大氣CO2濃度升高對土壤供氮能力的影響研究

李佳燕

呼和浩特市氣象局，內蒙古呼和浩特 010000

目前，已有許多研究探究了大氣CO2濃度升高對土壤供氮能力的影響。但是，目前對于不同生態系統下，大氣CO2濃度升高對土壤供氮能力影響的研究結果仍然存在著較大的不一致性。因此，有必要開展更深入的研究，以揭示大氣CO2濃度升高對土壤供氮能力的影響機制，為制定科學的土壤生態系統管理策略提供理論基礎[1-6]。

1 CO2濃度升高對土壤供氮能力的影響

1.1 CO2濃度升高對植物生長的影響

CO2是大氣中的重要氣體，其濃度隨著人類活動的增加而逐漸升高。由于植物的光合作用需要CO2的參與，因此大氣CO2濃度升高可能對植物的生長產生重要影響。已有研究表明，CO2濃度升高可以促進植物的生長和產量，但是針對不同植物和不同環境條件下，其影響可能存在差異。因此，深入研究CO2濃度升高對植物生長的影響，有助于更好地理解氣候變化對生態系統的影響，并為農業生產提供科學依據。

1.2 CO2濃度升高對土壤微生物群落的影響

土壤微生物是土壤生態系統中不可或缺的組成部分，對土壤養分循環、有機物質分解、植物生長等具有重要作用。CO2濃度升高會對土壤微生物群落的組成和功能產生影響。

一方面，CO2濃度升高會促進植物生長，從而增加根系分泌物和凋落物的輸入，進而改變土壤微生物群落的組成和數量。研究表明，CO2濃度升高會增加土壤細菌和放線菌數量，但會減少真菌數量。這是因為細菌和放線菌能夠利用更多的根系分泌物和凋落物，而真菌對這些物質的利用能力較弱。

另一方面，CO2濃度升高會改變土壤微生物的功能。CO2濃度升高會增加土壤微生物對氮素和磷素的需求量，進而影響土壤中氮素和磷素的循環。CO2濃度升高還會影響土壤微生物對有機物質的分解速率和效率，從而影響土壤有機質的積累和分解速率[7-10]。

1.3 CO2濃度升高對土壤氮素轉化過程的影響

大氣中，CO2濃度的升高不僅會影響植物生長，還可能影響土壤氮素循環過程。氮是植物生長所必需的營養元素之一，而土壤中的氮素循環和轉化是維持土壤肥力的關鍵過程之一。因此，探究CO2濃度升高對土壤氮素轉化過程的影響具有重要的科學意義和實際應用價值。

一方面，CO2濃度升高可能促進土壤有機質的分解，提高氮素礦化速率，從而增加土壤中的無機氮含量。

另一方面，CO2濃度升高可能影響土壤微生物的代謝活動，從而影響硝化和反硝化作用的速率。具體而言，CO2濃度升高可能抑制硝化菌和反硝化菌的代謝活動，減緩硝化和反硝化過程，降低土壤中的硝態氮和亞硝態氮含量。CO2濃度升高還可能影響土壤中的固氮菌的代謝活動，從而影響固氮作用的速率。

2 CO2濃度升高對土壤氮循環的影響

2.1 CO2濃度升高對土壤氮素庫的影響

CO2濃度升高可以促進植物光合作用和生長，增強植物對土壤中氮素的吸收和利用，進而降低土壤中的氮素含量。CO2濃度升高會改變土壤微生物的生態系統和群落結構，尤其是針對一些用氮素作為能源的微生物，其活動可能會受到影響，導致氮素循環過程發生改變。CO2的溶解會形成碳酸，導致土壤pH值下降。土壤酸化可能會抑制一些氮素轉化的過程，如硝化和硝酸還原。CO2濃度升高可能會影響土壤中氮素的吸附和釋放過程，從而影響氮素在土壤中的存儲量和組成[11]。

2.2 CO2濃度升高對土壤氨氧化菌和硝化菌群落結構的影響

隨著人類活動的增加，受森林砍伐等自然因素的影響，大氣中CO2濃度持續升高，對土壤微生物群落的生態系統功能和結構造成了影響。其中，土壤氨氧化菌和硝化菌群落結構的變化，對土壤氮素轉化過程和氮素的有效性產生重要影響。

一方面，CO2濃度升高可能會對土壤氨氧化菌和硝化菌群落的物種組成和數量產生影響。相關研究表明，CO2濃度升高可以導致土壤氨氧化菌的豐度上升，而硝化菌的豐度則有所下降，從而導致硝化作用受到抑制[12]。

另一方面，CO2濃度升高可能會對土壤微生物群落的物種多樣性和功能多樣性產生影響，從而影響氮素轉化過程和土壤氮素庫的變化。CO2濃度升高可能會加速土壤氮素轉化過程和氮素積累。CO2濃度升高還可以加速土壤中的硝化作用，從而增加土壤中的硝酸鹽含量，同時影響土壤氨化作用的速率和土壤中氨基酸的含量。CO2濃度升高還可能改變土壤中微生物的群落結構，從而影響土壤中有機氮和無機氮的相互轉化過程，最終影響土壤氮素庫的大小和氮素的有效性。

2.3 CO2濃度升高對土壤氮素礦化速率的影響

CO2濃度升高會增加植物的光合作用和碳輸入量，促進土壤微生物的生長和活動，從而加快土壤有機質的分解速度。土壤有機質的分解是土壤氮素礦化的關鍵過程之一，因此，CO2濃度升高可以提高土壤氮素礦化速率。

2.1 臨床療效 改良組的總有效率（97.6%）高于傳統組（85.7%），差異有統計學意義（P＜0.05）。見表1。

一方面，CO2濃度升高會導致土壤pH值下降，可能對土壤中氮素礦化的微生物代謝造成負面影響。例如：土壤硝化菌的活動需要一定的酸度，而CO2濃度升高可能會降低土壤pH值，抑制硝化菌的活動[13]。

另一方面，CO2濃度升高會提高土壤微生物代謝的速率，提高土壤氮素礦化速率。CO2濃度升高可能會導致土壤中某些微生物群落數量的增加，如厭氧氨氧化菌，從而促進氮素的礦化。CO2濃度升高會影響土壤微生物群落的組成和代謝，從而影響土壤氮素轉化和礦化速率，尤其是在氮素供應充足的情況下。但是也有研究發現，CO2濃度升高會抑制土壤氮素礦化速率，尤其是在氮素限制的情況下。不同類型的土壤和不同的植被類型對CO2濃度升高的響應也可能不同。因此，需要進行更深入的研究，了解CO2濃度升高對土壤氮素礦化速率的影響機制，為應對全球氣候變化提供科學依據[14]。

3 影響土壤氮素循環的其他因素

3.1 土壤溫度

除了受CO2濃度的影響，土壤溫度也是影響土壤氮素轉化和微生物群落的重要因素之一。隨著氣候變暖，土壤溫度的升高會對土壤中的微生物群落和氮素轉化過程產生影響。研究表明，高溫會減少土壤中硝化細菌群落數量，增加氨氧化細菌數量。這意味著在高溫條件下，土壤中的氨氧化菌活性會增強，而硝化菌活性則會減弱，從而導致土壤中的氮素在短期內無法完全轉化成硝態氮，從而降低土壤的供氮能力。

高溫還可能導致土壤中微生物群落的種類和數量發生變化。研究表明，高溫條件下，土壤中氮固氮菌、有機質分解菌等微生物的數量會減少，而抗旱菌、耐熱菌等數量則會增加。這可能會影響土壤中的氮循環和植物的營養吸收，從而影響植物的生長和發育。

3.2 土壤濕度

土壤濕度是影響土壤氮素轉化和微生物代謝的重要因素之一。CO2濃度升高會影響土壤濕度的變化，從而影響土壤氮素轉化和微生物群落結構。CO2濃度升高會提高植物的水分利用效率，從而減弱水分的蒸散作用，增加土壤的水分含量[15]。

CO2濃度升高會影響土壤溫度，降低土壤蒸發的速率，進一步增加土壤的水分含量。土壤濕度的增加會促進氮素的礦化和硝化作用。在較高的土壤濕度下，氧氣分子在土壤孔隙中被大量替換為水分子，使得土壤微生物代謝活動受到限制，因此硝化作用速率較低。但是，硝化作用的速率會隨著土壤濕度的升高而增加。

土壤濕度的增加會影響土壤中的微生物群落結構。土壤濕度的升高可以促進一些親水性細菌的生長，從而增強土壤微生物群落的多樣性和穩定性。

3.3 土壤pH值的影響

CO2在水中溶解后形成碳酸，進而與土壤中的堿性離子發生反應，降低土壤pH值。CO2濃度升高可以加快有機質的分解速率，釋放更多的H+離子，從而降低土壤pH值。土壤中的硝化作用會產生H+離子，進而降低土壤pH值。而CO2濃度升高會促進植物的生長，增加植物的氮吸收和利用，減少土壤中的氮素，導致硝化作用減弱，從而減少H+離子的釋放，降低土壤酸化程度[16]。

4 大氣CO2濃度升高背景下土壤供氮能力的提升策略

4.1 增施有機肥

增施有機肥是提高土壤肥力和農作物產量的重要措施之一。有機肥包括畜禽糞便、堆肥、腐熟的植物秸稈、綠肥等，它們能夠改善土壤結構、提高土壤肥力和水分保持能力。同時，可以促進土壤中微生物的生長和繁殖，提高土壤中的有機質含量。有機肥的施用可以增加土壤中的有機質含量，從而提高土壤養分水平，促進氮素的礦化和供應。

有機肥中含有大量的有機物質和營養元素，這些有機物質可以通過微生物的分解作用逐步釋放出來，轉化為可供植物吸收利用的無機鹽形式，如氮、磷、鉀等。與化肥相比，有機肥的養分釋放速度較慢，作用時間較長，可以提供持續的養分供應，減輕化肥施用對環境的影響，同時可以降低生產成本。

有機肥的施用可以促進土壤中氮素的礦化和供應。土壤中的氮素主要以有機氮的形式存在，通過有機肥的施用，可以提高土壤中有機氮的含量，從而促進微生物對有機氮的分解和礦化，釋放出更多的無機氮元素，供給植物生長需要。

有機肥還含有豐富的微生物群落，這些微生物可以參與氮素的循環和轉化過程，增強土壤氮素供應的穩定性和可持續性。通過適當調節土壤pH值，使其處于適宜植物生長和微生物活動的范圍內，有利于提高土壤氮素轉化和供應能力。

4.2 調整農業種植結構

調整農業種植結構是適應氣候變化、提高農業生產效益和環境保護的重要措施之一。選擇對CO2響應較強的作物種植，可以利用CO2的刺激效應促進植物生長，同時增強作物吸收和利用氮素的能力，進而提高土壤氮素轉化和供應能力。

CO2是植物進行光合作用的重要原料之一，植物在光合作用過程中將CO2和光能轉化為有機物質和氧氣。CO2的濃度升高，可以加快光合作用速率，提高效率，促進植物的生長和發育。小麥、水稻等作物對CO2的響應較強，CO2濃度升高對它們的生長和產量有顯著的促進作用。

CO2濃度升高還可以增強作物吸收和利用氮素的能力。氮素是植物生長發育的重要營養元素，氮素的充足供應對提高作物產量和品質非常關鍵。通過提高作物對氮素的吸收和利用能力，可以增強土壤氮素轉化和供應能力，從而提高農作物的產量和質量。因此，選擇對CO2響應較強的作物種植，可以利用CO2的刺激效應促進植物生長，增強作物吸收和利用氮素的能力，提高土壤氮素轉化和供應能力，從而適應氣候變化，提高農業生產效益和環境保護水平。此外，還需要合理施肥、科學管理，保持土壤肥力、維護生態平衡。在中國南方地區的稻田中，水稻是一種對CO2響應較強的作物。研究表明，將CO2濃度從當前的400 mg/kg增至550 mg/kg，可以使水稻產量上升約13%。這是因為CO2的增加促進了水稻的光合作用和碳水化合物積累，同時增強了水稻吸收和利用氮素的能力，從而提高了水稻的養分利用效率和產量。

5 結束語

CO2是大氣中的一種重要溫室氣體，其濃度隨著工業和人類活動的增加而逐年升高。土壤是陸地生態系統的重要組成部分，對維持生態系統的健康和功能發揮起到關鍵作用。其中，土壤供氮能力是土壤養分循環過程中的一個重要環節，對維持土壤健康和植物生長至關重要。然而，大氣中CO2濃度升高可能會對土壤供氮能力產生不利影響，嚴重影響土壤生態系統的健康和功能。因此，研究大氣CO2濃度的升高對土壤供氮能力的影響，對深入了解大氣CO2濃度升高對土壤生態系統的影響具有重要意義。