近年来，全球变暖逐渐成为各界关注的热点问题，IPCC第5次评估报告(AR5)指出2003—2012年平均温度较1850—1900年上升0.78℃，并表现出加剧的趋势。CO₂作为导致全球变暖最主要的气体之一，2011年其浓度达到391μL/L比1750年高40%^[1-2]。而土壤呼吸(R_s)是大气CO₂的重要来源，约占整个生态系统呼吸的50%—80%，主要由土壤动物、微生物和根系等呼吸产生^[3-4]，是陆地生态系统中最重要的碳循环过程^[5]，其产生速度受自然、生物以及各种干扰等因子影响^[6]。

随着人类社会发展，氮肥施用、畜牧业快速发展及矿物燃料燃烧等活动使大气含氮化合物增多，导致大气氮沉降量加剧，且变化量有增无减^[7]。氮素作为林木生长的养分限制因子，它直接或间接影响着森林土壤呼吸。目前，氮沉降引起的土壤呼吸改变逐渐成为各领域学者研究的重点，其中最常用的方法为外源氮添加模拟氮沉降试验，然而研究区域、研究时间不同所得结论各异。吴迪等^[8]、刘益君等^[9]、孙素琪等^[10]及Sun等^[11]模拟氮沉降试验表明氮沉降对土壤呼吸有抑制作用，Tu等^[12]的研究结果表明氮沉降对土壤呼吸有促进作用，Hasselquist等^[13]则发现氮沉降并没有明显改变林地土壤呼吸。可见，氮沉降对土壤呼吸的影响存在很大的不确定性，需要进一步的深入研究。氮沉降的土壤效应深受植被性质、土壤类型与气候差异的影响^[8-13]，不同的土壤水热环境也会使土壤呼吸有较大差异。北美^[14]、欧洲^[15]关于氮沉降试验开展较早，而国内氮沉降对森林土壤呼吸影响的试验起步较晚，且大部分集中在温带森林系统，涉及热带、亚热带森林相关研究相对较少。

本文选取我国亚热带地区广泛分布的马尾松和柑橘林为研究对象，开展人工氮添加模拟氮沉降试验。探讨不同氮沉降水平对马尾松林和柑橘林土壤呼吸及水热环境的影响，探索该区域马尾松林和柑橘林土壤呼吸的动态特征以及不同林分对氮沉降的响应，为不同林地利用途径的土壤呼吸研究提供基础数据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于重庆市北碚区境内缙云山国家级自然保护区(106°22′E，29°45′N)内，距市中心60 km。缙云山占地面积76 km²，海拔350—951.5 m，属典型中亚热带温暖湿润季风气候。年平均温度13.6℃，最热月(8月)平均温度24.3℃，最高温43℃，最冷月(1月)平均温度3.1℃，最低温-1℃；年平均相对湿度87%，年平均降雨量1161.8 mm，年均日照1293.9 h，干湿季分明。雨季是4—9月(降雨量1243.8 mm)，其中7—8月是伏旱期(蒸发量255.4 mm)，降雨量小，蒸发量大。土壤以酸性黄壤及水稻土为主，伴有少量零星分布的紫色土。区内植物资源丰富，植被种类繁多，森林覆盖率达96.6%。试验地建立在海拔为350—500 m的柑橘林和马尾松林内，其中柑橘林林下无灌木层，草本层为优势群落，主要优势草本为：兔儿酸(Polygonum amphibium L.)、糯米团(Gonostegia hirta (Bl.) Miq.)、九层塔(Ocimum basilicum L.)、加拿大飞蓬(Conyza canadensis (L.) Cronq.)、杠板归(Polygonum perfoliatum L.)、稗草(Echinochloa crusgalli (L.) Beauv.)；马尾松林主要优势灌木为：杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.)、盐肤木(Rhus chinensis Mill.)、四川山矾(Symplocos setchuensis Brand)、异叶榕(Ficus heteromorpha Hemsl.)、青冈(Cyclobalanopsis glauca (Thunb) Oersted)、野桐(Mallotus japonicus (Thunb.) Muell. Arg.)、毛桐(Mallotus barbatus (Wall.) Muell. Arg.)、朴树(Celtis sinensis Pers.)、黄牛奶树(Symplocos laurina (Retz.) Wall.)、钝叶柃(Eurya obtusifolia H. T. Chang)、白栎(Quercus fabri Hance)、慈竹(Neosinocalamus affinis (Rendle) Keng f.)等，主要优势草本为：边缘鳞盖蕨(Microlepia marginata (Houtt.) C. Chr.)、中华里白(Hicriopteris chinensis(Ros.)Ching)、粽叶狗尾草(Setaria palmifolia (Koen.) Stapf)、菝葜(Smilax china Linn.)、山莓(Rubus corchorifolius Linn. f.)、尖叶清风藤(Sabia swinhonei Hemsl.)、香花崖豆藤(Millettia dielsiana Harms)等。

1.2 实验设计

2014年5月，在海拔相近的马尾松林和柑橘林内分别选取3块面积为20 m×20 m的代表性样地，基本情况如表 1所示。在每个样地沿对角线确定3个点，于每个点各设置4个1 m×1 m的小样地(间隔＞1 m防相互干扰)，作为氮添加处理(不考虑大气氮沉降)样方。氮添加处理设置了4个水平：对照(T₀，0 gN m^-2 a^-1)、低氮(T₅，20 gN m^-2 a^-1)，中氮(T₁₀，40 gN m^-2 a^-1)和高氮(T₁₅，60 gN m^-2 a^-1)。为消除流水等对样地氮含量造成影响，施氮时保证高浓度样方在低浓度样方之下。同时将长为16 cm内径为23 cm的PVC管随机埋入小样地中并确保管顶距土壤表面3 cm，去除管内植物和凋落物。在每个季度初期选择晴天将不同浓度NH₄NO₃溶于1L水中，采用手提式喷雾器均匀喷洒在每个小样地内，为排除试验中溶解NH₄NO₃所需水分对土壤呼吸的影响，在对照样地喷洒了等体积水。

1.3 土壤呼吸的测定

2014年7月至2015年7月，夏、秋、冬、春4个季节(夏季用7月和9月所得数据平均值表示，秋季用11月和1月所得数据平均值表示，冬季用2月和3月所得数据平均值表示，春季用5月和6月所得数据平均值表示)，在施肥2d后(所施氮溶液完全渗入土壤后)选择晴朗天气，采用ACE自动土壤呼吸监测系统(Automated Soil CO2 Exchange Station,UK)于7月、9月、11月、1月、2月、3月、5月、6月对两林地土壤呼吸进行测定，各测定4d(连续)，各个点每天共测定4次，测定时间为8:00—18:00(每次测定间隔2.5 h)。为了减小安放PVC管对土壤呼吸的影响，每个季度埋管与测定土壤呼吸时间间隔保持一致，并在每次测定前一天，将测定管内的地表植被自土壤表层彻底剪除，尽量不破坏土壤，以减少土壤扰动和根系损伤对测量结果的影响。呼吸圈埋好后固定1a。 在测定土壤呼吸的同时用ACE自动土壤呼吸监测系统配带的2个土壤温度热电阻探头和2个土壤水分探头SM300分别对土壤10cm深处的温度和湿度进行同步测量。

1.4 数据处理与统计分析

以每个点每天测定的4个数据通过算术平均来代表该林地的当日平均土壤呼吸、土壤温度和土壤湿度。数据处理和统计分析在SPSS18.0、office Excel 2003、OriginPro9.0与MATLAB R2012B等软件中进行，采用单因素方差分析法(LSD)比较土壤呼吸在不同氮处理、不同季节间的差异水平，采用回归分析方法描述土壤呼吸与温度(T)及湿度(W)的关系。 土壤呼吸与土壤温度之间的关系采用指数模型^[16]：R_s=R₀e^βT；Q₁₀值通过下式计算^[17-18]：Q₁₀=e^10β；采用二次项模型^[19]：R_s=a+b₁W+b₂W²与幂函数模型^[20]：R_s=aW^b研究土壤呼吸与土壤湿度的相关性；利用线性模型^[21]：R_s=a+bT+cW和指数幂函数模型^[22]：R_s=ae^bTW^c研究土壤温度和土壤湿度交互作用对土壤呼吸的影响。式中R_s为土壤呼吸μmol m^-2s^-1，T为地温，R₀是温度为0℃时的土壤呼吸，β为温度反应系数，Q₁₀为土壤呼吸温度敏感性指数，W为土壤湿度，a，b，c为待定参数。

2 结果 2.1 两种林分土壤呼吸、土壤温度和土壤湿度季节特征

实验期内两林分土壤呼吸和温湿度随季节均表现出先减后增的变化趋势，且差异显著(图 1)。T₀为空白对照，其值反映了两森林生态系统内土壤呼吸特征。柑橘林和马尾松林土壤呼吸最大值出现在夏季，分别为(4.947±0.642)、(3.930±0.378)μmol m^-2s^-1，相应的地表土壤温度最大值也出现在夏季，分别为(31.10±6.287)℃、(27.77±1.575)℃；而最小值则出现在冬季，此时两林分的土壤呼吸分别为(2.868±0.695)μmol m^-2s^-1和(2.634±0.413)μmol m^-2s^-1，温度则为(14.87±1.600)℃和(13.77±0.429)℃；柑橘林(43.902±3.985)%和马尾松林(33.259±4.985)%土壤湿度最大值均出现在春季，最小值出现在秋季(20.087±1.590)%、(15.866±1.250)%(图 1，图 2)。

2.2 两种林分土壤呼吸对模拟氮沉降的响应

不同氮沉降处理的土壤呼吸具有一致的变化规律，表现为夏季最高，其次是春季和秋季，冬季最低，且各季度间差异显著(图 1)。在春季，马尾松林土壤呼吸随着模拟的氮沉降量增加呈直线下降趋势，T₅、T₁₀和T₁₅处理分别比对照T₀降低了1.76%、4.86%及5.11%，但柑橘林则表现为先降低后升高的变化趋势，与对照T₀相比，T₅、T₁₀和T₁₅分别降低了7.87%、降低了5.36%、升高了3.38%；在夏季，马尾松林土壤呼吸随氮沉降量增加而表现为先升高后降低，T₅、T₁₀和T₁₅处理分别比对照T₀升高了0.44%、降低了2.11%和11.62%，但柑橘林土壤呼吸基本上呈降低趋势，T₅、T₁₀和T₁₅处理后的土壤呼吸均比对照T₀低，且分别降低6.34%、5.68%及10.30%；在秋季，较对照T₀而言，两林分土壤呼吸在氮沉降处理后均降低，马尾松林T₅、T₁₀和T₁₅处理分别降低了7.44%、5.50%、12.36%，而柑橘林T₅、T₁₀和T₁₅处理则分别降低7.43%、10.04%、12.34%；在冬季，氮沉降处理后马尾松林T₅、T₁₀和T₁₅处理土壤呼吸比对照T₀高6.32%、0.43%和2.51%，而柑橘林T₅、T₁₀和T₁₅处理土壤呼吸则比对照T₀低0.96%、3.11%和10.52%。

2.3 两种林分土壤呼吸与土壤温度的关系模型对模拟氮沉降的响应

各处理土壤呼吸与土壤温度进行回归分析(图 3)结果可知，土壤呼吸与土壤温度存在极显著的指数关系(P＜0.01)，柑橘林T₀、T₅、T₁₀和T₁₅处理与10 cm深处土壤温度之间拟合方程的决定系数R²分别为0.613、0.358、0.358和0.377，解释了柑橘林土壤呼吸35%—62%的变异，Q₁₀值分别为1.36、1.35、1.33、1.40；马尾松林拟合方程的决定系数R²分别为0.558、0.238、0.428和0.165，可解释马尾松林土壤呼吸16%—56%的变异，Q₁₀值分别为1.32、1.25、1.35、1.19。

2.4 两种林分土壤呼吸与土壤湿度的关系模型对模拟氮沉降的响应

将不同处理的土壤呼吸与10 cm深处土壤湿度用二次模型和幂函数模型进行拟合，拟合度R²在0.052—0.233(表 2)，明显低于土壤呼吸与温度关系方程的R²值，且二次模型拟合效果优于幂函数模型。这些结果也说明，2种林分条件下的土壤湿度变化显著影响着土壤的呼吸。

2.5 两种林分土壤呼吸与土壤温度、土壤湿度的复合关系模型对模拟氮沉降的响应

分别利用线性模型和指数幂函数模型对土壤呼吸与土壤温度和土壤湿度的复合关系进行分析(表 3)。两林分T₀处理的指数幂函数模型拟合效果不如线性模型，其他处理的指数幂函数模型效果均优于线性模型。从指数幂函数模型拟合结果可知，土壤温度和湿度能够共同解释两林分土壤呼吸季节变化的56.6%—61.4%。不同氮沉降处理下马尾松和柑橘林土壤呼吸受土壤温度和土壤湿度影响程度不一样，两林分T₀拟合度R²均高于氮沉降T₅、T₁₀和T₁₅组，氮沉降处理下土壤温度和土壤湿度仅能解释土壤呼吸28.0%—47.8%的变异。

3 讨论

土壤呼吸与植被类型、林下温湿度、pH、土壤质地及有机质含量等密切相关^[23-25]。不同植被的凋落物质量、数量和纤维素含量各异，这些均可影响土壤中微生物和酶等分解凋落物的强度和时间^[26]。植被不同，其叶面积指数、根生物量等均有差异，叶面积大小可影响植被覆盖下土壤微型气候，Sims等^[27]发现土壤CO₂通量值和同时测量的叶面积指数值有显著的相关性。Althea等^[28]在研究本宁堡松树林时发现土壤呼吸与距离最近的松树成负相关，与根生物量成正相关。本实验中柑橘林土壤呼吸显著高于马尾松林，原因可能是柑橘林郁闭度低、凋落物输入量大，柑橘树根细、量多且分布广，同时有机肥添加和采果、剪枝等人为活动促进了土壤养分积累与转化，加之林下良好的光、热、水等环境条件促进了土壤微生物和根系生长与代谢，增加了微生物活性与数量，加快了土壤有机质分解速度，因此产生CO₂的速率加快。

土壤呼吸有明显的季节性变化，丁访军等^[29]在研究喀斯特地区的灌木林、阔叶混交林和针阔混交林土壤呼吸时发现：土壤呼吸呈夏季>秋季>春季>冬季的变化规律。这与刘春霞等^[30]研究结论一致。而本实验结果为夏季>春季>秋季>冬季，春季>秋季的结论与丁访军、刘春霞等研究不一致，原因可能是研究对象、处理空间和测定时间的异质性导致的。实验区夏季土壤呼吸最大，夏季光照充足、温度较高、降雨量也最丰富，良好环境条件有利于植物生长发育，促进根系呼吸，同时加快凋落物分解，增加微生物种群数量及其代谢活性并使土壤中聚集较高的土壤酶活性，进而使土壤微生物呼吸、土壤动物呼吸及土壤中氧化还原反应产生CO₂的速度加快。

氮沉降对森林土壤呼吸的影响主要有3种：促进、抑制和不显著。总的来说，本实验除冬季氮沉降促进马尾松林土壤呼吸外，其余均表明氮沉降抑制土壤呼吸。这与国内外很多研究结果一致。比如，吴迪等^[8]在研究长江中下游欧美杨(Populus dettoides)人工林时发现低氮、中氮和高氮处理使CO₂排放量分别减少12.35%、14.45%和15.73%。刘益君等^[9]发现，氮沉降显著抑制了湿地松林分的土壤呼吸且抑制作用第1年显著大于第2年，施氮处理后第1年低、中、高处理土壤呼吸分别比对照降低了31.3%、27.4%和24.5%，第2年则分别降低24.0%、16.5%和25.3%。孙素琪等^[10]于2012年研究缙云山常绿阔叶林对模拟氮沉降的响应时发现低、中、高氮处理分别使土壤呼吸降低了20.88%，34.80%和42.23%。Sun等^[11]在研究河北塞罕坝国家森林公园落叶松林土壤呼吸时发现低氮处理使土壤呼吸降低10.0%，高氮则降低12.5%，与本文结果基本一致但与冬季马尾松林处理后所得结果相异。也有研究表明氮沉降对土壤呼吸有促进作用，Tu等^[12]在研究竹林生态系统时发现氮沉降显著增加了土壤呼吸。Hasselquist等^[13]研究结果则表明氮沉降对土壤呼吸无影响。这可能跟植被、土壤性质、施氮处理方式、处理与测定时间间隔长度以及气候条件等不同有关。

氮沉降使土壤呼吸降低的原因可能是：①氮沉降增加了土壤铵态氮和硝态氮含量，高浓度氨氮含量降低微生物活性和数量，产生抑制物质或影响土壤酶系统，从而阻碍凋落物分解和养分释放，进而减慢土壤碳释放速度。②氮沉降加强土壤硝化作用，使森林土壤pH值降低，加速土壤酸化^[31]，降低植物根系生长和根生物量，致使根际分泌物减少，进而抑制植物根系呼吸^[10]。③在氮素丰富的地区，当森林土壤氮含量达到饱和状态后，过量的氮沉降就会对土壤呼吸产生抑制的作用^[32-33]。

缙云山两林分土壤表层呼吸受土壤温度和湿度共同影响。图 4是基于指数幂函数模型的土壤呼吸对温湿度协同变化的响应趋势面。该响应趋势面表明：第一，土壤呼吸随温度升高而加强；第二，低温下，土壤呼吸受土壤湿度影响较小，高温时，土壤呼吸则受温度和湿度协同控制；第三，土壤湿度对马尾松林土壤呼吸影响较明显，但对柑橘林土壤呼吸影响较小。Zeng等^[34]在研究太行山洋槐林、黄荆林及铁杆蒿地时发现土壤呼吸主要受土壤温度驱动而与土壤湿度仅有微弱的关系。Chen等^[35]研究北京奥林匹克公园时发现土壤呼吸年周期主要受温度控制，而夏季土壤呼吸主要受湿度控制，这均与本研究结论一致。说明土壤呼吸受土壤温度影响更大，而多数情况下土壤呼吸受土壤温度及湿度共同控制。

4 结论

(1) 两林分土壤呼吸均具有明显的季节变化规律，其中夏季土壤呼吸最高，其次是春季和秋季，最低为冬季，且柑橘林土壤呼吸明显高于马尾松林，不同季度观测的土壤呼吸平均值之间差异显著(P＜0.05)。

(2) 总体而言，氮沉降抑制了两林分土壤表层呼吸，抑制程度随氮沉降增加而升高，只在土壤湿度低的冬季，氮沉降对马尾松林土壤呼吸有促进作用。

(3) 土壤呼吸与土壤温度存在极显著的指数关系，与土壤呼吸有显著的二次模型拟合关系，但均受氮沉降量处理的影响。