氮添加与凋落物管理对华北落叶松人工林土壤化学性质的影响*

王志波，季蒙，李银祥，张海东，李永乐，宫韶飞，刘佳，白高娃

(1.内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010010；2.兴和县苏木山林场，内蒙古 兴和 013650；3.宁城县林业工作站，内蒙古 宁城 024200)

随着化石燃料和化肥使用量迅速增加，人类活动向大气中排放了大量含氮化合物[1]，全球范围内大气氮沉降量急剧增长。氮沉降的增加对森林生态系统产生巨大影响，适量的氮沉降能够在一定程度上缓解土壤氮素含量不足的状况，促进植物的生长[2]；长期过量的氮沉降则会导致土壤酸化、抑制凋落物分解[3]，改变微生物群落结构[4]，进而影响生态系统的稳定性。氮添加通过影响植物生长状况、土壤微生物活性、凋落物分解速率、土壤酸碱度等，使土壤理化性质发生变化[5]。凋落物是森林生态系统的重要组成部分，是植物和土壤微生物主要养分来源，凋落物分解是生态系统物质循环和能量流动的主要途径，对维持土壤肥力平衡具有重要作用[6]。目前，添加和去除处理是凋落物管理的主要措施，已开展了大量研究[7-8]，通过改变凋落物的输入量和质量来影响土壤生物化学过程。研究发现，凋落物管理对土壤有机碳、氮、磷、钾含量等均有一定影响[9-11]，然而，在不改变凋落物现存量的情况下开展相关研究，探讨凋落物管理对土壤理化性质的影响，还少有报道。

华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)为松科(Pinales)落叶松属(Larix)的落叶针叶乔木，在内蒙古主要分布在阴山和燕山山地。相关研究表明，氮添加对华北落叶松针叶性状[12]、土壤呼吸速率[13]，凋落物管理对土壤呼吸速率[14]等具有显著影响，而二者对华北落叶松人工林土壤化学性质的影响情况研究较少。本研究以阴山山地苏木山林场华北落叶松人工林为研究对象，在不改变林地凋落物现存量的情况下，以氮沉降增加为背景，对凋落物进行管理，研究土壤化学性质对环境变化、人为措施及两因素交互作用的响应，以期为加速凋落物分解和养分循环提供科学依据，为地力维持和林分科学经营提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于内蒙古兴和县苏木山林场，地处阴山山地东南段，属中温带大陆性季风半干旱气候区，年均气温4.2 ℃，年均降水量397 mm，年均蒸发量2 060 mm，年均风速3.8 m/s，年均无霜期110 d。林场现有林地面积2.20×104hm2，主要乔木树种有华北落叶松、白桦(Betulaplatyphylla)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、油松(Pinustabuliformis)等。华北落叶松人工林0.68×104hm2，林下草本植物主要有苔草(Carextristachya)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)、委陵菜(Potentillachinensis)、羊草(Leymuschinensis)、胡枝子(Lespedezafioribunda)等。通过本底调查，试验地地理坐标为113°47′25″E、40°33′42″N，海拔2 100 m，坡度15°，林龄47 a，平均密度567株/hm2，平均树高19.37 m，平均胸径24.19 cm，林下凋落物平均厚4.5 cm。土壤为灰褐土。

1.2 试验设计

采用两因素随机区组试验设计，包括3种氮添加量和3种凋落物管理方式，交互后共9种处理。根据Liu等[15]研究结果，中国北方氮沉降量大约为25 kg/(hm2·a)，参照通用的施氮量成倍增加惯例，本试验按实际氮沉降量的2倍和4倍进行添加，分别为不施氮[0 kg/(hm2·a)]、低氮[50 kg/(hm2·a)]和高氮[100 kg/(hm2·a)]。分3次施入，以 NH4NO3为氮源，溶解在10 L自来水中，使用喷壶喷施，为避免浓度交叉，两小区设置10 m隔离带。凋落物管理方式为保持原状(不处理)、堆积(将腐殖质层、半分解层和未分解层均匀混合后按2 m×2 m的距离堆积成直径50 cm、高40 cm的圆团状)和搅拌(通过翻动、搅拌，将腐殖质层和凋落物层均匀混合后平铺)。施氮后立即对林下现有凋落物进行管理，初次喷氮后直接管理，第2次和第3次堆积管理时，根据施氮梯度将溶液等量均匀喷施在已堆积好的凋落物上，充分混匀后继续在原位置堆积。氮添加与凋落物管理时间为2018年7月、9月和2019年5月，周期为1 a，为了更好的阐述土壤化学性质对不同处理的短期响应，第3次处理在次年的5月进行，7月取样土。每种处理3个重复，共布设10 m×10 m试验样方27块。

1.3 土壤取样及化学性质测定

取样时去除凋落物和腐殖质层，每个样方随机选取5个采样点，用土钻取0～10 cm层土壤，将同一样方的5个土样均匀混合成一个样品，带回实验室，用镊子挑除粗根、石块和其它杂物，并过2 mm筛，自然风干后测定化学性质。pH采用pH 计法(土水比为1︰2.5)测定，有机质采用重铬酸钾容量法测定，全氮采用半微量凯氏法测定，全磷、有效磷采用钼锑抗比色法测定，全钾、速效钾采用火焰光度法测定，硝态氮采用酚二磺酸比色法测定，铵态氮采用靛酚蓝比色法测定。

1.4 数据分析

利用 Excel 2007对数据进行整理，计算平均值、标准差和绘图。用SAS(V9.0)软件进行统计分析，分析前对数据进行正态分布检验和方差齐性检验，如不符合，则进行对数转换。采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)比较不同措施各测试指标的差异性，采用Duncan法进行多重比较，采用两因素方差分析(two-way ANOVA)比较氮添加与凋落物管理的交互作用对土壤化学性质的影响。

2 结果与分析

2.1 不同处理土壤pH和有机质含量

方差分析结果(表1)显示，在试验期间，单独氮添加、凋落物管理及交互作用对土壤pH的影响极显著(P<0.01)，不施氮保持原状最大，为6.66；高氮堆积最小，为6.04(图1)，属于酸性土壤。保持原状和堆积条件下，随着氮添加量的增加，土壤pH显著下降；搅拌条件下，与不施氮相比，低氮处理显著提高土壤pH。不同施氮水平进行凋落物管理，显著降低土壤pH，不施氮条件下搅拌最小；低氮和高氮条件下均堆积最小。

图1 不同处理土壤pH和有机质含量注：大写字母表示相同凋落物管理不同氮添加量间差异性，小写字母表示相同氮添加量不同凋落物管理间差异性，不同字母表示有显著差异(P<0.05)。下同。Fig.1 Soil pH and organic matter content in different treatments

表1 不同处理土壤pH和有机质含量方差分析

单独氮添加、凋落物管理及交互作用对土壤有机质含量的影响同样极显著(P<0.01)，不施氮搅拌有机质含量最高，为125.81 g/kg，低氮保持原状最低，为95.69 g/kg。保持原状和搅拌条件下，氮添加显著降低土壤有机质含量；保持原状时低氮处理最低，与不施氮相比下降9.05%；搅拌时高氮处理最低，与不施氮相比下降22.87%。堆积条件下，与不施氮相比，低氮处理土壤有机质含量提高8.23%。不施氮条件下，与保持原状相比，搅拌土壤有机质含量提高19.57%；低氮条件下，与保持原状相比，凋落物管理显著提高土壤有机质含量，堆积最高，提高12.16%。

2.2 不同处理土壤氮含量

通过表2可以看出，单独氮添加对硝态氮含量的影响极显著，单独凋落物管理对全氮含量的影响显著(P<0.05)，对硝态氮含量的影响极显著，交互作用对土壤全氮和硝态氮含量的影响极显著。根据图2结果，土壤全氮含量不施氮搅拌最高，为3.97 g/kg，高氮搅拌最低，为2.82 g/kg；铵态氮含量低氮堆积最高，为8.93 mg/kg，不施氮保持原状最低，为7.05 mg/kg；硝态氮含量高氮搅拌最高，为62.743 mg/kg，不施氮保持原状最低，为6.34 mg/kg。

图2 不同处理土壤氮含量Fig.2 Soil nitrogen content in different treatments

表2 不同处理土壤氮含量方差分析

与不施氮相比，保持原状条件下，随着氮添加量的增加土壤硝态氮含量显著升高，低氮处理提高96.32%，高氮处理提高603.73%；堆积条件下，高氮处理土壤硝态氮含量提高110.50%；搅拌条件下，随着氮添加量的增加，土壤全氮含量显著下降，低氮处理降低14.47%，高氮处理降低28.94%，高氮处理土壤硝态氮含量提高100.74%。与保持原状相比，不施氮条件下，搅拌土壤全氮含量提高18.91%，堆积和搅拌硝态氮含量提高251.92%和392.70%；低氮条件下，堆积土壤硝态氮含量提高75.48%；高氮条件下，搅拌土壤硝态氮含量提高40.54%。

2.3 不同处理土壤磷含量

单独氮添加、凋落物管理及交互作用对土壤全磷含量的影响不显著(P>0.05)，凋落物管理和交互作用对有效磷含量的影响极显著(表3)。

表3 不同处理土壤磷含量方差分析

土壤全磷含量不施氮堆积最高，为1.22 g/kg，高氮保持原状最低，为0.68 g/kg；有效磷含量高氮搅拌最高，为18.64 mg/kg，不施氮保持原状最低，为10.08 mg/kg(图3)。与不施氮相比，保持原状条件下，高氮处理有效磷含量提高69.78%；搅拌条件下，低氮处理有效磷含量降低33.61%。与保持原状相比，不施氮条件下，堆积和搅拌有效磷含量提高22.39%和78.37%；高氮条件下，搅拌全磷含量提高66.24%。

图3 不同处理土壤磷含量Fig.3 Soil phosphorus content in different treatments

2.4 不同处理土壤钾含量

由表4可知，单独氮添加和凋落物管理对土壤速效钾含量的影响极显著，交互作用对土壤全钾和速效钾含量的影响极显著。

表4 不同处理土壤钾含量方差分析

根据图4结果，土壤全钾含量高氮搅拌最高，为19.54 g/kg，高氮保持原状最低，为17.40 g/kg；速效钾含量高氮搅拌和低氮搅拌最高，均为366.32 mg/kg，不施氮堆积最低，为176.19 mg/kg。与不施氮相比，保持原状条件下，低氮处理土壤速效钾含量提高38.38%；堆积条件下，随着氮添加量的增加，土壤速效钾含量显著升高，低氮处理提高65.77%，高氮处理提高86.33%；搅拌条件下，高氮处理全钾含量提高9.40%。与保持原状相比，不施氮条件下，堆积速效钾含量降低32.10%，搅拌速效钾含量提高38.38%；低氮条件下，堆积速效钾含量降低18.66%；高氮条件下，堆积和搅拌全钾含量提高5.48%和12.34%，速效钾含量提高24.77%和39.23%。

图4 不同处理土壤钾含量Fig.4 Soil potassium content in different treatments

3 讨论与结论

3.1 讨论

土壤酸碱度(pH)是土壤重要的理化性质，与氮的生物化学反应关系密切，并受铵态氮和硝态氮输入与输出平衡状态的影响[16-17]。单独氮添加显著降低土壤pH，与冯慧芳等[18]、赵欣然等[19]研究结果一致，这是由于氮添加增加了土壤硝态氮和铵态氮含量，输入的铵态氮在硝化过程中1 mol NH4+被转化成NO3-时会产生2 mol H+，导致土壤酸化[20]；此外，NO3-易随雨水淋溶，具有强烈的酸化作用，NO3-的流失可带走Ca2+、Mg2+等盐基阳离子[21]，而H+保留在土壤中[22]，导致土壤pH下降。单独凋落物管理同样显著降低土壤pH，这可能是由于华北落叶松凋落物中含有大量树脂、单宁等酸性物质，凋落物管理后加速了凋落物的分解，分解后的产物呈酸性，致使土壤酸化。氮添加与凋落物管理的交互作用并不是二者作用效果的简单叠加，尤其是搅拌条件下进行氮添加，低氮处理并未导致土壤pH下降，而是显著提高，可有效缓解土壤酸化，而堆积和氮添加组合后，进一步加速了土壤酸化，致使高氮堆积处理土壤pH最低。这种变化规律产生的原因本研究还不能完全解释，需要更进一步的深入研究。

土壤氮素在研究区相对匮乏，短期外源氮的输入，可缓解土壤氮素限制，刺激土壤微生物和酶活性，加快土壤有机质的分解速率，是导致氮添加后土壤有机质含量减少的主要原因[5,23]。但是，当施氮量超出一定范围，土壤氮素饱和后，氮添加对土壤微生物和酶的促进作用会减弱，甚至产生抑制作用，因此，本研究低氮处理更有助于土壤有机质的分解。凋落物管理通过改变凋落物的数量、质量、向土壤中的淋溶输入以及分解者的种类和数量，从而影响土壤肥力[24]。搅拌处理将腐殖质、半分解凋落物、表层新鲜未分解凋落物均匀混合后，与土壤直接接触，改善凋落物质量，加速凋落物分解，在雨水的淋溶作用下大量有机物质输入到土壤中，提高土壤有机质含量。堆积处理由于雨水淋溶作用较弱，凋落物分解产生的有机物质不能快速地输入到土壤中，短期内对土壤有机质含量的影响不显著。搅拌处理下进行氮添加，随着添加量的增加，土壤有机质含量下降，说明氮添加起主导作用；搅拌处理和氮添加的交互作用下，既能提高土壤有机质的输入量，又能加快其分解速率，对提高土壤养分含量具有重要作用。

单独氮添加虽然向土壤输入了外源氮，但对全氮含量的影响不显著，这可能是施氮后满足了植物和土壤生物所需的养分，促进植物生长，提高氮的吸收能力[4,18]；还有可能是添加的铵态氮和硝态氮易淋溶流失，最终使得土壤氮的输入与消耗保持平衡。研究发现，氮添加和凋落物管理后，土壤硝态氮含量显著提高，成为华北落叶松人工林土壤有效氮主要存在形式，添加的铵态氮一部分被植物吸收，另一部分在硝化作用下转化为硝态氮，其含量未发生显著变化。氮添加显著提高土壤硝态氮含量与许多研究结果相似[25-26]，一方面氮添加直接增加了土壤中的硝态氮含量；另一方面提高土壤硝化作用，导致更多的氮素以硝态氮的形式存在[27-28]。搅拌处理可加速凋落物分解，提升土壤氮归还能力，提高全氮含量。凋落物管理对土壤硝态氮含量的促进作用要高于铵态氮，一是铵态氮会在土壤硝化作用下转化为硝态氮；另外凋落物管理可能会提高土壤矿化作用中硝化作用的比例，导致更多的硝态氮在土壤中积累[29]。交互作用后，高氮搅拌全氮含量最低，硝态氮含量最高，铵态氮含量也仅次于低氮堆积，说明此处理可明显提高土壤有机氮的矿质化速率，将土壤中含氮有机物转化为无机态氮，增加土壤有效氮含量，被植物和微生物吸收利用。下一步将对土壤中氮素流失状况进行研究，揭示在搅拌条件下氮添加使土壤全氮含量显著下降是否由于氮素的损失所致。

单独氮添加与凋落物管理对土壤全磷含量的影响不显著，随着施氮量的增加，全磷含量呈下降趋势，有效磷含量显著增加，这是因为氮添加可以提高土壤磷酸酶活性[30]，促进含磷有机物的分解，使有机磷向无机磷转化，提高有效性磷含量[17]。凋落物管理对土壤全磷的影响不显著与王丹等[31]研究结果一致，刘倩等[32]研究发现凋落物与土壤有效磷关系极显著，因此，单独凋落物管理通过改善凋落物质量和养分输入而显著提高土壤有效磷含量。高氮条件下对凋落物进行搅拌管理，显著提高土壤全磷含量，能够缓解氮添加引起的土壤全磷含量下降，进一步说明高氮搅拌处理可以有效的提高凋落物分解速率，向土壤补充养分。

土壤中钾的含量与母质密切相关，且受淋溶作用影响易流失，不易在土壤中积累，使得森林生态系统中土壤钾的输入更加依赖于凋落物分解归还[33]。唐剑东[34]认为，土壤速效钾主要以交换性钾为主，受阳离子交换量的影响，低氮处理可能抑制了K+与其它阳离子的交换，土壤胶体固定了大量K+，从而增加土壤速效钾含量，这与本研究结果相似。堆积处理可能会导致土壤中的钾素被固定，使速效性钾转化为植物难以利用的钾，降低速效钾含量；搅拌处理恰好相反，能够加速凋落物分解和促进土壤中钾的释放，提高速效钾含量。本研究高氮搅拌处理土壤全钾和速效钾含量均最高，高氮条件下进行凋落物管理和搅拌条件下进行氮添加可加速凋落物分解，促进凋落物中的钾元素快速回归到土壤中，土壤全钾含量显著提高。

本试验研究了氮添加、凋落物管理及二者交互作用对华北落叶松人工林土壤化学性质的影响，结果表明，氮添加能够刺激土壤微生物和酶活性，促进土壤中有机物的矿化，提高土壤硝态氮、铵态氮和有效磷含量，最终被植物吸收利用；搅拌处理可以加速凋落物分解，提高土壤有机质和全氮含量，为土壤补充养分；综合分析，高氮搅拌处理对促进养分循环和维持地力平衡的作用效果最佳。对于影响土壤化学性质的因子并非单独出现，而是多因子共同作用的结果，因此，对多因子的交互作用效应进行研究尤为重要。本研究氮添加与凋落物管理的交互作用并不是二者作用效果的简单叠加，由于试验时间相对较短，且仅对土壤的化学性质进行了测试，存在一定的局限性，关于交互作用的内在机制还不清楚。未来应重点对处理后的土壤微生物、土壤水分、土壤呼吸、植物生长状况、根系分泌物、光合作用产物、凋落物分解速率等变化规律进行系统研究，以便更准确地揭示氮添加、凋落物管理及交互作用对土壤化学性质影响的内在机制。

3.2 结论

以阴山东南段华北落叶松人工林为研究对象，经过1 a试验，分析了表层(0～10 cm)土壤化学性质对氮添加、凋落物管理和二者交互作用的响应。(1)单独氮添加显著提高土壤硝态氮、有效磷、速效钾含量，降低pH和有机质含量；高氮处理土壤硝态氮、有效磷含量最大，分别为44.64 mg/kg和17.11 mg/kg，pH最小，为6.24；低氮处理土壤速效钾含量最高，有机质含量最低，分别为359.08 mg/kg和95.69 g/kg。(2)单独凋落物管理显著提高土壤有机质、全氮、硝态氮、有效磷、速效钾含量，均搅拌最大，分别为125.81 g/kg、3.97 g/kg、31.25 mg/kg、17.98 mg/kg、359.08 mg/kg；凋落物管理显著降低土壤pH，搅拌最小，为6.18。(3)交互作用对土壤pH和有机质、全氮、全钾、硝态氮、有效磷和速效钾含量的影响显著，对全磷、铵态氮含量的影响不显著。高氮堆积pH最小，为6.04；不施氮搅拌有机质、全氮含量最高，为125.81 g/kg和3.97 g/kg；高氮搅拌全钾、硝态氮、有效磷、速效钾含量最高，分别为19.54 g/kg、62.74 mg/kg、18.64 mg/kg、366.32 mg/kg。