文 汲 ，閆文德 ,2,3，劉益君 ,2，梁小翠 ,2，高 超 ,2

（1.中南林業(yè)科技大學 生命科學與技術學院，湖南 長沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應用技術國家工程實驗室，湖南 長沙410004；3.城市森林生態(tài)湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410004）

施氮對亞熱帶樟樹人工林土壤氮礦化的影響

文 汲1，閆文德1,2,3，劉益君1,2，梁小翠1,2，高 超1,2

（1.中南林業(yè)科技大學 生命科學與技術學院，湖南 長沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應用技術國家工程實驗室，湖南 長沙410004；3.城市森林生態(tài)湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410004）

20世紀以后，全球工業(yè)、農業(yè)飛速發(fā)展，從而導致大量活性氮輸入至森林生態(tài)系統(tǒng)，作為生物地球化學循環(huán)的重要部分，森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮元素的轉換過程及其對外源性氮輸入的響應機制越來越被重視。以亞熱帶樟樹Cinnamomum camphora人工林為研究對象，在施加氮肥（低氮5 g·m-2、中氮15 g·m-2、高氮30 g·m-2）的基礎上，用樹脂芯法對其不同季節(jié)土壤氮礦化特征的影響進行了研究。結果表明：經過施氮肥處理后，在1、4、7月份樟樹人工林的土壤氮礦化量均表現為隨施肥量的增加而遞增，但10月份的高氮濃度處理樟樹人工林土壤氮礦化量呈現下降趨勢，但高于對照處理，說明施氮肥處理可以增加樟樹林土壤氮礦化速率；施肥處理可以顯著增加樟樹林土壤銨態(tài)氮含量及氨化速率，但是對土壤硝態(tài)氮量和硝化速率影響不顯著。

樟樹人工林；施氮；土壤氮礦化；亞熱帶

氮元素是自然界中最重要元素之一，是植物生長過程中必需的大量元素[1]，也是植物體從土壤體中吸收最多的礦質元素[2]。氮元素同時對各森林生態(tài)系統(tǒng)中所有綠色植物生長以及森林生產力起到非常關鍵的作用，是重要的限制因子[3]。植物的氮素主要來源于土壤有機氮的礦化[4]，植物直接吸收利用的氮素形式是無機形態(tài)的氮，這部分氮素主要以銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和少量的亞硝態(tài)氮形式而存在[5]。

自20世紀70年代以來，全球生態(tài)環(huán)境等方面包括生物多樣性的損失越來越嚴重，N飽和及N沉降在內的嚴重的大氣污染問題、人工林地力衰退的加重等在內的一系列生態(tài)問題出現，嚴重影響到人類的生存與發(fā)展后，人類才意識到土壤氮素轉換在森林生態(tài)系統(tǒng)研究中的重要性，這些方面的研究愈加得到重視[6]，對森林生態(tài)系統(tǒng)內土壤中不同形態(tài)的氮素（銨態(tài)氮及硝態(tài)氮等）的動態(tài)、氮素轉化速率、影響氮素礦化的因素等內容展開大量研究工作，對于更好地了解森林生態(tài)系統(tǒng)的生產力、養(yǎng)分循環(huán)、N素的轉化及循環(huán)具有極其重要的現實意義[7]。

近幾年，對土壤銨態(tài)氮及硝態(tài)氮的狀況以及微生物因子在土壤氮礦化中發(fā)揮的作用等研究均受到國內外的眾多學者高度重視，并且在不同方面展開了大量研究工作，如森林生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素礦化速率及影響因子[8]、不同因素對土壤氮素礦化過程的影響[9]、植物對土壤氮礦化的影響[10]、水熱因素對土壤氮素礦化的影響[11]等。我國學者在不同的地區(qū)也開展了一些研究，如熱帶森林[7-12]、溫帶草原[13]、農田地區(qū)土壤[14]、海拔高度[15]等方面。然而國內外目前針對亞熱帶地區(qū)的森林群落土壤氮礦化量及速率對施肥響應的研究尚有不足，且樟樹人工林是湖南省長沙市常見的城市森林群落之一。因此，在此前提之下，本研究將樟樹人工林作為研究對象，并分析施氮肥處理對樟樹人工林土壤氮礦化過程的影響，深入了解森林生態(tài)系統(tǒng)的生產力、氮素轉化及循環(huán)之間的關系。

1 樣地概況及研究方法

1.1 試驗樣地概況

選取位于湖南省長沙市湖南省森林植物園（113°02′～ 113°03′E，28°06′～ 28°07′N） 內 的23年生樟樹人工林作為試驗樣地。該地年均溫度18.7 ℃，1月份為最冷月，極端低溫-11.3 ℃，平均氣溫4.7 ℃，7月份為最熱月，極端高溫40.6 ℃，平均氣溫29.4 ℃；年均日照時數達1 677.1 h，年均無霜期275 d；年均降水量1 313.1 mm，年均相對濕度為81.8%，屬于典型的亞熱帶濕潤季風氣候。研究地坡度12°～20°，海拔為50～100 m，屬于典型的紅壤丘陵區(qū)，地層主要是第四紀更新世的沖積性砂礫和網紋紅土。

樟樹人工林的基本情況見表1和表2。樟樹群落以樟樹為主，林下植被有山礬Symplocoscaudata、毛泡桐Paulowwnia tomaentosa、淡竹葉Lophantherum gracile、 白 櫟Quercus fabri、柘樹Cudrania tricuspidata、糙葉樹Aphananthe aspera、 苦 櫧Castanopsis sclerophylla、 梔 子Gardenia jasminoides，草本植物有酢漿草Oxalis comiculata、商陸Phytolacca acinosa等。

表1 樣地基本情況Table 1 Base situation of C. camphora plantation plot

表2 樟樹林土壤理化性質Table 2 Soil physico-chemical properties of C. camphora plantation

1.2 試驗設計

2010年7月，在長沙市湖南省森林植物園的樟樹林內，設立10小塊面積為25 m×25 m的固定樣地。采用高濃度的NH4NO3氮肥，將其稀釋一定倍數，分為低氮 5 g·m-2（LN）、中氮 15 g·m-2（MN）、高氮30 g·m-2（HN）3種處理，且各處理分別設置3個重復及一個施同等量水的對照樣地（CK）。

1.3 試驗方法

本試驗對土壤中無機氮以及氮礦化速率的測定采用PVC樹脂芯原位法，試驗裝置見圖1。樹脂芯原位法的試驗裝置主要由以下幾個主要部分構成：(1)PVC管：規(guī)格為高150 mm，內徑40 mm；（2）陰離子樹脂帶：內含5 g上海匯脂樹脂廠生產717#氯型強堿性樹脂；（3）中間打圓孔管塞：規(guī)格為直徑40 mm，厚5 mm；（4）濾紙：規(guī)格為直徑40 mm。

本試驗選取采樣點時要求采樣點能代表樣地特征且地勢平坦，取樣前還需清理地表凋落物和土壤表層腐殖質。之后選取臨近的兩個采樣點，將兩根PVC管豎直打入土壤，隨后取其中一根PVC管內土樣，測定其土壤的含水率、pH值、C/N、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量，并將得到的值作為初始值。將另一根PVC管內土樣取出，挖除底部20 mm土壤后，依次將濾紙、樹脂袋、濾紙、管塞放入管底部，最后將PVC管及其中土樣歸置原位培養(yǎng)30 d。培養(yǎng)時間結束后，取出PVC管內土壤并測定銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量及陰離子樹脂所吸附的硝態(tài)氮含量。

圖 1 樹脂芯方法的實驗裝置Fig.1 Experimental facilities of resin-core technique

1.3.1 取樣方法

在為期一年的試驗周期內，按季度取樣，共取樣4次，分別在2010年7月、2010年10月、2011年1月、2011年4月各取樣1次。每次取樣的個數為：根據各濃度梯度不同，每個濃度梯度取樣2個。

1.3.2 樣品處理及分析

取得的土壤樣品均放在冰箱里，在0℃以下進行保存，對土壤銨態(tài)氮含量及硝態(tài)氮含量進行測定。銨態(tài)氮，KCl溶液浸提+蒸餾法；硝態(tài)氮，多波長紫外分光光度法；土壤含水率，105℃烘干法。測定無機氮后，剩余樣品經過常溫風干、去雜、研磨，過篩測定其pH值，利用全自動凱氏定氮儀測定土壤全氮，利用重鉻酸鉀水熱法測定土壤全碳。用2 mol·L-1KCl溶液浸提陰離子樹脂袋所吸附的硝態(tài)氮，利用多波長紫外分光光度法測定浸提液。

1.4 數據處理與分析

式中：MN為土壤凈氮礦化量；BN為培養(yǎng)后無機氮（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮）量；AN為培養(yǎng)前無機氮（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮）量；CN為淋溶硝態(tài)氮量；RN為土壤凈氮礦化速率；A銨、硝為培養(yǎng)前銨態(tài)氮、硝態(tài)氮量；B銨、硝為培養(yǎng)后銨態(tài)氮、硝態(tài)氮量；R銨為土壤凈氨化速率；R硝為土壤凈硝化速率；t為培養(yǎng)時間。

采用EXCEL 2013進行圖表的繪制，采用SPSS 19.0對實驗數據進行統(tǒng)計分析處理。

2 結果與分析

2.1 對銨態(tài)氮的影響

在LN、MN、HN 3種水平的施N處理后，對樟樹人工林土壤中銨態(tài)氮含量測定的結果（見表3）表明，除4月份低氮處理外，不同季節(jié)樟樹林各濃度施氮肥處理與對照處理的土壤銨態(tài)氮的含量均表現出顯著差異（P＜0.05），結果表明施氮處理顯著降低了樟樹林中土壤銨態(tài)氮的含量。樟樹林中，4月份 3種濃度施肥處理間土壤銨態(tài)氮的含量差異達顯著水平（P＜0.05），表現為：高氮＜中氮＜低氮。而1月份、7月份及10月份，低氮處理與中氮處理間均未表現出顯著差異（P＞0.05），但是低氮處理與高氮處理間差異均達顯著水平（P＜0.05），且高氮（HN）處理下樟樹人工林土壤銨態(tài)氮的含量顯著高于低氮及中氮（P＜0.05）。由此可以看出，施肥處理對樟樹林土壤銨態(tài)氮的含量表現出顯著抑制作用，但銨態(tài)氮含量隨著施肥量的增加而上升。

表3 不同施肥處理下樟樹人工林土壤銨態(tài)氮含量?Table 3 Contents of soil ammonium nitrogen of C. camphora plantation with different fertilization treatments

2.2 對硝態(tài)氮的影響

從表4中可以看出，1月份、7月份及10月份，在樟樹林各施氮肥處理下，土壤硝態(tài)氮含量顯著大于對照處理，表現出顯著差異（P＜0.05）；4月份，低氮、中氮處理和對照處理間未表現出顯著差異，但高氮處理下土壤與對照處理土壤相比，硝態(tài)氮含量差異較顯著（P＜0.05），具體表現為高氮處理下土壤硝態(tài)氮含量大于對照處理土壤。低氮、中氮、高氮與對照處理間對土壤硝態(tài)氮含量的季節(jié)波動變化未表現出顯著影響，表現為：1月份＞10月份＞4月份＞7月份。通過對低氮、中氮及高氮之間土壤硝態(tài)氮含量的分析可以看出，低氮、中氮處理與高氮處理間土壤硝態(tài)氮含量差異較顯著（P＜0.05），而低氮處理與中氮處理之間土壤硝態(tài)氮含量差異性不顯著（P＞0.05）。

表4 不同施肥處理樟樹林土壤硝態(tài)氮含量Table 4 Contents of soil nitrate nitrogen of C. camphora plantation with different fertilization treatments

2.3 對有效氮的影響

從表5可以看出，不同處理樟樹林土壤有效氮含量呈現不同的季節(jié)變化，表現為4月份最低，10月份最高。與對照相比， 1月及10月份3種施氮處理均對土壤有效氮的含量表現為顯著抑制作用（P＜0.05），但土壤有效氮量隨著施氮濃度的增加而增加；4月份，低氮處理下土壤有效氮含量較對照處理略有增加，但增加量未達到顯著水平（P＞0.05），當施肥量增加后，土壤有效氮含量顯著降低；7月份，低氮處理降低了土壤有效氮的含量，中氮與高氮處理均增加了土壤有效氮含量，但僅在高氮處理下土壤中有效氮含量與對照處理相比差異較顯著（P＜0.05）。不同濃度處理下，土壤有效氮含量隨著施氮濃度的增加而增加，表現為低氮＜中氮＜高氮。

表5 不同施肥處理樟樹林土壤有效氮含量Table 5 Contents of soil available nitrogen of C.camphora plantation with different fertilization treatments

2.4 對硝化及氨化速率的影響

從圖2可以看出，樟樹林土壤硝化速率呈現明顯的季節(jié)變化。4月份及10月份較高，1月份及7月份較低，且整個培養(yǎng)期內，土壤硝化速率均為正值。通過對土壤施氮處理濃度的變化，并不能使土壤硝化速率發(fā)生顯著改變，表明土壤硝化速率并未受到施氮處理的影響。

從圖3可得，樟樹林土壤氨化速率呈現明顯的季節(jié)性變化，具體表現為10月份土壤氨化速率最高，1月份土壤氨化速率最低；樟樹林中，增加施肥量的同時土壤氨化速率也隨之增加，表明施氮處理對土壤氨化速率表現為促進作用。

圖2 樟樹林土壤硝化速率Fig. 2 NO3--N mineralization rate of C. camphora plantation soil

圖3 樟樹林土壤氨化速率Fig. 3 NH4+-N mineralization rate of C. camphora plantation soil

2.5 對凈氮礦化速率的影響

從圖4可以看出，樟樹林土壤凈氮礦化速率隨著施氮濃度的增加而提高。目前，雖然對森林土壤養(yǎng)分循環(huán)方面展開了許多研究，但由于森林土壤氮素轉換過程本身的復雜性及各種因子的影響，使得就施肥量因素對土壤氮素轉換的影響以及對森林生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)很難作出具體結論。Aber等[16]通過長期對溫帶森林的施氮試驗結果表明，土壤中氮含量的增加可以促進土壤的氮礦化速度。

3 討 論

經過1 a不同水平的施氮肥處理后，樟樹林土壤銨態(tài)氮的含量顯著降低，但銨態(tài)氮含量隨著施肥量的增加而上升；3種處理下樟樹林土壤硝態(tài)氮含量隨著施氮濃度的增加而增加。4月份，低氮、中氮處理和對照處理間未表現出顯著差異，但樟樹人工林中土壤硝態(tài)氮含量在高氮處理下顯著高于對照處理。造成這一現象的原因可能是4月份是樟樹的生長旺盛期，對氮元素需求較大，從而導致在低氮、中氮處理下，施氮處理對土壤硝態(tài)氮影響不顯著。

圖4 樟樹林土壤凈礦化速率Fig. 4 Net nitrogen mineralization rate of C. camphora plantation soil

不同處理樟樹林土壤有效氮含量季節(jié)性變化規(guī)律均表現為4月份最低，10月份最高。與許多研究相同的是，本研究中施氮處理對土壤硝化速率并未產生影響[17-18]，這可能是因為外源性施肥并非是影響土壤硝化速率的主要因子。一個氮沉降的模擬實驗結果表明，經過2.5 a的施氮處理，原位凈硝化速率與N沉降之間不存在相關性[19]。

本研究發(fā)現，隨著施氮濃度的增加，樟樹林土壤凈氮礦化速率也隨之提高。通過對瑞典針葉林進行的研究結果顯示，土壤氮礦化速率會隨著土壤氮輸入的增加而顯著提高[20-22]。但隨著研究的不斷進行，也有實驗得出不同結論[23-24]。另一些美國學者的研究[24-25]表明，在不同濃度的施氮處理下，凈氮礦化速率的趨勢均表現為增加，但氮礦化速率會隨著時間的推移達最高值后開始降低，逐步接近對照處理的水平及低氮處理水平。該現象說明氮輸入的增加并不能增加氮礦化速率，氮礦化速率會在氮輸入量達到一定水平后逐漸降低，最終接近對照處理甚至比對照更低。出現這種下降趨勢，可能有以下兩種解釋：第一，細胞外代謝酶的效率及分解速度降低，這是由于土壤有機質會隨著氮素的增加發(fā)生改變，土壤中有機質的化學結構隨機化而導致；第二，土壤礦質氮含量增加會對土壤微生物產生影響，降低了土壤中由微生物產生的腐殖質分解酶的含量，進而間接地對土壤氮礦化速率產生影響。

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Effect of nitrogen application on soil nitrogen mineralization ofCinnamomum camphoraplantation in subtropical area

WEN-Ji1, YAN Wen-de1,2,3, LIU Yi-jun1,2, LIANG Xiao-cui1,2, GAO Chao1,2
(1. School of Life Science, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2.National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China; 3. Key Lab. of Urban Forest Ecology of Hunan, Changsha 410004, Hunan, China)

Since 20th century, with the rapid development of global industry and agriculture, a large number of reactive nitrogen has been inputting into the forest ecosystems. As an important part of biogeochemical cycles, the forest soil nitrogen conversion process and the response mechanism of to exogenous nitrogen input were concerned more widely. By taking the subtropicalC. camphorplantation as the research object, the effects of applied nitrogen fertilizer (low nitrogen 5 g·m-2, middle nitrogen 15 g·m-2, high nitrogen 30 g·m-2)in the plantations in different seasons on soil nitrogen mineralization characteristics were investigated by means of resin-core technique.The results show that after nitrogen treatments (in January, April, July and October respectively), theC. camphorplantation appeared a declining trend under high nitrogen treatment in October, but it showed a increasing trend with fertilizing concentration increased in the other three months, and the soil nitrogen mineralization of four mouths were higher than that of the control treatment group; This suggests that the nitrogen application increased the soil nitrogen mineralization rate and significantly increase ammonium nitrogen content in the forest soil, but had slight in fluence on soil nitrate nitrogen and the nitri fication rate in the forest soil.

Cinnamomun camphoraplantation; nitrogen application; soil nitrogen mineralization; subtropical area

S792.23；S718.51+6

A

1673-923X(2015)05-0103-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.05.018

2014-07-10

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201404316）； “十二五”農村領域國家科技計劃課題（2011BAD38B0204）；湖南省自然科學基金創(chuàng)新群體項目（湘基金委字[2013]7號）；國家林業(yè)局軟科學研究項目（2012-R09）；湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金項目（12K070）；城市森林生態(tài)湖南省重點實驗室運行項目資助

文 汲，碩士研究生

閆文德，教授，博士；E-mail：csfuywd@hotmail.com

文 汲,閆文德,劉益君,等. 施氮對亞熱帶樟樹人工林土壤氮礦化的影響[J].中南林業(yè)科技大學學報，2015,35(5)：103-108.

[本文編校：謝榮秀]