氮沉降对热带亚热带森林土壤氮循环微生物过程的影响研究进展

陈 洁,骆土寿,周 璋,许 涵,陈德祥,李意德,*

1 中国林业科学研究院热带林业研究所, 广州 510520

2 海南尖峰岭森林生态系统国家野外科学观测研究站, 广州 510520

热带亚热带地区人口密度大,经济发展快速,频繁的人类活动对其森林生态系统造成了严重干扰,其中人类活动导致大气氮沉降量的急剧增加,持续向陆地输入外源氮,对森林生态系统的结构与功能产生了深刻影响。我国热带亚热带森林主要分布在华南地区,其物种多样性高,天然植被类型多为常绿阔叶林,在优化生态景观、保护生物多样性、改善生态环境、确保城乡人居环境的安全与健康等方面起着重要作用。然而,快速的工业化和城市化进程中,热带亚热带地区正逐步成为全国大气氮沉降的热点区,其森林氮循环平衡遭到破坏,严重影响了生态系统的服务功能,同时也阻碍了华南地区的生态建设。热带亚热带森林生态系统气候湿热、生产力旺盛、生物量巨大,是陆地生态系统氮库的重要组成部分。土壤作为植被赖以生存的基质,是森林氮素养分的主要来源,森林土壤的氮素储量超过了森林生态系统总氮量的85%[1]。热带亚热带森林的湿热条件促进了土壤微生物对养分的转化作用,促使氮素在土壤、植被和大气之间快速流动与交换,对热带地区乃至全球氮循环具有重要意义。因此,热带亚热带森林土壤氮循环的细微变化都将对全球陆地生态系统土壤氮库产生深刻影响。清晰地认识热带亚热带森林土壤氮转化驱动机制及其对大气氮沉降增加的响应,不仅能为我国华南地区生态系统修复规划与管理提供科技支撑,而且有利于完善森林生态系统对全球变化响应的数据库,为准确评估土壤氮动态提供理论依据。

近年来,工农业的快速发展导致全球平均大气氮沉降从工业革命时期(1860年)的34 Tg N/a增加到1995年的100 Tg N/a[2]。Galloway等预测,到2050年全球大气氮沉降将达到200 Tg N/a[2-3]。我国作为继北美和欧洲之后的世界三大氮沉降热点区之一[4],2010年氮沉降平均值达到21.1 kg N hm-2a-1,并有进一步上升趋势,其中热带亚热带地区沉降量显著高于全国平均水平[5]。20世纪80年代,欧洲便开始了模拟氮沉降对温带森林生态系统的影响研究,随后美国在Harvard森林开展了氮沉降模拟实验[6]。近年来,随着氮沉降热点向低纬度地区的转移,热带亚热带森林也逐步开展了氮沉降对森林生态系统的影响研究[7- 10]。然而,氮沉降增加对森林土壤氮循环的影响及其区域特征仍不明确。

热带亚热带森林土壤高度风化,氮含量背景值较高,氮沉降增加进一步输入大量活性氮,易导致土壤氮过剩,进而显著影响土壤氮素循环[11- 13]。此外,驱动氮循环各环节的特定功能微生物对环境变化的响应不一致,极易导致氮沉降增加条件下氮循环各环节之间的耦合性减弱,进而破环氮循环平衡[14]。因此,综合分析氮沉降增加条件下,土壤氮循环不同过程(如固氮、硝化、反硝化、厌氧氨氧化等)及相关功能微生物的响应,对于深入理解氮素在热带亚热带森林生态系统中的转化及其驱动机制极为重要。本文将对国内外已有的研究成果和研究现状进行阐述,探讨其存在的主要问题和不足,并对未来的研究方向提出展望。

1 氮沉降对生物固氮作用及其功能微生物的影响

图1 氮循环关键过程及相关功能基因Fig.1 The key processes of nitrogen cycling and associated functional genes Comammox, 单步硝化complete ammonia oxidation; Anammox, 厌氧氨氧化anaerobic ammonia oxidation; DNRA, 异化硝酸盐还原成铵dissimilatory nitrate reduction to ammonium; amoA,氨单加氧酶的α亚基α-subunit of ammonia monooxygenase; hao, 羟胺氧化还原酶hydroxyamine oxidoreductase; narG, napA,硝酸还原酶亚基 subunits of nitrate reductase; nrfA, nirK, nirS, 亚硝酸还原酶亚基subunits of nitrite reductase; nor, 一氧化氮还原酶nitric oxide reductase; nosZ, 氧化亚氮还原酶亚基subunit of nitrous oxide reductase; nifH, 固氮酶亚基subunit of nitrogenase; hzsB, 肼合成酶亚基subunit of hydrazine synthase

1.1 微生物固氮作用对氮沉降增加的响应及其主要影响因子

热带亚热带森林土壤氮含量较高,氮沉降增加导致大部分区域土壤呈现“氮饱和”状态[19],而Cleveland等研究指出热带森林土壤生物固氮速率(15- 36 kg N hm-2a-1)高于氮限制的温带森林(7- 27 kg N hm-2a-1)[20],表明固氮微生物在氮含量较高的土壤中仍能保持较高的活性[21]。Zheng等在我国鼎湖山南亚热带常绿阔叶林进行原位氮添加模拟氮沉降的实验,发现氮沉降对土壤固氮速率并没有显著影响,作者指出氮沉降背景下,土壤碳固持及碳氮比稳定性的增强是维持森林生态系统生物固氮水平的关键因子[22-23]。通过分析夏威夷热带雨林土壤氮、磷有效性对外源氮、磷添加的响应,Treseder等发现氮添加可促进土壤酸性磷酸酶的合成：当生长受到磷限制时,植物会吸收过剩的氮用来合成磷酸酶或诱导微生物分泌磷酸酶,这是因为磷酸酶的氮含量为8%—32%,其合成需要足够的氮元素,磷酸酶活性的增加使吸附在矿物质和有机质中的磷被大量释放,进而增加土壤磷的有效性[24]。土壤磷有效性的增加可促进固氮菌对磷的吸收利用,缓解热带亚热带地区磷对固氮微生物的限制,是保证高氮沉降背景下土壤微生物固氮功能的重要因素[25]。另有研究发现氮沉降增加会抑制热带亚热带森林土壤固氮作用[26,27],主要是由于土壤可利用性磷含量较低,氮沉降导致土壤酸化和磷的进一步淋溶流失,进而加剧土壤磷限制,不利于固氮微生物的生长繁殖和生物固氮所需能量的合成[28]。土壤固氮菌群落丰度和多样性以及固氮速率均与磷含量显著正相关[17,29],进一步证实了磷对氮沉降增加背景下热带亚热带森林土壤固氮作用的调控。土壤pH和含水量也是影响生物固氮作用的重要因子,pH值可直接影响固氮酶的活性,也可通过改变土壤可利用性磷的含量而间接影响固氮微生物活性[30-31]。土壤含水量可通过调节土壤厌氧条件而间接影响固氮微生物活性[32]。热带亚热带地区以湿氮沉降为主,外源活性氮随降水输入土壤,土壤氮含量增加的同时含水量也随之增加,含水量增加有利于形成厌氧环境,间接促进生物固氮作用,此时固氮菌对活性氮和含水量变化的敏感性是决定固氮作用变化趋势的关键因子。

1.2 共生与非共生固氮菌对氮沉降增加的响应差异

2 氮沉降对硝化作用及其功能微生物的影响

2.1 不同功能微生物驱动的硝化作用对氮沉降增加响应的生态位分化

热带亚热带森林土壤普遍呈酸性,氮沉降增加进一步加剧了土壤的酸化,显著影响了氨氧化功能微生物的活性和组成,进而影响硝化作用[47]。Cong等利用功能基因芯片技术,发现氮沉降增加了热带森林土壤可利用氮含量和氨氧化功能微生物丰度,促进了硝化作用[50]。在巴拿马山地雨林里,人工模拟氮沉降增加一年后,土壤硝化作用显著增强,而低地雨林土壤硝化作用在模拟氮沉降增加9年后才明显增加[51],推测可能是受湿热条件的影响,低地雨林土壤微生物氮转化速率普遍较快,短期的氮添加不足以对硝化作用产生显著影响。然而,另有研究指出经过11年原位氮添加后,热带森林土壤硝化作用没有显著变化[52]。长期氮沉降也可能降低土壤硝化作用,例如Chen等对我国鼎湖山南亚热带森林土壤进行了6年的氮添加处理,发现处理后土壤净硝化速率显著降低,并指出土壤微生物和酶活性的变化可能是影响硝化速率的关键因子[19]。尽管AOB和AOA在不同微环境下的功能差异、以及两者对氮沉降响应的生态位分化可能是导致以上研究结果出现分歧的重要原因,但氨氧化功能微生物的变化还不足以完全解释热带亚热带森林土壤硝化作用的空间异质性。

3 氮沉降对反硝化作用及其功能微生物的影响

3.1 反硝化作用对氮沉降增加的响应及其主要调控因子

3.2 氮沉降增加对不同反硝化微生物类群的潜在影响

4 氮沉降对其他氮转化过程及功能微生物的影响

4.1 厌氧氨氧化

4.2 异化硝酸盐还原成铵

5 总结和展望

综上所述,国内外在氮沉降增加对热带亚热带森林土壤氮转化及其功能微生物的影响研究中已取得了一定进展。热带亚热带森林环境湿热,土壤微生物活性较高,氮沉降增加输入大量活性氮,而同时也改变了土壤pH值和可利用性碳、磷含量,对氮转化各环节及相关功能微生物产生了不一致的影响(图2)。总体上,氮沉降增加对热带亚热带森林土壤共生固氮和非共生固氮均有一定的抑制作用,但两类固氮微生物群落对氮沉降增加的响应异同还不清晰;土壤的酸性特质导致NH3浓度较低,因而与NH3亲和度较高的氨氧化古菌(AOA)是驱动氨氧化作用的关键微生物类群,氮沉降增加可通过改变土壤AOA、AOB群落丰度和组成而影响硝化速率;反硝化作用对氮沉降增加的响应与土壤氮含量背景值显著相关,热带亚热带森林土壤大多处于氮饱和状态,氮沉降会促进反硝化作用以排除土壤中过剩的氮素,但同时增加了温室气体N2O的排放;较高的微生物活性不利于有机碳的累积,氮沉降增加可能导致土壤碳氮比降低,难以满足反硝化微生物的碳需求量,进而抑制反硝化功能微生物的活性及反硝化作用。

图2 大气氮沉降增加影响热带亚热带森林土壤微生物氮循环过程的概念框架图Fig.2 The conceptual figure illustrating the effects of elevated atmosphere nitrogen deposition on soil microbial nitrogen cycling in tropical and subtropical forests

迄今为止,氮沉降增加对热带亚热带森林土壤氮循环的影响仍存在很大的不确定性,主要是以往的研究多为短时间内土壤氮循环的响应结果,且重点关注硝化和反硝化过程,缺乏对其他氮循环过程的综合研究(表1)。与氮循环相关联的关键环境因子也存在分歧,主要是现有的研究多针对单一的环境因子,多个环境因子的共同作用对氮循环关键过程的影响值得深入探索。此外,功能微生物对氮沉降的响应研究十分有限,已有的报道多关注微生物群落丰度的变化,缺乏从群落活性、组成和关键种等方面综合地分析功能微生物对氮沉降的响应,及其与氮循环变化的相关性(表1),因此氮沉降背景下,功能微生物对氮循环的调控作用仍不明确。针对目前研究的不足,今后的研究中需要注重以下几个方面：(1)加强长期模拟氮沉降对氮循环关键过程的影响研究,同时加强氮沉降对单步硝化(comammox)、厌氧氨氧化(anammox)、异化硝酸盐还原成铵(DNRA)等氮转化过程的影响研究,为准确评价氮循环对氮沉降增加的响应提供更全面的理论依据;(2)加强氮沉降背景下,土壤碳、氮、磷化学计量关系与氮循环关键过程的相关性研究,进一步探索影响氮循环的主要环境因子;(3)注重分析功能微生物群落活性、组成和关键类群等特征对氮沉降增加的综合响应,开展功能微生物群落特征与氮转化过程的相关研究,深入探究氮沉降影响热带亚热带森林土壤氮循环的微生物学机制。

表1 氮沉降增加对热带亚热带森林土壤氮转化及其功能微生物的影响Table 1 Effects of nitrogen deposition on soil nitrogen cycling and relating functional microorganisms in tropical and subtropical forests