趙文君 劉永濤 崔迎春 吳 鵬 楊永艷 丁訪軍*

(1.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550005；2.中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽550081 )

由于化石燃料燃燒，工業(yè)氮肥使用等使大氣中含氮化合物激增，大氣氮沉降也不斷增加(從1.5 kg N·hm-2·a-1增加到4.2 kg N·hm-2·a-1)[1]，氮沉降作為驅(qū)動(dòng)因子勢(shì)必改變森林土壤生態(tài)過程，引起陸地生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力和生物地球化學(xué)碳、氮、磷循環(huán)的諸多變化[2]，土壤養(yǎng)分的變化，調(diào)整了物種之間的競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài)[3]，改變了植物群落結(jié)構(gòu)[4]，進(jìn)而影響森林生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)。因此，研究氮沉降對(duì)森林土壤養(yǎng)分的影響對(duì)了解森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、合理利用氮沉降帶來的養(yǎng)分等具有重要意義。氮沉降對(duì)不同地區(qū)土壤養(yǎng)分的影響不同，有研究表明與森林生態(tài)系統(tǒng)是否N限制有關(guān)[5]，不同生態(tài)系統(tǒng)因初始氮狀況、植被 、土壤特征等存在不同的臨界氮容量[6]。氮沉降對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、水解性氮、速效磷、速效鉀含量的影響，既有增加的研究案例[7-8]，也有影響不明顯，甚至相反的案例[9-11]。因此有必要針對(duì)不同森林類型開展研究，為全球大氣氮沉降背景下森林生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定發(fā)展提供理論參考。

喀斯特生態(tài)系統(tǒng)有特殊的水文地質(zhì)二元結(jié)構(gòu)及復(fù)雜的峰叢、峰林、洼地和漏斗等地貌形態(tài)，地面巖石裸露形成石面、石溝和土面等多樣的小生境，小尺度上的生境異質(zhì)性顯著[12]，進(jìn)而引起土壤、小氣候及其他生態(tài)因子的變化[13-14]，可能對(duì)土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)產(chǎn)生影響，但有關(guān)氮沉降下喀斯特森林不同小生境土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化研究較少涉及，因此，本研究選擇茂蘭喀斯特原生林為研究對(duì)象，對(duì)模擬氮沉降下土面和石溝小生境土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行比較，為更好地理解和評(píng)估大氣氮沉降對(duì)喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與樣品采集

通過對(duì)貴州荔波喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站原有固定樣地踏查，篩選了有代表性的3個(gè)原生喬木林群落樣地，海拔770 m，坡度20～25°，中下坡位，樣地面積30 m × 30 m。每個(gè)樣地內(nèi)按照劉方等[19]對(duì)小生境劃分，考慮小生境面積和數(shù)量，隨機(jī)選取了石溝(出露的巖石溶蝕溝或侵蝕溝)、土面(面積相對(duì)較大的小型臺(tái)地)兩種小生境布置模擬氮沉降試驗(yàn)。施氮量設(shè)置3個(gè)處理，分別為低氮N1(25 kg·hm2·a)、高氮N2(50 kg·hm2·a)和對(duì)照N0 (0 kg·hm2·a)。每個(gè)樣方間距>3 m，以防止相互干擾。自2018年6月開始施氮試驗(yàn)，施氮時(shí)間為1 a，按照處理水平的要求，將各樣方所需NH4N03溶解至1 L水中，用噴霧器在該水平樣方中來回均勻噴灑，每次施氮量相當(dāng)于全年模擬總施氮量的1/12，對(duì)照樣方噴施同樣量的水，以減少因外加水而造成對(duì)森林生物地球化學(xué)循環(huán)的影響。

2018年6月、11月和2019年5月，每次施氮前采樣，先將地表凋落物去除，將內(nèi)徑7.5 cm、長(zhǎng)15 cm PVC管打入采集原狀土，低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室。每個(gè)處理樣方內(nèi)均重復(fù)取樣三次。測(cè)定土壤pH值、有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、有效磷和有效鉀，分別采用電位法、重鉻酸鉀氧化-外加熱法、凱氏消煮法-擴(kuò)散法、堿熔-鉬銻抗比色法、和堿熔-火焰光度法、鹽酸-硫酸浸提法和硝酸煮沸浸提-火焰光度法，測(cè)定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分別采用氧化鎂-擴(kuò)散法和酚二磺酸比色法[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010、SPSS 16.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬氮沉降對(duì)土壤pH值的影響

由圖1可知，施氮前，土面和石溝兩生境各自pH值很接近，經(jīng)施氮處理后，pH值出現(xiàn)不同程度的下降。最大變化出現(xiàn)在土面的N2處理，隨著施氮時(shí)間分別比對(duì)照下降了15.76%和15.11%。石溝pH值變化較土面緩和，N2處理下分別下降了1.38%和3.09%。土面較石溝pH值低，且土面土層較石溝更敏感，更易引起酸化。經(jīng)方差分析，土面pH值N1、N2與N0間呈現(xiàn)顯著差異(P <0.05)，而石溝各處理間pH值差異不顯著(P >0.05)。且土面和石溝兩生境間差異顯著(P <0.05)。

圖1 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石溝土壤pH值動(dòng)態(tài)

2.2 模擬氮沉降對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

由圖2可知，土壤有機(jī)碳變化趨勢(shì)為先增加后降低，外源氮添加提高了土壤有機(jī)碳含量，土面N1處理分別使土壤有機(jī)碳含量提高了20.64%，20.41%，N2處理分別使土壤有機(jī)碳含量提高了3.64%和3.89%，但作用效果都不顯著(P >0.05)。石溝N1處理顯著提高了土壤有機(jī)碳含量最高達(dá)40.66%(P <0.05)，N2處理分別使土壤有機(jī)碳含量提高了16.36%和6.23%，但未達(dá)到顯著水平(P >0.05)。石溝生境下土壤有機(jī)碳對(duì)氮添加的響應(yīng)顯著高于土面(P <0.05)

圖2 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石溝土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)

2.3 模擬氮沉降對(duì)土壤全氮的影響

由圖3可知，石溝土壤TN初始含量高于土面，外源氮添加沒有改變土壤全氮的變化趨勢(shì)，隨施氮時(shí)間均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。土面N1、N2處理在11月分別使土壤全N含量降低了12.25%，27.71%，N2處理使土壤TN含量顯著降低(P <0.05)，在5月分別使土壤TN含量增加了13.10%和9.02%。石溝N1、N2處理均使土壤TN含量增加，11月增加值分別為12.58%和17.24%，5月增加值分別為22.29%和34.43%，N2處理使土壤TN含量顯著增加(P <0.05)。土壤TN含量在不同N水平間大多差異不顯著(P >0.05)，在土面和石溝兩生境間差異顯著(P <0.05)。

圖3 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石溝土壤全氮?jiǎng)討B(tài)

2.4 模擬氮沉降對(duì)土壤全磷、速效磷的影響

由圖4可知，施氮處理沒有改變土壤TP含量先升高后降低的變化趨勢(shì)，向土面添加氮均都使其TP含量降低，其中N2處理會(huì)使TP含量顯著降低(P <0.05)。除2019年5月N2處理外，向石溝添加氮都會(huì)使TP含量不同程度的降低。在5月N1處理顯著降低了TP含量(P <0.05)，而N2處理顯著增加了TP含量(P <0.05)。土壤速效P含量同樣為先升高后降低的變化趨勢(shì)，在2018年11月達(dá)到高值。氮沉降后，土壤速效P含量與對(duì)照相比，N1水平下含量下降，最低降低了25.77%，N2水平下增加，最大增加了15.64%，N1與N0、N2處理間達(dá)到顯著水平(P <0.05)。土壤TP和速效P在土面和石溝兩生境間差異不顯著(P >0.05)。

圖4 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石溝土壤全磷和速效磷動(dòng)態(tài)

2.5 模擬氮沉降對(duì)土壤全鉀、速效鉀的影響

由圖5可知，無論添加外源氮與否，土壤TK含量均呈先略升后降的變化趨勢(shì)。模擬氮沉降后，N1處理會(huì)使土面土壤TK含量增加11.68%，隨著氮沉降時(shí)間延長(zhǎng)后較對(duì)照降低7.29%。N2 處理使土面土壤TK含量分別增加17.73%和7.76%。而石溝土壤TK含量在N1處理后分別降低5.85%和7.10%，N2處理后分別增加14.74%和7.60%。土壤速效K含量為先降低后升高的變化趨勢(shì)，土面較石溝變幅大。施氮后，均使土壤有效K含量增加，不同氮處理使土面分別增加13.66%、9.31%和3.21%、24.01%，使石溝分別增加了17.03%、31.19%和3.01%、6.30%。土壤TK、速效K含量在不同N水平間、不同生境間差異均不顯著(P >0.05)。

燃料及助燃空氣系統(tǒng)主要由分區(qū)關(guān)斷閥、先導(dǎo)式減壓調(diào)節(jié)器(SR)、先導(dǎo)式平衡零位調(diào)節(jié)器(BRR)、空氣脈沖管路、燃?xì)獗嚷收{(diào)節(jié)閥、火力控制閥及輸送管路等組成。

圖5 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石溝土壤全鉀和速效鉀動(dòng)態(tài)

2.6 模擬氮沉降對(duì)土壤有效氮的影響

由圖6可知，無論添加外源氮與否，土壤NH4+-N含量均呈先升后降的變化趨勢(shì)，土壤NO3--N含量均為升高的趨勢(shì)。不同氮添加后，均增加了土壤有效氮含量，且隨施氮強(qiáng)度的增加而增加。不同氮添加后，土面和石溝土壤NH4+-N含量2018年11月分別增加了30.58%，47.63%和29.02%，45.55%，2019年5月分別增加了36.68%，67.12%和32.88%，67.58%。土面和石溝土壤NO3--N含量11月分別增加了24.64%，59.26%和15.00%，69.11%，5月分別增加了35.37%，70.56%和24.77%，53.12%。土壤有效氮含量在土面和石溝兩生境間差異不顯著(P >0.05)。

圖6 不同氮沉降水平喀斯特森林土面和石溝土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮?jiǎng)討B(tài)

3 結(jié)論與討論

本研究土壤pH值隨著氮沉降水平的升高而降低，和全國多數(shù)研究結(jié)果一致[9，21]。研究表明NOy(主要是NO3-)的沉積可能會(huì)增加堿基陽離子(Ca2+、Mg2+)在土壤溶液電荷平衡中的淋失，失去的堿基陽離子通常被H+取代，從而降低pH值，硝態(tài)氮直接降低土壤pH值。NHx氮(主要是NH4+)可以直接替代土壤中堿離子使淋濾量增加，導(dǎo)致土壤酸化[22]。也有研究表明施加高氮后因NH4+-N大量增加而使pH值提高，但總體pH 值增加并不顯著[21]。銨態(tài)氮主要通過影響土壤無機(jī)碳間接影響土壤pH[22]。

本研究低氮處理顯著促進(jìn)了土壤有機(jī)碳含量增加，高氮處理則效果不顯著。HUANG Z Q等[23]研究顯示外源氮的增加使土壤有機(jī)碳含量增加，且沉降的氮更容易被C/N相對(duì)較低的生態(tài)系統(tǒng)所固定。張帆等[24]研究表明中、高氮沉降使土壤C含量顯著增加。也有研究結(jié)論不一致，李秋玲等[9]在鼎湖山森林、Magill 等[11]在美國哈佛森林、郭虎波等[10]的研究表明，短期內(nèi)氮沉降對(duì)土壤總有機(jī)碳含量沒有影響。而汪金松[11]等研究表明高氮處理抑制了土壤碳含量的增加，可能受N飽和的影響。適量的氮素加入，有利于促進(jìn)凋落物的分解，從而提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，而過量的氮素，可能會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的流失[21]。Saiya-Corka 等[25]研究發(fā)現(xiàn)N 沉降加速了凋落物分解，卻抑制了土壤有機(jī)物的分解，且外源 N 輸入抑制難分解有機(jī)物的分解可能是一個(gè)普遍現(xiàn)象，從而導(dǎo)致土壤 SOC含量的降低。

本研究中隨著施氮量增加全氮含量增加，全磷含量降低，可能是由于氮沉降增強(qiáng)磷酸酶活性，提高了土壤磷的有效性，促進(jìn)了植物對(duì)磷的吸收，從而減少了土壤全磷的含量，會(huì)加劇土壤磷的限制性[26]。也有研究表明氮沉降下全P含量升高[21]。

土壤速效養(yǎng)分是影響植物生長(zhǎng)狀況的重要因素。氮、磷、鉀是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，有效磷、有效鉀和有效氮在一定程度上衡量土壤養(yǎng)分的有效性[27]。不同小生境不同氮添加均增加了土壤NH4+-N、NO3--N含量，高氮處理的增幅高于低氮處理，這與趙欣然等[26]對(duì)樟子松人工林研究、李琛琛等[8]對(duì)華北落葉松林的研究及向元彬等[28]對(duì)天然常綠闊葉林的研究結(jié)果一致。一是因?yàn)橥庠吹岣吡宋⑸锘钚?，氮沉降的激發(fā)效應(yīng)加速了土壤有機(jī)物的礦化，土壤C/ N因過量的N和有機(jī)物結(jié)合而降低，促進(jìn)了土壤有機(jī)物分解和養(yǎng)分釋放[29-30]。二是氮輸入增加了土壤和凋落物層的礦質(zhì)氮含量，使植物吸收與硝化菌、反硝化菌對(duì)氮的競(jìng)爭(zhēng)得到了緩沖，硝化、反硝化作用增加，進(jìn)而使土壤有效氮增加[30]。此外施加NH4NO3時(shí)直接增加土壤有效氮水平。

土壤中P主要來自土壤有機(jī)物的分解，速效P與凋落物的分解速率有關(guān)，且受土壤磷酸酶的影響。速效P在N1處理下降低，在N2處理下升高，這與蔡乾坤等[31]，裴廣廷等[32]研究結(jié)果一致，高氮的輸入刺激了微生物活性并增加了其對(duì)磷的需求，并提高了磷相關(guān)酶的活性，磷相關(guān)分解酶活性的提高增強(qiáng)了微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和凋落物的分解，加快了土壤中磷元素的轉(zhuǎn)換過程，從而提高土壤中速效磷的含量[21，32]，施氮強(qiáng)度和模擬時(shí)間長(zhǎng)度結(jié)合使速效P含量2018年11月份達(dá)到較高狀態(tài)，高于2019年5月份，與有效磷含量干季高于濕季[31]的研究結(jié)果相吻合。

本研究中速效K對(duì)施氮處理呈現(xiàn)升高響應(yīng)，這與葉彥輝等[21]研究結(jié)果一致，在 LN 處理下升高，比CK高了16.96%。與樊后保等[33]研究結(jié)果相反，過量的氮沉降造成土壤中多余的氮以NO3-的形式從土壤中淋失，引起K+的電荷平衡離子也從土壤中淋失。裴廣廷等[32]研究顯示氮沉降對(duì)森林土壤速效鉀含量的影響不顯著，與凋落物保留與否有關(guān)，凋落物的分解可以補(bǔ)充土壤速效鉀的淋失。

土面和石溝氮添加后各土壤養(yǎng)分的響應(yīng)程度除土壤有機(jī)碳兩小生境差異顯著外(P <0.05)，其余pH值、N、P、K養(yǎng)分元素等的響應(yīng)均差異不顯著，表現(xiàn)為石溝略高于土面。受小生境地表微形態(tài)和微地貌空間變異的影響，土面和石溝成土過程不同，而土壤養(yǎng)分本身存在差異，石溝高于土面。不同小生境中溫度、濕度及凋落物供給的差異，通過影響到林下不同的微生物類群的數(shù)量、種類和活力而最終影響土壤養(yǎng)分水平。兩小生境差異不顯著，可能是氮沉降強(qiáng)度和沉降時(shí)間不足以引起土壤養(yǎng)分的顯著變化。由于喀斯特微地貌小生境下小氣候、土壤等生態(tài)因素的差異性，使其對(duì)全球氣候變化(大氣氮沉降等)的響應(yīng)也有所不同，要全面了解喀斯特森林系統(tǒng)不同小生境土壤的變化動(dòng)態(tài)還需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來探究。