杉木人工林土壤碳、氮、磷化学计量特征对短期氮添加的响应

舒 锟，李西悦，刘选茹，柳 奇，杨林凯，陈良华

(长江上游林业生态工程四川省重点实验室，长江上游森林资源保育与生态安全国家林业和草原局重点实验室，华西雨屏区人工林生态系统研究长期科研基地，四川农业大学 生态林业研究所，四川 成都 611130)

氮是影响陆地生态系统中物种组成、多样性、动态和功能的关键性元素[1]，同时也是影响植物生长的主要元素，影响着生态系统的初级生产力.氮沉降是陆地生态系统氮循环过程的重要环节，表征大气中活性氮化合物沉降到地表的过程，包括湿沉降和干沉降两种形式[2].随着工业化和现代农业的发展，人为来源的含氮化合物与日俱增，中国已成为全球第三大氮沉降区域[3]，一些地区氮素的人为排放量已远超当地氮素的矿化速率.过量氮沉降对植物的生长发育、凋落物分解、碳氮矿化及养分生态化学计量特征会产生显著的影响[4-7]，同时会导致土壤酸化、水体富营养化和生物多样性降低等严重的生态问题[8-9].

19 世纪中叶，李比希认为，在生物生长发育过程中所需元素需要保持一定的比例，限制生物生存的因子即为该生物最小需求量的生态因子.研究生态过程中化学元素的比例关系，特别是氮沉降区域土壤碳、N 和P 元素的化学计量关系，可以有效认识土壤养分平衡和受限状况[10].有研究表明，氮沉降会改变土壤碳、氮和磷质量比，并影响其化学计量比[11].可见，氮沉降的增加会改变森林生态系统的养分循环，影响土壤的碳、氮和磷化学计量特征[12].此外，土壤中，碳、氮和磷的化学计量特征不仅受经纬度、海拔等因素的影响，还与土层深度、林分年龄有关[13-14].中国学者对氮沉降的研究主要以天然林或次生林为对象，较少以人工林为研究对象，较少关注不同发育阶段林木对氮沉降的响应差异，对于高氮沉降背景条件下的森林生态系统，相关研究更显不足.

杉木（Cunninghamia lanceolata）是中国亚热带地区的主要造林树种之一，具有生长迅速、干形通直、经济价值高等优势，栽培面积广，在区域林业生产和生态环境建设中发挥着重要作用.杉木栽培区的土壤普遍存在盐、酸、冷湿、缺磷等特点，可能对氮添加较为敏感.研究典型杉木人工林土壤养分质量比及其化学计量比对氮添加的响应，可丰富对氮沉降所引发生态效应的认识.华西雨屏区氮沉降量高达9.5 g/（m2·a）[15]，但很少有学者以杉木人工林为对象，研究过量氮沉降对林地土壤化学特征的影响.因此，我们以华西雨屏区两个林龄的杉木人工林（11 a 和18 a）林地为研究对象，以定期施氮的方式模拟氮沉降，研究短期氮添加对土壤碳、氮和磷养分质量比和化学计量比的影响，研究结果可为杉木林地的氮素管理和可持续经营提供理论支持和科学依据.

1 材料和方法

1.1 试验地概况研究区位于四川省眉山市洪雅县洪雅林场八面山工区（102°49′～103°32′E，29°24′～30°0′N），地处四川盆地西南边缘，海拔1 200 m，年平均日照时长1 006.1 h，年平均气温16.6 ℃，1 月平均气温6.1 ℃，7 月平均气温25.3 ℃，全年无霜期约307 d，年均降水量1 435.5 mm，气候类型属中亚热带湿润气候.土壤类型为山地黄壤，呈强酸性，基本理化性质见表1.林下灌木层的优势种有寒莓（Rubus buergeri）、江南越桔（Vaccinium mandarinorum）、水竹（Phyllostachys heteroclada）、水同木（Ficus fistulosa）、马甲菝葜（Smilax lanceifolia）、细齿叶柃（Eurya nitida）、矩叶鼠刺（Itea oblonga），草本植物主要有黑足鳞毛蕨（Dryopterisfuscipes）、楼梯草（Elatostema involucratum）和赤车（Pellionia radicans）、三叶崖爬藤（Tetrastigma hemsleyanum）、竹叶草（Oplismenus compositus）、十字薹草（Carex cruciata）、铁芒萁（Dicranopteris linearis）、四川沟酸浆（Mimulus szechuanensis）、异药花（Fordiophyton faberi）.

表1 氮添加前土壤的基本理化性质（平均值±标准差）Tab.1 Basic physical and chemical traits of the soils in the plots before N addition (mean ± SD,n=3)

1.2 试验设计试验样地位于洪雅县国有林场八面山工区，选取11 a 和18 a 两种林龄杉木人工林林地土壤作为研究对象，立地状况和林木生长状况见表2.11 a 杉木林于2008 年营造，造林密度为2 500 株/hm2；18 a 杉木林于2001 年营造，造林密度为3 000 株/hm2.在造林初期（前3 年），经营单位进行每年2 次的窝抚和每年1 次的施肥，之后未施肥.18 a 杉木林经历过1 次生长伐和1 次透光伐.11 a杉木林林下灌木盖度3%，草本植物盖度10%；18 a 杉木林林下灌木盖度15%，草本植物盖度82%.每个林龄随机布设9 块样地，样地大小为20 m×20 m.参照洪雅县的年均氮沉降量，即8.24～14.75 g/（m2·a），设置3 个氮添加水平：对照（CK），0 g/（m2·a）；低氮（LN），5 g/（m2·a）；高氮（HN），10 g/（m2·a）.使用NH4NO3作为氮源，将年氮添加量均分成12 份，从2019 年4 月起，每月中旬对各样地进行氮添加处理.施氮时，将各样地所需的NH4NO3溶解于10 L水中，用背式喷雾器中在样方中反复喷洒氮肥直至均匀，CK 样地喷洒等量清水.

表2 立地概况和林木生长状况（平均值±标准差）Tab.2 The basic information of sites and growth conditions of the Cunninghamia lanceolata (mean ± SD,n=3)

1.3 取样、处理与测定考虑土壤养分可能同时受到氮处理、林龄、季节及土层的影响，我们于2019 年8 月（代表生长季）和11 月（代表非生长季）分别取样.对于每一处理的每一样方，在样方内随机选取5 个点，去除地表凋落物，使用土钻分别采集0～20 cm 和20～40 cm 土层的土壤，将土样充分混合均匀，挑出细根和石块等杂物，装入自封袋中，低温保存带回实验室.将采回的样品分为2 份，一份储存于4 ℃冰箱，用于硝态氮和铵态氮质量比的测定.一份常温阴凉处风干用于土壤全碳、全氮和全磷质量比的测定.采用靛酚蓝比色法测定土壤铵态氮质量比，采用用紫外分光光度法测定硝态氮质量比[16].采用重铬酸钾氧化外加热法测定土壤总有机碳(soil organic carbon,SOC) 质量比，采用凯氏定氮法测定土壤全氮(total nitrogen,TN)质量比，采用硫酸高氯酸消解-钼锑抗比色法测定全磷(total phosphorus,TP)质量比[17].土壤有效氮质量比为硝态氮质量比和铵态氮质量比之和.

1.4 数据统计分析采用三因素方差分析（threeway ANOVA）检验氮添加、土层、季节及其交互作用对不同林龄林地土壤各指标的影响显著性（P＜0.05）.采用单因素方差分析（one-way ANOVA）检验同一采样时间同一林龄不同氮添加处理对参数影响的显著性；对于具有显著差异的参数，进一步采用Tukey 法（P＜0.05）对处理间进行多重比较；采用配对样本t检验的方法，检验同一处理同一土层在不同季节间的差异显著性（P＜0.05），检验同一处理同一季节不同土层间差异的显著性（P＜0.05）.使用SPSS 20.0 软件对各参数进行统计分析.

2 结果与分析

2.1 氮添加对不同季节、不同层次土壤有效氮的影响由表3 所示，11 a 林中，氮添加、土层、季节极显著影响了土壤的硝态氮质量比（P＜0.01），土壤的硝态氮质量比还受到氮添加×土层、氮添加×季节交互效应的显著影响（P＜0.05）.铵态氮质量比受到季节的显著影响（P＜0.05）.有效氮质量比受到土层和季节的极显著影响（P＜0.01），还受到氮添加的显著影响（P＜0.05）.在生长季，与CK 相比，LN 和HN 条件下，0～20 cm 土层的硝态氮质量比分别增加35.9%和17.8%，在LN 条件下的增幅达显著水平（P＜0.05）（图1（a））.在非生长季，LN 和HN 引起0～20 cm 土层的硝态氮质量比显著增加（P＜0.05），增幅分别为60.2%和63.8%；LN 和HN 引起20～40 cm 土层的硝态氮质量比分别增加31.2%和59.4%.氮添加处理均未显著影响两个土层的铵态氮质量比和有效氮质量比（图1（c）和（e））.

由表4 所示，18 a 林中，土层作为独立因子极显著影响了土壤的硝态氮质量比和有效氮质量比（P＜0.01）.季节作为独立因子极显著影响了铵态氮质量比和有效氮质量比（P＜0.01），土壤的硝态氮质量比也受到季节的显著影响（P＜0.05）.铵态氮质量比还受到氮添加×季节交互效应的显著影响（P＜0.05）.不管是在生长季还是在非生长季，与CK 相比，LN 和HN 处理均没有显著影响两个土层的硝态氮质量比和速效氮质量比（图1（b）和（f））.在生长季，与CK 相比，LN 处理显著增加了0～20 cm土层的铵态氮质量比（P＜0.05）（图1（d））.

2.2 氮添加对不同季节、不同层次土壤碳、氮、磷质量比的影响由表3 所示，11 a 林中，土壤总有机碳、全氮和全磷受到土层的极显著影响（P＜0.01），全氮质量比还受到氮添加的显著影响（P＜0.05），以及氮添加×土层、土层×季节交互效应的极显著影响（P＜0.01）.全磷质量比还受到季节及其与土层交互效应的极显著影响（P＜0.01）.在非生长季，LN 和HN 引起0～20 cm 土层总有机碳质量比的显著增加（P＜0.05），增幅分别为20.0%和48.9%（图2（a））.在非生长季，与CK 相比，LN 和HN 处理均不同程度增加了0～20 cm 土层的全氮质量比（图2（c））.

表3 氮添加、土层、季节及其交互作用对11 a 杉木林土壤各指标影响的显著性检验Tab.3 Statistical significance of the single and interactive effects of nitrogen addition,soil layer and season on all indexes of 0-20 cm soil layer of 11 years C.lanceolata plantations

由表4 所示，18 a 林中，土壤全氮质量比受到土层的极显著影响（P＜0.01）.全磷质量比受到土层、季节的极显著影响（P＜0.01），也受到氮添加、氮添加×土层、土层×季节交互效应的显著影响（P＜0.05）.不管是在生长季还是在非生长季，与CK 相比，LN 和HN 处理均未显著影响两个土层的总有机碳质量比和全氮质量比（图2（b）和（d））.

表4 氮添加、土层、季节及其交互作用对18 a 杉木林土壤各指标影响的显著性检验Tab.4 Statistical significance of the single and interactive effects of nitrogen addition,soil layer and season on all indexes of 20-40 cm soil layer of 18 years C.lanceolata plantations

对于两个年龄的林分，不管是在生长季还是在非生长季，0～20 cm 土层的全磷质量比均随着氮添加量的增加而呈上升的趋势（图2（e）和（f））.18 a的林分，在非生长季，HN 处理显著增加了 0～20 cm土层的全磷质量比（P＜0.05）.

图2 氮添加条件下不同生长季、不同土层杉木林土壤的总有机碳、全氮、全磷质量比（平均值±标准差，n=3）Fig.2 C,N,and P content in soils of C.lanceolata plantations in different growing seasons and soil layers under N addition (mean ±SD,n=3)

2.3 氮添加对不同季节、不同层次土壤碳、氮、磷化学计量比的影响由表3 所示，11 a 林中，土壤的w（碳）∶w（氮）受到土层的极显著影响（P＜0.01）.w（碳）∶w（磷）和w（碳）∶w（磷）均受到土层×季节交互效应的极显著影响（P＜0.01）.在生长季，与CK 相比，0～20 cm 土层的w（碳）∶w（氮）伴随氮添加量的增加而降低，但在非生长季却表现出相反的趋势（图3（a））.在两个不同的季节，与CK相比，LN 和HN均未显著影响两个土层的w（碳）：w（磷）（图3（c））.在生长季，与CK 相比，LN 和HN一定程度增加了0～20 cm 土层的w（氮）：w（磷）.不管是在生长季还是非生长季，20～40 cm 土层的w（氮）∶w（磷）伴随氮添加量的增加而表现出降低的趋势（图3e）.

如表4 所示，18 a 林中，土壤的w(碳)∶w(氮)受到土层、季节及其交互效应的极显著影响（P＜0.01），也受到氮添加的显著影响（P＜0.05）.w(碳)∶w(磷)和w(氮)∶w(磷)均受到季节的极显著影响（P＜0.01），w(碳)∶w(磷)和w(氮)∶w(磷)还分别受到土层和土层×季节交互作用的显著影响（P＜0.05）.在两个不同的季节，与CK 相比，两个土层的w(碳)∶w(氮)均伴随氮添加量的增加表现出增加的趋势（图3(b)）.在非生长季，与CK 相比，LN 处理显著增加了20～40 cm 土层的w(碳)∶w(磷)和w(氮)∶w(磷)（P＜0.05）（图3 (d)和(f)）.

图3 氮添加条件下不同生长季、不同土层杉木林土壤碳、氮、磷化学计量比（平均值±标准差，n=3）Fig.3 Stoichiometrical ratio of C,N,and P in soils of C.lanceolata plantations in different growing seasons and soil layers under N addition (mean ± SD,n=3)

3 讨论

3.1 短期氮添加对杉木林土壤有效氮的影响硝态氮和铵态氮是土壤中有效氮存在的主要形式，可供植物直接吸收、利用[18].本研究中，土壤硝态氮和铵态氮对氮添加表现出不同的响应模式，而各处理条件下总的速效氮质量比没有显著的变化.与18 a 林分相比，11 a 林分土壤硝态氮质量比对氮添加的响应更敏感（图1），这可能与不同林分对硝态氮的吸收和利用强度存在差异有关.本研究中，11 a 的杉木林林下植被的丰富度、多样性和盖度均远低于18 a 杉木林，11 a 杉木林林下植被对可利用氮素的消耗和利用更少，有利于土壤中硝态氮的积累[19].总体来看，短期氮添加没有显著影响20～40 cm 土壤的硝态氮质量比，说明氮添加没有直接影响深层土壤的速效氮养分，与向元彬等[20]的研究结果相似.有研究表明[21]，土壤中的有效氮是最易通过淋溶而从森林土壤中损失的元素.我们的研究区域位于华西雨屏区，年均降雨量高达1 435 mm，地表径流量大，地表的硝态氮损失强烈且入渗量低，因此深层土壤的硝态氮质量比受氮添加的影响较小.另一方面，与硝态氮的变化不同，土壤中铵态氮的质量比并没有随着氮添加量的增加而增加.沈芳芳等[22]的研究发现，超过10 a 林分的氮添加，6、12 g/（m2·a）的沉降水平均没有显著影响杉木林地土壤的铵态氮质量比，但硝态氮质量比却成倍增加.Fang 等[23]发现，与铵态氮相比，3 a 林分的氮添加导致土壤中硝态氮的变化更显著.王方超等[24]发现，4 a 林分的氮添加处理对杉木林地土壤的铵态氮影响不显著.造成这些研究结果的主要原因可能是：树木通常具有对铵态氮吸收和利用的偏好性[25]，外源的铵态氮很快被林木吸收和利用；其次，铵态氮的输入导致土壤中硝化细菌群数量的增加，硝化作用增强，将铵态氮转化成了硝态氮[24].

3.2 短期氮添加对杉木林土壤总有机碳质量比和全氮、全磷质量比的影响一些研究表明，氮沉降不但会改变土壤的有效氮水平，还会通过影响地上、地下凋落物量、凋落物化学组成、土壤生物群落和凋落物分解过程，进而影响土壤碳库、氮库及其组成[26-28].氮添加不仅能增加缺氮生态系统的初级生产力，还会增加地上和地下凋落物量.伴随富氮凋落物的增加，土壤全氮和有机碳的来源增加，适量的氮输入还会加速凋落物的分解[29-30]，导致土壤中碳、氮的输入增加[11].土壤的氮损失（如氮的矿化和植物利用、N2O 排放和NO3-淋溶等）常常不能抵消氮输入的增加[30]，引起土壤有机碳和全氮质量比增加[31-33].本研究中，尽管未达显著水平，短期的氮添加一定程度增加了表层土壤的总有机碳和全氮质量比.同时，氮添加对18 a 杉木林土壤全氮质量比的影响不显著，可能与18 a 杉木林有更丰富的林下植被有关，生长旺盛的林下植被能迅速利用无机氮，以此减轻氮添加对土壤理化性质的影响.类似的是，Sprent 等[34]也发现，对于具有浓密树冠和生长良好地被层的林地，氮沉降对生态系统的稳定性影响较小.另一方面，土壤磷素通常受土壤母质风化作用的影响，因淋溶作用强烈，亚热带森林土壤普遍缺磷[35].本研究发现，土壤全磷质量比随氮添加浓度的增加有上升的趋势.这可能是因为，氮处理初期，土壤中可利用氮的增加刺激了微生物活性[36]，增加它们对磷元素的需求，提高了磷转化酶（如酸性磷酸酶）的活性[11]，促进有机质中磷的矿化作用，以维持氮、磷的平衡.需要指出的是，许多土壤养分指标对氮沉降的响应可能具有滞后性，需要长期的定位研究，进一步探讨氮沉降对土壤生态的影响机理.

3.3 短期氮添加对土壤碳、氮、磷化学计量比的影响土壤w(碳)∶w(氮)是反映土壤养分状况的重要指标，关系到土壤碳、氮的循环和养分供应.Prescott等[37]认为，土壤净矿化作用的w(碳)∶w(氮)阈值为25，高的w(碳)∶w(氮)有利于微生物对碳、氮的固持，低的w(碳)∶w(氮)则会增强土壤中微生物的活性，加快碳的矿化速度[38].土壤的w(碳):w(磷)则是衡量微生物矿化有机质而释放磷素或土壤固持磷素潜力的重要指标.本实验中，11 a 和18 a 杉木林w(碳)∶w(磷)均值分别为153.58 和107.24，均高于中国土壤w(碳)∶w(磷)的平均值(136)，表明两个林分的土壤都缺磷[39].与18 a 相比，11 a 杉木林土壤w(碳)∶w(磷)更高，说明其土壤磷的有效性更低.本研究中，氮添加对11 a 杉木林地的土壤w(碳)∶w(氮)和w(碳)∶w(磷)的效应总体表现为初期降低后期增加，初期的降低与土壤的有效氮、磷质量比的增加有关，w(碳)∶w(氮)和w(碳)∶w(磷)的初期降低会刺激微生物的活性[40]，促进土壤中碳、氮、磷的矿化速率.对于18 a 林分，不管是生长季还是非生长季，林地土壤的w(碳)∶w(氮)和w(碳)∶w(磷)均随氮添加量的增加而增加，有利于碳、氮、磷的固持.其原因在于，氮添加会抑制土壤酶活性（如锰过氧化物酶和漆酶）并影响凋落物难分解组分的分解[41]，常常会促进碳的累积.

土壤的w(氮)∶w(磷)是土壤是否达到氮饱和的判断性指标，可指示土壤养分的限制状况.本研究中，两个林龄土壤w(氮)∶w(磷)值均远高于中国土壤平均值（5.2）[38]，生态系统主要受到磷的限制.本实验的研究区位于四川盆地西部多雨地带，位于氮沉降较为严重的华西雨屏区[38]，随着大气氮沉降的持续，土壤氮、磷的不平衡可能会继续加重[42]，不利于林木的生长发育.潘宗涛[43]发现，氮添加会提高土壤中w(氮)∶w(磷)，导致土壤氮、磷的失调.本研究中，短期氮添加并没有显著影响两个林龄林地土壤的w(氮)∶w(磷)，土壤w(氮)∶w(磷)表现出一定的稳定性，原因在于氮添加条件下土壤中全氮和全磷的变化趋势相似.郭虎波等[44]的研究也发现，对杉木人工林进行了近8a 的氮添加处理，6 和12 g/（m2·a）的氮添加处理均没有显著影响各土壤层的w(氮)∶w(磷).

4 结论

短期氮添加后，11 a 杉木林地土壤硝态氮质量比显著提高.与铵态氮相比，氮添加对土壤硝态氮的影响更明显.短期氮添加有利于增加两个林龄林地土壤的总有机碳、全氮和全磷质量比，与20～40 cm土壤相比，氮添加对表层土壤（0～20 cm）总有机碳、全氮和全磷质量比的影响更明显.氮添加条件下，11 a 杉木林地土壤w(碳)∶w(氮)和w(碳)∶w(磷)总体表现为初期降低、后期增加，表明氮添加初期可能会促进土壤碳、氮、磷的矿化；18 a 杉木林地土壤的w(碳)∶w(氮)和w(碳)∶w(磷)持续表现为随氮添加量的增加而增加，有利于碳、氮、磷的固持；氮添加并没有显著影响两种林龄林地土壤的w(氮)∶w(磷).总体来看，与18 a 杉木林相比，氮添加对11 a 生杉木林地土壤中速效氮的影响更显著，但对两种林龄杉木林地土壤的碳、氮、磷化学计量比的影响趋势并不一致.