森林土壤氧化亚氮排放对磷添加响应的研究进展*

郑 翔 曹敏敏 纪小芳 方万力 刘胜龙 姜 姜

(1.南方现代林业协同创新中心 南京林业大学江苏省水土保持与生态修复重点实验室 南京 210037；2.凤阳山-百山祖国家级自然保护区凤阳山管理处 龙泉 323700)

大气温室气体浓度增加是导致全球变暖的主要原因，平均气温比工业革命前约升高1.0 ℃(0.8～ 1.2 ℃)。如果以目前的速度持续增长，2030—2052年全球增温可能会达到1.5 ℃ (IPCC，2018)。氧化亚氮(N2O)是大气中的主要温室气体之一，在百年尺度内，其全球增温潜势是二氧化碳(CO2)的265倍(IPCC，2014)，占全球总辐射强度的7%，同时其也是消耗平流层臭氧的主要物质之一(Ravishankaraetal.，2009)。2017年，大气N2O浓度达到(329.9 ± 0.1)μg·L-1，相比工业革命前增加22%，且以每年(0.73 ± 0.03)μg·L-1的速度稳定增长 (Zhengetal.，2020)。在农业、林业和其他土地利用中，人类活动造成的N2O排放量为(8.3±2.5)Mt·a-1(IPCC，2019)。因此，如何减缓N2O气体排放受到广泛关注。

土壤既是温室气体的源，也是温室气体的汇，在调节大气温室气体浓度中发挥着至关重要的作用。地球上森林面积约40亿hm2，占陆地总面积的30.7% (UN，2018)，是重要的陆地生态系统。森林生态系统每年向大气中排放的N2O为(3.62±0.16)TgN·a-1，约占N2O排放总量的15%～55% (Zhangetal.，2019a)。随着经济增长和人口剧增，过度开垦利用和不合理的经营管理使16%的林地出现生产力持续下降趋势(UN，2018)。为提高森林生产力，集约施肥成为主要经营措施；但密集的施肥输入会改变土壤的理化性质，从而对N2O排放产生巨大影响。

氮(N)和磷(P)是限制或共同限制植物生长、净初级生产力和其他生态过程的2种重要元素(Elseretal.，2007)。N元素可以通过自然沉降、人工施肥和植物固N向陆地生态系统输入，而P元素绝大部分通过人工施肥输入 (Dawsonetal.，2011)。据估计，输入陆地生态系统的N从1900年的32 TgN·a-1增加到2014年的200 TgN·a-1，而P输入仅从不足1.7 Tg P·a-1增加到3 TgP·a-1(Wangetal.，2015)。由此可见，在过去的1个世纪(20世纪)里，N和P向陆地生态系统的输入高度失衡，而这种养分失衡在高N沉降和低P输入地区更加明显 (Sunetal.，2017)。基于生态系统化学计量学理论，陆地生态系统可能会从N限制转变为更广泛的P限制或N、P共同限制 (Penuelasetal.，2013；傅洁等，2020)。因此，为了缓解植物的P限制以及N、P之间的不平衡，人们开始向土壤中施用更多P肥。

N和P之间的紧密耦合表明，P输入可能会影响陆地生态系统的N转化过程，如硝化和反硝化作用 (Kimetal.，2015)。然而，与土壤N2O排放对N添加的响应相比，人们对P添加如何影响森林土壤N2O排放的认识还十分有限。P添加可缓解植物和微生物的P限制，从而促进植物生长 (Zhuetal.，2013)，提高土壤微生物活性(Morietal.，2013a)和增加微生物生物量 (Lietal.，2014)。然而，由于植物和土壤微生物对土壤P有效性变化的响应不同，P添加对森林土壤N2O排放的影响存在很大不确定性。目前，学者们通过野外和室内培养，研究了P添加如何影响森林土壤N2O排放，但因其主导机制不同，试验结果也有很大差异(Homeieretal.，2012；Morietal.，2013a；Yuetal.，2017)，且单个P添加试验都是在特定环境条件下解释土壤N2O对其的响应，存在一定片面性，森林土壤N2O排放对P输入的响应机制还缺乏系统研究。鉴于此本研究基于森林土壤N2O排放的主要来源——硝化作用和反硝化作用，围绕植物和土壤微生物，详细描述P添加影响森林土壤N2O排放的作用机制。

1 森林土壤N2O的产生过程

森林土壤N2O排放是由产生、转化和传输3个过程共同决定的。土壤产生N2O的生物学过程包括硝化作用、硝化细菌反硝化作用、反硝化作用、硝态氮异化还原成铵作用以及化学反硝化作用等。通常认为微生物硝化和反硝化作用是森林土壤中N2O的主要来源。

2 P添加影响森林土壤N2O排放的作用机制

森林土壤 N2O 排放对P添加的响应存在促进 (Morietal.，2013a)、抑制 (孙正等，2019)和无影响 (Gaoetal.，2017)3种结果，促进作用以室内培养试验结果为主，抑制作用以野外试验结果为主。森林土壤N2O排放对P添加的响应差异取决于植物和土壤微生物(微生物量、群落组成和微生物活性)对P添加的响应，且与土壤初始N状态、P状态、氧气浓度、pH和试验持续时间等因素有关。

2.1 P添加抑制土壤N2O排放的作用机制

植物和土壤微生物都会影响森林土壤N2O排放对P添加的响应(图1)。土壤NH4+-N和NO3--N既是植物可直接吸收利用的有效N，又分别是微生物硝化作用和反硝化作用的底物(Robertson，1989;Dengetal.,2020)，植物与硝化、反硝化微生物间存在氮竞争。P添加可缓解植物的P限制，促进植物的N吸收，减少硝化和反硝化底物，从而减少土壤N2O排放。研究表明，P添加可显著增加马占相思(Acaciamangium)的生物量，刺激土壤CO2排放，施P导致土壤N2O排放减少可能是由于P添加促进了根系对土壤N和水分的吸收 (Morietal.，2013b)。在我国亚热带N饱和森林中也发现P添加显著降低土壤N2O排放和NO3--N淋溶，未观察到森林生长量显著增加，但是不排除P添加促进林下植被对N的吸收 (Yuetal.，2017)。Hall等(1999)研究发现，在P限制的森林中，添加N后N2O排放量是N限制森林的54倍，归因于缺P限制了微生物固氮，多余的N被硝化和/或反硝化细菌利用，增加了N2O排放。如果按照此假设，P添加减少N2O排放可能是由于P输入会缓解微生物固N过程的P限制，从而降低无机N库。Sundareshwar等(2003)研究发现，在P添加下，滨海盐沼沉积物中的N2O排放量减少，这是由于N固定增加和随后反硝化作用减少所致。在黄土高原盐碱草地中也发现施P降低了土壤无机N库，增加了微生物N (Wangetal.，2014a)。P添加减轻了N沉降对富N森林N2O排放的刺激，增加了土壤微生物生物量(Zhengetal.,2016)，包括细菌和丛枝菌根真菌(AMF)生物量增加，而细菌和真菌生物量增加可能会增加总N的获取 (Liuetal.，2012)。在同样富N的热带森林中，Chen等(2015)研究表明，尽管土壤NO3-浓度降低，但经过6年的P添加，促进了净N矿化和硝化作用；土壤NO3-在P添加下的减少可能反映了植物和/或土壤微生物对N的吸收。

为了区分P添加处理下微生物和植物根系活动对N2O排放的相对贡献，Mori等(2013c)在热带马占相思人工林中采用挖沟法排除了根系，结果发现：在根排除区，施P对土壤N2O排放量无影响；相比之下，在含根系的样地中，施P显著减少了N2O排放量；含根系样地土壤全P和微生物P含量低于无根系样地，施P土壤中无机N含量低于对照。这说明P添加可缓解马占相思人工林的P限制，P添加减少土壤N2O排放主要通过植物根系对土壤无机N的吸收作用，而不是通过微生物固N和提高微生物活性实现的。

此外，Mori等(2016)在热带雨林的研究表明，P添加显著减少N2O排放，但并没有改变NH4+-N和NO3--N含量。可见，N2O排放量减少并不能由植物根系吸收N和微生物固N减少产生N2O的基质来解释，而是P添加通过提高呼吸效率来控制N2O排放，但这一机制的普遍性和适用性需要更多的试验验证。

综上所述，P添加抑制土壤N2O排放主要有2种机制(图1)：首先，P添加可缓解植物的P限制，增加植物的N吸收；其次，P添加可减轻土壤微生物的P限制，增加微生物的N固定。这2种途径均会减少可用于产生N2O的土壤N基质，从而降低土壤N2O排放。由于不同生态系统中植物和土壤微生物对无机N的竞争力不同，其在不同生态系统中的主导机制还需进一步研究。

2.2 P添加促进土壤N2O排放的作用机制

与上述结果相反，在室内培养试验(不包括植物)中，Mori等(2010；2013a)研究得出P添加增加了马占相思土壤N2O排放，这是由于P添加缓解硝化细菌和反硝化细菌的P限制，促进细菌活性，且P添加还可通过刺激异养微生物活性增加耗氧量，创造一个更为缺氧的环境，支持反硝化细菌，该结果与其在野外试验发现P添加抑制土壤N2O排放相反 (Morietal.，2013b)，可能是因为室内试验消除了植物对无机N的竞争作用，土壤微生物可最大限度地利用无机N，刺激了微生物活性。He等(2015)采用15N示踪技术研究表明，P添加降低了微生物体内15N含量的80%，同时也降低了总15N的回收率，P添加会导致贫P土壤中气态N的大量流失，最有可能是通过直接促进硝化和反硝化作用实现的。然而，Zhang等(2019b)发现，在黄河三角洲盐渍土中随着P含量增加，加速了有机质分解，增加了N矿化，但对土壤N2O排放无影响。部分野外试验也表明，P添加刺激了硝化和反硝化细菌的活性。在我国南方热带次生林发现，通过刺激土壤微生物反硝化过程，在雨季高N输入的土壤中P输入增加了土壤N2O排放 (Wangetal.，2014b)。在美国的落叶混交林中也发现，P添加缓解了硝化细菌的P限制，并刺激了硝化细菌的活性，土壤硝化速率和土壤硝酸盐浓度分别增加10倍和2倍 (DeForestetal.，2020)。White等(1999)发现，P输入增加了土壤微生物量和反硝化酶活性。Tang等(2019)也表明，P添加解除了微生物的P限制，促进了亚热带土壤中硝化和反硝化酶的合成。P添加还可加速N矿化 (Bauhusetal.，1994)、增加NH4+有效性间接刺激硝化菌。如Lage等(2010)发现，P添加增加了参与硝化作用关键步骤的AOB丰富度，并改变了AOB的群落结构。然而在青藏高原草地，P添加降低了AOB群落丰富度和Shannon-Winner多样性指数，持续施P可能导致N矿化增加，从而引发更高的N有效性，并可能对AOB丰富度产生抑制作用 (Yangetal.，2020)。Wei等(2017)研究表明，P添加也可促进土壤中的反硝化基因丰度。由此可知，P添加对土壤N2O排放的促进作用可通过缓解硝化和反硝化细菌P限制、促进细菌活性以及提高N2O排放相关功能基因丰度等途径实现(图1)。

不同试验方法对试验结果有很大影响。室内试验主要侧重于土壤微生物N固定和活性对P添加的响应，从而影响土壤N2O排放，但是排除了植物根系吸收和淋溶作用的影响，具有一定局限性。野外试验可最大限度地反映真实情况，但无法准确区分P对植物和土壤微生物的影响，土壤N2O排放对P添加的响应实际上是植物和土壤微生物共同作用的结果。在试验过程中，现有技术手段很难剥离因植物和土壤微生物对P添加不同响应所引起土壤N2O排放的变化。

2.3 P添加对土壤N2O排放影响的其他作用机制

目前，关于P添加对森林土壤N2O排放影响主导机制的讨论主要围绕产生N2O的基质无机N以及硝化和反硝化细菌，但忽略了P添加通过其他途径对土壤N2O排放的调控，如P添加通过影响AMF共生和/或凋落物分解，进而影响土壤N2O排放(图1)，造成了现有研究的局限性，而这些途径可能是P添加调控土壤N2O排放的重要作用机制。

图1 磷添加对森林土壤N2O排放影响的机制Fig.1 Mechanisms of effect of phosphorus addition on forest soil N2O emissions

AMF可与80%的陆地植物根部共生(Smithetal.，2011)，从宿主植物中获得C源(Hodgeetal.，2015)。由于菌丝表面积和总长度均大于根系，所以AMF比植物根系能够更有效地从土壤中获取营养元素(Parniske，2008)。据估计，AMF可以为植物提供高达90%的P和20%的N(Jayachandranetal.，1992)，可见，AMF具有降低森林土壤N2O排放的潜力。AMF通过增加植物对无机氮和水分的吸收 (Ernforsetal.，2010；Storeretal.，2018)、促进团聚体形成 (Okiobeetal.，2019)以及抑制和改变N2O排放相关功能基因群落 (Benderetal.，2014；Teutscherovaetal.，2019)，从而降低土壤N2O排放。从资源经济的角度来看，P供应增加会降低共生的优势，可能会加剧AMF类群之间对植物源C和土壤养分的竞争，以及宿主和AMF之间对无机N的竞争 (Johnsonetal.，2015)。Duenas等(2020)研究表明，P供应增加改变了AMF组分，N和P复合添加降低了AMF的丰富度。P添加可能通过影响AMF共生从而影响土壤N2O排放。Baral等(2013)以玉米(Zeamays)为研究对象开展盆栽试验，处理方式包括施P、施N和接种AMF，研究发现：较高的植物N吸收降低了土壤中用于微生物硝化和反硝化作用的矿质N有效性，从而减少了N2O排放；施P显著提高了AMF定殖率，在最高施N量下，同时施P和接种AMF的N2O通量最低。以上研究表明，P添加通过影响AMF进而调控土壤N2O排放的作用机制是存在的。由于AMF在自然界普遍存在，其对温室气体的减排潜力大，AMF在P添加下的微小变化可能会对土壤N2O排放产生不可估量的影响。

凋落物可通过为微生物提供易利用的C(糖、多糖或酚类)、N和其他营养成分 (Leffetal.，2012；Orwinetal.，2006)，以及改变土壤表面的微环境和微生物，进而引起土壤N2O排放变化 (Zhengetal.，2020)。P添加可能与凋落物分解相互作用，从而影响土壤C、N循环过程 (Fengetal.，2018)。P添加会通过改变凋落物质量(C/P)和微生物活性 (Zhengetal.，2017)影响凋落物分解速率，进而影响返回土壤的养分。但是，P添加对凋落物分解速率影响的结果并不一致。如Feng等(2018)报道，添加P会降低凋落物C/P，从而提高分解速率；Chen等(2013)研究表明，微生物易获取P的增加，抑制微生物对凋落物的分解作用。因此，凋落物分解速率对P添加的不同响应可能导致P添加对土壤N2O排放的影响也不同。森林生态系统施P肥过程中主要是喷洒在凋落物层上，而不是在土壤表层上，但目前P添加通过影响凋落物分解速率和养分归还，间接影响土壤N2O排放的研究还尚未见报道。

土壤酸度会限制无机P的生物有效性，因为活化铝(Al)会与无机P发生地球化学复合，形成顽固性的闭塞磷(Al-P复合物)，其对植物和土壤微生物的有效性有限 (Crossetal.，1995)，而植物和微生物群落会通过其他途径来补偿P限制 (DeForestetal.，2010)。P添加可缓解土壤酸化，从而影响土壤N2O排放。Chen等(2017)研究发现，P添加及N和P复合添加样地中的土壤pH高于仅添加N的样地，这表明添加P可缓解因添加N而引起的土壤酸化，而土壤酸化的缓解为微生物和植物的生长提供了更有利的条件，从而增加了根系和微生物生物量以及脲酶活性。此外，P添加也能通过促进植物生长增加根系对水分的吸收，导致土壤水分减少，而较低的土壤含水量会抑制微生物反硝化，从而减少N2O排放，尤其是在以反硝化为主的热带森林中。DeForest等(2020)研究发现，在强酸性土壤中施P能促进硝化作用，但在用石灰改良后的中性土壤中施P却抑制硝化作用。目前，由于研究的有限性以及土壤pH与P之间相互影响的复杂性，尚不清楚P输入是如何通过改变土壤pH来调节土壤N2O排放的。

2.4 P添加对土壤N2O排放影响与土壤初始养分的关系

P添加对土壤N2O排放的影响可能取决于森林生态系统中的初始N状态(N饱和或N限制)。在N限制森林中，P添加对土壤N2O排放的影响可能有限。在N有限的热带山地森林中，仅添加P对N2O排放没有影响；但当P与N共同添加时，N2O排放量小于单独添加N的处理 (Martinsonetal.，2013)。Chen等(2017)研究表明，施P只改变了N饱和森林土壤的N动态，加快了土壤N转化速率，减少了土壤N2O排放和NO3--N淋溶，但对2个N限制森林的N动态无明显影响。Zhang等(2014)也发现，在土壤N有效性高的固N树种大叶相思(A.auriculiformis)人工林中，与单独施N相比，N和P显著降低了N2O排放，而在土壤N有效性较低的非固N树种尾叶桉(Eucalyptusurophylla)人工林中，N添加及N和P复合添加则对N2O排放无影响。这表明在生态系统达到N饱和之前，N、P是生态系统的共同限制性因子，P添加对植物和微生物的作用有限。随着N的持续输入，生态系统逐渐从N限制过渡到N饱和，P取代N成为主要限制因子，所以在N饱和生态系统中，P的输入会缓解植物和微生物的P限制，但因为植物和微生物之间的竞争作用，对P输入在不同生态系统中的响应会有差异，从而影响土壤N2O排放。

此外，土壤P的有效性可能也会影响土壤N2O排放对P添加的响应。在P限制的3个落叶混交林中，9年的P添加试验表明，在试验前3年，P添加对硝化速率的影响不大，但在5年后，P添加显著增加了硝化速率(DeForestetal.，2020)，而Wang等(2016a)和曹登超等(2019)在不受P限制的高寒草甸中均发现，施P对土壤N2O排放无影响。Mori等(2016)的试验也表明，在土壤初始P状态不同的2个热带雨林中，P添加对N2O排放的影响不同。

3 结论

森林土壤N2O排放对P添加响应的差异不仅取决于植物和土壤微生物(微生物量、群落组成和微生物活性)对P添加的响应，而且也受土壤初始养分(N、P)状态调控。P添加可以有效缓解植物和土壤微生物P限制，一方面能够促进植物根系对无机N的吸收并提高微生物固N，从而降低森林土壤 N2O 排放；另一方面也能刺激硝化和反硝化细菌活性，从而增加森林土壤 N2O 排放。目前，学者研究P添加对森林土壤N2O排放的影响主要集中在植物与微生物对N素的竞争利用，进而调控森林土壤N2O排放，而P添加也可能通过影响AMF共生和/或凋落物分解实现对土壤N2O排放的调控，这需要更多的研究去验证。P添加对土壤N2O排放的抑制作用可以考虑作为温室气体减排的一种策略，尤其是在富N的热带地区。