杨永超，段文标，陈立新，曲美学，王亚飞，王美娟，石金永，潘 磊
(东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)
土壤中的碳主要以有机碳的形态存在[1-2]，土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)对改善土壤结构与维持土壤稳定起着重要作用[3-4]。活性有机碳主要由易氧化有机碳(easily oxidized organic carbon，EOC)组成，活性有机碳十分活跃，易转化分解，能被植物快速吸收[5]。缓效有机碳主要由颗粒有机碳(particulate organic carbon，POC)和轻组有机碳(light fraction organic carbon，LFOC)组成，其稳定性介于活性有机碳和惰性有机碳之间，周转速度居中。惰性有机碳由重组有机碳(heavy fraction organic carbon，HFOC)和矿物结合态有机碳(mineral bound organic carbon，MOC)组成，惰性有机碳极难分解，很难被氧化，稳定性极强，可保证土壤有机碳长期稳定存在[6]。土壤中的氮和磷是森林植物生长必需的营养元素，二者对土壤碳循环有重要影响[7-8]。氮磷沉降对土壤有机碳的影响各异[9-11]。凋落物是土壤有机碳的主要来源[12]。研究表明，凋落物可以通过多种途径转化为土壤有机碳，从而影响土壤有机碳的输入和输出以及碳循环的稳定[13]，但去除或添加凋落物对土壤有机碳的影响尚无定论[14-16]。
红松(Pinuskoraiensis)是我国东北东部山区主要的优势树种[17]，在水土保持和生态平衡等方面起着重要作用[18-19]。但近几十年来，持续的大量采伐，导致红松林的覆盖率以及土壤肥力有所下降。而氮磷沉降与凋落物处理对红松林生态系统生产力的影响尚不清晰。因此，本研究以黑龙江省伊春市凉水国家级自然保护区红松(Pinuskoraiensis)人工林与阔叶红松林为对象，采用样地设置、野外调查、模拟试验等方法，阐明模拟不同剂量氮磷沉降和凋落物处理对两种林型红松林土壤有机碳组分的影响，为红松林覆盖率和土壤肥力的提高及生态系统稳定性的提升提供理论参考。
研究区位于黑龙江省伊春市带岭区凉水国家级自然保护区(128°47′08″～128°57′19″E，47°06′49″～47°16′10″N)，保护区总面积为6 394 hm2。该区属于温带大陆性季风气候，冬长夏短，日照时长短，气温低，年均最高气温7.5 ℃，年均最低气温-6.6 ℃，极端最高气温38.7 ℃，极端最低气温-43.9 ℃；
年均降水量676 mm。地带性土壤为暗棕壤，土壤肥力较高，占全部区域总面积的85%[20]。主要森林类型是以红松为主的针阔混交林，其他树种有臭冷杉(Abiesnephrolepis)、红皮云杉(Piceakoraiensis)等20余种。
2017年10月在伊春市带岭区凉水国家级自然保护区，选出阔叶红松林和红松人工林两个林型。每个林型设置3块20 m×30 m的样地，并且每块样地间隔20 m。试验样地基本概况为红松人工林位于海拔412～435 m的半阳坡下坡，坡度为7°～9°，其平均胸径为21.1～23.5 cm，平均树高为18.4～20.2 m，林分密度为1 300～1 475 株/hm2,郁闭度为0.70～0.80；
阔叶红松林位于海拔471～499 m的半阳坡上坡，坡度为15°，其平均胸径为21.1～26.4 cm，平均树高为15.0～18.1 m，林分密度为825～1 175株/hm2，郁闭度为0.50～0.70。
1.2.1 凋落物处理
于每块样地内布设12个2 m×2 m的样方(表1)。其中第1—4样方，为保持地表原状凋落物样方(CK1)；
第5—8样方，为凋落物去除样方(R)，小心有序清除样方土壤表面上的凋落物及可见腐殖质；
第9—12样方，为凋落物添加样方(A)，即将5—8样方去除的凋落物小心有序添加到9—12样方内，均匀平铺到各个样方原有的凋落物上。在每一样方上，覆盖尼龙丝网并用丝线缝制固定至塑料管框上。
1.2.2 氮磷沉降处理
根据当地夏季多年降雨记录以及对凉水国家级自然保护区自然氮、磷沉降量的测定结果(全磷湿沉降通量为0.888 kg/hm2，全氮湿沉降通量为7.590 kg/hm2)[21-23]，依据自然氮磷沉降背景，并参考国际上同类研究的处理方法[24-25]，设置氮磷处理的强度和频度。2018年与2019年的5—10月，按照设计的不同单位面积施肥量每月采用人工均匀喷洒的方式，进行1次模拟氮磷沉降试验。将需要喷施的氮磷肥按照其相应的剂量溶解于2 L水中配置成不同处理水平(质量浓度)的液体肥，在每个样方内均匀喷洒，对照则喷洒相同体积的溪水。
本研究分别使用(NH4)2SO4和(NH4)2HPO4作为氮源和磷源，模拟氮磷沉降处理设置4个水平，分别为无氮磷沉降处理(未施N、P，设为CK2)、低剂量氮磷沉降处理(N、P添加量均为5 g/m2，设为L)、中剂量氮磷沉降处理(N添加量为15 g/m2、P添加量为10 g/m2，设为M)和高剂量氮磷沉降处理(N添加量为30 g/m2、P添加量为20 g/m2，设为H)，每个水平设定3个重复。考虑到模拟氮磷沉降会影响两种林型红松林生态系统的物质循环，因而氮磷沉降的初年(2018年)和次年(2019年)土壤各组分有机碳的动态特征会出现差异，所以分试验第1年(2018年)和第2年(2019年)进行分析。试验样地处理设计表见表1。
表1 氮磷沉降处理与凋落物处理样地设计表Table 1 Design of N and P deposition treatment and litter treatment
1.2.3 样品采集
2018和2019年的5、8和10月在红松人工林和阔叶红松林样地的每个样方内，随机选取3个30 cm×30 cm的取样点，在每个取样点采集0～20 cm土壤样品，挑出土壤中的植物根系和大于2 mm的石块，然后把土样放到阴凉通风处，待自然风干后，用粉碎机与研钵对其进行研磨，然后分别用孔径2.000、0.250、0.450和0.149 mm的筛将土壤样品过筛，装入写好编号的密封袋中供测定用。
土壤轻组有机碳(LFOC)和重组有机碳(HFOC)的提取采用相对密度分组方法[26]，颗粒有机碳(POC)和矿物结合态有机碳(MOC)的提取采用Six等[27]的物理分组方法，土壤总有机碳(TOC)及上述各组分有机碳含量的测定采用TOC元素分析仪(Elementar Vario TOC，德国)进行测定[28]，易氧化有机碳(EOC)采用KMnO4氧化法提取并测定其含量[29]。
使用Excel 2019对数据进行整理，采用SPSS 21.0中的多因素方差分析和差异显著性检验(LSD法，α=0.05)分析模拟氮磷沉降(N、P)和凋落物处理(L)对试验第1年和第2年两种林型红松林土壤有机碳组分的影响，用Canoco 5.0的冗余分析(RDA)对模拟氮磷沉降处理与凋落物处理的交互作用对土壤有机碳组分的影响因素进行分析、排序，选出对土壤有机碳组分影响最显著的组合。
经方差分析可知(表2)，试验第1年氮磷沉降处理(NP)与凋落物处理(L)对土壤颗粒有机碳无显著影响，对其他土壤有机碳组分影响显著；
林型(F)、月份(M)对土壤有机碳组分均有显著影响。
表2 试验第1年氮磷沉降和凋落物处理对红松林土壤有机碳组分的影响Table 2 Effects of N and P deposition and litter treatments on SOC components in Pinus koraiensis forest in the first year of experiment
经多因素方差分析可知(表3)，试验第2年林型(F)、月份(M)对土壤有机碳组分均有显著影响，而氮磷沉降处理(NP)与凋落物处理(L)对土壤有机碳组分却均无显著影响。
表3 试验第2年氮磷沉降和凋落物处理对红松林土壤有机碳组分的影响Table 3 Effects of N and P deposition and litter treatments on SOC components in Pinus koraiensis forest in the second year of experiment
林型、月份、凋落物和氮磷沉降处理对土壤有机碳组分的影响分析见图1。由图1a与图1b可知，在试验进行的两年中，阔叶红松林土壤相较于红松人工林更利于各组分有机碳的积累。土壤矿物结合态有机碳(MOC)、易氧化有机碳(EOC)和总有机碳(TOC)呈先上升后下降趋势，因而在8月积累量最大。凋落物去除与添加处理对土壤重组有机碳(HFOC)、矿物结合态有机碳(MOC)、EOC和TOC均无影响。试验第1年，低剂量氮磷沉降处理可显著提高土壤HFOC、颗粒有机碳(POC)、EOC和TOC含量，高剂量氮磷沉降处理则显著提高土壤轻组有机碳(LFOC)含量；
试验第2年，中剂量氮磷沉降处理对土壤HFOC、POC、MOC和TOC含量的提升效果最为显著。
Ma、Au、O.5、8和10月 May,August and October；
P、B.红松人工林和阔叶红松林 Pinus koraiensis plantation and broad-leaved P. koraiensis forests；
CK1、R、Ad.凋落物原状、去除和添加unchanged,removal and addition litter；
CK2、L、Me、H.无、低剂量、中剂量和高剂量氮磷沉降no,low,middle and high dose N and P deposition。下同。The same below.图1 试验第1年和第2年林型、月份、凋落物和氮磷沉降处理对土壤有机碳组分的影响Fig.1 Effects of SOC components under forest type,month,litter and N and P deposition in the first and second years of experiment
试验第1年各月氮磷及凋落物处理的交互作用对土壤有机碳组分的影响见图2。由图2a可知，试验第1年5月红松人工林的凋落物原状和去除处理下，高剂量氮磷沉降处理后的EOC、POC、LFOC含量均比CK2显著上升；
而凋落物添加处理中，上述有机碳组分含量则呈下降趋势，这表明凋落物添加会抑制高剂量氮磷沉降处理对上述3种有机碳的积累。
由图2d可知，试验第1年5月阔叶红松林的凋落物原状和去除处理下，高剂量氮磷沉降处理会显著降低HFOC和MOC含量；
而在凋落物添加处理中，高剂量氮磷添加则会显著提高这两组分有机碳含量，这说明凋落物添加有利于高剂量氮磷沉降处理下2种有机碳的积累。
由图2b可知，试验第1年8月红松人工林的凋落物原状和添加处理下，经高剂量氮磷沉降处理后POC、LFOC、EOC、TOC含量均比CK2显著下降；
而在凋落物去除处理中，经高剂量氮磷沉降处理后其含量呈上升趋势，这证实了凋落物去除可以增加高剂量氮磷沉降处理下4种有机碳的含量。
由图2e可知，试验第1年8月阔叶红松林的凋落物添加和去除处理下，高剂量氮磷沉降处理显著提高了TOC、EOC、LFOC含量；
而在凋落物原状处理中，却与之相反，这反映了保持凋落物原状可以增加高剂量氮磷沉降处理下上述有机碳的含量。
由图2c可知，试验第1年10月红松人工林的凋落物原状和添加处理下，高剂量氮磷沉降处理会显著降低LFOC和POC含量；
而在凋落物去除处理中，却与之相反，这说明凋落物去除可以增加高剂量氮磷沉降处理下上述有机碳的含量。
a、b、c.5、8和10月红松人工林 Pinus koraiensis plantation in May,August and October；
d、e、f.5、8和10月阔叶红松林 broad-leaved P. koraiensis forests in May,August and October。下同。The same below.图2 试验第1年各月红松林氮磷沉降及凋落物处理的交互作用对土壤有机碳组分的影响Fig.2 Effects of monthly N and P deposition and litter treatment on SOC components in Pinus koraiensis forest in the first year of experiment
由图2f可知，试验第1年10月阔叶红松林的凋落物原状和去除处理下，高剂量氮磷沉降处理后的HFOC和TOC含量均发生了显著的下降；
而在凋落物添加处理中却发生了显著的上升，这表明凋落物添加会促进高剂量氮磷沉降处理下二者的积累。
试验第2年各月氮磷及凋落物处理的交互作用对土壤有机碳组分的影响见图3。由图3a可知，试验第2年5月的红松人工林的凋落物原状和去除处理下，高剂量氮磷沉降处理后的LFOC、TOC、EOC、MOC、POC含量均高于无氮磷沉降处理；
而在凋落物添加处理中，呈现相反的趋势，这说明凋落物添加会抑制高剂量氮磷沉降处理下上述有机碳的增加。
由图3d可知，试验第2年5月的阔叶红松林的凋落物添加和去除处理下，高剂量氮磷沉降处理后的LFOC、TOC、EOC、MOC含量均发生显著的下降；
而在凋落物原状处理中，却完全相反，这反映了凋落物原状有利于高剂量氮磷沉降处理下4种有机碳的积累。
由图3b可知，试验第2年8月红松人工林的凋落物原状和添加处理下，高剂量氮磷沉降处理后的TOC、LFOC、MOC含量均比CK2显著提升；
而在凋落物去除处理中，却与之相反，这表明凋落物去除可以降低高剂量氮磷沉降处理下3种有机碳的含量。
由图3e可知，试验第2年8月的阔叶红松林的凋落物原状和添加处理下，高剂量氮磷沉降处理会抑制TOC、LFOC、MOC、HFOC、EOC含量的积累；
而在凋落物去除处理中，却出现了相反的现象，这证实凋落物去除可以增加高剂量氮磷沉降处理下上述有机碳的含量。
由图3c可知，试验第2年10月的红松人工林的凋落物原状和去除处理下，高剂量氮磷沉降处理后有利于HFOC、TOC、MOC含量的积累；
而在凋落物添加处理中，却出现了完全不同的现象，这揭示凋落物添加会抑制高剂量氮磷沉降处理下3种有机碳的积累。
由图3f可知，试验第2年10月阔叶红松林的凋落物添加和去除处理下，高剂量氮磷沉降处理会降低HFOC、TOC、EOC、MOC含量；
而在凋落物原状处理中，却完全不同，这表明凋落物原状会增加高剂量氮磷沉降处理下4种有机碳的含量。
图3 试验第2年各月红松林氮磷沉降及凋落物处理的交互作用对土壤有机碳组分的影响Fig.3 Effects of monthly N and P deposition and litter treatment on SOC components in Pinus koraiensis forest in the second year of experiment
两年试验结果均表明，凋落物处理和氮磷沉降处理对土壤各组分有机碳含量均有不同的影响，但两种处理对各组分有机碳的影响并非简单的累计关系，二者间有显著的交互作用，具体表现为不同凋落物处理中，随着氮磷沉降剂量的提高，土壤各组分有机碳含量的变化呈现完全不同的趋势。
土壤有机碳组分的变化受多种因素的影响[30-31]，在本研究中，阔叶红松林对各土壤有机碳组分的影响均大于红松人工林。这是由于人工林的凋落物完全由红松的针叶构成，针叶分解的速度较慢[32]。而阔叶林凋落物种类丰富，除针叶外还有少部分阔叶，阔叶林分泌物量增多，增加了土壤有机碳的来源[33]。8月的矿物结合态有机碳、易氧化有机碳和总有机碳含量最高。这是因为，小兴安岭南部属于大陆性季风气候，气候特点为冬季严寒干燥，夏季高温多雨[34]。在本研究中，高温和雨水充足增强了植物和微生物活动，从而表现为8月的矿物结合态有机碳、易氧化有机碳和总有机碳含量最高。与相关研究相比[35]，凋落物去除与添加处理对矿物结合态有机碳、重组有机碳、易氧化有机碳和总有机碳无影响。这是由于凋落物去除降低了微生物的能量来源和有机碳的输入，而凋落物添加导致微生物增加，其竞争变得激烈，使得有机碳的输入降低[36]。试验的2年中，氮磷沉降处理对土壤有机碳影响各异。这是因为在土壤中生活着各种各样的土壤动物、微生物，它们对生活环境的需求不同[37]，不同剂量的氮磷添加处理会使它们的生命活动受到不同的影响，从而影响有机碳含量的变化[38]。
研究发现在试验第1年，土壤易氧化有机碳、总有机碳、重组有机碳、矿物结合态有机碳、轻组有机碳含量在凋落物添加处理下，无氮磷沉降处理均高于高剂量氮磷沉降处理。这与陈静文[15]的结果相同，这是因为，高剂量氮磷沉降处理与凋落物添加处理均能够促进微生物的活性，使土壤动物、微生物的数量快速增加，这增加了土壤动物、微生物用于呼吸作用消耗的有机碳，从而减少了有机碳的含量[39]。土壤颗粒有机碳含量在凋落物去除处理下，无氮磷沉降处理均高于高剂量氮磷沉降处理。这与林保平等[40]的研究结果相同。这是因为，虽然高剂量氮磷沉降处理会促进微生物的活性[41]，但凋落物是土壤有机碳的来源，去除凋落物等同于减少了有机碳的输入；
而且会导致土壤动物、微生物凋落物数量减少，使有机碳含量下降[42-43]。在试验第2年，土壤各有机碳组分含量在凋落物去除处理下，无氮磷沉降处理均低于高剂量处理。这与付淑月等[44]的研究结果一致，这是因为凋落物的去除会使地表温度降低导致植物根系、土壤动物微生物死亡，从而增加有机碳含量[45]。另外，高剂量氮磷沉降处理会促进凋落物分解与植物生长、微生物的活性从而增加有机碳来源的输入[46-47]。
