曾昭陽，范躍新，林慰敏，黃鑫毅

(福建師范大學(xué) a.地理科學(xué)學(xué)院，b.濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地，福州 350007)

0 引言

磷(Phosphorus, P)是植物體內(nèi)核苷酸、磷脂和核酸類的重要組成部分[1]，是森林生態(tài)系統(tǒng)功能維持的必需元素。普遍認(rèn)為土壤中礦物的吸附與解吸作用會影響土壤中P的溶解度，這是影響土壤磷有效性的重要因素之一[2]，而在熱帶、亞熱帶地區(qū)，由于土壤高度風(fēng)化、大部分土壤P被鐵、鋁氧化物等次生礦物固定，使得該區(qū)域的森林土壤表現(xiàn)出相對“磷缺乏”的特征[3-4]。而高額的氮沉降可能提高土壤氮有效性，促進(jìn)植物生長，增加P需求[5]，中國由于化石燃料的燃燒和含氮化肥的使用已成為世界三大氮沉降區(qū)域之一[6-7]，尤其在中國東南沿海地區(qū)，氮沉降速率約40 kg N·hm-2·a-1[8]，這可能會進(jìn)一步加劇亞熱帶森林土壤的P限制，并影響區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。

有效磷(Available phosphorus, AP)是土壤中可以被植物和微生物有效利用的P，這部分磷雖然含量很低，但在土壤中比較容易被吸收，是反應(yīng)土壤P供應(yīng)的敏感性指標(biāo)[9]。同時土壤中微生物量磷(Microbial biomasses phosphorus, MBP)周轉(zhuǎn)快，也可被植物吸收利用，是土壤中另一個重要的潛在有效磷來源[10]。氮沉降會通過對植物根基分泌物的影響，改變土壤的理化性質(zhì)，從而影響土壤磷的轉(zhuǎn)化和利用[11]。例如，有研究表明，施氮會提高植物中的氮磷比，從而加強植物對磷的吸收過程[12]。已有研究嘗試探索氮沉降對土壤有效磷的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氮沉降增加了生物的P需求，導(dǎo)致土壤P有效性降低[13]，且在氮沉降初期有效磷衰減速度較快，之后氮沉降對有效磷的影響逐漸減弱[14]。但也有不同的研究結(jié)果，如Mirabello等發(fā)現(xiàn)[15]，在巴拿馬的熱帶森林土壤中，氮沉降未顯著改變土壤有效磷含量，并認(rèn)為可能是施氮加快了土壤有機(jī)磷的礦化，從而增加了有效磷的供應(yīng)。還有研究發(fā)現(xiàn)施氮后土壤有效磷含量增加[16]。由此可見，氮沉降對于土壤P有效性的影響尚存爭議，仍需要對不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行探索。

與全球同緯度的其他地區(qū)相比，中國亞熱帶地區(qū)降水充沛，植被類型豐富，森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力旺盛[17]。氮沉降的加劇對該地區(qū)土壤P有效性的影響，可能會改變區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)過程及其對全球變化的適應(yīng)能力。米櫧(Castanopsiscarlesii)是中國長江以南的重要用材樹種之一，是亞熱帶地區(qū)典型的地帶性樹種，分布范圍廣泛，因此以中亞熱帶米櫧天然林為研究對象，設(shè)置模擬氮沉降實驗，探究土壤P有效性對氮沉降如何響應(yīng)，以期為氮沉降背景下中亞熱帶森林土壤養(yǎng)分循環(huán)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于福建省三明市格氏栲自然保護(hù)區(qū)，地處武夷山東伸支脈(26°11′N，117°28′E)，屬于低山丘陵，土壤類型為山地紅壤，氣候類型屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫19.5 ℃，多年平均降雨量1 700 mm，主要集中在3—8月，多年平均蒸發(fā)量1 585 mm，相對濕度79%，全年無霜期約300 d。保護(hù)區(qū)中植物種類繁多，其中米櫧為優(yōu)勢種，至今已有200多年的歷史。

1.2 樣地設(shè)計

于2012年11月在格氏栲自然保護(hù)區(qū)米櫧天然林中建立模擬氮沉降長期觀測樣地，共設(shè)對照(CT)、低氮(LN，40 kg·hm-2·a-1)和高氮(HN，80 kg·hm-2·a-1)3種處理，每個處理4個重復(fù)。樣地大小為20 m×20 m，樣地之間間隔10 m，防止互相干擾。自2012年11月開始施氮，每月月初用噴霧器在樣方內(nèi)均勻噴灑NH4NO3溶液20 L，對照處理噴灑等量的去離子水。

1.3 土壤樣品采集

2018年4月，分別按照“S”型隨機(jī)選取5個點，去除凋落物后用土鉆分0～10 cm和10～20 cm兩個土層取土，裝入自封袋后立即帶回實驗室。剔除可見石塊、根系、動植物殘體等。過2 mm篩后分成2份，一份置于4 ℃冰箱保存，用于測定微生物生物量磷，其余土樣自然風(fēng)干，用于測定基本理化性質(zhì)和土壤有效磷。

1.4 測定指標(biāo)及方法

pH值用玻璃電極pH計(STARTER300；OHAUS，美國)測定，水土比為2.5∶1；土壤總碳(Soil organic carbon，SOC)和總氮(Total nitrogen，TN)用元素分析儀(Elementarvario EL III；Elementar，德國)測定；稱取5 g鮮土加入20 mL 2.0 mol·L-1的KCl浸提液，振蕩離心后用定量濾紙過濾，用流動分析儀(Skalar san++；Skalar，荷蘭)測定NH4+-N和NO3--N的含量；可溶性有機(jī)碳(Dissolved organic carbon，DOC)和可溶性有機(jī)氮(Dissolved organic nitrogen，DON)，稱取5 g鮮土加入20 mL去離子水，振蕩離心后用0.45 μm的濾膜抽濾，用總有機(jī)碳分析儀(TOC-VCPH/CPN，Shimadezu，日本)測定DOC的含量，用流動分析儀(Skalar san++；Skalar，荷蘭)測定DON的含量[18]。

土壤有效磷測定采用M3浸提法[19]，其通用的浸提液所提取的P包括水溶性磷、Al-P、Fe-P和Ca-P的活性部分[20]。稱取3 g風(fēng)干土加入30 mL M3浸提液，振蕩離心后用無磷濾紙過濾，流動分析儀(Skalar san++；Skalar，荷蘭)測定有效磷含量；土壤全磷(Total phosphorus, TP)采用HClO4-H2SO4法[21]，用流動分析儀(Skalar san++；Skalar，荷蘭)測定全磷含量。

土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[22]，用總有機(jī)碳分析儀(TOC-VCPH/CPN，Shimadzu，日本)測定浸提液中總有機(jī)碳含量，計算公式：MBC=△EC/kC, 式中ΔEC為熏蒸與未熏蒸土壤有機(jī)碳含量的差值，kC為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.45；土壤微生物量磷采用氯仿熏蒸-NaHCO3浸提法[23]，用連續(xù)流動分析儀(Skalar san++；Skalar，荷蘭)測定浸提液中磷酸根含量，計算公式：MBP=△EP/kP,式中△EP為熏蒸與未熏蒸土壤有機(jī)碳含量的差值，kP為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.4。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016和SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和LSD多重比較法檢驗不同施氮處理下土壤有效磷、微生物量磷以及土壤理化性質(zhì)的差異顯著性(P<0.05)。用Pearson相關(guān)分析檢驗土壤有效磷含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性。繪圖采用Origin 9.0軟件。

2 結(jié)果

2.1 土壤基本理化性質(zhì)

在0～10 cm土層，施氮后土壤pH有降低的趨勢，但未達(dá)到顯著水平。與對照相比，施氮未顯著改變土壤SOC、TN、DOC和NH4+-N的含量，但顯著增加了NO3--N和DON的含量。在10～20 cm土層中，各處理間土壤pH、SOC、TN、DOC和NH4+-N濃度均無顯著差異，HN處理下DON含量顯著高于LN和CT處理(表1)。表明施氮主要改變表層土壤的有效養(yǎng)分，而有機(jī)碳和總氮變化不顯著。

2.2 土壤有效磷、全磷

施氮處理下，0～10 cm土層的有效磷含量顯著降低，但10～20 cm土層無顯著變化。與AP不同，兩個土層的TP含量在不同處理下均無顯著差異。施氮后有效磷與全磷的比值(AP/TP)在0～10 cm土層顯著降低，但在10～20 cm土層無顯著變化。結(jié)果表明,施氮主要影響土壤有效磷的含量且對土壤表層的影響更明顯。

2.3 土壤微生物量碳和微生物量磷

與對照相比，施氮處理未顯著改變0～10 cm土層MBC的含量(圖2)，但卻顯著降低了土壤MBP的含量和增加了MBC∶MBP。在10～20 cm土層，施氮顯著增加了MBC含量和顯著降低了MBP含量，但未顯著影響MBC∶MBP。施氮后MBP的顯著降低說明氮沉降可能加劇了土壤微生物的磷限制。

2.4 土壤有效磷含量的影響因素

采用皮爾遜相關(guān)分析檢驗土壤有效磷與土壤因子的關(guān)系(表2)，發(fā)現(xiàn)在0～10 cm土層中，有效磷含量與MBP含量顯著正相關(guān)，與NO3--N含量極顯著負(fù)相關(guān)，而與土壤NH4+-N、SOC、TN和pH的相關(guān)性不顯著。在10～20 cm土層中，有效磷含量與各土壤因子間均無顯著相關(guān)性。

表 1 樣地土壤基本理化性質(zhì)Table 1 General situation of the experimental sample

注：CT：對照，LN：低氮(40 kg·hm-2·a-1)，HN：高氮(80 kg·hm-2·a-1)，下同；不同字母表示處理之間差異顯著(P<0.05)。

注：CT：對照，LN：低氮(40 kg·hm-2·a-1)，HN：高氮(80 kg·hm-2·a-1)，下同；誤差線為重復(fù)間的標(biāo)準(zhǔn)誤，下同; 不同大寫字母表示同一土層，不同處理間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示同一處理，不同土層間差異顯著(P<0.05)。圖 1 氮沉降對土壤有效磷與全磷含量的影響Figure 1 Effects of nitrogen deposition on soil available phosphorus and total phosphorus

表 2 土壤有效磷變化影響因子Table 2 The relationships between soil available phosphorus and soil properties

土層MBPNO3- -NNH4+ -NSOCTNpH0～10 cm相關(guān)系數(shù)0.704? -0.732??0.3480.5090.1470.472P0.0110.0070.2670.0910.6480.121n12121212121210～20 cm相關(guān)系數(shù)-0.3570.4200.1400.3180.2130.281P0.2540.1740.6640.3130.5070.376n121212121212

注：*，P<0.05；**，P<0.01。

3 討論

3.1 氮沉降對土壤微生物磷及微生物碳磷比的影響

MBP是植物可獲取的土壤有效磷的重要來源，常用于表征生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分狀況[24]。已有研究發(fā)現(xiàn)氮沉降會改變土壤MBP的含量，如meta分析顯示，施氮后微生物量平均減少15%，且施氮時間越長、施氮量越大，微生物量降低幅度越大[25]。其他研究也發(fā)現(xiàn)，氮沉降會導(dǎo)致微生物固定P的能力下降，并認(rèn)為主要與施氮會造成微生物碳限制，抑制了微生物生長有關(guān)[26]。也有研究結(jié)果顯示，氮沉降并不會加劇微生物的P限制，并認(rèn)為施氮會通過加快P循環(huán)速率來緩解微生物的P限制[27]。本研究中施氮顯著降低了土壤MBP的含量，同時MBC∶MBP顯著升高，這說明氮沉降后土壤微生物P需求增加。這一方面可能是因為施氮影響微生物，減少土壤微生物量，降低了微生物的活性，使得土壤MBP含量下降[28]。另一方面，施氮可能會刺激植物生長[29]，增加植物與土壤微生物的磷競爭，導(dǎo)致可被微生物利用的有效磷含量下降。

注：MBC：微生物生物量碳，MBP：微生物生物量磷; 不同字母表示同一土層，不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖 2 氮沉降對土壤微生物量碳和微生物量磷的影響Figure 2 Effects of N deposition on soil microbial biomass C and P

3.2 氮沉降對土壤磷有效性的影響

土壤有效磷是指植物能直接吸收和利用的無機(jī)磷和部分小分子有機(jī)磷[30]，通常用作土壤供磷能力表征指標(biāo)[31]。其含量的變化可以直接體現(xiàn)氮沉降對土壤磷遷移和轉(zhuǎn)化的影響[32]，且有效磷和全磷含量之間并不具有固定的關(guān)系[1]，即使在全磷含量很高的情況下，磷依然容易成為植物生長的限制因子[11]。

許多研究顯示，施氮與土壤有效磷變化密切相關(guān)，且因環(huán)境而異。Marklein等[33]發(fā)現(xiàn)施氮雖然可以加速熱帶亞熱帶森林土壤的有機(jī)磷礦化，但由于土壤處于磷限制狀態(tài)，使得有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為可利用磷后很快被植物和土壤微生物利用，因此有效磷含量仍未提高。Blanes等[34]在西班牙南部的研究發(fā)現(xiàn)，氮沉降后土壤活性無機(jī)磷含量呈下降趨勢，認(rèn)為與施氮導(dǎo)致土壤中的氮磷養(yǎng)分不平衡，使得植物根部對無機(jī)磷的吸收加快有關(guān)。而鼎湖山的一項研究表明，微生物對P的固持作用是導(dǎo)致土壤有效磷含量下降的主要原因[35]。還有研究發(fā)現(xiàn)，在N供應(yīng)充足時，生物體會將N分配給水解酶(如磷酸酶)來獲取有效磷[34]。本研究中，施氮處理未顯著影響土壤TP含量，說明短期施氮未改變土壤磷的輸入和輸出平衡。在LN和HN處理下，土壤有效磷含量顯著降低，說明施氮促進(jìn)了植物對土壤有效磷的吸收和利用[36]。同時，本研究區(qū)所處的中亞熱帶地區(qū)氣候溫和，濕潤多雨，與溫帶地區(qū)相比，土壤淋溶作用強，風(fēng)化程度高，施氮導(dǎo)致土壤pH降低會促進(jìn)土壤中可交換性Al3+和Fe3+含量上升，Al3+和Fe3+會和土壤中的有效磷結(jié)合形成較穩(wěn)定的P，這可能也是土壤中有效磷含量減少的一個重要原因[37-38]。

3.3 土壤磷有效性變化的影響因素

Pearson分析顯示，土壤因子對有效磷含量的影響主要在0～10 cm土層中，與10～20 cm土層有效磷含量的變化相關(guān)性不顯著。且在0～10 cm土層中，有效磷含量變化主要與MBP含量、NO3--N含量顯著相關(guān)(表3)。施氮后土壤MBP降低反映了氮沉降對土壤微生物的影響，而土壤微生物的降低可能影響磷酸酶的分泌，進(jìn)而影響土壤有機(jī)磷的礦化和土壤有效磷的含量[11, 34, 39]。另一方面，微生物能通過自身代謝活動釋放無機(jī)磷[11,33]，施氮降低微生物的數(shù)量，從而降低了這部分有效磷的來源。此外，本研究區(qū)土壤酸性較強(pH接近4)，氮沉降可能會增加土壤中的H+，也可能抑制磷酸酶活性和減少有機(jī)磷礦化，降低土壤有效磷含量。

4 結(jié)論

施氮顯著降低了米櫧天然林0～10 cm土層的有效磷和MBP的含量，但TP變化不顯著，說明氮沉降主要改變表層土壤的有效磷含量，而TP對氮添加響應(yīng)不敏感。相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)表層(0～10 cm)土壤有效磷含量與MBP顯著正相關(guān)，但與NO3--N含量顯著負(fù)相關(guān)，說明施氮后土壤有效氮和土壤微生物量磷是有效磷變化的重要因素。未來研究還應(yīng)關(guān)注地上植物吸收與土壤磷供應(yīng)的關(guān)系，以進(jìn)一步揭示未來氮沉降背景下森林生態(tài)系統(tǒng)的磷供應(yīng)機(jī)制。