模拟大气氮沉降对柳杉人工土壤有机碳的影响

1、    模拟大气氮沉降对柳杉人工土壤有机碳的影响    梁政 周琳 王鹏摘要：指出了氮沉降引发的陆地生态系统退化和水体富营养化等生态系统“氮饱和”问题，促使一些科学家开始对氮沉降所引起生态系统退化问题开展研究。在华西雨屏区中心地带，以人工柳杉林为研究对象，研究参照nttrex项目和北美harvord forest研究设计，用nh4 n03进行n沉降处理，共设4个水平：ck（0 kg/hm-2·年）、低n（50 kg/hm-2·年）、中n（100 kg/hm-2·年）和高n（150 kg/hm-2·年）。每月以溶液方

2、式对林地进行喷施，研究了020 cm土壤在施用不同氮含量的样方中土壤有机碳含量的变化。通过1年的研究发现：土壤有机碳的含量随着氮累积量的增加程先上升后下降的趋势，并且除了2016年4月份那次之外，向土壤中施加nl0比no，n5和n15增加的有机碳要明显多得多（p<0.01）。实验中还发现010cm的土层有机碳含量与1020cm的土层有机碳含量相比差异显著得多（p<0.01）。关键词：氮沉降;柳杉人工林;土壤;有机碳：s791：a：1674-9944（2018）03-064-031 引言近几十年来，全球气候变化及其对生态系统的影响受到人们的高度重视，其中因氮沉降引起生态系统的结构与功

3、能的改变越来越受到科学家的关注1-3。中国继欧美之后，成为世界第三大氮沉降地区，且氮沉降的速度仍然在逐年上升。目前，氮沉降的增加已造成了河口、海口和江湖等水域氮富集和陆地生态系统氮超负荷，并引起和将引起一系列严重的生态问题。如土壤酸化进程加快，影响树木生长以及生态系统的功能和生物多样性，甚至严重威胁生态系统的结构与功能，使森林衰退。森林作为陆地生态系统的主体，在全球碳循环中扮演着汇（sink）、库（pool）、源（source）的角色，具有不可替代的地位和作用8-9。尽管全球森林总面积仅占陆地面积的30%，但森林植被的碳库约占植被碳库总量的86%10，而且森林植被的碳固定能力和碳密度也远高于草

4、地和农田7。然而，由于土壤碳库是陆地生態系统植物碳库的3倍，土壤碳库对氮沉降的响应将显著影响全球碳循环。柳杉（cryptomeria fortune）常绿乔木，为我国特有种，是南方重要用材速生树种之一，具有很高的经济价值。而有关柳杉人工林土壤有机碳对模拟氮沉降的响应的研究还少见报道11-13。本文以柳杉人工林为研究对象，参照nttrex项4，5和北美harvord forest6-7研究设计，通过研究模拟大气氮沉降对柳杉人t林土壤有机碳的影响，以期为预测该地区在大气氮沉降持续增加的情况下森林土壤的碳动态提供参考。2 材料与方法2.1 研究区概况研究地点位于四川省西南部雅安市雨城区石虾子林场，距

5、县城27km。地理位置介于103°04'103°07'e、30°11'30°13'n之间，行政隶属于雅安市雨城区上里镇白马村。研究区域属四川盆地西部边缘，地形呈南北狭长，地势呈西北高、东南低，高低起伏悬殊，海拔9771216m;气候属中亚热带湿润气候，该区处于“华西雨屏”的中心地带，是四川省多雨中心区之一，年平均气温14.117.9，年降雨726.11774.3mm，10积温5231，年均无霜期298d;年均日照时数1019.9h，全年太阳辐射总量为3640.13mj/cm;该区云雾多，日照时数少，雨量充沛，空气相对湿度大

6、。土壤为中壤质和重壤质酸性、微酸性紫色土和黄壤。研究区人工林主要是柳杉纯林，平均年龄25年，下木及草本主要有八角金盘（fatsia japonica）、山杜英（elaeocarpussylvestris）等。研究区柳杉人工林总面积280hm2，属于长江造林局蜀西分公司集体。2.2 样地的设置2012年1月在同一人工柳杉林中采用典型选样的方法，设立立地条件基本一致的12个2m×2m的小样方，样方之间设大于2m的缓冲带。分别将12个小样方编号后进行不同梯度氮沉降处理。2.3 氮沉降处理施氮水平参照国内外野外施氮梯度和本区域氮沉降现状，用nh4n03进行n沉降处理，共设4个水平：ck（ok

7、g/hm2·年）、低n（50kg/hm2·年）、中n（100kg/hm2·年）和高n（150 kg/hm2·年）。各小样方每月每次氮沉降需要的nh4n03质量分别是54g、110g和160g。将12个小样方随机分为4个区域进行4个不同水平氮沉降处理，每个水平3个重复。具体做法是将各水平所需nh4n03溶解至1l水中，于2015年1月开始，每月中旬用喷壶人工来回均匀的喷施于各样方中，对照样方则喷洒同样量的水。保证各个样方区域内除施n处理外，各样地的其他处理均保持一致（样方上铺设纱窗，每月定期清除一次纱窗上新近凋落物，以保证凋落物质量不变）。2.4 样品的采

8、集在施氮半年后，每季度采一次土样，2015年8月开始第一次野外采样。在同一处理的每个小样方内，去除表面土层后，分别用土钻采集土样，每个采样点按i层（010cm）、层（1020cm）分层采样。并将每一处理组内相同层次的新鲜土样混合均匀，无菌袋收集，装袋风干后用作干土测定。2.5 指标测定土壤有机碳：重铬酸钾外加热氧化法1。数据处理：数据采用excel 2007和spss17.o处理。3 结果与分析3.1 氮沉降对不同土层有机碳含量的影响由图1可以知道，各处理中，010cm的土层有机碳含量高于1020cm的有机碳含量。由于森林地被层凋落物分解所形成的有机物首先进入土壤表层，从而使表层土壤（010c

9、m）的有机碳含量高于深层土壤12。这也可能是由于表层凋落物的分解和大量根系主要影响010cm土层。虽然氮肥基本施在了表层（010cm），但由于凋落物和植物根系穿插作用的影响，使1020cm土层有机碳含量也不会急剧减少13。方差分析表明，同月同处理中，除了n5之外，010土壤有机碳含量明显高于1020cm的有机碳含量（p<0.01）。3.2 各层土壤有机碳含量受不同氮沉降水平的影响其中nl0水平影响的程度最大，no水平影响的程度最低。本试验结果表明，同层土壤中有机碳含量因不同氮沉降水平而异（图1），除了2016年4月那次之外，不同氮沉降水平土壤有机碳含量从高到低的顺序为：n10>n1

10、5>n5>no，增加氮水平（即n5、nl0和n15）的土壤与未增加氮水平（即no）的土壤相比有机碳含量增加显著（p<0.01）。010层土壤有机碳含量n5、nl0和n15水平与no之间差异显著（p<0.01）;1020cm土壤有机碳含量nl0、n15水平与no之间差异显著（p<0.01）14。3.3 同氮沉降水平同层土壤有机碳含量随着时间的变化先增加后减少土壤有机碳含量从高到低的顺序为2016年4月>2016年7月> 2016年1月>2015年10月>2015年8月（圖1），并且2016年4月的有机碳含量与2016年1月和201 6年7月土

11、壤有机碳含量相比明显要高，其差异非常显著（p<0.05）。4 讨论研究结果表明，在柳杉人工林中模拟氮沉降的水平土壤中的有机碳程先增加后减少的趋势，不同氮沉降水平同层次土壤有机碳含量从高到低的顺序为nl0>n15>n5>no。不同层次有机碳含量以010cm的土壤层含量最高。本研究中各处理土壤总有机碳含量表现为表层最高，随土层深度增加而降低的分布趋势，其原因袁颖红15等人认为可能是由于表层凋落物的分解和大量根系主要影响010cm16-18.至于氮水平的增加导致的土壤有机碳含量的增加，glatzelg19的研究指出，氮沉降的输入有利于表层掉落物的分解，而分解成的有机物有利用合

12、成腐殖质20，腐殖质是作为土壤有机碳最重要的储存形式21，22，氮沉降的增加也就间接的导致土壤有机碳含量的增加。richard et al23和townsend et al24的研究也指出，在北半球温带地区，氮素施肥估计每年增加0.30.5pgc储存贮存。至于氮含量的持续增加导致的土壤有机碳含量的降低，樊后保等人认为，大气氮输入的增加，导致了土壤酸化25-27，启动了土壤腐殖质的分解28，这在很大程度上减少了土壤有机碳的含量，特别是在土壤氮饱和的情况下，土壤有机碳含量的下降显得十分明显。从袁颖红和樊后保等人相似的研究方法却得出不同的结论可以看出，氮水平的增加对土壤有机碳的影响不能一概而论，不同

13、区域、不同森林以及时间长短等都会对土壤有机碳含量产生不同的影响。因此，为充分了解大气氮沉降对华西雨屏区人工柳杉林土壤有机碳含量的影响，对森林土壤生态系统发展和功能产生的长期后果，还需要作长期、系统的研究，深入探讨大气氮沉降对土壤有机碳的响应机制，从而为理解改变土壤有机碳含量的影响提供基础数据。由于本研究只有1年的实验数据，得出的结论有一定的局限性，今后仍然需要对大气氮沉降对人工柳杉林的影响做进一步的研究，并对土壤有机碳含量进行长期定位监测，为准确预测未来森林生态系统土壤碳库的动态变化提供参考。参考文献：1刘菊秀.酸沉降对森林生态系统影响的研究现状及展望j.生态 学杂志，2011（ 11）.2任

14、 仁.酸雨j.化学教育，1996（7）：15.3陈 复，柴发合，我国酸沉降控制策略j.环境科学研究，1997（1）.4 likens ge. some aspects of air pollution on terrestrial ecosys-tems and prospects for the futurej. ambio， 1989 （18）： 172178.5郭永林.我国的酸雨问题和防治j.山西财经大学学报（研究专 刊），2002（24）：106.6丁国安，徐晓斌，王淑凤，等，中国气象局酸雨网基本资料数据 集及初步分析j.应用气象报，2004， 15（增刊）：8594.7潭燕宏.中国酸

15、沉降现状j.辽宁师专学报，2004，6 （1）：95 98.8王美秀.酸雨问题概述j.内蒙古教育学院学报（自然科学版）， 1999， 12（2）： 2527.9 bridget a. emmett，bernard j. cosby， robert c.ferrier， alan jenkins. et al. the ecosystem effects of nitrogen deposition： simulation of nitrogen saturation in a sitka spruce forest， aber，wales， ukj. biogeochemistry， 1997

16、（38）： 129-148.10李德军，莫江明，方运霆，等.氮沉降对森林植物的影响j.生态学报，2003， 23（9）：1891-1900.11lovett gm，l indberg s e.atmospheric deposition and canopy interactions of nitrogen in forestsj. canadian journal of fore t research，1993（ 23）：16031616.12 vitousek pm， aber j d， howarth r w， et al. human alternation of the global

17、 nitrogen cycle：sources and consequencesj. ecologica-applications， 1997， 7（3）： 737750.13sinsabaugh rl， antibus rk， linkins ae， et al. wood decom position： nitrogen and phosphorus dynamics in relation to extra cellular enzyme activityj. ecology， 1993（74）： 15861595.14 calanni j，berg e， wood m， et al.

18、atmospheric nitrogen depo sition at a conifer forest： response of free amino acids in en gelmann spruce needlesj. environmental pollution， 1999 （105）： 7989.15makarov mi，kiseleva vv. acidification and nutrient imbalance in forest soils subjected to nitrogen depositionj. water air and soil pollution，

19、1995（85）： 11371142.16sedjo r a. the carbon cycle and global forest ecosystemj.water， air，&soil pollution， 1993， 70（14） ： 295307.17christopher s. terrestrial hiomass and effect of deforestation on the globe carbon cyclej. bioscience， 1999， 49（10） ： 769778.18malhi y， grace j. tropical forests and

20、atmospheric carbon di-oridej. trends in ecology & evolution， 2000， 15（18）： 332 337.19vitousek p m， aber j d， howarth r w， et al. human altera-tion of the globel nitrogen cycle： sources and consequencesj.ecological applications， 1997， 7 （3） ： 737750.20galloway j n， cowling e b. reactive nitrogen and the world：200 years of changej. ambio， 2002， 31（2）：6471.21galloway j n， aber j d，erisman j w， et al. the nitrogen cas-cadej. bioscience， 2003， 53（4）： 341356.22fenn m a， aber j d， et al. nitrogen excess in north amer