落叶阔叶混交林中氮沉降对土壤可溶性碳的影响

黄日昌，高学通，崔 洋，牛继强

（1.信阳师范学院地理科学学院，河南信阳 464000；2.河南大学环境与规划学院，河南开封 475004；3.黄河中下游数字地理技术教育部重点实验室，河南开封 475004）

世界发达地区氮沉降日趋严重［1］，受氮沉降影响的区域逐步扩大，氮沉降逐渐成为全球性问题［2-3］，中国现已成为第三大氮沉降集中区.氮沉降即氮素通过沉降到达土壤表层的过程［4］，能对森林生态系统的结构及功能造成极大影响［5］.可溶性碳是森林土壤中较为活跃的部分，易受氮沉降影响.可溶性碳分为可溶性有机碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）与可溶性无机碳（Dissolved Inorganic Carbon，DIC），其中土壤DOC含量占比较高，相关研究也较多.土壤DOC的主要成分包括氨基酸、有机酸、糖等有机物质，来源于植物凋落物、土壤表层的有机质、根系分泌物和微生物生物量［6-7］，在陆地和水生生态系统中有重要作用.土壤DOC具有高活性、转移速度快、稳定性差、易矿化的特点［8］.影响土壤DOC含量的因素有植物凋落物的数量和组成、土壤pH值、环境温度、土壤水分等［9］.目前已有大量有关氮沉降与森林土壤DOC的研究，但研究结果间差异较大.有的研究认为，土壤增氮能促进碳的生产、固定和淋溶，进而增加土壤DOC含量［10-12］.但也有研究认为土壤增氮将降低土壤DOC含量［13］或含量的变化无统计意义［14］.如Boissier等［15］研究发现人工模拟氮沉降对森林土壤DOC含量的影响是先下降，后逐渐平稳.此外，也有研究表明在不同森林中土壤DOC对氮沉降的响应不同［16］.因此，需进一步研究氮沉降与土壤DOC的关系.目前有关氮沉降与林冠过滤作用的研究大多是通过直接采集雨水样本来监测穿过林冠的氮沉降［17-18］，而通过土壤指标反映氮沉降对土壤生态系统影响的研究较少.位于河南省信阳市鸡公山国家级自然保护区的林冠模拟氮沉降野外试验平台克服了林下施氮的局限，可进行林冠施氮模拟，能够更准确地模拟大气氮沉降的自然情况.鉴于此，本研究借助河南省信阳市鸡公山国家级自然保护区的林冠模拟氮沉降野外试验平台，通过对比林冠施氮与林下施氮样地中土壤可溶性碳含量来研究林冠对大气氮沉降的过滤作用，同时分析了氮素输入对鸡公山落叶阔叶混交林内土壤可溶性碳的影响.

1 试验设计与方法

1.1 研究区概况

河南省信阳市鸡公山国家级自然保护区（114°05′E，31°46′N）的林冠模拟氮沉降野外试验平台的面积为2917 hm2，全区相对高度差约为450 m，沟谷切深约为350 m，大部分山坡坡度大于30°.该地的气候为季风气候和山地气候，年均气温为15.2℃，年均降水量为1 118.7 mm，相对湿度在69%～89%之间，空气干燥度为0.84，日照百分率为47%.土壤以黄棕壤、黄褐土为主，pH值在5～6之间.林龄约为50年，冠层高度约为25 m，林冠郁闭度约为90%［11］.植被地带性表现出由北亚热带常绿落叶阔叶林地带向暖温带落叶阔叶林地带过渡的特征.大气降水中氮沉降量约为19.68 kg·hm-2·a-1（监测于2010年8月—2011年7月）.

1.2 试验设计

如图1所示，在考虑了坡向、坡度、植被等引起误差的因素后，使用随机区组设计设置了4个区组.每个区组中均设置5种处理，分别为对照处理组（CK，无氮）、林冠低氮处理组（CAN25，25 kg·hm-2·a-1）、林冠高氮处理组（CAN50，50 kg·hm-2·a-1）、林下低氮处理组（UAN25，25 kg·hm-2·a-1）、林下高氮处理组（UAN50，50 kg·hm-2·a-1），5种处理组在每个区组中的位置随机.添加的氮素为NH4NO3（化学纯）.为防止因喷洒水量不同而导致误差，对照处理组中喷洒的水的体积同林下施氮处理组中喷洒的溶液体积一致.林冠施氮处理组中，将每个样方所需的NH4NO3溶于水中，通过河南省信阳市鸡公山国家级自然保护区林冠模拟氮沉降野外试验平台中的变频调速恒压喷灌设备在林冠层执行均匀喷洒.溶液浓度根据各个处理组的水平（高氮或低氮）和样方面积单独计算，效果相当于2 mm降雨量.为避免因太阳光直射或太过强烈造成处理溶液蒸发速度过快而导致的高浓度氮灼伤植物叶面，要在无风或风速小于1 m·s-1的条件下进行喷洒，喷洒时间选择在早晨或傍晚，并精确控制喷洒范围.林下施氮处理组中，在样方内均匀安置五个直连供水管的摇臂式喷射点进行覆盖式喷洒，为了防止因增加降水量而导致地球化学循环变化的影响，每次喷洒溶液的效果相当于增加0.1 mm降水量，喷洒工具为背式电动喷雾器，在样方内均匀喷洒.

图1 鸡公山国家级自然保护区林冠模拟氮沉降野外试验平台样地分布Fig.1 Sample plot distribution of simulated nitrogen deposition field test platform in Jigongshan National Nature Reserve

1.3 测定方法

称取10 g新鲜土样，挑去可见的根系，过筛（孔径2 mm），放入离心管中，加入25 mL的蒸馏水，在250 r·min-1转速的震荡机中震荡1 h，保证可溶性碳充分溶解于蒸馏水中.震荡后在4000 r·min-1转速的离心机中离心20 min，上层清液经定性滤纸过滤后得到土壤浸提液.由于浸提液内土壤DOC含量过高，故需将其稀释4倍后在紫外分光光度计中检测稀释液在254 nm波长处的吸光度值（UVA254）.吸取5 mL浸提液与45 mL蒸馏水混合摇匀，使用Elementar德国元素varioTOC分析仪检测稀释液中可溶性碳的含量.

1.4 数据处理

视4个区组为4个重复，将数据以5种不同处理区分，每种处理下有16条数据记录.使用一元线性回归分析，确定土壤DOC含量和土壤浸提液在254 nm波长处的吸光度值的相关性.

2 结果与分析

2.1 土壤DOC含量与土壤浸提液UVA254的相关性分析

已有研究证明土壤浸提液UVA254与土壤DOC含量之间具有相关性，可根据土壤浸提液UVA254的值来估算土壤DOC的含量［19-20］.将5个处理组的土壤DOC含量分别与其对应的土壤浸提液UVA254作一元线性回归模型，两者的相关性分析结果如图2所示.由图2可知，土壤DOC含量与土壤浸提液UVA254总体呈正相关关系，并且P值较低，置信程度较高，故实验得出的结果能有效反映氮沉降模拟中土壤DOC含量的变化，但二者的相关度达不到强相关水平，所以不能只依靠这一个指标来确定土壤DOC的含量.

图2 不同处理组中土壤DOC含量与土壤浸提液UVA254的相关性Fig.2 Correlation of soil DOC content and UVA254 of soil extraction in different treatment groups

2.2 模拟氮沉降对土壤DOC含量的影响

人工增氮对表层土壤DOC含量产生了一定的影响.不同处理组的土壤可溶性总碳（TC）与土壤DOC的含量如图3所示.CAN25处理组和CAN50处理组的土壤DOC含量分别为157.86 mg·kg-1、164.69 mg·kg-1，与CK处理组的土壤DOC含量（168.10 mg·kg-1）相比分别下降了6.1%、2.0%.UAN25处理组的土壤DOC含量为169.47 mg·kg-1，与CK处理组相比差异不显著.UAN50处理组的土壤DOC含量为195.22 mg·kg-1，与其余各个处理组差异显著，其中与CK处理组相比上升了16.1%，与CAN50处理组相比上升了18.5%.各处理组中土壤TC含量的变化趋势与土壤DOC含量的变化趋势相似.

对比林冠处理组与林下处理组发现，林下处理组中土壤DOC含量均明显高于林冠处理组，这可能是因为林下处理组受模拟氮沉降的影响更显著；与CAN25处理组相比，CAN50处理组的土壤DOC含量上升了4.33%；与UAN25处理组相比，UAN50处理组的土壤DOC含量上升了15.19%，这表明无论是林冠处理组还是林下处理组，模拟氮沉降中氮素浓度加倍后，土壤DOC含量均会上升，并且当氮素浓度上升后林冠处理组与林下处理组的土壤DOC含量的差异更明显.综上可知，人工添加氮素会使土壤DOC含量先降低后升高，林冠能有效过滤大气氮沉降，减少森林土壤接收到的氮素量.

图4 不同处理组中土壤DIC的含量Fig.4 Soil DIC content in different treatment groups

2.3 模拟氮沉降对土壤DIC含量的影响

不同处理组的土壤DIC含量如图4所示.由图4可知，施氮处理组的土壤DIC含量均显著低于CK处理组，说明人工增氮对土壤DIC含量产生了显著影响.其中，CAN25处理组、CAN50处理组与UAN25处理组的土壤DIC含量差异较小.CAN25处理组、CAN50处理组与UAN25处理组的土壤DIC含量与CK处理组相比分别下降了12.8%、10.4%、13.4%.UAN50处理组的土壤DIC含量为15.26 mg·kg-1，明显低于其他处理组，且与CK处理组相比下降了21.9%.以上结果表明氮沉降会引起土壤DIC含量的减少，其主要原因在于氮添加改变了土壤pH值，促使土壤DIC转化为CO2.林下处理组对土壤DIC含量的影响较大，林冠处理组对土壤DIC含量的影响则并不明显，这表明林冠对大气氮沉降有过滤作用，可降低氮沉降对土壤DIC的影响.

3 结论与讨论

目前有关土壤DOC含量对氮沉降的响应有上升、下降和无显著变化［13］3种结论.本研究结果则与氮沉降会引起土壤DOC含量下降这一结论一致.另外，施加氮素含量加倍后，林冠处理组与林下处理组的土壤DOC含量均会增加，其中林下处理组中土壤DOC含量的增加量显著高于林冠处理组，原因可能在于高浓度氮素可促进微生物对颗粒有机碳（如新近凋落物、土壤腐殖质）的分解，从而导致土壤DOC含量上升.

土壤DIC含量易受温度、土壤pH值、含水量等条件的影响.河南省信阳市鸡公山国家级自然保护区的林冠模拟氮沉降野外试验平台的模拟氮沉降操作未显著改变大气降水量，对森林土壤含水量影响较低，故可忽略含水量对土壤DIC含量的影响.与CK处理组相比，施氮处理组的土壤DIC含量均显著降低，可能是因为土壤DIC主要为CO2、碳酸、碳酸氢根和碳酸根离子，增加大气氮沉降的浓度（通过人工喷洒硝酸铵溶液）将导致土壤酸化，进而促使土壤DIC转化为气态CO2，最终引起土壤DIC含量减少.

根据土壤DOC和土壤DIC的含量变化可知，林冠对氮沉降的过滤作用显著.与连续降雨过程导致的林冠对大气氮沉降的富集作用不同，本研究的模拟氮沉降对样地降水量的影响较小.鸡公山地区大气降水中氮沉降量约为19.68 kg·hm-2·a-1，额外添加两倍于大气降水中氮沉降量的氮素（50 kg·hm-2·a-1）后，CAN50处理组的土壤DOC含量与CAN25处理组的差异不显著，UAN50处理组的土壤DOC含量同其他处理组的差异显著，这表明氮素在沉降过程中受到林冠过滤作用，导致沉降至土壤的氮素减少，即林冠能降低氮沉降对土壤DOC含量的影响.另外，河南省信阳市鸡公山国家级自然保护区林冠模拟氮沉降野外试验平台内的森林郁闭度约为90%，结合试验结果可知，郁闭度较高的落叶阔叶混交林能有效降低大气湿沉降对土壤表层的影响，进而降低大气氮沉降对土壤生态系统的影响.