林雨萱，哀建國，宋新章，李 全，張君波

（浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311300）

氮是植物生長必需的營養(yǎng)元素之一。大氣氮沉降屬于酸沉降的一種[1]，是指陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的含氮化合物排放到大氣中，經(jīng)過一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)后再次降落回陸地生態(tài)系統(tǒng)的過程[2]。20世紀(jì)50年代之后，隨著工業(yè)全球化的推進(jìn)，化石燃料的燃燒以及人口急速膨脹，大氣中的活性氮也隨之不斷升高[3?4]，并不斷趨于全球化[5]。在長期氮沉降的環(huán)境下，進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)的活性氮已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了陸地生態(tài)系統(tǒng)本身的氮需求[6]。中國氮沉降現(xiàn)象日漸嚴(yán)重[7]，已成為氮沉降世界三大高降區(qū)之一[8]，中國農(nóng)業(yè)和工業(yè)集約化地區(qū)的氮沉降問題尤其嚴(yán)峻[8?9]，并且有不斷增長的趨勢[10]。在此背景下，氮沉降對森林土壤呼吸的影響已經(jīng)成為近年來生態(tài)學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)。土壤中磷元素的缺失是制約植物生產(chǎn)力的主要因素之一[11]。由于中國長江以南的大片亞熱帶丘陵山地以酸性土壤為主，土壤中原本含量較少的活性磷受強(qiáng)烈的吸附固定作用難以移動(dòng)，從而導(dǎo)致了土壤能被植物體直接吸收的有效磷含量更低，呈現(xiàn)嚴(yán)重缺磷狀態(tài)[12]。土壤中磷元素的缺乏，限制了植物體的生長發(fā)育從而抑制了土壤呼吸作用。并且最近幾年大氣氮沉降所帶來的負(fù)面效應(yīng)不斷加劇[13]，使土壤受到低磷脅迫的形勢變得更加嚴(yán)峻[14]。森林土壤與精耕細(xì)作的田間土壤相比，所受到的低磷脅迫形式及程度顯得更加復(fù)雜[14]。南方林地的土壤一般為紅壤[15]，土壤中有效磷含量較低一直是限制南方林地生產(chǎn)力的重要因素之一[16]。近年來，由于二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、含氮化合物(NxO)等溫室氣體的排放，大氣中的CO2相比工業(yè)革命之前上升了近1倍[17?18]，其中全球土壤中的碳排放量達(dá)6.8×1013kg·a?1[19]。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要碳庫，其中植物土壤呼吸所產(chǎn)生的CO2是組成陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的重要部分[20?22]。杉木Cunninghamialanceolata是中國南方常綠針葉速生樹種，為中國南方造林面積最大的用材樹種之一[23]，栽培歷史長達(dá)1 000多年[24?25]。龐麗等[15]模擬了氮沉降環(huán)境下土壤氮磷比的變化，但模擬氮沉降情況下杉木林土壤呼吸對低磷脅迫的響應(yīng)還鮮有報(bào)道。本研究通過模擬氮沉降試驗(yàn)，分析了杉木林在不同土壤磷水平環(huán)境下土壤碳排放的動(dòng)態(tài)機(jī)制，為分析處于氮沉降不斷增加和磷脅迫日趨嚴(yán)峻環(huán)境下的南方人工林的科學(xué)經(jīng)營提供相關(guān)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)處于浙江省杭州市臨安區(qū)高坎村(30°21′N，119°67′E)，該區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候較為溫和，四季分明，雨量充沛，年平均降水量為1 632.6 mm，年平均氣溫為16.4 ℃，全年日照時(shí)數(shù)1 847.3 h，年均無霜期約230 d[26]。土壤為黃壤，地形地貌為低山丘陵，森林覆蓋率76.5%。

1.2 樣地設(shè)置與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018年12月，選擇10年生杉木幼齡林。在樣地內(nèi)選取生長情況相似且高度約3 m的杉木，并以此為中心設(shè)立1個(gè)3 m×3 m的獨(dú)立小樣方。為了避免試驗(yàn)干擾，每個(gè)獨(dú)立小樣方之間設(shè)置不小于3 m的緩沖帶，本研究共設(shè)置27個(gè)獨(dú)立小樣方。參照國際上氮沉降模擬方法，依據(jù)中國亞熱帶地區(qū)的實(shí)際氮沉降量及未來增加趨勢[27?30]，以當(dāng)?shù)氐两德?30.5 kg·hm?2·a?1為基礎(chǔ)[26]，設(shè)置 2 個(gè)處理梯度：低氮 (N30：30 kg·hm?2·a?1)和高氮 (N60：60 kg·hm?2·a?1)。參考國內(nèi)外相關(guān)研究[29?30]，磷添加設(shè)置了 2 個(gè)處理梯度：低磷 (P20：20 mg·kg?1)和高磷 (P40：40 mg·kg?1)。另外，再設(shè)置 4 個(gè)氮磷復(fù)合處理 [低氮高磷 (N30+P40)、低氮低磷(N30+P20)、高氮高磷(N60+P40)、高氮低磷(N60+P20)]及對照(ck)。各處理重復(fù)3次。

土壤的速效磷水平將磷酸二氫鉀(KH2PO4)均勻地灑在樣方內(nèi)，進(jìn)行30 cm的翻耕，使土壤上層速效磷含量達(dá)P20和P40的2個(gè)供磷水平，此后不再對杉木林添加磷。同時(shí)，根據(jù)氮處理水平，從2019年1月開始，每月模擬氮沉降噴施1次。具體方法為：每月月初的晴天，將每個(gè)樣方所需噴施的一定量的硝酸銨(NH4NO3)溶解在4 L自來水中，在杉木的樹冠上方用背式噴霧器均勻噴灑[1]。對照噴灑同量的自來水，以減少處理間因外加自來水不同而造成的影響。

1.3 土壤呼吸速率、土壤溫度和土壤濕度的測定

為了測定樣地內(nèi)的土壤呼吸速率，2018年12月，在每個(gè)樣方內(nèi)安裝直徑20 cm，高12 cm的PVC連接環(huán)，安裝時(shí)使其露出地表5 cm。本研究采用動(dòng)態(tài)封閉氣室法，使用LI-8100(LI-COR Inc.)土壤碳通量自動(dòng)測量系統(tǒng)，觀測杉木林土壤呼吸速率。2019年1?10月，每月中旬選取1個(gè)連續(xù)3 d晴朗并且最接近當(dāng)月天氣狀況的日子，測定杉木林的土壤呼吸速率，測量結(jié)果代表測定當(dāng)月杉木林土壤呼吸速率的平均值，用來分析氮磷添加下杉木林土壤呼吸的季節(jié)性變化特征。研究表明：植物土壤呼吸速率在10:00左右最接近當(dāng)天的平均值[30?31]。因此，本研究用10:00測量的值代表杉木林土壤呼吸速率的日平均值[32]，測定時(shí)間段為當(dāng)天的10:00前后。

為了減少安置土壤呼吸測定環(huán)對杉木林土壤呼吸速率的影響，土壤呼吸測定環(huán)埋好后固定永久放置，并且在每次測定前1 d，將樣方內(nèi)的土壤呼吸測定環(huán)內(nèi)的表層植被在盡量不破壞土壤的情況下徹底去除，以減少根系損傷及土壤擾動(dòng)對測量結(jié)果的影響。

在測定土壤呼吸的同時(shí)，用LI-8100所配備的TDR土壤水分速測儀土壤溫度傳感器和土壤水分速測儀分別測定5 cm土層深處的土壤溫度和土壤含水量[33]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

杉木林土壤呼吸速率與土壤溫度的關(guān)系模型為：RS=aebT。其中，RS表示土壤呼吸速率(μmol·m?2·s?1)，T表示土壤溫度(℃)，a、b為待定參數(shù)。杉木林土壤呼吸的溫度敏感性系數(shù)(Q10)的計(jì)算公式為：Q10=e10b。其中，b為公式RS=aebT計(jì)算中得到的常量。本研究采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較分析不同氮沉降和磷添加處理水平下杉木林土壤呼吸速率。利用SPSS 26.0軟件分析數(shù)據(jù)，用Origin 2017軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 杉木林土壤呼吸速率變化

氮沉降、磷添加以及氮磷復(fù)合處理下杉木土壤呼吸速率都有明顯的季節(jié)變化(圖1)，不同季節(jié)杉木林土壤呼吸作用差異顯著(P＜0.05)，氮沉降和磷添加并沒有改變杉木林土壤呼吸的季節(jié)性變化趨勢。不同處理土壤呼吸均在夏季達(dá)到最高值，在冬季達(dá)到最低值。氮沉降顯著促進(jìn)了杉木林的土壤呼吸(P＜0.05)，其中在夏季促進(jìn)作用最為顯著(P＜0.05)；高氮處理對杉木林土壤呼吸的促進(jìn)作用最為顯著(P＜0.05)，在夏季與對照(ck)相比提高了1.78倍(圖1A)。磷添加處理顯著促進(jìn)了杉木林的土壤呼吸(P＜0.05)，但低磷處理在春季和秋季對杉木土壤呼吸的影響不顯著(P＞0.05)，甚至抑制了土壤呼吸作用(圖1B)。磷添加處理對杉木林土壤呼吸的促進(jìn)作用在夏季最為顯著(P＜0.05)，高磷處理對杉木林土壤呼吸的促進(jìn)作用最為顯著(P＜0.05)，在夏季與對照(ck)相比提高了1.77倍(圖1B)。在氮沉降下，磷添加對杉木林土壤呼吸產(chǎn)生了顯著影響(P＜0.05)，其中高氮低磷處理對杉木林土壤呼吸的促進(jìn)作用最為顯著(P＜0.05)，在夏季與對照(ck)相比提高了2.12倍(圖1C和圖1D)。不同處理下的杉木林土壤呼吸均在冬季達(dá)到最低值，隨著地表溫度的上升杉木林土壤呼吸作用也不斷增強(qiáng)，在夏季均達(dá)到最高值，隨后不斷降低，氮磷復(fù)合處理并沒有改變杉木林土壤呼吸的季節(jié)性變化規(guī)律。

圖 1 氮磷處理下杉木林土壤呼吸的季節(jié)變化Figure 1 Seasonal change of soil respiration under different nitrogen and phosphorus treatments

2.2 氮磷處理下杉木林土壤呼吸速率和土壤溫度、濕度的Person相關(guān)分析

杉木林土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤濕度存在著顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)(表1)，杉木林土壤呼吸速率隨著土壤溫度的升高而升高，但隨著土壤濕度的升高而降低。各處理下杉木林土壤呼吸速率和土壤溫度均呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)(表2)，除低磷處理外，杉木林土壤呼吸速率和土壤濕度也存在著顯著(P＜0.05)或者極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)(表2)。

表 1 土壤呼吸速率與環(huán)境因子的相關(guān)性Table 1 Correlation between soil respiration and environmental factors

土壤呼吸速率對土壤溫度變化的敏感性可以通過Q10來反映。通過土壤呼吸速率和土壤溫度擬合的指數(shù)方程可以得出：對照、低氮、高氮、低磷、高磷、低氮低磷、低氮高磷、高氮低磷、高氮高磷的Q10分別為 3.318、3.087、3.318、3.542、3.501、3.626、3.355、3.393、3.422(表 2)?？梢?，單獨(dú)施加氮對杉木林土壤呼吸速率的敏感性幾乎沒有影響，甚至在一定程度上降低了杉木林土壤呼吸的敏感性；單獨(dú)施加磷增強(qiáng)了杉木林土壤呼吸的敏感性；在氮磷復(fù)合作用下，杉木林土壤呼吸敏感性增強(qiáng)，其中低氮低磷處理對杉木林土壤呼吸的敏感性影響最大。

表 2 各處理下土壤呼吸速率與環(huán)境因子的相關(guān)性Table 2 Correlation between soil respiration and environmental factors

3 討論

3.1 土壤溫濕度和季節(jié)變化對土壤呼吸的影響

本研究發(fā)現(xiàn)：杉木林土壤呼吸速率均呈顯著的季節(jié)性變化，氮沉降并沒有改變杉木林土壤呼吸的季節(jié)性變化趨勢，而季節(jié)使得土壤溫濕度產(chǎn)生了變化，因此，土壤溫濕度是影響土壤呼吸的主要因素。由于本研究區(qū)降水充沛，土壤環(huán)境相對濕潤，土壤呼吸速率與土壤溫度呈顯著正相關(guān)，與土壤濕度呈負(fù)相關(guān)，說明過高的土壤濕度會(huì)使土壤的通透性變差，降低土壤中氣體的交互，從而導(dǎo)致土壤呼吸作用受到抑制。模擬氮沉降處理對杉木林土壤呼吸敏感性變化的影響并不大，甚至降低了土壤呼吸敏感性，而單獨(dú)磷添加以及氮磷復(fù)合處理均提高了杉木林土壤呼吸的敏感性，其中在低磷處理下，杉木林土壤呼吸的敏感度最大，可能是在模擬氮沉降處理初期對土壤有機(jī)物含量的促進(jìn)作用并不顯著，而在原本受到低磷脅迫的環(huán)境下施加了磷，從而提高了土壤中有機(jī)物含量，增加了土壤呼吸底物的含量以及土壤呼吸敏感性。

3.2 磷添加對杉木林土壤呼吸的影響

土壤呼吸分為2個(gè)過程：①微生物呼吸、根系呼吸和土壤中動(dòng)物呼吸的生物呼吸；②含碳礦物質(zhì)化學(xué)氧化作用的非生物學(xué)過程[34]。由于土壤中部分動(dòng)物的呼吸作用和有機(jī)物質(zhì)的化學(xué)氧化作用非常微弱，可以忽略不計(jì)[35?36]，本研究便將土壤中微生物呼吸和植物根系呼吸定義為土壤呼吸的主要部分。同時(shí)，土壤呼吸也是陸地碳循環(huán)的重要組成部分，對全球氣候變化和溫室氣體的排放都有著重大的影響。本研究表明：單一添加磷對杉木林土壤呼吸有顯著影響。在低磷處理下，杉木林土壤呼吸先是穩(wěn)定上升，到一定程度后呈逐漸下降的趨勢。與對照相比，在低磷處理下，杉木土壤呼吸在春、秋季被抑制，可能是由于季節(jié)的更替導(dǎo)致地表植被以及凋落物增加，從而抑制了土壤呼吸；在高磷處理下，杉木林土壤呼吸顯著提高，說明磷添加處理增加了土壤中有效磷的含量，改善了土壤所受到的低磷脅迫的影響，促進(jìn)了杉木林土壤呼吸作用。這與薛美瑛等[37]發(fā)現(xiàn)的單獨(dú)磷添加對植物土壤呼吸有促進(jìn)作用的結(jié)果相似。

3.3 氮沉降對杉木林土壤呼吸的影響

氮沉降對土壤呼吸的影響有3類：抑制作用、促進(jìn)作用和無顯著影響[37?40]。本研究發(fā)現(xiàn)：模擬氮沉降的10個(gè)月里，與對照相比，氮沉降明顯促進(jìn)了杉木林土壤呼吸速率，這是因?yàn)槟M氮沉降處理增強(qiáng)了杉木生長以及根系的發(fā)育，從而增強(qiáng)了杉木的自養(yǎng)呼吸。這與王澤西等[41]、向元彬等[42]和MADRITCH等[43]的結(jié)果相似。這可能是在氮處理的初期，土壤中的可用性氮增加，提高了土壤中微生物的活性，從而促進(jìn)了土壤呼吸作用。而周世興等[38]、MO等[44]研究表明：氮沉降抑制了土壤呼吸作用，這可能是因?yàn)槭┑幚頊p少了林分凋落物量和細(xì)根生物量，從而改變了土壤微環(huán)境，降低了土壤中的微生物碳氮量，抑制了微生物活性，進(jìn)而抑制了土壤呼吸作用[43]。鄧琦等[45]研究表明：模擬氮沉降對土壤呼吸的影響不顯著，原因是在降水量較多的地區(qū)，土壤含水率較高，抑制了土壤微生物的呼吸作用，因此，氮沉降作用對土壤呼吸速率沒有較大影響。本研究表明：模擬氮沉降促進(jìn)了杉木林土壤呼吸作用，可能是不同植物的土壤呼吸受到了不同氮需求的影響[42]。

3.4 氮沉降下磷添加對杉木林土壤呼吸的影響

本研究中，低氮低磷和低氮高磷處理的土壤呼吸速率顯著高于低氮處理，高氮低磷處理的土壤呼吸速率顯著高于高氮處理，而與高氮處理相比，高氮高磷處理的土壤呼吸速率受到了抑制。與對照相比，低氮和高氮處理下添加磷后顯著促進(jìn)了杉木林的土壤呼吸。低氮低磷、低氮高磷和高氮低磷處理同時(shí)增加了土壤中有效氮和有效磷的含量，提高了土壤中有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)了土壤中微生物的生命活動(dòng)，從而促進(jìn)了土壤呼吸作用[45]。張彥東等[46]和薛美瑛等[37]研究發(fā)現(xiàn)：適當(dāng)提高土壤中氮磷含量可以改善土壤的理化性質(zhì)，使得土壤中可以被植物體直接吸收利用的有效磷含量提升，從而增加了植物體的生物量，增強(qiáng)了植物的土壤呼吸作用。與高氮處理相比，高氮高磷處理抑制了土壤呼吸作用，可能是高氮高磷降低了土壤的pH，植物體向地下輸送的有機(jī)質(zhì)有所減少，從而降低了土壤微生物活性，使土壤呼吸受到抑制。綜上所述，氮沉降對土壤呼吸的影響，受到了不同植物對氮元素的需求以及所受到氮沉降作用時(shí)間的長短影響[45]。在氮沉降初期，增強(qiáng)了植物的生命活動(dòng)，刺激了根系呼吸，促進(jìn)了土壤呼吸作用，當(dāng)土壤中氮水平達(dá)到飽和后，氮沉降對土壤呼吸起到抑制作用。在受到低磷脅迫較為嚴(yán)重的地區(qū)，磷添加增加了土壤中有效磷含量，促進(jìn)了植物的生長，使土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，從而促進(jìn)了土壤呼吸作用。可見，在氮沉降初期進(jìn)行磷添加對陸地生態(tài)系統(tǒng)有較為積極的意義。