论

本研究土壤pH值随着氮沉降水平的升高而降低，和全国多数研究结果一致[9，21]。研究表明NOy(主要是NO3-)的沉积可能会增加碱基阳离子(Ca2+、Mg2+)在土壤溶液电荷平衡中的淋失，失去的碱基阳离子通常被H+取代，从而降低pH值，硝态氮直接降低土壤pH值。NHx氮(主要是NH4+)可以直接替代土壤中碱离子使淋滤量增加，导致土壤酸化[22]。也有研究表明施加高氮后因NH4+-N大量增加而使pH值提高，但总体pH 值增加并不显著[21]。铵态氮主要通过影响土壤无机碳间接影响土壤pH[22]。

本研究低氮处理显著促进了土壤有机碳含量增加，高氮处理则效果不显著。HUANG Z Q等[23]研究显示外源氮的增加使土壤有机碳含量增加，且沉降的氮更容易被C/N相对较低的生态系统所固定。张帆等[24]研究表明中、高氮沉降使土壤C含量显著增加。也有研究结论不一致，李秋玲等[9]在鼎湖山森林、Magill 等[11]在美国哈佛森林、郭虎波等[10]的研究表明，短期内氮沉降对土壤总有机碳含量没有影响。而汪金松[11]等研究表明高氮处理抑制了土壤碳含量的增加，可能受N饱和的影响。适量的氮素加入，有利于促进凋落物的分解，从而提高土壤有机质含量，而过量的氮素，可能会导致土壤有机质的流失[21]。Saiya-Corka 等[25]研究发现N 沉降加速了凋落物分解，却抑制了土壤有机物的分解，且外源 N 输入抑制难分解有机物的分解可能是一个普遍现象，从而导致土壤 SOC含量的降低。

本研究中随着施氮量增加全氮含量增加，全磷含量降低，可能是由于氮沉降增强磷酸酶活性，提高了土壤磷的有效性，促进了植物对磷的吸收，从而减少了土壤全磷的含量，会加剧土壤磷的限制性[26]。也有研究表明氮沉降下全P含量升高[21]。

土壤速效养分是影响植物生长状况的重要因素。氮、磷、钾是土壤养分的重要组成部分，有效磷、有效钾和有效氮在一定程度上衡量土壤养分的有效性[27]。不同小生境不同氮添加均增加了土壤NH4+-N、NO3--N含量，高氮处理的增幅高于低氮处理，这与赵欣然等[26]对樟子松人工林研究、李琛琛等[8]对华北落叶松林的研究及向元彬等[28]对天然常绿阔叶林的研究结果一致。一是因为外源氮提高了微生物活性，氮沉降的激发效应加速了土壤有机物的矿化，土壤C/ N因过量的N和有机物结合而降低，促进了土壤有机物分解和养分释放[29-30]。二是氮输入增加了土壤和凋落物层的矿质氮含量，使植物吸收与硝化菌、反硝化菌对氮的竞争得到了缓冲，硝化、反硝化作用增加，进而使土壤有效氮增加[30]。此外施加NH4NO3时直接增加土壤有效氮水平。

土壤中P主要来自土壤有机物的分解，速效P与凋落物的分解速率有关，且受土壤磷酸酶的影响。速效P在N1处理下降低，在N2处理下升高，这与蔡乾坤等[31]，裴广廷等[32]研究结果一致，高氮的输入刺激了微生物活性并增加了其对磷的需求，并提高了磷相关酶的活性，磷相关分解酶活性的提高增强了微生物对土壤有机质和凋落物的分解，加快了土壤中磷元素的转换过程，从而提高土壤中速效磷的含量[21，32]，施氮强度和模拟时间长度结合使速效P含量2018年11月份达到较高状态，高于2019年5月份，与有效磷含量干季高于湿季[31]的研究结果相吻合。

本研究中速效K对施氮处理呈现升高响应，这与叶彦辉等[21]研究结果一致，在 LN 处理下升高，比CK高了16.96%。与樊后保等[33]研究结果相反，过量的氮沉降造成土壤中多余的氮以NO3-的形式从土壤中淋失，引起K+的电荷平衡离子也从土壤中淋失。裴广廷等[32]研究显示氮沉降对森林土壤速效钾含量的影响不显著，与凋落物保留与否有关，凋落物的分解可以补充土壤速效钾的淋失。

土面和石沟氮添加后各土壤养分的响应程度除土壤有机碳两小生境差异显著外(P <0.05)，其余pH值、N、P、K养分元素等的响应均差异不显著，表现为石沟略高于土面。受小生境地表微形态和微地貌空间变异的影响，土面和石沟成土过程不同，而土壤养分本身存在差异，石沟高于土面。不同小生境中温度、湿度及凋落物供给的差异，通过影响到林下不同的微生物类群的数量、种类和活力而最终影响土壤养分水平。两小生境差异不显著，可能是氮沉降强度和沉降时间不足以引起土壤养分的显著变化。由于喀斯特微地貌小生境下小气候、土壤等生态因素的差异性，使其对全球气候变化(大气氮沉降等)的响应也有所不同，要全面了解喀斯特森林系统不同小生境土壤的变化动态还需要更多的实验数据来探究。