2010?2020年草地土壤氮循環研究現狀與發展趨勢

趙 儀，孫盛楠,2，嚴學兵

（1.揚州大學動物科學與技術學院，江蘇揚州 225009；2.省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，青海西寧 810016）

草地約占全球陸地總面積的25%，氮循環是草地生態系統最基本的循環過程，其4個主要過程(生物固氮作用、礦化作用、硝化作用和反硝化作用)均由微生物驅動。生物固氮作用將大氣中的分子態氮在微生物體內由固氮酶催化還原成氨，是土壤氮素的重要來源。礦化是指土壤中有機態氮向無機態氮轉化的過程，分為氨基化階段和氨化階段[1]。硝化作用作為土壤氮素循環的中心環節，連接固氮作用和反硝化作用，不僅決定著土壤中氮素有效性，還與硝酸鹽淋失造成的水體污染密切相關[2]，硝化作用必須在通氣條件下分兩個階段完成，即氨氧化過程和亞硝酸氧化過程，為反硝化作用提供反應底物。在草地農業生態系統中，硝化作用和反硝化作用經常耦合發生，是氮肥損失、溫室氣體生成的主要途徑。

土壤氮循環過程需要多種生物參與，受到多種因素影響。草地土壤中氮的利用取決于其在土壤中的存在形式，氮的存在形式受氮轉化過程調控，尤其是礦化、硝化以及無機氮的固定[3]。有機碳為礦化提供能量來源，研究表明，總氮礦化速率和凈氮礦化速率隨有機碳含量的上升、氮濃度的增大而提高，但卻與碳氮比成反比[4]。這可能因為，高碳氮比的有機質通常與土壤有機質中高濃度的頑固化合物有關，從而對氮礦化產生不利影響。礦化形成的銨態氮去路較多，一方面被植物直接吸收利用，通過硝化作用轉化為硝態氮再利用，被土壤顆粒吸附；另一方面通過微生物的固定形成銨，以氨氣的形式散失到大氣中，通過淋溶損失或流入水體[3]。硝化過程是氮循環中不可或缺的一個環節，但對草地生態系統往往造成不利影響，硝酸根離子在土壤中移動性較強，易淋溶，容易降低肥料利用率，引起水體富營養化等環境問題[5]。土壤pH 是調節硝化過程的最重要的因素，研究表明，土壤pH<5時，硝化作用受到抑制[6]。同時，硝化作用也有可能造成土壤酸化(土壤吸附性復合體接受一定數量的氫離子或鋁離子，使土壤中堿性離子淋失、pH 降低)。硝化過程形成的硝酸根離子除了通過淋溶、反硝化途徑損失外，有小部分被微生物固定。微生物生物量氮庫與其他氮庫相比微不足道，但其快速周轉能在植物需氮時為植物提供有效氮[7]。氮素的礦化、固定以及硝化是草地生態系統中調節氮素有效性最重要的幾個過程，尤其是土壤中氮素礦化–固定周轉速率，對氮素有效性起至關重要的調控作用[5]。

草地可利用氮素的供應和草地的生產力密切相關，氮素供應是草地生產力高低的限制因子。研究草地土壤氮循環對于提高草地生產力至關重要。國家在頂層設計和統籌謀劃中，充分重視生態系統養分循環過程的研究，啟動實施了包括戰略性先導科技專項“青藏高原多圈層相互作用及其資源環境效應”、“土壤–微生物系統功能及其調控”和國家重點研發計劃重點專項“典型脆弱生態修復與保護研究”、“全球變化及應對”等項目，其中生態系統氮循環是各項目的研究熱點與核心。目前，國內外學者對草地土壤氮循環機制、影響氮循環的因素、氮循環對全球氣候變化的響應以及碳氮循環耦合機制等做了大量研究。本文利用Citespace 軟件對2010 ? 2020年間相關文獻進行可視化分析，確定草地土壤氮循環的研究主體、研究熱點，分析草地土壤氮循環研究的發展趨勢，繪制草地土壤氮循環研究圖譜，為今后研究草地生態系統氮循環提供思路。

1 數據來源和研究方法

1.1 數據來源

本文數據采集于Web of Science(WOS)核心合集數據庫，在數據庫里面進行高級檢索，將主題設置為(grassland OR steppe OR meadow OR pasture OR rangeland)AND (nitrogen cycle OR cycle of nitrogen OR nitrogen cycling)，時間跨度設置為2010 ? 2020年，剔除重復的、沒有作者的文獻、會議論文、編輯材料、書評等，最終得到2 455篇有效文獻。

1.2 研究方法

本研究使用Citespace軟件對2010? 2020年間草地土壤氮循環方面的文獻進行計量分析[8]。以一年為時間分割點，分別以作者、機構、國家、關鍵詞以及共被引文獻作為節點，對相關文獻的關鍵詞以及共被引文獻等進行知識圖譜的繪制，以展示該領域的研究熱點和發展前沿。其中，文章中心性(測度節點在網絡中重要性的一個指標)由Citespace可視化界面nodes→compute node centrality 直接計算而出。

2 結果與分析

2.1 草地土壤氮循環相關研究發文量年度分析

2010? 2020年間草地土壤氮循環方面的發文量呈上升趨勢(圖1)。其中，2010?2012年發展趨勢趨緩；2020年增長幅度最大，一年間發文量增加63篇。從2014年起，草地土壤氮循環方面的文獻漲幅逐步穩定，進入快速而穩定的發展階段，這表明草地土壤氮循環已經成為一個研究熱點。截止2020年，WOS核心合集數據庫收錄草地土壤氮循環文獻共計2 455篇。我國草地氮循環領域的研究也在2011年進入迅速發展階段，發表的文獻比例逐年上升，2017年起比例就超過了40%，尤其在2018年達到峰值，發文比例高達50%。

圖1 草地土壤氮循環年度發文量統計及中國發文量占總發文量的比例Figure 1 Annual number of published studies of soil nitrogen cycle in grasslands(top panel)and the proportion of publications from China (bottom panel)

2.2 研究主體分析

發文量前五的國家依次為中國、美國、德國、澳大利亞和巴西，中國2010 ? 2020年共發文895篇(表1)。中國科學院的研究團隊是推動草地土壤氮循環領域發展的中堅力量，不僅發文多，文章中心性也位居第一，高達0.22(表1)；但中國的文章總體中心性卻只有0.01，表明國內各機構應加強交流合作以提高文章質量。其他國家發文量雖不及中國，但文章總體中心性都不低于中國，尤其是德國中心性較高。從機構發文中心性看，德國和中國并列第一，均為0.22(表1)。此外，對發文作者進行分析，可以發現韓興國的發文量和文章中心性都穩居第一。

表1 WOS核心合集數據庫中研究主體分析Table1 Analysis of research subjectsin the WOScore collection database

2.3 草地土壤氮循環基礎研究分析

2010?2020 年草地土壤氮循環前10篇被引文獻中，被引次數最多的是研究有機質的文獻(表2)。有機質富含碳，其含碳量是大氣或陸地植被的3倍多，部分有機質穩定性高能保存上千年，但有的卻極易分解；有機質的分解與否往往取決于土壤中微生物和所處環境[9]。例如，Batjes[10]的研究指出，全球變暖能加速有機質分解，釋放CO2到大氣中，進一步加劇變暖趨勢。土壤溫度升高加速微生物的生長，促進有機質的分解[11]。被引次數僅次于有機質的是氮沉降方面的文獻。農業集約化提高了氮肥使用頻率，氮肥提高初級生產力，促進退化草地恢復，然而氮沉降卻因此日益加劇。Bai 等[12]對內蒙古草原同一類型的成熟草地和退化草地進行氮添加處理，結果發現氮沉降導致草原生物多樣性喪失，降低生態系統的恢復力。Bobbink 等[13]得出類似結論：氮積累推動物種間競爭，是物種組成變化的主要驅動因素。全球氣候變化直接影響生態系統氮循環，也通過影響植物對氮的吸收、土壤微生物組成以及植物與微生物間的相互作用來間接改變生態系統對氮素負荷量的響應；例如，大氣CO2濃度升高可能促進植物生產力，導致漸進氮限制，這是因為CO2濃度升高引起凈初級生產力提高，不僅導致生態系統中碳儲存，還導致氮儲存，從而降低氮的有效性[14]。氮限制在生物群落中廣泛存在且受地理位置和氣候影響，草地對氮限制的響應隨緯度增加而增加，與降水和溫度無關[15]。這表明，全球的碳、氮循環存在著強烈的相互作用，地理因素也可以介導生物群落對氮限制的響應。

表2 共被引網絡圖中被引頻次排名前10的文獻Table2 Referencesin thetop 10 cited frequency in theco-cited network diagram

2.4 關鍵詞分析

圖2展示了頻數 > 100的關鍵詞。氮/Nitrogen 以及草地/Grassland 作為主要搜索詞，出現頻率較高，分別為746和547，且兩者間存在緊密聯系。根據關鍵詞，將草地土壤氮循環的影響因素分為生物因子、人類活動和非生物因子，生物因子包括植物與微生物，人類活動主要包括放牧、開墾、火燒、施肥與灌溉、刈割以及圍封，非生物因子主要是大氣氮沉降、增溫與CO2濃度升高以及降水。

圖2 2010–2020年關鍵詞的頻數Figure 2 Frequency of keywords in studies of grassland soil nitrogen cycle during 2010 – 2020

2.4.1 生物因子

陸地生態系統中地上、地下部分相互作用，傳統研究對地上部分的關注多于地下部分，隨著研究技術的進步，地下部分也得到了重視。植物與土壤微生物的相互作用是聯系生態系統地上、地下部分的重要紐帶。一方面，植物通過其凋落物和分泌物為土壤微生物的活動提供碳源。有學者對42項利用15N 標記研究中的424對數據進行分析，結果指出，根際分泌大量可利用碳，刺激了根際土壤微生物的生長且促進微生物的活性，從而提高土壤氮的有效性和植物的氮利用率[16]。另一方面，土壤微生物通過分解有機質促進養分循環以保證植物的正常生長發育。微生物能夠調節土壤氮素的有效性，從而影響植物對氮素的吸收[17]。生長快、生命周期短且氮素獲取速率快的植物往往在氮素有效性高的生態系統中占主導地位，但是這些植物的氮的利用效率較低，大多數的氮素損失在其衰老組織中，然后流向土壤；相反，生長慢、生命周期長的植物更能適應氮素有效性低的生態系統。氮素吸收速率快的植物有降低氮有效性的潛力，易導致土壤中的氮損失[18]。植物與微生物之間普遍存在互惠互作關系，以增加生態系統中的氮保留，減少土壤中的氮損失量；其中，最常見的就是共生固氮系統，尤其是豆科植物–根瘤菌體系，為生物固氮做出了巨大貢獻。當生態系統處于氮限制時，植物可以通過共生和多營養級交互作用重組微生物群落來獲取氮素[19]。叢枝菌根真菌是最古老、最廣泛的共生真菌，該真菌能夠吸收硝酸鹽、銨和有機氮，并將他們轉移到植物體內供植物吸收利用[19]。除了叢枝菌根真菌，外生菌根真菌、固氮細菌等也是常見共生微生物。細菌為主的微生物群落傾向于與生長快、凋落物質量高的植物建立共生關系，因為植物凋落物中的無機氮含量高，有利于細菌進行礦化作用，不過這樣也容易通過反硝化和淋溶提高生態系統的氮損失量[20]。

在養分強烈受限的生態系統中，活根釋放的根際分泌物為礦化微生物提供碳源，使得微生物群落擴張，需氮量上升，進而與植物在土壤中爭奪養分，影響草地生態系統氮循環。此外，植物還進化出了直接干擾機制即通過釋放次生代謝產物直接保護氮素，次生代謝產物不利于導致土壤氮素流失的微生物的生長[19]。這種抑制現象最先由Lata 等[21]在熱帶草原的研究證實，研究指出植物可以通過抑制因子來干擾硝化細菌的硝化能力以吸收更多的無機氮。Zhao等[22]在苜蓿(Medicago sativa)與鴨茅(Dactylis glomerata)間作的研究中也發現了類似現象，間作顯著降低了植物根部氨氧化菌的豐度。目前，已有結果證實這些抑制因子的存在，植物根部通過分泌次級代謝產物，比如環二萜、3-(4-羥基苯基)丙酸等來阻斷硝化作用，這種現象被稱為生物硝化抑制[23-24]。植物與微生物間的負反饋調節機制的機理很多，但仍需要進一步研究以確定植物與微生物之間的競爭干擾策略，從而更深入地理解植物–微生物在土壤氮循環中的相互作用。

2.4.2 人類活動

放牧是對草地最直接的利用方式，放牧的強度、時間、制度以及動物的采食行為均會影響草地土壤氮循環，其中放牧強度是最重要的影響因子。研究表明，放牧加速草地養分循環，動物的踩踏增強土壤的緊實度，且隨著放牧強度的增加，土壤中的總氮含量下降[25]。但并非強度越大，土壤中的氮儲量就越低。Li等[26]研究發現，較高放牧強度反而提高高寒草甸生態系統氮儲量，這可能因為高強度放牧改變了草地的物種組成和生物量分配格局。放牧強度越大，氮的礦化速率越高。放牧時，動物的排泄物經表層土壤中的微生物分解、動物踩踏凋落物混入土壤有機質中，提高了凋落物的分解速率和土壤微生物生物量，礦化作用得以增強[27]；過度放牧導致草地的植被發生變化時，礦化作用受阻，可能是由于土壤孔隙度下降、通氣透水不良、微生物活性受影響、土壤養分改變，氮損失超過了輸入量[28]。近些年草地退化嚴重，有學者分別研究了利用強度對羊草(Aneurotepidimu chinense)草原和荒漠草原土壤氮循環的影響，得出一致結論：4種氮素轉化細菌(自生固氮菌、氨化細菌、硝化細菌和反硝化細菌)的數量隨放牧強度呈現倒“V”曲線.輕度放牧時，氮素轉化細菌數量顯著增加，有助于增強硝化作用、氨化作用，促進氮素循環；隨著放牧強度提高，氮素轉化細菌數量下降，抑制了土壤中的氮素循環過程[29-30]。放牧制度也時刻影響草地氮循環，例如輪牧，輪牧是指草場按照需要定期或間歇地放牧和休息[31]。研究表明，與連續放牧相比，輪牧下的植物均勻度和豐富度、土壤含水量、全氮以及全磷含量均有所增加[32]。放牧對草地土壤氮循環的影響因草地的類型以及放牧強度不同而有所差異，但眾多研究表明放牧強度要在一個合理的范圍，以保證草地的最大生產力和可持續發展[33-34]。

開墾是影響草地土壤氮循環的另一個重要人為因素。開墾改變了草地現有的土層結構、理化性質以及微生物構成。開墾破壞了草地的表層土壤，儲存在表層土壤中的有機質大量分解、釋放，土壤有機質含量下降，造成表層土壤的氮損失、水土流失。開墾后有機碳和全氮含量均存在下降的趨勢，主要是因為土壤通氣透水性得以改善，硝化作用增強，增加了草地中N2O、NO的排放量，并導致了硝態氮的流失[35]。開墾造成的土壤氮損失、水土流失以及全氮含量的下降，導致微生物可利用的碳、氮減少，微生物的生物量和活性下降，從而影響土壤中氮的礦化和固定。Roth 等[36]在德國Kleve 研究站采用機械翻耕、化學除草劑殺滅兩種方法對比開墾方式對草地的影響，結果顯示：兩種方式都增大了N2O的排放通量，且機械翻耕法的排放量大于化學除草劑殺滅的排放量，排放量分別為未開墾草地的2.5、2 倍。開墾促使大量N2O排放和硝態氮的流失，加劇溫室效應、地下水污染以及草原退化。修復退化草地往往需要耗費許多時間和勞力，應該根據草地類型、當地水熱環境條件等因素，選擇適宜的開墾方式，制定合理的草地管理制度，提高草地的蓄水保肥能力，促進草地生態系統的穩定發展。

火燒是一項比較古老的草地改良措施，能夠清除地上植被，增加土壤的灰分含量，燒死危害草地的昆蟲并刺激部分生物體再生，從而促使草地植被的更新。火燒主要通過改變土壤養分狀況以及土壤溫度來直接或間接地影響草地土壤氮循環[37]。研究表明，火燒顯著提高半干旱草地土壤有機碳、全氮以及銨態氮含量，這可能是因為火燒通過清除地面作物和凋落物增加了土壤表層養分，進而影響草地生態系統的碳、氮循環過程[38]。草地火燒的效果因草地植被類型不同而產生差異。矮草草原、荒漠等植被稀疏、氣候干旱且有機氮含量較低，不適宜火燒；高草草原植被覆蓋度高，適宜的火燒頻次、強度以及時間利于該草原的牧草生長和土壤微生物活動[39]。火燒后的高草草原地表溫度升高，固定在凋落物和植株中的養分以無機態補充到土壤中，氮轉化細菌的活動逐漸頻繁，促進了硝化、礦化等過程，草地地上植物群落組成也因此改變[40-41]。火作為影響草原生態健康、穩定的因子，其造成的后果持續時間比較長。相關研究發現15年的火災顯著抑制了落葉松(Larix gmelinii)凋落物的后期分解，且固定化過程遠超過釋放，土壤pH 持續增長，抑制微生物的活動和相關酶的產生，從而阻礙氮循環過程[42-43]。有研究證實，火能夠改變草原土壤理化性質以及養分循環的過程，調控草原生態系統的結構和功能，但是火災的長期影響仍不是很清楚。在進行日常草原管理時，可以選擇在降水充沛時節進行適宜強度的火燒，以促進草地植被更新和提高營養物含量，保證草地的可持續發展。

施肥和灌溉是改良草地土壤的重要措施，水和肥的吸收具有相關性，二者相互結合，保證草地生產力。施肥、灌溉主要通過土壤性狀、微生物的改變來間接影響氮循環。魏金明等[44]研究了水分、氮肥和磷肥添加對內蒙古典型草原土壤碳、氮、磷含量及 pH 的影響，結果表明，水肥處理對土壤全氮含量并無顯著影響，但卻顯著增加了硝態氮和銨態氮含量。這可能是氮肥的施用刺激了土壤中微生物活性，加速了土壤有機氮的分解；另外，施肥后土壤中的無機氮優先供給地上植物的生長發育用以增加地上生物量，從而導致全氮含量無顯著變化。

施肥和灌溉不僅直接影響土壤肥力和植被生長，還會造成氮循環相關微生物群落結構的改變。徐鵬霞[45]研究表明，長期施肥能夠促進氨氧化細菌的生長，氨氧化細菌amoA基因的豐度與硝態氮顯著正相關，這與農田施氮肥提高氮循環相關基因豐度的結果相符合[46]。土壤水分狀況也會對硝化、反硝化作用產生一定影響。楊亞東等[47]在探討灌溉頻次對硝化作用的影響時發現，灌溉顯著提高了土壤的硝化活性和氨氧化古菌amoA基因的豐度，降低了氨氧化細菌amoA基因的豐度；改變了氨氧化細菌和氨氧化古菌的群落結構，且土壤的硝化潛力與氨氧化古菌amoA基因的豐度正相關。但也有研究表明，硝化速率隨水分增加呈下降趨勢，并非灌溉的水量越多，硝化作用就越強；當土壤含水量為20%左右時，硝化作用較強[48]。

施肥方式對反硝化細菌群落調節作用的影響也存在很大差異。多數研究表明，有機肥比傳統肥料更有助于提高微生物活性及生物量。相關學者評估有機、綜合和傳統肥料處理的蘋果(Malusdomestica)園中的反硝化潛力以及其他土壤生物、化學特性時發現，施用有機肥減少了土壤硝態氮的淋溶量，提高了反硝化活性和效率[49]。反硝化作用的加強得益于有機肥對反硝化微生物的刺激作用，反硝化群落擴張、反硝化菌的比例提高。由于反硝化作用的增強，氮素多以氣態的形式損失，這是土壤硝態氮淋溶量較低的一個重要原因；此外，有機肥的施用提高了地上植被覆蓋度，增加了硝態氮截留量。其他研究也得出類似結論，作物收獲后土壤剖面以及土壤溶液中的硝態氮濃度隨施氮量的增加而顯著提高，隨灌溉量的增大而下降；持續性降水是硝酸鹽淋溶的主要原因[50]。雖然反硝化作用能夠有效降低硝態氮的淋溶量，但此過程釋放的N2O是主要的溫室氣體，施用有機肥顯著增加土壤N2O的排放量且pH 是控制其排放的主要變量[51-52]。因此，考慮到全球氣候變化和硝酸鹽污染，對水、肥進行科學管理可以降低環境污染，促進草地土壤氮素良性循環。

刈割作為草地利用和管理的主要方式，對草地生態系統起至關重要的調控作用，包括碳氮含量、養分循環過程等變化。刈割主要從頻次方面對土壤氮循環產生影響。Li等[53]對半干旱草地進行不同頻次的刈割(2年1次、3年2次、1年1次和1年2 次)，研究發現中頻刈割(2年1次、3年2次和1 年1次)下土壤碳氮儲量顯著上升，且凈氮礦化速率提高；而高頻次的刈割(1年2次)顯著降低土壤碳氮儲量。這與研究刈割頻次對呼倫貝爾草原碳氮影響的[54]結果較為一致，造成這一現象的原因是適宜頻次的刈割通過提高草地植物物種多樣性提高了總氮含量；而高頻次刈割通過清除地上生物量，減少了凋落物的沉積和光合碳向根系的轉移，導致草地生態系統養分的輸出大于輸入、凈氮礦化速率降低[55-56]。刈割通常與施肥管理相配合，施肥通過改善土壤性質以加速養分循環，進而提高草地生產力，但在一定程度上降低了植物多樣性；而刈割是維持草地植物多樣性的有效手段[57]。因此，在生產實踐中，要綜合考慮草地生產性能和生態功能，選擇適宜的刈割頻次，同時配合適當的施肥管理，使草地在刈割狀態下也能保持養分平衡，從而實現草地生態系統的可持續利用。

隨著放牧和人為擾動的加劇，草地退化日益嚴重，為了防止草地的持續退化，必須采取相應措施以維持草地生態系統的穩定。圍封被認為是恢復退化草地和防止草地退化的一項簡單、經濟有效的重要措施[58]。相較于放牧草地，圍封10多年的草地植被高度和蓋度均有所增加，有效降低了風蝕和水蝕的程度，進而減少氮素流失，顯著增加了土壤中的全氮濃度[58-59]。草地圍封后免受動物踐踏，土壤理化性質得以改善且凋落物的積累增多，有利于土壤有機質的分解和養分循環。已有研究表明，一方面，圍封使得以枯落物和根系分泌物的形式輸入土壤的有機質增加，土壤全氮含量得以提高；另一方面還可以提高土壤微生物的活性，增強土壤氮素的固定和轉化，進而提高氮素有效性[60-61]。然而，草地土壤氮循環對圍封的響應因圍封時間長短而異。Hu 等[62]研究發現，長期圍封(38年)使內蒙古半干旱草地土壤剖面中的總氮、銨態氮和總磷含量下降，尤其降低了表層土壤養分的礦化程度。此外，長期禁牧圍封會導致嚴重的土壤酸化，土壤酸化是指土壤吸附性復合體接受了一定數量的氫離子或鋁離子，使土壤中堿性離子淋失、pH 降低形成酸性土的過程[63]。因此，草地圍封時間不宜過長，否則不但不利于草地植被的正常發育反而阻礙植被更新再生，影響草地的養分循環；實際工作中應根據草地退化程度確定合理的圍封年限，恢復草地的同時維持草地較高生產力。

2.4.3 非生物因子

氮沉降是生物地球化學循環中的一個重要環節，顯著影響草地土壤的碳氮循環。化石燃料的燃燒、化肥的使用以及其他人為活動，使20世紀內大氣氮沉降量迅速增加。我國作為農業大國，農業集約化日益加強，氮沉降速率迅速增長，從20世紀80年代的13.2 kg·hm?2增加到21世紀初的21.1kg·hm?2[64]。氮沉降主要通過影響土壤氮的有效性、土壤性質、微生物以及凋落物的分解來影響氮轉化過程。作為氮輸入的重要來源，氮沉降直接影響草地氮儲量和有效氮含量。在貝加爾針茅草原模擬氮沉降時發現，氮沉降顯著增加了土壤中總氮含量，有效氮、NO3?-N含量均有所提高[65]。這一結果與在青藏高原高寒草地得出的研究結論一致[66]。但在亞高山草原的氮沉降模擬試驗卻表明氮添加對草地土壤總氮含量無影響，這可能與草地的氮限制以及土壤微生物與植物對資源的競爭有關[67]。在氮富集引起的土壤酸化背景下，微生物組成改變、呼吸作用減弱，減少了對凋落物的分解量，導致有機層碳含量增多，打破了植物源碳對微生物的控制，削弱了氮循環過程中植物、微生物的相互作用[68]。但是，對高寒草原、溫帶草原進行長期施氮處理結果發現，高寒草原的石灰性土壤具有強酸緩沖能力，因此總氮含量的上升、氮素有效性的提高刺激了微生物生長，加強了礦化作用和硝化作用；而溫帶草原的中性土壤對pH較為敏感，細菌、真菌的豐度下降，導致草原土壤的自養硝化速率和氮固定速率顯著下降[69]。

草地生態系統存在地上和地下兩個營養庫，凋落物是連接兩個營養庫的重要紐帶。氮沉降引起氮有效性、土壤pH 改變，導致凋落物質量、微生物的群落組成以及酶活性發生變化，進一步影響凋落物的分解。目前，國內外研究者對氮沉降背景下草地凋落物分解的關注度較高，但結論存在不一致性。在半干旱草原模擬氮沉降結果表明，隨著氮添加速率增加，凋落物的分解速率持續加快。凋落物分解速率加快主要有兩大原因，一是氮沉降驅動土壤pH 下降；二是C/N的下降促使真菌與細菌比值顯著增高，從而促進凋落物的分解[70]。而Freedman 等[71]的研究卻指出，氮沉降顯著增加土壤中碳儲存量，凋落物的分解代謝并不受氮沉降的影響，這可能與分解凋落物的腐生細菌、腐生真菌的代謝潛力以及酶活性等有關系。氮沉降對凋落物分解的影響因草地類型、環境條件、氮添加水平而異，具體的影響機制還需進一步研究。

氮沉降增加了草地土壤的總氮含量，但硝化作用、反硝化作用的增強，加劇了土壤N2O氣體的排放。研究表明，內蒙古溫帶草原的N2O排放與模擬氮沉降水平呈線性關系，特別是高水平時顯著增加了N2O 的排放量，這主要歸結于溫帶草原良好的水熱條件對硝化、反硝化的促進作用[72]。然而，很多研究指出，氮沉降后N2O量的變化取決于輸入的氮的形態。許可等[73]通過不同形態氮添加的處理發現，氮添加能顯著增加N2O排放量，且混合態氮處理組的排放量高于銨態氮處理組和硝態氮處理組。這表明不同形態的氮處理對N2O排放的影響取決于N2O是主要來源于硝化途徑還是反硝化途徑[72]。除此之外，人為活性氮的釋放引起的氮沉降緩解了草地土壤氮限制，提高了氮的礦化–固定化周轉速率，使更多還原態氮被硝化成氧化態氮，而氧化態氮易通過淋溶和反硝化作用流失，這也是氮沉降后氮素損失的一個重要原因[69]。今后應關注不同氮輸入量及氮輸入類型在不同草地類型、不同土壤性質下的潛在機制的對比研究，以便更準確地獲得氮沉降對草地生態系統的不良影響，制定合理措施以維持草地生態系統的穩定。

近幾十年來，工業化的迅速發展導致全球碳排放量增加、全球平均溫度升高，這勢必會對土壤氮素轉化產生直接或間接影響，CO2濃度升高以及其帶來的氣候變暖問題對氮循環的影響已經成為全球的研究熱點[74]。相關研究[75]表明，大氣CO2濃度升高促進了植物的光合作用和生長速率，使地上與地下的碳分配發生改變，從而影響生態系統的養分循環。其中，升高的CO2會影響土壤氮循環過程，調節植物氮的有效性，氮有效性的增加可以促進植物對氮的吸收，從而提高草地生態系統的凈初級生產力[76]。例如，Luo等[77]的研究指出，升高的CO2會增加土壤中碳的輸入，碳通過菌根侵染或細根量的變化來增加微生物對氮的需求，造成微生物與植物對土壤有效氮的競爭，改變了氮的供給機制，導致生態系統中的漸進氮限制現象。CO2濃度升高還會顯著促進N2O的排放。Liu 等[75]的研究中發現，隨著CO2濃度上升，草地N2O的釋放量增加4.6%。CO2濃度升高可能通過兩種方式來改變土壤中N2O的排放。首先，CO2富集促進植物的生長發育，生物量(凋落物、根際分泌物等)增加，進而提高基質碳的有效性，為硝化、反硝化提供更多能量。其次，CO2濃度升高，土壤含水量上升、呼吸作用增強，營造了厭氧環境，更有利于反硝化的進行。隨著大氣CO2濃度不斷上升，生態系統的碳輸入越來越多，如果碳固定沒有隨之增加，那草原可以通過N2O排放的正反饋轉化為溫室氣體源。然而，Kettunen等[78]卻得出相反結論，通過兩個水平的CO2和氮肥處理，對一個混合林進行N2O值測定，結果表明，除非處于有利的反硝化條件，即高地下水位，否則增加大氣CO2供應可減少礦質土壤中N2O的排放。CO2對N2O排放的影響因試驗環境、生態系統類型、管理實踐等的不同而產生差異，反硝化是產生N2O的主要途徑，如果只是測定CO2濃度升高情況下的N2O的通量則會低估反硝化過程中的氮素損失。

大氣CO2濃度以及溫度升高還會促進植物的生長發育，通過光合產物以及根際分泌物的變化對土壤環境產生直接或間接影響，從而間接地影響氮循環微生物的生物化學活性。研究表明，CO2濃度升高抑制了稻田土壤中反硝化菌活性，主要是因為開放式大氣CO2濃度升高促進了植物生長及土壤其他微生物活性，使反硝化微生物在資源競爭方面處于劣勢，導致反硝化速率下降；但這種抑制作用在施入氮肥后得到一定的緩解[79]。然而，CO2濃度升高，不穩定碳通過根系進入土壤，增加根系生物量的同時為土壤微生物提供更多的能量，進而顯著提高了反硝化速率和N2O釋放量[75]。氣候變暖使土壤溫度升高，刺激土壤微生物活性，進而促進有機質的降解、提高礦化速率[80-81]。同時，CO2濃度升高和氣候變暖在一定程度上改變了土壤氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)豐度和反硝化細菌多樣性，反硝化細菌群落卻沒有因此產生明顯差異[82]。但是，在青藏高寒草甸進行模擬增溫試驗時發現，單獨增溫并不會對土壤礦質氮庫、植物氮吸收、AOA 和氨氧化細菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)豐度產生顯著影響[83]。因此，大氣CO2濃度上升及氣候變暖對氮循環相關微生物的間接影響至今還沒有統一的結論，這種結論間的較大差異可能與植物類型、CO2濃度、土壤的理化性質等有關。

隨著氣候變暖，全球降水格局發生變化。草地土壤氮循環與降水關系密切，Yang 等[84]在中國松嫩草甸草原研究半干旱草地對干旱的響應機制時發現，夏季干旱主要通過非生物因子的變化(土壤水分、總氮含量的下降)來改變氮有效性，而冬季干旱通過生物因子(植物和微生物生物量的降低)的變化影響氮有效性。一般來說，降水提高了土壤濕度，可以刺激土壤氮素轉化過程，氮吸收、礦化和硝化作用隨降水量的增加而增強，但降水會導致無機氮淋失，使無機氮含量下降；相反，降水量下降致使土壤濕度降低，抑制土壤微生物活性，降低氮礦化速率，土壤無機氮含量上升[85-86]。Wang 等[87]模擬降水對碳氮循環的調節作用發現，土壤水分通過影響土壤微生物的休眠與否對碳氮循環產生強有力控制，土壤干燥時，微生物活動受抑制，降低異氧呼吸和氮礦化。但也有相關研究指出，礦化在降水梯度上沒有顯著變化，可能是研究所設置的各處理間土壤微生物的變化差異較小[88]；也有可能是因為土壤微生物對干旱土壤具有一定抵抗能力[89]。此外，降水還會影響草地土壤中溫室氣體的排放，研究表明，降水量增加的同時也增加了N2O和CH4的排放通量，這是因為草地的植物群落組成在降水條件下發生變化[90]。基于目前全球降水格局的變化，研究降水變化對草地土壤氮循環的影響，對在全球變化下科學管理草地生態系統的養分循環、維持生態系統的健康與穩定至關重要。

3 總結與展望

氮是限制草地生命力的主要元素之一，草地土壤作為生物地球化學循環的核心循環，影響調控著全球糧食供給的安全性、草地土壤的退化與修復、水土資源的保持與保護、全球氣候變化等，進而影響人類社會的可持續發展。梳理和總結草地土壤氮循環的影響因子，可為科學揭示氮循環過程和影響機制、最終調節氮轉化過程進而提高土壤氮素有效性且降低其造成的負面生態環境影響奠定基礎。

基于上述對草地土壤氮循環研究現狀的分析，提出如下建議：1)利用同位素示蹤與標靶基因相結合的方法完善基于土壤基質的氮保留與損失機制以及微生物驅動機制，有助于研究全球變化背景下生態系統的調控和適應策略。2)運用化學計量學、生物計量學、生態計量學的基本原理和方法，結合同位素標記和分子生物學技術，對氮循環過程中氮的長期分配進行量化分析以完善氮循環模型，將實證研究、概念分析、模型開發三者綜合以彌補目前草地土壤氮循環方面的關鍵知識空白。3)草地土壤氮循環過程以及其影響因素具有復雜性，目前的研究多局限于某一因素或某一環節，未來需要理清多個全球氣候變化因子耦合對氮循環過程的影響，形成系統的研究網絡體系以便更好地預測氮循環過程。4)基于野外長期模擬試驗，利用穩定同位素示蹤等技術，系統研究水、碳、氮耦合對草地氮循環過程中功能微生物的種群結構適應性機制和種群演替規律，揭示在全球變化格局下微生物功能多樣性對元素循環的響應，建立植物–土壤–微生物耦合的調控途徑與機制。