方華軍，程淑蘭 ，于貴瑞，王永生，徐敏杰，黨旭升，李林森，王 磊

(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所/生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

大氣中溫室氣體濃度急劇增加是全球氣候變暖的主要原因［1］。甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是兩種重要的溫室氣體，百年尺度上其單位質(zhì)量的全球增溫潛勢(shì)(GWP)分別是CO2的25倍和298倍，對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)超過(guò)25%［1］。另一方面，CH4具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，能參與對(duì)流層中許多重要的大氣化學(xué)過(guò)程，而N2O不僅參與大氣中的光化學(xué)反應(yīng)，還會(huì)間接破壞平流層中的臭氧層［2］。近10年來(lái)，大氣中CH4和N2O濃度分別以每年0.9% 和0.25% 的速率持續(xù)增加，將直接和間接地對(duì)未來(lái)全球氣候變化產(chǎn)生巨大的影響［1］。目前大氣中CH4和N2O的源與匯收支并不平衡。據(jù)估計(jì)，全球大氣CH4和N2O的源分別為525 Tg CH4/a和55.6 Tg N2O/a，匯分別為 560Tg CH4/a 和 39.6 Tg N2O/a［3－4］。雖然水分非飽和的自然土壤(森林、草地)CH4吸收和N2O排放只占CH4總匯的9%(36Tg CH4/a)和N2O總源的4%(20.7Tg N2O/a)，卻是陸地土壤CH4和N2O源匯估算中最大不確定性之處［5－6］。

此外，全球碳循環(huán)研究中一個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題是已知的碳匯與碳源不平衡，數(shù)量上存在2—4 Pg C/a的“漏失匯(missing sink)”，主要分布在中高緯度森林地區(qū)［7］。自工業(yè)革命以來(lái)，大氣中活性氮(Reactive N)增加了11.5倍，導(dǎo)致全球大氣氮沉降量增加了2.5倍［8－9］。長(zhǎng)期緩慢的氮沉降輸入顯著增加受氮限制的陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量，是正確解釋“漏失匯”的重要途徑之一［10－11］。目前對(duì)碳、氮循環(huán)的相互作用機(jī)理還缺乏深入的認(rèn)識(shí)，有關(guān)氮沉降驅(qū)動(dòng)的陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳率還存在很大分歧［12－13］。例如，Magnani等［10］報(bào)道氮沉降導(dǎo)致溫帶和北方森林生態(tài)系統(tǒng)固碳率高達(dá)726 kg C/kg N，平均為400 kg C/kg N;而De Vries等［12］從樹(shù)種個(gè)體尺度和林分尺度分析了400個(gè)歐洲森林樣地，發(fā)現(xiàn)每沉降1 kg N 可增加碳固定 30—70 kg C，與 H?gberg［14］的研究結(jié)果基本一致(40kg C/kg N)，因此 Magnani等［10］人可能高估了大氣氮沉降的增匯效應(yīng)。雖然大氣氮沉降增加能夠提高陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，但是會(huì)顯著抑制土壤 CH4吸收和促進(jìn) N2O 排放［15－16］，反過(guò)來(lái)又增加了溫室氣體總的GWP［17］。如果綜合考慮氮沉降對(duì)土壤CH4和N2O通量的影響，由氮沉降產(chǎn)生的固碳潛力將被抵消53%—76%［17］。由此可見(jiàn)，深入理解水分非飽和土壤CH4吸收和N2O排放過(guò)程及其對(duì)氮沉降增加的響應(yīng)特征，是準(zhǔn)確量化陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力的前提和基礎(chǔ)。

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在全球碳循環(huán)尤其在固定大氣 CO2方面具有舉足輕重的作用［18］。據(jù)估計(jì)，全球森林面積約41億hm2，包括北方森林、溫帶森林和熱帶森林3個(gè)森林群區(qū)(Biome)，面積分別為13.72億 hm2，10.38億 hm2和17.55億hm2［18］;植被和土壤碳儲(chǔ)量為1240 Pg C，其中2/3 儲(chǔ)存在土壤中［19］。其中北方森林土壤有機(jī)碳(SOC)密度平均為296 Mg C/hm2，顯著高于溫帶和熱帶森林群區(qū)(122 Mg C/hm2)［18］。此外，森林土壤 CH4吸收和N2O排放速率顯著高于草地土壤，分別是大氣CH4和N2O重要的匯與源。熱帶森林群區(qū)土壤每年排放N2O 1.34Tg N/a，吸收 CH46.2Tg C/a，成為繼農(nóng)田之后最大的 N2O 排放源［20］。Cai［21］研究也發(fā)現(xiàn)，中國(guó)區(qū)域森林平均每年吸收CH4的數(shù)量為4.94 kg C hm－2a－1，排放 N2O 的量為 2.41 kg N hm－2a－1，均顯著高于草原。此外，低溫導(dǎo)致北方森林土壤氮素周轉(zhuǎn)較慢，土壤有效氮素處于匱乏狀態(tài);而熱帶和亞熱帶森林土壤風(fēng)化作用較強(qiáng)，土壤氮素周轉(zhuǎn)快，土壤有效氮素呈富集狀態(tài)［22］。土壤碳儲(chǔ)量和有效氮數(shù)量的顯著差異導(dǎo)致貧氮的北方森林和富氮的熱帶亞熱帶森林土壤碳氮?dú)怏w交換通量對(duì)外源性氮素輸入的響應(yīng)截然不同［23］。

近年來(lái)，有關(guān)森林土壤CH4吸收和N2O排放及其對(duì)增氮的響應(yīng)開(kāi)展了大量的研究，但仍然存在許多問(wèn)題尚未解決。本文分別綜述了森林土壤CH4吸收和N2O排放通量之間的耦合作用，森林土壤CH4和N2O的產(chǎn)生與消耗過(guò)程、關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子以及對(duì)增氮響應(yīng)的生物化學(xué)和微生物學(xué)機(jī)制，分析各個(gè)研究領(lǐng)域中存在的問(wèn)題和薄弱環(huán)節(jié)，提出未來(lái)的可能研究方向和擬解決的途徑，以期對(duì)該領(lǐng)域的研究起到推波助瀾的作用。

1 森林土壤CH4吸收和N2O排放之間的耦合作用

水分非飽和的森林土壤通常是大氣CH4的吸收匯和N2O的排放源。在好氧條件下，自養(yǎng)氨氧化菌將NH+4－N 氧化為 NO－2－N，異構(gòu)亞硝酸鹽還原酶利用NO－2作為電子受體產(chǎn)生N2O［24］;異養(yǎng)硝化細(xì)菌通過(guò)羥胺氧化酶(HAO)的催化作用，將氨氧化過(guò)程的中間產(chǎn)物羥胺轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和N2O［24］。與此同時(shí)，在好氧條件下，甲烷氧化菌利用土壤中的O2將土壤中產(chǎn)生的CH4和從大氣中擴(kuò)散進(jìn)入土壤的CH4氧化成CO2，然后釋放到大氣中［25］。雖然甲烷氧化菌和氨氧化菌都能氧化CH4和NH3，但兩者的專(zhuān)一性和氧化能力不同。在大氣CH4濃度下，甲烷單氧酶(MMO)傾向于選擇CH4而非NH3，土壤剖面中高濃度的CH4也可以顯著抑制土壤氨的氧化［26］。相反，在土壤無(wú)機(jī)氮含量增加的情景下，土壤中高濃度的NH3可以把CH4從結(jié)合點(diǎn)上驅(qū)趕下來(lái)，降低CH4的氧化量;由于甲烷氧化菌只能以CH4為唯一的碳源和能源，從而降低甚至抑制甲烷氧化菌的生長(zhǎng)［25］?？梢?jiàn)，土壤－大氣界面CH4和N2O凈交換通量是土壤甲烷氧化菌和N2O產(chǎn)生菌耦合作用的結(jié)果，兩者之間存在協(xié)同［27］、消長(zhǎng)［28］和隨機(jī)［29］的關(guān)系(圖 1)，很大程度上取決于環(huán)境條件、土壤類(lèi)型和氮素有效性［30］。Steudler等［31］最早報(bào)道水分非飽和土壤 CH4吸收和N2O排放之間呈消長(zhǎng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)森林砍伐后增加了土壤氮素的可利用性，導(dǎo)致土壤N2O排放增加了2倍，但卻顯著抑制了土壤CH4的吸收。類(lèi)似的消長(zhǎng)關(guān)系也常見(jiàn)于其它森林和草地生態(tài)系統(tǒng)［32－34］。Maljanen 等［27］研究發(fā)現(xiàn)，大氣氮沉降增加不但促進(jìn)了北方云杉林土壤N2O排放，而且也顯著促進(jìn)了土壤CH4的氧化和吸收，兩者之間呈明顯的協(xié)同關(guān)系。而Carter等［35］研究表明，多因子(溫度升高、夏季干旱延長(zhǎng)和CO2濃度富集)聯(lián)合作用傾向于促進(jìn)歐石南荒原土壤CH4的吸收，但對(duì)土壤N2O排放無(wú)顯著影響，兩者之間表現(xiàn)為隨機(jī)關(guān)系。雖然我們對(duì)水分非飽和的森林土壤CH4吸收和N2O排放過(guò)程的耦合現(xiàn)象有了一定的了解，但是有關(guān)土壤CH4吸收和N2O排放的耦合作用在時(shí)間和空間上的變化特征及其主控因子尚不明確。

2 森林土壤CH4和N2 O通量對(duì)大氣氮沉降增加的響應(yīng)

2.1 森林土壤CH4吸收和N2 O排放對(duì)增氮的響應(yīng)特征

圖1 森林土壤碳氮?dú)怏w通量產(chǎn)生與消耗過(guò)程及其主要耦合關(guān)系類(lèi)型Fig．1 The generation and consum ption of CO2，CH4 and N2O in forest soils aswell as the coup ling between three fluxes

施氮對(duì)水分非飽和的森林土壤CH4吸收和N2O排放的影響存在促進(jìn)、抑制和無(wú)顯著影響等3種結(jié)論，同步觀測(cè)數(shù)據(jù)表明施氮傾向于抑制土壤CH4吸收而促進(jìn)N2O排放［17］。就森林生態(tài)系統(tǒng)而言，施氮傾向于促進(jìn)土壤N2O排放，抑制或不影響土壤CH4吸收。Macdonald等［36］發(fā)現(xiàn)大氣氮沉降輸入降低云杉林土壤CH4氧化速率，土壤N2O高排放通量與高氮沉降相對(duì)應(yīng);土壤N2O通量、土壤溫度、土壤NH+4－N含量與土壤CH4吸收通量顯著相關(guān)。Butterbach－Bahl等［32］研究表明高氮沉降促進(jìn)歐洲赤松林土壤N2O排放，而低、中劑量氮沉降的影響不顯著;中氮處理的CH4吸收是高氮處理的2—5倍。Jassal等［34］研究表明冬季施氮顯著降低花旗松林土壤CH4吸收，土壤N2O由弱吸收轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著排放，施氮對(duì)CH4吸收的抑制作用要低于對(duì)N2O排放的促進(jìn)作用。Kim 等［28］研究發(fā)現(xiàn)施氮(50 kg N hm－2a－1)迅速增加日本北部落葉松人工林土壤NH+4和NO－3濃度，土壤CH4吸收下降48%，而土壤N2O排放增加69%;土壤CH4吸收通量和NH+4濃度負(fù)相關(guān)，而土壤N2O通量與土壤NO－3濃度正相關(guān)，據(jù)此認(rèn)為氮沉降引起土壤無(wú)機(jī)氮含量的增加，進(jìn)而影響寒溫帶森林土壤CH4吸收和N2O排放過(guò)程。類(lèi)似的施氮效應(yīng)在草地生態(tài)系統(tǒng)也十分常見(jiàn)。例如，Mosier等［37］研究發(fā)現(xiàn)美國(guó)科羅拉多短草草原土壤CH4吸收峰與土壤N2O排放谷相對(duì)應(yīng)，施氮早期抑制CH4吸收而促進(jìn)N2O排放，而長(zhǎng)期施氮對(duì)CH4無(wú)顯著影響但急劇增加土壤N2O排放。Rees等［33］研究表明短期內(nèi)施加NH4NO3能夠促進(jìn)歐洲草地土壤N2O排放和抑制土壤CH4吸收。也有研究表明施氮顯著促進(jìn)草地土壤N2O排放，但對(duì)土壤 CH4吸收無(wú)顯著影響，土壤N2O和CH4通量之間的關(guān)系表現(xiàn)為隨機(jī)性和對(duì)增氮響應(yīng)的非同步性［38－39］。綜上所述，水分非飽和土壤CH4和N2O凈交換通量對(duì)施氮?jiǎng)┝亢统掷m(xù)時(shí)間的響應(yīng)并非一成不變。目前，我們并不清楚施氮如何影響土壤N2O和CH4的產(chǎn)生與消耗過(guò)程及其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以及氮素有效性增加如何調(diào)控土壤CH4和N2O通量之間的耦合關(guān)系，因此有必要開(kāi)展多形態(tài)、低劑量的增氮控制實(shí)驗(yàn)來(lái)探討土壤CH4吸收和N2O排放對(duì)大氣氮沉降增加的響應(yīng)特征。

2.2 森林土壤CH4吸收和N2O排放對(duì)增氮的響應(yīng)機(jī)制

施氮對(duì)森林土壤CH4吸收的影響機(jī)制可以概括為4個(gè)方面:①競(jìng)爭(zhēng)甲烷單氧酶(MMO);②滲透壓引起的微生物生理性缺水;③代謝產(chǎn)物的毒害作用和④氮周轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抑制作用。土壤甲烷氧化菌和氨氧化菌都具有單氧酶，氨氧化菌的單氧酶(AMO)和甲烷氧化菌的顆粒狀單氧酶(pMMO)具有較高的相似性［40］。施氮直接增加土壤 NH+4或 NO－3的含量，土壤CH4吸收速率通常與土壤 NH+4濃度負(fù)相關(guān)［22，41］。NH+4對(duì)土壤CH4氧化的抑制作用可歸因于甲烷單氧酶對(duì)底物NH3和CH4的競(jìng)爭(zhēng)，但該理論一直備受質(zhì)疑［42－44］。NO－除了能夠直接抑制甲烷氧

3化菌活性外，與NO－3結(jié)合的陽(yáng)離子對(duì)甲烷氧化菌活性的抑制作用更強(qiáng)［45］。最近，Bodelier［46］總結(jié)性地認(rèn)為，土壤NH+4－N 和 NO－3－N累積也可增加土壤CH4吸收，這與土壤氨氧化細(xì)菌增加有關(guān)，其內(nèi)在的機(jī)理尚不清楚。許多研究表明施氮過(guò)程中附加的鹽離子( 如 Cl－，SO24－，K+等)強(qiáng)烈抑制草地和森林土壤CH4吸收，歸因于鹽離子增加了土壤水的滲透壓，造成甲烷氧化菌生理性缺水，從而降低其活性［5，45］。施氮產(chǎn)生的毒性效應(yīng)包括土壤酸化［47－48］、Al3+濃度增加［49－50］、氮礦化的中間產(chǎn)物羥胺和 NO－2累積［51］以及乙烯、單萜類(lèi)物質(zhì)的生成［2，52］等。另外，土壤氮周轉(zhuǎn)是氮素能夠長(zhǎng)期抑制CH4吸收的關(guān)鍵，土壤CH4氧化速率通常與硝化速率以及N2O排放通量負(fù)相關(guān)［25，53］。施氮傾向于促進(jìn)土壤N2O排放，但是支配其產(chǎn)生的過(guò)程并不確定，取決于土壤水分、溫度和無(wú)機(jī)氮含量。在中度濕潤(rùn)、溫暖和NH+4富集的土壤中，硝化作用是N2O排放的主要過(guò)程［54］。相反，在水分飽和、寒冷和NO－3富集的土壤條件下，反硝化是N2O主要的產(chǎn)生過(guò)程［55］。然而，過(guò)去有關(guān)土壤CH4吸收和N2O排放對(duì)增氮的響應(yīng)研究多是獨(dú)立進(jìn)行的，沒(méi)有同步分析增氮對(duì)土壤CH4氧化、硝化和反硝化過(guò)程的影響，難以準(zhǔn)確地揭示水分非飽和土壤CH4吸收和N2O排放之間的耦合作用及其對(duì)增氮的響應(yīng)特征，穩(wěn)定性碳氮同位素示蹤技術(shù)可為解決該問(wèn)題提供新的契機(jī)。

從微生物學(xué)角度來(lái)看，水分非飽和土壤CH4吸收和N2O排放的耦合作用及其對(duì)增氮的響應(yīng)在一定程度上與甲烷氧化菌群落和N2O產(chǎn)生菌群落的活性和結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。甲烷氧化菌可分為低親和力的Ⅰ型甲烷氧化菌(MOBⅠ)和高親和力的Ⅱ型甲烷氧化菌(MOBⅡ)，施氮傾向于抑制MOBⅡ的活性，但對(duì)MOBⅠ的活性無(wú)影響甚至表現(xiàn)為促進(jìn)作用［56－57］。Menyailo等［58］發(fā)現(xiàn)由于不同類(lèi)型甲烷單氧酶對(duì)NH3的親和力不同，抵制毒性物質(zhì)的能力也不同，導(dǎo)致了土壤 CH4氧化對(duì)增氮響應(yīng)的多樣性和復(fù)雜性。Nyerges和Stein［51］研究也發(fā)現(xiàn)，不同甲烷氧化菌群落對(duì)施氮的耐受力不同，森林土壤中MOBⅠ和MOBⅡ的相對(duì)豐富度可以用來(lái)指示微生物對(duì)NH+4和NO－2毒性效應(yīng)的耐受力。最近，Maxfield等［59］利用13CH4－PLFA－SIP技術(shù)研究草地和農(nóng)田土壤CH4吸收機(jī)制，發(fā)現(xiàn)施加有機(jī)肥導(dǎo)致土壤甲烷氧化菌群落向Ⅰ型甲烷氧化菌轉(zhuǎn)變，高劑量施氮反而增加土壤甲烷氧化菌生物量，說(shuō)明非甲烷氧化菌(如硝化細(xì)菌)對(duì)其具有潛在的調(diào)節(jié)作用。水分非飽和土壤中氨氧化細(xì)菌(AOB)主要包括亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)、亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)和亞硝化螺菌屬(Nitrosopira)等，進(jìn)一步可分成9個(gè)不同的進(jìn)化簇［60］。通過(guò)對(duì)β變形菌綱氨氧化菌16S rRNA和氨單加氧酶(amoA)基因的克隆、測(cè)序和變形梯度凝膠電泳(DGGE)分析，Schmidt等［24］對(duì)比研究氮沉降對(duì)蘇格蘭氮限制和氮飽和兩種森林土壤氨氧化菌群落的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，氮沉降沒(méi)有顯著改變氮限制云杉林土壤氨氧化菌群落豐富度，包括亞硝化單胞菌和亞硝化螺菌屬;而氮飽和的云杉林土壤以非氨氧化菌群落為主，沒(méi)有檢測(cè)到amoA基因序列;這些結(jié)果表明即使在高氮沉降區(qū)氨氧化菌對(duì)土壤N2O產(chǎn)生的貢獻(xiàn)較小。Kandeler等［61］研究發(fā)現(xiàn)移除氮沉降不影響土壤總細(xì)菌、硝酸還原菌和反硝化細(xì)菌群落活性，N2O還原酶(nosZ)/16S rRNA基因和nosZ/nirK的比率隨著土壤深度增加，表明礦質(zhì)土壤中反硝化細(xì)菌的比例高于有機(jī)層。除了硝化細(xì)菌外，甲基營(yíng)養(yǎng)菌對(duì)好氧環(huán)境下土壤硝化來(lái)源N2O的貢獻(xiàn)也比較顯著。Acton和Baggs［30］發(fā)現(xiàn)施氮抑制了土壤 CH4氧化，促進(jìn)了N2O排放，主要是甲基營(yíng)養(yǎng)菌轉(zhuǎn)變其功能來(lái)氧化NH3所致。由于甲烷氧化菌和氨氧化菌在生理學(xué)和生物化學(xué)方面十分相似，任何抑制CH4氧化的過(guò)程均能促進(jìn)NH3的氧化，施氮潛在地改變了甲基營(yíng)養(yǎng)菌氧化大氣CH4的功能。綜上所述，提出以下兩點(diǎn)假設(shè):(1)低劑量施氮或施氮初期，大部分外源性氮素被植物吸收和被土壤微生物固持，施氮可能不改變甚至促進(jìn)土壤甲烷氧化菌和N2O產(chǎn)生菌群落活性，不改變或輕微促進(jìn)貧氮森林土壤CH4吸收和N2O排放。(2)高氮輸入或長(zhǎng)期施氮可能會(huì)顯著抑制富氮森林土壤高親和力的Ⅱ型甲烷氧化菌群落活性，提高一些N2O產(chǎn)生菌群落(尤其是甲基型營(yíng)養(yǎng)菌和反硝化細(xì)菌)活性，進(jìn)而抑制CH4吸收和促進(jìn)N2O排放。然而，有關(guān)水分非飽和土壤甲烷氧化菌和氨氧化菌的競(jìng)爭(zhēng)程度及其重要性知之甚少，甲基營(yíng)養(yǎng)菌在土壤氨氧化或N2O產(chǎn)生過(guò)程中的作用尚不確定，分子生物學(xué)技術(shù)可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)施氮對(duì)甲烷氧化菌和氨氧化菌群落活性和多樣性的影響。

3 現(xiàn)有研究不足與未來(lái)研究展望

目前，圍繞森林土壤CH4吸收和N2O排放對(duì)大氣氮沉降的響應(yīng)這一前沿科學(xué)命題已做了大量的研究，但仍然存在很多研究不足和不確定性。例如，有關(guān)氮素對(duì)森林土壤CH4吸收的調(diào)控機(jī)制假說(shuō)眾說(shuō)紛紜，并且許多假說(shuō)無(wú)法合理地解釋森林生態(tài)系統(tǒng)施氮初期和后期土壤CH4吸收的轉(zhuǎn)變，在解釋氮限制和磷限制森林土壤CH4吸收格局時(shí)也常常自相矛盾［62］。關(guān)于水分非飽和森林土壤N2O排放，存在以硝化作用和反硝化過(guò)程貢獻(xiàn)為主兩種結(jié)論，相應(yīng)地增氮對(duì)硝化和反硝化過(guò)程的促進(jìn)作用及其對(duì)N2O排放的相對(duì)貢獻(xiàn)難以準(zhǔn)確量化［55］。主要原因包括:(1)現(xiàn)有的增氮控制試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)多集中在大氣氮沉降較高的溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)，沒(méi)有區(qū)分氮素形態(tài)(氧化態(tài)NO－3、還原態(tài) NH+4和有機(jī)態(tài)DON)影響的差異，難以解釋北方森林、溫帶森林、熱帶/亞熱帶森林土壤碳氮通量對(duì)增氮的響應(yīng)機(jī)理［63］。(2)森林土壤CO2，CH4和N2O通量來(lái)源的研究多為獨(dú)立進(jìn)行的，忽視了不同通量組分對(duì)增氮響應(yīng)的差異，無(wú)法闡明土壤CO2，CH4和N2O通量之間的耦合關(guān)系及其對(duì)增氮的響應(yīng)機(jī)制［4］。(3)雖然微生物分子生態(tài)學(xué)方法日新月異，但是每種方法均存在一定的局限性，相關(guān)研究基本上停留在某類(lèi)微生物功能群活性和群落組成的評(píng)價(jià)上，依然未能將微生物功能群落動(dòng)態(tài)與土壤碳氮通量真正地聯(lián)系起來(lái)［64］。在未來(lái)幾年內(nèi)，關(guān)于土壤CH4和N2O通量耦合作用及其對(duì)增氮的響應(yīng)研究應(yīng)該在以下3個(gè)方面亟待加強(qiáng):(1)流域尺度森林土壤碳氮通量、氮流失與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力之間的耦合關(guān)系。在小流域尺度上，通過(guò)高頻率測(cè)定土壤－大氣界面碳氮?dú)怏w凈交換通量，同步測(cè)定土壤、滲漏液和地表徑流中有效碳氮含量和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，重點(diǎn)研究流域尺度森林土壤氣體通量時(shí)空分異特征、氮遷移對(duì)氣體交換的影響及其自然因素的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。(2)生態(tài)系統(tǒng)尺度土壤 CH4氧化和N2O產(chǎn)生的交互作用及其氮素調(diào)控作用。基于多形態(tài)、多水平的氮沉降模擬控制試驗(yàn)，集合野外監(jiān)測(cè)和13C和15N雙同位素示蹤技術(shù)，測(cè)定不同處理下森林土壤CH4氧化和N2O產(chǎn)生速率，區(qū)分土壤N2O的主要來(lái)源，探討CH4氧化過(guò)程和N2O產(chǎn)生過(guò)程之間的交互作用。(3)分子尺度上探討施氮對(duì)土壤甲烷氧化菌、氨氧化菌活性和群落組成的影響。采用常規(guī)培養(yǎng)法測(cè)定不同施氮處理土壤甲烷氧化菌和氨氧化菌數(shù)量，利用基于PCR的分子生態(tài)學(xué)方法(如TRFLP、基因芯片、克隆測(cè)序等)，對(duì)比分析不同處理表層和亞表層土壤甲烷氧化菌和氨氧化菌群落物種豐富度和多樣性指數(shù)的差異，闡明典型森林土壤甲烷氧化菌和氨氧化菌群落活性和群落組成對(duì)增氮的響應(yīng)。期望通過(guò)該項(xiàng)研究，能夠比較全面地理解典型森林土壤CH4吸收和N2O排放的耦合作用及其氮素調(diào)控機(jī)制。

4 結(jié)論

森林土壤CH4吸收和N2O排放對(duì)大氣氮沉降的響應(yīng)十分復(fù)雜，包括促進(jìn)、抑制和不變3種截然不同的結(jié)論;低氮傾向于促進(jìn)貧氮森林土壤CH4吸收，不改變土壤N2O排放，而高氮顯著抑制富氮森林土壤CH4吸收以及促進(jìn)N2O排放。相應(yīng)地，森林土壤CH4吸收和N2O排放通量之間也存在協(xié)同、消長(zhǎng)和隨機(jī)等多種復(fù)雜的耦合形式。有關(guān)氮素對(duì)森林土壤CH4吸收的調(diào)控作用機(jī)制相對(duì)清晰，主要包括競(jìng)爭(zhēng)抑制和毒性抑制兩個(gè)方面。但是，關(guān)于增氮對(duì)土壤N2O排放的促進(jìn)作用卻存在硝化作用和反硝化貢獻(xiàn)之爭(zhēng)，促進(jìn)機(jī)理至今不明晰，歸因于土壤N2O產(chǎn)生和消耗過(guò)程的復(fù)雜性。在微生物學(xué)機(jī)理探討方面，結(jié)合生物化學(xué)和微生物分子生態(tài)學(xué)諸多手段，近年來(lái)我們大量探討了甲烷氧化菌、氨氧化菌和反硝化細(xì)菌等功能群落在土壤CH4氧化和N2O排放過(guò)程中作用，但是依然未能將微生物功能群落演變與土壤碳氮通量動(dòng)態(tài)真正地聯(lián)系起來(lái)。而且，過(guò)去關(guān)于森林土壤CH4吸收和N2O排放過(guò)程對(duì)增氮響應(yīng)多為獨(dú)立進(jìn)行的，對(duì)其不同耦合關(guān)系背后的微生物學(xué)機(jī)制研究尚未系統(tǒng)地開(kāi)展。

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