氮沉降对森林土壤有机碳影响的研究进展

摘要：在森林土壤有机碳与全球变化关系的基础上，分析了氮沉降对森林土壤有机碳及其组分影响。对今后的研究工作提出了建议，为进一步了解氮沉降下森林土壤有机碳的动态提供理论参考。

关键词：氮沉降；土壤有机碳；组分；影响

1引言

氮沉降是一种自然现象，包括干沉降和湿沉降两种，干沉降主要以气态NO、N2O、NH3以及（NH4）2SO4粒子和吸附在其它粒子上的氮；湿沉降主要是NO-3、NH+4，以及少量的可溶性有机氮[1]。目前，我国的大气氮沉降量空间分布不平衡，存在极大的地域性差异，东中部地区、东南沿海地区沉降量较高，西北地区、东北地区沉降量较低[2]。欧洲大部分地区森林的大气氮沉降量超过10kg/hm2・年，欧洲边远地区减少至1kg/hm2・年，中欧为25～60kg/hm2・年，大大超过了森林对氮的年需要量；在北美，森林地区的大气氮沉降量一般为2～40kg/hm2・年[3]。Galloway等的研究表明，1993年全球大气氮沉降量（NOy+NHx）已达到1011kg，预计到2050年将翻两倍[4]。随着工业化的发展，大气氮沉降的比例不断增加，在氮沉降量高的地区出现了“氮饱和”现象，由此引发水体富营养化，土壤养分下降，植被退化等一系列环境问题。我国是全球第三大氮沉降区[5]，研究氮沉降与森林土壤有机碳之间的关系，对于了解森林生态系统中土壤的碳储存过程与碳汇功能十分必要。本文综述了氮沉降对森林土壤有机碳的影响，进一步讨论了各组分对氮沉降的响应，旨在加强人们对氮沉降作用下森林土壤有机碳响应的认识，为预测生态系统中土壤有机碳的动态变化提供参考。

2氮沉降对森林土壤有机碳的影响

土壤有机碳影响土壤结构的形成及其稳定性、持水性，植物营养的释放与平衡，土壤微生物活性与土居动物多样性等理化生物学性质，同时对缓解土壤质量退化、提高土壤生产物力均有着非常重要的功能[6]。土壤碳储量及动态平衡受全球气候变化的影响，同时通过温室效应的加强或削弱来反作用于全球大气变化[7]，是反映土壤质量及土壤健康的重要指标之一[8]。Schimel等研究表明，全球平均气温每升高1℃，土壤有机质将释放1.11×1013～3.38×1013kg碳到大气中。

19世纪50年代，国外最早开始了关于氮沉降的研究。但是，有关氮沉降对森林土壤有机碳影响的研究，是在20世纪80年代末，随着一些有组织的、大规模的跨区域研究网络的开展而开始的，如美国的国家大气沉降计划（NADP）、清洁空气与趋势网（CASTNET）和欧洲的氮沉降监测网络NITREX、EXMAN和ENEP等]。氮沉降对森林土壤有机碳影响的结果有增加、减少和无影响三种。Nadelhoffer[指出，氮沉降对温带森林的土壤碳增加有一定影响，但贡献很小。樊后保等研究认为，模拟氮沉降水平的增加能促进闽北森林土壤有机碳减少。总之，氮沉降对有机碳的影响，是一个复杂的过程，涉及多种因素。邓小文等，将氮沉降对森林生态系统土壤碳库影响的复杂过程划分为4个相对独立的过程，凋落物分解和细根周转（土壤碳输入），土壤呼吸和土壤可溶性有机碳淋失（土壤碳输出），但是，氮沉降对这四个过程影响的结论并不一致，机理也不统一。同时，氮沉降还通过影响土壤pH值、土壤生物、土壤酶等进而间接影响土壤有机碳的含量。因此，氮沉降引起森林土壤有机碳减少或增加的机理也有待于做进一步研究。

3氮沉降对森林土壤有机碳组分的影响

研究土壤有机碳时，应根据研究的目的与条件对土壤有机碳进行分组研究[7]，在土壤有机碳的稳定性分组中，可将其分为3个部分：活性有机碳库、慢性有机碳库和惰性有机碳库。其中土壤活性有机碳是这一分组中被广泛关注和深入研究的组分。依据土壤有机碳的稳定性分组，目前对活性有机碳的定量表述有土壤溶解有机碳（DOC）、微生物量碳（SMBC）、轻组有机碳（LFOC）和易氧化有机碳（ROC）等。

3.1氮沉降对土壤溶解有机碳（DOC）的影响

土壤溶解有机碳（DOC）受植物和微生物影响、且具有一定溶解性、在土壤中移动较快、不稳定、易氧化、易分解、易矿化，其形态、空间位置对植物、微生物来说活性比较高，它是土壤有机碳的重要组成部分之一。

氮沉降对土壤溶解有机碳含量的影响也有增加、不变和降低3种结论。樊后保等在模拟氮沉降实验中得出，氮沉降处理作用下，杉木人工林土壤可溶性有机碳量增加。Deforest等的模拟氮沉降试验结果表明，土壤中可溶性有机碳随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类物质的积累。Pregizer等在连续8年的模拟施加NO-3-N试验结果表明，氮沉降大大增加了土壤溶解有机碳的含量。樊后保等认为在氮沉降下微生物和酶对活性有机碳的利用和分解率低，导致土壤溶解有机碳含量的增加。然而在瑞典西南部，Sjoberg等经过8～29年施用氮肥的试验得出相反结论：施氮肥对土壤溶解有机碳的生产没有影响。总之，关于氮沉降对土壤中溶解性有机碳的产生和淋失影响的研究还不多，在理论和实验结果方面均存在着许多争议，而关于氮沉降对土壤溶解有机碳的淋失过程及其在土壤中的迁移转化影响的研究甚少。过量土壤溶解有机碳淋失对土壤碳库和水体环境均产生负面影响，氮沉降是否是引起淋失的主导因素，其影响机理有待研究。

3.2氮沉降对微生物量碳（SMBC）的影响

微生物量碳（SMBC）的高低是衡量土壤生物肥力的重要指标，地上植被类型被认为是影响土壤微生物活动的重要因子。土壤总有机碳的含量及其地被物影响土壤SMBC含量，同时林木凋落物与根系物质分解过程中形成的微生物区系也影响土壤SMBC含量。袁颖红等的研究结果表明，氮沉降增加土壤有效氮，引起土壤酸化，而土壤酸化可能是导致土壤微生物量碳降低的原因。Smolaner等认为，施氮后土壤pH值下降，虽然土壤有机质有所增加，但不易被土壤微生物分解利用，因而引起土壤微生物量碳减少和土壤微生物群落结构的改变。Bowden等的研究也发现，氮沉降明显降低土壤微生物量碳。

3.3氮沉降对轻组有机碳（LFOC）的影响

影响轻组有机碳（LFOC）含量的因子很多，如土地利用、植被类型、及影响枯枝落叶生产和分解平衡的其他因素如气候、土壤特征，微生物活性等，LFOC的积累主要集中在干冷的气候条件，土壤pH值偏低，植被密集，枯枝落叶归还量大的土壤中。在氮沉降作用下，轻组有机碳主要呈增加或不变两个趋势。有研究表明氮素增加显著加快了土壤LFOC的分解速率，而使得重组有机碳更为稳定[3]，同时，氮沉降对植物凋落物和土壤有机物质分解的影响因分解阶段不同而表现出差异。而涂利华等的研究表明氮沉降对土壤LFOC无影响。

3.4氮沉降对易氧化有机碳（ROC）的影响

土壤易氧化态碳（ROC）含量及其与土壤总有机碳的比值是反映土壤碳稳定性的指标，土壤全碳中ROC占比例越高，说明土壤碳的活性越大，稳定性越差。陈涛等研究结果显示，长期施肥可以显著增加土壤ROC含量，与对照相比，施入的氮分别为315kg/hm2・年、530kg/hm2・年，ROC增加幅度分别为526%、1222%。张瑞等对土地施肥的研究也发现，施入氮肥显著增加土壤ROC含量，其与对照相比，施入的氮为1955kg/hm2・年，ROC含量增加5132%。目前，关于ROC的研究已较多，然而有关氮沉降对其影响的。对土壤施入氮肥虽然可以明显增加土壤易氧化有机碳的含量，然而通过施肥进入土壤中的氮远大于氮沉降进入土壤中的氮。在相对较低的氮沉降水平下，土壤ROC的含量是增加还是减少，氮沉降对其影响的机理等仍有待更进一步的研究。

4结论与建议

国内外关于氮沉降对有机碳影响的研究已比较多，但大多数是研究在复杂的生态系统中一个或两个指标的变化，由于各地的气候、林型、立地条件、氮沉降水平等自然因素都存在差异，而人为的研究方法也不尽相同，往往会得出不同甚至相反的结论。因此许多问题有待探索：目前关于土壤有机碳对氮素输入的响应机制仍然不甚清楚，研究出氮沉降对有机碳影响的原理是氮沉降研究的当务之急；统一氮沉降的研究标准，增加不同地区研究结果的可比性；氮沉降影响下有机碳组分的变化的研究相对较少，认识有机碳组分的变化规律有助于深入了解有机碳的变化；氮沉降是全球化的问题，其对生态系统的影响是长时间的，因此有必要开展长期定位研究。

参考文献：

[1] 李志博，王起超，陈静.农业生态系统的但素循环研究进展[J].土壤与环境，2002，11（4）：417～421.

[2] 超普，颜晓元.基于氮排放数据的中国大陆大气氮素湿沉降量估算[J].农业环境科学学报，2010，29（8）：1606～1611.

[3] Grennfelt P，Hulberg H.Effect of nitrogen deposition on the acidification of terrestrial and aquatic ecosystems[J].Water，Air&Soil Pollut，1986，30：945～963.

[4] Galloway J N，Townsend A R，Erisman J W，et al.Transformation of the nitrogen cycle：Recent trends，questions，and potential solutions[J].Science，2008，320（5878）：889～892.

[5] 莫江明，薛花，方运霆.鼎湖山主要森林植物凋落物及其对N沉降的响应[J].生态学报，2004，24（7）：1412～1420.

[6] 苏永中，赵哈林.土壤有机碳储量、影响因素及其环境效应的研究进展[J].中国沙漠，2002，22（3）：220～228.

[7] 刘留辉，邢世和，高承芳，等.国内外土壤碳储量研究进展和存在问题及展望[J].土壤通报，2009，40（3）：697～701.

[8] Doran J W，Jones A J，Arshad M A，et al.Determinants of soil quality and health[C]//CRC.Soil Quality and Soil Erosion.Boca Raton：CRC Press，1999：17～36.