全球氮添加實驗設計方法現狀的定量分析

姜良超, 寧秋實, 汪金松, 王晶苑, 張金鑫, 田大栓,6*

(1.中國科學院地理科學與資源研究所生態網絡觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101; 2.中國科學院植物研究所植被與環境變化國家重點實驗室, 北京 100093; 3.中國科學院大學, 北京 100049; 4.中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085; 5.中國林業科學研究院生態保護與修復研究所, 北京 100091; 6.中國科學院大學資源與環境學院, 北京 100049)

工業革命前，大氣中氮素常通過豆科固氮植物、非共生固氮微生物和閃電活化形式被固定到土壤。隨著工業革命后大量工業活動化石燃料燃燒和農業生產肥料使用，全球氮沉降量迅速增加。1960年的大氣氮沉降僅約為31.6 Tg·a-1，至2005年全球大氣氮沉降量已增加到187 Tg·a-1[1-2]。氮沉降在一定程度上緩解了陸地生態系統的氮限制[3]。如氮沉降在一定范圍內促進植物葉片碳交換[4]。同時，氮沉降增加了全球生態系統生產力和土壤碳庫[5-6]，進而促進了碳固定并減緩溫室效應[2,7]。但是，高氮沉降的氮素持續在陸地生態系統中累積，一方面會導致生態系統氮飽和[8-9]，引發土壤酸化等負面效應[10]；另一方面可能加劇生態系統磷限制[11-12]。氮富集引發的直接和間接效應已經嚴重威脅著陸地生態系統結構和功能[6,13-15]。

氮沉降對陸地生態系統有著顯著影響，過去幾十年期間全球進行了數百個氮素添加控制實驗，內容主要集中在氮沉降對生態系統碳氮循環過程的影響，包含對土壤碳庫、土壤碳交換、微生物碳積累等碳循環影響；土壤氨化、硝化、土壤固氮等氮循環過程[6,16-17]。然而，對于單點上的模擬控制實驗研究有其局限性，由于其處于單個生態系統的特殊性，無法將所得到的實驗結果和規律上推到區域或全球尺度[16,18]。因此，近年來越來越多的整合分析研究(Meta-analysis)集成搜集和分析全球分散的氮添加控制實驗，用來揭示全球尺度上生態系統對氮添加的響應普遍機理[15,19-20]。但是，由于不同氮添加實驗之間設計和方法的差異(如氮添加量、氮素肥料類型以及布置實驗年限等)給不同實驗結果之間的比較和大尺度整合分析帶來很大的不確定性[21-22]。因此，搜集全球氮添加控制實驗并對其實驗設計方法的現狀進行定量分析可以為我們未來的氮添加控制實驗設計提供科學依據和方法借鑒。

1 全球氮添加控制實驗數據庫建設

基于Web of Science、谷歌學術(scholar.google.com)和中國知網網站，搜索1900至2020年期間發表關于研究氮添加與生態系統碳氮循環各個過程之間關系的文獻。英文檢索關鍵詞包括：nitrogen addition/nitrogen deposition/nitrogen enrichment/nitrogen fertilization；carbon cycle/carbon process/carbon pool/carbon flux/ecosystem carbon；nitrogen cycle/nitrogen process/nitrogen pool/nitrogen flux/ecosystem nitroen。中文檢索關鍵詞包括氮沉降/氮添加/氮富集/施氮；碳循環/碳過程/碳庫/碳通量/土壤碳；氮循環/氮過程/氮庫/氮通量/土壤氮。基于上述關鍵詞，最初檢索到1 590篇相關文獻。基于以下標準，對上述文獻進一步篩選，篩選標準如下：1)只包括陸地生態系統中的野外控制實驗；2)對照和處理的實驗條件相同，如氣候、土壤等；3)碳氮循環過程相關指標明確地報道了均值和樣本量；4)控制實驗方法描述清楚，如氮添加量、肥料類型、每年添加頻次、實驗時間等；5)實驗區域的背景環境描述明確，如生態系統類型和氣候條件等。最終，經過以上標準篩選得到283篇文獻，包括全球302個氮添加控制實驗(圖1)，建成數據庫包括32個碳氮循環過程相關指標(表1)。其他基本信息包括文章作者、經緯度、氣候條件(降雨和溫度)、生態系統類型、實驗方法(氮添加量、實驗時間、肥料類型等)。生態系統類型主要包括農田、森林、草原、苔原、濕地和荒漠等。年均降雨量范圍是120～5 578 mm，年均溫度范圍是-10.8℃～28.3℃。

圖1 陸地生態系統氮添加控制實驗的全球分布

表1 全球氮添加控制實驗測定的碳氮循環過程相關指標

2 全球氮添加實驗設計方法的現狀分析和思考

2.1 不同生態系統中氮添加實驗數量分布

不同生態系統之間的本底氮和氮需求有很大的差別，使得氮沉降對生態系統碳氮循環過程的影響存在差異[23]。整體來看，全球92%的氮添加實驗分布在森林、草原和農田，而其他生態系統(如苔原、濕地、荒漠)進行的實驗相對較少，僅占8%(圖2)。有全球整合分析發現，苔原、濕地和荒漠生態系統受到氮限制的程度類似于森林、草原和農田[3]，而我們若缺乏對這些生態系統對氮富集響應機理的理解，將會影響到評估陸地生態系統對全球氮沉降的響應格局。從年均溫來看，83.3%的氮添加實驗分布在溫度較高的區域(如大于5℃)，而在低溫生態系統，特別是年均溫小于0℃的區域氮添加實驗還很少，僅占3.5%(圖2)。前人研究普遍認為低溫生態系統更容易受到氮限制[24]，因為低溫環境不利于氮循環過程，如氮礦化等[25-26]。從降水分布來看，全球氮添加實驗中有90.8%的實驗集中在降水量較低和中等區域(小于1500 mm)，而降水量大于1 500 mm區域的氮添加實驗僅占9.2%(圖2)。雖然降水量大有利于氮礦化進而可以緩解土壤氮限制[17,27]，但是持續累積的氮沉降可能會導致該區域生態系統的氮飽和并加劇土壤磷限制[9,11]，進而引發土壤酸化產生負面影響[10]。因此，未來加強對苔原、濕地、荒漠、低溫和高降水區域生態系統的氮添加實驗研究有助于我們全面理解全球氮沉降對陸地生態系統的直接和間接影響機理。另外一個突出的問題是，目前荒漠面積大約占到陸地面積的25%，而分布于荒漠的氮添加實驗只占到1.7%，因此在做全球整合分析時，荒漠實驗數量的權重遠小于其實際面積貢獻的權重，這樣就會導致氮沉降總體效應的計算偏差[28]。因此，不同生態系統類型以及氣候區域氮添加實驗的均衡分布將有利于上推到全球尺度的整合分析。

圖2 不同生態系統和環境中氮添加實驗的數量分布

2.2 不同氮添加量的實驗數量分布

全球氮沉降的區域氮沉降量分布不均，各個生態系統的氮沉降速率也存在高氮沉降區和低氮沉降區的區域差異。全球2000—2010年期間大部分區域氮沉降量小于2 g·m-2·a-1[29]。在中國南方的高氮沉降區域，氮沉降量基本小于3 g·m-2·a-1[30]。內蒙古草原生態系統的一項氮添加實驗發現，植物多樣性對氮添加量的響應閾值低于1.75 g·m-2·a-1[13]。相關整合分析研究也表明，全球陸地生態系統凈初級生產力的氮飽和閾值介于5～6 g·m-2·a-1[9]，當氮添加量大于5 g·m-2·a-1時，土壤開始發生顯著酸化[10]，影響土壤微生物多樣性和群落結構[31-32]。氮沉降量的高低也對生態系統碳氮過程造成不同影響，比如高氮(10 g·m-2·a-1)和低氮添加量(2 g·m-2·a-1)在北方森林對其土壤呼吸組分的影響相反[33]。低氮添加量促進植物根系和微生物呼吸，而高氮添加量顯著降低微生物呼吸。上述研究共同表明生態系統對高氮添加的響應不同于低氮添加情況，甚至可能截然相反。但目前全球僅有4.4%的實驗氮添加量小于2 g·m-2·a-1，大部分范圍集中在5～20 g·m-2·a-1(圖3)，說明目前實驗的氮添加量遠高于自然生態系統中真實的氮沉降量，當前全球氮添加控制實驗缺乏對低劑量氮添加的關注，不能真實反映自然氮沉降對生態系統功能的影響。

圖3 不同氮添加量對應的實驗數量分布

2.3 不同氮素肥料類型的實驗數量分布

圖4 不同肥料類型對應的實驗數量分布

2.4 不同氮添加頻次的實驗數量分布

大氣氮沉降包括干沉降和濕沉降，自然情況下氮沉降是高頻且少量的輸入到生態系統中，并且氮沉降的頻次存在區域和季節性差異[39-40]。目前氮添加實驗大多數僅模擬植物生長季期間的氮添加或在每年生長季初期(5月)進行單次氮添加，其結果不能反映真實的氮沉降頻率和季節性[41]。內蒙古草原的一項野外氮添加控制實驗開展了不同氮添加頻次的野外原位實驗內容，考慮了氮添加量和添加頻次這2個因素，發現低頻次氮添加(每年2次)比高頻次添加(每年12次)對植物多樣性丟失的影響更大[42]。并且，低頻次氮添加小區的新增物種數目也比高頻次添加小區要少[43]。這些研究結果表明傳統的低頻次氮添加實驗高估了氮富集對多樣性喪失的影響。但目前全球實驗的氮添加頻次普遍比較低，79.7%的實驗低于每年3次氮添加，僅有1.4%的實驗超過每年6次氮添加(圖5)。由于目前考慮氮添加頻次的控制實驗還非常少，因此氮添加頻次對生態系統各個功能的影響還是個未知數。

圖5 不同氮添加頻次對應的實驗數量分布

2.5 不同氮添加實驗持續時間的實驗數量分布

自然界氮沉降是一個連續長期的過程。隨著氮富集時間的延長，生態系統可能存在以下機理過程導致其對長期和短期氮添加響應不同。1)植物群落組成發生變化引發的光限制，使得氮添加對內蒙古草原生態系統凈碳交換的正效應隨著時間的延長而消失[44]；2)長期的氮富集使得植物群落由地下資源競爭轉向地上光競爭，導致內蒙古草原植物多樣性對低氮添加(1.75 g·m-2·a-1)很敏感(降低16%)[45]；3)長期氮添加導致的土壤酸化和陽離子流失，抑制了氮添加對北方森林樹木生長的正效應[46]；4)當氮添加超過5年以上，造成全球土壤酸化進而增加Mn2+和Al3+含量[10]，可能會對植物和微生物產生抑制和毒害作用[15,47-48]。但統計表明，全球氮添加實驗的持續時間大部分小于5年，大于20年以上實驗還比較少，僅占13.6%(圖6)，因此，有必要實施長期氮添加實驗來探討其長期過程對生態系統影響的相對貢獻或探索其他新的作用機理。

圖6 不同實驗持續時間對應的實驗數量分布

2.6 不同氮添加水平數目的實驗數量分布

自然氮沉降在生態系統中是一個持續積累的過程，可能會引發生態系統的非線性響應[8,49-51]。如最近的全球整合分析表明，陸地生態系統N2O排放與氮添加量存在指數函數關系，而非IPCC假設的線性關系[52]。內蒙古草原的一項6個氮添加水平實驗發現，生態系統碳交換和水分利用效率對氮富集表現出非線性響應[49]，并且發現該生態系統植物多樣性對長期氮添加的響應閾值和飽和閾值分別為0.85和17.5 g·m-2·a-1[45]。相關氮循環綜述文章也提出，生物固氮、氮礦化、植物氮吸收和氮損失對土壤有效氮存在著非線性響應，定量化各個氮循環過程非線性響應之間的平衡點對解決當前全球復雜的環境問題具有重要的意義[8]。但是，我們的結果表明，全球84.9%的實驗中氮添加水平數目集中在1或2個氮水平，4個及以上氮添加水平的實驗僅占5.1%(圖7)。基于當前全球氮添加實驗較少梯度數目的現狀，迫切需要設計和實施多梯度氮添加實驗來揭示生態系統的非線性響應以及關鍵拐點，為模型準確評估氮沉降效應提供科學依據。

圖7 不同實驗的氮添加水平數目對應的實驗數量分布

3 未來氮添加實驗設計和方法的建議

基于全球302個氮添加控制實驗，通過分析不同實驗設計方法所對應的實驗數量分布，我們定量分析了目前氮添加實驗設計方法的現狀，并結合前人研究進行討論和思考，我們系統梳理了目前氮添加實驗方法可能存在的問題，并針對這些問題具體提出如下建議。

1)不同陸地生態系統由于本底氮和自然氮沉降的差異，對未來氮沉降的響應以及生態系統氮需求存在差異。我們的統計結果發現全球氮添加控制實驗中僅有8%的實驗分布于苔原、濕地和荒漠，而對于低溫或干旱等導致的氮限制強烈的地區，可能對氮沉降更加敏感。因此，為了更好地評估陸地生態系統對全球氮沉降的響應格局，未來需要增強對苔原、濕地、荒漠以及低溫和高降水區域生態系統的氮添加實驗研究，全面理解生態系統對氮沉降的直接和間接響應機理；并增強不同生態系統類型及區域的氮添加野外控制實驗，更加精確歸納全球尺度氮沉降總體效應。

2)大部分研究表明，低氮有利于緩解生態系統氮限制，促進生態系統碳氮循環[8]。由于全球各生態系統對于高氮添加和低氮添加的響應差異[33]，例如高氮對土壤酸化、植物多樣性以及磷限制等的負面效應[10]，加之我們的統計結果顯示全球僅有4.4%的實驗氮添加量小于2 g·m-2·a-1。當前全球各地生態系統中的氮添加控制實驗的氮添加量遠高于自然生態系統中真實的氮沉降量，實驗大都缺乏對低氮劑量(2 g·m-2·a-1)的關注，今后的氮添加實驗應更多關注設置低量(2 g·m-2·a-1)氮添加，才能夠真實模擬自然氮沉降對生態系統的影響。

4)自然氮沉降大多以高頻次且少量的方式輸入到陸地生態系統中，同時各個生態系統因氣候氣溫等自然差異，造成了全球各生態系統的氮需求差異[1]，但我們的統計結果表明79.7%的實驗低于每年3次氮添加，僅有1.4%的實驗超過每年6次氮添加。大多數氮添加實驗中氮素添加為每年處理1～2次[13]，這種施肥實驗不能準確反映大氣氮沉降對生態系統碳氮過程的影響。在不同氮添加頻次的草地氮添加控制實驗中，物種組成[43]、根系生物量、地上/地下的碳分配，以及BNPP和地下生物量分配在不同氮添加頻次下有顯著差異[55]。為此，應考慮同時設置高頻次(>2次·a-1)和低頻次(≤2次·a-1)氮添加，評估傳統頻次和模擬自然氮沉降頻次的氮添加實驗是否高估或低估氮富集對生態系統的影響。

5)氮沉降是連續長期的過程，生態系統響應氮沉降的機制也不同，短期氮添加下植物群落可能由地下資源競爭限制，長期氮添加后會轉變為地上光競爭[45]。但目前氮添加實驗大多為2～4年，目前超過5年后的氮添加對土壤和地上植被碳氮循環過程的研究還不夠深入[10]，超過20年的實驗僅占13.6%。結合國外長期氮添加實驗經驗，進行國內長期氮添加實驗布置和規劃，實施更多的長期氮添加實驗，才能比較生態系統對長期和短期氮添加響應機理的不同。

6)由于自然氮沉降對生態系統的影響是連續積累的效應，其對生態系統過程中的植物多樣性、氮礦化、植物氮吸收和氮損失等碳氮過程造成非線性影響[8,49-51]。但我們的統計結果表明，84.9%的實驗中氮添加水平數目集中在一或兩個氮添加水平，缺乏多水平氮梯度實驗。而氮添加相應閾值的檢驗至少需要5個水平以上梯度實驗，才能全面檢驗生態系統不同過程的非線性響應以及關鍵性拐點，完善模型評估全球氮沉降效應以及對生態系統造成的影響。