單文俊，付琦，邢亞娟 ，閆國(guó)永，韓士杰，張軍輝，王慶貴*

1. 黑龍江大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2. 黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081；

3. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016

隨著工、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展以及人口數(shù)量的急劇增加，導(dǎo)致工業(yè)排放“三廢”和農(nóng)業(yè)使用氮肥的顯著增多，造成了大氣氮沉降的急劇增加。就中國(guó)而言，21世紀(jì)初期氮沉降量平均已達(dá)到21.1 kg·hm-2，比上世紀(jì)80年代升高了近兩倍，預(yù)計(jì)21世紀(jì)中葉，其總量會(huì)再翻一番，達(dá)到N 1.95×1014g·a-1（Liu et al.，2013）。氮沉降主要存在兩種形式，即干沉降和濕沉降（Galloway et al.，2008），干沉降指含氮化合物吸附到其他粒子上隨氣流到達(dá)地表，濕沉降是可溶性含氮化合物隨著降水落到地表。氮沉降有兩種來(lái)源，即自然源和人為源，自然源包括生物固氮和雷電天氣形成的含氮化合物，人為源包括工業(yè)化石燃料燃燒和農(nóng)業(yè)化肥使用等和人類發(fā)展有關(guān)的源（Bartnicki et al.，1989），人為來(lái)源已成為氮沉降升高的主要因素。

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有很高的服務(wù)價(jià)值，在調(diào)節(jié)全球氣候及維持陸地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用（Botez et al.，2013）。截至目前，森林生態(tài)系統(tǒng)已成為氮沉降研究的熱點(diǎn)。有研究指出，氮沉降加劇會(huì)導(dǎo)致森林土壤酸化、植物多樣性降低（Li et al.，2003）、土壤微生物量以及多樣性發(fā)生變化（Liu et al.，2013；Li et al.，2015）、影響凋落物分解速率以及土壤養(yǎng)分循環(huán)（Menge et al.，2012；Lu et al.，2014）。土壤微生物作為土壤中活體物質(zhì)，參與土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)，土壤微生物量可以作為土壤肥力指標(biāo)，表征土壤養(yǎng)分狀態(tài)。土壤微生物量對(duì)環(huán)境變化敏感，與土壤有機(jī)質(zhì)等土壤可利用性物質(zhì)之間存在相關(guān)關(guān)系（張成霞等，2010）。氮沉降主要通過(guò)影響土壤pH而間接影響或通過(guò)改變微生物可利用性氮源直接影響土壤微生物量（趙超等，2015）。土壤可溶性有機(jī)碳、氮（DOC、DON）是土壤中高活性的組分，可以直接被土壤中生物體利用，對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)的獲取有重要意義（Jardine et al.，1989）。土壤微生物量碳、氮（MBC、MBN）和DOC、DON作為土壤中高活性物質(zhì)，易受到諸如氮沉降等環(huán)境變化的影響，尤其是不同月份的溫度和水分變化會(huì)對(duì)其產(chǎn)生顯著影響（周世興等，2017）。

本研究對(duì)長(zhǎng)白山白樺（Betula platyphylla）、山楊（Populus davidiana）天然次生林生長(zhǎng)季進(jìn)行了長(zhǎng)期模擬氮沉降控制試驗(yàn)，綜合考慮了氮沉降量、生長(zhǎng)季不同月份和土層深度對(duì)土壤MBC、MBN以及DOC、DON的影響，可為探討植物生長(zhǎng)季氮沉降對(duì)溫帶天然次生林活性物質(zhì)變化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

試驗(yàn)樣地位于吉林省撫松縣露水河鎮(zhèn)（42°24′9″N，128°5′45″E），林型為白樺山楊天然次生林，林齡20-30 a。屬典型大陸性季風(fēng)氣候，春秋短、冬季長(zhǎng)且寒冷，夏季氣溫和降水量較高。年平均氣溫為2.7 ℃，年平均降水量為872 mm，海拔922.5 m，土壤為山地暗棕色森林土。2004-2007年對(duì)周邊大氣氮沉降量測(cè)定表明，該區(qū)大氣氮沉降量為24.5 kg·hm-2·a-1。試驗(yàn)樣地共9個(gè)樣方，每個(gè)樣方面積為30 m×30 m，為消除氮肥對(duì)臨近樣地的影響，樣方之間間隔10 m，施用氮肥為NH4NO3，試驗(yàn)分為3個(gè)處理，即CK為對(duì)照N 0 kg·hm-2·a-1，LN為低氮處理N 25 kg·hm-2·a-1，HN為高氮處理N 50 kg·(hm2·a)-1，每個(gè)處理重復(fù)3次，3種處理樣地間隔排列，以消除物種組成以及樣地環(huán)境的異質(zhì)性。為消除施肥過(guò)程中樣地之間水分的差異，對(duì)照處理施用等量純凈水。本研究于2006年開(kāi)始進(jìn)行氮添加控制試驗(yàn)，每年5-9月上旬施肥。樣地基本信息為：總有機(jī)碳（TOC）(140.3±11.6) g·kg-1，全氮（TN，7.58±1.25) g·kg-1，全磷（TP，1.40±0.22) g·kg-1，pH 4.84±0.58（胡艷玲等，2009）。

1.2 土壤樣品采集與測(cè)試

2017年植物生長(zhǎng)季（5-10月）進(jìn)行土壤樣品采集。每個(gè)樣方隨機(jī)選取5點(diǎn)，上層（0-10 cm）和下層（10-20 cm）分別取土。將5個(gè)點(diǎn)的樣品混合，去除植物根莖和碎石等雜物。土樣運(yùn)輸途中冷藏保存，帶回實(shí)驗(yàn)室立即測(cè)定土壤MBC、MBN和DOC、DON。剩余樣品風(fēng)干后進(jìn)行土壤pH測(cè)定。

土壤MBC、MBN測(cè)定采用氯仿熏蒸浸提法。浸提樣品使用德國(guó)耶拿Multi N/C? 3100總有機(jī)碳/總氮分析儀進(jìn)行測(cè)定（林先貴，2014；Brookes et al.，1985）。計(jì)算公式如下：

式中EC/N為熏蒸土壤減未熏蒸土壤，kEC/N為轉(zhuǎn)換系數(shù)，土壤MBC、MBN均為0.45（Vance et al.，1987）。

土壤pH用酸度計(jì)測(cè)量（胡慧蓉等，2017）。土壤熏蒸前后浸提液通過(guò)Multi N/C? 3100總有機(jī)碳/總氮分析儀測(cè)定土壤DOC、DON（Jaffrain et al.，2007）。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

應(yīng)用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，用SPSS for windows 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。利用ANOVA方差分析對(duì)土壤MBC和MBN、pH以及DOC、DON進(jìn)行氮處理間差異顯著性比較。用LSD多重比較分析氮處理間的土壤MBC、MBN以及DOC、DON的差異。

2 結(jié)果

2.1 氮沉降下生長(zhǎng)季土壤pH的變化趨勢(shì)

由表1可見(jiàn)，氮處理導(dǎo)致土壤pH顯著降低。上層土壤6-9月氮處理與CK之間差異極顯著（P＜0.01），5月LN與CK差異顯著（P＜0.05）、HN與CK差異極顯著（P＜0.01）。下層土壤6、9月氮處理與CK呈極顯著差異（P＜0.01），7、8月HN與CK之間差異極顯著（P＜0.01），5、7月LN顯著降低（P＜0.05）了土壤pH。10月上、下層土壤在LN處理下pH均為最高。如表2所示，本研究中氮沉降降低了土壤pH的變異系數(shù)，表明氮沉降限制了某些環(huán)境因子和生物因子對(duì)土壤pH的作用，導(dǎo)致土壤pH的月動(dòng)態(tài)變化減弱。

2.2 氮沉降下生長(zhǎng)季土壤DOC和DON的變化趨勢(shì)

如圖1所示，上層土壤，LN處理在5、8、9月對(duì)DOC有極顯著促進(jìn)作用（P＜0.01），HN處理促進(jìn)了5、7、9月DOC含量，對(duì)6月DOC有抑制作用；下層土壤，氮處理在10月極顯著促進(jìn)了DOC的量（P＜0.01），其他月份作用不顯著。如圖2所示，上層土壤，除8月外，HN處理顯著抑制了DON的量（P＜0.05），5月和9月DON含量在LN處理下顯著提高（P＜0.05），在6月和8月極顯著降低（P＜0.05）；下層土壤，氮處理極顯著（P＜0.01）促進(jìn)了5月DON的量，6、7、10月DON的量在HN處理下顯著降低（P＜0.05），LN處理在6月顯著降低（P＜0.05）了DON的量，在9月有促進(jìn)作用。

表1 氮沉降對(duì)土壤pH的影響 Table 1 Effects of nitrogen deposition on soil pH

表2 不同處理土壤pH變異系數(shù) Table 2 Soil pH variation coefficients in different treatments

2.3 氮沉降下生長(zhǎng)季土壤MBC和MBN的變化趨勢(shì)

如圖3所示，上層土壤，氮處理極顯著降低5月MBC的量，對(duì)9月和10月MBC有促進(jìn)作用，且10月LN和HN處理與CK呈現(xiàn)極顯著差異（P＜0.01），9月LN與CK存在顯著差異（P＜0.05），6月LN處理對(duì)MBC有促進(jìn)作用，HN處理有極顯著抑制作用（P＜0.01），7月3種處理之間差異不顯著（P＞0.05），8月HN處理極顯著促進(jìn)（P＜0.01）MBC的量，LN處理有抑制作用。下層土壤，氮處理對(duì)6、9、10月MBC有促進(jìn)作用且與CK差異極顯著（P＜0.01），5月HN對(duì)MBC有顯著抑制作用（P＜0.05），7月和8月LN處理有極顯著抑制作用（P＜0.01），5-10月CK和LN處理MBC都表現(xiàn)出先降低、后升高、再降低的趨勢(shì)，而HN表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。

圖1 氮沉降對(duì)不同土層DOC的影響 Fig. 1 Effects of nitrogen deposition on soil dissolved organic carbon

圖2 氮沉降對(duì)不同土層DON的影響 Fig. 2 Effects of nitrogen deposition on soil dissolved organic nitrogen

圖3 氮沉降對(duì)不同土層MBC的影響 Fig. 3 Effects of nitrogen deposition on soil microbial biomass carbon

如圖4所示，上層土壤，氮處理降低5月和6月MBN的量，6月3種處理之間差異不顯著（P＞0.05），LN處理抑制7月和8月MBN，7月CK和HN處理差異極顯著（P＜0.01），8月差異顯著，LN處理對(duì)9月和10月MBN具有促進(jìn)作用，且10月LN與HN處理和CK呈現(xiàn)極顯著差異（P＜0.01）。下層土壤，氮處理對(duì)5、10月MBN有促進(jìn)作用，5月LN與CK差異極顯著（P＜0.01），HN與CK差異顯著（P＜0.05），6、9月HN處理對(duì)MBN有抑制作用，LN作用不明顯，7月氮處理顯著降低（P＜0.05）了MBN的量，8月LN處理對(duì)MBN有極顯著抑制作用（P＜0.01），5-10月CK處理表現(xiàn)出先降低、后升高、再降低的趨勢(shì)，LN則表現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢(shì)。上層土壤HN表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，下層土壤HN表現(xiàn)出先降低、后升高、再降低的趨勢(shì)。

圖4 氮沉降對(duì)不同土層MBN的影響 Fig. 4 Effects of nitrogen deposition on soil microbial biomass nitrogen

表3 土壤DOC、DON多因素方差分析 Table 3 Statistical results of Multi-way ANOVA of effects of soil dissolved organic carbon and nitrogen

2.4 土壤微生物量及DOC和DON影響因素分析

由表3可知，除氮添加×土壤深度對(duì)DOC作用不顯著以外（P＞0.05），氮添加、月份、土壤深度以及兩兩因素的交互作用對(duì)土壤DOC、DON有極顯著的作用（P＜0.01）。三者交互作用對(duì)DOC和DON也有顯著影響。說(shuō)明模擬氮沉降并不是土壤DOC和DON唯一的變異來(lái)源，其影響因素來(lái)自多方面。

由表4可知，除氮添加對(duì)MBC、月份×土壤深度對(duì)MBN作用不顯著外（P＞0.05），N添加、月份、土壤深度以及兩兩因素的交互作用對(duì)MBC和MBN有極顯著的作用（P＜0.01）。土壤pH顯著受到氮添加、月份、土壤深度及其交互作用的影響。

3 討論

3.1 氮沉降對(duì)土壤pH的影響

土壤酸堿度是土壤化學(xué)性質(zhì)的基本特征，其變化會(huì)對(duì)土壤中生物體生長(zhǎng)和土壤養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生影響（Pamela et al.，1999）。氮沉降下，外源氮在土壤中積累，土壤中NH4+和NO3-含量上升，NH4+的生物吸收、水解和硝化過(guò)程都會(huì)釋放出H+，導(dǎo)致土壤酸化（魯顯楷等，2008）。孫本華等（2006）研究發(fā)現(xiàn)，氮沉降會(huì)增加土壤中NO3-的淋溶進(jìn)一步引起土壤酸化。本研究中氮沉降顯著降低了土壤pH，與其他模擬氮沉降試驗(yàn)得出的結(jié)論相似。土壤pH屬于土壤中易變指標(biāo)，每個(gè)月的溫度和降水的差異，可能導(dǎo)致土壤中生物活性和土壤含水率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致土壤pH發(fā)生變化（劉廣明等，2001）。孫鵬躍等（2016）在華北落葉松林（Larix principis-rupprechtii）研究中得出，土壤pH在植物生長(zhǎng)季5-10月先升后降，與本研究結(jié)論相似。楊麗等（2015）在興安落葉松林（Larix gmelinii）全年分析得出相反的結(jié)論，土壤pH由春季到秋季表現(xiàn)為升高的趨勢(shì)。土壤pH變化受多種環(huán)境因素影響，生物（土壤微生物、植物根系）與土壤互作也會(huì)引起土壤pH變化（Nye，1981；Adrien et al.，1998）。氮沉降在土壤中積累導(dǎo)致土壤酸化，可能會(huì)降低土壤pH的動(dòng)態(tài)范圍。胡波等（2015）模擬氮沉降研究得出，氮沉降導(dǎo)致土壤酸化會(huì)引起鹽基離子淋失，土壤緩沖能力下降，降低土壤交換性陽(yáng)離子對(duì)土壤酸堿度的調(diào)節(jié)作用。鹽基離子的流失可能會(huì)進(jìn)一步加快土壤酸化速率。

表4 土壤MBC、MBN、pH多因素方差分析 Table 4 Statistical results of Multi-way ANOVA of effects of soil microbial biomass carbon, nitrogen and pH

3.2 氮沉降對(duì)土壤DOC和DON的影響

土壤DOC和DON屬于土壤易變物質(zhì)，容易被植物根系和微生物吸收利用。土壤可溶性有機(jī)物主要來(lái)源于土壤腐殖質(zhì)和凋落物分解、植物根系和土壤微生物分泌等（Kalbitz et al.，2000；Smolander et al.，2002；Donald et al.，2007）。袁穎紅等（2012）和魏春蘭等（2013）在不同森林類型氮沉降試驗(yàn)中得出，施氮提高了DOC的含量。魏春蘭等（2013）還得出，氮沉降對(duì)不同土層DOC的作用有差異，與本研究結(jié)論相似。但是這兩個(gè)試驗(yàn)只進(jìn)行了單一月份分析，無(wú)法表征月動(dòng)態(tài)變化。本研究中，生長(zhǎng)季月份不同，氮沉降對(duì)DOC的影響不同。Yano et al.（2000）進(jìn)行森林長(zhǎng)期氮沉降試驗(yàn)指出，DOC有明顯的季節(jié)變化，夏季高于春、秋兩季，且不同季節(jié)氮沉降對(duì)其影響不同，這與本試驗(yàn)結(jié)果相似。土壤中植物根系和微生物的生長(zhǎng)狀況可能是影響土壤DOC來(lái)源的最重要因素，此外，凋落物的質(zhì)量也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響（Alison et al.，2000）。Mark et al.（2006）研究得出，氮沉降可以通過(guò)改變碳氮轉(zhuǎn)換酶活性而影響土壤中可溶性有機(jī)物的含量。氮沉降也可通過(guò)影響有機(jī)碳的礦化速率影響土壤DOC的含量（王方超等，2016）。

土壤DON與DOC相似，但是參與其循環(huán)的酶不同（Burns，1982）。閆聰微等（2012）研究得出，氮沉降增加了土壤中DON的含量，與本研究結(jié)果相似，本研究中大多數(shù)月份氮沉降使DON含量增加。元曉春等（2017）在杉木（Cunninghamia Lanceolata）人工林氮沉降試驗(yàn)中得出氮沉降對(duì)其無(wú)影響。劉彩霞等（2015）對(duì)氮沉降下參與氮循環(huán)酶類研究指出，氮添加量、季節(jié)、土壤深度對(duì)氮相關(guān)酶都有影響。Brookshire et al.（2007）指出，氮沉降對(duì)DON的影響還與原位土壤氮含量有關(guān)，氮沉降可能加劇受到氮污染森林土壤DON的流失。本研究結(jié)果顯示，DOC和DON的含量不僅受到氮沉降量的影響，不同月份也表現(xiàn)出差異。說(shuō)明DOC和DON除受到土壤水、熱條件直接影響外，還受到其他因素的影響?？梢詫⑦@些影響因素分為易變因素和不易變因素：森林類型、土壤有機(jī)質(zhì)含量等變化周期較長(zhǎng)的因素可以歸為不易變因素；土壤水、熱條件、植物根系活力、土壤酶活性、土壤微生物量等與DOC和DON含量有關(guān)但易受到環(huán)境影響的為易變因素。通過(guò)分析可以看出，易變因素可能對(duì)DOC和DON等活性較高的物質(zhì)影響更大。

3.3 氮沉降對(duì)土壤MBC和MBN的影響

本研究中，氮添加處理對(duì)土壤MBC和MBN作用明顯，月份和土壤深度等對(duì)其也有顯著影響。3種處理之間MBC和MBN變化趨勢(shì)不一致，5月最高，這與大多數(shù)研究結(jié)論不一致。宋蕾等（2017）對(duì)溫帶針闊混交林氮沉降研究時(shí)得出，氮沉降量沒(méi)有改變MBC和MBN月動(dòng)態(tài)，最大量出現(xiàn)在8月。周世興等（2017）在常綠闊葉林氮沉降研究中得出，MBC和MBN在秋季最高。結(jié)論差異可能和林型、地域氣候類型等因素有關(guān)。但以上試驗(yàn)都證明，MBC和MBN有明顯的月動(dòng)態(tài)變化特征，且氮沉降在月動(dòng)態(tài)變化中作用不同。氮沉降下這種差異可能和植物生長(zhǎng)以及環(huán)境條件綜合作用有關(guān)（Antonio et al.，1994）。地處高緯度的森林，春季和秋季溫度較低，土壤微生物主要受到溫度的限制，生物量低；夏季氣溫升高，適合微生物生長(zhǎng)，土壤微生物量增加。亞熱帶和熱帶地區(qū)土壤微生物量受到溫度的影響較小，但是秋季植物生長(zhǎng)減緩，對(duì)土壤養(yǎng)分需求量減少，土壤微生物可獲得養(yǎng)分增加，土壤微生物量升高。本研究位于溫帶天然次生林，5月MBC和MBN含量高可能是由于前一年冬季氮肥大量累積，第二年春季土壤微生物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分充足所致。夏季是植物生長(zhǎng)最旺盛的月份，養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)加劇導(dǎo)致土壤微生物量降低（Knute，2000）。LN對(duì)植物生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用，植物對(duì)其他元素吸收也會(huì)增加，導(dǎo)致土壤微生物量降低。HN對(duì)植物根系生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收具有限制作用，反而沒(méi)有影響微生物對(duì)養(yǎng)分的獲?。╖hang et al.，2017）。9月植物對(duì)養(yǎng)分的吸收減少，凋落物增加，土壤微生物增加，氮沉降也為微生物提供了一定的氮源，促進(jìn)其生長(zhǎng)。另外，氮沉降對(duì)當(dāng)?shù)氐蚵湮锓纸饪赡苡幸欢ù龠M(jìn)作用（Kuperman，1999；Zhang et al.，2017），使得氮沉降促進(jìn)了10月MBC和MBN。

4 結(jié)論

（1）氮沉降導(dǎo)致長(zhǎng)白山天然次生林土壤pH顯著降低，上、下層土壤表現(xiàn)一致。同時(shí)氮沉降弱化了其他條件對(duì)土壤pH的影響，使得不同月份之間土壤pH變化減小。

（2）氮沉降總體上促進(jìn)上層土壤DOC含量，僅個(gè)別月份有抑制作用；氮沉降對(duì)下層土壤DOC的含量影響不顯著。HN抑制了上層土壤DON的含量，LN顯著提高5月和9月DON含量，而對(duì)6月和8月DON顯著抑制；LN促進(jìn)了下層土壤DON的量，HN處理對(duì)DON有抑制作用。

（3）氮沉降在春季對(duì)MBC和MBN有抑制作用，但是在秋季有促進(jìn)作用。LN處理降低了夏季MBC和MBN的量，HN處理則作用不顯著。

綜上所述，土壤pH、DOC、DON、MBC、MBN容易受到外界環(huán)境條件變化的影響，本研究中，氮添加、月份、土壤深度以及三者之間的交互對(duì)其都有顯著影響，單一月份的研究并不能代表整個(gè)生長(zhǎng)季變化趨勢(shì)。對(duì)于土壤中易發(fā)變組分，應(yīng)關(guān)注時(shí)空變化對(duì)其的影響，并進(jìn)行綜合分析。