环境科学  2025, Vol. 46 Issue (2): 1032-1045   PDF    
引用本文
毛馨月, 沈育伊, 褚俊智, 徐广平, 王紫卉, 曹杨, 陈运霜, 张德楠, 孙英杰, 黄科朝. 模拟氮沉降对中亚热带桉树人工林土壤有机碳组分及碳库管理指数的影响[J]. 环境科学, 2025, 46(2): 1032-1045.
MAO Xin-yue, SHEN Yu-yi, CHU Jun-zhi, XU Guang-ping, WANG Zi-hui, CAO Yang, CHEN Yun-shuang, ZHANG De-nan, SUN Ying-jie, HUANG Ke-chao. Effects of Simulated Nitrogen Deposition on Soil Organic Carbon Fractions and Carbon Pool Management Indicators in Mid-subtropical Eucalyptus Plantations[J]. Environmental Science, 2025, 46(2): 1032-1045.
模拟氮沉降对中亚热带桉树人工林土壤有机碳组分及碳库管理指数的影响
毛馨月1,2, 沈育伊3, 褚俊智4, 徐广平2, 王紫卉4, 曹杨1,2, 陈运霜1,2, 张德楠2, 孙英杰2, 黄科朝2     
1. 广西师范大学生命科学学院, 广西漓江流域景观资源保育与可持续利用重点实验室, 桂林 541006;
2. 广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所, 广西喀斯特植物保育与恢复生态学重点实验室, 桂林 541006;
3. 广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所, 广西植物功能物质与资源持续利用重点实验室, 桂林 541006;
4. 桂林理工大学环境科学与工程学院, 桂林 541006
收稿日期: 2024-01-18; 修订日期: 2024-04-17
基金项目: 国家自然科学基金项目(42267007)；广西重点研发计划项目(桂科AB23026013)；广西科学院基本科研业务费项目(CQZ-E-1912)；广西漓江流域景观资源保育与可持续利用重点实验室研究基金项目(LRCSU21K0203)；广西植物研究所基本业务费项目(桂植业23006)；广西喀斯特植物保育与恢复生态学重点实验室基金项目(22-035-26)
作者简介: 毛馨月(1999~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为森林生态学与环境修复, E-mail：3290823419@qq.com
通信作者: 沈育伊, E-mail：417850389@qq.com; 徐广平, E-mail：xugpgx@163.com
摘要: 探究连续5 a模拟氮沉降背景下中亚热带桉树人工林土壤有机碳组分和碳库管理指数变化特征及其影响因素, 为亚热带森林生态系统的可持续管理提供科学依据. 基于2018年建立的桉树人工林模拟氮沉降定位试验, 设置对照CK[0 kg·(hm2·a)-1]、低氮LN[50 kg·(hm2·a)-1]、中氮MN[100 kg·(hm2·a)-1]和高氮HN[150 kg·(hm2·a)-1]共4个处理, 模拟氮沉降5 a后测定土壤理化性质、碳循环相关酶活性、有机碳组分和碳库管理指数. 结果表明：①与对照相比, 随氮沉降量的增加, 土壤有机碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳、微生物生物量碳、溶解性有机碳和轻组有机碳在各土层间均趋于增大, 重组有机碳则在高氮处理下逐渐减小. ②氮沉降显著提高了碳库活度指数和碳库管理指数, 且随氮输入水平的增加而增大, 增强了与碳循环相关的蔗糖酶、淀粉酶和脱氢酶活性, 有效提高了土壤碳库质量. ③有机碳组分与土壤环境因子的相关性和冗余分析结果显示, 土壤pH分别与有机碳和活性碳组分之间存在一定的负相关, 全氮、速效氮、全钾、速效钾和各交换性离子等指标与有机碳及其组分之间多呈显著或极显著正相关, 土壤理化性质和酶活性一定程度上促进了土壤有机碳及其组分含量的提高, 交换性氢、速效钾、全钾和淀粉酶是影响土壤有机碳组分和碳库管理指数的主要环境因子. 综上, 连续5 a模拟氮沉降提高了中亚热带桉树人工林土壤有机碳、活性有机碳组分含量及碳库管理指数, 有利于提高土壤肥力, 但在高氮[150 kg·(hm2·a)-1]输入量下使重组有机碳含量及碳储量有潜在降低的趋势, 长期高氮沉降下可能降低土壤有机碳的稳定性.
关键词: 模拟氮沉降      土壤有机碳组分      活性有机碳      碳库管理指数(CPMI)      桉树人工林     
Effects of Simulated Nitrogen Deposition on Soil Organic Carbon Fractions and Carbon Pool Management Indicators in Mid-subtropical Eucalyptus Plantations
MAO Xin-yue1,2 , SHEN Yu-yi3 , CHU Jun-zhi4 , XU Guang-ping2 , WANG Zi-hui4 , CAO Yang1,2 , CHEN Yun-shuang1,2 , ZHANG De-nan2 , SUN Ying-jie2 , HUANG Ke-chao2     
1. Guangxi Key Laboratory of Landscape Resources Conservation and Sustainable Utilization in Lijiang River Basin, College of Life Sciences, Guangxi Normal University, Guilin 541006, China;
2. Guangxi Key Laboratory of Plant Conservation and Restoration Ecology in Karst Terrain, Guangxi Institute of Botany, Guangxi Zhuang Autonomous Region and Chinese Academy of Sciences, Guilin 541006, China;
3. Guangxi Key Laboratory of Functional Phytochemicals and Sustainable Utilization, Guangxi Institute of Botany, Guangxi Zhuang Autonomous Region and Chinese Academy of Sciences, Guilin 541006, China;
4. College of Environmental Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541006, China
Abstract: To study the characteristics of soil organic carbon (SOC) components and carbon pool management indicators of a Eucalyptus plantation after continuously simulating nitrogen deposition for five years and to explore the relationship between soil organic carbon components and soil environmental factors, it is helpful to understand the influence of nitrogen deposition on soil quality and SOC pool stability and provide a scientific basis for sustainable management of subtropical forest ecosystems and protection of the soil environment. In a long-term positioning test of simulating nitrogen deposition from 2018, four different treatments were selected: CK [0 kg·(hm2·a)-1], low nitrogen LN [50 kg·(hm2·a)-1], middle nitrogen MN [100 kg·(hm2·a)-1], and high nitrogen HN [150 kg·(hm2·a)-1]. The contents of SOC, light fraction organic carbon (LFOC), heavy fraction organic carbon (HFOC), easily oxidized organic carbon (EOC), dissolved organic carbon (DOC), particulate organic carbon (POC), microbial biomass carbon (MBC), soil physicochemical properties, carbon cycling-related enzyme activity, and carbon pool management indicators following the different treatments were measured. The results showed that: ① Compared to those in the control, the contents of SOC, DOC, EOC, POC, and MBC increased significantly with the increase in nitrogen deposition. By contrast, HFOC tended to decrease under the higher nitrogen deposition treatment. ② The input of nitrogen improved the carbon pool activity index and carbon pool management indicators significantly with the increase in nitrogen deposition levels. Nitrogen deposition enhanced the activities of sucrase, amylase, and dehydrogenase related to carbon cycling and improved soil carbon pool quality effectively. ③ The correlation and redundancy analysis between organic carbon components and soil environmental factors showed that soil pH, organic carbon content, and activated carbon components were negatively related. Physical and chemical indicators such as TN, AN, TK, AK, exchangeable ions, etc., all showed a significant or extremely significant positive correlation with organic carbon and its components, respectively. The soil physicochemical properties and carbon cycle-related enzymes promoted the increase in soil organic carbon and its component content to a certain extent. Soil exchange hydrogen, available potassium, total potassium, and amylase were the main environmental factors driving the changes in soil organic carbon composition and carbon pool management indicators. In conclusion, the continuous simulated nitrogen deposition for five years improved soil organic carbon, active organic carbon components, and carbon pool management indicators. This was beneficial to maintaining or improving the soil fertility of Eucalyptus plantations in mid-subtropical regions. However, there was a potential decrease in the content of heavy fractions of organic carbon and carbon storage under high nitrogen input levels [150 kg·(hm2·a)-1]. Long-term high nitrogen deposition may reduce the stability of soil organic carbon.
Key words: simulated nitrogen deposition      soil organic carbon component      active organic carbon      carbon pool management index(CPMI)      Eucalyptus plantation     

大气氮沉降是指活性氮通过干、湿沉降从大气中沉降至地表的过程, 是全球变化的重要影响因素之一, 沉降到各生态系统中的氮可为植物提供营养, 但过量的氮沉降则会对生态系统造成负面影响[1]. 20世纪以来, 我国已成为继欧美之后第三大氮沉降集中区[2], 随着工业发展、农业施肥以及化石燃料燃烧等人为活动增加了大气中活性氮化合物的排放量, 并通过氮沉降进入陆地生态系统, 从而影响土壤碳循环[3]. 森林生态系统是陆地生态系统中面积最大的生态系统, 受氮沉降的影响最为显著, 氮沉降的增加在一定程度上改变了森林土壤生物地球化学循环中的土壤碳组分特征[4, 5]. 我国高氮沉降主要分布在东部、中部和南部, 其中南部氮沉降平均值> 30 kg·(hm2·a)-1, 最高值超过60 kg·(hm2·a)-1[6]. 我国南方亚热带森林占我国森林总面积的67%, 同时占全球亚热带森林的33%[7]. 因此, 开展氮沉降对南方亚热带森林土壤碳库特征的影响研究至关重要.

土壤碳库被认为是陆地生态系统最大的有机碳库, 是植物碳库的2~3倍、大气碳库的2倍, 其细微的变化都会对全球碳循环及气候变化产生极大影响[8]. 土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)作为土壤的重要组成部分, 根据其密度可分为轻组有机碳(light fraction organic carbon, LFOC)和重组有机碳(heavy fraction organic carbon, HFOC), 据其稳定性和分解速率分为较稳定的惰性碳组分和不稳定的活性碳组分[9]. 活性碳主要包括易氧化态有机碳(easily oxidizable carbon, EOC)、颗粒有机碳(particulate oxidizable carbon, POC)、微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)和可溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)等, 活性碳在有机碳中占比小, 却是最活跃的成分, 能准确反映土壤养分等的动态变化[9, 10]. 目前氮沉降对土壤有机碳组分的研究已经引起了广泛关注, 已有的研究发现氮沉降对土壤有机碳及活性碳的影响表现为促进、抑制和无显著影响这3个方面[4, 5, 11~13]. 例如, 许凯等[11]研究发现氮沉降增加了苏北沿海杨树人工林土壤MBC和DOC含量；滇中亚高山森林土壤SOC、POC和EOC含量随氮沉降的升高而上升, 表现为促进作用[4]. 简俊楠等[12]研究发现短期氮添加显著降低黄土高原人工刺槐林土壤SOC和EOC的含量. 有研究表明[4], 氮沉降对土壤MBC的负面影响在陆地生态系统中普遍存在, 而对土壤DOC含量影响尚存争议[13]. 也有研究表明3 a氮沉降对亚热带杉木人工林土壤有机碳及POC无显著影响[5].

Lefroy等[14]首次提出碳库管理指数(CPMI), 它综合了土壤碳库和碳库活度两个指标, 可以更全面反映外界因素对土壤有机碳的影响, 能够指示土壤肥力和土壤质量的变化, 是研究土壤碳库的一个关键内容[15]. 涂利华等[16]的研究表明氮沉降显著降低了华西雨屏区慈竹林土壤的碳库管理指数；张雅柔等[17]的研究表明, 短期氮添加可以提高碳库管理指数, 增加土壤有机质含量；而刘红梅等[18]的研究结果表明, 低氮显著增加了贝加尔针茅草原土壤碳库活度和碳库管理指数, 但长期高氮处理下会降低碳库管理指数, 从而降低土壤碳库质量. 全球Meta分析结果表明[19], 氮沉降可能对土壤碳库总体没有影响, 但随着氮沉降的增加, 土壤碳储量可能会随之增加, 相关结论仍需要进一步证明. 可见, 有关氮沉降对土壤有机碳及其组分、碳库管理指数的影响仍存有不确定性, 这主要与试验区域、植被类型以及氮沉降水平等的不同有关. 此外, 土壤碳循环相关酶积极参与土壤碳的转化, 对提高土壤肥力有重要作用, 可作为评价土壤质量和养分供应能力的重要表征, 在森林生态系统中扮演着重要的角色, 而不同生态系统中土壤酶活性对氮沉降的响应亦存在差异[20].

桉树(Eucalyptus)是亚热带地区具有代表性的速生树种, 具有用途广且经济效益高等特点, 在人工林生态系统中占据重要地位, 广西地处亚热带地区, 其桉树人工林面积在我国位居首位[21]. 近年来我国亚热带地区氮沉降量已高达63.53 kg·(hm2·a)-1, 远超世界平均水平[22], 广西的氮沉降量亦较高[2]. 探究氮沉降背景下亚热带桉树人工林土壤有机碳库的变化趋势具有重要意义, 而目前氮沉降对桉树人工林土壤有机碳及碳组分特征的影响还鲜见报道. 基于此, 本研究通过2018年建立的中亚热带桉树人工林模拟氮沉降定位试验, 连续5 a模拟氮沉降后, 分析土壤有机碳组分、碳库管理指数及碳循环相关酶活性的变化特征, 揭示驱动桉树人工林有机碳库变化的关键环境因子, 以期为我国亚热带地区森林生态系统的可持续发展、土壤碳固存能力以及生态环境保护提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区域选择在广西桉树人工林主产区之一的国有黄冕林场, 地处柳州市鹿寨县与桂林市永福县交界区域, 24°37′25″~24°52′11″N, 109°43′46″~109°58′18″E, 属于中亚热带气候, 无霜期长, 雨热同期；年均气温为19 ℃, 年平均降雨量为1 750~2 000 mm, 主要集中在4~8月, 热量充足, 年均蒸发量1 426~1 650 mm. 黄冕林场主要为低山和丘陵地貌, 地形起伏大, 坡面险峻, 林地土壤类型主要以砂岩和砂页岩等发育而成的红壤和山地黄红壤为主[21]. 2 018年1月样地初始土壤理化性质为(0~30cm土层平均值)：pH值5.33, 阳离子交换量(CEC)6.97 cmol·kg-1, 电导率(EC)32.54 μS·cm-1, 土壤含水量20.12 %, 容重1.71 g·cm-3, ω[有机碳(SOC)] 5.65 g·kg-1, ω[全氮(TN)] 0.59 g·kg-1, ω[全磷(TP)] 0.29 g·kg-1, ω[全钾(TK)] 4.93 g·kg-1, ω[速效氮(AN)] 55.42 mg·kg-1, ω[速效磷(AP)] 1.32 mg·kg-1, ω[速效钾(AK)] 29.34 mg·kg-1.

1.2 试验方法 1.2.1 样地设置和样品采集

在2018年1月, 选择成土母质一致、海拔和坡度接近、地势相对缓和平坦、具有代表性的一代4 a林龄桉树人工林作为研究对象, 林分密度为1 250株·hm-2、坑规格50 cm × 50 cm × 30 cm, 窄行的株行距为2 m× 3 m, 宽行间距为5 m. 设计完全随机区组试验, 共建立16个样地, 每个样地面积为20 m×20 m, 样地之间设15 m宽的缓冲带以防止相互影响. 通过人工喷洒氮的方式对未来氮沉降趋势进行模拟. 参考Mo等[23]、Wright等[24]和Aber等[25]模拟氮沉降研究的试验方法, 同时结合该地区的年平均氮沉降量强度[40 kg·(hm2·a)-1]及未来大气氮沉降可能继续增加的趋势[26], 试验设置对照CK[0 kg·(hm2·a)-1]、低氮LN[50 kg·(hm2·a)-1]、中氮MN[100 kg·(hm2·a)-1]和高氮HN[150 kg·(hm2·a)-1]这4个处理, 每个处理各设4个重复. 用硝酸铵(NH4NO3)进行模拟氮沉降处理, 将年施用量平均分成12等份, 从2018年1月开始, 每月初对样地施氮1次, 在整个试验研究期间(2018~2023年)持续进行. 具体方法是将各水平所需NH4NO3溶解至20L去离子水中, 用喷雾器在该水平样方中来回均匀喷洒, 对照则喷洒等量的去离子水, 以尽量减少试验不同处理间的差异.

于2023年1月, 在模拟氮沉降连续5 a后进行土壤取样. 按照S型方法在各样地中选取5个代表性样点, 按0~10、10~20和20~30 cm不同层次用土壤取样器分层取土, 同层5个点土壤混匀为1个土样. 将每个样地采集的土壤样品, 装在无菌自封袋中, 迅速置于密封冰袋容器中冷藏后带回实验室于4℃冰箱中保存备用. 鲜样用于土壤微生物生物量、土壤酶等的分析；风干样用于土壤碳组分、全氮等理化性质的测定.

1.2.2 土壤理化性质和碳组分的分析

土壤容重(SD)采用环刀法, pH用酸度计测定(水土质量比为2.5∶1)；土壤TN通过Vario ELIII元素分析仪(德国)分析；TP用浓硫酸-高氯酸消煮, 钼锑抗比色法(Agilent8453紫外-可见分光光度计, 美国)；TK用硫酸-高氯酸消煮, 火焰光度法；AN用碱解扩散法；AP用碳酸氢钠浸提, 钼锑抗比色法；AK用火焰光度法. 土壤交换性酸、交换性铝和交换性氢用1 mol·L-1 KCl提取, 0. 02 mol·L-1 NaOH滴定法[27]. 土壤交换性钠(M3-Na)、交换性钙(M3-Ca)和交换性镁(M3-Mg)采用马立峰等[28]使用的Mehlich 3浸提剂浸提法, 水土比10∶1混合振荡, 滤液稀释5倍, 用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP, 美国PE optima5300DV)测定.

土壤SOC采用日本岛津5000A总有机碳TOC仪测定；分别采用高锰酸钾氧化-比色法[29]、0.5 mol·L-1 K2SO4浸提法[30]、六偏磷酸钠分散法[31]和氯仿熏蒸浸提法[32]来分析土壤EOC、DOC、POC和MBC；土壤LFOC和HFOC采用NaI密度分离法[33], 用德国耶拿Multi N/C 3100 TOC仪测定其有机碳含量. 以上相关试验方法详见文献[34]的描述. 土壤碳储量(S, g·cm-2)=10C·BD·h, 式中, C为全碳质量比(g·kg-1), BD为土壤容重(g·cm-3), h为实际土层深度(cm). 土壤碳库管理指数相关指标参考徐明岗等[15]的方法, 稳态碳(SC)=土壤有机碳-土壤活性有机碳；碳库活度(A)=土壤活性有机碳/土壤稳态碳含量；碳库活度指数(AI)=土壤碳库活度/参考土壤碳库活度；碳库指数(CPI)=土壤有机碳/参考土壤有机碳；碳库管理指数(CPMI)=碳库活度指数×碳库指数×100. 以样地周围无氮添加桉树人工林土壤为参考土壤, 分析参考土壤有机碳和参考土壤碳库活度. 土壤蔗糖酶和淀粉酶采用3, 5-硝基水杨酸比色法, 脱氢酶采用氯化三苯基四唑还原法测定[35].

1.3 数据分析

采用Excel 2010、Origin Pro 2021b整理数据和进行图表制作, 用SPSS 21.0进行数据处理, 对不同处理不同土层的土壤理化性质、有机碳及其组分和土壤碳库管理指数等数据采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan多重比较(α=0.05)等统计分析, 对土壤各指标进行Pearson相关性分析, 使用Canoco 5软件进行冗余分析(RDA).

2 结果与分析 2.1 氮沉降对土壤理化性质的影响 2.1.1 氮沉降对土壤pH和容重的影响

从图 1可以看出, 与对照相比, pH值和容重均随着氮输入水平的增加而下降(P < 0.05). 随着土层深度的加深, pH值呈现逐渐增加的趋势, 尤其在高氮输入量处理下效果明显, 而容重则趋于减小(P < 0.05).

不同大写字母表示同一处理不同土层间差异显著(P < 0.05), 不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著(P < 0.05), 下同 图 1 不同氮沉降处理下土壤pH和容重的变化 Fig. 1 Changes in soil pH and bulk density under different nitrogen deposition treatments

2.1.2 氮沉降对土壤化学性质的影响

从表 1中可知, 与对照相比, 随氮输入量的增加, 0~30cm土层土壤TN、AN、交换性氢和交换性铝的平均值逐渐增加, C/N和交换性镁的平均值逐渐降低, TP、AP和交换性钙的平均值大小关系一致表现为：LN > CK > MN > HN, TK和AK的平均值大小关系一致表现为：MN > HN > LN > CK, 交换性钠的大小关系表现为：MN > CK > HN > LN. 除了MN处理的TN、TP和交换性钙含量, LN处理的AP含量, HN处理的交换性铝含量分别在20~30 cm土层略增加之外, 其它土壤各化学性质总体上随土层的加深而显著降低(P < 0.05).

表 1 不同氮沉降处理下土壤化学性质变化1) Table 1 Change of soil chemical properties under different nitrogen deposition treatments

2.2 氮沉降对土壤碳组分含量的影响 2.2.1 氮沉降对土壤活性碳组分含量的影响

图 2所示为模拟氮沉降后土壤SOC含量及碳储量的变化趋势, 与对照相比, 随氮输入水平的增加, 各土层的SOC含量均呈现先增加后略减少的趋势, 大小顺序为：MN > HN > LN > CK. 在同一处理不同土层中, 表层土壤SOC含量最高, 随着土层深度的增加而显著降低(P < 0.05). 在0~10和10~20 cm土层间, 土壤碳储量随着氮输入水平的增加而呈现先降低后增加再降低的趋势, 且小于对照；20~30 cm土层的碳储量则呈现先增加后略降低的趋势, 且高于对照. 同一处理下, 土壤碳储量随土壤深度增加而减少(P < 0.05). 0~30 cm土层土壤碳储量平均值大小顺序为：MN(1 006.73 g·cm-2) > CK(1 001.44 g·cm-2) > LN(999.56 g·cm-2) > HN(908.12 g·cm-2).

图 2 不同氮沉降处理下土壤有机碳及碳储量的变化 Fig. 2 Change in soil organic carbon and carbon storage under different nitrogen deposition treatments

从图 3可以看出, 土壤活性碳库组分含量大小由高到低依次为：EOC > POC > MBC > DOC. 与对照相比, 和土壤SOC含量的变化趋势类似, 土壤POC、EOC和DOC含量均随氮输入水平的增加而增加(P < 0.05), 其0~30 cm土层含量平均值的增幅分别为15.22%、36.23%和54.35%, 13.04%、40.76%和69.57%, 9.94%、19.98%和31.99%. 土壤MBC的含量呈现先增加后略降低的趋势(P < 0.05), 且大小顺序为：MN > LN > HN > CK. 除LN处理20~30 cm土层的POC含量略增大之外, 其它氮沉降处理下土壤POC、EOC、DOC和MBC含量均随土层深度的加深而降低(P < 0.05).

图 3 不同氮沉降处理下土壤活性有机碳含量的变化 Fig. 3 Change in soil labile organic carbon content under different nitrogen deposition treatments

图 4为土壤轻组和重组有机碳含量的变化. 与对照相比, 随着氮输入量的增加各土层间的LFOC含量逐渐增加, 各氮沉降处理0~30 cm土层LFOC含量的平均增幅为39.81%、76.85%和116.67%, 且不同处理间存在显著差异(P < 0.05). 除MN处理20~30 cm土层的LFOC含量略增大之外, 其它各处理土壤LFOC含量随着土层深度的加深而降低(P < 0.05). 随氮输入量的增加, 各土层HFOC的变化规律有所不同, 0~10 cm土层HFOC含量逐渐降低, 10~20 cm和20~30 cm土层的HFOC含量呈现先上升后下降的趋势. 在同一处理下, 不同土层中HFOC的含量随着土层的加深而降低, HFOC含量主要富集在土壤表层(P < 0.05), 0~30 cm土层HFOC含量平均值大小表现为：MN > LN > CK > HN, 说明高氮[150 kg·(hm2·a)-1]持续输入下会减小HFOC含量, 可能降低土壤有机碳的稳定性.

图 4 不同氮沉降处理下土壤轻组和重组有机碳含量的变化 Fig. 4 Changes in soil light and heavy fraction organic carbon content under different nitrogen deposition treatments

2.2.2 氮沉降对土壤活性碳组分分配特征的影响

由表 2可知, 土壤中HFOC/SOC值最大, EOC/SOC值次之, POC/SOC值也较大, DOC/SOC值最小, 各碳库组分对土壤有机碳库的贡献比例大小关系依次为：HFOC > EOC > POC > LFOC > MBC > DOC. 与对照相比, 0~30cm各土层中EOC/SOC、POC/SOC、MBC/SOC、DOC/SOC和LFOC/SOC的平均值总体上随着氮输入量的增加呈上升的趋势, 而HFOC/SOC的平均值呈现下降的趋势. 随土层深度的加深, 在CK中, EOC/SOC和LFOC/SOC值呈现增加的趋势, POC/SOC和MBC/SOC值呈现先减小后增加的趋势, DOC/SOC和HFOC/SOC值趋于下降；在氮沉降处理中, EOC/SOC和DOC/SOC值呈现下降的趋势, POC/SOC、MBC/SOC和LFOC/SOC值呈现先减小后增加的趋势, HFOC/SOC值呈现先增大后减小的趋势. 总体上, 5 a模拟氮沉降有利于桉树人工林土壤活性有机碳组分比例的提升.

表 2 不同氮沉降处理下活性碳各组分占土壤有机碳的比例/% Table 2 Proportion of soil labile organic carbon contents to soil organic carbon under different deposition treatments/%

2.3 氮沉降对土壤碳库管理指数的影响

表 3是不同氮输入水平下土壤碳库管理指数的变化特征. 与对照相比, 随着氮输入量的增加, 在0~10 cm土层, SC含量趋于降低, A、AI、CPI和CPMI指数均逐渐增大；在10~20 cm和20~30 cm土层, SC含量呈现先增加后减小的趋势, A和AI指数表现为先减小后增大的趋势, 而CPI和CPMI指数呈现增大的趋势. 各指数0~30 cm土层的平均值, 随着氮输入量的增加, SC含量呈现先增大后减小的趋势；A、AI、CPI和CPMI指数总体上趋于增大, 说明5 a模拟氮沉降增加了桉树人工林土壤碳库活度指数和碳库管理指数.

表 3 氮沉降对土壤碳库管理指数的影响 Table 3 Effects of nitrogen deposition on soil carbon pool management indicators

随土层深度的加深, 各指数的变化趋势不尽一致, SC含量在CK和LN处理逐渐减小, 在MN和HN处理呈现先增加后减小的趋势；A指数在CK处理表现为逐渐增大, 在各氮沉降处理总体表现为趋于减小；AI指数在CK表现为先增大后减小, 在各氮沉降处理表现为逐渐减小；CPI指数在CK和各氮沉降处理下, 一致表现为增大的趋势；CPMI指数在CK, LN和MN处理呈现先增大后减小的趋势, 在HN处理表现为逐渐降低的趋势.

从表 4可以看出, 与对照相比, 随着氮输入量的增加, 0~30cm土层与碳循环相关的SUC、AMY和DHA活性均显著增大, 大小关系一致表现为：MN > LN > HN > CK(P < 0.05). 随着土层深度的加深, SUC、AMY和DHA活性的变化一致且呈现逐渐降低的趋势(P < 0.05). 表明5 a模拟氮沉降对桉树人工林土壤碳循环相关酶活性(SUC、AMY和DHA)具有一定的促进作用.

表 4 氮沉降对土壤酶活性的影响 Table 4 Effects of nitrogen deposition on soil enzyme activities

2.4 土壤有机碳组分与土壤理化性质和酶活性的相关性

对0~30 cm土层土壤有机碳组分与土壤理化性质和酶活性的相关性进行了分析, 由图 5可知, 除了pH值分别与EOC、POC、LFOC、AI、CPMI和EXHY呈极显著负相关性(P < 0.01), 与TN呈显著负相关性(P < 0.05), C/N分别与LFOC和TN呈显著负相关性(P < 0.05)之外, pH和C/N均与其它大部分因子间呈现不显著负相关或无相关性. BD分别与HFOC、EXSO和EXMA间呈显著正相关性(P < 0.05), 分别与TP和AP呈极显著正相关性(P < 0.01). 除以上pH值、C/N和BD之外, 其它SOC、EOC、POC、MBC、DOC、LFOC、HFOC、AI、CPMI、SUC、AMY、DHA、TN、TP、TK、AN、AP、AK、EXAI、EXHY、EXSO、EXCA和EXMA两两间大部分具有显著(P < 0.05)或极显著正相关性(P < 0.01). 说明土壤理化性质和酶活性对有机碳及组分的提高具有促进作用, 5 a模拟氮沉降对桉树人工林土壤质量有积极的影响.

SOC：有机碳, EOC：易氧化态碳, POC：颗粒有机碳, MBC：微生物生物量碳, DOC：溶解性有机碳, LFOC：轻组有机碳, HFOC：重组有机碳, AI：碳库活度指数, CPMI：碳库管理指数, SUC：蔗糖酶, AMY：淀粉酶, DHA：脱氢酶, BD：容重, pH：酸碱度, C/N：碳氮比, TN：全氮, TP：全磷, TK：全钾, AN：速效氮, AP：速效磷, AK：速效钾, EXAI：交换性铝, EXHY：交换性氢, EXSO：交换性钠, EXCA：交换性钙, EXMA：交换性镁, 下同；红色表示两个变量呈正相关, 蓝色表示变量呈负相关, 色彩越深表示变量相关性越大, *表示不同因子间在P < 0.05水平上呈现显著相关, **表示不同因子间在P < 0.01水平上呈现极显著相关 图 5 土壤有机碳组分与理化性质和酶活性间的相关性 Fig. 5 Correlation among soil organic carbon fractions, physico-chemical properties, and soil enzyme activities

以0~30 cm土层的土壤有机碳及其组分为响应变量, 土壤环境因子为解释变量, 进一步进行RDA分析. 从图 6可知, 土壤有机碳及其组分、碳库活度指数和碳库管理指数在第Ⅰ轴、第Ⅱ轴的解释变量分别为75.95%和16.86%, 累计解释变量为92.81%, 由此可知前两轴可以很好地反映有机碳及其组分、碳库管理指数与土壤环境因子之间的关系. 图 6中pH与土壤有机碳组分和碳库管理指数呈负相关性, DOC、MBC和SOC分别与土壤AK、TK、DHA、AMY和EXSO表现出较强的正相关性；HFOC分别与EXCA、AMY和EXSO间, EOC分别与TN和EXHY间, POC与EXHY间的相关性较大, AI和CPMI分别与EXHY间的相关性较大.

黑色箭头线条表示响应变量, 红色箭头线条表示解释变量 图 6 土壤有机碳组分与土壤环境因子的冗余分析 Fig. 6 Redundancy analysis (RDA) of soil organic carbon composition and soil environmental factors

表 5为土壤有机碳及其组分变化影响因素的重要性排序和显著性检验结果. 土壤理化性质等环境因子中的交换性氢、速效钾、全钾和淀粉酶对土壤有机碳及其组分的影响达到显著水平(P < 0.05), 解释率分别为69.2%、19.2%、6.1%和2.1%, 说明这4个环境因子是影响土壤有机碳及其组分和碳库管理指数的关键驱动因子, AP和TN等其他环境因子的影响未达到显著水平(P > 0.05).

表 5 土壤环境因子解释度的重要性排序 Table 5 Importance sequencing and significance test results of interpretation of soil environmental factors

3 讨论 3.1 氮沉降对土壤有机碳及碳库管理指数的影响

本研究中, 连续5 a模拟氮沉降显著增加了桉树人工林有机碳含量, 促进了有机碳的积累, 与许凯等[11]模拟氮沉降对苏北沿海杨树人工林土壤有机碳的影响, 涂利华等[16]模拟氮沉降对华西雨屏区苦竹人工林有机碳影响的研究结果一致, 也与尚旭冉等[4]模拟氮沉降增加了滇中亚高山森林土壤有机碳的研究结果一致. 土壤SOC的变化取决于有机物质的输入和以土壤微生物分解作用为主的有机物质损失之间的平衡[36]. 有研究表明氮沉降加速了凋落物的分解, 使土壤中的有机碳含量增加[37]. 沈芳芳等[38]探讨了氮沉降对杉木人工林土壤有机碳矿化的影响, 结果表明氮添加降低了土壤有机碳矿化, 从而导致有机碳在土壤中的累积. 本研究中, 不同氮沉降水平下土壤有机碳含量有明显差异, 在MN处理下SOC含量达到最高, 在HN处理下SOC含量略下降, LN与HN处理在0~10 cm土层间无显著差异, 结果与洪祖荣[39]模拟氮沉降对柳树人工林土壤有机碳的影响一致. 原因可能主要有：①前期外源氮输入弥补了桉树人工林土壤中本身所缺的氮, 加快了凋落物的分解, 从而增加了土壤有机质, 而持续性高氮量输入可能使土壤中的氮饱和, 过量的氮输入则降低木质素的酶活性, 抑制了凋落物的分解[40], 因此本研究在HN处理下SOC的含量出现下降趋势；②连续5 a模拟氮沉降显著降低了土壤pH(图 1), 造成酸性环境, HN处理对有机碳的累积产生影响；③高氮量处理促进了有机碳的矿化[41], 从而使SOC含量出现小幅下降. 此外, 课题组在本样地同期的研究发现, 模拟氮沉降显著抑制土壤呼吸, 减少了土壤有机碳的输出, 这也有利于土壤有机碳含量的增加.

LFOC被认为是动植物残体和微生物残骸的碳, 是有机碳库中较活跃的部分, HFOC是与矿物结合有机碳, 其主要成分是腐殖质, 对土壤有机碳库的稳定性和质量有重要作用[34, 42]. 研究表明HFOC对施肥措施的敏感性低于LFOC部分[42], 江晶等[43]的研究结果表明, 氮素添加显著增加了LFOC的含量, 但对HFOC无显著影响. Yuan等[44]在新西兰次生林中15 a的氮添加试验表明, 增加了轻组和重组有机碳含量, 这是因为木质素化合物的分解. 本研究中, 模拟氮沉降5 a后显著增加了土壤中轻组有机碳含量, 这与其他研究结果类似[43, 44], 桉树人工林土壤有机碳的主要组成部分是HFOC, 属于分解速度较慢的惰性有机碳库, 土壤碳库比较稳定, 重组有机碳在不同土层间的变化略有所差异, 但随着氮沉降水平的升高, 土壤LFOC逐渐上升, 而HFOC呈先升高后下降的趋势, 表明氮沉降促进了HFOC向LFOC的转化, 暗示长期氮沉降条件下土壤有机碳稳定性有潜在降低的趋势.

土壤碳库管理指数能够反映土壤质量变化和更新的程度, 数值越大, 说明有机碳越容易被微生物分解和被植物吸收利用, 而碳库质量也会越高[15, 18]. 碳库管理指数升高代表土壤肥力增加, 碳库管理指数下降则指示了土壤肥力降低[15]. 刘红梅等[18]的研究结果表明, 低氮显著增加了贝加尔针茅草原土壤碳库活度和碳库管理指数, 但长期高氮处理下会降低碳库管理指数, 从而降低土壤碳库质量. 张雅柔等[17]的研究表明, 短期氮添加可以提高碳库管理指数, 增加土壤有机质含量, 这与本研究的结果类似. 桉树人工林随着氮输入水平的上升, 碳库活度、碳库活度指数、碳库指数和碳库管理指数均呈现上升趋势, 说明试验采用的3个氮水平在短期(5 a)氮沉降后, 提高了桉树人工林土壤的碳库管理指数和土壤碳库质量, 有利于改善土壤肥力和增强土壤养分循环. 本研究中土壤活性有机碳、碳库活度指数和碳库管理指数之间呈显著正相关性, 表明土壤碳库管理指数可作为指示土壤质量变化的可靠指标.

3.2 氮沉降对活性有机碳组分的影响

微生物生物量碳是土壤中活的细菌、藻类和土壤微动物体内含有的碳, 是活性碳中最活跃、易变化的碳, 对施肥等农业措施的反映比较敏感[9]. 本研究中, MBC与土壤有机碳含量具有较好的正相关性, 各土层MBC随着氮输入水平的增加呈现先增加后略降低的趋势, 但总体上氮沉降促进了MBC的增加, 与SOC的变化趋势一致, MBC的变化趋势也与简俊楠等[12]短期氮添加对黄土高原人工刺槐林土壤有机碳组分影响的结果一致. 这可能是由于持续的氮添加, 会导致土壤所需氮趋于饱和状态, 过多的氮输入可能表现出对土壤微生物生长不利影响的趋势. 周世兴等[45]的研究结果表明, MBC的降低可能与土壤酸化有关, 过量氮的添加导致土壤酸化, 产生“铝毒效应”, 抑制微生物活动, 进而影响MBC的含量, 这与本研究的结果相接近. 本研究中HN处理下土壤pH显著降低(图 1)、土壤呈现酸化趋势, MBC的含量也在HN处理下趋于减小. 本研究表明, 氮沉降显著增加了桉树人工林土壤POC、EOC和DOC的含量, 这与尚旭冉等[4]模拟氮沉降增加了滇中亚高山森林土壤POC、EOC等含量的研究结果类似. POC主要来源于植物残体分解产物中的有机碳, 活性高、易分解, EOC在有机碳中稳定性较差[16], 乔枫等[46]模拟氮沉降对云杉人工林土壤有机碳组分影响的研究表明, POC、EOC随施氮量的增加而增加, 其还表明pH的降低导致了有机碳各组分的增加, 这与本研究结果相一致. DOC是有机碳中最活跃的一部分, 易移动, 来源于土壤中的腐殖质、根系分泌物和微生物等, 容易被微生物利用分解, 对外界环境的敏感性也更高[9]. 有研究表明, DOC是凋落物和土壤有机质的分解和淋溶的产物[47]. 本研究中DOC随着氮沉降量的增加而上升, 可能缘于模拟氮沉降促进了凋落物的分解, 为微生物提供了生存所需的能量, 进而释放出更多的溶解性有机碳. 此外, Yano等[48]认为氮沉降会导致土壤中的木质素难以完全分解, 从而增加土壤DOC的含量. 也有研究认为, 氮沉降促进了可溶性酚类物质的积累, 进而增加了土壤中DOC的含量[49].

有研究表明, 活性有机碳占有机碳的比例关系可以消除土壤有机碳含量对不同活性碳的影响, 相较于有机碳含量, 更能体现氮沉降对于土壤质量的影响[9]. MBC/SOC值作为土壤微生物熵, 反映了土壤微生物对SOC的贡献, 该值越高, 土壤碳活性越大[34]. 本研究中, 随着氮沉降输入量的增大, 各氮沉降处理的MBC/SOC值趋于增大, 说明氮沉降处理可能改变土壤微生物的种群和数量, 促进了土壤微生物对底物的利用, 加快非活性有机碳向活性有机碳转变, 提高了土壤有机碳的有效性, 土壤质量逐渐得到改善. 而氮沉降处理0~30 cm土层中DOC/SOC的平均值有增大的趋势(P > 0.05), 说明氮沉降有促进土壤有机碳矿化的趋势, 但在未来长期的高氮输入下, 可能不利于有机碳的积累, 并降低土壤有机碳的稳定性. 氮沉降处理下桉树人工林0~30 cm土层土壤HFOC/SOC、EOC/SOC、POC/SOC、LFOC/SOC、MBC/SOC和DOC/SOC的平均值分别在61.56%~79.02%、3.4%~49.02%、25.93%~34.76%、20.98%~38.44%、1.52%~1.78%和0.19%~0.22%之间, 这与毕乐乐[49]的研究结果类似. 随着氮输入量的增加, EOC、POC、LFOC和DOC分别占SOC的比例呈增大趋势, 均大于CK, 而HFOC占SOC值则呈减小趋势, 氮沉降增加了土壤活性有机碳占总有机碳的比例, 这也与许凯等[11]的研究结果一致. 说明5 a模拟氮沉降能够提高中亚热带桉树人工林土壤活性有机碳含量, 也表明在持续高氮沉降下土壤有机碳稳定性可能有降低的趋势, 这与DOC/SOC变化的结果相接近. 不同的是, 林伟等[13]的研究结果表明, 5 a的氮添加对亚热带常绿阔叶林(浙江桂天然林和罗浮栲天然林)和针叶林(杉木人工林)土壤活性和惰性有机碳组分的影响存在差异, 但差异不显著, 未表现出明显的施肥效应. 这说明不同树种和不同地理条件对氮沉降的响应不同.

3.3 影响土壤有机碳库及其组分的环境因子

本研究中土壤SOC分别与EOC、MBC和DOC呈极显著正相关关系, 与POC呈显著正相关关系, 说明土壤SOC含量很大程度上影响着土壤活性有机碳的含量, 这是由于土壤有机碳中的活性部分参与了土壤微生物化学转化过程, 与有机碳处于动态平衡, 在一定条件下能够实现相互转化[4]. 在中等量施氮下, 植物根系的生长和发育更好, 根系分泌物为土壤提供大量DOC的同时也为微生物提供了有机物质, 从而促进土壤中SOC向DOC的转化[50]. 本研究中活性有机碳组分两两间存在极显著正相关关系, 说明活性碳组分之间关系密切, 共同影响着土壤有机碳的周转, 这与刘雅洁等[51]的研究结果一致. 桉树人工林有机碳和活性碳组分均与土壤pH、全钾、速效氮、交换性氢和交换性钠等之间存在较强的相关关系, 说明土壤有机碳及其组分受土壤理化性质的影响, 连续5 a模拟氮沉降通过改善土壤养分含量提高了土壤活性有机碳累积. TN与SOC及其组分之间存在较显著的正相关关系, 这与前人的研究结果一致[52], 这是因为土壤氮含量会影响微生物对有机质的分解和利用速率[53], 进而对有机碳组分的含量产生影响.

冗余分析结果表明, 显著影响有机碳库的关键因子有交换性氢、速效钾、全钾和淀粉酶(P < 0.05), 这4个因子对有机碳库的含量变化起主要驱动作用. 交换性氢的解释度高达69.2%, 对有机碳及其组分的影响最大. 本研究中速效钾随着施氮水平的上升呈现上升趋势(表 1), 有研究表明速效养分的增加来源于土壤微生物的活动增强、根系分泌物增多[54], 进而影响有机碳库的含量. 交换性氢属于致酸离子, 交换性氢随着氮输入水平的增加而上升, 这可能导致土壤pH下降、土壤酸化, 进而影响了有机碳库. 本研究中随着氮输入含量的增加, pH下降, 且土壤pH与有机碳及其组分呈负相关关系, 土壤pH的降低会影响碳组分的周转速率, 减少土壤有机碳的损失, 这与其他研究的结果一致[55]. 虽然短期(5 a)模拟氮沉降在一定程度上增加了土壤有机碳及其组分, 有利于土壤有机碳存量, 但是在高氮输入量水平[150 kg·(hm2·a)-1]下有机碳含量及碳储量存在潜在降低的趋势, 这可能对亚热带桉树人工林生态系统生产力产生不利影响, 还需要后续进一步地深入研究.

土壤酶积极参与土壤碳的转化, 对提高土壤肥力有重要作用. 有研究表明[20], 在低氮和中氮处理下提高了土壤碳相关酶活性(蔗糖酶、纤维素酶、多酚氧化酶和过氧化氢酶). 氮沉降对杉木人工林土壤蔗糖酶活性有促进作用, 表明氮沉降增加了土壤生物学活性强度和土壤肥力[38]. 许延琴等[56]的研究结果表明, 氮素添加对草地土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶均具有促进作用. 与上述结论类似, 本研究5 a模拟氮沉降使土壤碳循环相关酶(蔗糖酶, 淀粉酶和脱氢酶)活性增强, 各土壤酶与土壤有机碳及其组分间均呈现显著的正相关性(P < 0.05), 氮沉降对这3种碳循环相关酶活性的促进作用有利于土壤有机碳及组分含量的提高, 并且提高了土壤碳素的有效性, 表明氮沉降增加了土壤肥力, 有利于提高桉树人工林土壤有机碳质量. 我国49个模拟氮沉降野外试验的Meta分析结果表明[57], 在年均温和年均降水量较高(MAT > 3℃, MAP > 500 mm)的样地中, 施氮后土壤有机碳含量显著升高, 在酸性(pH < 6.5)土壤中, 氮沉降后土壤有机碳积累明显, 特别是阔叶林生态系统. 这与本研究的结果一致, 中亚热带桉树人工林种植区的年均温和年均降水量亦较高, 土壤pH < 6.5, 5 a模拟氮沉降使桉树人工林土壤pH值和土壤容重降低, 增加了土壤碳循环相关酶活性, 提高了土壤养分含量, 促进了SOC及其活性组分的增加, 有利于土壤有机碳的累积. 据此推测, 在桉树人工林采伐后(一般多在3~5 a后采伐), 通过氮添加措施, 将有利于减缓桉树林短期轮伐后出现的土壤肥力下降等问题, 有利于提高桉树林土壤地力的恢复, 这对桉树人工林的可持续管理具有一定的指导意义.

4 结论

(1) 5 a模拟氮沉降显著增加了土壤有机碳、轻组有机碳及活性碳组分(POC、EOC、DOC和MBC)的含量, 促进了土壤碳固存. 随着氮沉降量的增加, 土壤碳库活度指数和碳库管理指数呈增大趋势, 表明短期5 a氮沉降对亚热带桉树人工林土壤碳库有积极影响, 有利于增加土壤养分含量和改善土壤质量. 低氮和中氮沉降增加了土壤重组有机碳含量, 而高氮输入量则降低了重组有机碳含量, 在经过长期的氮沉降后, 高氮沉降可能降低桉树人工林土壤有机碳的稳定性.

(2) 5 a模拟氮沉降显著增加了碳循环相关的蔗糖酶, 淀粉酶和脱氢酶活性. 土壤有机碳与活性碳组分之间存在较强的正相关关系, 土壤养分与土壤有机碳及其活性碳组分之间有显著的正相关关系, pH值则与有机碳和活性碳组分呈负相关关系. 交换性氢、速效钾、全钾和淀粉酶是影响土壤有机碳及其组分的主要环境驱动因子.

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