成熟山毛榉林氮沉降增加下的森林氮动态：冠层施肥与土壤施肥的比较研究

本刊推荐：研究通过对比冠层(N30A)与土壤(N30/N60)施氮方式，揭示成熟山毛榉林对氮沉降增加的响应机制。δ15N同位素示踪表明土壤施肥易引发氮饱和（δ15N值升高），而冠层施肥增强植物-菌根协同（ERT活性），凸显模拟真实氮沉降需包含大气-冠层相互作用。研究为全球变化下森林氮循环模型提供关键实验证据。

　　

1 引言

大气活性氮化合物通过湿沉降和干沉降输入陆地生态系统，对温带森林的氮循环过程产生深远影响。传统氮添加实验多采用直接土壤施肥方式，忽略了大气-冠层相互作用对氮归宿的关键调控作用。本研究通过设置对照（N0）、土壤施氮30 kg N ha^?1 y^?1（N30）、冠层施氮30 kg N ha^?1 y^?1（N30A）和土壤施氮60 kg N ha^?1 y^?1（N60）四种处理，结合δ¹⁵N同位素示踪和微生物功能基因定量技术，系统解析不同施氮方式对森林氮动态的影响。

2 材料与方法

实验位于意大利阿尔卑斯山成熟山毛榉（Fagus sylvatica L.）林，土壤为富钙质Haplic Luvisol。采用完全随机区组设计，每种处理设3个重复样方。氮添加使用δ¹⁵N值为?0.06‰的硝酸铵溶液，2015年起每年生长季分三次施用。2018年7月（实验第4年）采集叶片、细根、外生菌根根尖（ERT）、土壤、未分解凋落物（OF）和半分解凋落物（OH）样品，测定氮含量、δ¹⁵N值及硝化（amoA AOA/AOB、nxrB）、反硝化（nirS/nirK、qnorB、nosZ）和固氮（nifH）功能基因丰度。通过计算相邻组分间δ¹⁵N偏移值（Δδ¹⁵N）量化氮迁移路径变化。

3 结果

3.1 氮浓度与δ¹⁵N的关系

除细根外，所有植物组分δ¹⁵N与氮浓度呈显著正相关（调整R²=0.353, p<0.001），其中ERT相关性最强（R²=0.60）。土壤δ¹⁵N与氮浓度呈负相关（R²=0.42），表明δ¹⁵N比氮浓度更敏感反映氮循环变化。

3.2 不同处理对氮动态的影响

氮浓度仅在ERT（N60处理增加38.4%）和种子（N30/N60分别增加29.4%/42.3%）中显著升高，而冠层施肥（N30A）仅使OH层氮浓度增加45.9%。δ¹⁵N对施肥响应更显著：N60处理使ERT、叶片和种子δ¹⁵N值分别升高53.9%、24.2%和21.5%；N30A则导致细根δ¹⁵N值显著降低（-0.78‰），表明菌根依赖性增强。

3.3 微生物功能基因响应

各处理间功能基因丰度无显著差异，但本底丰度特征显示生态系统具高氮循环潜力：古菌硝化基因（amoA AOA: 7.68 log₁₀ copies/g）高于细菌（amoA AOB: 6.88），反硝化基因nirK（9.20）丰度最高，固氮基因nifH（6.65）丰度最低。

3.4 氮迁移路径偏移

Δδ¹⁵N分析揭示关键差异：N60处理使ERT相对于OH层显著富集¹⁵N（Δδ¹⁵N_LitterOH-ERT=2.19‰），而ERT向细根的¹⁵N转移效率降低（Δδ¹⁵N_{ERT-Fine roots}=-3.04‰）。N30A处理显著增大细根到叶片的¹⁵N富集度（Δδ¹⁵N_{Fine roots-Leaves}=1.48‰），且导致叶片向凋落物OF层的¹⁵N分馏模式逆转。

4 讨论

4.1 氮有效性变化

低剂量短期氮添加未引起多数组分氮浓度显著变化，可能与站点本底氮富集（年沉降17.7 kg N ha^?1）有关。种子氮浓度对土壤施肥的积极响应暗示繁殖分配策略调整。

4.2 δ¹⁵N的指示意义

δ¹⁵N升高与功能基因数据共同表明土壤施肥（尤其N60）可能促进硝化/反硝化损失路径，而冠层施肥通过增强菌根活动（细根δ¹⁵N降低）提升氮保留。

4.3 氮获取策略分异

土壤施肥使ERT氮浓度升高但向宿主传输有限，反映菌根真菌对添加氮的截留作用；冠层施肥则通过凋落物质量变化（OH层氮浓度升高）和叶片直接吸氮（Δδ¹⁵N_{Fine roots-Leaves}增大）优化氮利用效率。

5 结论

δ¹⁵N是区分冠层与土壤施肥效应的敏感指标。土壤高量施肥（60 kg N ha^?1 y^?1）初步引发氮饱和信号，而冠层施肥强化植物-菌根互作促进氮保留。未来氮沉降模拟实验需结合真实大气-植物界面过程，长期观测生态系统氮饱和阈值动态。