氮沉降对杉木人工林凋落物微量元素含量的影响

氮沉降对杉木人工林凋落物微量元素含量的影响

刘文飞1,2,樊后保1,23,杨跃霖3,王启其3,谢友森3,王　强4

(11南昌工程学院,江西南昌330029;21福建农林大学林学院,福建福州350002;

31沙县官庄国有林场,福建沙县365503;41萍乡高等专科学校,江西萍乡337055)

摘要:在12年生的杉木人工林中开展4种水平的模拟氮沉降试验,分别为N0(对照)、N1、N2、N3,N沉降量依次为0、60、120、240kg・h m-2・a-1。通过对凋落物的化学分析发现,4种微量元素在凋落物各组分中的年平均含量大小表现为Fe>Mn>Zn>Cu。氮沉降处理,尤其是中低水平的氮沉降(N1、N2)明显增加了凋落叶中Mn、Fe元素的含量,但在一定程度上降低了Zn元素含量。各微量元素在1a中出现2个养分归还高峰期,第1次峰值大都出现在4月份,但第2次峰值出现的时间不一致。经N0、N1、N2、N3处理,Cu元素的年归还量分别为8169、8199、9179和8177g・hm-2;Mn元素年归还量分别为244191、293195、278168和200199g・h m-2;Zn元素年归还量分别为40108、42.92、44173和38163g・h m-2;Fe元素年归还量分别为459100、614109、598181和406128g・hm-2。相对于N0处理,N1、N2处理表现出提高凋落物Cu、Mn、Zn、Fe元素归还量的正作用,而N3处理表现为负作用。

关键词:氮沉降;杉木人工林;凋落物;微量元素

中图分类号:S718155　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:1001-3X(2007)04-0322-06

I mpacts of n itrogen depositi on on m i croele ment concentrati ons

i n the litterfall of Chi n ese fi r pl ant ati on

L I U W en2fei1,2,F AN Hou2bao1,2,Y ANG Yue2lin3,WANG Q i2qi3,X I E You2sen3,WANG Q iang4 (11Nanchang I nstitute of Technol ogy,Nanchang,J iangxi330029,China;21College of Forestry,Fujian

Agriculture and Forestry University,Fuzhou,Fujian353002,China;31Shaxian State Forest Far m,

Shaxian,Fujian365503,China;41Pingxiang College,Pingxiang,Jiangxi337055,China)

Abstract:I n a122year2old Chinese fir p lantati on,a field experi m entwas conducted with annual nitr ogen additi ons at4levels as N0 (0kg・h m-2・a-1),N1(60kg・hm-2・a-1),N2(120kg・h m-2・a-1)and N3(240kg・h m-2・a-1),with3rep licates in each treat2 ment.Based on chem ical analyses,the annual average concentrati ons of4m icr oele ments in the litterfall decreased in the f oll owing order:Fe>Mn>Zn>Cu.N itr ogen additi ons,es pecially l ow2t o2mediu m N treat m ents(N1and N2)elevated the contents of M n and Fe in the litterfall,but reduced Zn concentrati on t o s ome extent.The m icr onutrient flux thr ough litterfall exhibited t w o peaks, the first occurring consistently in Ap ril,but the second differently a mong the elements.Thr ough litterfall p r oducti on,the annual flux of Cu t o the forest fl oor was esti m ated at8169,8199,9179and8177g・h m-2;of M n at244191,293195,278168and200199 g・h m-2;of Zn at40108,42192,44173and38163g・h m-2;of Fe at459100,614109,598181and406128g・h m-2;res pectively, for the above4treat m ents(N0,N1,N2and N3).The annual flux f or the m icr oele ments res ponded positively t o N1and N2treat2 ments,but negatively t o N3.

Key words:nitr ogen depositi on;Chinese fir p lantati on;litterfall;m icr oele ment

20世纪60年代以来,由于人口增长和经济的高速发展,使得进入陆地生态系统的活性氮(N r)至少增加了1倍[1],而且未来几十年内氮的输入将会持续增加[2-3]。氮沉降已引起陆地生态系统生物地球化学循环的诸多变化,因此,引起了科学界和公众的广泛关注。欧美地区从20世纪80年代开始了氮沉降

　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(30370259,30771714);福建省自然科学基金重点资助项目(B0320001);江西省自然科学基金资助项目(0630101)。

　　作者简介:刘文飞(1979-),男,江西会昌人,助教,从事生态系统生态学研究。

　　3通讯作者:樊后保(1965-),男,江西修水人,教授,博士生导师,从事森林生态系统养分循环与酸沉降研究。

　　收稿日期:2007-01-12;修回日期:2007-04-20。

对森林生态系统影响的研究[4-7],而我国在这方面的研究尚处在起步阶段[8-9]。

森林凋落物贮存和养分释放,是森林生态系统能量流动和物质循环的一个重要环节[10-14]。微量元

素是绿色植物生长必不可少的营养成分之一,它与植物的光合作用、碳水化合物的运转和积累有密切相

关性,对植物的干物质积累起着重要作用[15]。在国内,有关凋落物微量元素对氮沉降响应的研究尚未

见报道。本研究通过野外模拟试验,分析氮沉降对杉木人工林凋落物中微量元素浓度及归还量的影响,这对于探讨氮沉降对杉木人工林凋落物的影响以及生物地球化学循环具有重要的意义,为进一步开展氮沉降研究和森林可持续经营提供理论基础。

1　研究区域

111　试验地概况

试验地设立于福建省沙县官庄林场白溪工区,白溪工区位于东经117°43′29″,北纬26°30′47″,海拔200m 。该区属中亚热带季风气候,四季温暖适中,日照充足,年平均气温1818-1916℃,年平均降水量1606-1650mm ,无霜期271d 。该区土壤为山地红壤,土壤立地为Ⅰ类。试验地为南坡,坡度

3510°左右。样地所处的试验林为1992年由官庄林场统一造林,树种为杉木,总造林面积5173h m 2。

112　试验地设置

2003年12月在选择好的人工杉木纯林中随机设置了立地条件基本相似12块20m ×20m 的试验样地。在设置好的样地内设15m ×15m 中心区域。按氮施用量的高低,分4种处理,从高到低分别记为

N0(0kg ・h m -2・a -1)、N1(60kg ・hm -2・a -1)、N2(120kg ・hm -2・a -1)、N3(240kg ・hm -2・a -1),每个处理

重复3次。

113　样地林分主要特征

样地的林下植被稀疏,主要有五节芒(M iscanthus floridulus )、蕨类(P teridium aquilinum var 1latiuscu 2lum )等为主,盖度3%-5%。试验前各样地和处理的林分特征(本底值)见参考文献[16]。

2　研究方法

211　模拟氮沉降方法

2003年12月份建立样地后,于2004年1月份开始进行模拟氮沉降处理,每月初以溶液的形式给样地喷洒。按照处理水平的要求,将每个样方每次所需要喷施的CO (NH 2)2溶解在20L 水中后,以背式喷雾器在林地人工来回均匀喷洒。对照样方喷施同样量的水,以减少因外加的水而造成对森林生物地球化学循环的影响。

212　凋落物收集方法

在各样地内随机设置10个1m ×1m 的凋落物收集器,定期(每月底)收集落在收集器上的凋落物,将同一样地内10个收集器上的凋落物一起装入塑料袋带回实验室,区分落叶、落枝、树皮、落果(花、果实、种子等)及其它碎屑物(包括昆虫残体与粪便及鸟类粪便等)等组分,在80℃恒温条件下烘干48h 后称重。本试验选取经模拟氮沉降1a 后(2005)的凋落物样品。

213　凋落物化学分析

将全年凋落物分为4个季度测定,3个月为1个季度。分析时把3个月的凋落物混合均匀后粉碎过筛。采用硫酸—高氯酸消煮法制取待测液,用美国Perkin 2El m er 公司生产的Aanalyst 700型原子吸收分光光度计测定凋落物中Cu 、Mn 、Zn 、Fe 元素含量。

214　数据分析

利用DPS 软件进行统计分析,然后以LSD 多重检验法检验不同处理间的差异显著性。

3　结果与分析

311　不同氮处理凋落物各组分微量元素年平均含量

从表1可知,各组分中,微量元素含量大小顺序为Fe >Mn >Zn >Cu,但不同氮处理各微量元素含量不尽相同。

323第4期　　　　　　　　　　　刘文飞等:氮沉降对杉木人工林凋落物微量元素含量的影响

表1　不同水平氮沉降处理凋落物中微量元素的平均含量

Table1　Average m icr oele ment concentrati ons of the litterfall in the nitr ogen2l oaded p l ots

w微量元素/(mg・kg-1)

处理组分

Fe

Cu M n Zn

叶9110±0145a204195±3138b34165±0180a323140±24120a

枝3160±0119b95154±4105a17131±1120a279117±8150b

果7175±0116a96133±2194ab28169±1107a271196±4146b

皮13129±1102a46137±0185a48194±1173ab521191±8124a

碎屑8177±0126a118156±1168a33132±1151a354103±6132a

叶8125±0195a240169±3185a30154±2179a453122±43124a

枝5173±0127a96133±3165a20171±1193a356103±19137b N1果8121±0171a114148±10116a31192±3187a331169±3145ab 皮7131±0198b46152±0185a42127±2185b417160±20143b

碎屑81±0135a130113±4121a32155±2116a396153±3178a

叶8119±0192a218163±12122ab30179±1187a408123±41140a

枝4100±0130b92169±4127a18160±0195a366106±31129b N2果8175±0157a92108±6192ab27144±1121a412102±12179a 皮7173±0151b35173±1198a46165±1191ab479108±7188ab

碎屑8149±0159a123160±3142a33148±1129a451151±4128a

叶9169±0177a205102±13157b33146±2100a342127±27137a

枝4182±0135ab90104±1176a20160±1117a365198±30114b N3果7179±0135a78148±2188b25194±3153a412103±3140b 皮8100±0139b56102±2173a49108±11a542142±15168a

碎屑8136±0117a108131±1197a33177±1177a346131±3127a

　　注:同列数据后不同字母者表示在同年不同处理中凋落物微量元素含量差异达0105显著水平。

落叶中,Cu元素含量大小顺序为N3>N0>N1>N2,N3处理表现出增大凋落叶Cu元素含量的作用,N1、N2处理表现出一定的抑制作用,但各处理差异没有达到显著水平。Mn元素含量大小顺序为N1>N2>N3≈N0,经N1、N2处理,凋落叶Mn元素含量提高17150%和6173%,并且N1与N0、N3处理差异达到显著水平,N3处理却没有表现出明显的增加作用。Zn元素含量大小顺序为N0>N3>N2 >N1,N1、N2、N3处理均表现出降低凋落叶Zn元素含量的作用,各处理差异没有达到显著水平。Fe 元素含量大小顺序恰好与Zn元素相反,N1、N2、N3处理都表现出增加凋落叶Fe元素含量的作用,但各处理差异没有达到显著水平。

落枝中,各N处理均表现出增加Cu、Zn、Fe元素含量的作用。Cu、Zn元素含量以N1处理最大,其次是N3处理,N0处理最小。Fe元素则以N2最大,N3次之,随后是N1、N0处理。Mn元素含量和其它微量元素有所不同,仅N1处理表现出增加Mn元素含量的作用,N2、N3处理表现为抑制作用。统计结果表明,N1与N0、N2处理Cu元素含量差异达到显著水平,但Mn、Zn、Fe元素含量差异都不显著。

落果中,Cu元素含量大小顺序为N2>N1>N3>N0,各处理差异不显著。Mn、Zn元素含量大小顺序均为N1>N0>N2>N3,N1与N3处理Mn元素含量差异达到0101极显著水平。Fe元素含量则随氮水平的增加呈上升趋势。N2和N0、N3处理差异达到显著水平。

落皮中,Cu元素含量大小顺序为N0>N3>N2>N1,N0处理与N1、N2、N3处理达到显著水平。Mn含量大小顺序为N3>N1>N0>N2,各处理差异没有达到显著水平。Zn元素含量大小顺序为N3> N0>N2>N1,N1与N3处理差异达到显著水平;Fe元素含量大小顺序为N3>N0>N2>N1,N1与N0、N3处理差异达到显著水平。

碎屑中,各处理微量元素含量差异不显著。Cu元素含量表现为随氮水平的增加呈下降趋势。Mn含量大小顺序为N1>N2>N0>N3,Zn元素含量大小顺序为N3>N2>N0>N1,Fe元素含量大小顺序为N2>N1>N0>N3。

图1　凋落物总量对氮沉降的响应Figure

1　Res ponse of litterfall p r oducti on t o nitr ogen depositi on

312　凋落物年归还总量对氮沉降的响应

通过1a 的监测发现(图1),对照样地的年凋落物总

量为1008183kg ・h m -2

,而经N1、N2、N3处理后,样地

年凋落物量分别为11110、1147130和976147kg ・

hm -2。N1、N2处理增加了杉木林凋落物量,而N3处理则表现出一定的抑制作用。但在统计上各处理差异没有

达到显著水平。

313　凋落物微量元素年归还总量对氮沉降的响应

凋落物中微量元素含量与凋落物量的乘积,即凋落

物微量元素归还量。本实验通过不同氮沉降处理杉木人

工林生态系统凋落物的总量进行统计,得出杉木人工林

微量元素年归还量。图2　不同处理凋落物微量元素年归还量对氮沉降的响应

Figure 2　Res ponse of annual m icr oele ments flux in leaflitter t o nitr ogen depositi on

由图2可知,各处理Cu 元素年归还总量为8169、8199、9179和8177g ・h m -2

,经N1、N2、N3处理,Cu 元素归还量比N0(对照)处理增加了3150%、12166%和0190%,N1、N2处理对提高Cu 元素归还量的作用比较明显,而N3处理没有表现出明显的促进作用,但在统计上各处理差异没有达到显著水平。

不同处理Mn 元素年归还总量为244191、293195、278168和200199g ・hm -2;Zn 元素年归还总量为

40108、42192、44173和38163g ・hm -2;Fe 元素年归还总量为459100、614109、598181和406128

g ・h m -2。相对N0处理,N1、N2处理表现出提高Mn 、Zn 、Fe 元素年归还总量的作用,N3处理表现出降低Mn 、Zn 、Fe 元素年归还总量的作用。N3处理Mn 、Fe 元素年归还总量与N1、N2处理年归还总量差异达到0105显著水平。

314　凋落物中微量元素归还量的时间动态

由图3可以看出,N0、N1、N2处理Cu 元素归还量在4和7月份出现2个相对比较明显的峰值,而N3处理的峰值则出现在4和6月份。N1、N2、N3处理在4月份的归还量达到最大。而N0处理归还量的极值出现在7月份,并在该月份N0与N3处理差异达到0105显著水平。523第4期　　　　　　　　　　　刘文飞等:氮沉降对杉木人工林凋落物微量元素含量的影响

图3　各处理凋落物微量元素归还量月动态变化

Figure 3　Monthly dyna m ics of nutrient flux in litterfall under different nitr ogen treat m ents

　　Mn 元素归还量动态在1a 中出现2个归还高峰期。N0、N2处理归还高峰期出现在3和4月份,而N1、N3处理归还高峰期在4和6月份。各N 处理Mn 元素归还量的极值均出现在4月份,在该月份N1与N0、N2、N3处理差异达到0101极显著水平,N2和N3处理差异达到0105显著水平。

Zn 元素动态和Mn 元素归还动态基本一致。Fe 元素在4和6月份出现2个比较明显的峰值,各N 处理的极值均出现在4月份,并且N1与N0、N2、N3处理差异达到0101极显著水平,N2和N3处理差异也达到0101极显著水平。

4　小结与讨论

凋落物各组分中,微量元素含量大小顺序大致为Fe >Mn >Zn >Cu,这与方晰等

[17]在研究杉木人工林微量元素的积累和分配所获得的结果一致,说明在实验期间内的各氮处理还没有导致杉木自身养分循环中微量元素的大小关系的变化。

凋落叶中,Mn 元素含量大小顺序为N1>N2>N3≈N0。Berg et al [18]发现Mn 浓度是制约挪威槭(A cer platanoictes )凋落物分解速率的关键因素,它与分解速率呈线性关系,笔者在做氮沉降对凋落叶分解试验时得出各N 处理的平均分解速度大小顺序为N2>N1>N0>N3,这和凋落叶中Mn 元素含量大小基本一致。说明凋落叶Mn 元素含量是制约凋落物分解速率快慢的重要因素之一。

各微量元素的归还量主要受凋落物量大小和微量元素含量高低共同制约。从图1-2可以看出,微量元素年归还量和凋落物总量的归还趋势一致,说明凋落物量大小是决定微量元素归还总量的主要因素。凋落物量与林木生产力密切相关,而N 素是许多植物生长的主要因子之一。大量的研究表明,适度的氮沉降,能提高森林生态系统的生产力[6]。本试验对土壤的研究发现,经N1、N2、N3处理,

623福　建　林　学　院　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　第27卷

土壤有效氮得到明显的增加[19],从而在一定的时间里,林木的生产力得到一定程度的提高,林木身更

新加快,凋落物量也相应提高。而当生态系统处在氮饱和状态,也就是输入生态系统的氮超出植物和微生物等的需求N 的临界点时,氮沉降则表现出抑制生产力的作用[20]。因此,根据温带森林所进行的氮

沉降试验所得结果推断,当所加氮素超过杉木林自身所需氮素时,则有可能对林木生长产生不利影响。这也许可以解释N1、N2处理微量元素归还量提高,而N3处理微量元素归还量降低产生的原因。

各微量元素在1a 中出现2个归还高峰期,除N0处理Cu 元素归还量的极值出现在7月份外,各处理微量元素的归还量均在4月份达到最大。N0处理Cu 元素归还量的极值出现的时间要比其它3个N 处理晚,其原因是7月份Cu 元素含量达到最大,从而引起归还量也在该月份达到最高。

凋落物养分含量对氮沉降的响应是一个漫长而缓慢的过程,依沉降量的高低及持续时间而异。要确切了解氮沉降对凋落物微量元素含量及其生物地球化学循环的影响,还有待于开展长期的定位研究。正

如H gberg et al [21]认为,即使在瑞典北部持续30a 的模拟氮沉降试验仍然显得时间不够长。

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