氮沉降对森林土壤化学性质及温室气体排放影响研究综述

田甜，姜春前，高升华，白彦锋，张旭东

(中国林业科学研究院林业研究所，北京 100091)

1 研究背景

自然生态系统的氮主要来自生物固定、施肥和大气沉降，大气氮沉降分为干沉降和湿沉降2种：干沉降的氮主要有气态的NO、N2O、NH3、(NH4)2SO4和NH4NO3粒子以及吸附在其他粒子上的氮；湿沉降的氮主要是NH4+、NO3-以及少量的可溶性有机氮[1，2]。随着经济的快速发展，人类活动，如化石燃料燃烧、使用化肥等，显著增加了活性氮向自然生态系统的沉降，进而导致生态系统多样性丧失、危害人类健康、改变水体和土壤的化学性质以及影响温室气体排放等一系列严重的生态问题[1，3，4]。亚洲(中国、印度)、西欧、北美已成为全球三大氮沉降集中区，预计到2030年，亚洲地区人类活动产生的活性氮将达到105.3 Tg·a-1，中国是氮沉降最严重的区域，且与美国相比，中国氮饱和潜在风险问题更严峻[2，3，5，6]。随着社会经济和工农业的进一步发展，我国的氮沉降量可能还会继续升高[3,7，8]。

森林作为陆地生态系统的主体，是大面积氮沉降的直接承受者[9-10]。大气氮沉降的增加对森林生态系统产生着重要影响，预计到2030年其影响程度将继续增加50%～100%[5，11]。已有研究表明，我国南部一些森林中来自自然降水的氮沉降量达到了30～73 kg·hm-2·a-1[12]。若氮沉降超过森林生态系统可容纳的临界负荷，即会对森林生态系统造成危害，不同地区临界值存在较大差异，这可能与我国立地条件及林分类型差异有关，目前各地能被人们接受的阈值并不清楚[8，11，13-14]。

自1750年以来，大气CO2的浓度增加了31%，而CH4和N2O的浓度分别增加了151%和 17%，且在继续增加[15]。大气中的CO2、CH4和N2O三种气体对增强温室效应的贡献率占近80%。据估计，大气中的CO2、CH4和N2O每年来源于土壤的比例分别是5%～20%、15%～30%以及80%～90%[8]。森林土壤是温室气体重要的源和汇，在调节大气温室气体方面起着重要的作用[16]。大气氮沉降对森林土壤主要温室气体通量的影响日益重要，尤其是在氮沉降严重的地区[8]。

2 研究现状

20世纪80年代，欧洲、北美即开展了氮沉降对森林生态系统影响的研究，比较著名的实验有20世纪80年代末欧共体资助的氮饱和实验(NITREX)和欧洲森林生态系统人工干预实验(EXMAN)以及1988年美国在马萨诸塞中部进行的Harvard forest(HF)中实施的“氮长期改善实验”等[7，13，17-19]。而我国在这方面的研究起步较晚，主要集中于鼎湖山森林生态系统。2003年广东省鼎湖山森林生态系统长期氮研究项目成立之后，我国其他亚热带地区(广东、四川、重庆、福建)、热带地区(海南)和温带地区(内蒙古、黑龙江、吉林、河北)也相继建立了氮沉降研究样地，但在氮沉降对森林土壤温室气体通量影响方面的研究比较少[5，20，21]。我国用于氮沉降监测的网络主要有全国性的氮沉降监测网络(NNDMN)、中国陆地生态系统酸化综合监测项目(IMPACT)和世界气象组织全球大气监测降水化学项目[21]。

2.1 氮沉降对森林土壤化学性质的影响

土壤是一个多相多界面的复杂系统，森林土壤为植被和微生物提供水分和营养物质等植物生长的必需元素，可以通过调节温度、缓冲毒素等，直接影响森林植被的健康状态[22-24]。土壤的化学性质主要是指土壤中的物质组成、各组分之间以及固液相之间的化学反应和化学过程，可以衡量土壤的养分状态，判断土壤对林木生长和生态环境的影响与作用[23，25，26]。

氮沉降会引起诸多土壤理化性质的改变，继而对森林植被根系周转、凋落物分解以及土壤微生物活动产生影响[27]。氮沉降向森林生态系统输入氮素，少部分被植物地上部分直接吸收，大部分进入了土层，在氮缺乏的森林土壤中，氮沉降无意识地表现为施肥作用，而在氮沉降量较高的地区，氮淋失增加，氮沉降产生的NH4+、NO3-等都能导致土壤酸化， NH4+的硝化和过剩的NO3-的淋失是土壤酸化的主要机制。氮沉降可能改变土壤有机质的C∶N∶P化学计量比以及导致森林土壤交换性阳离子的淋失等[2,12，28]。氮沉降对森林土壤化学性质的影响存在不确定性，这可能与生态分布、森林的类型、土壤状况、氮沉降的程度和施氮时间等因素有关。

2.1.1 氮沉降对森林土壤pH值的影响 已有研究表明，氮素增加会导致森林土壤pH值的降低[12，29-31]。但是也有不同的结论，李秋玲等在鼎湖山的木荷人工幼林模拟氮沉降(0、50和100 kg·hm-2·a-1)20个月后发现木荷人工幼林土壤pH值未随着氮沉降量的不同而有明显变化[29]。黄锦铌等在福建三明进行的观光木人工林24个月不同用量处理(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)模拟氮沉降试验结果为，与对照相比，除高氮处理在第12个月降低观光木人工林土壤pH值外，氮沉降明显提高了观光木人工林土壤pH值，低氮和中氮处理显著缓解林地土壤酸化，且中氮处理效果最好[32]。

2.1.2 氮沉降对森林土壤C素的影响 森林土壤碳素的输入主要涉及森林地上植被凋落物分解、地下细根的分解和根系产生的分泌物，碳素输出主要是土壤呼吸[33，34]。氮添加对森林土壤碳素的影响有不显著、促进和降低3种结论[12，35]。洪丕征在广西壮族自治区凭祥进行的格木和红锥人工幼龄林17个月不同用量氮处理(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)添加实验结果是，中氮和高氮处理显著升高了2种林分0～10 cm土壤可浸提有机碳含量，各处理对2种林分不同土层的有机碳含量均无显著影响[12]。袁颖红等在福建省三明市沙县官庄国有林场的杉木人工林连续7年模拟氮沉降实验(0、60、120和240 kg·hm-2·a-1)结果表明，氮沉降对土壤有机碳具有促进作用，但各土层不同氮沉降处理之间无显著差异，高氮处理显著升高了杉木人工林0～20 cm土壤可溶性有机氮碳含量[35]。张娇在帽儿山落叶松人工林进行了3年模拟氮沉降实验(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，低氮和中氮处理显著提高土壤总有机碳和可溶性有机碳含量，高氮处理无显著影响[36]。黄锦铌等在福建省三明市格氏栲自然保护区的板栗人工林进行的2 年模拟氮沉降实验(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，中氮和高氮处理显著降低板栗人工林土壤有机碳含量，且中氮处理效果最显著[32]。汪金松等在太岳山油松人工林和天然林进行了3年模拟氮沉降实验(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，人工林和天然林不同土层深度有机碳含量均降低，且下降幅度随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 氮沉降对森林土壤N素的影响 森林土壤氮素的输入主要包括凋落物归还、生物固氮、氮沉降和施肥等。氮素输出的途径主要有挥发、淋失、流失、产品输出以及硝化和反硝化作用的损失[28，38，39]。多数研究表明，氮添加对森林土壤有效氮影响较为显著，其影响程度与地形地貌、森林类型、土层、氮处理水平和氮处理时间等因素有关，短期氮添加对森林土壤全氮含量影响不显著[12，30，31，40，41]。袁颖红等在福建沙县官庄林场白溪工区的人工杉木纯林经过21个月的模拟氮沉降实验(0、60、120和240 kg·hm-2· a-1)的结果表明，更高水平的氮沉降能促使铵态氮和硝态氮更大程度的增加，且硝态氮质量分数的增长率要高于铵态氮，氮沉降对土壤有效氮的影响存在累积性效应[30]。王文娟等在江苏省盐城市境内东台林场三种林龄的杨树人工林进行2个生长季的模拟氮沉降实验(0、5、10、15和30 g·m-2·a-1)得出，不同林龄杨树人工林土壤氮素组成存在差异，且土壤有效氮对氮沉降的响应因林龄、氮沉降水平、土壤深度和施氮时间的不同而存在差异[42]。汪金松等在太岳山森林生态系统定位站所在灵空山林场的油松人工林和天然林进行了3年的模拟氮沉降实验(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，人工林表层土壤全氮含量显著降低，天然林表层土壤全氮含量无显著影响[37]。胡艳玲在长白山杨桦次生林和阔叶红松林内分别进行2个和1个生长季的模拟氮沉降实验(0、25和50 kg·hm-2·a-1)得出，2种类型土壤总有效氮、铵态氮和硝态氮均随着氮沉降量的增加而增加，高氮处理显著增加土壤中的总有效氮、铵态氮和硝态氮的含量，低氮处理则不明显[41]。

2.1.4 氮沉降对森林土壤P素、K素等的影响 氮沉降对森林土壤磷素、钾素等的影响存在不确定性[12，20，43，44]。裴广廷等在福建建瓯对罗浮栲、杉木和浙江桂3种林分进行的3 年模拟氮沉降实验(0、30和100 kg·hm-2·a-1)得出，罗浮栲和杉木林土壤有效磷含量以及有效磷和有效钾的比值均随着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钾的比值则随着氮沉降水平的升高而减少[43]。李银等在鼎湖山马尾松林、混交林和季风林进行近6 年模拟氮沉降实验(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，3种林型的有效磷含量均在低氮处理下最高，但各处理水平之间的差异不显著[44]。李秋玲等在鼎湖山马尾松林、针阔叶混交林和季风常绿阔叶林中分别进行了31个月、42个月和50个月的模拟氮沉降实验(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，马尾松林、阔叶林、混交林土壤盐基饱和度、盐基离子Ca2+、Mg2+、K+未受到显著影响，交换性Na+含量明显下降[29]。黄锦铌等在福建省三明市格氏栲自然保护区的米槠天然林、观光木人工林和板栗人工林进行的为期2年的模拟氮沉降实验(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，林种、氮处理水平及处理期限不同，对林分土壤全钾含量的影响不同[32]。袁颖红等采集江西省南昌市郊区杉木林表层土壤，对温室内1年生盆栽杉木幼苗进行18个月的模拟氮沉降实验(0、6、12、24和48 g·m-2·a-1)得出，随着氮沉降量的增加，土壤交换性Al3+不断增加，交换性Ca2+、Mg2+、K+、Na+先增加后降低[45]。

2.2 氮沉降对森林土壤主要温室气体通量的影响

目前关于氮沉降对森林土壤主要温室气体通量的影响仍没有一致结论，主要表现为抑制、促进和不显著3种效果[8,46-48]，这可能与生态分布、森林的类型、土壤状况、氮沉降的程度和施氮时间等因素相关。在局部范围内，植被类型、土壤温湿度是影响森林土壤CO2、CH4和N2O排放的主要生态因子，然而，氮输入增加条件下，土壤温湿度与温室气体排放速率的相关性可能会改变[8，12，49]。

2.2.1 氮沉降对森林土壤CO2通量的影响 森林土壤排放的CO2主要来自于森林土壤呼吸[33]。森林土壤呼吸又包括植物地下部分呼吸、土壤微生物和土壤动物正常活动以及含碳物质的化学氧化过程，其中最重要的是根呼吸和土壤微生物的异养呼吸[33,50]。

不同研究得出氮沉降对森林土壤CO2排放影响主要有3种不同的结论即促进、无显著影响、抑制，原因可能是由于氮添加水平、处理时间、林分类型等因素的不同[8，12]。王汝南在北京西山实验林场的辽东栎人工林和油松人工林进行了8个月的模拟氮沉降实验(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，中氮和高氮处理显著促进了土壤CO2年排放量，施氮增强了土壤CO2排放对水分变化的敏感性，但对温度变化的响应值Q10无显著变化[49]。张蕊在湖南岳阳市君山区滩地杨树人工林进行1年的模拟氮沉降实验(0、5、10和20 g·m-2·a-1)得出，氮处理显著抑制了杨树人工林土壤呼吸作用[51]。高强在浙江天童木荷林内进行了17个月的氮添加实验(0、50和100 kg·hm-2·a-1)得出，低氮处理显著促进了土壤呼吸速率，高氮处理对土壤呼吸速率无显著影响，氮处理降低了Q10，不同氮处理土壤含水量与呼吸速率之间无显著相关性[52]。高文龙等在鼎湖山混交林进行了19个月的氮添加实验(0、100 kg·hm-2·a-1)得出，氮添加对土壤CO2释放无影响[53]。曾清苹等在重庆市缙云山马尾松林中进行了14个月模拟氮沉降实验(0、200、400和600 kg·hm-2·a-1)得出，氮沉降对土壤呼吸有抑制作用，且抑制程度随氮浓度增加而加强[54]。全权等在北京东灵山辽东栎林、华北落叶松林和油松林样地进行为期5个月的氮添加实验(0、100 kg·hm-2·a-1)得出，短期氮添加降低了阔叶林土壤呼吸速率，提高了针叶林土壤呼吸速率，但未达到显著水平，改变了土壤呼吸对温度和水分变化的响应[55]。

2.2.2 氮沉降对森林土壤CH4通量的影响 在无氧环境下，土壤有机物在产CH4菌的作用下产生CH4，有氧环境下，CH4被CH4氧化菌氧化成CO2排入大气[56]。森林土壤大多表现为大气中CH4的汇，多数研究得出氮沉降抑制或不显著影响森林土壤CH4的吸收[8，12，57]。但也有研究提出低氮倾向于促进贫氮森林土壤CH4的吸收[58]。曹裕松等人在广东鹤山马占相思人工林和尾叶桉人工林进行了15个月的模拟氮沉降实验(0、50 kg·hm-2·a-1)得出，鹤山人工林是CH4的汇，增氮处理促进了马占相思林CH4的排放，对尾叶桉林土壤CH4通量无显著影响[59]。王汝南在北京西山实验林场的辽东栎人工林和油松人工林进行了8个月的模拟氮沉降实验(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，氮素输入一定程度上减弱了CH4吸收通量与水热环境因子之间的关系[49]。高文龙等在鼎湖山混交林进行了19个月的氮添加实验(0、100 kg·hm-2·a-1)得出，氮添加抑制CH4吸收[53]。

2.2.3 氮沉降对森林土壤N2O通量的影响 土壤硝化和反硝化过程所产生的N2O占全球大气N2O总量的90%，森林土壤排放的N2O主要来源于森林土壤中微生物参与的硝化和反硝化过程[59-61]。可能由于土壤初始氮素状态、土地利用的历史状况、气候条件、时间尺度以及人为干扰等因素，研究结果并不一致，主要有促进、不显著2种效果，尚未见到有研究得出氮沉降减少森林土壤N2O排放的报道[8，12，60]。王汝南在北京西山实验林场的辽东栎人工林和油松人工林进行了8个月的模拟氮沉降实验(0、50、100和150 kg·hm-2·a-1)得出，氮素输入促进了土壤N2O的排放，中氮和高氮处理样地的土壤N2O排放峰值显著高于对照和低氮样地，各样地N2O排放量与土壤水分间有较为显著的相关性[49]。高文龙等在鼎湖山混交林进行了19个月的氮添加实验(100 kg·hm-2·a-1)得出，氮添加促进了N2O排放[53]。王磊等在江西省泰和县湿地松林进行了21个月模拟氮沉降实验(40和120 kg·hm-2·a-1)得出，施氮对亚热带人工林土壤N2O排放有显著促进作用，土壤N2O通量与10 cm土壤温度和10 cm土壤体积含水量正相关[62]。

3 问题与展望

研究显示，从1961—2010年，我国氮沉降速率呈显著增加趋势，陆地大气氮沉降速率增加了近8倍，大气氮沉降速率由东南向西北梯度递减，华北、华中、东南、西南地区东北部的氮沉降水平都非常高[3，4，63]。基于2010-2014年全国43个观测站点(约71%的监测点位于华北、东南和西南地区)观测数据的研究结果是，43个监测点总氮沉降量为2.9～83.8 kg·hm-2·a-1,，平均值为39.9 kg·hm-2·a-1 [4，63]。我国2003年才开始开展氮沉降对森林土壤主要温室气体通量影响的研究，起步较晚，由于地域、时间、技术方法的局限性，氮添加实验多为局部范围的短期、大剂量实验，尚未搞清楚氮沉降在更大的时空尺度上对森林土壤温室气体排放的影响规律，氮添加实验能否真实体现自然氮沉降对森林土壤主要温室气体通量的影响还需进一步研究。最新研究发现，生态系统中26%的氮气来自于地区岩石圈基岩，其余来自于大气，这项结果突破了环境科学奠定的长达数世纪的传统氮素都是来自大气层的相关结论，为调整地球的氮源提供了一个全球化视角，对营养物驱动的陆地碳汇控制产生了影响[64]。氮的源、汇分析、森林生态系统可容纳的氮沉降物的阈值、氮沉降-微生物-森林土壤主要温室气体通量关系的研究等，将是未来面临的课题。