安宇超,顧宇晨,張茜,王國(guó)兵

(南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)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(zhì)量與提升可持續(xù)經(jīng)營(yíng)水平中起著關(guān)鍵作用[1]。楊樹是我國(guó)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(fā)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(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)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(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)[6],但過高的氮濃度會(huì)產(chǎn)生更多的消極影響,導(dǎo)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(jì)70年代以來,德國(guó)、美國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)森林碳匯進(jìn)行研究,并取得顯著成果[8-10]。同時(shí),針對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量問題,我國(guó)學(xué)者也完成大量的工作[11-12]。當(dāng)前我國(guó)對(duì)于森林碳儲(chǔ)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(chǔ)量估計(jì)上,而研究小范圍、多氮肥梯度處理對(duì)楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響較少。在我國(guó)致力于實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)[13]”的背景下,增強(qiáng)與其相關(guān)研究進(jìn)而提升碳儲(chǔ)量具有重大意義。為此,本研究在江蘇省東臺(tái)林場(chǎng)內(nèi)展開,通過長(zhǎng)期模擬氮添加對(duì)蘇北楊樹人工林碳儲(chǔ)量的影響,探討不同濃度氮添加對(duì)楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)喬木層、土壤層、林下植被層、凋落物層碳儲(chǔ)量影響的差異。研究結(jié)果可為提高蘇北地區(qū)楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳匯功能,以及人工林經(jīng)營(yíng)工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于江蘇省鹽城市東臺(tái)林場(chǎng)(120°07′—120°53′E,32°33′—32°57′N),屬暖溫帶和亞熱帶的過渡區(qū),年平均氣溫15.4℃,降水量1 083.1 mm,全年日照1 864.4 h。區(qū)域內(nèi)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(zhì)地為砂質(zhì)壤土。

1.2 樣地設(shè)置

在東臺(tái)林場(chǎng)選擇立地條件和經(jīng)營(yíng)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(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)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(gè)處理4個(gè)重復(fù)樣方,共計(jì)20個(gè)樣方,每個(gè)樣方面積為25 m×30 m,每個(gè)樣方間保留10 m 寬的緩沖帶。施氮試驗(yàn)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(zhǎng)季)中旬均勻噴灑于試驗(yàn)樣地中,對(duì)照處理噴灑等量的水。截至2022年4月,氮添加處理已連續(xù)進(jìn)行10 a。

1.3 取樣與測(cè)定

1.3.1 喬木層碳儲(chǔ)量估測(cè) 在2022年4月,對(duì)楊樹人工林樣地進(jìn)行每木胸徑和樹高的調(diào)查。根據(jù)胸徑、樹高數(shù)據(jù),選擇陳樂蓓建立的楊樹單株生物量異速生長(zhǎng)方程[14],分別估算單株生物量,再運(yùn)用碳—生物量轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.48)將生物量換算為固碳量,最后根據(jù)樣地內(nèi)林木株數(shù)累加得到樣地內(nèi)喬木層碳儲(chǔ)量,再結(jié)合林分密度計(jì)算得到不同試驗(yàn)處理的單位面積碳儲(chǔ)量(碳密度,t/hm2)。其中,楊樹單株生物量的異速生長(zhǎng)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(chǔ)量測(cè)定 在每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置5個(gè)1 m×1 m 的林下植被層小樣方,分別對(duì)其進(jìn)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(shí)驗(yàn)室后于80℃的恒溫箱中烘干至恒重,根據(jù)干重/鮮重計(jì)算含水率,推算出單位面積的生物量,再根據(jù)碳轉(zhuǎn)換率計(jì)算得出碳儲(chǔ)量。在每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置5個(gè)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(nèi)的生物量,最后根據(jù)碳轉(zhuǎn)換率計(jì)算得出碳儲(chǔ)量。灌草層與凋落物層碳轉(zhuǎn)換率采用0.45[15]。

1.3.3 土壤層碳儲(chǔ)量及理化性質(zhì)測(cè)定 采用五點(diǎn)取樣法,使用直徑為2 cm 的土鉆在每個(gè)樣地內(nèi)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(jì)60份土壤樣品(5氮水平×3土層×4重復(fù))帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)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(cè)定其總有機(jī)碳(TOC)及全氮(TN)含量。

土壤層有機(jī)碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式如下:

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

分別對(duì)不同樣地內(nèi)不同土層的土壤采用環(huán)刀法測(cè)定容重;土壤酸堿度(p H)測(cè)定采用電位法。土壤銨態(tài)氮(NH+4-N)、硝態(tài)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(jì)進(jìn)行測(cè)定?？扇苄杂袡C(jī)碳(DOC)、可溶性有機(jī)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(jìn)行測(cè)定。土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)Table 1 The basic physicochemical properties of the soil

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用SPSS 22.0的單因素方差分析(One-Way ANOVA,Duncan)、相關(guān)性分析(Pearson檢驗(yàn));采用Origin 2019、R 4.2.3軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期氮添加對(duì)人工楊樹林喬木層碳儲(chǔ)量的影響

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

表2 長(zhǎng)期氮添加對(duì)楊樹人工林喬木層生物量與碳儲(chǔ)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(zhǎng)期氮添加對(duì)人工楊樹林林下植被層和凋落物層碳儲(chǔ)量的影響

由圖1可知,和對(duì)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(chǔ)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?yàn)殡S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(dǎo)致林下植被層碳儲(chǔ)量下降。凋落物層與林下植被層相比,碳儲(chǔ)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(chǔ)量均顯著增加(p＜0.05),較對(duì)照分別增加了15.4%,31.5%,51.0%,49.7%;其中N3處理對(duì)凋落物層碳儲(chǔ)量影響最大,而N1處理對(duì)其影響最小。

圖1 長(zhǎng)期氮添加對(duì)林下植被、凋落物碳儲(chǔ)量的影響Fig.1 Effects of long-term nitrogen addition on carbon storage of understory vegetation and litter

2.3 長(zhǎng)期氮添加對(duì)人工楊樹林土壤層碳儲(chǔ)量的影響

由圖2可知,楊樹人工林內(nèi)不同氮處理水平上,土壤層有機(jī)碳含量具有一定的規(guī)律性。N2,N3,N4處理顯著提高了0—15 cm,15—30 cm 土層中有機(jī)碳的含量(p＜0.05),其中N4處理對(duì)其影響最大,與對(duì)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(duì)30—45 cm 土層中有機(jī)碳含量沒有顯著影響(p＞0.05)。

圖2 長(zhǎng)期氮添加對(duì)土壤有機(jī)碳含量垂直分布和碳儲(chǔ)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(chǔ)量(p＜0.05),N2處理對(duì)其影響最大,在15—30 cm 土層N2,N3,N4處理土壤碳儲(chǔ)量顯著高于對(duì)照(p＜0.05),而N1與對(duì)照差異不顯著(p＞0.05);在30—45 cm 土層,各處理對(duì)土壤碳儲(chǔ)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(jī)碳含量和土壤碳儲(chǔ)量均逐漸降低。

2.4 楊樹人工林各層碳儲(chǔ)量與土壤理化因子相關(guān)性分析

由圖3可知,喬木層碳儲(chǔ)量與MBN、DON顯著正相關(guān)(p＜0.05),但與MBC無相關(guān)關(guān)系(p＞0.05);喬木層碳儲(chǔ)量與TN、DOC極顯著正相關(guān)(p＜0.01),與C/N極顯著負(fù)相關(guān)(p＜0.01)。喬木層碳儲(chǔ)量與不同土壤理化性質(zhì)的相關(guān)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(chǔ)量與TN、DOC極顯著正相關(guān)(p＜0.01),與p H 顯著負(fù)相關(guān)(p＜0.05),與MBC、MBN、DON 沒有相關(guān)關(guān)系(p＞0.05);土壤層碳儲(chǔ)量與C/N 極顯著負(fù)相關(guān)(p＜0.01)。土壤層碳儲(chǔ)量與不同土壤理化性質(zhì)的相關(guān)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(chǔ)量與土壤理化因子的相關(guān)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(chǔ)量與NO-3-N、DON 顯著正相關(guān)(p＜0.05),與p H 顯著負(fù)相關(guān)(p＜0.05);凋落物層碳儲(chǔ)量與TN、MBN、DOC極顯著正相關(guān)(p＜0.01),與C/N 極顯著負(fù)相關(guān)(p＜0.01)。凋落物層碳儲(chǔ)量與不同土壤理化性質(zhì)的相關(guān)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(xué)者對(duì)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(jìn)而影響其碳儲(chǔ)量的大小。如孟秋實(shí)等[16]對(duì)東北紅豆杉施加氮肥后發(fā)現(xiàn),其生長(zhǎng)在氮濃度為30～90 kg/hm2時(shí)最為良好;王偉峰等[17]利用FORECAST 模型對(duì)油松人工林進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),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(chǔ)量。上述研究結(jié)論與本研究不同氮梯度對(duì)喬木層碳儲(chǔ)量影響結(jié)果相似,相關(guān)性分析表明喬木層碳儲(chǔ)量與TN 極顯著正相關(guān),充分說明了在施用不超過30 g/(m2·a)的情況下,均會(huì)促進(jìn)喬木層碳儲(chǔ)量的積累;在15 g/(m2·a)處理中,對(duì)喬木層碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)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(shí),會(huì)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(zhǎng)的能量來源,增加其數(shù)量與活性,從而加快土壤活性氮組分的轉(zhuǎn)換[19],使樹木更易吸收土壤中養(yǎng)分促進(jìn)喬木層碳儲(chǔ)量的積累。但在超過15 g/(m2·a)后,對(duì)其碳儲(chǔ)量的增長(zhǎng)效應(yīng)有所減弱,可能是植物對(duì)于氮素的吸收飽和,導(dǎo)致楊樹體內(nèi)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素比例失衡[10],使樹木生長(zhǎng)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(duì)172篇國(guó)內(nèi)氮添加試驗(yàn)進(jìn)行分析后得出,氮添加會(huì)顯著增加森林生態(tài)系統(tǒng)中凋落物總量的結(jié)論一致,其原因是氮添加會(huì)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(chǎn)力,由此增加了凋落物總量。

森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫的輸入以凋落物為主要形式[22]。前人研究發(fā)現(xiàn)[23-24],在同一施氮水平中,各層土壤有機(jī)碳含量隨土層深度的增加而減少,本研究結(jié)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(jī)碳來源物質(zhì)[25],隨著土層加深,凋落物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響逐漸減弱。王建楠[26]對(duì)水杉施加0.8,2.4,4.0,4.8 mol/m2的氮肥后發(fā)現(xiàn),氮添加顯著提高了水杉林土壤有機(jī)碳的含量;Hyv?nen等[27]發(fā)現(xiàn),增施氮肥后可以促進(jìn)歐洲松樹林與云杉林的土壤碳儲(chǔ)量,每克氮素可土壤碳庫增加11 g碳;除此之外,還有很多學(xué)者研究得出土壤有機(jī)質(zhì)的變化規(guī)律與本文一致[28-29]。

本研究發(fā)現(xiàn),土壤碳儲(chǔ)量與TN 呈顯著正相關(guān),與C/N、p H 呈顯著負(fù)相關(guān),在10 g/(m2·a)處理下,土壤碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)最為顯著;可能是因?yàn)槭┘拥蕰?huì)降低土壤中C/N,使土壤有機(jī)碳礦化速率加快[30],促進(jìn)微生物的生存活性,從而對(duì)土壤碳庫的積累產(chǎn)生積極影響;土壤p H 隨施氮量的增加而降低,當(dāng)p H 過低時(shí),會(huì)導(dǎo)致鋁元素活化,對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)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(jìn)了有機(jī)磷向無機(jī)磷的轉(zhuǎn)化,進(jìn)而緩解土壤磷限制[32],加快了土壤有機(jī)碳的礦化和積累。

4 結(jié)論

綜上,氮添加會(huì)顯著增加楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)中喬木層、土壤層及凋落物層碳儲(chǔ)量,減少林下植被層碳儲(chǔ)量;喬木層作為楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)中最主要的碳庫,在15 g/(m2·a)處理下,其碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)速度最快,從而使得楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量顯著升高。因此,通過科學(xué)合理的施肥可促進(jìn)楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量快速且穩(wěn)定增加,有利于我國(guó)早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”。本研究結(jié)果可為蘇北地區(qū)楊樹人工林科學(xué)經(jīng)營(yíng)提供參考,同時(shí)豐富楊樹人工林碳儲(chǔ)量研究。