云南亚热带常绿阔叶林土壤微生物量对大气氮沉降的响应

摘要  以玉溪市城区生态植物园中结构和功能保护较好的次生常绿阔叶林为研究地点，分别设置0、1、5、10、15和30 g/（m2·a）共6个氮浓度试验处理，采用林冠下喷雾的方式处理2年，采集0～10 cm表层土壤测定土壤全碳和全氮含量、活性有机碳含量及其转化率、微生物量碳和氮含量。研究结果表明：中高浓度大气氮沉降明显增加了土壤全碳和全氮含量，降低了活性有机碳含量及其转化率，减少了微生物量碳和氮含量，说明中高浓度大气氮沉降能够影响亚热带常绿阔叶林土壤碳循环和氮循环进程，增加土壤碳库和氮库，改变土壤碳组分，延缓土壤碳转化过程，减少土壤微生物总量。数据相关分析结果表明：土壤全碳含量与大气氮沉降浓度呈多项式关系，即土壤全碳含量随大气氮沉降浓度升高而增加，在10 g/（m2·a）N水平达到最大值［（31.05±1.94） g/kg］，之后随着大气氮沉降浓度的继续升高而降低；土壤全氮含量与大气氮沉降浓度呈线性正相关关系，即土壤全氮含量随着大气氮沉降浓度持续升高而不断增加；土壤活性有机碳含量及其转化率、微生物量碳和氮含量与大气氮沉降浓度呈线性负相关关系，即随着大气氮沉降浓度持续升高而不断降低。

关键词  大气氮沉降；土壤微生物量碳；土壤微生物量氮；土壤全碳；云南亚热带常绿阔叶林

中图分类号  X172  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）01-0039-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.01.010

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Responses of Soil Microbial Biomass to Atmospheric Nitrogen Deposition in a Subtropical Evergreen Broad-leaved Forest of Yunnan Province

LI Mao-nan1， LIU Xian-bin1，2， YANG Ya-li1，2 et al

（1. School of Chemistry， Biology and Environment， Yuxi Normal University， Yuxi， Yunnan 653100;2. Institute of Biology and Environmental Engineering， Yuxi Normal University， Yuxi， Yunnan 653100）

Abstract  In this study， the secondary evergreen broad-leaved forest with structure and function protected well in the Ecological Botanical Garden of Yuxi City Center was taken as the study site;six nitrogen concentrations of 0， 1， 5， 10， 15 and 30 g/（m2·a） N were employed as the experimental treatments， respectively;spray under the forest canopy was adopted for two years， and the 0-10 cm topsoil was collected to determine the soil total organic carbon， total nitrogen， labile organic carbon and its turnover rate， microbial biomass carbon and nitrogen. The study results showed that atmospheric nitrogen deposition with the medium and high concentrations apparently increased the content of soil total carbon and nitrogen， decreased the content and turnover rate of labile organic carbon， and reduced the content of microbial biomass carbon and nitrogen， indicating that atmospheric nitrogen deposition with the medium and high concentrations could affect the process of soil carbon cycle and nitrogen cycle， expand the carrying capacity of soil carbon and nitrogen， change soil carbon components， delay the conversion process of soil carbon， and reduce the amount of soil microbial biomass of subtropical evergreen broad-leaved forests. The correlation results of data analyses showed that a polynomial relationship between soil total carbon and atmospheric nitrogen deposition concentrations occurred， i.e.， soil total carbon increased with the rise of atmospheric nitrogen deposition concentration， reached the maximum value at the 10 g/（m2·a） N level ［i.e.， （31.05±1.94） g/kg］， and then decreased with the continuing rise of atmospheric nitrogen deposition concentration;a positive linear correlation between soil total nitrogen and atmospheric nitrogen deposition concentration occurred， i.e.， soil total nitrogen increased with the rise of atmospheric nitrogen deposition concentration;and soil labile organic carbon and its turnover rate， the content of microbial biomass carbon and nitrogen， respectively， showed a negative linear correlation with atmospheric nitrogen deposition concentration， i.e.， they decreased with the rise of atmospheric nitrogen deposition concentration.

Key words  Atmospheric nitrogen deposition;Soil microbial biomass carbon;Soil microbial biomass nitrogen;Soil total carbon;Subtropical evergreen broad-leaved forest in Yunnan Province

基金项目  云南省教育厅大学生创新创业训练计划项目（2021A024）；云南省教育厅大学生创新创业训练计划项目（202111390011）。

作者简介  李茂楠（2000—），男，云南玉溪人，本科，专业：热带森林系统土壤碳循环和养分循环、植物营养。*通信作者，副教授，博士，从事热带森林生态系统土壤碳循环和养分循环、干旱干扰、风干扰、植物营养等方面的研究。

收稿日期  2023-01-25

近年来，人们通过化石燃料的大量开采使用、化学肥料的大规模生产施用和畜牧产业的养殖发展等途径向周围环境中排放的各种活性氮化合物数量猛增，增加了大气氮沉降量，对森林、草地、农田、滩涂、水域等自然生态系统产生了严重的消极影响［1-4］。从世界范围看，欧洲、美国和中国已经是全球三大大气氮沉降集中区域。美国和欧洲由于工业、农业和畜牧业的高度发达，大气氮沉降增加的比例较高，平均年沉降量超过25 kg/hm2，局部地区的增加量比本底水平高10～20倍，且增加的趋势不减［5-6］。据估计，在我国，由于人类活动产生的活性氮将从目前的45×106 t增加到2050年的63×106 t，活性氮的总量和种类均明显增加［7］。由于受到全球气候变化和国家与地区间产业结构调整的影响，全球大气氮沉降的集中分布中心正从欧美社会经济发达国家转向东南亚地区发展中国家，主要发生区域也从北半球温带区域逐步扩展到赤道附近的热带和亚热带区域［1］。据调查，我国华南大部分地区年均大气湿沉降已超过30 kg/hm2 N，最高值达年均65 kg/hm2 N，是欧美地区自然森林生态系统健康和安全大气氮沉降临界值的4.3～6.5倍［1，8-9］。长期的超量大气氮沉降造成的直接后果就是自然生态系统氮饱和，从而产生一系列负面效应：降低土壤生态系统原始缓冲能力，加剧土壤酸化程度；改变土壤化学元素组成和比例，导致生态系统营养元素失衡；影响植物净生产力，干扰植物器官之间碳分配；改变生态系统物种组成和结构功能，降低生态系统植物多样性和丰富度；降低土壤酶活性，减少微生物总量和多样性，影响植物根系吸收养分能力；改变土壤动物生物量和多样性，影响物种组成及丰富度；增加土体温室气体（如CO2、N2O和CH4等）物种排放量，影响局部气候条件；抑制生态系统固氮能力，干扰氮循环平衡；降低森林凋落物分解速率，干扰土壤有机质分解和养分释放进程等［1，10-14］。过量大气氮沉降已经成为国内外一些自然生态系统衰退的主要原因，成为相关研究领域的热点［1，5］。

作为陆地森林生态系统物质循环和能量流动的关键环节，土壤微生物的总量和群落组成关系动植物残体的分解速率、土壤有机质的转化周期、土壤矿质养分的有效性和植物根系的生长活力等，其已成为自然和人工生态系统的研究热点［1，15-17］。由于土壤微生物体依据其种类组成具有相对固定的碳氮比值，加上土壤微生物量碳相对灵敏度较高，能够作为指标因子衡量土壤肥力高低和碳通量大小，相关学术研究领域经常把微生物量碳作为衡量生态系统土壤微生物总量的标准［5，18-19］。已有研究结果证明，高温干旱胁迫容易导致植物叶片气孔关闭，影响叶片光合作用进程，减少光合产物通过植物地下部根系分泌进入土壤生态系统的量，引发土壤微生物和植物根系竞争土壤水分和养分的竞争关系，造成土壤微生物总量减少和多样性受到抑制；台风暴雨天气使生态系统短时间内沉积大量植物绿叶嫩枝到地表，高温湿润的环境条件使沉积物短时间内腐烂分解，释放出大量植物性碳和水溶性矿质养分，供给土壤微生物生长与繁殖，使土壤微生物量在短时间内急剧增加，造成土壤微生物总量和多样性增加［5，18］。然而，相对于表现形式较为激烈的各种极端气候条件，人们对于表现形式相对比较温和的大气氮沉降对土壤微生物的影响以及土壤微生物对大气氮沉降的响应机制研究内容较少，研究方式单一，研究结论不一致［1，5］。

该研究以云南亚热带常绿阔叶林为研究对象，采用人工模拟不同浓度大气氮沉降的试验方式，研究土壤全碳、全氮、活性有机碳及其转化率、微生物量碳和氮的变化规律，为了解该地区森林生态系统土壤微生物量对大气氮沉降的响应机制、分析不同组分土壤碳的转化率以及探讨土壤碳库变化趋势等科学问题提供前期理论基础和技术支持。

1  材料与方法

1.1  样地信息

该研究样地位于云南省玉溪市中心城区生态植物园的亚热带常绿阔叶林生态系统中（样地中心位置24°20′40″N，102°33′50″E，平均海拔1 740 m左右）。该森林生态系统自1978年玉溪师范学院建校之初就以成熟森林生态系统的形式存在并得到严格的保护。稳定的林间结构和树种组成、相对固定的年凋落物产量和自然散落的林间倒木证明该森林生态系统结构和功能相对成熟。一直以来，该森林生态系统受玉溪市农林草原局和玉溪师范学院后勤管理部门的双重保护，林间结构保护完好，受人为干扰活动相对较少。

玉溪地处云南中部高原地带，所处地理位置纬度较低、海拔较高，主要受西南季风气候的影响，属于典型的亚热带高原型季风气候，山地垂直气候特征明显［20］。一年中有明显的干湿季交替现象：每年的6月至11月为湿季，降雨量占全年的85%左右，且降雨集中，短时雷雨天气多，地面渗透量少，容易形成地表径流；每年的12月至次年的5月为干季，降雨量占全年的15%左右，空气干燥，气温高，风量大，地表蒸腾量大，地表土壤干燥［20-21］。根据玉溪市气象局1971—2015年的统计数据，该地区年均气温15.4～24.2 ℃，最高气温通常发生在每年的5月中下旬（32.6 ℃）；最低气温通常发生在每年的12月中下旬（-5.5 ℃）。年均降雨量1 400～1 600 mm，蒸发量1 800 mm左右，蒸发量超过降雨量，不足的水分靠地下水补充；年均无霜期250～270 d，日照时数达2 115～2 285 h，空气相对湿度为68%～79%，冬天偶尔有降雪发生，但降雪量小，融化快，无积雪［22-23］。