不同凋落叶和磷添加对亚热带马尾松土壤有机碳氮组分的影响

摘要［目的］探究凋落叶、P添加及其交互作用对有机碳（SOC）和有机氮（SON）组分的影响。［方法］以马尾松土壤为研究对象，通过为期125 d的室内培养试验，探究了3种凋落叶添加（马尾松、火力楠和枫香）和P添加（KH2PO4）对土壤SOC和SON组分的影响。［结果］凋落叶添加和P添加均显著降低了惰性碳（RP-C）组分的含量，两者共同添加时表现出较强的交互作用。凋落叶对SOC和SON的影响受土壤P有效性的影响，P添加加速了凋落叶添加下土壤微生物对原有RP-C的分解。冗余分析显示，氨态氮（NH+4-N）和有效磷（AP）是SOC组分重要的影响因子，而SON组分重要的预测因子是可溶性有机氮（DON）和微生物生物量磷（MBP）。［结论］P添加会促进凋落叶在土壤的分解和转化，且凋落叶的输入增加了对RP-C的分解，这将进一步加速SOC的周转。

关键词凋落叶；P添加；两步酸水解；土壤有机碳、氮组分；酶活性

中图分类号S 714文献标识码A文章编号0517-6611（2023）24-0104-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.24.023

Effects of Different Litter Leaves and Phosphorus Addition on Soil Organic Carbon and Nitrogen Components of Pinus massoniana Soil in Subtropics

WU Xiaoxia1，2， YUAN Xiaochun1，2，3， MEI Kongcan1，2 et al

（1. College of Geographical Science， Fujian Normal University， Fuzhou， Fujian  350007;2. Cultivation Base of State Key Laboratory of Humid Subtropical Mountain Ecology， Fuzhou， Fujian 35000;3.College of Tourism， Wuyi University，  Wuyishan， Fujian 354300）

Abstract［Objective］ To investigate the effects of leaf litter， P addition， and their interactions on changes in SOC and SON components.［Method］The effects of three kinds of withered leaf additions （Michelia macclurei， Pinus masson and Liquidam fortiana） and P addition （KH2PO4） on SOC and SON components were investigated through a 125day indoor culture experiment with the soil of Pinus massoniana as the research object. ［Result］The results showed that both leaf litter addition and P addition significantly reduced the content of recalcitrant C （RPC） component， and they showed a strong interaction. The effects of leaf litter on SOC and SON were influenced by soil P availability， and P addition accelerated the decomposition of original recalcitrant C by soil microorganisms under leaf litter addition.Redundancy analysis showed that ammonia nitrogen （NH+4N） and available phosphorus （AP） were the most important influencing factors of SOC fraction， while dissolved organic carbon （DON） and microbial biomass phosphorus （MBP） were the most important predictors of SON fraction. ［Conclusion］P addition can promote the decomposition and transformation of leaf litter in soil， and the input of leaf litter increases the decomposition of recalcitrant C， which will further accelerate the turnover of SOC. This study will provide a scientific basis for the study of carbon and nitrogen cycling in subtropical soil with increased litter input and P limitation and forest soil management in Daiyunshan Nature Reserve.

Key wordsLeaf litter;Phosphorus addition;Twostep acid hydrolysis;Carbon and nitrogen components;Enzyme activity

土壤有机碳（SOC）和土壤有机氮（SON）对维持生态系统功能具有重要作用，尤其在提高土壤和生态系统的可持续性和生产力方面至关重要［1］。土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，其碳储量约为1 550 Gt（深可达 1 m），是大气或植被碳库的2.5～3.0倍［2］。作为生态系统碳循环的关键因子，SOC微小的动态变化会对外界CO2的排放产生重大影响，最终导致气候的正反馈［3］；而SON是矿质氮的源和库，占全氮 90% 以上，是土壤供氮潜力的主要贡献者。因此，识别和控制SOC和SON 的动态变化对于评估陆地生态系统碳、氮通量及全球碳氮模型的预测至关重要。

SOC和SON成分复杂多样，目前对其不同成分动态的单独研究仍存在技术挑战。通常，活性组分是植物和微生物所需养分的直接供应库；而顽固性组分更多地表现为土壤碳、氮的长期储存状态［4］。根据难易降解程度及分解速率，两步酸水解法可以将SOC和SON划分为活性组分和顽固性组分（包括慢性、惰性组分）［5］。这将为探究SOC和SON不同组分动态变化，厘清SOC和SON组分对环境变化的响应及其关键影响因素提供可能。

全球气候变暖情境下，植物光合作用的加强将促进植物生物量增长，引起植物生命周期过程中凋落物增加。通常而言，由于不同森林类型的凋落叶数量和质量不同，其SOC和SON的含量会存在差异。现有研究表明，凋落物增加会显著降低SOC和SON中的活性组分，增加惰性组分，从而增强土壤碳、氮稳定性［6］。其可能原因在于凋落叶输入会改变土壤-凋落叶层的理化性质和生物特性，如有效氮的含量、微生物群落和酶活性［7-8］，但对其具体影响过程还缺乏系统认识。此外，近20年亚洲和欧洲大气磷（P）沉降呈显著上升趋势［9］，也增加了森林土壤P元素的供应。P元素是植物生长不可或缺的重要养分，P供应增加可以提供有效的P源，减少微生物为获取P而对SOC的利用，从而减少SOC的分解［8］。有研究表明，P添加对SOC的贡献可能是由于通过增加残体分解酶的活性来改变土壤微生物生物量［10-11］。Fang等［12］研究发现，P添加会通过改变微生物群落和纤维生物苷酶活性增加SOC积累。刘仁［13］研究表明，NH+4-N、N∶P、全P等理化性质是调控土壤微生物群落的主导因子。但目前对P添加如何调控SOC和SON组分变化还不够深入。由此可见，凋落叶添加和P添加对SOC和SON组分均存在重要影响，但其作用机制仍有待进一步探索，特别是对两者共同添加如何影响SOC和SON组分还知之甚少。

马尾松（Pinus massoniana，PM）是我国重要的乡土树种之一，具有分布面积广，经济价值高，用途广，适应性强等特点，广泛分布于我国亚热带地区，并延至北热带［14］。前期试验发现，针叶树种马尾松、阔叶树种火力楠（Michelia macclurei，MM）和阔叶树种枫香（Liquidambar formosana，LF）的凋落叶因C∶N不同而质量差异较大［14］。因此，笔者采用双因素试验设计，在亚热带马尾松林土壤中单独或共同添加不同质量凋落物和P，通过125 d的室内培养试验，探究马尾松、火力楠和枫香3种凋落叶和P添加对SOC和SON的影响过程及机制，并阐明影响有机碳氮组分的关键因子，以期预测环境变化对亚热带土壤SOC、SON循环过程的影响，为亚热带森林土壤碳氮循环过程及机制研究提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区域与样地概况

试验土壤样品采集于福建戴云山国家级自然保护区（25°38′07″～25°43′40″N，118°05′22″～118°20′15″E），该区属于典型的亚热带海洋性季风气候，海拔为700～1 500 m。年均温为19.5 ℃，年降水量为1 700～2 000 mm（主要集中在3—9月），年雾日达220 d［15］，土壤以花岗岩风化发育而成的红壤为主。2019年5月在马尾松林下去除表面凋落叶后随机选点取样，多点混合成1个土壤样品，研磨过2 mm土壤筛，混匀后4 ℃保存备用。

1.2试验设计与培养

采用双因素试验设计，选择马尾松、火力楠和枫香3个树种进行凋落叶添加，同时分别做施P和不施P处理。试验共8个处理，包括对照（CT），P单独添加（P），马尾松凋落叶单独添加（PM），火力楠凋落叶单独添加（MM），枫香凋落叶单独添加（LF），马尾松凋落叶+P共同添加（PM+P），火力楠凋落叶+P共同添加（MM+P），枫香凋落叶+P共同添加（LF+P），每处理3次重复。具体操作如下：每个处理称取经含水率换算后含100 g干土重的鲜土于500 mL培养瓶中，将不同树种叶片风干磨碎后按照原有SOC 2%的比例进行凋落叶C的添加（20 mg/g SOC），能刺激微生物活性［16］。P添加形式为KH2PO4，依据田间管理方式施P量为30 mg/kg［17］。每处理3次重复，将培养瓶置于25 ℃培养箱中培养，调节土壤含水率到田间最大持水量的60%。培养125 d后测定各项指标数据。

1.3测定项目与方法

土壤基本理化性质的测定：pH采用电位法，以土∶水为1∶2.5进行混合，振荡静置后用pH计（PHS-3B）测定；可溶性有机碳（DOC）用去离子水以土∶水为1∶4浸提，振荡离心，上清液用0.45 μm滤膜过滤后，用总有机碳分析仪（TOC-VCPH/CPN，Japan）测定；氨态氮（NH+4）和硝态氮（NO-3）用KCl溶液浸提后，经振荡、离心、过滤，于24 h内使用连续流动分析仪（SKALAR San++，Netherlands）测定［18］；总磷（TP）采用凯式消煮法提取后用连续流动分析仪（SKALAR San++，Netherlands）测定；土壤有机碳（SOC）和总氮（TN）等采用碳氮元素分析仪（Elementar Vario MAX，Germany）测定［19］；有效磷（AP）用0.5 mol/L NaHCO3提取［20］，采用连续流动分析仪（SKALAR San++，Netherlands）测定。