杉木林土壤碳氮磷储量及化学计量特征对氮添加的响应

李思程，蔡乾坤，刘文飞，吴建平**

(1.云南大学 云南省植物繁殖适应与进化生态学重点实验室，云南 昆明 650500；2.云南大学 生态与环境学院 云南省高校土壤生态与健康重点实验室，云南 昆明 650500；3.南昌工程学院 江西省退化生态系统修复与流域生态水文重点实验室，江西 南昌 330099)

土壤是陆地生态系统的重要组成部分，也是植物生长发育所需养分的主要来源[1].土壤有机碳（SOC）是评价土壤肥力和生产力的重要指标[2]，土壤有机碳库还充当大气二氧化碳的源或汇[3]，其微小变化可能会对陆地生产力和全球气候产生巨大影响.土壤全氮（TN）和全磷（TP）与SOC 类似，也是影响植物生长和全球生物地球化学循环的主要元素[4]，它们之间的相互作用在调节生态系统能量流动和物质循环中发挥着重要作用[5].

自工业革命以来，由于化石燃料燃烧和农业集约化，大气中的活性氮（NH3、NH4+、RNH2、NOx）水平有所增加[6].从1860 年到1990 年，活性氮增加了10 倍，预计到2050 年还将增加1 倍[7].大气氮沉降增加改变了森林生态系统氮分配模式，加速了氮循环过程，并通过碳氮磷耦合机制驱动碳、磷等其它元素循环发生改变[8].氮沉降主要通过影响森林生态系统凋落物量积累、凋落物分解、以及土壤有机质分解和稳定来影响土壤碳储量[9].已有研究表明，不同植被及气候类型下森林土壤有机碳质量比对氮添加的响应不同，表现为碳储量增加[10]或减少[11]，但氮沉降背景下土壤氮、磷储量变化的报道还相对较少.

杉木（Cunninghamia lanceolata）具备生长快、产量高和材质构造均匀等特征，是中国亚热带地区的主要优良造林树种之一，其栽培历史达数千年，目前种植面积占中国人工林总面积的21%[12]，在维持区域木材安全和养分循环方面发挥着重要作用.氮素原位添加实验是人工模拟氮沉降的主要形式[13].已有杉木人工林生态系统对氮添加响应的研究主要集中在地上凋落物分解过程[14]、微生物群落多样性和组成[15]和土壤酶活性[16]等方面，对于表层土壤碳、氮、磷储量如何响应长期氮添加的研究相对较少.因此，本实验以亚热带杉木人工林为研究对象，通过梯度氮添加模拟氮沉降，探究长期氮添加对杉木人工林表层土壤碳、氮、磷储量和化学计量特征的影响，以期为进一步研究全球变化背景下土壤碳、氮、磷动态提供科学数据，同时为杉木人工林可持续经营提供理论指导.

1 材料与方法

1.1 研究区概况研究区位于福建省三明市沙县官庄国有林场（26°30′47″N，117°43′29″E），属亚热带季风气候.该区年平均气温19.6 ℃，年平均降水量1 660 mm，干湿季明显.模拟氮沉降实验区设在官庄林场白溪工区，海拔200 m 左右，土壤类型为山地红壤.实验区杉木人工林为1992 年营造，面积约6 hm2，林下灌草种类主要有芒萁（Dicranopteris dichotoma）、五节芒（Miscanthus floridulus）、菝葜（Smilax china）、乌毛蕨（Blechnum orientale）等.

1.2 实验设计

1.2.1 模拟氮沉降 2003 年12 月，选择林分和立地条件相似的杉木人工林建立面积均为20 m ×20 m 的固定样地12 块.为了分开破坏性实验和长期监测实验，样地内设15 m × 15 m 中心区域.研究区杉木林龄为12 a，密度约1 700 株·hm-2，平均树高12 m，平均胸径16 cm，土壤pH 约为4.68，全氮质量比为1.21 g·kg-1，有效磷质量比5.22 mg·kg-1[17].根据该区年平均氮沉降监测值和参考国际类似实验，设置对照（0 kg·hm-2·a-1，N0 处理）、低氮（60 kg·hm-2·a-1，N1 处理）、中氮（120 kg·hm-2·a-1，N2处理）和高氮（240 kg·hm-2·a-1，N3 处理）4 种处理，每种氮沉降处理设置3 次重复.实验于2004 年1月开始，每月初在实验室称取相应量的尿素[CO(NH2)2]（含氮量w≥46.3%），溶解于20 L 水中，以背式喷雾器均匀喷洒于20 m×20 m 固定样地表面，对照样地喷洒等体积水.

1.2.2 取 样 和 处 理 于2013 年6、9、12 月 和2014 年3 月（代表夏秋冬春4 季），沿坡面在每块样地的上中下位置随机选取3 个点位，各点位分别用3 根PVC 管（长15 cm，直径3.5 cm）打入0～10 cm 采集土壤并混合成一个土壤样品.每个采样季节有36 个土壤样品，共采集4 个季节，共有土壤样品144 个.土壤样品采集后去除其中的凋落物和石砾，然后过筛并混合均匀，取一部分保存于4 ℃下以备后续使用.土壤容重用100 cm3不锈钢环刀在每个样地采集0～10 cm 土壤，烘干称重测定.土壤pH 用超纯水浸提土壤（水土质量比为2.5∶1），密封震荡 5 min 后静置1 h，使用3-STAR 型pH 计测定上清液.用重铬酸钾容量法测定土壤有机碳质量比；用全自动凯氏定氮仪测定土壤全氮质量比；用钼锑抗比色法测定土壤全磷质量比.

1.3 数据统计分析土壤有机碳储量（soil organic carbon stock, SOCs）、全氮储量（total nitrogen stock,TNs）、全磷储量（total phosphorus stock, TPs）按照以下公式计算[18]：

SOCs =w(SOC) × BD ×D/10,

TNs =w(TN) × BD ×D/10,

TPs =w(TP) × BD ×D/10.

式中：w(SOC) 为土壤有机碳质量比（g·kg-1）；w(TN)为土壤全氮质量比（g·kg-1）；w(TP) 为土壤全磷质量比（g·kg-1）.BD 为土壤容重（g·cm-3）；D为土层厚度（cm）.土壤有机碳储量、土壤全氮储量和土壤全磷储量单位为t·hm-2.

统计采用单因素方差分析（one-way ANOVA）.显著性设置（P＜0.05）并采用最小显著差异法（least significant difference，LSD）.用两因子（氮处理和季节）方差分析（two-way ANOVA）检验氮处理和季节的交互作用对土壤有机碳、全氮、全磷储量，碳氮比、碳磷比、氮磷比的影响.数据用Excel 2019 、SPSS 25.0、R Studio 4.0.2 程序进行统计分析和图表制作.

2 结果与分析

2.1 不同氮添加处理下土壤碳氮磷质量比及储量与对照N0 相比, 氮添加处理4 个季节显著减少土壤有机碳质量比（SOC），减少幅度分别为11.62%、12.63%和17.51%.N1 和N3 土壤有机碳储量（SOCs）在秋季显著降低，与对照N0 相比分别减少8.17%和8.58%.氮添加N1、N2 和N3 处理下土壤全氮质量比（TN）和储量（TNs）在4 个季节均显著升高，与对照N0 相比，土壤TN 增加17.31%、21.59%和25.01%，土壤TNs 增加22.16%、31.64%和39.47%.N1 处理下土壤全磷质量比（TP）在冬季显著降低，与对照N0 相比减少13.38%，除春季外，N2 处理显著增加土壤全磷储量（TPs），夏季、秋季和冬季N2 处理下土壤TPs 较N0 增加14.34%、13.96%和14.13%（图1）.

图1 不同氮添加处理下土壤中C、N、P 质量比及储量Fig.1 The C, N, P contents and stocks of soil under different N addition treatments

氮添加和季节做两因子方差分析表明，氮添加对SOCs、TNs 和TPs 都有显著影响，季节效应对TNs 和TPs 影响显著，氮添加和季节两者的交互作用对土壤SOCs、TNs 和TPs 无显著影响（表1）.

表1 氮添加和季节对土壤碳氮磷质量比、储量及其化学计量特征的双因素方差分析Tab.1 Effects of N addition and season on soil C, N, P contents, stocks and their stoichiometric protertis with two-way ANOVAs

2.2 不同氮添加处理下土壤pH 与化学计量特征氮添加在秋季和春季显著降低土壤pH（图2）.氮添 加 下 土 壤C:N 介 于8.29～14.23， C:P 介 于54.12～95.17，N:P 介于5.16～8.91，具体表现为氮添加处理土壤C:N 在4 个季节中均显著降低，N2处理土壤C:P 在4 个季节中均显著降低，N3 处理土壤C:P 在秋季显著降低.N1 和N3 处理土壤N:P在4 个季节中均显著升高（图2）.氮添加和季节做两因子方差分析表明，氮添加和季节对土壤C:N、C:P 和N:P 有显著影响，氮添加和季节两者的交互作用对土壤C:N、C:P 和N:P 无显著影响（表1）.

图2 不同氮添加处理下土壤pH 与C、N 和P 化学计量特征Fig.2 Soil pH and C, N and P stoichiometric characteristics under different N addition treatments

2.3 土壤碳氮磷储量与pH 及化学计量特征的回归分析图3 回归分析表明，土壤有机碳储量（SOCs）与土壤pH 显著正相关（P=0.03）.此外，土壤有机碳储量（SOCs）与C:N 和C:P 呈显著正相关（P＜0.01），与N:P 呈显著负相关（P=0.02），表明氮添加后土壤有机碳储量（SOCs）主要受到土壤酸度和有机碳质量比的影响.

图4 回归分析表明，土壤全氮储量（TNs）与土壤pH 显著负相关（P＜0.01）.此外，土壤总氮储量（TNs）与C:N 和C:P 呈显著负相关（P＜0.01），与N:P 呈显著正相关（P＜0.01），表明氮添加后土壤总氮储量（TNs）主要受到土壤氮磷化学计量比的影响.

图4 TNs 与pH 及化学计量特征的回归分析Fig.4 Regression analysis of TNs with pH and soil stoichiometric characteristics

图5 回归分析表明，土壤全磷储量（TPs）与土壤pH 显著负相关（P＜0.01）.土壤总磷储量（TPs）与C:P 和C:P 呈显著负相关（P＜0.01），与C:N 回归不显著（P=0.41），表明氮添加后土壤总磷储量（TPs）主要受到土壤磷的影响，但受碳氮的影响较小.

图5 TPs 与pH 及化学计量特征的回归分析Fig.5 Regression analysis of TPs with pH and soil stoichiometric characteristics

3 讨论

3.1 长期氮添加对表层土壤碳氮磷储量的影响土壤碳、氮、磷储量与土壤结构、质地等物理性质密切相关，但受土壤碳、氮、磷质量比、容重和pH 等的影响[19].土壤有机碳质量比是土壤总碳储量的决定性因素，因此土壤碳储量与其质量比变化趋势通常保持一致[20].本研究发现，长期氮添加处理下，表层土壤碳储量呈下降趋势（图1）.亚热带森林长期氮添加后，林下植物多样性的减少和植物群落组成变化导致地上部分碳输入减少，从而影响土壤有机碳的积累[11,14]，而土壤微生物多样性和群落组成变化导致凋落物分解减缓，也可能影响植物性有机碳输入和生态系统的碳储量[21-22].结合最近的整合分析，氮素对碳储存的促进作用主要发生在植物碳库中，而在土壤碳库中作用不大，且主要受土壤C:N 调节[23]，这与本研究发现土壤碳储量与C:N呈正相关关系一致（图3）.同时，一项在本研究样地开展的实验发现，模拟氮沉降，凋落物分解过程中氮和磷质量比增加，但有机碳质量比降低[24]，也支持了本研究结果.在国家的“碳达峰”和“碳中和”目标框架下，人工林管理过程中应综合考虑当地氮沉降量，合理施肥，避免过高施氮量带来对碳储存的负面影响.

土壤氮和磷是植物生长的重要限制性营养素，它们的动态可以在很大程度上影响生态系统过程，尤其是碳循环.本研究土壤全氮储量在1.56～2.36 t·hm-2之间，土壤全磷储量在0.22～0.38 t·hm-2之间，略高于同一气候区人工林表层土壤全氮储量平均 值[25]1.40 t·hm-2和 全 磷 储 量 平 均 值[25]0.23 t·hm-2.本研究发现，长期氮添加处理土壤全氮储量随施氮量而增加（图4），说明土壤全氮储量主要是受到氮输入量的影响.此外，本实验研究区人工林较少的干扰也可能会减少土壤氮素的损失，从而增加土壤全氮储量[26].本实验结果表明，N3 处理下土壤全磷相对于N0 处理较低，可能是由于土壤中的pH 值逐渐降低，导致植物生长对磷的需求增加[27].双因素方差分析结果显示，季节对土壤全磷储量有显著影响（表1），冬季高于夏季，推测原因是季风气候区夏季降雨多、温度高，土壤的淋洗程度较高，导致磷质量比的降低.由于土壤磷是中国南方土壤的主要限制养分元素[28]，在较高的氮处理下可能削弱土壤的“磷汇”作用[29].

3.2 长期氮添加对表层土壤碳氮磷化学计量特征的影响土壤碳氮磷化学计量特征是确定碳氮磷平衡的重要参数.虽然土壤具有生物多样性、结构复杂性和空间异质性等特征，但土壤中w(C)∶w(N)∶w(P)的全球比值相对稳定（186∶13∶1）[30]，然而气候条件、植被类型、土壤母质和人为干扰等因素可能导致土壤生态化学计量特征的差异[31-32].本研究发现氮添加处理后，表层土壤C:N（10.57）低于中国（11.90）[33]和全球（14.30）[34]土壤C:N 平均值，表明研究区杉木人工林土壤有机质分解速率和养分循环速度较快.因为土壤C:N 可用于衡量土壤碳氮养分平衡状态和土壤氮素矿化能力[35].此外，采用喷雾的形式进行氮的额外输入，大部分的氮停留在表层的凋落物和土壤，土壤表层全氮的质量比通常表现出增加的趋势[36]，这也与本研究发现模拟氮沉降显著增加了杉木人工林表层土壤全氮质量比结论一致.通过双因子方差分析，发现季节对C:N 有显著影响（表1），这可能是春季土壤微生物分解凋落物的速率较秋季更快[37].

土壤C:P 和N:P 是评估微生物矿化土壤有机物质中的磷或从环境中吸收固持磷元素潜力的重要参考因子，可在一定程度上反映土壤养分的供应能力[38-39].本研究中，不同氮处理水平下表层土壤的全磷质量比在0.17～0.29 g·kg-1范围.同时，表层土壤C:P（73.80）和N:P（7.19）均高于Tian 等[33]研究中报道的中国土壤C:P（61.00）和N:P（5.20）平均值，也高于同气候类型的三明同质园区C:P（25.53～47.21）和N:P（2.78～4.36）[40]，表明研究区植物生长可能处于磷限制状态.已有研究发现亚热带红壤区土壤无机磷存在形式主要有铝结合态磷（Al-P）、铁结合态磷（Fe-P）和钙磷（Ca-P）[41]，植物可以直接吸收利用的有效态磷质量比较小.当磷的生物有效性较低时，微生物分解植物残体受磷的限制较大，氮添加可能通过影响土壤微生物限制土壤有机磷矿化[42]，导致土壤氮磷元素失衡.因此，在氮沉降背景下，合理施用磷肥是改善杉木人工林土壤肥力状况的有效手段.本研究表明在开展人工林生态系统土壤碳氮磷储量变化的研究时要考虑土壤碳氮磷化学计量特征的影响.