氮沉降對森林土壤化學性質(zhì)及溫室氣體排放影響研究綜述

田甜，姜春前，高升華，白彥鋒，張旭東

(中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所，北京 100091)

1 研究背景

自然生態(tài)系統(tǒng)的氮主要來自生物固定、施肥和大氣沉降，大氣氮沉降分為干沉降和濕沉降2種：干沉降的氮主要有氣態(tài)的NO、N2O、NH3、(NH4)2SO4和NH4NO3粒子以及吸附在其他粒子上的氮；濕沉降的氮主要是NH4+、NO3-以及少量的可溶性有機氮[1，2]。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類活動，如化石燃料燃燒、使用化肥等，顯著增加了活性氮向自然生態(tài)系統(tǒng)的沉降，進而導致生態(tài)系統(tǒng)多樣性喪失、危害人類健康、改變水體和土壤的化學性質(zhì)以及影響溫室氣體排放等一系列嚴重的生態(tài)問題[1，3，4]。亞洲(中國、印度)、西歐、北美已成為全球三大氮沉降集中區(qū)，預計到2030年，亞洲地區(qū)人類活動產(chǎn)生的活性氮將達到105.3 Tg·a-1，中國是氮沉降最嚴重的區(qū)域，且與美國相比，中國氮飽和潛在風險問題更嚴峻[2，3，5，6]。隨著社會經(jīng)濟和工農(nóng)業(yè)的進一步發(fā)展，我國的氮沉降量可能還會繼續(xù)升高[3,7，8]。

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是大面積氮沉降的直接承受者[9-10]。大氣氮沉降的增加對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生著重要影響，預計到2030年其影響程度將繼續(xù)增加50%～100%[5，11]。已有研究表明，我國南部一些森林中來自自然降水的氮沉降量達到了30～73 kg·hm-2·a-1[12]。若氮沉降超過森林生態(tài)系統(tǒng)可容納的臨界負荷，即會對森林生態(tài)系統(tǒng)造成危害，不同地區(qū)臨界值存在較大差異，這可能與我國立地條件及林分類型差異有關，目前各地能被人們接受的閾值并不清楚[8，11，13-14]。

自1750年以來，大氣CO2的濃度增加了31%，而CH4和N2O的濃度分別增加了151%和 17%，且在繼續(xù)增加[15]。大氣中的CO2、CH4和N2O三種氣體對增強溫室效應的貢獻率占近80%。據(jù)估計，大氣中的CO2、CH4和N2O每年來源于土壤的比例分別是5%～20%、15%～30%以及80%～90%[8]。森林土壤是溫室氣體重要的源和匯，在調(diào)節(jié)大氣溫室氣體方面起著重要的作用[16]。大氣氮沉降對森林土壤主要溫室氣體通量的影響日益重要，尤其是在氮沉降嚴重的地區(qū)[8]。

2 研究現(xiàn)狀

20世紀80年代，歐洲、北美即開展了氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)影響的研究，比較著名的實驗有20世紀80年代末歐共體資助的氮飽和實驗(NITREX)和歐洲森林生態(tài)系統(tǒng)人工干預實驗(EXMAN)以及1988年美國在馬薩諸塞中部進行的Harvard forest(HF)中實施的“氮長期改善實驗”等[7，13，17-19]。而我國在這方面的研究起步較晚，主要集中于鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)。2003年廣東省鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)長期氮研究項目成立之后，我國其他亞熱帶地區(qū)(廣東、四川、重慶、福建)、熱帶地區(qū)(海南)和溫帶地區(qū)(內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、河北)也相繼建立了氮沉降研究樣地，但在氮沉降對森林土壤溫室氣體通量影響方面的研究比較少[5，20，21]。我國用于氮沉降監(jiān)測的網(wǎng)絡主要有全國性的氮沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(NNDMN)、中國陸地生態(tài)系統(tǒng)酸化綜合監(jiān)測項目(IMPACT)和世界氣象組織全球大氣監(jiān)測降水化學項目[21]。

2.1 氮沉降對森林土壤化學性質(zhì)的影響

土壤是一個多相多界面的復雜系統(tǒng)，森林土壤為植被和微生物提供水分和營養(yǎng)物質(zhì)等植物生長的必需元素，可以通過調(diào)節(jié)溫度、緩沖毒素等，直接影響森林植被的健康狀態(tài)[22-24]。土壤的化學性質(zhì)主要是指土壤中的物質(zhì)組成、各組分之間以及固液相之間的化學反應和化學過程，可以衡量土壤的養(yǎng)分狀態(tài)，判斷土壤對林木生長和生態(tài)環(huán)境的影響與作用[23，25，26]。

氮沉降會引起諸多土壤理化性質(zhì)的改變，繼而對森林植被根系周轉(zhuǎn)、凋落物分解以及土壤微生物活動產(chǎn)生影響[27]。氮沉降向森林生態(tài)系統(tǒng)輸入氮素，少部分被植物地上部分直接吸收，大部分進入了土層，在氮缺乏的森林土壤中，氮沉降無意識地表現(xiàn)為施肥作用，而在氮沉降量較高的地區(qū)，氮淋失增加，氮沉降產(chǎn)生的NH4+、NO3-等都能導致土壤酸化， NH4+的硝化和過剩的NO3-的淋失是土壤酸化的主要機制。氮沉降可能改變土壤有機質(zhì)的C∶N∶P化學計量比以及導致森林土壤交換性陽離子的淋失等[2,12，28]。氮沉降對森林土壤化學性質(zhì)的影響存在不確定性，這可能與生態(tài)分布、森林的類型、土壤狀況、氮沉降的程度和施氮時間等因素有關。

2.1.1 氮沉降對森林土壤pH值的影響 已有研究表明，氮素增加會導致森林土壤pH值的降低[12，29-31]。但是也有不同的結(jié)論，李秋玲等在鼎湖山的木荷人工幼林模擬氮沉降(0、50和100 kg·hm-2·a-1)20個月后發(fā)現(xiàn)木荷人工幼林土壤pH值未隨著氮沉降量的不同而有明顯變化[29]。黃錦鈮等在福建三明進行的觀光木人工林24個月不同用量處理(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)模擬氮沉降試驗結(jié)果為，與對照相比，除高氮處理在第12個月降低觀光木人工林土壤pH值外，氮沉降明顯提高了觀光木人工林土壤pH值，低氮和中氮處理顯著緩解林地土壤酸化，且中氮處理效果最好[32]。

2.1.2 氮沉降對森林土壤C素的影響 森林土壤碳素的輸入主要涉及森林地上植被凋落物分解、地下細根的分解和根系產(chǎn)生的分泌物，碳素輸出主要是土壤呼吸[33，34]。氮添加對森林土壤碳素的影響有不顯著、促進和降低3種結(jié)論[12，35]。洪丕征在廣西壯族自治區(qū)憑祥進行的格木和紅錐人工幼齡林17個月不同用量氮處理(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)添加實驗結(jié)果是，中氮和高氮處理顯著升高了2種林分0～10 cm土壤可浸提有機碳含量，各處理對2種林分不同土層的有機碳含量均無顯著影響[12]。袁穎紅等在福建省三明市沙縣官莊國有林場的杉木人工林連續(xù)7年模擬氮沉降實驗(0、60、120和240 kg·hm-2·a-1)結(jié)果表明，氮沉降對土壤有機碳具有促進作用，但各土層不同氮沉降處理之間無顯著差異，高氮處理顯著升高了杉木人工林0～20 cm土壤可溶性有機氮碳含量[35]。張嬌在帽兒山落葉松人工林進行了3年模擬氮沉降實驗(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，低氮和中氮處理顯著提高土壤總有機碳和可溶性有機碳含量，高氮處理無顯著影響[36]。黃錦鈮等在福建省三明市格氏栲自然保護區(qū)的板栗人工林進行的2 年模擬氮沉降實驗(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，中氮和高氮處理顯著降低板栗人工林土壤有機碳含量，且中氮處理效果最顯著[32]。汪金松等在太岳山油松人工林和天然林進行了3年模擬氮沉降實驗(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，人工林和天然林不同土層深度有機碳含量均降低，且下降幅度隨氮沉降量的增加而增大，0～20 cm土壤下降幅度大于20～40 cm土壤和40～60 cm土壤[37]。

2.1.3 氮沉降對森林土壤N素的影響 森林土壤氮素的輸入主要包括凋落物歸還、生物固氮、氮沉降和施肥等。氮素輸出的途徑主要有揮發(fā)、淋失、流失、產(chǎn)品輸出以及硝化和反硝化作用的損失[28，38，39]。多數(shù)研究表明，氮添加對森林土壤有效氮影響較為顯著，其影響程度與地形地貌、森林類型、土層、氮處理水平和氮處理時間等因素有關，短期氮添加對森林土壤全氮含量影響不顯著[12，30，31，40，41]。袁穎紅等在福建沙縣官莊林場白溪工區(qū)的人工杉木純林經(jīng)過21個月的模擬氮沉降實驗(0、60、120和240 kg·hm-2· a-1)的結(jié)果表明，更高水平的氮沉降能促使銨態(tài)氮和硝態(tài)氮更大程度的增加，且硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)的增長率要高于銨態(tài)氮，氮沉降對土壤有效氮的影響存在累積性效應[30]。王文娟等在江蘇省鹽城市境內(nèi)東臺林場三種林齡的楊樹人工林進行2個生長季的模擬氮沉降實驗(0、5、10、15和30 g·m-2·a-1)得出，不同林齡楊樹人工林土壤氮素組成存在差異，且土壤有效氮對氮沉降的響應因林齡、氮沉降水平、土壤深度和施氮時間的不同而存在差異[42]。汪金松等在太岳山森林生態(tài)系統(tǒng)定位站所在靈空山林場的油松人工林和天然林進行了3年的模擬氮沉降實驗(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，人工林表層土壤全氮含量顯著降低，天然林表層土壤全氮含量無顯著影響[37]。胡艷玲在長白山楊樺次生林和闊葉紅松林內(nèi)分別進行2個和1個生長季的模擬氮沉降實驗(0、25和50 kg·hm-2·a-1)得出，2種類型土壤總有效氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均隨著氮沉降量的增加而增加，高氮處理顯著增加土壤中的總有效氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量，低氮處理則不明顯[41]。

2.1.4 氮沉降對森林土壤P素、K素等的影響 氮沉降對森林土壤磷素、鉀素等的影響存在不確定性[12，20，43，44]。裴廣廷等在福建建甌對羅浮栲、杉木和浙江桂3種林分進行的3 年模擬氮沉降實驗(0、30和100 kg·hm-2·a-1)得出，羅浮栲和杉木林土壤有效磷含量以及有效磷和有效鉀的比值均隨著氮沉降水平的升高而增加，而浙江桂林有效磷含量以及有效磷和有效鉀的比值則隨著氮沉降水平的升高而減少[43]。李銀等在鼎湖山馬尾松林、混交林和季風林進行近6 年模擬氮沉降實驗(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，3種林型的有效磷含量均在低氮處理下最高，但各處理水平之間的差異不顯著[44]。李秋玲等在鼎湖山馬尾松林、針闊葉混交林和季風常綠闊葉林中分別進行了31個月、42個月和50個月的模擬氮沉降實驗(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，馬尾松林、闊葉林、混交林土壤鹽基飽和度、鹽基離子Ca2+、Mg2+、K+未受到顯著影響，交換性Na+含量明顯下降[29]。黃錦鈮等在福建省三明市格氏栲自然保護區(qū)的米櫧天然林、觀光木人工林和板栗人工林進行的為期2年的模擬氮沉降實驗(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，林種、氮處理水平及處理期限不同，對林分土壤全鉀含量的影響不同[32]。袁穎紅等采集江西省南昌市郊區(qū)杉木林表層土壤，對溫室內(nèi)1年生盆栽杉木幼苗進行18個月的模擬氮沉降實驗(0、6、12、24和48 g·m-2·a-1)得出，隨著氮沉降量的增加，土壤交換性Al3+不斷增加，交換性Ca2+、Mg2+、K+、Na+先增加后降低[45]。

2.2 氮沉降對森林土壤主要溫室氣體通量的影響

目前關于氮沉降對森林土壤主要溫室氣體通量的影響仍沒有一致結(jié)論，主要表現(xiàn)為抑制、促進和不顯著3種效果[8,46-48]，這可能與生態(tài)分布、森林的類型、土壤狀況、氮沉降的程度和施氮時間等因素相關。在局部范圍內(nèi)，植被類型、土壤溫濕度是影響森林土壤CO2、CH4和N2O排放的主要生態(tài)因子，然而，氮輸入增加條件下，土壤溫濕度與溫室氣體排放速率的相關性可能會改變[8，12，49]。

2.2.1 氮沉降對森林土壤CO2通量的影響 森林土壤排放的CO2主要來自于森林土壤呼吸[33]。森林土壤呼吸又包括植物地下部分呼吸、土壤微生物和土壤動物正常活動以及含碳物質(zhì)的化學氧化過程，其中最重要的是根呼吸和土壤微生物的異養(yǎng)呼吸[33,50]。

不同研究得出氮沉降對森林土壤CO2排放影響主要有3種不同的結(jié)論即促進、無顯著影響、抑制，原因可能是由于氮添加水平、處理時間、林分類型等因素的不同[8，12]。王汝南在北京西山實驗林場的遼東櫟人工林和油松人工林進行了8個月的模擬氮沉降實驗(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，中氮和高氮處理顯著促進了土壤CO2年排放量，施氮增強了土壤CO2排放對水分變化的敏感性，但對溫度變化的響應值Q10無顯著變化[49]。張蕊在湖南岳陽市君山區(qū)灘地楊樹人工林進行1年的模擬氮沉降實驗(0、5、10和20 g·m-2·a-1)得出，氮處理顯著抑制了楊樹人工林土壤呼吸作用[51]。高強在浙江天童木荷林內(nèi)進行了17個月的氮添加實驗(0、50和100 kg·hm-2·a-1)得出，低氮處理顯著促進了土壤呼吸速率，高氮處理對土壤呼吸速率無顯著影響，氮處理降低了Q10，不同氮處理土壤含水量與呼吸速率之間無顯著相關性[52]。高文龍等在鼎湖山混交林進行了19個月的氮添加實驗(0、100 kg·hm-2·a-1)得出，氮添加對土壤CO2釋放無影響[53]。曾清蘋等在重慶市縉云山馬尾松林中進行了14個月模擬氮沉降實驗(0、200、400和600 kg·hm-2·a-1)得出，氮沉降對土壤呼吸有抑制作用，且抑制程度隨氮濃度增加而加強[54]。全權(quán)等在北京東靈山遼東櫟林、華北落葉松林和油松林樣地進行為期5個月的氮添加實驗(0、100 kg·hm-2·a-1)得出，短期氮添加降低了闊葉林土壤呼吸速率，提高了針葉林土壤呼吸速率，但未達到顯著水平，改變了土壤呼吸對溫度和水分變化的響應[55]。

2.2.2 氮沉降對森林土壤CH4通量的影響 在無氧環(huán)境下，土壤有機物在產(chǎn)CH4菌的作用下產(chǎn)生CH4，有氧環(huán)境下，CH4被CH4氧化菌氧化成CO2排入大氣[56]。森林土壤大多表現(xiàn)為大氣中CH4的匯，多數(shù)研究得出氮沉降抑制或不顯著影響森林土壤CH4的吸收[8，12，57]。但也有研究提出低氮傾向于促進貧氮森林土壤CH4的吸收[58]。曹裕松等人在廣東鶴山馬占相思人工林和尾葉桉人工林進行了15個月的模擬氮沉降實驗(0、50 kg·hm-2·a-1)得出，鶴山人工林是CH4的匯，增氮處理促進了馬占相思林CH4的排放，對尾葉桉林土壤CH4通量無顯著影響[59]。王汝南在北京西山實驗林場的遼東櫟人工林和油松人工林進行了8個月的模擬氮沉降實驗(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，氮素輸入一定程度上減弱了CH4吸收通量與水熱環(huán)境因子之間的關系[49]。高文龍等在鼎湖山混交林進行了19個月的氮添加實驗(0、100 kg·hm-2·a-1)得出，氮添加抑制CH4吸收[53]。

2.2.3 氮沉降對森林土壤N2O通量的影響 土壤硝化和反硝化過程所產(chǎn)生的N2O占全球大氣N2O總量的90%，森林土壤排放的N2O主要來源于森林土壤中微生物參與的硝化和反硝化過程[59-61]。可能由于土壤初始氮素狀態(tài)、土地利用的歷史狀況、氣候條件、時間尺度以及人為干擾等因素，研究結(jié)果并不一致，主要有促進、不顯著2種效果，尚未見到有研究得出氮沉降減少森林土壤N2O排放的報道[8，12，60]。王汝南在北京西山實驗林場的遼東櫟人工林和油松人工林進行了8個月的模擬氮沉降實驗(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，氮素輸入促進了土壤N2O的排放，中氮和高氮處理樣地的土壤N2O排放峰值顯著高于對照和低氮樣地，各樣地N2O排放量與土壤水分間有較為顯著的相關性[49]。高文龍等在鼎湖山混交林進行了19個月的氮添加實驗(100 kg·hm-2·a-1)得出，氮添加促進了N2O排放[53]。王磊等在江西省泰和縣濕地松林進行了21個月模擬氮沉降實驗(40和120 kg·hm-2·a-1)得出，施氮對亞熱帶人工林土壤N2O排放有顯著促進作用，土壤N2O通量與10 cm土壤溫度和10 cm土壤體積含水量正相關[62]。

3 問題與展望

研究顯示，從1961—2010年，我國氮沉降速率呈顯著增加趨勢，陸地大氣氮沉降速率增加了近8倍，大氣氮沉降速率由東南向西北梯度遞減，華北、華中、東南、西南地區(qū)東北部的氮沉降水平都非常高[3，4，63]。基于2010-2014年全國43個觀測站點(約71%的監(jiān)測點位于華北、東南和西南地區(qū))觀測數(shù)據(jù)的研究結(jié)果是，43個監(jiān)測點總氮沉降量為2.9～83.8 kg·hm-2·a-1,，平均值為39.9 kg·hm-2·a-1 [4，63]。我國2003年才開始開展氮沉降對森林土壤主要溫室氣體通量影響的研究，起步較晚，由于地域、時間、技術(shù)方法的局限性，氮添加實驗多為局部范圍的短期、大劑量實驗，尚未搞清楚氮沉降在更大的時空尺度上對森林土壤溫室氣體排放的影響規(guī)律，氮添加實驗能否真實體現(xiàn)自然氮沉降對森林土壤主要溫室氣體通量的影響還需進一步研究。最新研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)中26%的氮氣來自于地區(qū)巖石圈基巖，其余來自于大氣，這項結(jié)果突破了環(huán)境科學奠定的長達數(shù)世紀的傳統(tǒng)氮素都是來自大氣層的相關結(jié)論，為調(diào)整地球的氮源提供了一個全球化視角，對營養(yǎng)物驅(qū)動的陸地碳匯控制產(chǎn)生了影響[64]。氮的源、匯分析、森林生態(tài)系統(tǒng)可容納的氮沉降物的閾值、氮沉降-微生物-森林土壤主要溫室氣體通量關系的研究等，將是未來面臨的課題。