人类活动向大气中排放的大量氮化物, 使得自然界中氮沉降日益加剧, 而外源氮含量的增加将改变土壤养分原始状态, 影响植物的生长, 对生态系统结构产生较大影响^[1-3]。近年来, 我国陆地生态系统中氮沉降量出现显著升高, 区域性的“氮富集”不断出现^{[4, 5]}。已有研究表明, 氮沉降能够影响土壤氮素矿化和硝化速率^[6-8], 导致林地氮素流失^[9]；加快土壤溶液系统的酸化速率^[10]；对森林生态体系中土壤质量和植物根系微生物产生影响^[11-14]；与此同时, 植物“肥岛”效应能够促进生态系统的保持和恢复^[15-17], 然而目前有关氮沉降增加对植物“肥岛”效应的影响的相关研究较少^[18]。因此关于植物“肥岛”现象受氮沉降影响的变化机制需要进一步研究。

太行山区是河南省生态环境最为脆弱的地区之一, 荆条灌木(Vitex negundo L.var.)是太行山地区的重要植被类型, 其分布极广, 也是区域群落演替的重要阶段, 在改善生境和提高植被质量方面具有至关重要的作用。与此同时, 灌木荆条群落又具有“肥岛”效应, 及土壤养分在单株乔木(灌木)冠幅下产生聚集的现象^[19-21], 外加氮源可能会改变灌木的“肥岛”效应。因此, 本试验拟在人工施氮条件下, 通过对该区域荆条灌木“肥岛”方面进行研究, 探索不同氮处理对“肥岛”土壤养分的影响, 旨在揭示该区域典型植物—荆条灌木在氮变化环境下, 其土壤养分结构的变化过程, 并为提高林木幼苗的成活率和了解植物对氮素适应策略提供帮助, 有利于当地荒山绿化、水土保持等生态系统恢复。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本研究试验地位于太行山南麓地区, 借助于当地国家林业局黄河小浪底森林生态站。试验地区的地理坐标E112°28′—112°30′, N35°01′—35°03′, 海拔337—342m。该区气候为暖温带大陆性季风气候, 年均气温14.3℃, 平均≥5℃的活动积温50610℃, 年均日照时间2370.5 h, 年际间变化1948.5—2602.0 h, 年均日照率54%, 年际间变幅44%—50%, 当地山区土壤主要为褐土, 土壤pH值7.0—7.5, 其母岩组成主要为砂岩和页岩。当地主要群落类型以乔木、灌木为主, 其中灌木主要有荆条(Vitex negundo L.var.)、酸枣(Ziziphus jujube)和胡枝子(Lespedeza bicolor)等；乔木主要有栓皮栎(Quercus variabilis)、侧柏(Platycladus orientalis)和刺槐(Robinia pseudoacacia)等；草本植物有狗尾草(Setaria viridis)、魁蒿(Artemisia princeps)、白草(Pennisetum flaccidum)、荩草(Arthraxon heterophylla)、地黄(Rehmannia glutinosa)等。荆条因其耐土壤干旱和瘠薄的特性, 是当地分布最为广泛的灌木之一。

1.2 试验设计与方法 1.2.1 试验设计和样品采集

于2015年3月, 在太行山南麓地区选择生长情况及立地条件基本一致的4株荆条单株, 以每株灌木为中心, 建立4个5m×5m的样方, 同时为避免灌木间相互干扰, 选取时确保单株荆条距离周围其他灌丛的距离大于3m。分别于荆条“肥岛”效应范围下的灌木冠幅内(具荆条茎基60cm处)和冠幅外(具荆条茎基190cm处)各选择3处样点, 每个样点作为一次重复, 并在各样点的垂直方向上选取0—5cm、5—10cm和10—20cm共3个土层, 用取土刀在每个样采集500g土样。模拟氮沉降中, 氮沉降量依次为无氮沉降(CK)处理、低氮沉降2gN m^-2 a^-1(LN)处理、中氮沉降12gN m^-2 a^-1(MN)处理和高氮沉降24gN m^-2 a^-1(HN)处理。同时采用配置溶液喷施的方式进行施氮(供施氮肥为NH₄NO₃, 纯度99.5%), 以荆条茎基为中心的5m×5m样地内, 将样方所需NH₄NO₃溶解于清水中, 装入喷雾器, 喷雾器杆置于各样方上方2m高度, 来回均匀喷施, 对照(CK)仅喷施等量清水。分别于3月、4月、5月进行施氮, 共施氮3次。采集第1次未喷施氮肥前的土壤, 作为施氮前土样, 于6月及第3次施氮后30d再次取土, 作为氮沉降后的土样。

1.2.2 分析方法和数据处理

采用凯氏定氮法对全氮(TN)进行测定；采用NaHCO₃浸提-钼锑抗比色法测定速效磷(AP)含量；采用重铬酸钾容量法测定有机质(SOM)^[22]。采用Excel软件制图和SPSS 17.0软件进行数据分析。

2 结果与分析 2.1 不同氮沉降水平对荆条“肥岛”土壤养分的影响 2.1.1 全氮

氮沉降后不同氮沉降水平引起的土壤养分显著性差异的分析表明(表 1), 荆条“肥岛”土壤养分总体表现出HN处理＞MN处理＞LN处理的变化趋势。与CK相比较, 冠幅内0—5cm土层的全氮含量显著高于其他土层, 达1.18g/kg；在LN处理中, 冠幅内0—5cm土层的全氮含量显著高于冠幅内和冠幅外的5—20cm土层, 达1.37g/kg；在MN处理中, 冠幅内0—5cm土层的全氮含量显著高于冠幅内和冠幅外的10—20cm土层, 冠幅外0—5cm土层显著高于冠幅外5—20cm土层；在HN处理中, 冠幅内0—5cm土层的全氮含量显著高于冠幅内10—20cm和冠幅外5—20cm土层。表明荆条“肥岛”中冠幅内外和土层深度的全氮含量差异受氮沉降的影响而发生变化。

2.1.2 速效磷

在CK处理、LN处理、MN处理和HN处理中, 冠幅内0—5cm土层的速效磷含量均显著高于其他土层, 依次达到8.96、13.88、18.47和21.47mg/kg。HN处理在冠幅内0—5cm土层显著高于冠幅内外其他土层；MN处理在冠幅内0—10cm土层和冠幅外5—10cm土层的速效磷含量显著高于CK；LN处理在各采样点相对于CK均无显著性差异。表明随着氮沉降量的增加, 氮沉降对土壤速效磷含量影响逐渐加大。

2.1.3 有机质

在CK处理中, 冠幅内0—5cm土层的有机质含量最高, 达25.25g/kg, 其次是冠幅外0—5cm土层；在LN处理中, 冠幅内0—5cm土层的有机质含量显著高于其他冠幅内外土层, 达26.86g/kg；在MN处理中, 冠幅内0—5cm土层的有机质含量最高, 达28.49g/kg；在HN处理中, 冠幅内0—5cm土层的有机质含量显著高于其他冠幅内外土层, 达35.38g/kg, 同时HN处理在冠幅内0—5cm和5—10cm土层显著高于CK。表明氮沉降能够影响荆条“肥岛”土壤有机质含量。

2.2 模拟氮沉降下荆条“肥岛”冠幅内外的0—20cm土层养分均值的变化

由图 1可知, 荆条“肥岛”0—20cm土层养分均值, 均为冠幅内高于冠幅外；荆条“肥岛”冠幅内土壤全氮、速效磷和有机质含量总体表现出随氮沉降量增长而增加的趋势。其中土壤中的全氮和速效磷含量方面, 均表现出随氮沉降量的增加, 冠幅内外的差异逐渐加大；有机质含量方面, 冠幅内表现出随氮沉降增长而增长, 冠幅外则出现先下降后增长的趋势。这反映出土壤全氮、速效磷和有机质向冠幅内富集, 氮沉降加剧了灌木“肥岛”效应。

2.3 模拟氮沉降前后荆条“肥岛”中土壤养分增长率

从增长率总体来看, 氮沉降明显增加了土壤表层有机质、氮、磷的含量(图 2)。氮沉降增加了荆条“肥岛”中土壤全氮含量, 通过对氮沉降后不同取样点的全氮含量与氮沉降前比较分析, 其中HN处理后在冠幅内的0—5cm土层的全氮增长最多, 增长率达到51.88%；MN处理后在冠幅内5—10cm和冠幅外的5—10cm土层全氮增长较多, 达28.82%和27.78%。结果显示全氮增长率, 基本呈现冠幅内高于冠幅外, 土壤表层0—5cm高于5—20cm土层的规律, 表明氮沉降处理在一定程度上加剧了灌木“肥岛”对土壤全氮的富集。

荆条“肥岛”中土壤速效磷含量受氮沉降影响均有增长(图 3)。HN处理引起的土壤速效磷增长率较大。在冠幅内外的0—5cm土层增长率较高, 增长率依次达到62.94%、55.74%, 增长率最大值出现在冠幅内10—20cm土层, 达71.79%；LN处理后在冠幅外的5—10cm和10—20cm土层的速效磷增长较多, 依次达到30.63%、39.58%。结果显示, 在速效磷方面, 冠幅内的增长率总体略高于冠幅外, 且随氮沉降量的增加冠幅内外差异逐渐加大, 土壤速效磷向冠幅内富集的效应越强。

由图 4可知, 氮沉降增加了荆条“肥岛”中土壤有机质含量, HN处理在冠幅内外0—10cm土层均表现为最高的增长率, 在冠幅内0—5cm土层增长率最高, 达33.22%；MN处理在冠幅内外的10—20cm土层出现较高的增长率, 达19.78%和14.97%。结果表明, 氮沉降对土壤表层0—5cm的有机质含量影响较5—20cm土层高, 土壤浅层有机质含量更容易受到氮沉降的影响。

3 讨论与结论

研究发现, 在模拟氮沉降后, 土壤养分出现差异性变化, 荆条“肥岛”冠幅内外土壤养分含量, 总体表现出随氮沉降量增长而增加的趋势；相比CK处理, HN处理相对于其他处理对土壤养分的改变更加明显, 引起的冠幅内外和不同土层间养分差异更为显著, 这与莫江明等人^[23]的研究, 模拟氮沉降中氮的增加使得生态系统中氮循环得到改变, 使得土壤的矿化速率随着氮沉降量的增加而加快的结果相一致。另一方面, 模拟氮沉降后土壤各养分较高的增长率, 主要出现于HN和MN处理的现象, 这可能是由于模拟氮沉降会改变土壤中离子的数量, 其与土壤氮沉降量呈正相关, 及随氮沉降水平增高, 土壤离子数量越高, 土壤养分增长率因此较高^[24]。

在土壤养分空间比较方面, 氮沉降前后荆条灌木冠幅内的养分含量总体要高于灌木冠幅外, 土壤全氮、速效磷和有机质也总体表现出由表层向深层递减的规律, 这与前人^[25-26]关于“肥岛”的研究相一致, 这是荆条灌木为适应干旱半干旱环境, 吸收更多养分维系根系生长引起的“肥岛”效应养分富集现象^[27-29]。不同氮沉降处理后, 通过土壤养分空间比较发现土壤养分变化幅度各有不同, 总体表现为, 随着氮沉降水平的增加, 冠幅内外和土层间养分差异增大, 这是由于在灌木“肥岛”作用下土壤养分发生迁移, 而灌木下不同位置的养分迁移速率不同引起的^[30]。结果证实在一定的范围内氮沉降显著增加了“肥岛”效应。

本试验结果表明, 氮沉降前后, 在荆条“肥岛”作用下土壤养分均呈现由表层向深层递减；冠幅内总体高于冠幅外的空间变化特征；荆条“肥岛”中土壤养分含量, 在一定范围内有随氮沉降量增长而增加的规律；相比较其他土层, 土壤表层有机质、氮、磷的含量受氮沉降影响显著增加；土壤养分增长率受氮沉降水平的影响, 随着氮沉降量的增加, 土壤各全氮和速效磷的增长率也随之加大；比较于冠幅外, 氮沉降对冠幅内影响更为显著, 氮沉降处理使冠幅内外养分差异更加显著；氮沉降加剧了荆条灌木的“肥岛”的养分富集效应。