阔叶林和针叶林土壤有机碳氮组分对氮添加的响应

　　原标题：氮添加对亚热带森林土壤有机碳氮组分的影响
　　
　　摘要： 为了研究氮添加对森林土壤有机碳氮组分稳定性的影响，选取我国亚热带典型常绿阔叶林（ 浙江桂天然林和罗浮栲天然林） 和针叶林（ 杉木人工林） ,开展为期5年的野外模拟氮沉降试验，分别设置对照〔0 kg?（hm2·a） ,以NH4NO3中的N计，下同〕、低氮〔75 kg?（hm2·a）〕和高氮〔150 kg?（hm2·a）〕3个氮添加水平，用H2SO4分2步酸水解获得LPⅠ（ 活性有机库Ⅰ）、LPⅡ（ 活性有机库Ⅱ） 和RP（ 惰性有机库） ,定量研究土壤活性和惰性有机碳氮组分以及微生物生物量碳氮对氮添加的响应。结果表明： 氮添加仅对w（LPⅡ-C） （LPⅡ-C为活性有机碳Ⅱ） 有显着影响，而对其他活性和惰性有机碳氮组分的影响不显着，并且对不同林分的影响存在差异。与对照处理相比，低氮处理下浙江桂天然林、罗浮栲天然林和杉木人工林土壤w（LPⅡ-C） 的增幅分别为15. 3% 、29. 8% 、68. 8%; 高氮处理下杉木人工林土壤w（LPⅠ-C） （LPⅠ-C为活性有机碳Ⅰ）、w（LPⅠ-N） （LPⅠ-N为活性有机氮Ⅰ） 和w（RP-C） （RP-C为惰性有机碳） 的增幅分别为32. 4% 、78. 6% 、28. 7%; 氮添加使得土壤w（SMB-C） （ 土壤微生物生物量碳） 的增幅为18. 1% ~ 202. 5% 、w（SMB-N） （ 土壤微生物生物量氮） 的增幅为0% ~ 103. 6%; 在氮添加处理下，除杉木人工林土壤SMB-N?LPⅠ-N〔w（SMB-N）?w（LPⅠ-N）〕是随着氮添加水平的增加而降低外，微生物对其他林分土壤活性有机氮的利用均表现为随着氮添加水平的增加而增加。研究显示，氮添加对阔叶林和针叶林土壤活性和惰性有机碳氮组分的影响存在差异，但差异不显着，这与它们归还土壤的凋落物性质差异有关，并且凋落物的分解差异也可能是影响土壤不同碳氮组分变化的原因。
　　
　　关键词： 氮添加； 酸水解； 活性和惰性有机碳氮组分； 微生物生物量； 林分
　　
　　近几十年以来，由于化学氮肥生产及使用的增加、化石燃料燃烧和畜牧业的快速发展等因素，人类活动向大气中排放了大量活性氮化合物，造成大气氮沉降量迅速增加[1].据估计，人类向大气排放的活性氮由19世纪60年代的15 Tg?a（ 以N计） 增至20世纪90年代中期的165 Tg?a,增幅高达10倍，约为全球氮素临界负荷（100 Tg?a） 的1. 6倍[2].氮沉降的急剧增加严重影响土壤养分的周转及各养分间的相互关系，同样也影响生态系统的稳定性[3],这一系列的生态问题引起了国际社会的广泛关注。
　　
　　土壤是C、N元素的源和汇，对陆地生态系统各元素化学循环过程具有重要作用[4].从全球大尺度范围看，地表0 ~ 1 m土层内有1. 5 × 1018g有机碳和3 × 1017g有机氮，这些有机碳氮组分是由复杂的化合物组成，它们的周转速率从几天到几年，甚至是几百年[5].研究者[6]根据土壤有机质在生态系统中周转速率的快慢和化学特性，把有机库划分为活性和惰性有机质组分。土壤活性有机质组分主要包括众多游离度较高的有机质〔如植物残体、根类物质、微生物量及其渗出物（ 碳水化合物、蛋白质等）〕，其在土壤中含量低、有效性高、周转速率快、易被土壤微生物分解矿化，是植物养分最直接供应的那部分有机质；而土壤惰性有机质组分则主要由软木脂、树脂、脂肪和蜡等组成，其含量相对较高，周转速率慢，一般表现为在土壤中长期稳定储存的状态[7].土壤微生物作为分解者，是土壤重要的组成部分，在森林生态系统物质循环过程中起着至关重要的作用，对于土壤活性有机碳氮组分而言，土壤微生物更是发挥了源和汇的功能[8].据报道[9],我国氮沉降通量仅次于美国和日本，是全球第三大氮沉降区。关于氮沉降对土壤有机质的影响主要集中在土壤有机碳、全氮的影响，以及有机氮的矿化与氮流失方面[10-11].在氮沉降背景下，土壤活性和惰性有机碳氮组分对氮沉降响应的差异及机理研究比分析全量变化更能反映有机质的动态变化，是深入研究氮素转化的基础，因此，深入开展森林土壤微生物生物量碳氮、活性和惰性有机碳氮组分对氮添加如何响应的研究工作，有助于进一步理解氮添加的影响趋势及其长期作用。
　　
　　该研究选取我国亚热带典型林分---阔叶林（ 浙江桂天然林和罗浮栲天然林） 和针叶林（ 杉木人工林） ,定量分析土壤有机碳氮组分和微生物生物量碳氮对氮添加的响应，以期为深入研究土壤主要碳氮库状态、转化及对环境变化的响应提供基础。
　　
　　1 材料与方法
　　
　　1. 1研究区概况
　　
　　研究区位于福建省北部建瓯万木林省级自然保护区（27°03'N、118°09'E） ,地处武夷山山脉东南、鹫峰山脉西北。该区域属典型中亚热带季风气候，年均气温18. 8 ℃，年均降水量1 673. 3 mm,相对湿度81%,全年无霜期277 d.土壤为花岗岩发育的山地红壤，w（ 有机质） 为14 ~ 26 g?kg,植被为亚热带暖湿地区的常绿双子叶植物阔叶树种，主要由樟科、木兰科、壳斗科、杜英科、山茶科、冬青科、山矾科和金缕梅科等为主的常绿阔叶树组成。该研究于2009年9月分别选择浙江桂天然林、罗桴栲天然林和杉木人工林3个样地（ 中坡位置） :①浙江桂天然林。乔木层中浙江桂（Cinnamomum chekiangense） 占绝对优势、假蚊母树（Distyliopsis dunnii） 次之、灌木层较为稀疏，主要有薄叶 山 矾 （Symplocos anomald）、杜 莲 山 （Maesajaponica）、野含笑（Michelia skinneriand）、沿海紫金牛（Ardisia punctata）、黄瑞木 （Adinandra milletii） 等种类； 草本层不发达，有狗脊蕨（Woodwardia japonicd）、草珊瑚（Sarcandra glabra）、飞扬草（Euporbia hirtd）等。 ②罗桴栲天然林。群落以壳斗科栲属占优势，主要有罗浮栲（Castanopsis fabric）、丝栗栲（Castanopsisfargesii）、拉 氏 栲 （Castanopsis lamontii）、南 岭 栲（Castanopsis fordii） 等，灌木层较丰富。 ③杉木人工林。树种 单 一，林 分 结 构 简 单，灌 木 层 以 杜 茎 山（Maesa japonica）、狗骨柴 （Woodwardia japonica） 为主，草本有狗脊蕨、草珊瑚（Sarcandra glabra） 等。各林分特征见表1.
　　 　　
　　1. 2野外氮沉降模拟方法
　　
　　从当地氮沉降和全国最高氮沉降水平考虑，采用野外模拟氮沉降方法，于2012年9月在3块样地中分别设置3个氮添加水平---对照〔0 kg?（hm2·a） ,以NH4NO3中的N计，下同〕、低氮〔75 kg?（hm2·a）〕和高氮〔150 kg?（hm2·a）〕。每个处理设3个重复，共9个试验小区，每个试验小区大小为2 m × 2 m,尽量选择大树之间较为空阔的区域，试验小区内1 m以下的小树0 ~ 3棵，各处理间隔10 m以上，以防止相互干扰。根据当地年降水量水平及其年内分布，于每年的5月、9月、12月将NH4NO3溶解于2 L蒸馏水中制备成所需的氮添加溶液，用喷壶均匀喷洒于每个试验小区的土壤表面，而对照处理则采用等量的蒸馏水进行喷洒，于2012年9月-2014年8月共施肥6次。
　　
　　1. 3样品采集与测定方法
　　
　　于2014年8月在每个试验小区内，根据样品量需要，首先在对角线及中心五点采集，再考虑其他位置，采集0 ~ 15 cm土层样品，将每个试验小区内各采样点的土壤均匀混合，带回实验室，去除砂石、根系后，过2 mm筛。将过筛土壤样品分成2份，一份放入冰箱（4 ℃） 冷藏，用于测定土壤微生物生物量碳氮含量； 另一份在室温下自然风干，用于测定土壤可溶性有机碳和有机氮含量。
　　
　　活性和惰性有机碳氮组分采用硫酸水解法[7]测定： 称取500 mg风干土样，放入有刻度的玻璃管中，加入20 m L 2. 5 mol?L H2SO4溶液，105 ℃下水解3 h,随后用20 m L蒸馏水冲洗并转移到50 m L离心管中，置于摇床中振荡1 h（250 r?min） ,离心10 min（4 000r?min） ,过0. 45 μm滤膜，滤液中的有机质即为土壤活性有机库Ⅰ，分析滤液中w（LPⅠ-C） （LPⅠ-C为labile pools carbon Ⅰ，活 性有机碳Ⅰ）、w（LP Ⅰ-N）（LPⅠ-N为labile pools nitrogen Ⅰ，活性有机氮Ⅰ） 和w（Ⅰ-DIN） （Ⅰ-DIN为dissolve inorganic nitrogen Ⅰ，可溶性无机氮Ⅰ） ; 随后残余土壤用2 m L 13 mol?LH2SO4溶液在常温下振荡12 h（250 r?min） ,用蒸馏水稀释使其质量浓度为1 mol?L,在105 ℃下水解3 h,后续处理同前，所得滤液中的有机质为土壤活性有机库Ⅱ，分析滤液中w（LPⅡ-C） （LPⅡ-C为labile poolscarbon Ⅱ，活 性有机碳Ⅱ）、w（LPII-N） （LP Ⅱ-N为labile pools nitrogen Ⅱ，活性有机氮Ⅱ） 和w（Ⅱ-DIN）（Ⅱ-DIN为dissolve inorganic nitrogenⅡ，可溶性无机氮Ⅱ）。 w（RP-C） （RP-C为recalcitrant pools carbon,惰性有机碳） 是w（TC） 与w（LP-C）〔w（LPⅠ-C） 与w（LPⅡ-C） 之 和〕的 差 值，w（RP-N） （RP-N为recalcitrant pools nitrogen,惰 性有机氮） 是w（TN） 与w（LP-N）〔w（LPⅠ-N） 与w（LP Ⅱ-N） 之和〕的差值，并通过式（1） （2） 计算惰性碳氮指数[13]:
　　
　　RIC = w（RP-C）?w（LP-C）× 100%（1）
　　RIN = w（RP-N）?w（LP-N）× 100%（2）
　　
　　式中，RIC、RIN分别为土壤惰性碳指数（recalcitrantindex carbon,RIC）、惰性氮指数 （recalcitrant indexnitrogen,RIN） ,% .
　　
　　土壤w（TC）、w（TN） 采 用 碳 氮 元 素 分 析 仪（Elemantar vario MAX CN,德 国） 测 定； 滤 液 中 的w（IN） （IN为inorganic nitrogen,无机氮） 采用连续流动分析仪（Skalar San+ +,荷兰） 测定； 土壤w（TOC） 采用重铬酸钾氧化-外加热法测定； 土壤微生物生物量碳氮含量采用氯仿熏蒸浸提法[14-15]测定。
　　
　　SMB =[w（A1）- w（A0） ]/K（3）
　　
　　式中：SMB为土壤微生物生物量碳或氮的含量，g?kg;w（A1） 为熏蒸土样中的w（TC） 或w（TN） ,g?kg;w（A0）为未熏蒸土样中的w（TC） 或w（TN） ,g?kg;K为转化系数，碳的转化系数为0. 38,氮的转化系数为0. 54.
　　
　　1. 4数理统计方法
　　
　　所有数据处理和统计均在Excel 2013和SPSS18. 0软件上进行，用Origin 8. 0软件作图，运用SPSS18. 0中单因子方差分析（One-way ANOVA） 中的最小显着差异法（LSD） 分析同一氮添加水平下不同林分土壤间和同一林分不同氮添加水平间各指标的差异显着性，并用Pearson相关系数分析土壤有机碳氮组分的相关性，显着性水平设定为α = 0. 05（n = 27）。