氮添加对辽东山区落叶松人工林土壤碳氮的影响

魏文俊，颜廷武，王叶红，王祥福，张慧东*

(1.辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032；2.抚顺市林业发展服务中心，辽宁 抚顺 113006；3.国家林业和草原局西北林业调查规划设计院，陕西 西安 710048)

1 研究区概况

研究区位于辽宁省西丰县境内的冰砬山森林生态站(124°45′～125°15′E，42°20′～42°40′N)。属吉林哈达岭的西南延续地带，低山丘陵地貌，平均海拔为500～600 m。属温带季风气候，7月气温最高，平均气温为23.2℃，极端高温35.2℃；1月气温最低，平均气温-17.2℃，极端低温-41.1℃；具有典型的山区气候特征，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。以暗棕色森林土为主，其次为棕色森林土，土壤多为粉沙壤土和壤土质地，土层深厚，有机质含量高，pH值为6～7。现存森林植被为以蒙古栎Quercusmongolica等为主的天然次生林和以长白落叶松Larixolgensis等树种为主的人工林。

2 研究方法

2.1 试验设置

2.2 土壤呼吸速率测定

在每个氮素添加处理的样方内，随机设置3个土壤呼吸速率的观测点。每个观测点安置1个PVC土壤呼吸测定环(直径21.34 cm、高11.43 cm，插入土壤深度为10 cm)。利用Licor-8100便携式二氧化碳红外气体分析仪测定土壤呼吸速率。每次测定前，用剪刀紧贴地表剪除土壤呼吸测定环内的草本。土壤呼吸速率测定在2015-2018年的5-10月进行，每月上、下旬选择晴好天气各进行1次测量。Licor-8100便携式二氧化碳红外气体分析仪自动记录土壤呼吸速率，每个样点重复3次，每次测量时间为5 min。土壤呼吸速率测定在上午9：00-11：00进行，多数研究结果证明这一时段的土壤呼吸速率更接近于当日日平均值[10]。

2.3 气象因子测定

在测量土壤呼吸速率的同时，利用Licor-8100附带的温湿度传感器在样点附近测量10 cm深土壤温度和土壤体积含水量；同时利用生态站森林小气候梯度观测系统对研究区的大气温度、相对湿度和5 cm、10 cm、15 cm的土壤温度等进行补充。

2.4 土壤样品采集及其土壤碳、氮指标测定

2015-2017年的生长季每月中旬，在每个氮添加处理样方中，沿对角线用土钻(直径为2.5 cm)随机采集10个土壤样品，然后均匀混合成1个样品，采集深度为10 cm。将采集的土壤样品分为两等份，立即用2 mm土壤筛筛去砾石和植物根系，带回实验室尽快处理样品。样品4 ℃冷藏，用于测定土壤铵态氮和硝态氮以及微生物量碳、氮含量。土壤铵态氮采用2 mol·L-1KCl浸提-靛酚蓝比色法测定，土壤硝态氮采用酚二磺酸比色法测定。土壤微生物生物量碳、氮含量(简称土壤微生物量碳、氮含量)的测定采用氯仿熏蒸提取-Multi C/N 3100仪器分析法[11]。

2.5 数据处理

利用SPSS17.0进行双因素方差分析，分析氮素形态和施氮水平对土壤性质(土壤铵态氮、硝态氮、微生物量碳和氮含量)的影响差异。采用指数模型拟合土壤呼吸速率与10 cm深度土壤温度之间的关系(公式1)。

Rs=aebT10

(1)

式中：Rs是土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1)；T10是10 cm深度土壤温度(℃)；a和b分别是方程系数。

运用拟合得到的指数模型中的参数以及森林小气候梯度观测系统获得的10 cm深度土壤温度连续观测数据来估算不同氮添加处理下土壤碳排放量(公式2)。

FiCO2=∑Rs10×600

(2)

式中：FiCO2为各氮处理下碳排放量(g C·m-2)；i为不同氮添加处理；Rs10是每10 min的土壤呼吸速率；600表示10 min内包含600 s。

3 结果与分析

3.1 落叶松人工林土壤呼吸速率及碳排放量对氮添加的响应

注：和分别为低、中和高添加水平；和分别为低、中和高添加水平；CK为对照。下图同。

3.2 氮添加对落叶松人工林土壤可利用氮素影响

表1 氮添加对土壤可利用氮素影响双因素方差分析

图2 氮素添加落叶松人工林的土壤铵态氮和硝态氮含量

3.3 氮添加对落叶松人工林土壤微生物生物量碳氮的影响

图3 氮素添加下落叶松人工林的土壤微生物生物量碳和微生物氮含量

通过氮素形态和氮添加水平对土壤微生物特性影响的双因素方差分析得到，氮素形态对土壤微生物生物量碳有显著的影响，但氮添加水平对土壤微生物生物量碳的影响并不显著；氮素形态对土壤微生物生物量氮有极显著的影响，氮添加水平同样对土壤微生物生物量氮没有显著影响(表2)。

表2 氮添加对土壤微生物特性影响的双因素方差分析

4 结论与讨论