氮沉降對(duì)森林土壤有機(jī)碳影響的研究進(jìn)展

黃鑠淇　胡慧蓉　韓釗龍

摘要：在森林土壤有機(jī)碳與全球變化關(guān)系的基礎(chǔ)上，分析了氮沉降對(duì)森林土壤有機(jī)碳及其組分影響。對(duì)今后的研究工作提出了建議，為進(jìn)一步了解氮沉降下森林土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：氮沉降；土壤有機(jī)碳；組分；影響

1引言

氮沉降是一種自然現(xiàn)象，包括干沉降和濕沉降兩種，干沉降主要以氣態(tài)NO、N2O、NH3以及（NH4）2SO4粒子和吸附在其它粒子上的氮；濕沉降主要是NO-3、NH+4，以及少量的可溶性有機(jī)氮[1]。目前，我國(guó)的大氣氮沉降量空間分布不平衡，存在極大的地域性差異，東中部地區(qū)、東南沿海地區(qū)沉降量較高，西北地區(qū)、東北地區(qū)沉降量較低[2]。歐洲大部分地區(qū)森林的大氣氮沉降量超過(guò)10kg/hm2·年，歐洲邊遠(yuǎn)地區(qū)減少至1kg/hm2·年，中歐為25～60kg/hm2·年，大大超過(guò)了森林對(duì)氮的年需要量；在北美，森林地區(qū)的大氣氮沉降量一般為2～40kg/hm2·年[3]。Galloway等的研究表明，1993年全球大氣氮沉降量（NOy+NHx）已達(dá)到1011kg，預(yù)計(jì)到2050年將翻兩倍[4]。隨著工業(yè)化的發(fā)展，大氣氮沉降的比例不斷增加，在氮沉降量高的地區(qū)出現(xiàn)了“氮飽和”現(xiàn)象，由此引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化，土壤養(yǎng)分下降，植被退化等一系列環(huán)境問(wèn)題。我國(guó)是全球第三大氮沉降區(qū)[5]，研究氮沉降與森林土壤有機(jī)碳之間的關(guān)系，對(duì)于了解森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤的碳儲(chǔ)存過(guò)程與碳匯功能十分必要。本文綜述了氮沉降對(duì)森林土壤有機(jī)碳的影響，進(jìn)一步討論了各組分對(duì)氮沉降的響應(yīng)，旨在加強(qiáng)人們對(duì)氮沉降作用下森林土壤有機(jī)碳響應(yīng)的認(rèn)識(shí)，為預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化提供參考。

2氮沉降對(duì)森林土壤有機(jī)碳的影響

土壤有機(jī)碳影響土壤結(jié)構(gòu)的形成及其穩(wěn)定性、持水性，植物營(yíng)養(yǎng)的釋放與平衡，土壤微生物活性與土居動(dòng)物多樣性等理化生物學(xué)性質(zhì)，同時(shí)對(duì)緩解土壤質(zhì)量退化、提高土壤生產(chǎn)物力均有著非常重要的功能[6]。土壤碳儲(chǔ)量及動(dòng)態(tài)平衡受全球氣候變化的影響，同時(shí)通過(guò)溫室效應(yīng)的加強(qiáng)或削弱來(lái)反作用于全球大氣變化[7]，是反映土壤質(zhì)量及土壤健康的重要指標(biāo)之一[8]。Schimel等研究表明，全球平均氣溫每升高1℃，土壤有機(jī)質(zhì)將釋放1.11×1013～3.38×1013kg碳到大氣中。

19世紀(jì)50年代，國(guó)外最早開(kāi)始了關(guān)于氮沉降的研究。但是，有關(guān)氮沉降對(duì)森林土壤有機(jī)碳影響的研究，是在20世紀(jì)80年代末，隨著一些有組織的、大規(guī)模的跨區(qū)域研究網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)展而開(kāi)始的，如美國(guó)的國(guó)家大氣沉降計(jì)劃（NADP）、清潔空氣與趨勢(shì)網(wǎng)（CASTNET）和歐洲的氮沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)NITREX、EXMAN和ENEP等]。氮沉降對(duì)森林土壤有機(jī)碳影響的結(jié)果有增加、減少和無(wú)影響三種。Nadelhoffer[指出，氮沉降對(duì)溫帶森林的土壤碳增加有一定影響，但貢獻(xiàn)很小。樊后保等研究認(rèn)為，模擬氮沉降水平的增加能促進(jìn)閩北森林土壤有機(jī)碳減少。總之，氮沉降對(duì)有機(jī)碳的影響，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及多種因素。鄧小文等，將氮沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)影響的復(fù)雜過(guò)程劃分為4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程，凋落物分解和細(xì)根周轉(zhuǎn)（土壤碳輸入），土壤呼吸和土壤可溶性有機(jī)碳淋失（土壤碳輸出），但是，氮沉降對(duì)這四個(gè)過(guò)程影響的結(jié)論并不一致，機(jī)理也不統(tǒng)一。同時(shí)，氮沉降還通過(guò)影響土壤pH值、土壤生物、土壤酶等進(jìn)而間接影響土壤有機(jī)碳的含量。因此，氮沉降引起森林土壤有機(jī)碳減少或增加的機(jī)理也有待于做進(jìn)一步研究。

3氮沉降對(duì)森林土壤有機(jī)碳組分的影響

研究土壤有機(jī)碳時(shí)，應(yīng)根據(jù)研究的目的與條件對(duì)土壤有機(jī)碳進(jìn)行分組研究[7]，在土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性分組中，可將其分為3個(gè)部分：活性有機(jī)碳庫(kù)、慢性有機(jī)碳庫(kù)和惰性有機(jī)碳庫(kù)。其中土壤活性有機(jī)碳是這一分組中被廣泛關(guān)注和深入研究的組分。依據(jù)土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性分組，目前對(duì)活性有機(jī)碳的定量表述有土壤溶解有機(jī)碳（DOC）、微生物量碳（SMBC）、輕組有機(jī)碳（LFOC）和易氧化有機(jī)碳（ROC）等。

3.1氮沉降對(duì)土壤溶解有機(jī)碳（DOC）的影響

土壤溶解有機(jī)碳（DOC）受植物和微生物影響、且具有一定溶解性、在土壤中移動(dòng)較快、不穩(wěn)定、易氧化、易分解、易礦化，其形態(tài)、空間位置對(duì)植物、微生物來(lái)說(shuō)活性比較高，它是土壤有機(jī)碳的重要組成部分之一。

氮沉降對(duì)土壤溶解有機(jī)碳含量的影響也有增加、不變和降低3種結(jié)論。樊后保等在模擬氮沉降實(shí)驗(yàn)中得出，氮沉降處理作用下，杉木人工林土壤可溶性有機(jī)碳量增加。Deforest等的模擬氮沉降試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤中可溶性有機(jī)碳隨氮沉降的增加而增加，其原因是氮沉降增加了土壤中可溶性酚類(lèi)物質(zhì)的積累。Pregizer等在連續(xù)8年的模擬施加NO-3-N試驗(yàn)結(jié)果表明，氮沉降大大增加了土壤溶解有機(jī)碳的含量。樊后保等認(rèn)為在氮沉降下微生物和酶對(duì)活性有機(jī)碳的利用和分解率低，導(dǎo)致土壤溶解有機(jī)碳含量的增加。然而在瑞典西南部，Sjoberg等經(jīng)過(guò)8～29年施用氮肥的試驗(yàn)得出相反結(jié)論：施氮肥對(duì)土壤溶解有機(jī)碳的生產(chǎn)沒(méi)有影響。總之，關(guān)于氮沉降對(duì)土壤中溶解性有機(jī)碳的產(chǎn)生和淋失影響的研究還不多，在理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果方面均存在著許多爭(zhēng)議，而關(guān)于氮沉降對(duì)土壤溶解有機(jī)碳的淋失過(guò)程及其在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化影響的研究甚少。過(guò)量土壤溶解有機(jī)碳淋失對(duì)土壤碳庫(kù)和水體環(huán)境均產(chǎn)生負(fù)面影響，氮沉降是否是引起淋失的主導(dǎo)因素，其影響機(jī)理有待研究。

3.2氮沉降對(duì)微生物量碳（SMBC）的影響

微生物量碳（SMBC）的高低是衡量土壤生物肥力的重要指標(biāo)，地上植被類(lèi)型被認(rèn)為是影響土壤微生物活動(dòng)的重要因子。土壤總有機(jī)碳的含量及其地被物影響土壤SMBC含量，同時(shí)林木凋落物與根系物質(zhì)分解過(guò)程中形成的微生物區(qū)系也影響土壤SMBC含量。袁穎紅等的研究結(jié)果表明，氮沉降增加土壤有效氮，引起土壤酸化，而土壤酸化可能是導(dǎo)致土壤微生物量碳降低的原因。Smolaner等認(rèn)為，施氮后土壤pH值下降，雖然土壤有機(jī)質(zhì)有所增加，但不易被土壤微生物分解利用，因而引起土壤微生物量碳減少和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變。Bowden等的研究也發(fā)現(xiàn)，氮沉降明顯降低土壤微生物量碳。endprint

3.3氮沉降對(duì)輕組有機(jī)碳（LFOC）的影響

影響輕組有機(jī)碳（LFOC）含量的因子很多，如土地利用、植被類(lèi)型、及影響枯枝落葉生產(chǎn)和分解平衡的其他因素如氣候、土壤特征，微生物活性等，LFOC的積累主要集中在干冷的氣候條件，土壤pH值偏低，植被密集，枯枝落葉歸還量大的土壤中。在氮沉降作用下，輕組有機(jī)碳主要呈增加或不變兩個(gè)趨勢(shì)。有研究表明氮素增加顯著加快了土壤LFOC的分解速率，而使得重組有機(jī)碳更為穩(wěn)定[3]，同時(shí)，氮沉降對(duì)植物凋落物和土壤有機(jī)物質(zhì)分解的影響因分解階段不同而表現(xiàn)出差異。而涂利華等的研究表明氮沉降對(duì)土壤LFOC無(wú)影響。

3.4氮沉降對(duì)易氧化有機(jī)碳（ROC）的影響

土壤易氧化態(tài)碳（ROC）含量及其與土壤總有機(jī)碳的比值是反映土壤碳穩(wěn)定性的指標(biāo)，土壤全碳中ROC占比例越高，說(shuō)明土壤碳的活性越大，穩(wěn)定性越差。陳濤等研究結(jié)果顯示，長(zhǎng)期施肥可以顯著增加土壤ROC含量，與對(duì)照相比，施入的氮分別為315kg/hm2·年、530kg/hm2·年，ROC增加幅度分別為526%、1222%。張瑞等對(duì)土地施肥的研究也發(fā)現(xiàn)，施入氮肥顯著增加土壤ROC含量，其與對(duì)照相比，施入的氮為1955kg/hm2·年，ROC含量增加5132%。目前，關(guān)于ROC的研究已較多，然而有關(guān)氮沉降對(duì)其影響的。對(duì)土壤施入氮肥雖然可以明顯增加土壤易氧化有機(jī)碳的含量，然而通過(guò)施肥進(jìn)入土壤中的氮遠(yuǎn)大于氮沉降進(jìn)入土壤中的氮。在相對(duì)較低的氮沉降水平下，土壤ROC的含量是增加還是減少，氮沉降對(duì)其影響的機(jī)理等仍有待更進(jìn)一步的研究。

4結(jié)論與建議

國(guó)內(nèi)外關(guān)于氮沉降對(duì)有機(jī)碳影響的研究已比較多，但大多數(shù)是研究在復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)或兩個(gè)指標(biāo)的變化，由于各地的氣候、林型、立地條件、氮沉降水平等自然因素都存在差異，而人為的研究方法也不盡相同，往往會(huì)得出不同甚至相反的結(jié)論。因此許多問(wèn)題有待探索：目前關(guān)于土壤有機(jī)碳對(duì)氮素輸入的響應(yīng)機(jī)制仍然不甚清楚，研究出氮沉降對(duì)有機(jī)碳影響的原理是氮沉降研究的當(dāng)務(wù)之急；統(tǒng)一氮沉降的研究標(biāo)準(zhǔn)，增加不同地區(qū)研究結(jié)果的可比性；氮沉降影響下有機(jī)碳組分的變化的研究相對(duì)較少，認(rèn)識(shí)有機(jī)碳組分的變化規(guī)律有助于深入了解有機(jī)碳的變化；氮沉降是全球化的問(wèn)題，其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響是長(zhǎng)時(shí)間的，因此有必要開(kāi)展長(zhǎng)期定位研究。

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