长期氮添加对苏北杨树人工林碳储量的影响

安宇超,顾宇晨,张茜,王国兵

(南京林业大学生物与环境学院,南京 210037)

目前,人工林的地位举足轻重,在提高世界森林资源质量与提升可持续经营水平中起着关键作用[1]。杨树是我国种植面积最广的人工林树种,栽种面积已居世界第一[2],它不仅可以有效缓解木材的供需矛盾,还在增加碳汇方面有着显著作用[3]。近年来,随着杨树人工林的发展,地力逐渐衰退[4],其固碳增汇的潜力尚未得到充分改善与显著提升。氮素对于森林生态系统的固碳具有重要意义[5],氮添加可以改善土壤中缺少有效氮的问题,调节植物的生长[6],但过高的氮浓度会产生更多的消极影响,导致土壤肥力下降[7]。因此,提高杨树人工林的土壤肥力及固碳增汇的能力需要因地制宜地施肥。

20世纪70年代以来,德国、美国、澳大利亚等发达国家对森林碳汇进行研究,并取得显著成果[8-10]。同时,针对森林生态系统的碳储量问题,我国学者也完成大量的工作[11-12]。当前我国对于森林碳储量的研究大部分集中在以森林资源清查为主的大范围森林碳储量估计上,而研究小范围、多氮肥梯度处理对杨树人工林生态系统碳储量的影响较少。在我国致力于实现“双碳目标[13]”的背景下,增强与其相关研究进而提升碳储量具有重大意义。为此,本研究在江苏省东台林场内展开,通过长期模拟氮添加对苏北杨树人工林碳储量的影响,探讨不同浓度氮添加对杨树人工林生态系统乔木层、土壤层、林下植被层、凋落物层碳储量影响的差异。研究结果可为提高苏北地区杨树人工林生态系统生产力和碳汇功能,以及人工林经营工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于江苏省盐城市东台林场(120°07′—120°53′E,32°33′—32°57′N),属暖温带和亚热带的过渡区,年平均气温15.4℃,降水量1 083.1 mm,全年日照1 864.4 h。区域内主要林分类型为杨树(PopulusL.)、杉木(Cunninghamialanceolata)、银杏(Ginkgobiloba)等。林下植被主要有蛇莓(Duchesneaindica)、野燕麦(Avenafatua)、乌蔹莓(Cayratiajaponica)等。林下土壤为脱盐草甸土,质地为砂质壤土。

1.2 样地设置

在东台林场选择立地条件和经营管理措施一致的杨树人工林(黑杨派无性系I-35,PopulusdeltoidesCL′35′),采用随机区组设计,设置5种不同施氮水平处理,施氮浓度分别为N0〔0 g N/(m2·a)〕、N1〔5 g N/(m2·a)〕、N2〔10 g N/(m2·a)〕、N3〔15 g N/(m2·a)〕、N4〔30 g N/(m2·a)〕每个处理4个重复样方,共计20个样方,每个样方面积为25 m×30 m,每个样方间保留10 m 宽的缓冲带。施氮试验从2012年5月开始,每年将各处理所需NH4NO3总量平均分为6份,每次取1份溶解于20 L水中,依次在5—10月(杨树生长季)中旬均匀喷洒于试验样地中,对照处理喷洒等量的水。截至2022年4月,氮添加处理已连续进行10 a。

1.3 取样与测定

1.3.1 乔木层碳储量估测 在2022年4月,对杨树人工林样地进行每木胸径和树高的调查。根据胸径、树高数据,选择陈乐蓓建立的杨树单株生物量异速生长方程[14],分别估算单株生物量,再运用碳—生物量转换系数(0.48)将生物量换算为固碳量,最后根据样地内林木株数累加得到样地内乔木层碳储量,再结合林分密度计算得到不同试验处理的单位面积碳储量(碳密度,t/hm2)。其中,杨树单株生物量的异速生长方程如下:

式中:W为杨树单株生物量(kg);D为胸径(cm);H为树高(m)。

1.3.2 林下植被层及凋落物层碳储量测定 在每个样地内设置5个1 m×1 m 的林下植被层小样方,分别对其进行全株收获后称取鲜重,各自混匀后取20%带回作为样品将样品,带回实验室后于80℃的恒温箱中烘干至恒重,根据干重/鲜重计算含水率,推算出单位面积的生物量,再根据碳转换率计算得出碳储量。在每个样地内设置5个1 m×1 m 的小样方,从中分别收集凋落物,于80℃的恒温箱中烘干至恒重,估算凋落物单位面积内的生物量,最后根据碳转换率计算得出碳储量。灌草层与凋落物层碳转换率采用0.45[15]。

1.3.3 土壤层碳储量及理化性质测定 采用五点取样法,使用直径为2 cm 的土钻在每个样地内按照0—15 cm,15—30 cm,30—45 cm 土层分3层取样,每层取300 g左右样品,共计60份土壤样品(5氮水平×3土层×4重复)带回实验室自然风干后研磨过100目土筛。将研磨过筛后的土样采用元素分析仪(Vario ElementⅢ,Germany)测定其总有机碳(TOC)及全氮(TN)含量。

土壤层有机碳储量的计算公式如下:

式中:Te为土壤有机碳储量(t/hm2);Ci为第i层土壤容重(g/cm3);Di为第i层土壤有机碳含量(g/kg);Wi为第i层厚度;p为层数。

分别对不同样地内不同土层的土壤采用环刀法测定容重;土壤酸碱度(p H)测定采用电位法。土壤铵态氮(NH+4-N)、硝态氮(NO-3-N)采用2 mol/L KCl浸提法;土壤全磷(TP)、速效磷(AP)采用钼锑抗比色法,通过TU-1810紫外-可见分光光度计进行测定。可溶性有机碳(DOC)、可溶性有机氮(DON)采用0.5 mol/L K2SO4浸提;微生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提,通过岛津TOC-VCPH 分析仪进行测定。土壤基本理化性质见表1。

表1 试验地土壤理化性质Table 1 The basic physicochemical properties of the soil

1.4 数据处理

利用Excel 2010进行数据处理,采用SPSS 22.0的单因素方差分析(One-Way ANOVA,Duncan)、相关性分析(Pearson检验);采用Origin 2019、R 4.2.3软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 长期氮添加对人工杨树林乔木层碳储量的影响

由表2可知,与对照相比,在N1,N2,N3,N4处理下,乔木层碳储量分别增加了3.35%,12.2%,21.6%,21.1%;N3,N4处理均显著高于对照(p＜0.05),其中,N3处理最高,乔木层碳储量为108.15 t/hm2,而N1,N2处理对其影响不显著(p＞0.05)。根据表2中平均胸径和平均树高数据可知,施氮主要促进了树木胸径的生长,对树高没有显著的促进作用,因此由施肥导致的林木胸径的增加是不同处理乔木层碳储量具有显著性差异的主要原因。

表2 长期氮添加对杨树人工林乔木层生物量与碳储量的影响Table 2 Effects of long-term nitrogen addition on arbor layer biomass and carbon storage of poplar plantation

2.2 长期氮添加对人工杨树林林下植被层和凋落物层碳储量的影响

由图1可知,和对照相比,不同施氮处理均减少了杨树人工林林下植被层碳储量,较N0分别降低了7.00%,20.0%,25.0%,26.0%,但差异不显著(p＞0.05),可能是因为随着施氮水平的增加在一定程度上增加了林分郁闭度,使林下植被所利用的光能减少,导致林下植被层碳储量下降。凋落物层与林下植被层相比,碳储量更大,且变化更为明显。杨树人工林在不同施氮处理下,凋落物层碳储量均显著增加(p＜0.05),较对照分别增加了15.4%,31.5%,51.0%,49.7%;其中N3处理对凋落物层碳储量影响最大,而N1处理对其影响最小。

图1 长期氮添加对林下植被、凋落物碳储量的影响Fig.1 Effects of long-term nitrogen addition on carbon storage of understory vegetation and litter

2.3 长期氮添加对人工杨树林土壤层碳储量的影响

由图2可知,杨树人工林内不同氮处理水平上,土壤层有机碳含量具有一定的规律性。N2,N3,N4处理显著提高了0—15 cm,15—30 cm 土层中有机碳的含量(p＜0.05),其中N4处理对其影响最大,与对照相比分别在0—15 cm,15—30 cm 土层中提高了12.4%,8.18%,而不同施氮处理对30—45 cm 土层中有机碳含量没有显著影响(p＞0.05)。

图2 长期氮添加对土壤有机碳含量垂直分布和碳储量的影响Fig.2 Effects of long-term nitrogen addition on vertical distribution of soil organic carbon content and carbon storage

在0—15 cm 土层,各施氮处理均显著提升了土壤碳储量(p＜0.05),N2处理对其影响最大,在15—30 cm 土层N2,N3,N4处理土壤碳储量显著高于对照(p＜0.05),而N1与对照差异不显著(p＞0.05);在30—45 cm 土层,各处理对土壤碳储量均无显著影响(p＞0.05)。在同一施氮处理下,随着土层深度的增加,土壤有机碳含量和土壤碳储量均逐渐降低。

2.4 杨树人工林各层碳储量与土壤理化因子相关性分析

由图3可知,乔木层碳储量与MBN、DON显著正相关(p＜0.05),但与MBC无相关关系(p＞0.05);乔木层碳储量与TN、DOC极显著正相关(p＜0.01),与C/N极显著负相关(p＜0.01)。乔木层碳储量与不同土壤理化性质的相关性大小为:TN＞C/N＞DOC＞MBN＞DON＞NO-3-N＞p H＞NH+4-N＞TP＞MBC＞AP。土壤层碳储量与TN、DOC极显著正相关(p＜0.01),与p H 显著负相关(p＜0.05),与MBC、MBN、DON 没有相关关系(p＞0.05);土壤层碳储量与C/N 极显著负相关(p＜0.01)。土壤层碳储量与不同土壤理化性质的相关性大小为:C/N＞TN＞DOC＞p H＞MBN＞NO-3-N＞DON＞TP＞MBC＞NH+4-N＞AP。

图3 乔木层(A)、土壤层(B)、凋落物层(C)碳储量与土壤理化因子的相关性分析Fig.3 Correlation analysis of carbon storage in arbor layer(A)soil layer(B)and litter layer(C)with soil physicochemical properties

凋落物层碳储量与NO-3-N、DON 显著正相关(p＜0.05),与p H 显著负相关(p＜0.05);凋落物层碳储量与TN、MBN、DOC极显著正相关(p＜0.01),与C/N 极显著负相关(p＜0.01)。凋落物层碳储量与不同土壤理化性质的相关性大小为:DOC＞C/N＞MBN＞TN＞p H＞DON＞NO-3-N＞NH+4-N＞MBC＞AP＞TP。

3 讨论

许多学者对不同氮梯度及不同树种生物量的影响开展了诸多研究,在一定施氮浓度下,树木的生物量随着施氮浓度的提高而增加,进而影响其碳储量的大小。如孟秋实等[16]对东北红豆杉施加氮肥后发现,其生长在氮浓度为30～90 kg/hm2时最为良好;王伟峰等[17]利用FORECAST 模型对油松人工林进行研究后发现,在30,60,90,120 kg/hm2浓度的氮添加处理下,均在一定程度上提高了油松人工林乔木层的碳储量。上述研究结论与本研究不同氮梯度对乔木层碳储量影响结果相似,相关性分析表明乔木层碳储量与TN 极显著正相关,充分说明了在施用不超过30 g/(m2·a)的情况下,均会促进乔木层碳储量的积累;在15 g/(m2·a)处理中,对乔木层碳储量增长最为明显,其原因是外源氮能够提高有效氮在土壤中的含量,同时,会使根系分泌物量增加,提高DOC 的含量[18],有效氮与DOC可以作为微生物生长的能量来源,增加其数量与活性,从而加快土壤活性氮组分的转换[19],使树木更易吸收土壤中养分促进乔木层碳储量的积累。但在超过15 g/(m2·a)后,对其碳储量的增长效应有所减弱,可能是植物对于氮素的吸收饱和,导致杨树体内氮、磷等营养元素比例失衡[10],使树木生长减缓。在本研究中,随着施氮水平的升高,凋落物量随之显著提高,这与郭洁芸等[20]在对172篇国内氮添加试验进行分析后得出,氮添加会显著增加森林生态系统中凋落物总量的结论一致,其原因是氮添加会使杨树叶片中的氮含量提高,从而利用其合成更多的光合酶[21],提高杨树的光合速率及森林生产力,由此增加了凋落物总量。

森林生态系统土壤碳库的输入以凋落物为主要形式[22]。前人研究发现[23-24],在同一施氮水平中,各层土壤有机碳含量随土层深度的增加而减少,本研究结论与其相同;这是由于表层土壤有着大量的凋落物,其分解后可作为重要的土壤有机碳来源物质[25],随着土层加深,凋落物对土壤有机质含量的影响逐渐减弱。王建楠[26]对水杉施加0.8,2.4,4.0,4.8 mol/m2的氮肥后发现,氮添加显著提高了水杉林土壤有机碳的含量;Hyvönen等[27]发现,增施氮肥后可以促进欧洲松树林与云杉林的土壤碳储量,每克氮素可土壤碳库增加11 g碳;除此之外,还有很多学者研究得出土壤有机质的变化规律与本文一致[28-29]。

本研究发现,土壤碳储量与TN 呈显著正相关,与C/N、p H 呈显著负相关,在10 g/(m2·a)处理下,土壤碳储量增长最为显著;可能是因为施加氮肥会降低土壤中C/N,使土壤有机碳矿化速率加快[30],促进微生物的生存活性,从而对土壤碳库的积累产生积极影响;土壤p H 随施氮量的增加而降低,当p H 过低时,会导致铝元素活化,对森林生态系统中的植物造成毒害[31];本研究中土壤偏碱性,施氮后使p H 趋向于中性,而土壤磷酸酶在中性条件下活性最高,更好地促进了有机磷向无机磷的转化,进而缓解土壤磷限制[32],加快了土壤有机碳的矿化和积累。

4 结论

综上,氮添加会显著增加杨树人工林生态系统中乔木层、土壤层及凋落物层碳储量,减少林下植被层碳储量;乔木层作为杨树人工林生态系统中最主要的碳库,在15 g/(m2·a)处理下,其碳储量增长速度最快,从而使得杨树人工林生态系统总碳储量显著升高。因此,通过科学合理的施肥可促进杨树人工林生态系统碳储量快速且稳定增加,有利于我国早日实现“碳达峰、碳中和”。本研究结果可为苏北地区杨树人工林科学经营提供参考,同时丰富杨树人工林碳储量研究。