全 文 ：热带亚热带植物学报 2005，13(2)：123—129
Jourmd ofTropicd and SubtropicalBotany
鼎湖山森林土壤渗透水酸度和无机氮含量对
模拟氮沉降增加的早期响应
方运霆 1,3，莫江明 ，江远清 1,3，李德军 ，PER Gundersen2
(1．中国科学院华南植物园鼎湖山森林生态系统定位研究站，广东肇庆526070
2．Forest＆Landscape Denmark．Hoersholm Kongevej 1 1．DK一2970；
3．中国科学院研究生院，北京 100039)
摘要：在林地分别喷加0、50、100和 150kgN hm a-t，研究鼎湖山马尾松林、马尾松针阔混交林和季风常绿阔叶林中土
壤20 cm深渗透水酸度和无机氮含量在开始 9个月的变化。结果表明，3种森林对照样方土壤渗透水 pH值为
3．82—4．24，外加氮处理使其平均降低了0．08—0．18。3个森林对照样方土壤渗透水无机氮平均含量分别为6．14、6．66和
l1．64 mg L“，铵态氮占15．0％、l1．9％和3．0％。外加氮处理使3种森林土壤渗透水铵态氮和硝态氮含量均有不同程度
的提高，这表明外加氮处理不但增加了无机氮从森林土壤流失的潜力，而且使土壤进一步酸化。
关键词：氮沉降：森林土壤渗透水；铵态氮：硝态氮；鼎湖山：南亚热带
中图分类号：S715 文献标识码 ：A 文章编号：1005—3395(2005)02—0123—07
Acidity and Inorganic Nitrogen C0ncentrati0ns in Soil Solution in
Short—term Response to N Addition in Subtropical Forests
FANG Yun—t ing"，M0 Jiang—ming ，JIANG Yuan—qing¨，LI De．jun ，PER Gundersen
(1．Dinghushan Forest Ecosystem Research Station，South China Botanical Garden，the Chinese Academy ofSciences，
Zhaoqing 526070，China；2．Forest&Landsccepe Denmark，Hoersholm Kongevej 1 1，DK一2970；
3．The Graduate School ofthe Chinese Academy ofSciences，Beijing 100039，China)
Abstract： The effects of simulated N deposition on acidity and inorganic N concentrations in soil solution
collected at 20 cm soil depth under pine forest， needle broadleaved mixed forest， and mature monsoon
evergreen broadleaved forest in subtropical China were studied．Additional N(NHaNO solution)treatments were
establishedformatureforest：LowN(50 Nhrn。a-1)，MediumN(100kgNhrn。a- )and Hi曲 N(150kgNhm。a-1),
and Low N and Medium N treatm ents were established for mixed and pine forests．PH values in soil solution in the
control plots ofthe 3 forests ranged from 3．82 to 4．24，but pH values decreased bV 0．08—0．1 8 in plots treated by
spraying additional nitrogen under the forests for 5 months． NH4+-N concentrations in soil solution increased
averagely by 74．0％，355．6％ and 57．9％ in low N treatm ent and by 68．4％，93．2％，and l 88．8％ in medium
N treatm ent for pine forest，mixed forest，and mature forest，respectively．As in high N treatm ent it increased by
1254．7％ for mature forest．Th e increases OfN01一N concentrations were by 56．4％一88．5％ in low N treatm ent．by
65．6％一l32．2％ in medium N treatm ent，and bV 85．5％ in high N treatm ent．．The results showed that additional N
deposition increased the potential of inorganic N leaching losses and enhanced soil acidity．
Key words：Nitrogen deposition；Forest soil solution； NH4+-N；NO3‘一N；Dinghushan Biosphere Reserve；Subtropics
收稿日期：2004—06—16 接受日期：2004．09—20
基金项 目：广东省自然科学基金 (021524)；国家自然科学基金 (30270283)；中国科学院知识创新工程领域前沿项 目；中国科学院华南植
物研究所所长基金资助
’通讯作者 Corespondipg author 、
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124 热带亚热带植物学报 第 l3卷
近半个世纪以来，由于矿物燃料、化肥使用和
畜牧业发展等人类活动 向大气中排放的含氮化合
物激增，大气氮沉降在迅速增加，并呈现全球化的趋
势 。氮沉降增加可能会导致森林生态系统氮素循
环特征、生物多样性和生态系统健康等一系列改变。
国外已开展一些模拟氮沉降增加的生态系统研究，
如欧洲 NITREX(Nitrogen Saturation Experiments)
和 EXMAN (Experimental Manipulation of Forest
Ecosystems in Europe)项目[3I4]；在美国马萨诸塞州
Harvard森林、缅因州Bear Brook集水区和佛蒙特
州Mt．Ascutney森林等已开展了 15年的氮沉降模
拟试验 。我国一些地区也存在高氮沉降问题，如
广东鼎湖山自然保护区仅降水氮沉降量就有 35．57
和 38．4 kg N hm。a。[7． 。且据报道 ，从 1961年至
2000年，我国活性氮排放从 1．4x10 t a- 升至 6．8x
10 t a～，预计在 2030年将达 1．05xlO t a 。另一方
面，气候和水分供应极大差异使氮沉降的分布、增
加的速度及其影响将存在巨大的区域性差异[1，
这已引起了国际社会的高度关注[19】。然而，有关氮
沉降对我国森林生态系统结构和功能的影响及其
机制方面的研究报道极少见。
在欧洲、北美温带和北方森林的研究表明，生态
系统氮输入增加首先会增加森林土壤有效氮含量，
缓冲生态系统对氮的竞争，从而增加生态系统生产
力，此时，大部分输入的氮被生态系统截留；但是，外
加的氮超出生态系统的需求 (即生态系统达到氮饱
和状态)时，土壤氮素硝化和反硝化作用速率开始增
加。相应地，生态系统对氮的截留能力减少或丧失，
生态系统开始表现氮素流失现象[2-6]。因此，土壤无机
氮是否开始流失常常作为评价一个森林生态系统是
否达到饱和状态的首选指标[61。此外，有关氮沉降对
森林生态系统影响的研究多集中在温带地区，而有
关热带地区氮沉降的研究报道十分少见。
我们曾报道氮沉降对鼎湖山国家级自然保护
区马尾松林、马尾松针阔混交林和季风常绿阔叶林
中优势种凋落物分解[ ot、土壤CI-h、CO 其它排放[1l1、
土壤有效氮含量与组成[12]的早期影响特征。本文报
道森林土壤渗透水 (土深20 cm)酸度和无机氮含
量在开始的 9个月 (2003年 8月一2004年 4月)内
对氮沉降的响应特征，为系统地揭示氮沉降对森林
生态系统的影响及其机理提供基础。
1研究地概况
鼎湖山国家级自然保护区位于广东省肇庆市东
北郊，东经 112~33’，北纬23。lO’，总面积约为 1 155 hm 。
气候具有明显的季风性，年平均降雨量为 1 927InlTl，
其中 75％分布在 3月到 8月份，而 l2月到次年 2
月仅占6％。年均相对湿度为 80％。年均温度为
21．4。【=，最冷月 (1月)和最热月 (7月)的平均温度
分别为 12．6~C和 28．O℃[13】。
在马尾松针叶林、马尾松针阔混交林和季风常
绿阔叶林各设置 1块样地。样地土壤均为赤红壤，
海拔高度约 100—350 m，坡度为 2O一3Oo。针叶林样
地位于保护区东南角缓冲带，森林于 1930—1950年
间营造，在过去允许当地农民砍小树和收割林下层
作为薪柴。林下层植物稠密，以桃金娘(Rhodomyrtus
tomentosa)等为优势[12】。混交林在保护区的缓冲带
地质疗养院背后，森林起源于上世纪3O年代营造的
马尾松林，因得到良好保护，荷木 (Schima superba)
和锥栗 (Castanopsis胚sa)等阔叶树种逐渐入侵而
成[12]。群落结构较为简单，乔木层为马尾松 (Pinus
massoniana)和荷木，更新层及灌木层为荷木、变叶
榕 (Fic1．8 variolosa)、三叉苦 (Evodia lepta)、豺皮
樟 (Litsea rotundiflora)和桃金娘等。阔叶林样地位
于三宝峰东北坡，群落保存较完好。森林植物
种类丰富，主要为锥栗、黄果厚壳桂 (Cryptocarya
concinna)，结构复杂【12]。
马尾松林和混交林 0—10 cm和 lO一20 cm土壤
中铵态氮含量、铵态氮的比例、pH值和容重高于阔
叶林，而硝态氮和总有效氮含量低于阔叶林，马尾
松林和混交林间各指标差异不大[12 (表 1)。
2研究方法
2．1样地设置和处理
阔叶林设置对照C、低氮L、中氮M和高氮H 4
个处理各 3个样方，混交林和马尾松林分别设置
C、L、M 3个处理各 3个样方，合计 3O个样方。样方
规格为10 mx20 m，样方之间留有足够宽的缓冲带
以防止相互之间干扰。对照C、低氮L、中氮M和高
氮 H 4个处理，分别按 0、50、100和 150 kg N hm a
外加氮。我们把进行喷氮处理的样方 (L、M和 H)
称为外加氮处理样方。2003年 7月开始，每月月初
根据氮处理水平，将每个样方每次需要喷施的
O 溶解在 2O L水中 (全年所增加的水量相当
于新增降水 1．2 mm)，然后以背式喷雾器人工来回
均匀喷洒在林地。对照样方则喷洒同样多的水，以
减少处理间因外加的水而造成对森林生物地球化
学循环的影响[12】。
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第2期 方运霆等：鼎湖山森林土壤渗透水酸度和无机氮含量对模拟氮沉降增加的早期响应
2．2实验方法
为便于取样和植被调查，样方分为8个5m×5m
的小样方，并编上号 (1—4号样方在下，5—8在上)。
2003年 4月，在 3块样地所有样方的 2和 4号小
样方各设置 1个零张力土壤渗透水取样装置 (不锈
钢，方形，取样面积为 755．4 cm2)，用来收集 20 cm
深的土壤渗透水。取样时，计量水量后同一样方混
合成 1个水样。为收集穿透雨，分别在每个样地随
机安置 5个 PVC管制作的沟槽式的取样装置 (每
个取样面积 O．8 mz)。土壤渗透水和穿透雨自喷氮
后每两个星期取样 1次。另外，每次取样时采集大
气降水水样2个(装置为玻璃漏斗下接一容量瓶)。
所有水样带回实验室过滤后测定水样中的铵态氮
(NH4+-N)和硝态氮 (NO3-N)含量。自2003年 11
月20日开始对收集的水样测定pH值。NI-I4+-N测
定用靛酚兰比色法，NO3-N用镀铜镉还原一重氮化
偶比色法，pH值用玻璃电极法【14】。研究期间(2003
年 8月 13日一2004年 4月 27日)共收集大气降水
和穿透雨 11次，土壤渗透水 1O次 (秋冬季节 由于
降水少，取样时部分样方没有水样)。
2．3数据统计
采用统计软件 SPSS for windows 10．0中单
因素方差分析(One way ANOVA)和邓肯多重比较
(Duncan’S multiple—range test)检验每次取样铵态
氮含量、硝态氮含量和pH值在不同森林类型和同
一 森林类型不同氮处理间的差异。显著和极显著差
异分别指在 p=O．O5和 p=O．01水平上的差异。
3结果和分析
3．1大气降水
研究期间，大气降水pH值介于4．O8—5．22之
间，平均为4．54。不同取样时间，降水中无机氮浓度
差异很大，在0．03—14．79mgL 之间，平均2．90mgL一。
总无机氮 (铵态氮+硝态氮)中，铵态氮占49．7％一
88．8％(表 2)。
表 1 鼎湖山3个森林 2003年6月至 2004年3月土壤有效氮含量、pH值和容重
Table 1 Available nitrogen concentration，pH value and bulk density ofsoils in pine forest，needle broad—leaved mixed forest and
monsoon evergreen broad—leaved forest in Dinghushan(means for June 2003 to March，2004)
表 2 鼎湖山大气降水 pH值和无机氮含量
Table 2 pH and inorganic N concentration in rainfal colected during August 2003 to April 2004 in Dinghushan
取样时间
Samplingdate ．．
铵态氮NH4+一N 硝态氮NO3_N 总无机氮Total 铵态氮比例Percent of
pH ． ． ．
(mgL ) (mgL ) inorganicN(mgL-
．
1) NH4。一N(％)
4．45
4．44
4．97
4．08
4．23
4．42
5．22
4．54
9 O 7 4 7 7 O 1 1 8 O ∞ ：合加 加 骼 ∞ 阳
=兮∞ m ∞ L n n L
叭 叭 =兮罟昌 ∞ ∞ 卯 如
O O O O O O 5 1 1 O O O
∞ m 盯 ：合 ∞ ∞ 叭
1 O O O O O 9 3 2 3 O 2
粕 ¨ 4 粕珈4 培 0 0 0 4值 3 33 33 444 ∞∞∞∞∞吣吣吣吣
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l26 热带亚热带植物学报 第 l3卷
3．2穿透雨
马尾松林、混交林和阔叶林3个森林穿透雨的
pH值为 5．98—6．88(图 1)，比降水高 0．78-2．80。3
种森林穿透雨pH平均值分别为6．52、6．53和6．29。
马尾松林和混交林pH值比阔叶林的高，6次测定
中有3次(2003年 l1月20日、2004年2月3日和
2004年 3月 21日)差异显著 (图 1)。
7·5
7·。
6．5
6·。
5·5
三
菩 8
s
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饕：
25
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黑 15
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03 # 1 03～#～ b u 一_卜l2 03 t1 1t 03 I1—20 04-2—3 04—3-21 04-3-2@ OI-4-13 (FI-I-2，
取样时闻Sanrpling date
图 l鼎湖山森林穿透雨pH值和无机氮含量
Fig．1 pH and inorganic N concentrations in throughfal obtained
from threeforestsinDinghushan
表示 3个森林间差异显著。Asterisks( )denote that the values
are signifcantlydiferent atp3种森林穿透雨中铵态氮含量平均依次为
1．85、2．36和 1．92 mg L～，硝 态氮为 3．34、2．34和
5．65 mg L 。穿透雨铵态氮含量比大气降水有时低，
有时高，而硝态氮含量基本上比降水含量高 (表2，
图1)。穿透雨总无机氮中铵态氮的比例在3种森
林中依次为38．4％、50．9％和 33．6％，明显低于降水
中的铵态氮比例，说明降水对林冠的硝态氮有较强
淋溶能力。3种森林之间，铵态氮差异规律不明显，
而对于硝态氮则大多数情况下阔叶林和马尾松林
高于混交林(图2)。穿透雨的pH值与铵态氮含量
呈极显著正相关关系(r=0．37，n=90)，但与硝态氮
含量间关系不显著 (r=一0．07，n=90)，说明穿透雨
的酸度主要受铵态氮含量的影响。正因为如此，马
尾松林和混交林穿透雨的酸性也就没有阔叶林的强。
O3 ll一2B U4—2—3 4 3 2t5 U4 4 l { Zf
S n】ing date
图2模拟氮沉降增加对鼎湖山森林土壤渗透水酸度的影响
Fig．2 pH in soil solution from 20 cm depth in three Dinghushan
forests，in response to simulated additonal nitrogen depositon
Valuesmarkedbydiferentletersare signifcantlydiferent atp<0．05
3．3土壤渗透水
土壤渗透水在未处理样方中呈现强酸性，其
pH值变化范围为3．82—4．24，马尾松林、混交林和阔
叶林平均为4．08、4．04和4．03。除了2004"~4月 13
日取样外，马尾松林和混交林均高于阔叶林(图2)。
几乎所有外加氮处理样方的土壤渗透水pH值均低
于其对照样方(图2)，说明氮处理使土壤水更加酸
化。自2004年开始 (试验进行5月后)，3种森林低
氮处理样方的土壤渗透水 pH值比对照低 0．15、
0．14和0．08，中氮处理低0．1 1、0．13和 0．12，阔叶林
高氮处理低 0．18。
3个森林对照样方土壤渗透水无机氮平均含量
分别为 6．14、6．66和 11．64 mg L～，铵态氮含量 占
15．0％、1 1．9％和 3．0％。可见，森林穿透雨在经过地
表凋落物和 0—20 cm 土层后，因植物吸收、微生物
固持、土壤氮素转换和离子交换等原因，铵态氮含
量、铵态氮所占比例和pH值明显降低，而硝态氮的
含量则增加。
鼎湖山马尾松林、混交林和阔叶林3种森林外
加氮处理样方在氮处理 1个月后土壤渗透水铵态
氮含量就比对照高，其中阔叶林尤为明显，说明外
加氮处理使铵态氮含量增加(表 3)。低氮处理使3
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第2期 方运霆等：鼎湖山森林土壤渗透水酸度和无机氮含量对模拟氮沉降增加的早期响应 127
表 3 鼎湖山森林土壤 20 cm处渗透水铵态氮和硝态氮含量对模拟氮沉降的响应
Table 3 Concentrations ofNH4~-N and NO3 N in soil solution colected at 20 cm soil depth
in three Dinghushan forests，in response to simulated nitrogen depositioh
同行数据后不同字母表示处理问差异显著。Valuesin eachlinewith diferentleters ale signifcantlydiferentatp<0．05
种森林土壤渗透水铵态氮平均增加 了 74．0％、
355．6％和57．9％，中氮处理增加了68．4％、93．2％和
188．8％，高氮处理使阔叶林增加了 1254．7％。马尾
松林和混交林土壤渗透水硝态氮含量在氮处理后
也立即增加，而阔叶林在氮处理2个月也开始增加
(表 3)。整个研究期间，低氮处理使 3个森林平均
增加了 88．5％、56．4％和 75．4％，中氮处理增加 了
124．4％、132．2％和 65．6％，高氮处理使阔叶林增加
了85．5％。外加氮处理使森林土壤渗透水铵态氮和
硝态氮含量增加(表 3)，同时也说明目前外加的氮
可能已超出生态系统对氮的需求。
土壤渗透水pH值与铵态氮和硝态氮含量均呈
极显著负相关关系(铵态氮F一0．23，硝态氮r=一0．45，
n=301)，但pH值与硝态氮含量的相关系数较大，说
明土壤渗透水的酸度更大程度上受硝态氮含量的
影响，即土壤渗透水硝态氮含量越高，酸性越强。
4讨论
从本研究结果来看，3种森林土壤渗透水无机
氮含量均以硝态氮为主，铵态氮仅占3．0％一15．0％。
土壤渗透水中主要以硝态氮为主是因为硝态氮带
负电荷，容易从离子交换能力差的土壤中流失，而
铵态氮容易被植物和微生物吸收或矿物质所固
持 51。此外，虽然 3种森林土壤渗透水湿季的硝态
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l28 热带亚热带植物学报 第 l3卷
氮含量低于干季，但由于湿季降水多，其渗透水量
也大，因此硝态氮大部分可能进入河流等而造成环
境污染。
本研究中，阔叶林无论全氮含量 还是有效氮
含量均约是马尾松林和混交林的2倍(表 1)。阔叶
林植物叶片氮含量、凋落物氮素输入也高于马尾松
林和混交林旧，说明阔叶林生态系统相对于马尾松
林和混交林更富氮。另外，从土壤渗透水无机氮含
量和组成来看，也反映出阔叶林比马尾松林和混交
林富氮。如马尾松林和混交林铵态氮含量是阔叶林
的2．4和2．1倍，而硝态氮却只有阔叶林的47．3％和
52．7％，阔叶林土壤中铵态氮更多的被硝化成硝态
氮。许多研究发现，富氮的生态系统在接受外加氮
处理比贫氮的森林更容易表现出氮流失，对外加氮
的响应更强烈 ]。虽然阔叶林外加氮处理样方土壤
渗透水的硝态氮在进行2个月后才高于对照 (可能
是因为阔叶林土壤最初的异质性较强，部分外加氮
处理样方比对照样方贫氮)，但是从外加氮处理样
方和对照样方的土壤渗透水pH值和无机氮含量的
差异显著程度来判断，阔叶林的响应更强烈。如阔
叶林在试验进行第4个月后，外加氮处理样方土壤
渗透水的pH值就显著低于对照样方，而马尾松林
和混交林在第9个月才开始出现该格局(图2)。再
如，外加氮处理进行2个月后的7次取样中有 5次
阔叶林外加氮处理样方土壤渗透水硝态氮含量显
著高于对照样方，而马尾松林和混交林只有4和3
次(表3)。铵态氮含量对外加氮的响应也是如此
(表3)。可见，本研究的结果也支持富氮的森林生
态系统对氮沉降的响应比贫氮的更强烈的观点。
外加氮模拟试验研究结果显示，由于温带地区
大部分森林生产力受氮限制，生态系统只有经过很
长一段时间的外加氮处理后，才开始出现氮素流
失。许多研究证据 (尽管大部分是间接的)显示，热
带森林生态系统氮相对丰富，生产力并不受氮的限
制。因此Matson等 一些学者认为热带森林在氮
沉降增加后，可能不像温带森林，把大部分输入的
氮截留下来，而是输入氮很快就从土壤损失。有限
的研究也表明，热带森林土壤N O和NO两种温室
气体排放随氮输入增加成比例地增加的趋势比温
带森林更加显著㈣。本研究的鼎湖山保护区虽然处
在热带的最北缘，但结果也显示外加氮处理使土壤
渗透水铵态氮和硝态氮含量明显增加 (表3)。因
此，这也进一步证实了Matson等关于热带森林对
氮沉降响应格局的推论，同时也说明目前外加的氮
可能已超出生态系统对氮的需求，因此氮沉降增加
将增加土壤无机氮和盐基离子流失的潜力。
热带地区大部分森林土壤呈酸性，其pH值一
般都低于 5，有的低于 4[2_。一般来说，当土壤 pH下
降到4以下，土壤可溶性Al含量剧烈增加[2_。本研
究结果还显示外加氮处理土壤渗透水酸度平均降
低了0．08—0．18(图2)，意味着氮沉降增加将使本
已经酸化的土壤更加酸化。Al离子含量增加不仅会
抑制植物根系和微生物活动，而且进入水体后还会
造成环境污染等。
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