环境科学  2024, Vol. 45 Issue (1): 354-363   PDF    
引用本文
薛欣欣, 任常琦, 罗雪华, 王文斌, 赵春梅, 张永发. 氮添加与凋落物处理对橡胶林砖红壤有机碳组分及酶活性的影响[J]. 环境科学, 2024, 45(1): 354-363.
XUE Xin-xin, REN Chang-qi, LUO Xue-hua, WANG Wen-bin, ZHAO Chun-mei, ZHANG Yong-fa. Effects of Experimental Nitrogen Deposition and Litter Manipulation on Soil Organic Components and Enzyme Activity of Latosol in Tropical Rubber Plantations[J]. Environmental Science, 2024, 45(1): 354-363.
氮添加与凋落物处理对橡胶林砖红壤有机碳组分及酶活性的影响
薛欣欣1,2, 任常琦1, 罗雪华1, 王文斌1, 赵春梅1, 张永发1     
1. 中国热带农业科学院橡胶研究所, 海口 571101;
2. 海南天然橡胶与热带林木研究院, 海口 571101
收稿日期: 2023-01-30; 修订日期: 2023-03-30
基金项目: 海南省自然科学基金项目（320QN377）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（1630022022002）；国家天然橡胶产业技术体系项目（CARS-33-ZP-2）；海南省自然科学基金项目（320QN351）
作者简介: 薛欣欣（1986 ~）, 男, 博士, 助理研究员, 主要研究方向为橡胶园养分资源管理, E-mail：xuexinxin_2010@163.com
摘要: 研究氮添加与凋落物处理对土壤有机碳组分及酶活性的影响对调控人工林生态系统恢复具有重要意义.于海南岛西部橡胶林地开展野外微区模拟试验, 采用二因素完全随机设计, 设置4个氮水平[不施氮（CK, 0 kg·hm-2·a-1, 以N计, 下同）, 低氮（LN, 50 kg·hm-2·a-1）, 中氮（MN, 100 kg·hm-2·a-1）和高氮（HN, 200 kg·hm-2·a-1）]以及2种凋落物处理[凋落物去除（LR）, 凋落物保留（L）], 分析0 ~ 10 cm和10 ~ 20cm土层的土壤理化性质、总有机碳（SOC）及其组分、酶活性等指标.结果表明, 土壤pH随N添加量增加以及凋落物的去除呈显著降低的趋势（P < 0.05）.土壤NO3--N和NH4+-N含量随N添加的增加显著增加, N添加和凋落物处理对NO3--N和NH4+-N含量有显著的交互效应.与L处理相比, LR降低了土壤SOC及其各组分含量, 其中轻组有机碳（LFOC）含量降幅最大, 在0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土层降幅分别为29.0% ~ 81.4%和23.5% ~ 58.4%.不同凋落物处理条件下, SOC及其各组分含量随N添加量的增加均呈先增加后降低的趋势, LN处理显著高于HN处理.N添加和凋落物处理对SOC、LFOC（0 ~ 10 cm）和重组有机碳（HFOC）含量有极显著的交互作用（P < 0.01）.与L处理相比, LR处理在CK和LN处理条件下的土壤多酚氧化酶（PPO）活性显著降低, 而在MN和HN条件下, LR处理的PPO含量显著增加；方差分析显示, N添加和凋落物处理对PPO和0 ~ 10 cm土层的纤维素酶（CBH）活性有极显著影响的交互作用, 土壤酶活性[β-葡萄糖苷酶（BG）、PPO、CBH]对N添加处理的响应程度均大于对凋落物处理的响应.相关性分析表明, SOC含量与微生物生物量碳（MBC）、颗粒态有机碳（POC）、LFOC以及HFOC含量之间呈极显著正相关关系.总体来看, 凋落物保留与低N输入对橡胶林地土壤碳库以及酶活性具有较好的协同作用.
关键词: 凋落物      氮添加      橡胶林      有机碳组分      酶活性     
Effects of Experimental Nitrogen Deposition and Litter Manipulation on Soil Organic Components and Enzyme Activity of Latosol in Tropical Rubber Plantations
XUE Xin-xin1,2 , REN Chang-qi1 , LUO Xue-hua1 , WANG Wen-bin1 , ZHAO Chun-mei1 , ZHANG Yong-fa1     
1. Rubber Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou 571101, China;
2. Hainan Natural Rubber and Tropical Forest Research Institute, Haikou 571101, China
Abstract: It is of great scientific significance in regulating plantation ecosystem restoration to investigate the effects of the nitrogen (N) deposition and litter manipulation on soil organic carbon components and enzyme activities. A micro-plot experiment was conducted with four nitrogen additions [CK (0 kg·hm-2·a-1, calculated by N), LN (50 kg·hm-2·a-1), MN (100 kg·hm-2·a-1), and HN (200 kg·hm-2·a-1)] and two litter treatments [LR (litter removal) and L (litter retained)] for tropical rubber plantations in western Hainan Island. The soil physico-chemical properties, soil organic carbon components, and enzyme activities in 0-10 cm and 10-20 cm depths were analyzed. The results showed that soil pH significantly decreased with elevated N addition and litter removal. The contents of NO3--N and NH4+-N significantly increased with elevated N addition. Moreover, there was a significant interaction between N addition and litter treatment on the contents of NO3--N and NH4+-N (P < 0.05). Compared to that with L, LR reduced SOC and its component contents; particularly, the largest decrease was in LFOC by 29.0%-81.4% in the 0-10 cm depth and 23.5%-58.4% in 10-20 cm, respectively. The contents of SOC and its components presented a trend of increasing first and then decreasing with elevated N addition irrespective of litter treatment, and those contents were significantly higher at LN than those at HN. There was a significant interaction between N addition and litter treatment on SOC, LFOC (0-10 cm), and HFOC contents. Compared with that under L, PPO activity was significantly reduced at LR under CK and LN but was significantly increased at LR under MN and HN, respectively. Variance analysis showed significant interactive effects between N addition and litter treatment on PPO and CBH (0-10 cm) activities, and the soil enzyme activity (BG, PPO, and CBH) responding to N addition was greater than that to the litter treatment. Pearson correlation analysis showed that SOC content was extremely positively correlated with MBC, POC, LFOC, and HFOC contents. To summarize, litter retained combined with low N deposition played an important synergistic role of improving SOC pool and soil enzyme activities for tropical rubber plantation systems.
Key words: litter      N addition      rubber plantation      organic carbon components      enzyme activity     

陆地生态系统碳固存在缓解全球气候变化方面发挥着重要作用, 其中热带森林生态系统作为陆地生态系统中重要的碳库, 在陆地碳循环及碳汇功能中扮演着重要的角色[1, 2].凋落物作为森林碳库的重要组成部分, 是森林土壤有机碳（SOC）形成、稳定和周转的重要影响因子[3 ~ 6].全球范围内, N是植物生长最普遍的限制性营养元素, N沉降输入可能通过改变降解酶活性、微生物群落组成等来改变土壤SOC的分解, 进而影响土壤SOC的积累和损耗过程[7].有研究发现, 在全球氮沉降急剧增加的背景下, 热带地区将是氮沉降的重点区域[2, 8].有研究表明, 氮沉降对土壤SOC库的影响受凋落物输入的调控[9, 10].综上所述, 凋落物C和沉降N的变化是全球变化影响森林生态系统碳循环的重要途径和因素.因此, 研究凋落物调控与氮沉降输入的互作效应对土壤SOC的影响, 有利于正确评估热带森林生态系统C循环过程及其对全球气候变化的响应.

据估算, 全球范围内N沉降目前使森林碳汇（以C计）增加276 ~ 448 Tg·a-1, 其中约60%保留在树木中, 40%保留在土壤中[11].长期双倍添加凋落物处理后, 土壤SOC含量表现为降低[12]、不变[13]和增加[14]这3种情况, 而凋落物去除都会引起表层土壤有机质含量降低[15].吴越等[9]研究发现, 保留凋落物和外源N输入通过影响化学稳定性不同的土壤组分碳氮变化来改变土壤碳氮过程.陈灿灿等[16]对中亚热带常绿阔叶林的研究表明, N添加和凋落物处理对土壤SOC含量的影响具有显著的交互作用.郭晓伟等[17]对油松-辽东栎混交林的研究表明, 高质量和数量凋落物的输入及N添加量的增加显著提升土壤不同C、N组分含量.Peng等[18]对亚热带森林的研究表明, 高N沉降背景下, 森林表层土壤SOC含量对地上凋落物输入量的变化变得更加敏感.由此可见, 凋落物C不仅是森林生态系统土壤C的重要来源, 还调节着大气氮沉降对土壤C的影响.土壤SOC背景值相对较高, 短期内的反应较为滞后, 不能较好地反映短时间土壤质量的变化[19].土壤SOC中活性有机碳组分可作为土壤有机碳早期变化的指示物, 通常由土壤水溶性有机碳（DOC）、颗粒有机碳（POC）和轻组有机碳（LFOC）等表示；而非活性有机碳则表征土壤有机碳的积累和保持能力, 如重组有机碳（HFOC）[20].目前, 关于N添加与凋落物调控的交互效应如何影响热带地区土壤SOC组分的报道较少.

巴西橡胶树（Hevea brasiliensis Mull. Arg.）是我国热带地区最重要的人工林生态系统, 主要分布在海南、云南和广东省部分地区, 其中海南是我国主要的橡胶生产基地之一.砖红壤是海南岛占地面积大、发育典型的地带性土壤, 关注橡胶林砖红壤的碳管理有助于加强对热带地区人工林碳汇能力的理解.本研究选取海南西部典型橡胶林, 采用野外微区模拟试验, 探讨N添加和凋落物处理对橡胶林砖红壤理化性状、SOC及其组分、相关酶活性的影响, 分析N沉降与凋落物对土壤生态过程的互作效应, 以期为深入研究森林生态系统C循环及响应N沉降提供科学依据；同时, 为全球变化背景下橡胶林的科学经营提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 试验区概况

本试验于2019年5月至2020年7月在海南省儋州市的中国热带农业科学院试验场（N19°20′05″, E109°17′39″）橡胶林中进行.试验区平均海拔114 m, 属热带海岛季风气候, 年均气温21.5 ~ 28.5℃, 太阳辐射4.857×105 J·cm-2, 全年日照时数2 100 h, 年降雨量1 607 mm, 其中全年70%的降雨量分布在7 ~ 9月, 年平均相对湿度约83%.土壤类型为花岗岩发育的砖红壤.

1.2 试验设计

选取未被破坏、能代表该区域整体情况的成龄橡胶林, 树龄为15 a.在橡胶林行间选取8块面积为7 m（宽）×30 m（长）的固定样地.在每个固定样地中随机设置3个面积为2 m×2 m的样方作为微区, 每个微区用PVC板围成, PVC板高出地面10 cm, 各微区之间间隔3 m以上, 防止互相干扰, 共24个微区.试验采用凋落物和N两因素完全区组设计, 凋落物处理包括凋落物去除（LR）和凋落物保留（L）, 其中, 凋落物去除为：清除微区内土壤表面凋落物及可见腐殖质, 并于每月定期清除新鲜凋落物；凋落物保留为：保持微区的原始状态, 减少对其干扰.N处理采用人工模拟N沉降方法, 设置4个N水平[不施氮（CK, 0 kg·hm-2·a-1, 以N计, 下同）, 低氮（LN, 50 kg·hm-2·a-1）, 中氮（MN, 100 kg·hm-2·a-1）和高氮（HN, 200 kg·hm-2·a-1）][21].模拟N沉降采用人工喷N的方式进行, 使用NH4NO3作为N源.自2019年5月开始, 在每年雨季（5 ~ 10月）的每月月底以溶液的形式给样地喷洒.各微区每月施N量按照施N水平和施N月份进行平均, 将需要喷施的NH4NO3溶解在2 L水中, 用高压喷壶在微区内均匀喷洒；对照微区喷施等量的纯水.本试验共设置8个处理, 3次重复.

1.3 土壤样品采集

于2020年7月下旬进行采样, 分别采集0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土层样品, 各微区选取3个代表性点位混合, 去除根系、石块和其他杂物后过2 mm筛, 装入封口袋中置于冰盒中低温保存带回实验室.一部分土自然风干用于pH、SOC及其组分（DOC、POC、LFOC和HFOC）、全氮（TN）等指标分析；另一部分土于4℃冷藏保鲜, 用于分析土壤含水率（SWC）、微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）含量, β-葡萄糖苷酶（BG）、多酚氧化酶（PPO）和纤维素酶（CBH）活性, 硝态氮（NO3--N）和铵态氮（NH4+-N）含量.

1.4 土壤样品分析

土壤理化性质测定参考鲍士旦的方法[22].SWC采用105℃烘干称重法测定；pH采用土水比1∶2.5浸提, pH计测定；SOC采用重铬酸钾容量法测定；TN采用半微量凯氏定氮法测定；MBC和MBN均采用氯仿熏蒸直接浸提法测定；NH4+-N和NO3--N采用2 mol·L-1氯化钾浸提, 连续流动分析仪（AA3型, 德国Seal公司）测定.

土壤有机碳组分测定.DOC采用土水比1∶5提取, 利用总有机碳/总氮分析仪（multi N/C 3100 TOC, 德国jena公司）测定[23]；POC采用偏磷酸钠浸提法测定[24]；LFOC采用重液分离法[25]；HFOC采用土壤SOC含量与LFOC含量的差值计算得到.

土壤酶活性测定.BG活性测定以对硝基苯β-D吡喃葡糖苷为基质, 以pH 12.0 Tris为缓冲液[26]；CBH活性测定以对硝基苯纤维二糖苷为底物, 缓冲液为pH 5.0 MUB[27]；PPO活性测定分别以左旋多巴（DOPA）为底物, 缓冲溶液为pH 5.0的醋酸缓冲液[28], 均采用荧光微型板法测定.

1.5 数据处理

利用Excel 2010软件计算数据, OriginPro 2021软件进行绘图、主成分分析（principal component analysis, PCA）和相关性分析（Pearson）, SPSS 20.0软件统计分析, 单因素方差分析（ANOVA）分析不同N水平处理对土壤理化性质、SOC及其组分和酶活性的影响；独立样本t检验分析相同氮水平下凋落物处理对土壤理化性质、有机碳组分和酶活性的影响；双因素方差分析（two-way ANOVA）研究N添加和凋落物处理及其二者交互作用对土壤理化性质、SOC及其组分和酶活性的影响；最小显著差异法（LSD）进行差异显著性检验（P < 0.05）.

2 结果与分析 2.1 氮添加和凋落物处理的土壤理化性质

由表 1可知, 与L处理相比, LR处理在不同N水平下均显著降低了各层土壤SWC含量, 0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm降幅分别为13.5% ~ 15.4%和11.1% ~ 14.4%, 0 ~ 10 cm降幅大于10 ~ 20 cm.与L处理相比, LR处理造成土壤pH不同程度下降, 其中, 在CK和LN处理条件下, LR和L处理间pH差异显著.pH随N添加量的增加呈下降的趋势, 在L处理条件下, HN处理pH显著低于CK和LN处理（P < 0.05）.

表 1 不同氮添加水平和凋落物处理下的土壤理化性质1） Table 1 Soil physico-chemical properties with different N addition levels and litter treatment

L和LR处理间SOC差异显著, LR处理显著低于L处理, 0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm降幅分别为11.4% ~ 22.7%和1.1% ~ 15.7%, 0 ~ 10 cm降幅高于10 ~ 20 cm.SOC随N添加量的增加呈先增加后降低的趋势, 在LN处理水平下最高, 且显著高于HN处理；SOC随土壤深度增加呈下降的趋势.与L处理相比, LR处理在不同N水平下的土壤TN含量均有所降低, 0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm降幅分别为4.3% ~ 20.4%和7.4% ~ 27.1%；而随N添加量的增加, 土壤TN含量呈先增加后降低的趋势.

与L处理相比, LR处理下的土壤NH4+-N和NO3--N含量均有所增加, 其中NH4+-N含量在0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土层平均增幅为33.0%和29.3%, NO3--N含量平均增幅分别为54.1%和74.6%, 明显高于NH4+-N增幅；随N添加量的增加, NH4+-N和NO3--N含量均呈显著增加的趋势.方差分析显示, 凋落物处理对土壤各理化指标均有极显著影响（P < 0.01）, 而氮添加处理除对土壤pH无显著影响外, 对其他各理化指标均有极显著影响（P < 0.01）, 二者的交互作用对SOC、C/N（0 ~ 10 cm）、NH4+-N和NO3--N含量均有显著或极显著影响.

2.2 氮添加和凋落物处理的土壤有机碳组分

与L相比, LR处理下的土壤DOC[图 1（a）和1（b）]、POC[图 1（c）和1（d）]、LFOC[图 1（e）和1（f）]和HFOC[图 1（g）和1（h）]含量均有不同程度下降, 其中LFOC降幅最大, 0 ~ 10 cm降幅为29.0% ~ 81.4%, 10 ~ 20 cm降幅为23.5% ~ 58.4%, 0 ~ 10 cm降幅明显大于10 ~ 20 cm.随N添加量的增加, DOC在0 ~ 10 cm土层表现为显著下降的趋势, 而在10 ~ 20 cm则表现为显著增加的趋势.POC含量在0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土层均随N添加量的增加呈现先增加后降低的趋势, 在LN水平下较高.在L处理条件下, LFOC含量随N添加量的增加呈现先增加后降低趋势, 0 ~ 10 cm土层MN处理最高, 10 ~ 20 cm土层LN处理最高, 而LR处理条件下, LFOC含量则在0 ~ 10 cm土层随N添加量的增加呈下降趋势, 而在10 ~ 20 cm土层呈增加趋势.HFOC含量均随N添加量的增加呈先增加后降低的趋势, 在LN处理下达到最高, 且显著高于CK和HN处理.方差分析显示, N添加处理和凋落物处理对有机碳各组分均有显著（P < 0.05）或极显著影响（P < 0.01）, 二者交互作用则对0 ~ 10 cm土层的LFOC含量以及各土层的HFOC含量有极显著影响.

不同小写字母表示相同凋落物处理下不同N水平间差异达0.05显著水平；不同大写字母表示相同N水平条件下不同凋落物处理间差异达0.05显著水平；双因素方差分析结果以P值表示 图 1 不同氮添加水平和凋落物处理下的土壤有机碳组分 Fig. 1 Soil organic carbon components with different N addition levels and litter treatments

2.3 氮添加和凋落物处理的土壤微生物生物量碳氮

与L处理相比, LR处理不同程度降低了MBC和MBN含量, 在0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土层, MBC降幅分别为7.2% ~ 13.1%和8.8% ~ 15.9%, MBN降幅分别为2.2% ~ 33.1%和11.9% ~ 37.7%, 凋落物处理对MBN的影响程度大于对MBC的影响（表 2）.MBC和MBN含量均随N添加量的增加呈先增加后降低的趋势, 在MN水平下基本达到最大值, 且显著高于CK和HN水平, N添加处理对MBN的影响程度大于对MBC的影响.MBC/MBN在CK处理条件下均最高, 而在MN处理下基本处于较低水平.方差分析显示, N添加处理和凋落物处理对MBC和MBN含量以及MBC/MBN均具有显著（P < 0.05）或极显著（P < 0.01）影响, 而二者交互作用则对MBN以及MBC/MBN具有极显著影响.

表 2 不同氮添加水平和凋落物处理下的土壤微生物生物量碳氮 Table 2 Soil microbial biomass C and N with different N addition levels and litter treatments

2.4 氮添加和凋落物处理的土壤酶活性

BG酶活性随N添加量的增加呈先增加后降低的趋势[图 2（a）和2（b）], 在LN处理水平下最高, 且显著高于HN处理, 方差分析显示, 凋落物处理对0 ~ 10 cm土层的BG含量有显著影响（P < 0.05）, 而N添加处理则对0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土层BG含量均有极显著影响（P < 0.01）, 二者交互作用对10 ~ 20 cm土层的BG含量具有显著影响.PPO含量在不同凋落物处理间差异显著[图 2（c）和2（d）], 在CK和LN条件下LR处理的PPO含量显著低于LR处理, 而在MN和HN条件下, LR处理的PPO含量则均显著高于L处理；PPO含量随N添加量的增加呈先增加后降低的趋势, 在L处理条件下LN处理的PPO含量最高, 而在LR处理条件下则以MN处理的PPO含量最高.方差分析显示, 氮添加处理和凋落物处理的交互作用对PPO含量有极显著影响（P < 0.01）.在L处理条件下, CBH含量随N添加量的增加呈降低的趋势[图 2（e）和2（f）], 而在LR处理条件下, CBH含量则随N添加量的增加呈增加趋势；与L处理相比, LR处理的CBH含量在HN处理条件下显著增加, 而在其他N水平下, L和LR处理间无显著差异.方差分析显示, 氮添加处理和凋落物处理对0 ~ 10 cm土层的CBH含量有极显著影响（P < 0.01）.

不同小写字母表示相同凋落物处理下不同N水平间差异达0.05显著水平；不同大写字母表示相同N水平条件下不同凋落物处理间差异达0.05显著水平；双因素方差分析结果以P值表示 图 2 不同氮添加水平和凋落物处理下的土壤酶活性 Fig. 2 Soil enzyme activity with different N addition levels and litter treatments

2.5 土壤有机碳组分及土壤酶活性与土壤理化性质的关系

综合所有处理的土壤理化性质、有机碳组分、酶活性等数据进行主成分分析（PCA）发现（图 3）, 0 ~ 10 cm土层[图 3（a）], 前两个轴（PC1和PC2）共同解释了61.0%的变异, 第一主成分贡献率为43.7%；L处理下的大部分处在PC1的正轴, 而LR处理下均处在PC1负轴, 可见, L处理对土壤SOC各组分和酶活性的贡献较大, LR条件下, N添加对土壤NH4+-N和NO3--N的贡献较大.10 ~ 20 cm土层[图 3（b）], 前两个轴（PC1和PC2）共同解释了55.7%的变异, 第一主成分贡献率为38.1%；与0 ~ 10 cm相似, L处理基本处在PC1正轴, 而LR处理则处在PC1负轴.相关性分析表明（图 4）, SOC与其各组分（LFOC、HFOC、POC、MBC）含量、pH、SWC以及TN含量间呈极显著正相关关系（P < 0.01）, MBC与其他SOC组分（POC、LFOC、HFOC）含量间呈极显著正相关关系, DOC含量与BG酶活性呈显著正相关（P < 0.05）, 而POC含量与BG酶活性呈极显著负相关.

图 3 土壤有机碳组分及土壤酶活性与土壤理化性质之间的主成分分析（PCA） Fig. 3 Principal component analysis (PCA) of the relationships of the components of soil organic carbon and soil enzyme activities with soil physico-chemical properties

每个格子的颜色表示对于行与列的相关性, 颜色越红表示正相关性越强, 越蓝表示负相关性越强；*和**分别表示两个指标之间相关性显著（P < 0.05）和极显著（P < 0.01） 图 4 土壤有机碳组分、酶活性以及理化性质之间的皮尔逊相关分析 Fig. 4 Pearson correlation coefficients of soil organic components, enzyme activities, and soil physico-chemical properties

3 讨论 3.1 氮添加和凋落物处理对土壤理化性状的影响

本研究发现, 在经过一年多的凋落物处理之后, 凋落物去除显著降低了0 ~ 20 cm土层土壤的含水率, 其中, 上层0 ~ 10 cm的降幅大于下层10 ~ 20 cm, 主要因为0 ~ 10 cm土层与凋落物层直接接触, 因而受影响较大, 这与笔者前期研究的结果相似[29]；由此也进一步证实了橡胶林凋落物在缓解雨滴溅蚀力、消减水土流失的过程中发挥着重要作用[30].氮添加、凋落物去除均加剧了土壤酸化, 本研究采用NH4NO3作为氮沉降的氮源, 发现土壤铵态氮和硝态氮含量均与土壤pH呈显著的负相关关系, 这也说明了氮沉降的增加造成了土壤酸化的加剧[21].另外, 在凋落物保留条件下, 凋落物的分解释放丰富的阳离子, 对改善土壤pH起到关键作用[29].本研究发现, 凋落物去除对土壤pH的影响大于氮添加的影响, Maes等[31]在温带落叶林的研究也有类似的结果, 说明除氮沉降输入外, 凋落叶可能也是影响土壤酸化的主要驱动因素之一.本研究结果与唐佐芯等[32]在针阔混交林中的研究有所不同, 其研究表明土壤pH不受氮添加和凋落物处理的影响, 产生以上差异可能与研究区域的植被类型、土壤地力等因素有关.NO3--N、NH4+-N含量均随氮添加量的增加而增加, 可见土壤的有效氮水平较大程度上取决于外源氮的添加量[33].NO3--N含量垂直分布规律表现为下层 > 上层, 这与土壤水分的分布规律一致, 也说明NO3--N不易被土壤固定, 易随土壤水分的下渗而淋溶损失；与NO3--N不同, NH4+-N含量表现为上层 > 下层, 主要由于NH4+-N在土壤中以吸附态存在, 不易淋溶损失, NH4+-N的迁移和分布不受水分供应的影响[34, 35].本研究发现, 凋落物处理与氮添加的交互效应对土壤的NH4+-N和NO3--N含量均有显著或极显著的影响；凋落物去除条件下各土层NH4+-N和NO3--N含量高于凋落物保留处理, 这与凋落物保留条件下对部分外源N的截留有关, 进而减缓土壤有效氮输出对水环境的负面影响[36].

3.2 氮添加和凋落物处理对土壤有机碳及其组分的影响

植物凋落物（即地上部和根凋落物）和活根输入是陆地生态系统中土壤有机质的主要来源, 其中高达90%的植物光合产物以凋落物的形式进入土壤.本研究发现, 在相同凋落物处理条件下, 低氮处理的SOC含量最高, 其显著高于CK和高氮处理, 有机碳各组分对不同氮水平的响应与SOC相似.有研究认为氮添加量在一定范围内可以促进土壤有机碳的固存, 减小有机碳的矿化分解[37].本研究结果表明, 土壤NH4+-N和NO3--N含量与SOC含量呈负相关, 以往研究认为土壤中有效氮含量随氮沉降量的增加而增加, 且与SOC分解呈显著正相关, 土壤氮有效性的增加可能激发微生物产生更多的碳降解酶, 进而加速了SOC的分解[21, 38].另外, 还可能与高氮输入造成土壤酸化进而加速了土壤的碳损失有关[33].与凋落物保留相比, 凋落物去除显著降低了SOC含量, 凋落物去除后使林地土壤失去有机碳来源, 同时, 地表裸露加速了土壤中有机质的分解和流失, 降低了土壤有机碳含量[39].凋落物对0 ~ 10 cm表层土壤有机碳含量的影响大于10 ~ 20 cm土层.氮和凋落物处理交互作用对土壤有机碳有极显著影响, 说明凋落物处理可以调节氮沉降对土壤有机碳的影响[31].

LFOC作为土壤有机碳的活性组分, 极易受环境条件、植物、人为因素的影响而发生变化, 凋落物去除均不同程度降低了有机碳各组分含量, 尤其是对LFOC影响最大, 这与张玉岱等[25]的研究结果一致, 其认为地上部凋落物输入土壤的有机物数量与质量等的不同, 造成LFOC含量的变化剧烈, 说明LFOC对地上部有机物质的输入响应敏感性较高.氮沉降和凋落物处理对MBC和MBN以及C/N有显著或极显著影响, MBC对凋落物输入的响应比对氮沉降的响应更强烈, 凋落物去除之后土壤含水率降低, 土壤干燥导致微生物活性下降或微生物死亡, 土壤中的微生物生物量降低, 而在凋落物保留处理下凋落物中含有较多的易分解的有机物质, 从而增加了微生物生物量[40].另外, 高氮处理降低了MBC和MBN, 可能是因为高氮投入促进了微生物作用下NH4+-N向NO3--N的转化过程, 使得土壤酸化加剧, 进而抑制土壤微生物活性和生物量[21], 同时本研究中NO3--N含量与MBC含量呈显著负相关也证实了上述的结果.氮沉降和凋落物处理的交互作用对MBN具有极显著影响, 说明MBN受氮添加水平和凋落物调控的共同影响.本研究中, SOC与MBC、POC、LFOC以及HFOC之间呈极显著正相关关系, 表明土壤有机碳组分在很大程度上依赖土壤有机碳含量, 且均可作为反映土壤有机碳库的有效指标.

3.3 氮添加和凋落物处理对土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤生态系统中生物化学反应的催化剂, 与土壤有机碳的分解速率及土壤有机碳库周转模式密切相关.以往研究已证实, 在易变的底物中添加氮可通过减轻微生物的氮限制来激发微生物的生长和酶活性[33].本研究发现, 随氮添加量的增加, 土壤酶活性总体呈先增加后降低的趋势, 其中氮添加量在50 ~ 100 kg·hm-2·a-1时酶活性较高, 说明适度的氮添加可提高土壤酶活性, 这与Guan等[33]认为的100 kg·hm-2·a-1时酶活性处于较高水平接近.值得注意的是, 对于氮限制的生态系统, 当土壤氮水平超出临界阈值时, 过量的氮添加可能会对土壤酶活性产生负效应[1].另外, 氮沉降对土壤酶活性有抑制作用可能还受季节等因素的影响[41].在不施氮和低氮条件下, 凋落物去除处理显著降低PPO活性, 而在中氮和高氮条件下, 凋落物去除处理显著增加了PPO活性, 氮添加和凋落物处理的交互作用对PPO活性有极显著影响, 说明土壤酶活性受氮添加和凋落物的共同影响.Zhang等[1]研究表明, 当氮素不足而碳源充足时, 微生物会释放更多的胞外酶进而降解新鲜凋落物作为碳源来获取能量和营养物质, 从而增加了土壤中酶活性；而当氮素充足, 碳源不足时（凋落物去除）, 微生物会通过增加碳降解酶的产生增强对土壤有机质的分解.另外, 在高氮水平下, 凋落物去除显著增加了纤维素分解酶活性, 与上述的原因相同.本研究中BG酶活性与SWC呈显著正相关, 凋落物的保留改善土壤SWC并为微生物的生长提供了良好的水热环境, 进而影响了土壤酶活性.BG、PPO和CBH酶活性与SOC的相关性总体较小, 说明土壤酶活性易受到外界环境变化（水热条件等）的影响, 具体的机制仍需进一步的研究.

4 结论

N添加和凋落物去除均加剧了橡胶林土壤酸化.与凋落物保留相比, 凋落物的去除减少了外源有机物的输入, 造成土壤SOC及其组分含量降低, 其中LFOC含量的降幅最大, 0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土层降幅分别为29.0% ~ 81.4%和23.5% ~ 58.4%.土壤SOC及其组分含量随N添加量的增加呈先增加后降低的趋势, 其中, 高N添加造成土壤有机碳含量显著降低.凋落物保留结合低N输入的管理措施有助于改善橡胶林土壤SOC库和土壤质量.N添加和凋落物处理的交互作用对PPO酶活性有极显著影响, 说明PPO酶活性在参与碳循环中受凋落物和氮的共同作用.MBC、LFOC、POC以及HFOC含量与SOC含量均呈极显著正相关关系, 上述组分均可以作为反映土壤SOC库的有效指标.

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