長期氮添加對蘇北楊樹人工林碳儲量的影響

安宇超,顧宇晨,張茜,王國兵

(南京林業大學生物與環境學院,南京 210037)

目前,人工林的地位舉足輕重,在提高世界森林資源質量與提升可持續經營水平中起著關鍵作用[1]。楊樹是我國種植面積最廣的人工林樹種,栽種面積已居世界第一[2],它不僅可以有效緩解木材的供需矛盾,還在增加碳匯方面有著顯著作用[3]。近年來,隨著楊樹人工林的發展,地力逐漸衰退[4],其固碳增匯的潛力尚未得到充分改善與顯著提升。氮素對于森林生態系統的固碳具有重要意義[5],氮添加可以改善土壤中缺少有效氮的問題,調節植物的生長[6],但過高的氮濃度會產生更多的消極影響,導致土壤肥力下降[7]。因此,提高楊樹人工林的土壤肥力及固碳增匯的能力需要因地制宜地施肥。

20世紀70年代以來,德國、美國、澳大利亞等發達國家對森林碳匯進行研究,并取得顯著成果[8-10]。同時,針對森林生態系統的碳儲量問題,我國學者也完成大量的工作[11-12]。當前我國對于森林碳儲量的研究大部分集中在以森林資源清查為主的大范圍森林碳儲量估計上,而研究小范圍、多氮肥梯度處理對楊樹人工林生態系統碳儲量的影響較少。在我國致力于實現“雙碳目標[13]”的背景下,增強與其相關研究進而提升碳儲量具有重大意義。為此,本研究在江蘇省東臺林場內展開,通過長期模擬氮添加對蘇北楊樹人工林碳儲量的影響,探討不同濃度氮添加對楊樹人工林生態系統喬木層、土壤層、林下植被層、凋落物層碳儲量影響的差異。研究結果可為提高蘇北地區楊樹人工林生態系統生產力和碳匯功能,以及人工林經營工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區位于江蘇省鹽城市東臺林場(120°07′—120°53′E,32°33′—32°57′N),屬暖溫帶和亞熱帶的過渡區,年平均氣溫15.4℃,降水量1 083.1 mm,全年日照1 864.4 h。區域內主要林分類型為楊樹(PopulusL.)、杉木(Cunninghamialanceolata)、銀杏(Ginkgobiloba)等。林下植被主要有蛇莓(Duchesneaindica)、野燕麥(Avenafatua)、烏蘞莓(Cayratiajaponica)等。林下土壤為脫鹽草甸土,質地為砂質壤土。

1.2 樣地設置

在東臺林場選擇立地條件和經營管理措施一致的楊樹人工林(黑楊派無性系I-35,PopulusdeltoidesCL′35′),采用隨機區組設計,設置5種不同施氮水平處理,施氮濃度分別為N0〔0 g N/(m2·a)〕、N1〔5 g N/(m2·a)〕、N2〔10 g N/(m2·a)〕、N3〔15 g N/(m2·a)〕、N4〔30 g N/(m2·a)〕每個處理4個重復樣方,共計20個樣方,每個樣方面積為25 m×30 m,每個樣方間保留10 m 寬的緩沖帶。施氮試驗從2012年5月開始,每年將各處理所需NH4NO3總量平均分為6份,每次取1份溶解于20 L水中,依次在5—10月(楊樹生長季)中旬均勻噴灑于試驗樣地中,對照處理噴灑等量的水。截至2022年4月,氮添加處理已連續進行10 a。

1.3 取樣與測定

1.3.1 喬木層碳儲量估測 在2022年4月,對楊樹人工林樣地進行每木胸徑和樹高的調查。根據胸徑、樹高數據,選擇陳樂蓓建立的楊樹單株生物量異速生長方程[14],分別估算單株生物量,再運用碳—生物量轉換系數(0.48)將生物量換算為固碳量,最后根據樣地內林木株數累加得到樣地內喬木層碳儲量,再結合林分密度計算得到不同試驗處理的單位面積碳儲量(碳密度,t/hm2)。其中,楊樹單株生物量的異速生長方程如下:

式中:W為楊樹單株生物量(kg);D為胸徑(cm);H為樹高(m)。

1.3.2 林下植被層及凋落物層碳儲量測定 在每個樣地內設置5個1 m×1 m 的林下植被層小樣方,分別對其進行全株收獲后稱取鮮重,各自混勻后取20%帶回作為樣品將樣品,帶回實驗室后于80℃的恒溫箱中烘干至恒重,根據干重/鮮重計算含水率,推算出單位面積的生物量,再根據碳轉換率計算得出碳儲量。在每個樣地內設置5個1 m×1 m 的小樣方,從中分別收集凋落物,于80℃的恒溫箱中烘干至恒重,估算凋落物單位面積內的生物量,最后根據碳轉換率計算得出碳儲量。灌草層與凋落物層碳轉換率采用0.45[15]。

1.3.3 土壤層碳儲量及理化性質測定 采用五點取樣法,使用直徑為2 cm 的土鉆在每個樣地內按照0—15 cm,15—30 cm,30—45 cm 土層分3層取樣,每層取300 g左右樣品,共計60份土壤樣品(5氮水平×3土層×4重復)帶回實驗室自然風干后研磨過100目土篩。將研磨過篩后的土樣采用元素分析儀(Vario ElementⅢ,Germany)測定其總有機碳(TOC)及全氮(TN)含量。

土壤層有機碳儲量的計算公式如下:

式中:Te為土壤有機碳儲量(t/hm2);Ci為第i層土壤容重(g/cm3);Di為第i層土壤有機碳含量(g/kg);Wi為第i層厚度;p為層數。

分別對不同樣地內不同土層的土壤采用環刀法測定容重;土壤酸堿度(p H)測定采用電位法。土壤銨態氮(NH+4-N)、硝態氮(NO-3-N)采用2 mol/L KCl浸提法;土壤全磷(TP)、速效磷(AP)采用鉬銻抗比色法,通過TU-1810紫外-可見分光光度計進行測定?？扇苄杂袡C碳(DOC)、可溶性有機氮(DON)采用0.5 mol/L K2SO4浸提;微生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提,通過島津TOC-VCPH 分析儀進行測定。土壤基本理化性質見表1。

表1 試驗地土壤理化性質Table 1 The basic physicochemical properties of the soil

1.4 數據處理

利用Excel 2010進行數據處理,采用SPSS 22.0的單因素方差分析(One-Way ANOVA,Duncan)、相關性分析(Pearson檢驗);采用Origin 2019、R 4.2.3軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1 長期氮添加對人工楊樹林喬木層碳儲量的影響

由表2可知,與對照相比,在N1,N2,N3,N4處理下,喬木層碳儲量分別增加了3.35%,12.2%,21.6%,21.1%;N3,N4處理均顯著高于對照(p＜0.05),其中,N3處理最高,喬木層碳儲量為108.15 t/hm2,而N1,N2處理對其影響不顯著(p＞0.05)。根據表2中平均胸徑和平均樹高數據可知,施氮主要促進了樹木胸徑的生長,對樹高沒有顯著的促進作用,因此由施肥導致的林木胸徑的增加是不同處理喬木層碳儲量具有顯著性差異的主要原因。

表2 長期氮添加對楊樹人工林喬木層生物量與碳儲量的影響Table 2 Effects of long-term nitrogen addition on arbor layer biomass and carbon storage of poplar plantation

2.2 長期氮添加對人工楊樹林林下植被層和凋落物層碳儲量的影響

由圖1可知,和對照相比,不同施氮處理均減少了楊樹人工林林下植被層碳儲量,較N0分別降低了7.00%,20.0%,25.0%,26.0%,但差異不顯著(p＞0.05),可能是因為隨著施氮水平的增加在一定程度上增加了林分郁閉度,使林下植被所利用的光能減少,導致林下植被層碳儲量下降。凋落物層與林下植被層相比,碳儲量更大,且變化更為明顯。楊樹人工林在不同施氮處理下,凋落物層碳儲量均顯著增加(p＜0.05),較對照分別增加了15.4%,31.5%,51.0%,49.7%;其中N3處理對凋落物層碳儲量影響最大,而N1處理對其影響最小。

圖1 長期氮添加對林下植被、凋落物碳儲量的影響Fig.1 Effects of long-term nitrogen addition on carbon storage of understory vegetation and litter

2.3 長期氮添加對人工楊樹林土壤層碳儲量的影響

由圖2可知,楊樹人工林內不同氮處理水平上,土壤層有機碳含量具有一定的規律性。N2,N3,N4處理顯著提高了0—15 cm,15—30 cm 土層中有機碳的含量(p＜0.05),其中N4處理對其影響最大,與對照相比分別在0—15 cm,15—30 cm 土層中提高了12.4%,8.18%,而不同施氮處理對30—45 cm 土層中有機碳含量沒有顯著影響(p＞0.05)。

圖2 長期氮添加對土壤有機碳含量垂直分布和碳儲量的影響Fig.2 Effects of long-term nitrogen addition on vertical distribution of soil organic carbon content and carbon storage

在0—15 cm 土層,各施氮處理均顯著提升了土壤碳儲量(p＜0.05),N2處理對其影響最大,在15—30 cm 土層N2,N3,N4處理土壤碳儲量顯著高于對照(p＜0.05),而N1與對照差異不顯著(p＞0.05);在30—45 cm 土層,各處理對土壤碳儲量均無顯著影響(p＞0.05)。在同一施氮處理下,隨著土層深度的增加,土壤有機碳含量和土壤碳儲量均逐漸降低。

2.4 楊樹人工林各層碳儲量與土壤理化因子相關性分析

由圖3可知,喬木層碳儲量與MBN、DON顯著正相關(p＜0.05),但與MBC無相關關系(p＞0.05);喬木層碳儲量與TN、DOC極顯著正相關(p＜0.01),與C/N極顯著負相關(p＜0.01)。喬木層碳儲量與不同土壤理化性質的相關性大小為:TN＞C/N＞DOC＞MBN＞DON＞NO-3-N＞p H＞NH+4-N＞TP＞MBC＞AP。土壤層碳儲量與TN、DOC極顯著正相關(p＜0.01),與p H 顯著負相關(p＜0.05),與MBC、MBN、DON 沒有相關關系(p＞0.05);土壤層碳儲量與C/N 極顯著負相關(p＜0.01)。土壤層碳儲量與不同土壤理化性質的相關性大小為:C/N＞TN＞DOC＞p H＞MBN＞NO-3-N＞DON＞TP＞MBC＞NH+4-N＞AP。

圖3 喬木層(A)、土壤層(B)、凋落物層(C)碳儲量與土壤理化因子的相關性分析Fig.3 Correlation analysis of carbon storage in arbor layer(A)soil layer(B)and litter layer(C)with soil physicochemical properties

凋落物層碳儲量與NO-3-N、DON 顯著正相關(p＜0.05),與p H 顯著負相關(p＜0.05);凋落物層碳儲量與TN、MBN、DOC極顯著正相關(p＜0.01),與C/N 極顯著負相關(p＜0.01)。凋落物層碳儲量與不同土壤理化性質的相關性大小為:DOC＞C/N＞MBN＞TN＞p H＞DON＞NO-3-N＞NH+4-N＞MBC＞AP＞TP。

3 討論

許多學者對不同氮梯度及不同樹種生物量的影響開展了諸多研究,在一定施氮濃度下,樹木的生物量隨著施氮濃度的提高而增加,進而影響其碳儲量的大小。如孟秋實等[16]對東北紅豆杉施加氮肥后發現,其生長在氮濃度為30～90 kg/hm2時最為良好;王偉峰等[17]利用FORECAST 模型對油松人工林進行研究后發現,在30,60,90,120 kg/hm2濃度的氮添加處理下,均在一定程度上提高了油松人工林喬木層的碳儲量。上述研究結論與本研究不同氮梯度對喬木層碳儲量影響結果相似,相關性分析表明喬木層碳儲量與TN 極顯著正相關,充分說明了在施用不超過30 g/(m2·a)的情況下,均會促進喬木層碳儲量的積累;在15 g/(m2·a)處理中,對喬木層碳儲量增長最為明顯,其原因是外源氮能夠提高有效氮在土壤中的含量,同時,會使根系分泌物量增加,提高DOC 的含量[18],有效氮與DOC可以作為微生物生長的能量來源,增加其數量與活性,從而加快土壤活性氮組分的轉換[19],使樹木更易吸收土壤中養分促進喬木層碳儲量的積累。但在超過15 g/(m2·a)后,對其碳儲量的增長效應有所減弱,可能是植物對于氮素的吸收飽和,導致楊樹體內氮、磷等營養元素比例失衡[10],使樹木生長減緩。在本研究中,隨著施氮水平的升高,凋落物量隨之顯著提高,這與郭潔蕓等[20]在對172篇國內氮添加試驗進行分析后得出,氮添加會顯著增加森林生態系統中凋落物總量的結論一致,其原因是氮添加會使楊樹葉片中的氮含量提高,從而利用其合成更多的光合酶[21],提高楊樹的光合速率及森林生產力,由此增加了凋落物總量。

森林生態系統土壤碳庫的輸入以凋落物為主要形式[22]。前人研究發現[23-24],在同一施氮水平中,各層土壤有機碳含量隨土層深度的增加而減少,本研究結論與其相同;這是由于表層土壤有著大量的凋落物,其分解后可作為重要的土壤有機碳來源物質[25],隨著土層加深,凋落物對土壤有機質含量的影響逐漸減弱。王建楠[26]對水杉施加0.8,2.4,4.0,4.8 mol/m2的氮肥后發現,氮添加顯著提高了水杉林土壤有機碳的含量;Hyv?nen等[27]發現,增施氮肥后可以促進歐洲松樹林與云杉林的土壤碳儲量,每克氮素可土壤碳庫增加11 g碳;除此之外,還有很多學者研究得出土壤有機質的變化規律與本文一致[28-29]。

本研究發現,土壤碳儲量與TN 呈顯著正相關,與C/N、p H 呈顯著負相關,在10 g/(m2·a)處理下,土壤碳儲量增長最為顯著;可能是因為施加氮肥會降低土壤中C/N,使土壤有機碳礦化速率加快[30],促進微生物的生存活性,從而對土壤碳庫的積累產生積極影響;土壤p H 隨施氮量的增加而降低,當p H 過低時,會導致鋁元素活化,對森林生態系統中的植物造成毒害[31];本研究中土壤偏堿性,施氮后使p H 趨向于中性,而土壤磷酸酶在中性條件下活性最高,更好地促進了有機磷向無機磷的轉化,進而緩解土壤磷限制[32],加快了土壤有機碳的礦化和積累。

4 結論

綜上,氮添加會顯著增加楊樹人工林生態系統中喬木層、土壤層及凋落物層碳儲量,減少林下植被層碳儲量;喬木層作為楊樹人工林生態系統中最主要的碳庫,在15 g/(m2·a)處理下,其碳儲量增長速度最快,從而使得楊樹人工林生態系統總碳儲量顯著升高。因此,通過科學合理的施肥可促進楊樹人工林生態系統碳儲量快速且穩定增加,有利于我國早日實現“碳達峰、碳中和”。本研究結果可為蘇北地區楊樹人工林科學經營提供參考,同時豐富楊樹人工林碳儲量研究。