郝龍飛,王慶成,劉婷巖

1 內蒙古農業(yè)大學林學院,呼和浩特 010019 2 東北林業(yè)大學林學院,哈爾濱 150040

氮是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中最為復雜的元素之一,對森林生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義[1]。氮沉降向森林生態(tài)系統(tǒng)中輸入了大量的活性氮,已對森林生態(tài)系統(tǒng)各個過程產生了巨大的影響[2],預計到2050年其影響程度將繼續(xù)增加50%—100%[3]。當前氮沉降已成為國際上生態(tài)和環(huán)境領域的研究熱點之一,且我國也已成為僅次于歐洲和美國的第三大氮沉降區(qū)[4],根據2014年出版的關于氮沉降的研究專著中監(jiān)測數據顯示：我國高氮沉降區(qū)集中在經濟發(fā)達地區(qū),氮沉降量范圍為25.01—59.97 kg N hm-2a-1；西北地區(qū)氮沉降量范圍為1.72—10.00 kg N hm-2a-1；東北地區(qū)氮沉降量變化范圍為5.01—25.00 kg N hm-2a-1[5]。因此,我國氮沉降現象已非常嚴重,但目前關于氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)影響研究結果仍存在較大的分歧[6]。

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫,在全球碳循環(huán)過程中起著重要的作用[7]。當前全球碳循環(huán)研究中一個關鍵的科學問題是碳匯的分布及驅動機制,以往研究發(fā)現,氮沉降下土壤碳儲量的演變方向存在分歧,包括增加、降低或不變等3種結論[8]。大氣氮沉降輸入提高了生態(tài)系統(tǒng)中氮素有效性,直接影響林木根系生長及土壤微生物群落數量和組成,進而影響土壤碳循環(huán)[9]。土壤碳儲量的變化主要取決于土壤碳輸入和輸出兩個過程間的平衡,而土壤呼吸是土壤碳輸出的主要過程之一[10- 11]。研究表明,氮沉降通過改變土壤性狀,直接或間接影響自養(yǎng)呼吸[12]和異養(yǎng)呼吸[13],進而影響林分土壤呼吸。由于土壤呼吸的影響因素較多,土壤呼吸的研究較為復雜,氮沉降對土壤呼吸影響的研究結果存在分歧。以往研究表明亞熱帶和熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中氮添加導致土壤呼吸平均降低了3.4%,而在溫帶森林中氮添加對土壤呼吸則無顯著影響[11]。分析其原因,可能與林分土壤初始氮含量相關,大多數熱帶和亞熱帶森林為氮豐富的生態(tài)系統(tǒng),額外氮輸入使土壤氮飽和,最終導致生態(tài)系統(tǒng)植被地下根系分配減少,降低自養(yǎng)呼吸[14],同時氮沉降下其森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤酸化也可能導致微生物受抑制,降低異養(yǎng)呼吸[15]。研究表明,我國溫帶森林土壤呼吸對氮沉降呈非線性響應,低氮促進而高氮抑制[11]。然而,不同林分對環(huán)境的適應能力也存在差異,導致林地氮豐富或貧瘠的閾值界定較為困難。以往研究不同森林生態(tài)系統(tǒng)處于不同氣候區(qū)[16-17],無法準確評估不同林分土壤呼吸對氮沉降的響應差異[10]。

本研究通過對黑龍江省東北林業(yè)大學帽兒山實驗林場的白樺(Betulaplatyphylla)次生林,以及水曲柳(Fraxinusmandschurica)、紅松(Pinuskoraiensis)、長白落葉松(Larixolgensis)人工林進行2年不同水平的氮添加試驗,通過分析同一地區(qū)不同林分類型土壤呼吸及其溫、濕度敏感性對氮添加的響應差異,旨在探討不同林分碳輸出過程對氮添加的響應差異,最終為森林生態(tài)系統(tǒng)保護提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究地點位于黑龍江省東北林業(yè)大學帽兒山實驗林場尖砬溝森林培育實驗站(127°30′—127°34′ E,45°21′—45°25′ N),海拔高度500 m左右,坡度為10°—15°,屬寒溫帶大陸性季風氣候區(qū)。該地區(qū)年均氣溫2.8 ℃,1月平均溫度 -19.6 ℃,7月平均溫度20.9 ℃。年平均降水量723 mm,年平均蒸發(fā)量1094 mm。無霜期120—140 d,≥10 ℃的積溫2526 ℃[18-19]。

表1 東北地區(qū)4種林分0—20 cm土壤基本理化性質

表中數據為平均值(標準誤)

1.2 試驗樣地設置

2013年5月分別在白樺次生林和水曲柳、紅松、長白落葉松人工林林分中設置樣地,每個林型內設置3塊樣地(20 m×30 m),每塊樣地間距離10 m以上。在林分樣地內沿對角線方向設置4個5 m×5 m小樣方進行模擬氮添加試驗(各小樣方之間距離5 m),共4個處理,模擬氮添加梯度參照國內外氮沉降水平[21-23]以及該地區(qū)2012年預實驗測得的年濕沉降氮量進行設定,采用NH4NO3作為供氮肥料。4個氮添加處理分別為：對照(CK,0 kg N hm-2a-1)、低氮(LN,50 kg N hm-2a-1)、中氮(MN,100 kg N hm-2a-1)和高氮(HN,150 kg N hm-2a-1)。模擬氮添加過程采用多次均勻噴灑方式進行,多次噴灑使氮輸入更接近于大氣氮沉降過程,噴灑既可以模擬降雨過程將氮帶入土壤,同時也更為均勻。2013—2014年連續(xù)兩年,從6—10月,將每個處理的年施氮量均分為5份,每月初施肥1次。具體操作方法是,將氮肥溶于2 L水中,使用噴霧器在對應樣地內均勻噴灑,對照噴灑清水。噴灑操作相當于每年增加4 mm的降雨,對于該地區(qū)降雨量來講,可以忽略其水分增加對林分產生的影響。所有土壤取樣以及相關指標測定均在每次施肥操作之前進行。

2013年5月在白樺、水曲柳、紅松、長白落葉松林分中各氮添加處理樣地內設置5 個土壤呼吸環(huán),隨機設置于氮添加樣地內。呼吸環(huán)采用內徑為10.2 cm,高10 cm的PVC管,將其一部分插入土壤,露出地面部分約為2 cm左右。林分中共設定240個土壤呼吸環(huán),清除呼吸環(huán)內植被和凋落物,測定間隔期約30 d(根據天氣情況做相應調整,以排除天氣對測定產生的影響),每次測定需要4 d完成。為了減小日溫度對土壤呼吸的影響,需要在盡可能短的時間內完成成組樣地(氮添加處理和對照)的測定。

1.3 根生物量密度測定

2014年8月在各氮添加樣地內隨機選取6個點,用內徑53 mm的土鉆取0—20 cm土樣,將該土樣放入已編號的自封袋內。樣品帶回野外實驗站后,用流水沖洗、除去泥土和雜物,根據外形、顏色和彈性區(qū)分剔除死根后,將小于2 mm細根放入塑料袋內,低溫冷凍保存。帶回實驗室后將樣品烘干至恒重(70 ℃),測定其生物量,然后計算氮添加處理下各林分細根生物量密度[18]。

1.4 土壤微生物量碳測定

土壤微生物量碳測定：采用氯仿熏蒸浸提法。稱取20 g新鮮土樣放于100 mL燒杯中,同時將盛有60 mL的去乙醇氯仿溶液的小燒杯一起放入真空干燥器內,在干燥器底部加入少量溫水和1 mol/L NaOH溶液。用真空泵抽真空使氯仿持續(xù)沸騰2 min。關閉閥門,將干燥器放入25℃的生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。取出氯仿及干燥器底部的堿液,再用真空泵反復抽氣,去除殘留氯仿。處理后的土樣轉入100 mL三角瓶中,加入40 mL,0.5 mol/L硫酸鉀溶液,在25℃水浴恒溫振蕩(200 r/min)30 min后過濾,同時做無氯仿熏蒸的空白試驗,再用0.45 μm濾膜抽濾,濾液用TOC自動分析儀(luqui TOCII,Elementer,Germany)測定[24]。

1.5 土壤呼吸測定

放置PVC呼吸環(huán)后,于2013、2014年5—10月,采用LI—6400土壤碳通量測量系統(tǒng)(6400-09)對土壤呼吸速率進行測定。土壤呼吸速率于每月月初選擇晴朗天氣進行測定,3—5次循環(huán)的平均值為1個測定點的呼吸值。測定土壤呼吸速率同時,除去表層腐殖質,用數字瞬時溫度計(11025, Delta TRAK, Inc., USA)測定土壤(5 cm、10 cm)溫度,用土壤水分速測儀(TDR- 300, Spectrum Technologies, Inc., USA)測定土壤(5 cm、10 cm)濕度。

各月土壤呼吸測定后,所得數據為每個測定點在不同時段的土壤呼吸速率值。土壤呼吸速率與土壤溫度的單因素指數模型為Rs=aebT,式中Rs為土壤呼吸速率(μmol m-2s-1),T為土壤溫度(℃),a、b為系數。Q10值計算方法為：Q10=e10b,式中b是土壤呼吸與溫度單因素指數曲線模型Rs=aebT中的溫度反應常數。土壤呼吸速率與土壤濕度的單因素線性模型為Rs=kW+c式中W為土壤體積含水量,c、k為系數[25]。

1.6 數據分析

數據通過Excel(Microsoft 2013, USA)整理,采用SPSS 18.0 (SPSS Inc., USA)進行統(tǒng)計分析,采用Sigmaplot 10.0(SYSTAT Software Inc, USA)作圖。數據采用單因素(氮添加處理)方差分析,同時進行Duncan和LSD方差顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 氮添加處理對根生物量密度、土壤微生物量碳的影響

氮添加處理顯著影響4種林分根生物量密度。與CK相比,LN處理下白樺、長白落葉松、紅松林分中根生物量密度呈增加的趨勢,水曲柳林呈下降的趨勢,但均未達到顯著水平；MN處理除白樺林分外,均顯著降低了其他林分根生物量密度；HN處理顯著降低了所有林分根生物量密度(表2)。不同林分土壤微生物量碳濃度隨氮添加量遞增均呈先增加后降低的趨勢。與CK相比,LN處理均顯著提高了各林分土壤微生物量碳濃度；MN處理顯著提高了水曲柳和長白落葉松林土壤微生物量碳濃度,其他林分差異不顯著；HN處理僅顯著提高了水曲柳林土壤微生物量碳濃度,其他林分均不顯著(表2)。

2.2 氮添加處理對土壤呼吸的影響

不同林分年平均土壤呼吸速率均隨氮添加量遞增呈先上升后下降的趨勢。2013年除紅松林分外,氮添加處理對其他3種林分土壤呼吸速率無顯著影響(圖1)。2014年,與CK相比,LN處理顯著提高針葉林(紅松和長白落葉松)土壤呼吸速率；MN處理與CK相比,長白落葉松林土壤呼吸速率顯著降低；各林分HN處理土壤呼吸速率均顯著低于LN處理。白樺林土壤呼吸速率HN處理較LN處理顯著降低了20.63%(P<0.05)；水曲柳林土壤呼吸速率HN處理較LN和MM處理分別降低了31.35%(P<0.05)、32.01%(P<0.05)；紅松林土壤呼吸速率CK、MN 和HN處理較LN處理分別降低了11.39%(P<0.05)、17.08%(P<0.05)、19.93%(P<0.05)；長白落葉松林土壤呼吸速率LN處理較CK增加了9.53%(P<0.05),MN和HN處理較CK分別降低了12.54%(P<0.05)、18.13%(P<0.05)(圖1)。

表2 氮添加對4種林分根生物量密度、土壤微生物量碳濃度的影響

表中數據為平均值(標準誤)。不同字母表示同一林分不同處理間差異顯著(P<0.05)

圖1 氮添加對4種林分2013、2014年平均土壤呼吸速率的影響Fig.1 Effects of nitrogen addition on average soil respiration rate of four forest stands in 2013, 2014Bp: 白樺(B. platyphylla); Fm: 水曲柳 (F. mandschurica); Pk: 紅松 (P. koraiensis); Lo: 長白落葉松(L. olgensis); CK: 對照(Contrast)；LN: 低氮處理(Low Nitrogen)；MN: 中氮處理(medium Nitrogen)；HN: 高氮處理(High Nitrogen)

2.3 氮添加處理下土壤呼吸與根生物量和微生物量相關性分析

土壤呼吸與根生物量和微生物量之間的Pearson相關性分析發(fā)現,氮添加處理下4種林分中細根生物量密度與土壤呼吸速率呈極顯著正相關(P<0.01),而微生物量碳濃度與土壤呼吸速率無顯著相關性(P>0.05)(表3)。

表3 氮添加處理下土壤呼吸速率與根生物量密度和微生物量碳濃度相關性分析

Table 3 Pearson′s correlation test among soil respiration rate and root biomass density, and microbial biomass C concentration after N addition

指標Indexes土壤呼吸速率Soil respiration rate/(μmol m-2 s-1)指標Indexes土壤呼吸速率Soil respiration rate/(μmol m-2 s-1)微生物量碳濃度 Microbial biomass C concentration/(mg/kg)0.20根生物量密度 Root biomass density/(g/m2)0.81??

**. 表示顯著水平為0.01

2.4 氮添加處理下土壤呼吸與土壤溫度和濕度的相關性分析

氮添加處理下,4種林分中土壤呼吸速率與土壤溫度的相關性均達到顯著水平(P<0.01)(表4)。5 cm處土壤呼吸Q10值均低于10 cm處土壤呼吸Q10值。5 cm、10 cm處土壤呼吸Q10值均在LN處理下最大,從高到低順序均為LN>CK>MN>HN。5 cm處LN處理下土壤呼吸Q10值較CK提高了2.65%,MN和HN處理下土壤呼吸Q10值較CK分別降低了2.98%,6.29%。10 cm處LN處理下土壤呼吸Q10值較CK提高了3.12%,MN和HN處理下土壤呼吸Q10值較CK分別降低了4.16%,5.46%(表4)。氮添加處理下,4種林分中土壤呼吸速率與土壤濕度的相關性均未達到顯著水平(P>0.05)(表5)。

表4 氮添加對土壤呼吸與土壤溫度敏感性系數的影響

表5 氮添加對土壤呼吸與土壤濕度間相關系數的影響

3 討論

土壤呼吸是地下碳循環(huán)的主要指示因子[26]。通過比較2013、2014年平均土壤呼吸速率變化規(guī)律發(fā)現2013年氮添加處理對土壤呼吸的影響較弱(圖1),原因可能為生態(tài)系統(tǒng)中根系及微生物對氮添加的響應存在滯后現象,因此,本研究主要針對2014年土壤呼吸對氮添加的響應展開討論。與CK相比,LN處理顯著提高了針葉林土壤呼吸,而闊葉林無顯著影響(圖1)。以往研究表明,低氮處理促進根生物量增加[11],但不同林分根生物量對氮添加的響應存在差異(表2)；同時氮添加下針葉林較闊葉林土壤酸化程度可能更為明顯,導致其異養(yǎng)呼吸的響應程度也存在差異[27]。本研究發(fā)現闊葉林較針葉林根生物量密度較大(表2),導致闊葉林分對氮添加的響應程度更為敏感,可能低于LN處理時森林土壤呼吸速率才會出現顯著增加的作用[28]。以往研究也發(fā)現,林分根生物量密度對異養(yǎng)呼吸存在強烈影響[29],因為植物根系和微生物之間對碳源的利用存在競爭關系[30]。根生物量密度較大林分,氮添加處理會提高根凋落物碳輸入(表2),增加微生物的可能碳源,導致氮添加對根生物量密度較大林分異養(yǎng)呼吸速率抑制作用減弱。4個林分中HN處理下土壤呼吸速率均顯著低于LN處理(圖1),表明高氮處理抑制土壤呼吸。原因可能是高氮處理下林分遵循生長策略規(guī)律減少根生物量分配,根呼吸降低；同時高氮處理下土壤酸化嚴重,抑制微生物活性明顯,異養(yǎng)呼吸下降[11]。綜合以上結果可以得出氮添加對土壤呼吸的影響取決于根呼吸和異養(yǎng)呼吸二者的平衡作用。然而本研究中通過相關性分析發(fā)現氮添加下土壤呼吸速率與林分細根生物量密度呈極顯著正相關(P<0.01),與微生物量碳濃度無顯著相關關系(表3),表明短期氮添加處理主要通過影響根系生長及分配,進而影響土壤呼吸。

在全球變化背景條件下,了解全球變化中(如氣候變暖及降雨分配變化等)協(xié)同作用對土壤碳儲量的影響有重要的意義[6,31]。氮添加對土壤呼吸的溫、濕度敏感性的影響可以評價溫、濕度和氮添加對土壤呼吸協(xié)同效應。本研究發(fā)現,氮添加處理對土壤呼吸與濕度相關性無顯著影響,表明氮添加處理和土壤濕度協(xié)同效應較弱。然而,4種林分中5 cm、10 cm處土壤呼吸Q10值均在LN處理下達到最大,從高到低順序均為LN>CK>MN>HN(表4),表明低氮處理提高了土壤溫度敏感性,高氮處理降低了土壤溫度敏感性。導致以上結果的原因可能是,低氮處理對林分根生物量密度有促進作用,同時顯著提高了土壤微生物量(表2),微生物量增加可以增加土壤呼吸溫度敏感性[32]。高氮處理下土壤微生物量增量降低(表2),而其微生物活性下降[11],同時顯著降低了土壤根生物量密度(表2),進而導致了土壤呼吸溫度敏感性降低。由此可以推測低氮添加下,隨全球變暖土壤碳釋放速率可能會相應增加,進而可能導致土壤碳儲量下降,使大氣中溫室氣體進一步增加,加速全球碳循環(huán)。

4 結論

白樺、水曲柳、紅松和長白落葉松4種林分土壤呼吸速率對氮添加的響應存在差異。闊葉林(白樺和水曲柳)土壤呼吸速率較針葉林(紅松和長白落葉松)更易受氮添加的影響。林分根生物量密度影響土壤呼吸對短期氮添加響應程度。