離子交換樹脂袋法研究森林土壤硝態(tài)氮

1、離子交換樹脂袋法研究森林土壤硝態(tài)氮及其對氮沉降增加的響應(yīng) 方運(yùn)霆1, 2，莫江明1*，周國逸11. 中國科學(xué)院華南植物園鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，廣東 肇慶 526070；2. 中國科學(xué)院研究生院，北京 100039摘要：用離子交換樹脂袋法，研究了鼎湖山三種森林（馬尾松林、馬尾松針葉闊葉混交林和季風(fēng)常綠闊葉林）土壤硝態(tài)氮對外加氮的響應(yīng)特征。結(jié)果表明，土壤硝態(tài)氮顯著地受森林類型、季節(jié)和氮處理的影響。整體而言，闊葉林土壤硝態(tài)氮極顯著高于馬尾松林和混交林，而馬尾松林和混交林之間的差異則不顯著。三種森林土壤硝態(tài)氮的季節(jié)變化均表現(xiàn)為春季和夏季極顯著高于冬季和秋季，而冬季又顯著高于秋季。外加氮處理提高

2、土壤硝態(tài)氮水平，其中在馬尾松林和闊葉林氮處理效應(yīng)顯著。所得結(jié)果與直接采集土壤或土壤水測定的硝態(tài)氮含量的結(jié)果一致，表明離子交換樹脂袋法是評價土壤硝態(tài)氮水平行之有效的手段之一。關(guān)鍵詞：氮沉降；森林土壤；硝態(tài)氮；離子交換樹脂袋法；鼎湖山中圖分類號：s714 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：1672-2175（2005）04-0483-05銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是土壤有效氮主要存在形式，也是植物吸收氮素的主要形態(tài)，但土壤有效氮組成變化往往受光照、水分和溫度等環(huán)境因子與土壤ph值、凋落物數(shù)量和質(zhì)量、土壤動物、微生物種群和活性等基質(zhì)條件的影響13，研究森林土壤有效氮動態(tài)及其影響因素對于了解森林生產(chǎn)力和氮素的循環(huán)與轉(zhuǎn)化具

3、有重要的意義13。評價土壤氮素動態(tài)有直接收集土壤或土壤水測定其含量、埋土袋（管）和埋離子交換樹脂袋法（ion-exchange resin bags method）等多種方法。其中離子交換樹脂袋法，與其它方法相比，具有簡單容易掌握的優(yōu)點(diǎn)，且避免了土壤風(fēng)干、磨粉等制備過程，因而在國外上世紀(jì)80年代初就受到重視4, 5。近期，國外有關(guān)使用離子交換樹脂袋法研究氮沉降對森林土壤硝態(tài)氮動態(tài)報道也屢見不鮮68。但是，在我國使用離子交換樹脂袋法研究森林土壤氮素動態(tài)僅近年來受一些學(xué)者的關(guān)注。前期，我們采用離子交換樹脂袋法研究了鼎湖山三種森林土壤有效氮特性1, 2, 9，并以此探討了土壤有效氮與森林演替和人為干

4、擾（林下層收割）間的關(guān)系10，對該方法在我國的使用和推廣做了很多有益的探索。由于近幾十年來礦物燃料燃燒、含氮化肥的生產(chǎn)和使用及畜牧業(yè)等人類活動向大氣中排放的含氮化合物激增并引起大氣氮沉降也成比例增加11。氮沉降的增加會直接或通過增加硝化作用而間接增加森林土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮水平68, 1113。與銨態(tài)氮相比，硝態(tài)氮由于容易從土壤流失，從而導(dǎo)致土壤和土壤水酸化。而且，硝態(tài)氮在離開森林生態(tài)系統(tǒng)后進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)還會導(dǎo)致系統(tǒng)富營養(yǎng)化，因而更多地受到生態(tài)學(xué)家的關(guān)注68, 1113。本文的目的是首先報道采用離子交換樹脂袋法研究鼎湖山馬尾松林、混交林和季風(fēng)常綠闊葉林土壤硝態(tài)氮對外加氮處理的響應(yīng)特征，然后與直

5、接采集土壤和土壤水的方法所得結(jié)果14, 15比較，從而對該方法做些評價。1 研究地概況鼎湖山國家級自然保護(hù)區(qū)始建于1956年，位處廣東省肇慶市東北郊，東經(jīng)11233，北緯2310，總面積約為1155 hm2。保護(hù)區(qū)氣候具有明顯的季風(fēng)性，年平均降雨量為1927 mm，其中75%分布在3月到8月份，而12月到次年2月僅占6%。年平均相對濕度為80%。年平均溫度為21.4 ，最冷月（1月）和最熱月（7月）的平均溫度分別為12.6 和28.0 16。為研究氮沉降對南亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響及其機(jī)制，在鼎湖山自然保護(hù)區(qū)新建了馬尾松針葉林、馬尾松針闊混交林和季風(fēng)常綠闊葉林樣地。3個森林研究樣地具

6、有相同的土壤類型（赤紅壤）、類似的海拔高度（150350 m）和坡度（2030）。其中，針葉林樣地位于保護(hù)區(qū)東南角緩沖帶，森林由政府林場于19301950年間營造，在過去允許當(dāng)?shù)剞r(nóng)民砍小樹和收割林下層作為薪柴。林下層植物稠密，以桃金娘（rhodomyrtus tomentosa）等為優(yōu)勢?；旖涣衷诒Ｗo(hù)區(qū)的緩沖帶地質(zhì)療養(yǎng)院背后，森林起源于上世紀(jì)30年代營造的馬尾松林，因得到良好保護(hù)，荷木和錐栗（castanopsis fissa）等闊葉樹種逐漸入侵而成14。群落結(jié)構(gòu)較為簡單，喬木層為馬尾松和荷木，更新層及灌木層為荷木、變?nèi)~榕（ficus variolosa）、三叉苦（evodia lepta）、

7、豺皮樟（litsea rotundiflora）和桃金娘等植物種。闊葉林樣地位于三寶峰東北坡，在季風(fēng)常綠闊葉林生物多樣性研究永久樣地的右側(cè)，群落保存較完好。森林植物種類豐富，主要為錐栗、黃果厚殼桂（cryptocarya concinna），結(jié)構(gòu)復(fù)雜。3個研究樣地，馬尾松林和混交林土壤銨態(tài)氮含量、ph值和容重顯著高于闊葉林，而硝態(tài)氮和總有效氮含量低于闊葉林，馬尾松林和混交林間各指標(biāo)均無顯著差異14。2 研究方法2.1 樣地設(shè)計和處理表2 鼎湖山馬尾松林、混交林和闊葉林土壤硝態(tài)氮影響因素方差分析結(jié)果table 2 results of three-way anova on soil nitrat

8、e-n in dinghushan forests森林季節(jié)處理森林季節(jié)森林處理季節(jié)處理fpfpfpfpfpfp所有森林7.780.00136.600.0018.790.0012.270.0450.4050.8051.310.244馬尾松林15.140.0016.790.0051.460.234混交林 10.030.0010.600.5570.100.995闊葉林19.390.0015.030.0060.970.4802002年10月25日，開始建立試驗(yàn)樣地，其中闊葉林樣地12個10 m 20 m的處理樣方，混交林和馬尾松林各9個。樣方之間留有足夠?qū)挼牡貛?，以防止相互之間造成干擾。為調(diào)查和取樣方

9、便，各樣方又分為8個5 m5 m的小樣方。闊葉林設(shè)置對照（control）、低氮處理（low n，5 gm-2a-1）、中氮處理（medium n，10 gm-2a-1）和高氮處理（high n，15 gm-2a-1）四個處理，但混交林和馬尾松林各設(shè)置對照、低氮和中氮三個處理。每個處理3個重復(fù)。2003年7月開始，每個月初進(jìn)行氮處理。方法是根據(jù)氮處理水平，將每個樣方所施的nh4no3溶解在20升自來水中（全年所增加的水量相當(dāng)于新增降水0.12 mm）后，以背式噴霧器人工來回在林地均勻噴灑。對于對照處理樣方則噴灑同樣多的水，以減少不同處理間外加的水對森林生物地球化學(xué)循環(huán)的影響14。2.2 實(shí)驗(yàn)方

10、法采用埋離子交換樹脂埋袋法測定了3個森林土壤硝態(tài)氮在2003年6月至2004年6月期間不同季節(jié)對外加氮處理的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)開始前，準(zhǔn)備240個離子交換樹脂袋（3個森林30個樣方，每個樣方8個）。這些袋由尼龍襪做成，每袋放6 g干強(qiáng)陽離子樹脂，然后用線手工縫好1, 2, 9, 10。在2003年6月2829日，把這些樹脂袋分別埋在每個樣方的1、3、5和7號小樣方的（每個小樣方2個），土壤深度約10 cm。2003年9月2829日（3個月后）再把這些樹脂袋取出，放在冰盒內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，在把附在袋里的根和土壤小心地用手取走后，用50 ml 2 mol/l 的kcl溶液浸提，分別用靛酚蘭比色法和鍍銅鎘還原-

11、重氮化偶比色法14測定浸提液中硝態(tài)氮含量。2003年9月12月、2003年12月2004年3月和2004年3月6月分別重復(fù)以上工作。以上4個培養(yǎng)階段分別表示夏季、秋季、冬季和春節(jié)。2.3 數(shù)據(jù)處理表1 鼎湖山3個森林010 cm土層有效氮含量、 ph值和容重（平均值 標(biāo)準(zhǔn)差）14table 1 available nitrogen concentration, ph value and bulk density inpine, mixed and mature forest soils in dinghushan(means se) 14森林類型銨態(tài)氮/(mgkg-1)硝態(tài)氮/(mgkg-1)

12、總有效氮/(mgkg-1)ph值體積質(zhì)量/(gcm-3)馬尾松林3.650.373.260.266.500.404.080.041.160.03混交林3.530.354.170.427.700.683.950.011.220.03闊葉林 1.790.2411.571.4813.821.473.810.030.980.04 我們把單位時間內(nèi)離子交換樹脂袋里吸收硝態(tài)氮的量作為土壤硝態(tài)氮水平，用每天每克干樹脂吸收的氮表示（gd-1g-1 dry resin）。每次把每個樣方8個重復(fù)的平均作為該樣方硝態(tài)氮的水平，然后采用3因素方差分析（three-way anova）和duncan多重比較（dunca

13、ns multiple-range test）檢驗(yàn)土壤硝態(tài)氮在不同森林類型、季節(jié)和外加氮處理水平間的差異，采用2因素方差分析（two-way anova）和duncan多重比較分別檢驗(yàn)馬尾松林、混交林和闊葉林在不同季節(jié)和外加氮處理水平間的差異。另外，單因素方差分析（one way anova）和duncan多重比較被用來檢驗(yàn)同一森林類型同一季節(jié)土壤硝態(tài)氮水平在不同外加氮處理間的差異。3 結(jié)果與分析土壤硝態(tài)氮水平極顯著地受森林類型、季節(jié)和氮處理水平的影響（p 0.001，表2和圖1）。整體而言，闊葉林土壤硝態(tài)氮（8.35 gd-1g-1dry resin）極顯著（p 0.001）高于馬尾松林（4

14、.91 gd-1g-1 dry resin）和混交林（3.28 gd-1g-1 dry resin），而馬尾松林和混交林間差異不顯著（p = 0.098）。就所有森林來講，季節(jié)差異極顯著（p 0.001，表2），春季（10.06 gd-1g-1 dry resin）和夏季（9.10 gd-1g-1 dry resin）極顯著（p 0.001）高于冬季（3.37 gd-1g-1 dry resin）和秋季（0.68 gd-1g-1 dry resin），而冬季又顯著（p = 0.014）高于秋季。就單個森林來講，季節(jié)差異也極顯著（p 春季（4.98 gd-1g-1 dry resin 冬季（2.

15、26 gd-1g-1 dry resin） 秋季（0.47 gd-1g-1 dry resin），混交林也表現(xiàn)相同的格局，夏季（9.86 gd-1g-1 dry resin）春季（7.44 gd-1g-1 dry resin）冬季（1.67 gd-1g-1 dry resin）秋季（0.70 gd-1g-1 dry resin），但闊葉林卻表現(xiàn)為春季（15.83 gd-1g-1 dry resin）夏季（11.50 gd-1g-1 dry resin） 冬季（5.49 gd-1g-1 dry resin）秋季（0.84 gd-1g-1 dry resin）。盡管如此，3個森林土壤硝態(tài)氮水平均表

16、現(xiàn)春夏季節(jié)極顯著（p 0.01）高于秋冬季節(jié)，冬季又顯著（p 0.05）高于秋季。圖1 鼎湖山馬尾松林（a）、混交林（b）和闊葉林（c）土壤離子交換樹脂測得硝態(tài)氮水平（平均值標(biāo)準(zhǔn)誤，n3）在不同季節(jié)對氮處理的響應(yīng)特征（不同字母表示氮處理間差異顯著）fig. 1 soil nitrate-n in pine (a), mixed (b) and broadleaf (c) forests in dinghushan, in response to simulated nitrogen deposition, assessed by ion exchange resin bags(error ba

17、r mean one standard error, n=3. different letters indicated significant differences between n treatment)外加氮處理極顯著提高土壤硝態(tài)氮水平（p 0.001，表2）。整個研究期間，低氮、中氮和高氮處理分別使硝態(tài)氮水平提高了45.4%、86.9%和249.0%。但是，如果就單個森林類型而言，不同氮處理間在混交林差異并不顯著（p = 0.557），說明土壤硝態(tài)氮對外加氮處理的響應(yīng)程度因森林類型不同略有不同。如，低氮使馬尾松林和闊葉林土壤硝態(tài)氮水平分別增加47.1%和58.8%，中氮處理使兩個森林增

18、加129.9%和101.1%，而低氮和中氮處理使混交林增加僅28.7%和58.8%。森林類型和氮處理間相互作用不顯著（p = 0.805，表2），說明3個森林土壤硝態(tài)氮對外加氮處理的響應(yīng)格局十分相似。類似地，由于3個森林外加氮處理樣方土壤硝態(tài)氮水平與對照樣方表現(xiàn)相似的季節(jié)動態(tài)格局（圖1），季節(jié)和氮處理間相互作用也不顯著（p = 0.244，表2）。由于不同森林類型、季節(jié)和氮處理水平間差異極顯著（p 0.001，表2），以致森林類型、季節(jié)和氮處理3間的相互作用不顯著（f = 0.378，p = 0.968）。此外，圖1顯示在闊葉林，土壤硝態(tài)氮水平在不同處理樣方間的差異由不顯著變?yōu)轱@著，說明氮處理

19、對土壤的影響可能存在累積作用。4 討論在1992年9月1993年9月期間，我們曾經(jīng)研究鼎湖山馬尾松林、混交林和闊葉林土壤有效氮動態(tài)1, 2, 6。本研究與前期的研究相比，本研究三種森林對照樣方硝態(tài)氮水平年平均分別為2.06、3.92和4.64 gd-1g-1dry resin，與19921993年的研究結(jié)果十分相近（3個森林010cm土層年平均分別約為1.7、2.3和5.0 gd-1g-1 dry resin）1, 2, 9。但是，本研究三種森林土壤硝態(tài)氮水平的季節(jié)差異更為顯著（p 秋 冬 夏1，混交林為春 秋 夏 冬2，闊葉林為春 冬 夏 秋9）。本研究所得森林土壤硝態(tài)氮季節(jié)動態(tài)格局與同一時

20、期大氣降水的季節(jié)分配格局（圖2）極為相似，說明大氣降水是導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮水平季節(jié)差異的重要因素。這是因?yàn)殡x子交換樹脂對土壤硝態(tài)氮的吸收必須在水分運(yùn)動過程實(shí)現(xiàn)，季節(jié)降水越多而越有利于離子交換樹脂袋中的陽離子與土壤硝酸根離子的交換。圖2 鼎湖山保護(hù)區(qū)2003年7月1日2004年6月30日大氣降水季節(jié)分配格局fig. 2 distribution pattern of precipitation in dinghushan biosphere reserve during the period from june 1, 2003 to june 30, 2004本研究結(jié)果也顯示，土壤硝態(tài)氮水平顯著地受

21、森林類型的影響。整體而言，闊葉林土壤硝態(tài)氮極顯著高于馬尾松林和混交林，而馬尾松林和混交林間差異不顯著。自然狀態(tài)下（對照樣方），土壤硝態(tài)氮水平年平均在三種森林的排序?yàn)殚熑~林（4.65 gd-1g-1 dry resin） 混交林（3.92 gd-1g-1 dry resin） 馬尾松林（2.07 gd-1g-1 dry resin）。通過采樣對010 cm土層硝態(tài)氮含量直接測定的結(jié)果顯示，其平均含量在三種森林的高低排序?yàn)殚熑~林（11.57 mgkg-1） 混交林（4.17 mgkg-1） 馬尾松林（3.26 mgkg-1）（表1）。另外，2003年8月2004年4月期間，通過采集20cm深處土壤

22、水對硝態(tài)氮含量測定結(jié)果也顯示，其平均含量在三種森林的高低排序也為闊葉林（11.30 mgl-1）混交林（5.95 mgl-1）馬尾松林（5.34 mgl-1）15。這說明埋離子交換樹脂袋法測得土壤硝態(tài)氮水平與直接采集土壤或土壤水所得結(jié)果一致。在林地噴加無機(jī)氮不但直接增加土壤有效氮水平，而且因外加氮會增強(qiáng)土壤的氮礦化硝化作用，從而進(jìn)一步增加土壤有效氮。本研究結(jié)果顯示氮處理明顯增加土壤硝態(tài)氮水平，在低氮和中氮處理使馬尾松林土壤硝態(tài)氮水平分別增加47.1%和129.9%，使混交林增加28.7%和58.8%，低氮、中氮和高處理使闊葉林分別增加58.8%、101.1%和166.1%。這與通過直接采集土壤

23、或土壤水測定的結(jié)果一致14, 15。如2003年8月2004年4月期間，低氮和中氮處理使馬尾松林深20 cm處土壤水硝態(tài)氮平均含量增加88.5%和124.4%，使混交林增加56.4%和132.2%，低氮、中氮和高度處理使闊葉林分別增加75.4%、60.6%和85.5%15。但是，可以發(fā)現(xiàn)，用離子交換樹脂袋法測定外加氮處理對土壤硝態(tài)氮水平的影響程度與直接采集土壤或土壤水法的結(jié)果略有不同。引起差異的原因是多方面的。首先，方法上不同。如埋離子交換樹脂袋法反映一段時期內(nèi)土壤氮素的供給水平，而土壤水測定的結(jié)果反映流失水平；其次，時間段上不同。本研究報道的是2003年6月2004年6月期間結(jié)果，而直接采集

24、土壤或土壤水方法報道2003年6月2004年2月或4月的結(jié)果，但是土壤氮素動態(tài)存在顯著的季節(jié)差異（圖1）?？梢?，本研究結(jié)果顯示采用離子交換樹脂袋法是評價森林土壤硝態(tài)氮水平的一種行之有效的方法。但是，離子交換樹脂袋法還存在一些不足的地方：1）不同的研究者所使用的離子交換樹脂不同，使不同的研究者的結(jié)果比較起來困難。如果廣泛推廣該方法，還需要對這些實(shí)行同樣的指標(biāo)；2）量化土壤氮素動態(tài)時，通常用單位時間每g干樹脂吸收的量1, 2, 9, 10、或每袋吸收的量8, 17、或每亳升樹脂吸收的量4來表示，這與生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過程中通量單位（單位時間單位面積的交換量）聯(lián)系起來較困難。不過，為了克服該不足，一些

25、學(xué)者嘗試把離子交換樹脂袋法與埋管法結(jié)合起來，或把離子交換樹脂袋做成預(yù)定大?。ù鼉?nèi)放置足夠多的量），然后用單位面積吸收的量來表示土壤氮素通量6, 7。另外，與其它方法相比，離子交換樹脂袋法不但具有簡單容易掌握的優(yōu)點(diǎn)，而且它還避免了土壤風(fēng)干、磨粉等制備過程，因此省時省力，這些優(yōu)點(diǎn)是很多其它方法無法比擬，因而具有廣闊的使用前景。參考文獻(xiàn)：1 莫江明, 郁夢德, 孔國輝. 鼎湖山馬尾松人工林土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮動態(tài)研究j. 植物生態(tài)學(xué)報, 1997, 21(4): 335341.mo j m, yu m d, kong g h. the dynamics of soil nh4+-n and no3-n

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