氮添加對沂蒙山區麻櫟和黑松林土壤碳固存的影響

楊 柳 李利萍 張義群 丁 彬 劉 琳 田會梅

（1.山東省林業保護和發展服務中心，山東 濟南 250014；2.山東省林草種質資源中心（山東省藥鄉林場），山東 泰安 271043；3.黃河下游森林培育國家林業和草原局重點實驗室/山東泰山森林生態系統國家定位觀測研究站，山東泰安 271018）

隨著工業革命和經濟的持續發展，由于化石燃料的燃燒和農業中化肥的使用，大氣中的氮排放量急劇增加。中國現在正在成為世界三大氮沉降區之一，并且預計氮沉降量將繼續增加。我國年平均氮沉降量為12.9 kg hm-2yr-1，而山東省的氮沉降量為23.6 kg hm-2yr-1，遠高于我國平均氮沉降量（陳紅等，2019）。并且沂蒙山區是受到氮限制比較強烈的地區，其生態系統對氮的增加特別敏感。

氮沉降通過增加土壤氮素有效性，從而影響有機質的分解。這對生態系統的土壤碳循環和碳固存具有重要意義。研究表明，氮沉降可顯著減少土壤微生物的生物量和豐度，減緩土壤呼吸，降低土壤酶活性，從而增加土壤對碳的吸收（汲常萍等，2014）。

土壤碳匯對氮沉降的響應主要受土壤微生物調控。氮沉降會通過改變土壤理化生物性質（如氮的有效性、土壤酸化、堿基陽離子組成等）直接影響土壤微生物多樣性，還可以通過陸地植被的生理和生態反應間接影響土壤微生物（樊后保等，2008）。研究表明，土壤微生物通過多種胞外酶，參與元素的生物化學循環，影響土壤碳的周轉（周正虎等，2016）。研究表明，在森林生態系統中，氮沉降能夠明顯提高β-1，4-N-acetyl-glucosaminidase（βG）的活力。這會加速土壤碳的周轉，并影響土壤碳固存（魯顯楷等，2019）。因此本研究通過探究土壤碳匯對模擬氮沉降的響應，以期為預測未來碳匯變化提供理論依據。

1.材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地于沂蒙山區國有大洼林場（35°32′46″N，117°54′47″E）。當地屬暖溫帶季風氣候，年均氣溫13.2 ℃，年均降雨量750 mm，無霜期約196天。母巖多為花崗片麻巖和石灰巖，土壤以棕壤土和褐土為主，pH 5.0~7.0。當地主要為麻櫟林（ Quercus acutissima Carruth.）和黑松林（ Pinus thunbergii Parl.）。林下灌木主要有荊條（Vitex negundo），草本覆蓋主要有京芒草（Achnatherum pekinense）和沿階草（Ophiopogon bodinieri）等。樣地概況如下（表1）。

表1 麻櫟和黑松樣地概況

1.2 試驗設計

于2020年10月21日在大洼林場選擇坡向、坡度相似且相對平坦、林分密度相對均勻的兩種具有代表性的麻櫟林和黑松林作為研究對象。根據當地大氣氮沉降背景值利用倍增法進行模擬氮沉降。共設置4個氮添加處理，分別為：對照（0 kg N hm-2yr-1，CK），低氮添加（50 kg N hm-2yr-1，LN），中氮添加（100 kg N hm-2yr-1，MN），高氮添加（200 kg N hm-2yr-1，HN），每種處理均設置3個重復，每個林分共12個樣方。為減少樣方之間因為氮添加梯度而產生的相互干擾，樣方至少間隔10m。模擬氮沉降于2020年10月28日開始，每隔兩個月一次。模擬氮沉降時將NH4NO3溶于水后采用背式噴霧器均勻噴灑對應的處理樣方（各樣方施氮面積9 m2）。為避免額外降水導致的差異，對對照（CK）樣方噴灑同樣體積的水。除施氮水平不同外，其他措施保持一致。

1.3 土壤取樣及實驗室分析

在2021年1月1日、3月4日、4月16日、7月6日、9月8日、10月28日，在各樣方中利用五點取樣法，采集0~20cm土壤樣品。同時，在樣方內挖土壤剖面并以環刀取0-20cm土層的原狀土。土壤樣品帶回實驗室后，剔除石塊及動植物殘體，將土樣分成兩部分，一份放入冰盒帶回實驗室過2mm篩，放入低溫冰箱冷藏保存并在一星期內測完土壤酶活性。另一份自然風干，過100目篩，用于測定元素含量。原狀土帶回實驗室后于105℃烘干至恒重利用環刀法測定土壤容重。土壤碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定。土壤β-1，4-N-acetyl-glucosaminidase（βG）酶活性采用酶標儀測定。

1.4 數據處理

土壤有機碳密度（kg/m2）利用公式（1）計算：

使用SPSS 22.0、Office 2019、和Canoco 5.0進行數據分析，使用Origin 2018和R語言作圖。

2.結果與分析

2.1 氮沉降對土壤有機碳含量的影響

麻櫟的CK、LN、MN和HN土壤有機碳分別平均為3.24±0.49%、3.05±0.47%、3.32±0.49%和3.53±0.48%（圖1）。黑松的CK、LN、MN和HN土壤有機碳含量平均3.62±0.53%、3.75±0.46%、3.79±0.43%和3.86±0.39%。隨著不同濃度的氮的添加，麻櫟林分中，中氮和高氮處理的平均有機碳含量有輕微的增加，在黑松林分施氮處理的有機碳的平均含量都高于對照。

圖1 麻櫟（A）和黑松（B）土壤有機碳變化

2.2 氮沉降對土壤βG酶活性的影響

麻櫟土壤βG酶活性表現出明顯的季節性變化（表2），在7月份的達到峰值，麻櫟低氮處理除了在9月份的時候對酶活性沒有顯著影響，在其余月份都顯著高于對照處理，麻櫟中氮處理在1月和10月酶活性顯著高于對照處，麻櫟高氮處理除了在3月和9月對酶活性無顯著影響，在剩下的采樣月份中都顯著高于對照處理，各 處理平均酶活性大小排序為LN（10.82 nmol·g-1·h-1）>HN（7.58 nmol·g-1·h-1）>MN（6.32 nmol·g-1·h-1）>CK（4.00 nmol·g-1·h-1）。黑松βG酶活性在4月份的達到峰值21.45 nmol·g-1·h-1。黑松低氮和中氮處理除了3月和4月，在其余月份都顯著高于對照處。黑松高氮處理除了在3月對酶活性無顯著影響，在剩下的采樣月份中都顯著高于對照處理。各處理平均酶活性大小排序為HN（18.08 nmol·g-1·h-1）>LN（14.64 nmol·g-1·h-1）>MN（13.40 nmol·g-1·h-1）>CK（10.45 nmol·g-1·h-1）。

表 2 麻櫟（A）和黑松（B）土壤βG酶活性變化

2.3 氮沉降對麻櫟和黑松土壤碳密度的影響

在模擬氮沉降一年后，各處理土壤有機碳密度差異不顯著。氮沉降均會促進麻櫟林土壤有機碳分解，降低土壤有機碳密度。具體表現為 MN（0.7823gm-2）

圖3 麻櫟（A）和黑松（B）土壤有機碳密度

3.討論

在森林生態系統中，土壤有機碳主要來自于凋落物分解。而土壤有機碳的主要損失途徑為微生物利用有機碳過程中呼吸作用釋放的CO2（徐小鋒等，2007）。因此本研究中氮添加對土壤有機碳密度的影響，主要是通過影響凋落物分解和酶活性實現的。研究表明，凋落葉基質組分和環境條件是調節分解的關鍵因素，而氮添加通過直接調節微生物活動，改變土壤理化特征，進而導致凋落物的分解和土壤碳循環（邱爾發等， 2005）。在本研究中，模擬氮沉降處理土壤有機碳含量均高于對照處理，說明氮沉降會促進凋落物分解，增加土壤有機碳庫的來源（楊玉盛等，2004）。在本研究中，氮沉降一年后會促進麻櫟林土壤有機碳分解，導致土壤有機碳密度降低。而氮沉降則會促進黑松林土壤有機碳固存。這可能是由于麻櫟的闊葉屬于優質碳源，隨著優質碳源的輸入可能會引起土壤激發效應，導致土壤有機碳以CO2的形式損失，從而降低了麻櫟土壤有機碳密度（王棣等，2015）。而黑松由于凋落物木質素含量較高，難以分解并以有機碳的形式固存在土壤中（馬志良等，2015）。

4.結論

氮沉降會促進凋落物分解從而增加土壤有機碳庫的來源。但根據凋落物本身性質的差異，氮沉降并不一定會提高有機碳密度，促進土壤碳固存。在本研究中表現為，氮沉降會導致麻櫟土壤有機碳密度降低，同時會提高黑松林的土壤有機碳密度。