方華軍 耿 靜 程淑蘭 徐 夢 盧明珠 于光夏 曹子鋮

（1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，生態(tài)系統(tǒng)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

（2 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049）

大氣氮沉降是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的氮輸入過程，對維持生態(tài)系統(tǒng)氮平衡和生產(chǎn)力至關(guān)重要。然而，人類活動加速了氮的輸入過程，顯著改變陸地生態(tài)系統(tǒng)的過程和功能。據(jù)估計(jì)，過去145年（1860—2005），全球氮沉降增加了近3倍，預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)到200 Tg·a-1［1］。由于大多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)普遍受到氮的限制，大氣氮沉降增加會顯著促進(jìn)植物生長和生態(tài)系統(tǒng)碳固定，是正確解釋“失蹤碳匯”（missing carbon sink）的重要途徑。目前有關(guān)氮沉降驅(qū)動陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳效率的研究結(jié)果存在很大的不確定性，不同學(xué)者估計(jì)的“氮促碳匯”范圍為每千克沉降氮固碳16～470 kg［2-3］。相似地，氮素富集條件下土壤碳儲量的演變方向也存在分歧，包括增加、降低和不變等三種結(jié)論，施氮引起土壤碳匯增量變化范圍為每千克沉降氮固碳0～70 kg［4-5］，同樣存在著很大的不確定性。

陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力（NPP）除了受氮限制外，還會受磷限制或氮磷共同限制。大氣氮沉降會改變生態(tài)系統(tǒng)磷的賦存形態(tài)和生態(tài)化學(xué)計(jì)量平衡，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)碳的轉(zhuǎn)化和累積過程。研究表明，氮沉降增加促使植物根系和土壤微生物合成更多的胞外磷酸酶，加速土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）的礦化和磷酸鹽的釋放［6］；而且，氮沉降增加也會導(dǎo)致土壤酸化和Fe3+、Al3+濃度升高，增強(qiáng)土壤有效磷的吸附，從而降低土壤磷的可利用性［7］。此外，全球大氣氮磷沉降的摩爾比（46.5）遠(yuǎn)高于陸地植物最佳生長的N/P摩爾比（16～22），不利于植物的生長和生物量積累［8］。中國區(qū)域濕沉降的N/P比更大（77±40），與土壤N/P比負(fù)相關(guān)［9］。因此，氮沉降的持續(xù)增加會促使生態(tài)系統(tǒng)由氮限制轉(zhuǎn)變?yōu)榱紫拗?，隨著土壤N/P比持續(xù)升高，磷對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的限制作用逐漸增強(qiáng)。目前關(guān)于氮沉降增加以及不同形態(tài)氮添加對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳過程和碳平衡的研究較多，在響應(yīng)格局和驅(qū)動機(jī)制方面已取得一系列普遍的共識。遺憾的是，有關(guān)外源性磷輸入以及氮磷交互作用對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響研究還十分薄弱，導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力估算存在很大的不確定性。

全球人工林面積約1.4×109hm2，總碳儲量約為11.8 Pg C，每年增匯0.18 Pg C，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定中具有舉足輕重的地位［10］。我國人工林面積高達(dá)0.62億hm2，約占世界人工林總面積的1/3，居世界之首；中國森林碳匯的80%來源于人工林碳固定［11］。南方亞熱帶常綠針葉林分布于全國氮沉降最高的地區(qū)（＞30 kg·hm-2·a-1），其面積占全國人工森林面積的54%［12］。此外，80%的亞熱帶常綠針葉林為幼齡純林，群落結(jié)構(gòu)單一，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，對外源性氮磷輸入響應(yīng)敏感。過去30年，國際上有關(guān)氮沉降和氮磷交互作用的影響研究主要集中于地帶性的自然林，對人工林尤其是亞熱帶常綠針葉林關(guān)注較少，基礎(chǔ)性研究數(shù)據(jù)十分缺乏，無法準(zhǔn)確評估大氣氮磷沉降對亞熱帶人工林碳匯變化的貢獻(xiàn)；此外，有關(guān)氮磷富集情景下土壤有機(jī)碳（SOC）累積過程與功能微生物群落演變的研究相對獨(dú)立，有必要將兩者耦合起來。

圖1 氮磷富集對森林生態(tài)系統(tǒng)地下碳循環(huán)過程的影響Fig. 1 Effects of nitrogen and phosphorus enrichment on underground carbon recycling processes in forest ecosystems

大氣氮磷沉降輸入一方面增加土壤養(yǎng)分的可利用性，刺激植物的光合、植物生長和碳分配，改變?nèi)~凋落物和根系的數(shù)量和質(zhì)量，進(jìn)而影響底物的可利用性（圖1）；同時，底物的數(shù)量和質(zhì)量的改變又會影響土壤微生物和動物群落的組成和功能，直接影響土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化速率、CO2和溶解性碳（DOC和DIC）的交換通量以及土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）的化學(xué)組成與儲量（圖1）。本文從森林土壤碳轉(zhuǎn)化的主要路徑出發(fā)，圍繞“森林土壤碳循環(huán)對氮磷交互的非線性響應(yīng)及機(jī)制”這一前沿命題，從生物地球化學(xué)和分子生物學(xué)角度，分別綜述氮磷富集對森林（尤其是人工林）土壤碳通量、原有SOC的激發(fā)效應(yīng)、SOM的穩(wěn)定性以及功能微生物群落組成的影響及其潛在機(jī)理，并指出各個研究領(lǐng)域的薄弱環(huán)節(jié)，明確未來可能的研究重點(diǎn)。

1 氮磷富集對土壤CO2排放和DOC流失的影響

土壤CO2排放是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，主要由三個生物過程（土壤微生物呼吸、根系呼吸和土壤動物呼吸）和一個非生物過程（含碳物質(zhì)的化學(xué)氧化）組成?；趩握军c(diǎn)和全球增氮控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整合（Meta）分析，森林土壤CO2排放對外源性氮輸入的響應(yīng)有促進(jìn)、抑制和無顯著影響等三種結(jié)論，與森林生態(tài)系統(tǒng)類型、初始有效氮狀態(tài)、施氮類型與劑量以及持續(xù)時間等因素有關(guān)，取決于森林生態(tài)系統(tǒng)“氮飽和”階段。在時間序列上，森林土壤CO2排放對增氮的響應(yīng)呈現(xiàn)非線性，包括促進(jìn)→不變→抑制三個演變階段。施氮初期，植物地下碳分配增加刺激了土壤微生物活性，凋落物C/N比的下降提高了其易分解性［13］。隨著土壤無機(jī)氮的累積，植物根系自養(yǎng)呼吸仍被促進(jìn)，而土壤微生物異養(yǎng)呼吸則被抑制，兩者之間的消長導(dǎo)致土壤CO2排放對增氮響應(yīng)不顯著［14］。施氮后期，氮素富集降低根系生物量、地下碳分配以及植物根/冠比，同時抑制有機(jī)質(zhì)降解的胞外酶活性，從而降低凋落物和SOM的分解［15］。同樣，磷添加對森林土壤CO2通量的影響也有促進(jìn)、抑制和不變等三種結(jié)論，氮磷交互效應(yīng)更加多元化。例如，Zeng和Wang［16］發(fā)現(xiàn)單獨(dú)添加磷不改變?nèi)眽握磷铀闪滞寥篮粑≧s）及其組分，但是氮磷配施會顯著促進(jìn)樟子松林土壤的碳排放。相反，Kang等［17］研究表明，氮磷添加降低13種北方硬木林土壤呼吸，細(xì)根生物量或根際碳通量決定了土壤呼吸對養(yǎng)分添加的響應(yīng)。Wang等［18］研究也發(fā)現(xiàn)氮磷添加顯著降低亞熱帶杉木林土壤呼吸及其組分（自養(yǎng)呼吸Ra和異養(yǎng)呼吸Rh），并且施磷提高了Rh對土壤呼吸下降的貢獻(xiàn)率?？梢?，土壤呼吸不同組分對氮磷添加差異性響應(yīng)可能是導(dǎo)致土壤呼吸多樣性響應(yīng)的根源，下一步應(yīng)該通過同位素技術(shù)等方法分離出呼吸組分，進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)理性解析。

溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）是SOC循環(huán)和氮、磷、硫等養(yǎng)分運(yùn)移的重要媒介。據(jù)估計(jì)，每天由土壤呼吸損失的碳量相當(dāng)于溶解性有機(jī)碳（DOC）庫的70%，占總土壤碳庫的0.06%［19］。森林土壤DOC主要來源于根際沉積和枯枝落葉的降解，其損耗主要通過生物降解和物理淋溶。氮沉降/施氮能夠增加、降低和不改變土壤DOC含量和流失通量。氮素輸入傾向于增加森林流域DOC流失量，與植被生產(chǎn)力增加和pH變化有關(guān)［20］。少數(shù)案例研究結(jié)果剛好相反。例如，Lu等［21］研究發(fā)現(xiàn)，施氮7年顯著降低亞熱帶常綠闊葉林土壤溶液中DOC的含量和主根區(qū)土壤DOC的年流失通量，溶液酸化改變土壤吸附能力是導(dǎo)致亞熱帶老齡林土壤持續(xù)固碳的一個新機(jī)制。施氮促進(jìn)或抑制土壤DOC流失的潛在機(jī)制是：礦質(zhì)氮抑制木質(zhì)素降解的白腐菌活性，增加水溶性產(chǎn)物的釋放［22］；相反，微生物同化氮刺激了對碳的需求，以及土壤礦物的物理吸附，兩者均會降低森林土壤DOC的流失通量［21］。除了改變土壤DOC的數(shù)量，外源性氮輸入還會改變土壤DOM的組成和化學(xué)結(jié)構(gòu)。施氮傾向于增加DOM的腐殖化系數(shù)，增加生物的可降解性［23］。施磷對森林土壤DOC的影響研究較少。Cleveland等［24］報(bào)道，雖然施磷未改變熱帶森林凋落物的質(zhì)量損失，但是刺激了微生物固持凋落物分解釋放的磷，降低DOM的C/P比，進(jìn)而促進(jìn)DOM的微生物礦化。相反，Mori等［25］發(fā)現(xiàn)施磷顯著增加泰國熱帶森林土壤DOC含量和CO2排放量，認(rèn)為熱帶森林土壤受磷限制，外源性磷添加會改變土壤微生物群落。由于大多數(shù)研究觀測時間較短（＜3年），只能觀測到土壤碳通量對增氮的線性響應(yīng)特征。與非線性方程相比，土壤碳通量與氮添加劑量之間的線性方程在不同的氮飽和階段會低估或高估土壤碳通量的平衡［26］。綜上所述，氮、磷輸入對森林土壤碳通量及其組分的影響迥異，導(dǎo)致這種差異性響應(yīng)的原因和潛在機(jī)制尚不清楚。目前未能構(gòu)建亞熱帶常綠針葉林土壤CO2排放和DOC流失通量對氮磷輸入的非線性響應(yīng)函數(shù)，引起森林土壤碳損失急劇轉(zhuǎn)變的氮沉降臨界負(fù)荷也尚未確定。

2 氮磷富集對原有SOC激發(fā)效應(yīng)的影響

激發(fā)是指有機(jī)質(zhì)輸入促使SOC周轉(zhuǎn)發(fā)生的變化，方向可正可負(fù)，導(dǎo)致SOC礦化增加或降低［27］。正負(fù)激發(fā)的平衡非常復(fù)雜，在時間和空間上可以相互轉(zhuǎn)化。全球尺度上，根系分泌物、凋落物和動物殘?bào)w輸入能夠?qū)е耂OM礦化增加380%（正激發(fā)）或降低50%（負(fù)激發(fā))［28］，顯著影響陸地生態(tài)系統(tǒng)和土壤的碳平衡。與微生物活性相關(guān)的激發(fā)機(jī)制包括：（1）共代謝（co-metabolism）和活化理論：添加易降解的能源物質(zhì)刺激了微生物活性，增加微生物礦化SOM的能力［27］；（2）刺激/抑制作用：添加的底物改變了土壤環(huán)境（如pH），提高或降低微生物活性［28］；（3）底物優(yōu)先利用：添加的底物更容易被微生物作為能源利用，導(dǎo)致SOM分解下降［29］；（4）穩(wěn)定機(jī)制：添加的底物與SOM相互作用或被SOM吸附，降低微生物的可利用性［28］；（5）微生物挖掘（microbial mining）：在氮受限制而活性碳充足時，微生物利用碳和能源來獲取難分解有機(jī)質(zhì)中的氮、磷養(yǎng)分［30］。本質(zhì)上，負(fù)激發(fā)是微生物從利用SOM轉(zhuǎn)變?yōu)楣坛只钚杂袡C(jī)質(zhì)，在微生物活性受碳限制時發(fā)生［31］。普遍認(rèn)為，負(fù)激發(fā)是底物優(yōu)先利用的結(jié)果，而活化理論與微生物挖掘常被用來解釋SOM礦化的正激發(fā)效應(yīng)［32］。

激發(fā)效應(yīng)的發(fā)生還會受到土壤養(yǎng)分可利用性的制約。氮添加對SOM降解具有負(fù)激發(fā)、正激發(fā)和零激發(fā)等三種效應(yīng)。當(dāng)土壤養(yǎng)分缺乏時，微生物可“投資”1%～5%的同化產(chǎn)物用于產(chǎn)生胞外酶，通過解聚作用來分解部分難以利用的有機(jī)質(zhì)，獲取其所需的養(yǎng)分［33］。在氮磷富集條件下，微生物偏好利用易分解的有機(jī)質(zhì)，而無需通過分解難以利用的SOM來獲取養(yǎng)分，從而減少對胞外酶的投資。同時，較高的可利用性氮磷會減少植物向地下碳的分配［34］，降低土壤微生物數(shù)量和活性，發(fā)生負(fù)激發(fā)效應(yīng)，抑制SOM的礦化［35］。最近，Nottingham等［36］構(gòu)建添加13C標(biāo)記的葡萄糖培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)磷添加促進(jìn)巴拿馬熱帶森林土壤中活性碳（葡萄糖）的礦化，而氮添加抑制了SOC的礦化，氮磷同時添加對活性碳礦化的促進(jìn)作用和對SOC礦化的抑制效應(yīng)最大。同樣，基于13C標(biāo)記凋落物的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，Wang等［18］發(fā)現(xiàn)氮磷單獨(dú)或聯(lián)合添加均抑制華南亞熱帶馬尾松林土壤呼吸，促進(jìn)土壤碳截存。相反，Poeplau等［37］發(fā)現(xiàn)施磷導(dǎo)致氮限制土壤有機(jī)碳庫耗竭，其潛在的機(jī)制為：施磷降低了植物根/莖比和叢枝菌根真菌的豐度，導(dǎo)致更高的根源碳輸入到土壤中，刺激了土壤異養(yǎng)呼吸；此外，磷輸入增加了氮的輸出，導(dǎo)致微生物氮的挖掘作用和有機(jī)質(zhì)礦化增加?？梢?，過去有關(guān)激發(fā)效應(yīng)的研究幾乎全部集中于碳，鮮有研究關(guān)注氮磷等其他養(yǎng)分的影響。雖然已認(rèn)識到養(yǎng)分可利用性會影響激發(fā)效應(yīng)的強(qiáng)度和方向，但是對影響的程度和潛在的機(jī)制知之甚少，限制了對森林土壤碳氮循環(huán)驅(qū)動力的預(yù)測。

圖2 土壤激發(fā)效應(yīng)的時間演變及其主控機(jī)理Fig. 2 Temporal evolution of soil priming effect and its major control mechanisms

3 氮磷富集對SOM組成與穩(wěn)定性的影響

SOM庫由不同分解階段的有機(jī)物組成，包括完全分解的腐殖質(zhì)、半分解有機(jī)殘?bào)w、微生物及其排泄物。在操作上，按照密度可將SOM分為游離態(tài)輕組（free light fraction）、包裹態(tài)輕組（intraaggregate light fraction）和重組（heavy fraction）［38］等組分。按照SOM在土壤結(jié)構(gòu)中的分布，可分為溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）、游離態(tài)顆粒有機(jī)質(zhì)（free POM）、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)質(zhì)（occluded POM）和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)（MAOM）［39］。SOC不同組分對外源性氮輸入的響應(yīng)并不一致，取決于生態(tài)系統(tǒng)類型、施氮劑量與類型以及持續(xù)時間。例如，Hagedorn等［40］發(fā)現(xiàn)氮沉降顯著促進(jìn)瑞士亞高山森林土壤輕組碳分解，卻使重組碳變得更加穩(wěn)定。Zhong等［41］研究指出，施氮降低亞熱帶馬尾松林土壤微生物活性，阻礙SOC分解，導(dǎo)致團(tuán)聚體中DOC、熱水提取有機(jī)碳（HWOC）含量增加，暗示團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用會促進(jìn)土壤碳的積累。此外，受氮限制的森林和草地生態(tài)系統(tǒng)SOC對施氮劑量的響應(yīng)似乎存在一個臨界閾值?；诩幽么蟛莸?7年的施氮實(shí)驗(yàn)，Malhi等［42］研究表明，低劑量氮輸入增加SOC和輕組碳含量，施氮水平為N336和224 kg·hm-2·a-1時，表層和亞表層SOC和輕組碳含量分別達(dá)到最高值，隨著施氮劑量的持續(xù)增加，SOC和輕組碳反而下降。相似地，低劑量氮添加顯著增加大興安嶺北方森林和青藏高原高寒草甸SOC和顆粒態(tài)有機(jī)碳（POC）含量，而中、高劑量氮添加卻導(dǎo)致土壤碳的耗竭，SOC由截存轉(zhuǎn)變?yōu)閾p耗的大氣氮沉降臨界負(fù)荷為20 kg·hm-2·a-1，并且銨態(tài)氮肥對SOC的損耗高于硝態(tài)氮肥［43-44］。

SOC的截存與穩(wěn)定是一個物理、化學(xué)和生物共同作用的過程。SOM的穩(wěn)定機(jī)制分為三類：（1）土壤團(tuán)聚體的物理保護(hù)。（2）金屬氧化物、無機(jī)氮離子和黏土礦物/有機(jī)碳的結(jié)合。例如，和能夠結(jié)合到SOM骨架中，生成微生物難以降解的化合物（如雜環(huán)氮化合物）［45］，或通過氮鍵生成酚聚合物［46］，進(jìn)而促進(jìn)SOC的積累。（3）SOM的化學(xué)穩(wěn)定性。SOM由多種復(fù)雜的有機(jī)分子單體和化合物組成，不同組分化學(xué)結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致SOM化學(xué)穩(wěn)定性千差萬別。新增的SOC能否在土壤中穩(wěn)定持留很大程度上取決于SOM的化學(xué)結(jié)構(gòu)。利用1H-NMR波譜和PLFA技術(shù)，F(xiàn)eng等［47］研究發(fā)現(xiàn)施氮降低美國杜克森林礦質(zhì)層土壤真菌/細(xì)菌比和革蘭氏陰性/陽性細(xì)菌（G-/G+）比，增加木質(zhì)素酚中的酸/醛比，提高礦質(zhì)層土壤木質(zhì)素的降解；同時，施氮促進(jìn)木質(zhì)素、脂肪類有機(jī)質(zhì)的微生物降解，導(dǎo)致植物源難分解結(jié)構(gòu)（如烷基碳）在土壤中富集。同樣，Pisani等［48］也發(fā)現(xiàn)氮素富集增加北美哈佛森林凋落物層植物源碳輸入，提高了木質(zhì)素的氧化程度，導(dǎo)致礦質(zhì)層土壤植物源烷基碳和微生物源有機(jī)質(zhì)富集。有效氮不同的森林對增氮響應(yīng)差異很大。Cusack等［49］研究指出施氮增加低海拔熱帶森林土壤革蘭氏陰性細(xì)菌豐度，導(dǎo)致活性的烷氧基碳顯著下降；相反，施氮增加高海拔熱帶森林真菌生物量，進(jìn)而降低了烷基碳的含量，胞外酶活性提供了微生物群落結(jié)構(gòu)與SOM化學(xué)結(jié)構(gòu)在功能上的聯(lián)系。相似地，Xu等［50］研究發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)前期氮硫添加促進(jìn)亞熱帶馬尾松葉凋落物分解，土壤CO2排放增加與烷氧基碳的損失有關(guān)；培養(yǎng)后期土壤CO2排放減少，伴隨著甲氧基碳含量的增加；凋落物烷基碳、芳香碳與土壤緩性碳庫的半衰期正相關(guān)，暗示長期氮硫沉降會增加凋落物殘?bào)w的耐分解性和植物殘?bào)w碳積累。然而，關(guān)于磷添加對SOM化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響結(jié)果極少。Guo等［51］研究表明，氮磷添加顯著降低高寒草甸土壤微生物活性，增加有機(jī)底物的芳香度和脂肪度，且Q10值與SOM的復(fù)雜度呈正相關(guān)，長期氮磷添加會增加青藏高原變暖情景下土壤凈碳損失預(yù)測的不確定性。就有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)測定方法而言，CP MAS13C-NMR技術(shù)擅長表達(dá)復(fù)雜大分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的總體特征，而熱裂解-色譜-質(zhì)譜（Py-GC/MS）技術(shù)通過將大分子化合物降解為小分子的化合物，能夠更加精確地表征有機(jī)質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)。綜上所述，物理分組能夠認(rèn)識有機(jī)-礦物顆粒空間排列對SOC動態(tài)的影響，而化學(xué)分析可以從分子水平上理解不同有機(jī)單體和化合物之間的聯(lián)系。因此，在SOM物理分組的基礎(chǔ)上，結(jié)合化學(xué)分析技術(shù)（13C NMR和Py-GC/MS），能夠進(jìn)一步闡明氮磷交互作用對SOM組成和化學(xué)穩(wěn)定性的影響機(jī)制。

4 氮磷富集對土壤微生物群落組成和功能的影響

通俗而言，土壤微生物群落組成就是誰發(fā)生了變化，變化了多少？微生物功能即是它們正在干什么？SOM的積累通常與真菌系統(tǒng)發(fā)育多樣性、木質(zhì)纖維素水解胞外酶活性呈正相關(guān)，而細(xì)菌多樣性和功能基因組成通常受土壤pH支配［52］。氮沉降增加導(dǎo)致森林土壤無機(jī)氮富集，理論上會產(chǎn)生以下三種效應(yīng)：（1）施氮抑制腐生真菌分泌木質(zhì)纖維素水解酶，降低腐生微生物群落獲取碳源（如纖維素、半纖維素）的能力。根據(jù)密歇根糖楓林近20年的模擬氮沉降控制試驗(yàn)結(jié)果，長期沉降顯著抑制了白腐擔(dān)子菌酚氧化酶的產(chǎn)生［22］，降低擔(dān)子菌漆酶基因lcc豐度和基因表達(dá)［53］。除了降低真菌的生物量和群落組成外，施氮還會影響真菌的進(jìn)化軌跡，氮富集會顯著降低真菌的降解速率［54］。（2）施氮改變微生物群落之間的交互作用和組裝（assemble）方式，從而改變分解微生物群落的組成［55］。長期施氮改變了密歇根糖楓林土壤真菌群落組成（擔(dān)子菌OTUs/子囊菌OTUs增加），并且隨著施氮時間的延長其抑制效應(yīng)更加顯著［56］。Eisenlord 等［57］利用GeoChip4.0基因芯片分析土壤放線菌和真菌群落功能基因，發(fā)現(xiàn)施氮顯著改變放線菌和真菌功能基因組成，降低淀粉、半纖維素、纖維素、幾丁質(zhì)、木質(zhì)素解聚功能基因豐富度和多樣性，在一定程度上解釋了凋落物分解下降和SOM積累。細(xì)菌類漆酶-多銅氧化酶基因（LMCOs）能夠氧化木質(zhì)素中酚類化合物的β-O-4鏈接二聚體，產(chǎn)生DOC。Freedman和Zak［58］研究發(fā)現(xiàn)，模擬氮沉降增加細(xì)菌LMCO酶活性，有利于產(chǎn)生LMCO酶的細(xì)菌生存，解釋了氮素富集條件下DOC流失增加的微生物學(xué)機(jī)理。（3）降低凋落物分解速率和程度，增加類木質(zhì)素化合物的氧化程度和穩(wěn)定性，進(jìn)而促進(jìn)SOM的積累［59］。相反，也有研究認(rèn)為施氮只改變植物源烷基化合物的比例，提高或不影響木質(zhì)素的氧化程度［60］。

土壤有效磷動態(tài)也會強(qiáng)烈影響微生物群落組成。無機(jī)磷含量較低的溫帶森林土壤，微生物通過增加磷酸酶活性獲得有機(jī)磷，克服生物地球化學(xué)磷的限制。相對于氮素輸入而言，土壤微生物群落組成對磷添加的研究案例不多，研究結(jié)果也不夠系統(tǒng)深入。例如，Huang等［61］研究發(fā)現(xiàn)，施磷2年增加了亞高山云杉林土壤微生物生物量，主要?dú)w因于土壤有效碳含量和pH增加的間接影響。Jing等［62］基于2年的氮磷添加實(shí)驗(yàn)，得出施氮未顯著改變青藏高原高寒草甸土壤微生物生物量、土壤呼吸和胞外酶活性，但是施磷顯著抑制了0～10 cm土層碳循環(huán)相關(guān)的胞外酶活性。叢枝菌根真菌（AMF）豐度對氮磷沉降的響應(yīng)取決于養(yǎng)分的可利用性。通過分析根系長度、菌根浸染和AMF生物量，Camenzind等［63］發(fā)現(xiàn)，施磷顯著增加而施氮則降低不同海拔熱帶低地森林土壤AMF豐度。然而，上述研究結(jié)果是建立在全體微生物群落基礎(chǔ)上的認(rèn)識，未區(qū)分活性微生物群落的代謝作用。通過基于RNA的宏基因組學(xué)分析，F(xiàn)reedman等［64］研究發(fā)現(xiàn)，施氮不影響溫帶森林凋落物層真菌群落的組成、多樣性和豐富度，但是其多樣性降低8%，改變了活性真菌群落的組成；相反，施氮不改變?nèi)w和活性細(xì)菌的群落組成。宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法可整體評估真核微生物和細(xì)菌的基因表達(dá)，適合于活性真核生物和細(xì)菌相互作用的研究。Freedman等［65］利用胞外酶活性和宏基因組鳥槍測序方法評價(jià)施氮對密歇根糖楓林土壤微生物群落功能的影響，發(fā)現(xiàn)施氮顯著降低降解植物細(xì)胞壁的胞外酶活性，伴隨著碳水化合物、芳香族化合物的代謝過程以及微生物呼吸等宏基因組功能基因表達(dá)路徑的變化，與腐生細(xì)菌功能基因相對豐度增加有關(guān)；相反，施氮不影響降解凋落物的真菌功能基因的相對豐度和組成，說明未來氮沉降增加將提升腐生細(xì)菌的降解功能，而腐生真菌的代謝潛力對氮富集的響應(yīng)具有一定的彈性和恢復(fù)力。總體上，土壤無機(jī)氮富集抑制真菌功能基因表達(dá)和氧化酶活性、改變?nèi)郝浣M成等方面已初步形成共識，但是細(xì)菌群落組成的變化如何代謝有機(jī)底物的機(jī)制仍然不清楚，土壤活性微生物群落組成、SOM化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化與SOC積累之間的耦聯(lián)關(guān)系尚不清晰。

5 問題與展望

考慮到氮磷富集條件下森林土壤碳轉(zhuǎn)化過程研究的不確定性，未來的研究重點(diǎn)和研究思路如下：（1）亞熱帶人工林土壤碳排放與流失通量對氮磷添加的非線性響應(yīng)特征?；谝巴獾滋砑娱L期控制試驗(yàn)和室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)平臺，利用靜態(tài)箱—?dú)庀嗌V、大型自由排水采集器分別測定土壤碳排放和流失通量以及相關(guān)環(huán)境因子，研究土壤碳通量對氮磷添加的非線性響應(yīng)特征及主要驅(qū)動因子。（2）氮磷交互作用對亞熱帶人工林土壤有機(jī)碳儲量、組成和穩(wěn)定性的影響。利用SOM物理分組以及13C-NMR和Py-GC/MS方法測定不同SOM組分的碳含量、單體有機(jī)化合物和主要官能團(tuán)比例，研究氮磷富集對SOC組成、來源、降解程度和化學(xué)穩(wěn)定性的影響。（3）氮磷交互作用對亞熱帶人工林土壤分解微生物群落組成和功能的影響。利用rtqPCR、高通量測序和群落譜系分析等方法測定土壤真菌、細(xì)菌以及SOM降解功能基因豐度和群落組成，探討氮磷富集對介導(dǎo)土壤碳循環(huán)微生物豐度、群落組成及碳降解功能的影響；（4）氮磷富集條件下凋落物輸入對亞熱帶人工林原有SOC的激發(fā)作用。構(gòu)建13C標(biāo)記凋落物的室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，測定底物和土壤CO2的碳濃度及其δ13C，計(jì)算底物添加引起的激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度和微生物底物利用效率，分析氮磷富集條件下微生物激發(fā)效應(yīng)的方向及其對SOC動態(tài)的影響。內(nèi)容（1）和（2）共同闡明氮磷富集條件下土壤碳轉(zhuǎn)化與SOM穩(wěn)定性的演變特征，內(nèi)容（3）和（4）共同闡明主要分解菌豐度和群落組成與土壤碳轉(zhuǎn)化之間的耦聯(lián)關(guān)系，最終揭示氮磷交互作用影響亞熱帶人工林土壤碳積累與損耗的微生物學(xué)機(jī)制。

6 結(jié) 論

外源性氮磷輸入通過改變微生物群落組成和功能直接影響森林土壤碳轉(zhuǎn)化過程和凈碳交換通量，同時通過改變底物化學(xué)組成和有效性，進(jìn)而影響土壤碳固定，取決于生態(tài)系統(tǒng)類型、氮磷添加形態(tài)、劑量和持續(xù)時間?？傮w而言，有關(guān)氮輸入對森林土壤碳通量、SOM激發(fā)效應(yīng)、SOM穩(wěn)定性和功能微生物群落的影響研究相對較為深入，有關(guān)磷富集以及氮磷交互作用的研究尚未形成一致的研究結(jié)論。而且，過去相關(guān)研究主要集中在自然森林生態(tài)系統(tǒng)中，對固碳效應(yīng)更加顯著的人工林關(guān)注不足。針對這些研究的薄弱環(huán)節(jié)，今后的研究應(yīng)該從生物地球化學(xué)和分子生物學(xué)角度出發(fā)，重點(diǎn)探討氮磷添加對亞熱帶人工林土壤碳排放與流失通量、SOC激發(fā)效應(yīng)、SOM組成與穩(wěn)定性、功能微生物群落組成的影響及其潛在的機(jī)制。研究結(jié)果有助于完善陸地生態(tài)系統(tǒng)碳-氮-磷耦合循環(huán)模型，控制森林土壤碳損失，有效降低陸地“氮促碳匯”評估的不確定性，并可為亞熱帶人工林生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對全球變化提供科學(xué)依據(jù)。