亚热带次级森林演替过程中模拟氮磷沉降对土壤微生物生物量及土壤养分的影响

王全成,郑 勇,*,宋 鸽,金圣圣,贺纪正

1 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, 福州 350007 2 福建师范大学地理科学学院, 福州 350007

氮(N)和磷(P)是陆地生态系统限制植物生长的主要养分因子,在植物的生长、发育和繁殖等过程中起着关键的作用,影响着生态系统的生产力和生态过程[1]。由于大量的化石燃料燃烧、含N化肥使用及畜牧业的发展等,使得大量活性N进入大气[2],含N化合物随后通过降水(尘)方式返回地表,形成大气N沉降。目前我国已成为全球三大N沉降集中区域之一,尤其在我国东部地区更为严重,其N沉降速率已达50—55 kg hm-2a-1[3]。大气N沉降会增加土壤中N素有效性,促进植物生长。同时,热带和亚热带森林土壤风化严重,大部分P与铝和铁络合物相结合,导致土壤P素不易被利用[4],而N沉降会进一步降低土壤P的有效性。养分有效性会改变土壤微生物的活性,进而影响微生物对有机质的分解以及土壤养分的数量和迁移[5]。毋庸置疑,N、P沉降显著改变了土壤性状和微生物特征,而目前关于N、P沉降对土壤性状和微生物特征影响的研究多集中在表层(0—15 cm或0—20 cm)土壤。例如,张秀兰等[6]在亚热带杉木人工林研究发现低水平N、P添加显著提高0—5 cm土壤水溶性有机碳含量。Yang等[7]针对东北落叶松的研究发现N添加降低了0—10 cm土壤无机P的有效性、微生物量磷和酸性磷酸酶的活性。此外,以往多数N、P添加研究在同一林分开展[8],鲜有研究比较不同森林演替阶段土壤特性对N、P添加的响应。考虑到不同森林演替阶段对土壤N、P的需求不同[9],因此在N、P沉降背景下,对森林生态系统不同演替阶段土壤微生物特性的研究具有重要的意义。

亚热带常绿阔叶林在我国南方广泛分布,约占国土面积的1/4,同时也是世界主要森林植被类型之一[17]。浙江古田山国家级自然保护区地处中亚热带,是国际生物多样性保护的热点地区[18],其地带性植被是以老龄常绿阔叶林为核心,周围分布次生常绿阔叶林[19],为比较研究亚热带次生常绿阔叶林提供了天然实验样地。本研究以亚热带年轻和老年常绿阔叶林土壤为研究对象,以人工定量施肥模拟N、P沉降实验,探讨亚热带次级森林不同演替阶段土壤微生物生物量以及八种主要的土壤养分指标等对N、P沉降的响应；分析土壤微生物生物量与养分之间的相关性。一般认为,N沉降对大多数生态系统土壤微生物生物量的影响呈负效应[20],且可能加剧亚热带地区土壤中P的限制作用[21]。因此假设：(1)N沉降会减少土壤微生物生物量；(2)N、P沉降对土壤微生物量的影响在不同森林演替阶段存在一定差别；(3)N、P沉降同时发生时,P的影响更大。本文试图从土壤微生物生物量和土壤养分的角度揭示亚热带次级森林生态系统演替过程中对N、P输入的响应,为全面评估外源N、P输入对亚热带森林土壤的影响提供基础数据；这将对未来全球环境变化背景下,如何保护我国的亚热带森林资源、实现干扰生态系统的植被恢复与重建等具有重要的理论和实践意义。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

研究地点位于浙江省衢州市开化县的古田山国家级自然保护区(29°10′19.4″—29°17′41.4″N, 118°03′49.7″—118°11′12.2″E)。该区域受季风影响大,属我国中亚热带湿润季风气候区。年均温为15.3℃,最冷1月平均温4.1℃,最热7月平均温27.6℃,无霜期达到250 d。年均降雨量为1964 mm,年均降水天数约143 d,相对湿度为92.4%。研究区基岩由花岗岩和片麻岩组成,土壤质地均由砂质壤土和粉质壤土组成[22],土壤类型为红壤,呈酸性。本区属典型的亚热带常绿阔叶林植被类型,优势树种为甜槠(Castanopsiseyrei)、木荷(Schimasuperba)、短柄枹(Quercusserrata)、石栎(Lithocarpusglaber)和檵木(Loropetalumchinese)等[23]。

1.2 试验设计

依托中德国际合作项目(BEF—China)于2008年建立的亚热带不同次级森林演替阶段的比较研究样地(Comparative Study Plots, CSPs),针对年轻(<40 a)和老年(>85 a)两种演替阶段森林(两种类型林地的林分存在一定差异,但是优势种基本相同),每个演替阶段选择4处样方地点(重复),共8个CSP的样方(海拔为251—620 m)。该8个样方作为我们N、P添加实验的不施肥对照(Ctrl)；并且在选定的8处对照样方地点周围,分别新建立了另外3个样地(30 m×30 m,中间20 m×20 m为核心区；样方间距大于20 m),进行施肥处理,即氮添加(N)、磷添加(P)、氮磷添加(NP)。每种森林演替设置4个施肥处理(Ctrl, N, P, NP),每个处理4个重复,总计32个样方。氮的施用量为10 g m-2a-1,以尿素即CO(NH2)2的形式添加；磷的施用量为10 g m-2a-1,以重钙磷肥(Ca(H2PO4)2·H2O, TSP)的形式添加。施肥方式为均匀地撒到样地内,每年频率为3月、7月共两次,每次施肥量为全年的一半,试验始于2015年3月。

1.3 取样与指标测定方法

土壤样品采集于2019年6月。在每个样方的核心区(20 m×20 m)随机选取10个取样点,取样时先移除地表的枯枝落叶,然后用直径为3.5 cm的土钻,分别取表层(0—15 cm)、次表层(15—30 cm)和下底层(30—60 cm)三个土层,相同土层土壤混匀,分取约500 g装袋,冰袋保鲜条件下带回实验室。挑去碎石及可见的根系,过2 mm筛后土壤样品分为两份：一份置于4℃冰箱冷藏,用于土壤速效养分、MBC及MBN的测定；另一份自然风干后,过100目,用于土壤TC、TN和TP等指标的测定。

1.4 数据处理

2 研究结果

2.1 N、P添加对年轻林和老年林不同土层土壤MBC和MBN的影响

研究结果表明,N添加对MBC和MBN无显著影响,但P添加显著影响土壤MBN,森林演替阶段显著影响土壤MBC,不同土层之间MBC和MBN均存在显著性差异(表1)。有些土壤因子之间存在显著的交互作用,例如,N添加与P添加两因子、演替阶段和土层两因子、以及N添加、P添加和土层三因子交互显著影响土壤MBN。P添加和土层两因子,以及P添加、演替阶段和土层三因子之间交互作用对土壤MBC和MBN均具有显著性影响(表1)。

表1 土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)及养分的四因素方差分析(F值)

两种演替阶段的各施肥处理下土壤MBC和MBN均随着土壤深度增加而降低(图1)。与不施肥Ctrl相比,N和P添加处理对年轻林土壤MBC含量无显著影响,但P和NP添加后,年轻林次表层土壤MBN含量较对照分别增加32%和24%(P<0.05)；同时,P和NP添加后,老年林表层土壤MBC含量分别增加69%和56%,次表层土壤中MBC分别增加78%和75%(P<0.05),表层土壤MBN含量分别增加86%和76%(P<0.05)。与年轻林相比,在NP添加处理下,老年林表层和次表层土壤MBC含量分别增加36%和46%(P<0.05)；在Ctrl和N添加处理下,老年林表层土壤中MBN含量分别降低36%和32%(P<0.05)。

图1 氮、磷添加对亚热带森林年轻林和老年林不同土层土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)的影响

2.2 N、P添加对年轻林和老年林不同土层土壤主要养分含量的影响

图2 氮、磷添加对亚热带森林年轻林和老年林不同土层土壤养分的影响

2.3 不同森林演替阶段土壤MBC和MBN与养分的相关性分析

图3 基于土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)的冗余分析

图4 不同森林演替阶段土壤养分与MBC和MBN的相关性分析

3 讨论

3.1 亚热带次级森林演替过程中土壤MBC和MBN对N、P添加的响应

土壤微生物生物量是微生物在土壤中发挥功能的物质载体,在陆地生态系统土壤C、N循环中发挥着至关重要的作用[28],同时由于其周转速度快、灵敏度高,可以直接或间接地反映土壤肥力状况和土壤环境质量的微小变化[29]。在两种演替阶段森林中,不施肥对照及各N、P添加处理下土壤MBC和MBN均随着土壤深度增加而降低,表明土壤微生物通常在表层土壤中数量最多、因而生物量最高。亚热带森林地表积聚的大量凋落物,为表层土壤微生物提供了丰富营养物质,更有利于微生物的生存和生长[30]。

N添加对两种演替阶段亚热带森林土壤微生物生物量均无显著影响,不支持假设1。与其他养分因子相比,速效N与MBC、MBN相关性较弱,从而导致N添加对土壤微生物生物量无显著影响。类似地,Tian等[31]在温度地区研究发现N添加对MBC和MBN均无显著影响；同样在亚热带,N添加对松树林和混交林土壤MBC无显著影响[32]。通常认为N添加会降低土壤中微生物生物量[20],类似地,Wu等[33]研究发现较高N添加减少中亚热带森林土壤微生物生物量。但也研究表明N添加对森林土壤微生物生物量存在正效应,类似地,Cusack等[34]研究发现N添加提高热带森林土壤微生物生物量；以上研究结果不一致的原因可能是森林土壤微生物生物量对N沉降的响应存在气候带和植被类型之间的差异,且依赖于养分输入的剂量[35]。与假设2一致,研究发现养分添加处理对土壤微生物生物量的影响依赖于森林演替阶段,P和NP添加显著增加了老年林表层和次表层土壤微生物生物量。Liu等[36]在南亚热带鼎湖山地区不同演替阶段森林研究发现,P添加显著增加老龄林土壤微生物生物量,但对种植年限较短的松林和混交林土壤微生物生物量无显著影响。这可能是由于森林土壤P素主要源自矿物的风化作用,一般认为森林生态系统在演替后期P素相对匮乏[37],即老年林可能比年轻林更易受P限制,P添加增加了老年林土壤速效P的含量(图2),促进了微生物生长,进而增加微生物生物量。考虑到N添加对土壤微生物生物量的影响较小,因此NP处理对老年林土壤微生物量的正效应主要由P添加贡献,支持我们的假设3。

3.2 亚热带次级森林演替过程中土壤养分对N、P添加的响应

土壤C、N和P含量是土壤肥力的基础并决定养分的有效性,在土壤的物质循环和能量流动,以及多元素平衡中起着关键作用[38]。两种演替森林中,各施肥处理下土壤养分含量均随着土壤深度增加而降低。森林的凋落物归还土壤,为表层土壤提供了丰富的C源和大量可利用有机物质,随着土层深度增加,下底层土壤养分只能靠上层降解产物的浸透和根细分泌物及其产物[39],显然中下底层土壤养分理应低于表层土壤。

N、P添加对两种演替阶段土壤TC,可能是TC对外界干扰的响应相对不敏感,在短时间内变化不显著。类似地,Ma等[40]在海南岛热带森林的研究发现,N、P添加对土壤SOC含量无显著影响。Tang等[41]在初级和次级热带山地森林研究发现N添加对土壤DOC含量没有显著影响,与本研究一致,可能由于N添加对土壤微生物没有显著影响,导致微生物对土壤SOC的分解无显著变化。热带亚热带地区土壤高度风化,大部分的P被铁铝氧化物所固定,导致土壤P的有效性低[4],一般认为P是限制森林生产力的重要因素[42]。有研究发现,外源性P输入可以增强微生物的活性,加速热带缺P土壤的C矿化,有利于促进土壤SOC的分解[43],增加土壤DOC含量。例如Mori等[44]在泰国热带雨林研究发现P添加显著增加土壤DOC含量。然而,Cleveland等[45]在热带森林研究发现P添加通过增加P含量从而降低可溶性有机质(DOM)中C/P比,反过来,DOM中P含量的提升,促进了微生物对DOM的矿化,从而减少土壤中DOC的含量。本区域可能是二者综合导致P添加对土壤DOC没有显著影响,有待进一步研究加以验证。虽然N、P添加和演替阶段对土壤TC和DOC没有显著影响,但TC和DOC仍然是土壤养分的重要组成部分,也是影响土壤微生物生物量的关键因子。

P和NP添加显著增加了两种森林演替阶段表层和次表层土壤AP以及表层土壤TP的含量。类似地,Lin等[51]在亚热带天然常绿阔叶林研究发现,P添加增加土壤AP含量,促进了微生物的生长繁殖。Wang等[52]在鼎湖山季风常绿阔叶林研究发现,P和NP添加显著增加土壤TP和AP含量,与本文研究一致。对比两种不同森林演替阶段,在施NP处理中,老年林表层和次表层土壤AP含量显著低于年轻林,可能是老年林土壤MBC高于年轻林,对AP的需求与利用高于年轻林；同时,NP养分添加对年轻林土壤MBC没有显著影响,但提高了老年林土壤MBC(图1),增加了老年林对AP的需求,从而降低了老年林土壤中AP含量。

3.3 亚热带次级森林演替过程中土壤微生物生物量与土壤养分的相关性

土壤微生物生物量与土壤养分之间的关系十分密切,土壤微生物生物量是土壤养分的供给源和储备库[53],而土壤养分含量则可以直接地影响土壤微生物生物量。土壤微生物生物量与8种土壤养分均有显著的正相关关系,且TC、TN和DOC是土壤微生物生物量的主要控制因子。类似地,Jia等[54]在黄土高原次生森林演替中发现土壤MBC和MBN均与土壤SOC和TN含量显著正相关；杨宁等[55]研究发现土壤MBC和MBN均与SOC、TN、AN和TP呈显著正相关,该研究结果与本研究相一致,说明土壤微生物生物量可在一定程度上反映土壤养分状况[56]。同时,土壤养分是微生物生长过程中重要的营养元素和能量来源,提高土壤养分含量也可以提高微生物活性并增加其生物量。在八种土壤养分因子中,年轻林土壤TC、TN、DOC和DON是土壤微生物生物量的主要控制因子；老年林土壤中更为重要的主控因子则为TC、TN、TP和DOC。这些养分因子(如TC、TN、DOC)或许更能敏感地反映土壤微生物生物量的变化,未来应该优先关注这些相对更为重要的因子。

4 结论