日益增加的氮(N)沉降已经对森林生态系统碳循环产生了重要影响^[1]。Magnani等^[2]通过对多年碳通量数据进行系统分析, 证实氮沉降可显著提高森林生态系统碳库。土壤有机碳库是森林生态系统碳库的重要组成部分^[3]。由于土壤碳库基数巨大, 通常整个碳库的微小变化很难被发现^[4]。因此有研究将土壤有机碳分为易氧化有机碳和稳定或难分解有机碳两部分^[5], 并指出土壤有机碳的短期变化主要发生在易氧化有机碳部分, 其对周围环境的变化可迅速做出响应^[6]。KMnO₄能够氧化糖类、有机酸类等简单化合物, 也能氧化部分复杂化合物, 如腐殖质^[7]。Logninow等^[8]模拟有机碳被微生物、酶等的氧化分解作用, 将易氧化有机碳能被3种不同浓度的KMnO₄(33、167、333 mmol/L)氧化的数量, 分为高活性、中活性、低活性3种活性有机碳组分。按此分类方法, 高活性有机碳包括微生物碳、可矿化碳、水溶性碳等, 中活性和低活性有机碳包括颗粒有机碳、糖、脂类等, 及部分复杂化合物^[9]。

表土中近90%的土壤有机碳位于团聚体内^[10]。由于不同粒级团聚体的形成环境和胶结类型不同, 导致其稳定性及内部物质组成等出现差异, 进而导致活性有机碳的差异^[11]。有研究表明, 大团聚体较微团聚体含有更多的碳, 新输入的有机碳首先出现在大团聚体中, 所以大团聚体中的活性有机碳占优势；微团聚体中的有机碳大多是高度腐殖化的惰性组分, 不易分解^[12-14]。不同粒级团聚体中, 不同活性有机碳含量反映了有机化合物的种类和氧化的难易程度。

目前关于N添加条件下土壤活性有机碳的研究, 多以全土为研究对象^{[4, 15-19]}, 而对团聚体中不同活性有机碳影响的研究较少^[20]。由于不同粒级团聚体的稳定性和内部物质存在差异, 因此研究N添加对土壤团聚体不同活性有机碳的影响十分必要。此外, 目前关于土壤活性有机碳影响因素的研究多集中在土壤理化性质, 忽视了根系和凋落物的作用。因此综合研究土壤理化性质和植被因子对土壤团聚体不同活性有机碳含量的影响, 有助于加深对影响土壤团聚体活性有机碳因素的认识。本研究以黄土高原人工油松林为研究对象, 通过野外梯度N添加试验, 研究表层土壤团聚体中不同活性有机碳含量对N添加响应的差异, 研究结果将为预测未来N沉降增加背景下土壤有机碳库变化提供依据和参考。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

试验地位于陕西省宜川县铁龙湾林场。地处黄龙山林区东侧, 地理坐标为35°39′N, 110°06′E。地貌为黄土梁状丘陵, 海拔860—1200 m, 坡度为20°—25°, 年平均气温9.7℃, 无霜期180 d, 年均降水量584.4 mm, 7—9月份降水量占到年降水量的60%以上。土壤为原生(山坡)或次生(沟谷)黄土, 表层土壤容重为1.1 g/cm³。地带性植被是暖温带落叶阔叶林, 松栎林为顶级群落, 林下枯枝落叶层厚3—5 cm。试验地油松林于1966年营造, 面积为600 hm²。林下灌木主要有兴安胡枝子(Lespedeza daurica)、胡颓子(Elaeagnus umb-ellata)、黄刺玫(Rosa xanthina)、绣线菊(Spiraea salicifolia)、忍冬(Lonicera japonica)、柠条(Caragana korshinskii)等; 草本植物主要为披针苔草(Carex lanceolata)。

1.2 试验设计

已有研究表明, 2010年中国氮沉降量变化范围为0.1—7.43 g N m^-2 a^-1, 平均为2.11 g N m^-2 a^-1, 从1980年至2010年, 中国总的氮沉降量平均每年以0.041 g N m^-2 a^-1的速率增加, 并且这种趋势在未来数十年内还将持续下去^[21-22]。因此本试验共设置4个处理, 分别为对照(CK), 低氮沉降量(N3), 中氮沉降量(N6), 高氮沉降量(N9)。年施氮量分别为0、3、6、9 g N m^-2 a^-1, 肥料选用尿素, 每年4、6、8、10月分4次溶解于水中喷施。每个施N处理设6个样地, 样地面积为10 m×10 m, 样地间隔为5 m。自2014年4月份开始, 将尿素溶解于10 L水中, 采用喷雾器对林下土壤来回均匀喷施来模拟氮沉降, 对照样方喷洒等量的水。每次施肥于雨前喷施, 以尽量减少尿素挥发。采样前最后一次施氮时间为2015年8月份。于2014年4月份对样地进行了植被调查, 取土壤样品, 测定土壤pH值、有机碳、全磷、速效磷, 测定结果见表 1。

1.3 样品采集

2015年9月份, 在每个样地中随机设3个样方, 大小为1 m×1 m。收集每个样方内的凋落物, 烘干后(65℃, 48 h)称重。在样方中挖取长×宽×高为50 cm×50 cm×10 cm的土体, 挑出植物根系, 并分为粗根(>2 mm)和细根( < 2 mm), 烘干后(65℃, 48 h)称重。根据前人研究结果发现短期氮添加主要影响表层土壤理化性质^[23-24], 因此每个样方采集1个表层(0—10 cm)原状土壤, 放入硬质铝盒中带回实验室。挑除可见的动植物残体, 风干。一部分进行团聚体分级, 一部分研磨过100目筛测定土壤有机碳, 全氮, pH, 全磷, 速效磷；余下部分经前处理后用激光粒度仪测定土壤机械组成, 将测试结果按照美国制分类标准划分为粘粒( < 0.002 mm), 粉粒(0.002—0.05 mm)和砂粒(0.05—2 mm)。

1.4 测定方法

土壤团聚体分级采用湿筛法^[25]。取100 g过8 mm筛的风干土样, 放在套有250 um和53 um的土壤筛上, 在去离子水中浸泡10 min。之后按照3 cm振幅, 30次/min, 震荡2 min。去除漂浮在水面上的杂质, 用离心机将水中的土壤颗粒分离, 从而得到大团聚体(>0.25 mm), 微团聚体(0.053—0.25 mm), 和粉-粘团聚体( < 0.053 mm)。所有团聚体冲洗到铝盒中, 于65℃烘至恒重。有机碳(TOC)含量采用重铬酸钾氧化法测定；不同活性有机碳(LOC)采用高锰酸钾氧化法测定^[26], 并略作改进, 具体方法如下：称取含15—30 mg碳的土壤样品于50 mL离心管中, 加入333、167、33 mmol/L高锰酸钾溶液25 mL, 密封振荡1 h, 4000 r/min离心5 min, 取少量上清液稀释250倍, 然后将稀释液于565 nm波长处比色, 利用KMnO₄消耗量计算3种活性有机碳含量, 记为C₁、C₂、C₃。C₃即为高活性有机碳, C₂—C₃为中活性有机碳, C₁—C₂为低活性有机碳。非活性有机碳(NLOC)为TOC与C₁的差值。

1.5 结果计算与统计分析

各级团聚体的质量百分含量=该级团聚体质量/土壤样品总质量×100%

采用SigmaPlot 12.5制图和SPSS 20软件进行数据处理, 采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan检验比较不同氮处理下各参数间的差异(α=0.05), 利用因子分析(Factor analysis)对土壤因子和植被因子进行主成分分析。

2 结果与分析 2.1 氮添加对表层土壤水稳性团聚体分布的影响

由表 2可知, 短期氮添加对土壤水稳性团聚体分布影响不显著(p>0.05)。总体上, 各处理土壤水稳性团聚体以大团聚体(>0.25 mm)为主, 所占比例为65.36%—73.65%；微团聚体(0.053—0.25 mm)次之, 为21.88%—28.49%；粉-粘团聚体( < 0.053 mm)占比最低, 不超过6.16%。

2.2 氮添加对表层土壤有机碳和团聚体有机碳含量的影响

图 1表明, 短期N添加对土壤有机碳影响显著(P < 0.05)。随着N添加水平增加, 土壤有机碳含量总体上呈先增加后降低趋势, 并在N6处理下达到最大。和CK相比, N3, N6, N9处理土壤有机碳含量分别提高了61.1%, 74.4%, 47.6%。此外, 与样地有机碳本底值对比, CK处理有机碳含量无显著变化, N3, N6, N9处理分别提高了4.76%, 17.99%, 10.93%。

由图 2可知, 同一处理大团聚体有机碳含量最高, 微团聚体次之, 粉-粘团聚体有机碳含量最低；随着N添加水平增加, 大团聚体和微团聚体有机碳变化遵循土壤有机碳先升高后降低的变化规律, 都在N6处理下含量最高。相比CK处理, 各处理粉粘团聚体有机碳含量均显著增加(P < 0.05)；N6处理下不同粒级团聚体有机碳含量显著增加, 大团聚体有机碳增幅为56.85%、微团聚体有机碳增幅为51.63%, N3、N9处理与CK相比差异不显著。由此可以看出, 这3种粒级团聚体有机碳对于N添加的响应有所差异。

2.3 氮添加对表层土壤团聚体不同活性有机碳和非活性有机碳含量的影响

如图 3所示, 同一处理下, 大团聚体高活性有机碳含量最高, 中活性有机碳次之, 低活性有机碳含量最低。随着N水平增加, 大团聚体低活性有机碳含量逐渐增加, 中活性和高活性有机碳含量总体上呈先增加后降低趋势, 并在N6处理下达到最大。相比CK处理, 各处理大团聚体低活性有机碳含量分别增加86.67%、115.06%、144.60%, 中活性有机碳含量增加104.22%、178.73%、148.65%, 高活性有机碳含量增加72.54%、79.61%、73.63%。如图 4所示, 同一处理下微团聚体高活性有机碳含量最高, 中活性有机碳次之, 低活性有机碳最低。随着N水平增加, 微团聚体低活性有机碳含量变化规律不明显, 中活性和高活性有机碳含量总体上呈先增加后降低趋势, 并在N6处理下达到最大。相比CK处理, 施N处理微团聚体高活性有机碳含量均显著增加(P < 0.05), 中活性有机碳含量增幅最大：微团聚体低活性有机碳含量增加65.69%、32.84%、64.46%, 中活性有机碳含量增加115.02%、166.79%、59.18%, 高活性有机碳含量增加59.35%、62.05%、46.94%。大、微团聚体中活性有机碳含量增幅最大, 表明团聚体中活性有机碳对N添加响应最为明显。通过比较发现大团聚体和微团聚体变化规律类似, 都表现为活性有机碳含量按高、中、低活性碳递减, 且对N6处理响应更敏感；差异在于大团聚体低活性有机碳对施N处理的响应比微团聚体低活性有机碳更为敏感。

图 5表明, 同一处理下, 大团聚体非活性有机碳含量大于微团聚体, 随着N水平增加, 大团聚体和微团聚体非活性有机碳含量呈先增加后降低趋势, 但之间并无显著性差异(P>0.05)。说明近两年的施N试验主要影响活性有机碳, 对非活性有机碳影响不显著。

2.4 影响表层土壤团聚体活性有机碳因子的主成分分析

土壤活性有机碳受到土壤理化性质、生物因素的共同作用。氮添加会改变森林生态系统C:N:P化学计量比和降低土壤pH值, 影响凋落物分解、细根周转、土壤呼吸等, 进而影响到土壤碳库。各因子间不可避免地存在多重共线性, 为了明确各因子的影响程度, 对影响土壤团聚体活性有机碳的3个植被因子和7个土壤因子进行主成分分析(表 3)。结果表明, 所有主成分中特征值>1的有3个, 其方差累计贡献率为77.16%。主成分1与有机碳、全磷、全N、砂粒显著正相关, 与pH、粘粒显著负相关, 这反映了土壤理化性质的内在关系：N添加引起的土壤全N、pH变化引起了土壤其它性质的改变, 故主成分1可称为土壤理化性质成分；主成分2与粗根生物量、砂粒显著正相关, 与粉粒显著负相关, 故主成分2可称为土壤-植被共同作用成分；主成分3与细根生物量显著正相关, 与凋落物生物量显著负相关, 表明细根生物量与凋落物分解都有助于活性有机碳增加, 因此主成分3称为植被因子成分。以上可以看出, 施N引起的土壤理化性质变化是土壤活性有机碳变化的主要原因。

3 讨论

本研究经过近2年的N添加试验发现, 施N对黄土高原人工油松林表层(0—10 cm)土壤有机碳影响显著。其中, 适量N添加(3、6 g N m^-2 a^-1)对表层土壤有机碳含量有显著的促进作用, 而高N添加(9 g N m^-2 a^-1)促进作用并不明显, 表明土壤有机碳对N添加的响应不是线性的, 可能存在饱和点。N添加对土壤有机碳的影响依赖于净初级生产所带来的碳输入与分解矿化引起的碳输出之间的平衡^[27]。黄土高原属于受N限制的地区^[28]。N输入的增加会刺激植物生长, 但高的N沉降速率会造成N刺激, 使油松林处于由N缺乏向N饱和的阶段转变, 这一阶段N吸持效率会逐步降低^[21]。过高的N沉降速率使得植物生长量减少^[29], 同时也减少了植物根系及其分泌物向土壤的碳归还^[24], 导致高氮添加促进作用不明显甚至产生毒害。因此6 g N m^-2 a^-1可能是适宜本地区人工油松林的氮添加量。

本研究发现, 短期施N对表层土壤团聚体分布并无显著影响, 各处理以大团聚体有机碳含量最高, 与安韶山等^[30]的研究结果类似。从团聚体胶结物质角度考虑, 微团聚体被腐殖质等稳定, 而大团聚体是由微团聚体进一步团聚形成的, 除原有有机质外, 主要是被新输入的有机质(如碳水化合物、根系分泌物、菌丝)所稳定^[12]。随着N添加水平增加, 大团聚体和微团聚体有机碳变化遵循土壤有机碳先升高后降低的变化规律, 均在N6处理下含量最高, 这表明大团聚体和微团聚体有机碳与土壤有机碳有一定的相关性。

土壤有机碳的短暂波动主要发生在活性有机碳部分^[6]。活性有机碳主要包括微生物碳、水溶性碳, 以及糖类、有机酸类等简单易变有机物和少量复杂有机物, 其来源主要包括凋落物分解、根系分泌物及脱落物、微生物代谢产物^[31], 其含量对气候变化响应较为敏感。本研究发现短期N添加显著增加了团聚体有机碳含量和3种活性有机碳含量, 而对团聚体非活性有机碳含量无显著影响。说明施N主要通过影响活性有机碳进而改变团聚体及土壤有机碳含量, 继而验证了前人的研究结论。本研究中, 同一处理下土壤大、微团聚体活性有机碳含量都表现为高活性有机碳>中活性有机碳>低活性有机碳, 说明本地区活性有机碳组分以高活性有机碳有主。然而大、微团聚体中活性有机碳含量增幅最大, 表明团聚体中活性有机碳对N添加响应最为敏感。由于土壤活性有机碳的复杂性, 导致目前研究对于N添加如何影响活性有机碳机制的认识尚存在不足。前人研究表明, 低N添加会通过影响土壤环境促进凋落物分解和根系分泌物输入而产生更多的可溶性糖等简单化合物^[32]。主成分分析表明, N添加引起的土壤全N、pH变化引起了土壤其它性质的改变, 进而导致根系生物量增加并促进凋落物分解。这可能是团聚体中活性有机碳有明显变化的主要原因。

本研究发现, 除团聚体低活性有机碳外, 中、高活性有机碳含量都表现出随施N梯度先增加后减小的规律, 在N6水平达到最高。团聚体中、高活性有机碳, 团聚体有机碳和土壤有机碳变化规律类似, 说明团聚体有机碳及土壤有机碳与团聚体中、高活性有机碳关系密切, 这与大多数研究结果一致^[33-34]。而中、高活性有机碳在大团聚体和微团聚体中的分布没有明显差异, 这与前人的研究结果不同。华娟等^[33]在宁夏云雾山草原地区的研究发现, 植被恢复主要影响大团聚体活性有机碳。李睿等^[34]也得出类似的结论。而王彩霞等^[35]发现各粒级团聚体中活性有机碳含量随粒级增大而降低。可见活性有机碳在不同粒级团聚体中的分布是一个复杂的过程, 不同地区土壤母质、植被条件和生态环境, 以及团聚体分离方法的差异, 可能是导致研究结果差异的主要原因。

4 结论

(1) 短期N添加对表层土壤和大、微团聚体中有机碳和活性有机碳含量有着显著影响, 其中N6处理(6 g N m^-2 a^-1)响应最为明显。

(2) 施N处理不同程度地增加了表层土壤大团聚体和微团聚体3种活性有机碳含量, 而对团聚体非活性有机碳含量无显著影响。说明施N主要通过影响活性有机碳进而改变有机碳含量。同一施N处理下, 土壤大、微团聚体活性有机碳含量都表现为高活性有机碳>中活性有机碳>低活性有机碳, 活性有机碳组分以高活性有机碳有主。而大、微团聚体中活性有机碳含量增幅最大, 表明团聚体中活性有机碳对N添加响应最为明显。氮添加通过影响大、微团聚体中的中活性有机碳进而影响土壤表层有机碳含量。

(3) 主成分分析表明, N添加引起的土壤理化性质的改变, 进而导致根系生物量增加并促进凋落物分解, 是表层土壤团聚体活性有机碳变化的主要原因。至于N添加具体通过影响土壤哪些有机物导致团聚体活性有机碳增加, 有待深入研究。