氮(N)沉降的持续加重及其生态效应受到科学家的广泛关注^[1-2]。20世纪以来，由于人类活动的影响，N沉降量不断升高，全球当前N沉降速率已超过10 kg N hm^-2 a^-1，预计到2050年还将增加1倍，部分地区可达50 kg N hm^-2 a^-1[3]。随着社会经济的快速发展，中国已是继欧洲和美国之后的第三大N沉降区^[4]。已有研究表明，N沉降影响生态系统的养分循环、碳(C)动态、植被动态，凋落物分解和土壤酸化等各个方面^{[2, 5]}，但这些影响仍存在很大的不确定性。

氮和磷(P)是植物生长所需的两大矿质元素，土壤N和P供应水平将影响森林生产力和稳定性^[6]。研究表明，N沉降一方面可以降低土壤C/N，增强微生物的分解作用，提高N矿化速率及植物可利用N，进而增加植物净光合产物和凋落物量^[4]；另一方面，N沉降输入过多的NH₄⁺-N和NO₃^--N，大量NH₄⁺-N通过硝化作用转化为NO₃^--N，产生H⁺，导致土壤酸化，N流失加剧^[7]。同时，在丘陵红壤区，土壤P通常被强烈的吸附固定，有效P含量极低^[6]。N沉降可通过影响植物根际碳水化合物分泌，酸化土壤等过程，影响土壤P转化与供应，从而影响树木P吸收和利用^[8]。例如，庞丽等^[9]研究表明，模拟N沉降提高植株体 N∶P 比，可增强异质生境条件下马尾松(Pinus massoniana)对P的吸收。此外，C循环是森林最重要的生物地球化学循环过程之一，与森林生产力与全球气候变化密切相关。土壤有机C矿化是土壤生物通过自身活动，分解和利用土壤活性有机组分完成自身代谢，释放CO₂的过程，影响土壤养供给及土壤质量^[10-11]。N沉降可能增加、降低或不影响土壤C排放^[12-14]，相关的机制有待深入研究。

根际被认为是森林生物地球化学循环的关键区域，是物质和能量转化最激烈的区域之一，范围一般为距根表几毫米至数厘米的区域^[15]。N沉降对养分转化和有机C矿化的影响效应可能优先作用于根际土壤，因为植物根产生分泌物和脱落物可为根际区土壤微生物提供有效C和N源，使根际土壤微生物在数量上显著高于非根际土壤，并随之引起一系列土壤生化过程的变化与连锁效应^[16]。此外，由于不同物种对N的需求各异，不同树种根际分泌物对N沉降的响应不同，这必然影响根际土壤N转化和有机C矿化。总体来看，N沉降对树木根际过程及其效应的研究报道较少，对不同树种(如：针叶树和阔叶树)的响应过程及其机制的了解还明显不够^[17]，不利于确切提出森林应对全球N沉降的有效措施。

杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国南方主要用材树种，为亚热带常绿针叶林的代表性树种^[18]。枫香(Liquidamba formosana)为长江中下游次生林的重要冠层树种，是亚热带落叶阔叶树的代表^[19]。基于此，结合南方丘陵山区N沉降不断加重的生态问题，研究两种代表性树种根际N、P养分转化和有机C矿化对N沉降的响应过程及其异同机制。研究结果有助于更好的剖析和理解针叶树和阔叶树地下根际N、P和C过程的耦合效应与调控机制，为全球变化背景下亚热带地区森林经营和管理提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究地点位于江西省泰和县灌溪镇中国科学院千烟洲试验站(115°04′13″E，26°44′48″N，海拔多在100 m左右，相对高度差20—50 m)，该地为典型红壤丘陵地貌，地势起伏、丘顶浑圆，以10°—25°坡度居多，由白垩系红色与紫红色砾岩、砂岩和泥岩组成，除少数丘顶和裸露地外，风化层一般厚30—50 cm。林地土壤为红黄壤，年均气温18℃，年平均降水量约1500 mm，年均相对湿度90%，年日照时数1400 h，全年降水充沛，但年际变化较大，年内分布不均匀，属典型亚热带季风气候^[20]。

1.2 试验设计

试验样地为典型红壤区15a杉木和枫香混交林(表 1)，其中杉木和枫香的比例为8∶2，在8块20 m ×20 m混交林地中野外原位开展10 g N m^-2 a^-1 N沉降模拟试验，其中N沉降处理和对照各4块，配对设置，施肥自2012年春起，每年4季各1次，施肥方式为NH₄NO₃拌少量细沙均匀撒施，对照只撒等量细沙。试验处理之前，在每块样地用3 cm土钻随机取表层(0—20 cm)土壤36个点混合，预处理后，测定其基本养分特性(表 2)。

1.3 样品采集

2014年8月，在每块样地中选定杉木和枫香标准木各1株，4次重复，共16株。在离树干0.5—1 m的位置挖掘3个10 cm×10 cm×15 cm的土块，将依附在植物根系上4 mm之内土壤轻轻抖落出来，并用镊子将细根及其它杂物移除，将抖落下来的土壤定义为根际土；非根际土为未依附于根系上的土壤^{[10, 21]}。收集好足量土壤后，将其混匀分装过2 mm筛，在4℃冰箱中保存，并尽快完成土壤相关指标的测定。

1.4 土壤养分特性的测定

土壤养分测定参考鲁如坤^[22]的方法，其中NH₄⁺-N用靛酚蓝比色法测定；NO₃^--N采用镀铜镉还原-重氮化耦合比色法；有效P采用NH₄F-HCl浸提，钼锑抗比色法测定；有机C的测定采用重铬酸钾外源加热法；土壤pH值采用水浸提酸度计法，水∶土为5∶1。同时，土壤可溶性有机C采用蒸馏水(水土比2∶1)浸提，震荡0.5 h，离心，0.45 μm滤膜抽滤，TOC分析仪测定滤液中的含量；土壤含水量用105℃烘干法测定，所有的数据均换算成烘干土质量计算。此外，为衡量N转化特征，本研究将NO₃^--N/矿质N(NH4⁺-N和NO₃^--N之和)之比定义为相对硝化强度^[23]。

1.5 土壤碳矿化估测方法

土壤有机C矿化的估测采用碱液密闭吸收法，每个样品各称取3份过2 mm网筛的新鲜土壤30 g于可封闭的广口瓶中，加蒸馏水至饱和持水量的40%左右，量取1 mol/L NaOH溶液10 mL于50 mL烧杯中，在广口瓶内盖上涂抹凡士林直至密封良好，密闭放入25℃的恒温箱中进行培养，采用碱液吸收法测定矿化量，测定时间为第3、6、9、14、19、24天和第34天^[23]。为便于描述和分析，本文将0—9 d、9—19 d和19—34 d划分为前期、中期和后期3个矿化阶段。

有机C矿化的动力学模型参数计算公式使用C_m=C₀(1-e^-kt)，C_m和C₀分别代表在培养期累积的OC矿化量(%)和矿化潜力(矿化势%)，k和t分别代表矿化常数和培养时间。同时，将培养34 d C矿化总量占水溶性有机C量之比定义为可矿化强度；将N沉降处理有机C矿化速率与对照之比定义为对N沉降的响应强度。

1.6 根际效应的界定

根际效应是指根际土壤理化与生物学特性不同于非根际土壤的差异性。通常用R/B来表示，其中R代表根际土壤，B代表非根际土壤，根际正效应是指根际土壤中某个指标的量高于非根际土壤，因此，用R/B>1表示为正效应，R/B<1为负效应^[10]。

1.7 数据处理

采用SPSS 17.0 统计软件和Excel 2007进行统计和数据分析，不同处理间参数的差异采用Duncan法进行多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析 2.1 氮沉降对土壤氮磷供应的影响

试验处理前N沉降和对照处理林地土壤基本理化特性背景值无显著差异(表 2)。试验处理4a之后，N沉降对根际和非根际土壤pH值和硝化强度影响显著，对根际速效P和非根际NO₃^--N含量影响显著(P<0.05)；对NH₄⁺-N、矿质N和矿质N/速效P等化学特性的影响不显著；不同树种的上述土壤化学特性之间均无显著差异，且N沉降处理和不同树种的交互作用不显著。此外，不同树种之间土壤化学特性根际效应差异不显著(图 1)。

进一步分析发现，N沉降仅显著降低杉木非根际土壤pH值，降幅为3.8%，但同时降低枫香根际和非根际土壤pH值，降幅分别为4.3%和5.8%(图 1)。N沉降仅显著提高枫香非根际土壤NO₃^--N含量，增幅达248.8%(图 1)。此外，N沉降显著降低杉木根际土壤速效P含量，降幅为29.9%(图 1)。

2.2 氮沉降对不同树种土壤有机碳矿化的影响

方差分析结果表明，N沉降对根际和非根际土壤矿化势影响显著，对非根际水溶性有机C、可矿化强度和前期矿化速率影响显著；对中期、后期矿化速率和平均矿化速率影响均不显著；除矿化势以外，不同树种以上土壤化学指标在根际土壤中均无显著差异。N沉降处理和不同树种对根际和非根际土壤可矿化强度、前期、中期和平均矿化速率的交互作用显著，仅对非根际土壤后期矿化速率和矿化势交互作用显著。此外，N沉降仅对前期矿化速率的根际效效应影响显著，N沉降处理和不同树种的交互作用仅对后期矿化速率具显著影响(图 2)。

进一步对比分析发现，N沉降仅显著提高了杉木非根际土壤水溶性有机C含量，增幅为23.6%，对杉木根际土壤、枫香根际和非根际土壤水溶性有机C含量影响不显著。N沉降显著降低枫香非根际土壤有机C可矿化强度，降幅达44.2%，但对杉木根际和非根际、枫香根际土壤有机C可矿化强度影响不显著(图 2)。

杉木根际和非根际土壤的34 d有机C矿化量均表现为N沉降处理高于对照，增幅分别为71.2%和41.2%；枫香根际和非根际土壤的34 d矿化量均表现为对照高于N沉降处理，降幅分别为10.6%和44.1%；其中对照处理枫香非根际土壤矿化量最高((67.13±5.09)mg CO₂/g OC)，对照处理杉木根际土壤矿化量最低((33.49±3.01)mg CO₂/g OC)(图 3)。同时，杉木土壤有机C各个时期的矿化速率对N沉降的响应强度均表现为正效应，而枫香则均为负效应(图 4)。

2.3 两个树种各变量根际效应对氮沉降的响应格局

除杉木对照和N沉降处理pH值、枫香对照处理pH值和N沉降处理NO₃^--N根际效应表现为负效应外，杉木和枫香在两种处理下NH₄⁺-N、NO₃^--N、速效P、水溶性有机C、前期、中期和后期有机C矿化速率均为正效应。其中枫香NO₃^--N和有机C前期矿化速率根际效应均为对照显著大于N沉降处理，后期矿化速率的根际效应则表现为N沉降处理显著大于对照，其它土壤化学特性在不同处理下的根际效应无显著差异(图 5)。

3 讨论

氮沉降对土壤生态过程的影响已成为近年来森林生态学研究的热点^{[2, 4, 7]}。N沉降影响效应的多面性表现为，在缺N的某些地区，适量N沉降对生态系统将产生正效应，如增加土壤N供应，从而提高生态系统生产力；但在大多数地区，过量N沉降给养分循环带来负面效应，如过量N导致土壤C∶N∶P化学计量比改变，影响土壤呼吸，降低土壤pH，加快养分流失，形成N饱和症状等^{[14, 24-25]}。根际是陆地生态系统物质和能量转化最激烈的区域^{[10, 15]}，N沉降对于地下生态过程的影响可能优先作用于根际土壤^[17]。

本研究表明，N沉降显著影响pH值、NO₃^--N和硝化强度的根际效应。N沉降仅显著降低杉木非根际土壤pH值，但同时降低枫香根际和非根际土壤pH值，提高了根际和非根际土壤的NO₃^--N含量，这些与他人研究结果具有较好的一致性^[7-8]。一些模拟N沉降实验也表明，随着NH₄NO₃输入，一方面由于NO₃^--N加入，土壤NO₃^--N积累；另一方面NH₄⁺-N输入导致硝化作用加强，而1 mol NH₄⁺-N被转化为NO₃^--N时可产生2 mol H⁺；以上两个过程将加剧过剩的NO₃^--N淋失和加快土壤酸化^[26]。有意思的是，本研究还发现N沉降显著降低NH₄⁺-N含量，并表现为根际土壤NH₄⁺-N显著高于非根际土壤。一般来说，N沉降会提高土壤NH₄⁺-N含量，造成与预期结果不相符的潜在原因是：过量N输入引起硝化细菌群体数量迅速增加，土壤硝化作用增强，大多数NH₄⁺-N被硝化菌转化成NO₃^--N^[27]；因树木通常具有吸收NH₄⁺-N偏好，根际微生物受到杉木根系分泌物的调控，尽量减少和削弱根际硝化菌的数量和功能，维持根际土壤具有较高NH₄⁺-N，一方面满足树木吸收所需，另一方面，也是减缓N流失的机制^{[17, 28]}。另外，N沉降还会通过改变土壤阴阳离子平衡及酸碱性，对土壤P有效性产生较大影响^[29]。本研究发现，N沉降显著降低了两个树种根际和非根际土壤有效P含量，但根际土壤的含量高于非根际土壤。袁颖红^[27]等对杉木人工林开展了连续5年4个水平N沉降实验也表明，N沉降造成土壤速效P的衰减，且在N沉降初期，随N沉降水平提高，速效P衰减加重；但多年N沉降造成土壤强酸化之后，土壤缓效P可转化成有效P，有效P衰减速度较为稳定；估计与土壤pH值降低导致有效P被土壤酸化而活化的Al³⁺结合形成低溶性化合物有关。孟范平^[28]也认为酸沉降一方面可促进固相磷酸盐分解，分解出的P很容易被土壤中因酸雨而活化的Al³⁺结合形成低溶性化合物，从而抑制磷酸盐活性；另一方面土壤酸化可增强磷酸酶活性，提高土壤速效P的供给。已有研究证实，在南方酸性土壤中，活性三氧化物可将速效P吸附于其表面，当土壤pH值低于6时，主要通过活性三氧化物表面对PO₄^3-吸附作用而固定P，因此，活性Al含量随酸化加重而增高，速效P的衰减越快^[29]。陈希^[30]等也发现，随酸沉降的加重，根际土壤速效P含量越低。可见，N沉降显著改变土壤N、P供应的影响，且两个树种的响应模式较为一致，但根际与非根际土壤的响应有明显差异。

碳和N的耦合是森林生态过程研究关注的焦点之一^[2]。氮沉降改变森林土壤N循环，必将影响土壤C过程。本研究发现，N沉降提高杉木非根际土壤水溶性有机C含量，增强杉木根际和非根际土壤有机C矿化速率，而降低枫香非根际土壤有机C可矿化强度，抑制枫香根际和非根际土壤有机C矿化速率。袁颖红等^[31]于杉木林中开展模拟N沉降试验，发现随着N沉降量增加，土壤可溶性有机C增加。Deforest等^[32]在美国密歇根开展的N沉降试验结果也表明，土壤可溶性有机C含量因N沉降可导致可溶性酚类物质积累而显著提高。与此同时，胡正华等^[33]在北亚热带落叶阔叶林开展了模拟N沉降试验，发现N沉降显著抑制土壤呼吸。刘博奇等^[14]在北方针叶林内开展模拟N沉降试验，发现N沉降提高了土壤呼吸速率。李凯等^[34]开展模拟N沉降对石栎(Lithocarpus glaber)和苦槠(Castanopsis sclerophylla)幼苗土壤呼吸速率影响的研究，发现土壤呼吸对N沉降的响应因施N水平和幼苗种类不同而各异，但两树种的土壤呼吸在中、高N处理下均表现为抑制。我们的研究结果也表明，针叶树杉木和阔叶树枫香的土壤C过程对N沉降的响应各异，潜在原因可能是：杉木为喜肥性的速生树种，且根系无内外生菌根^[18]，N输入可促进根系的生长发育，提高根系的活性，导致根系分泌物增加，提高可溶性C含量及其矿化速率；而枫香为具内外菌根菌的树种^[19]，高N输入不利于菌根菌的生存，抑制根系发育及碳水化合物的分泌，导致土壤有机C矿化强度和矿化速率下降。为此，也不难解释杉木矿化速率对N沉降的响应表现为正效应，即根际有机C矿化速率优先加快；而枫香表现为负效应，即其根际有机C矿化速率优先受到抑制。

综上所述，许多他人的研究和本研究都表明N沉降效应因树种不同而表现各异，本研究还发现根际和非根际土壤养分转化和C稳定性对N沉降的响应也存在显著差异。无菌根的喜肥针叶树种杉木根际和非根际土壤过程对N沉降响应的同步性显著强于具有菌根的阔叶树种枫香。鉴于N沉降效应的复杂性，今后的研究应更多地关注土壤-植物-微生物的耦合机制^[15]，并力求将地下和地上过程联系起来^[16]，为森林应对全球N沉降提供有益参考。