森林与环境学报  2016, Vol. 36 Issue (3): 342-348   PDF    
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2016.03.015
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蔡乾坤, 段洪浪, 刘文飞, 吴建平, 袁颖红, 樊后保
CAI Qiankun, DUAN Honglang, LIU Wenfei, WU Jianping, YUAN Yinghong, FAN Houbao
氮沉降对杉木林土壤有效氮和磷含量的影响
Impacts of nitrogen deposition on soil available N and P contents in the Chinese fir plantation
森林与环境学报, 2016, 36(3): 342-348
Journal of Forest and Environment, 2016, 36(3): 342-348.
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2016.03.015

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收稿日期: 2015-09-17
修订日期: 2016-03-11
氮沉降对杉木林土壤有效氮和磷含量的影响
蔡乾坤, 段洪浪, 刘文飞, 吴建平, 袁颖红, 樊后保     
南昌工程学院生态与环境科学研究所, 江西 南昌 330099
摘要: 为探究长期氮沉降对土壤有效氮和磷含量的影响,以亚热带杉木人工林为研究对象,研究10 a 氮沉降对杉木人工林土壤有效氮、磷含量的影响,并探讨干、湿季土壤有效氮、磷含量对氮沉降的响应动态。试验分为对照(0 kg·hm-2·a-1)、低氮(60 kg·hm-2·a-1)、中氮(120 kg·hm-2·a-1)、高氮(240 kg·hm-2·a-1)4种处理模拟氮沉降试验,结果表明,随着施氮量的增加,土壤铵态氮、硝态氮和有效氮含量呈上升趋势,并且铵态氮和硝态氮表现出明显的季节动态。土壤pH值和NH4+-N/NO3--N值随着施氮量增加而降低,有效磷的含量在中氮处理中最高,N/P值均在一个较高的水平范围。
关键词: 氮沉降    有效氮    有效磷    杉木    
Impacts of nitrogen deposition on soil available N and P contents in the Chinese fir plantation
CAI Qiankun, DUAN Honglang, LIU Wenfei, WU Jianping, YUAN Yinghong, FAN Houbao     
Institute of Ecology & Environmental Science, Nanchang Institute of Technology, Nanchang, Jiangxi 330099, China
Abstract: In order to examine the effects of long-termed nitrogen deposition on soil available N and P content, the subtropical Chinese fir plantation was taken as a research object, the experiment included four treatments, N0(0 kg·hm-2·a-1), N1(60 kg·hm-2·a-1), N2(120 kg·hm-2·a-1), N3(240 kg·hm-2·a-1) to investigate the responses of soil available N and P contents to the N deposition in the dry and wet seasons. The results indicated that the contents of soil ammonium nitrogen, nitrate nitrogen and available nitrogen showed obvious seasonal dynamics and were enhanced along with the nitrogen level, while soil pH and NH4+-N/NO3--N had a decreasing tendency. The content of available P was the highest in the middle nitrogen treatment N2(120 kg·hm-2·a-1). In this experiment, the ratio of N and P was at a high level.
Key words: nitrogen deposition    available nitrogen    available phosphorus    Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.    

随着经济飞速发展、人口数量激增,大量化石燃料的燃烧使得人为向大气中排放的氮化合物增加,全球大气氮沉降水平也不断上升[1, 2]。1990年全球因化石燃料燃烧所导致的氮年排放量为26 Tg,据预测,到2020年时将达到37 Tg,到2050年则会超过50 Tg[3]。人类对全球氮循环的影响已经超越了对地球上其它化学循环的影响[4]。氮沉降增加,短期内会促进植物生长[5]、降低有机质分解速度并提高生态系统的生产力[6],然而氮沉降过量会引起土壤酸化、土壤元素比例失衡等生态问题[7]。因此,研究森林生态系统对氮沉降的响应机制,对提高生产力、维持生态系统健康具有重要意义[8]

关于氮沉降对林下土壤养分循环的影响相关研究[9]表明,在天然林和次生林中土壤有效氮含量随氮沉降的增加而增加。氮沉降影响程度随着森林土层深度、氮处理水平、氮处理时间和森林类型等呈现差异[10]。磷是影响植物生长的重要因素之一,是调节生态系统生产力、结构和功能的关键元素。在南方低磷的红壤中,土壤有效磷含量通常很低,是南方亚热带植物生长过程中一个主要的限制因子[11]。LU et al[12]研究发现,氮沉降降低了马尾松(Pinus massoniana Lamb.)人工林土壤速效磷含量,但却提高了混交林(马尾松和阔叶林)中磷的含量。另外,有效磷含量与凋落物的分解速率有关,外加氮源添加到土壤凋落物表层系统,会对森林生态系统凋落物的分解率造成不同程度的影响[13]。而土壤中的磷主要来自于土壤有机物的分解,因此,氮添加也会间接地影响土壤有效磷的含量[14]。莫江明等[15]的研究结果表明,磷很可能是限制南亚热带常绿阔叶林植物生产力最重要的营养元素之一,土壤磷的有效性受土壤磷酸酶影响,它是一类催化土壤有机磷矿化为无机磷的酶,其活性直接影响着土壤中有机磷的分解转化[16]。选取中国南方杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.]人工林作为研究对象,通过模拟氮沉降,探讨土壤有效氮和有效磷含量对氮沉降的响应,为揭示氮沉降增加背景下森林土壤养分动态变化、促进杉木人工林科学管理提供基础数据。

1 材料和方法 1.1 试验地概况

试验地点在福建省沙县官庄国有林场的杉木人工林中,位于福建省中北部,北纬26°30′47″,东经117°43′29″,闽江支流沙溪下游,属亚热带季风气候,气候温和,年平均降水量1 660 mm左右,年平均气温19.6 ℃,无霜期271 d。该试验林于1992年营林,林地设置在白溪工区,平均海拔200 m左右,土壤主要为红壤。试验林林下灌草主要以芒萁[Dicranopteris dichotoma (Thunb.) Bernh.]、五节芒[Miscanthus floridulus (Labill.) Warb. ex K. Schum. & Lauterb.]、菝葜(Smilax china L.)、乌毛蕨(Blechnum orientale L.)为主。

1.2 试验设计

建立12个林分条件相似20 m×20 m的试验样地,内设15 m×15 m的中心区域,以便在中心区外围做破坏性试验。样地于2003年末进行了本底调查(表 1表 2)[17, 18],根据2003年福建省年平均氮沉降值,模拟成倍增加施氮量对林分的影响(以氮含量计算),分为对照(0 kg · hm-2 · a-1)、低氮(60 kg · hm-2 · a-1)、中氮(120 kg · hm-2 · a-1)、高氮(240 kg · hm-2 · a-1)4种处理,分别标记处理号为N0、N1、N2、N3,每种处理重复3次,2004年1月开始模拟氮沉降试验,每月初以背式喷雾器在林地人工均匀喷洒,持续至今(2016年)以备后续试验。按照处理要求以尿素作为肥料溶于20 L水中,对照样地喷洒同剂量的水以降低因外加水源造成的影响。

表 1 各处理样地林分本底值 Table 1 Background values of the stand characteristics in different plots
处理号No. 林龄Age/a 密度Density/(tree·hm-2) 平均坡度Mean slope/(°) 平均胸径Mean DBH/cm 平均树高Mean height/m
N0 12 1 717 32.5 16.1 11.8
N1 12 1 633 31.5 16.0 12.2
N2 12 1 683 29.8 16.3 12.2
N3 12 1 625 30.8 16.0 12.1
表 2 各处理样地土壤本底值 Table 2 Background values of the soil in different plots
处理号No.全氮含量Total N/(g·kg-1)有效磷含量Available P/(mg·kg-1)铵态氮含量Ammonium N/(mg·kg-1)硝态氮含量Nitrate N/(mg·kg-1)pH
N01.215.2222.2314.864.59
N11.205.2321.9114.944.76
N21.205.2422.2814.774.65
N31.215.1721.9414.854.71

2013年6月(湿季)和2013年12月(干季)在每个样地选择土壤性质、厚度相近的土壤,分别在每块样地内用直径3.5 cm、管长15 cm的塑料管(polyvinyl chloride,PVC)随机打入,取0-10 cm土样(根据前人的研究[17, 18],结果显示表层土壤中有效养分含量最高,且对外界影响反馈更迅速),干湿季各36个样品,共计72个样品。样品取回后人工拣出样品中的凋落物和土壤中的石砾,过筛,混合均匀,取一部分放入自封袋在4 ℃下冷藏保存以备测量。pH测定用超纯水浸提,液土比是2.5 : 1,密封震荡5 min后静置1 h,测定上清液的pH值 ; 铵态氮(NH4+-N)含量测定采用2 mol · L-1KCl浸提-靛酚蓝比色法 ; 硝态氮(NO3--N)含量的测定采用双波长(紫外)分光光度法 ; 土壤有效磷采用钼锑抗比色法测定[19]

1.3 数据统计分析

采用单因素方差分析(one-way analysis of variance,One-way ANOVA)、最小显著差异法(least significant difference,LSD)比较不同处理数据组间的差异性(P<0.05),用两因子方差分析(two-way analysis of variance,Two-way ANOVA)检验季节和氮浓度的交互作用对土壤铵态氮、硝态氮和有效磷含量的影响,试验数据的统计分析和图表制作用Excel 2013和SPSS 15.0软件进行。

2 结果与分析 2.1 氮沉降对土壤酸碱度的影响

pH是土壤一个重要化学性质指标,可改变土壤其他理化性质,影响植物的生长环境,进而影响植物的生长。氮沉降后N0-N3各处理土壤pH值(2季平均)比本底值分别降低6.37%、12.84%、13.57%、17.81%,均达到显著差异(P<0.05)。由图 1可知,处理间pH值也有所降低,N1-N3处理分别比N0处理降低3.46%、6.49%、9.93%,其中N1处理与N0处理未达到显著水平,N2、N3处理土壤pH值显著降低(P<0.05)。湿季与干季之间pH值差异未达到显著水平。这表明氮沉降会降低土壤pH值,由于酸性环境下硝化作用很弱,硝态氮量较低,铵态氮成为主要氮源,对铵态氮吸收较多,而对阴离子吸收较少,与土壤中置换出的氢离子结合,使营养环境逐渐酸化,pH值降低[20]。但短期内季节差异对pH值没有影响。

图 1 氮沉降对土壤pH的影响 Fig.1 Effect of nitrogen deposition on soil pH 注 : 同一部分具有不同字母的表示差异显著(P<0.05) , 图中误差棒为标准误差 , n=3 。 Note : different letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level, data are means ± SE(n=3).
2.2 氮沉降对土壤有效氮含量的影响

氮是植物必需的大量元素之一,植物在生长发育的过程中,通常情况下吸收的氮素要高于其它矿质元素[21]。氮沉降后N0-N3各处理土壤铵态氮(2季平均)比本底值分别升高20.09%、48.48%、76.90%、105.77%,均达到显著差异(P<0.05)。由图 2可知,随着外源氮浓度的增加,干、湿季铵态氮含量均呈N0<N1<N2<N3,且在N1、N2、N3处理水平下土壤铵态氮的含量都显著上升(P<0.05)。3个施氮处理对比N0处理,土壤铵态氮质量分数在湿季分别上升24.63%、53.88%、73.03% ; 干季上升18.91%、40.95%、64.92% ; 并且土壤铵态氮的含量呈现出明显的季节性差异,湿季含量要明显高于干季(P<0.01),含量平均高出12.27%。这表明氮沉降会增加土壤铵态氮含量,且湿季明显高于干季。由于在外加氮源输入后,会刺激土壤氮的一个激发效应[22],促进土壤的氮矿化作用,增加了土壤铵态氮含量 ; 湿季土壤温度温和,湿度适宜,促进了土壤的氨化作用,干季土壤温度和湿度较低,抑制了土壤的矿化作用。

图 2 不同氮沉降水平下土壤铵态氮含量的季节变化 Fig.2 Seasonal changes of the NH4 +-N in different levels of nitrogen deposition 注 : 同一部分具有不同字母的表示差异显著(P<0.05) , 图中误差棒为标准误差 , n=3 。 Note : different letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level, data are means ± SE(n=3).

氮沉降后N1-N3各处理土壤硝态氮(2季平均)比本底值分别升高24.55%、59.73%、113.63%,均达到显著差异,N0处理降低20.22%。从图 3可知,干、湿季在不同水平氮处理下,土壤硝态氮的含量呈显著上升趋势(P<0.05),整体含量为N0<N1<N2<N3。3个施氮处理对比N0处理,土壤硝态氮质量分数在湿季分别上升54.75%、88.89%、159.96%,干季上升58.95%、108.13%、174.51%,氮处理下硝态氮增加的幅度巨大,土壤硝态氮的含量也呈现出明显的季节性差异,干季明显高于湿季(P=0.001),含量平均高出16.05%。这表明氮沉降会提高土壤硝态氮的含量,且干季高于湿季。由于外加氮源的输入促进了土壤的氮矿化作用,增加了土壤硝态氮含量,干季含水量较低减少了硝态氮的淋溶损失。

图 3 不同氮沉降水平下土壤硝态氮含量的季节变化 Fig.3 Seasonal changes of the NO3 --N in different levels of nitrogen deposition 注 : 同一部分具有不同字母的表示差异显著(P<0.05) , 图中误差棒为标准误差 , n=3 。 Note : different letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level, data are means ± SE(n=3).

氮沉降后N0-N3各处理土壤有效氮(2季平均)比本底值分别升高3.94%、38.78%、70.06%、108.94%,其中N1-N3处理显著升高。从图 4可知,随着外源氮浓度的增加,土壤有效氮的含量也呈显著上升趋势(P<0.05),表现为N0<N1<N2<N3。随着外源氮浓度的增加,土壤有效氮在湿季分别上升33.34%、64.01%、98.17%,干季上升31.96%、62.86%、100.66%。樊后保等[23]对杉木人工林土壤氮含量的研究结果表明,模拟氮沉降会增加土壤有效氮含量。但是,土壤有效氮的含量季节性差异不显著,这表明氮沉降提高了土壤有效氮的含量,但无季节性差异。

图 4 不同氮沉降水平下土壤有效氮含量的季节变化 Fig.4 Seasonal changes of the available nitrogen in different levels of nitrogen deposition 注 : 同一部分具有不同字母的表示差异显著(P<0.05) , 图中误差棒为标准误差 , n=3 。 Note : different letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level, data are means ± SE(n=3).

土壤中铵态氮和硝态氮的比值会影响植物生长。氮沉降后土壤铵态氮与硝态氮的比值与本底值相比呈上升趋势,N0-N3处理分别升高51.4%、20.35%、12.70%、2.53%。铵态氮与硝态氮的比值湿季高于干季,且随施氮浓度的增加而降低 ; 说明施氮浓度增加会缩小铵态氮和硝态氮的含量差距,并且对湿季和干季的影响程度相近,干季随着施氮量的增加,含量差距减小的比例略高于湿季(表 3)。

表 3 土壤铵态氮与硝态氮含量的比值 Table 3 The ratio of NH4 +-N and NO3--N
季节Season 铵态氮与硝态氮含量的比值NH4+-N/NO3--N
N0N1N2N3
湿季Wet season2.461.982.001.64
干季Dry season2.071.551.401.24
2.3 氮沉降对土壤有效磷含量的影响

氮沉降后土壤的有效磷含量与本底值相比呈下降趋势(N2处理除外),N0-N3处理分别降低14.09%、23.62%、5.21%、16.25%。从图 5可知,随着外源氮浓度的增加,土壤有效磷表现为N2水平下含量增加,N1、N3降低,但只有N1和N2处理间达到显著水平(P<0.05)。土壤有效磷的含量也呈现出明显的季节性差异,干季(12月)含量要明显高于湿季(6月),含量平均高出105.08%。可能由于外加氮源的加入,促进了植物对磷的吸收,并且随着外加氮源的增加,土壤的酸化导致有效磷含量降低,两者共同作用产生这种结果。土壤中有效磷含量干季高于湿季,由于湿季温度高、湿度大,植物的快速生长对磷的需求量也大,而且降水的增多加速土壤的磷素淋溶损失[24],故湿季有效磷含量较低。

图 5 不同氮沉降水平下土壤有效磷含量的季节变化 Fig.5 Seasonal changes of the available phosphorous in different levels of nitrogen deposition 注 : 同一部分具有不同字母的表示差异显著(P<0.05) , 图中误差棒为标准误差 , n=3 。 Note : different letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level, data are means ± SE(n=3).
2.4 土壤有效氮、磷含量对模拟氮沉降的季节性响应

对季节和氮处理做两因子方差分析(表 4),土壤pH值、硝态氮、铵态氮、有效氮和有效磷含量在氮处理间表现出显著差异(P<0.05),铵态氮、硝态氮及有效磷含量在季节处理下表现显著差异(P<0.05),只有硝态氮含量在季节和氮处理的交互作用下差异显著(P<0.05)。

表 4 季节和氮处理的两因子方差分析检验 Table 4 Effects of season and nitrogen treatment with Two-way ANOVA
方差来源Sources of variation pH 铵态氮含量Content of ammonium N 硝态氮含量Content of nitrate N 有效氮含量Content of available N 有效磷含量Content of available P
F P F P F P F P F P
季节 Season 1.066 0.306 8.068 0.006 11.803 0.001 0.283 0.596 207.078 0.000
氮处理 Nitrogen treatments 8.089 0.000 28.396 0.000 74.025 0.000 85.710 0.000 3.690 0.016
季节×氮处理Season×Nitrogen treatments 0.003 1.000 0.396 0.756 0.878 0.457 0.026 0.994 0.232 0.874

土壤中有效氮与有效磷的比值大于4时,土壤表现为磷限制,此时施用磷肥可以起到增产的效果[25]。由表 5可知,湿季表现出多氮少磷的情况,随着施氮处理的增加,呈现出N3>N1>N2 ; 干季则表现为N3>N2>N1。有效氮与有效磷含量的比值在干湿季都在一个较大的范围内,整体上随施氮水平增加呈增加趋势。随着氮沉降水平的增加,土壤中对植物生长限制性的营养因素是磷。

表 5 土壤有效氮与有效磷含量的比值 Table 5 The ratio of available N to available P
季节Season 有效氮与有效磷含量的比值The ratio of available N to available P
N0 N1 N2 N3
湿季Wet season 12.54 20.78 18.61 28.52
干季Dry season 6.51 9.18 9.57 12.87
3 讨论与结论

氮沉降10 a后,土壤pH值随着氮沉降水平的升高而降低,且比本底值显著降低。氮沉降后土壤pH值改变并影响土壤微生物活性,从而影响土壤有机质的矿化[26]

在大多数森林生态系统中,土壤有效氮组成多以铵态氮为主体,邓仁菊等[27]对川西亚高山针叶林土壤有机层有效氮动态变化研究表明,土壤有机层和矿质土壤层的铵态氮含量显著高于硝态氮,铵态氮含量占有效氮含量的50%以上,与本文结果相似。从N0到N3处理,铵态氮占有效氮的百分比湿季依次为71.08%、66.43%、66.69%、62.06%,干季为67.39%、60.72%、58.32%、55.39%。这种结果可能是由于硝态氮较铵态氮更易于淋溶 ; 且酸性土壤的氨化作用要强于硝化作用[28]。土壤铵态氮和硝态氮具有明显的季节变化,周才平等[29]认为氮矿化速率与温度和湿度成正相关关系,而有效氮含量又与土壤矿化作用密切相关。土壤中铵态氮和硝态氮的比值影响植物生长,当同时保持铵态氮、硝态氮的混合态氮素比单一态氮素具有更好的生长状态和物质积累。土壤铵态氮、硝态氮和有效氮在氮沉降处理后都呈现随着氮沉降水平的升高而增加,铵态氮与硝态氮的比值随氮沉降水平的升高而降低,该比例的变化对杉木林的影响有待后续试验研究。

土壤有效磷含量随着氮沉降水平升高与本底值相比呈下降趋势(N2处理除外)。由于土壤中磷的固定机制非常复杂,所以对于N2处理的反常还需要更多的实验数据来究其原因。植物生长发育需要土壤溶液中各营养元素成一均衡的比例,无机盐类构成的总盐分浓度也应符合要求[30],植物组织中N/P可以指示植物生长限制因素,合理的N/P对于促进植被的生长具有重要意义。

氮沉降使土壤酸化,也对土壤氮、磷的含量造成了影响,与前人实验结果相比[17, 18],氮沉降10 a后对土壤pH、有效氮和磷的影响减弱,说明影响是长期积累效应,并且成一个逐渐减弱趋势。继续研究土壤氮饱和及磷限制对林木生长的影响,对如何合理、均衡施肥,提高肥效和利用率,增加森林生产力,为林业健康、可持续发展提供数据基础。未来以氮沉降增加背景下的全球环境变化,可能会对森林土壤及生态系统产生更深远的影响。

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