袁吉有

(云南大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院 云南省高原山地生態(tài)系統(tǒng)與退化環(huán)境修復(fù)重點實驗室，云南 昆明 650091)

大氣氮沉降指的是大氣中的活性氮通過濕沉降和干沉降的方式下沉到地表陸地和水域的過程[1-2].干沉降指的是各種含氮化合物顆粒以不同速率與下方的物質(zhì)表面碰撞而被吸附沉降下來的過程，主要包括NOx，N2O，NH3，NHO3，(NH4)2SO4和NH4NO3粒子.濕沉降則是含氮化合物通過降水、降雪等方式下降到地球表面的過程，主要包括NH4+和NO3-[1-5].

大氣氮沉降作為一種自然現(xiàn)象，自地球誕生以來就一直存在，是大氣氮輸入陸地生態(tài)系統(tǒng)重要途徑，為陸地生態(tài)系統(tǒng)氮平衡和生產(chǎn)力提供重要的氮源[2,6].然而，近幾十年來，化石燃料燃燒、含氮化肥的生產(chǎn)和使用、畜牧業(yè)發(fā)展和人口增長等人類活動向大氣排放了大量的氮化物，導(dǎo)致氮化物在大氣中積累并向陸地和水域系統(tǒng)沉降.據(jù)估計，1860—2000年人為活動帶來的活性氮生產(chǎn)由15 Tg·a-1提高到165 Tg·a-1，預(yù)計到2050年將達到200 Tg·a-1[7-9]，遠遠超出全球氮素臨界負(fù)荷(100 Tg.a-1)[10].

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，也是大面積氮沉降的直接承接者[11].大氣氮沉降已成為許多森林生態(tài)系統(tǒng)的新生態(tài)因子，過量的氮沉降會對森林生態(tài)系統(tǒng)的健康和功能產(chǎn)生危害作用，如土壤酸化加重、土壤營養(yǎng)元素存儲失衡、氮飽和、溫室氣體濃度升高、生物多樣性的損失等[12].森林土壤微生物在物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)以及群落的演替具有重要的作用[13].研究表明：即使是氮沉降引起的土壤生態(tài)環(huán)境的微小變化都可能引起一系列土壤生化過程的連環(huán)效應(yīng)，使森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)-過程-功能發(fā)生改變，甚至衰退[14].如大氣氮沉降增加致使土壤NH4+硝化和NO3-淋失，從而引起土壤酸化[12]，進而影響土壤微生物的種類數(shù)量、種群結(jié)構(gòu)及其特性，而土壤微生物生物量、微生物活動及群落結(jié)構(gòu)的變化又會通過改變凋落物分解、養(yǎng)分利用和C、N循環(huán)等重要的土壤生態(tài)過程和功能間接做出響應(yīng)，進而影響碳氮等營養(yǎng)元素的生態(tài)效應(yīng).正是土壤微生物通過調(diào)節(jié)自身活動及其介導(dǎo)的土壤生態(tài)過程，增強或削弱氮沉降增加給森林生態(tài)系統(tǒng)所帶來的影響[15].研究氮沉降增加背景下，森林土壤過程與微生物之間的聯(lián)系機制具有重要意義，也是國際上生態(tài)環(huán)境研究的熱點內(nèi)容之一.本文從森林土壤微生物生物量、群落結(jié)構(gòu)與多樣性、微生物活性和酶活性、底物利用以及功能基因等方面入手，綜述了氮沉降對森林土壤微生物的相關(guān)研究，旨在為研究大氣氮沉降與森林土壤微生物之間的相互作用與反饋機制提供參考.

1 森林土壤微生物生物量對氮沉降的響應(yīng)

由于施氮時間的長短、不同的施氮水平、不同的氮類型以及原始氮水平的不同，國內(nèi)外關(guān)于森林土壤微生物對氮沉降的響應(yīng)研究結(jié)果存在一定的差異性.較多的研究結(jié)果表明，大氣氮沉降會導(dǎo)致森林土壤微生物生物量減少，究其原因可能是土壤酸化和地下資源減少，加速微生物碳限制引起的，如de Forest 等[16]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過施加NO3-后的密歇根北部闊葉林，土壤微生物生物量減少了68%.Wallenstein等[17]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過長期施氮的3個森林樣地，土壤微生物生物量明顯減少，其減少量介于47%～68%之間，在維吉尼亞西部的兩個氮飽和樣地亦發(fā)現(xiàn)類似情況[18].Compton 等[19]在哈佛森林的松林和闊葉林中的研究也表明土壤微生物生物量隨著N沉降的增加逐漸降低.國內(nèi)研究者也開展了類似的研究工作，如郁培義等[20]研究發(fā)現(xiàn)氮沉降或高氮沉降使樟樹和濕地松兩種林分土壤微生物生物量增加.許可等[21]在溫帶森林的研究結(jié)果表明，在初期隨著氮增加使得土壤微生物生物量增加.涂利華等[22]發(fā)現(xiàn)氮沉降增加降低了土壤微生物生物量碳(MBC).王澤西等[23]在川西高山森林的氮添加實驗中發(fā)現(xiàn)土壤微生物碳增加了5%～9%，微生物氮提高了23%～34%.宋蕾等[24]在典型闊葉紅松林中的模擬氮沉降實驗中發(fā)現(xiàn)要使土壤微生物生物量產(chǎn)生明顯的變化需要較長時間的氮添加.王暉等[25]發(fā)現(xiàn)，氮沉降增加引起季風(fēng)林土壤MBC減少，但馬尾松和混交林土壤MBC沒有顯著的變化.然而也有研究表明氮沉降增加或者不影響土壤微生物生物量，如Pregitzer 等[26]發(fā)現(xiàn)氮沉降增加使土壤微生物碳升高.Cusac等[27]也發(fā)現(xiàn)類似的研究結(jié)果，但是也有試驗表明長期的氮輸入使土壤MBC降低[28].洪丕征等[29]發(fā)現(xiàn)紅椎人工幼林氮添加實驗中，中氮和高氮處理顯著降低了土壤微生物碳含量，而微生物生物量氮顯著升高.張雪等[30]發(fā)現(xiàn)氮添加實驗中馬尾松土壤微生物碳含量下降了78%，而微生物氮則提高了2.6倍.整體來看（表1），氮沉降增加對土壤微生物產(chǎn)生負(fù)面影響的報道較多.

2 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性對氮沉降的響應(yīng)

國內(nèi)外學(xué)者研究認(rèn)為，氮沉降對森林土壤微生物群落構(gòu)成的影響，主要是由兩個方面的原因引起的，一是氮沉降會導(dǎo)致森林土壤酸化，從而影響微生物群落結(jié)構(gòu)的變化; 二是氮沉降導(dǎo)致森林土壤氮含量富集，從而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力增加，進而增加凋落物量和改變凋落物分解速率，最終導(dǎo)致森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性發(fā)生變化.Demoling等[31]的研究發(fā)現(xiàn)氮輸入導(dǎo)致真菌、細(xì)菌生物量均有所下降，而且真菌生物量下降的程度較細(xì)菌大，呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢.Deforest等[16]在密歇根北方森林的模擬氮沉降研究中發(fā)現(xiàn)，施氮7 a后細(xì)菌、真菌、放線菌的相對豐度沒有明顯變化.Frey等[32]研究發(fā)現(xiàn)，與對照地塊相比，在闊葉林和松林中，施肥地塊的活性真菌生物量分別降低了27%～61%和42%～69%，活性細(xì)菌生物量受施氮量影響不大，導(dǎo)致真菌細(xì)菌比例顯著下降，Treseder等[33]和Rasmus[34]也發(fā)現(xiàn)相似結(jié)果.Maaroufi等[35]在瑞典北方進行了一項長期氮沉降試驗，研究結(jié)果表明低氮對生物群落結(jié)構(gòu)沒有影響，而高氮降低了真菌和細(xì)菌的生物量，改變了外生菌根真菌和細(xì)菌真菌的群落組成.Linda等[28]進行的長期模擬氮沉降試驗中發(fā)現(xiàn)，氮添加顯著減少叢枝菌根真菌生物量，Diepen等[36]的研究結(jié)果與Linda 等的結(jié)果相一致.Phillip和Fahey[37]模擬氮沉降2 a后發(fā)現(xiàn)，溫帶森林土壤叢枝菌根真菌顯著降低.Wallenstein[17]在哈佛森林的模擬氮沉降試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著氮水平的增加，土壤真菌、細(xì)菌減少.Diepen等[36]進行的模擬氮沉降試驗發(fā)現(xiàn)，氮輸入使闊葉林土壤菌根真菌的數(shù)量減少，真菌與細(xì)菌的比例降低了10%.Cusack等發(fā)現(xiàn)氮輸入使低海拔的熱帶森林土壤革蘭氏陰性細(xì)菌增加，高海拔的熱帶森林土壤真菌增加.Lugli等[38]發(fā)現(xiàn)氮添加降低了云杉林土壤革蘭氏陰性細(xì)菌的豐度.Blackwood等[39]模擬氮沉降試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擔(dān)子菌的豐度和多樣性未受到影響.Eisenlord等[40]發(fā)現(xiàn)放線菌酸微菌目中的一些種隨氮水平的增加而增加，鏈孢菌科隨著氮水平的增加而減少.國內(nèi)學(xué)者也開展了相關(guān)研究，如薛璟花等[41]的研究表明，隨著氮添加水平的升高，土壤細(xì)菌數(shù)量也隨之增加，真菌數(shù)量則是逐漸減少，而放線菌是先上升后下降.劉桂要等[42]在黃土丘陵區(qū)油松林的模擬氮沉降試驗結(jié)果表明：25年齡林地細(xì)菌、真菌、酸桿門菌及接合菌門的相對豐度顯著增加，40年齡林地細(xì)菌、擬桿菌門相對豐度顯著增加，但40年齡林地奇古菌門的相對豐度顯著降低.倪壯等[43]研究發(fā)現(xiàn)，氮添加使南亞熱帶常綠闊葉林土壤細(xì)菌、放線菌、真菌的生物量增加.黃幸然等[5]研究表明氮輸入對不同樹種土壤真菌和細(xì)菌的影響不同，且有季節(jié)性差異.鄭裕雄等[44]發(fā)現(xiàn)短期氮輸入改變了亞熱帶常綠闊葉天然林土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，但真菌與細(xì)菌比、革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌比的改變不顯著.劉蔚秋等[45]的研究結(jié)果表明，施氮2 a后混交林林地和林源地區(qū)土壤細(xì)菌受到抑制，真菌數(shù)量也明顯減少，總體土壤微生物豐度下降.這些差異說明氮沉降引起土壤微生物結(jié)構(gòu)和多樣性變化的差異性可能是由于土壤理化性質(zhì)異質(zhì)性以及植物與微生物間相互作用引起的（表2）.

3 土壤微生物活性以及土壤酶活性對氮沉降的響應(yīng)

土壤微生物活性一般用土壤呼吸作為衡量指標(biāo).相關(guān)研究結(jié)果表明過量氮輸入將直接或間接影響土壤呼吸.國外的研究表明，短期氮輸入有促進土壤呼吸的作用，長期氮輸入會抑制土壤呼吸.比如Bowden 等[46]通過在哈佛闊葉林土壤氮輸入對土壤呼吸的影響研究中發(fā)現(xiàn)，持續(xù)1 a氮輸入后，土壤呼吸有所提高，氮輸入至第2年后，土壤呼吸無明顯變化，氮輸入至第3年，土壤呼吸開始出現(xiàn)逐漸下降的趨勢.Patricia 等[46]也發(fā)現(xiàn)，哈佛森林施氮后第1年增加了土壤呼吸，在第2、5年和第13年，高氮處理樣地與對照樣地沒有差別，Micks等[47]的研究與Patricia等的研究有相似的結(jié)果.Gundersen 等[48]認(rèn)為模擬氮沉降改變土壤C/N比，導(dǎo)致土壤微生物生長繁殖受到影響，從而導(dǎo)致土壤CO2通量發(fā)生改變.Magill 等[49]則認(rèn)為氮沉降主要是通過影響凋落物的分解從而改變土壤微生物呼吸.Burton 等[50]的研究表明細(xì)根氮含量與細(xì)根呼吸具有正相關(guān)關(guān)系，也有學(xué)者認(rèn)為氮輸入改變細(xì)根生物量從而影響土壤CO2通量變化[51].Allison等[52]認(rèn)為氮添加對土壤CO2速率影響不大.國內(nèi)有些研究結(jié)果表明，氮輸入初期土壤呼吸速率顯著降低，有些研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)短期氮輸入顯著提高了土壤呼吸速率，還有研究認(rèn)為長期氮沉降加速森林土壤酸化，植物細(xì)根生物量生長受到抑制，從而影響土壤呼吸.如Deng等[53]研究發(fā)現(xiàn)氮輸入只在2006年提高了土壤CO2速率，但呼吸速率隨著時間衰弱.劉盛梅等[54]在對華西雨屏區(qū)巨桉林進行9個月的模擬氮沉降試驗中發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸得到促進.Mo等[55]研究發(fā)現(xiàn)高氮抑制土壤微生物活性和細(xì)根生物量，從而導(dǎo)致土壤呼吸下降.賈淑霞等[56]和肖林輝等[57]研究認(rèn)為氮輸入引起森林土壤酸化、降低細(xì)根生物量，使得根系活性和呼吸受到抑制，從而抑制土壤呼吸.由此可見，氮沉降引起土壤呼吸速率下降的趨勢報道較多，而差異則主要是與植被、施氮長短等因素有關(guān)（表3）.

表2 森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性對氮沉降的響應(yīng)Tab.2 Response of forest soil microbial community structure and diversity to nitrogen deposition

土壤酶活性是土壤微生物活性的一個重要指標(biāo)，研究表明，氮的輸入會影響土壤酶活性（表4）.有研究顯示長期氮增加造成土壤酶活性的降低，尤其是降低了木質(zhì)素溶解酶和纖維降解酶的活性.如Carreiro 等[58]的研究發(fā)現(xiàn)長期氮沉降對木質(zhì)素細(xì)胞溶解酶和多酚氧化酶活性產(chǎn)生抑制作用.Waldrop 等[59]研究發(fā)現(xiàn)高水平的氮輸入使得黑橡樹/白橡樹生態(tài)系統(tǒng)中石炭酸氧化酶和過氧化酶活性降低，但在糖槭/紅橡樹、糖槭/椴樹生態(tài)系統(tǒng)中，氮輸入使得石炭酸氧化酶活性和過氧化酶活性增加.Deforest 等[16]發(fā)現(xiàn)在北方硬葉闊葉林氮輸入后，木質(zhì)素細(xì)胞溶解酶或過氧化酶活性降低，纖維素酶降低24%.Dalmonech 等[60]發(fā)現(xiàn)高氮處理一個月促進了土壤水解酶和氧化酶的活性.Lilleskov 等[61]發(fā)現(xiàn)過量氮能促進木質(zhì)素酶活性.Weand 等[62]研究發(fā)現(xiàn)模擬氮沉降抑制了鐵杉林土壤水解酶和樺樹林土壤氧化酶.Saiya-Cork 等[63]研究表明氮輸入降低了土壤多酚氧化酶活性，增加了凋落物多酚氧化酶活性.趙玉濤等[64]研究結(jié)果表明，氮沉降導(dǎo)致天然闊葉林紅松林蔗糖酶和纖維素酶活性升高，高氮輸入抑制多酚氧化酶和纖維素酶的活性，天然次生楊樺林有相似的現(xiàn)象.也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，氮輸入對土壤微生物酶活性的影響因生態(tài)系統(tǒng)不同而異[32].如Hobbie 等[65]研究表明受碳元素限制的夏威夷熱帶森林，氮輸入對木質(zhì)素酶活性的無影響.Sinsabaugh等[66]研究發(fā)現(xiàn)受磷元素限制橡木林土壤酶活性不受氮輸入的影響，而Carreiro 等[58]研究發(fā)現(xiàn)，凋落物的種類影響著氮輸入對酶活性強弱影響.

表3 森林土壤微生物活性對氮沉降的響應(yīng)Tab.3 Response of forest soil microbial activity to nitrogen deposition

4 氮沉降對森林土壤微生物底物利用的影響

目前研究發(fā)現(xiàn)，長期氮輸入導(dǎo)致凋落物生物量和生物化學(xué)組成發(fā)生改變，從而導(dǎo)致土壤微生物對底物利用有效性的改變（表5）.如Jonsson 等[67]在松林中的研究發(fā)現(xiàn)，氮添加使得土壤微生物對底物氮的利用率降低.Compton 等[19]在哈佛森林的長期模擬氮沉降試驗中也有相似發(fā)現(xiàn)，這暗示著氮增加降低了土壤微生物分解有機化合物的能力，減緩了土壤碳氮循環(huán)，Hu 等[68]也得到了相類似的研究結(jié)果.Deforest 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，長期高氮輸入使得異樣型微生物群落的底物利用模式發(fā)生改變.袁穎紅等[69]研究發(fā)現(xiàn)，氮輸入使AWCD值下降，劉蔚秋等[45]的研究也得出了相似的結(jié)果.據(jù)相關(guān)研究表明，氮輸入對真菌和木質(zhì)素分解酶活性的負(fù)面影響和富氧性細(xì)菌增多，土壤微生物對易分解有機碳的利用率可能會增加，而對難分解有機碳和復(fù)雜有機氮源底物的代謝能力下降[70-71].也有研究發(fā)現(xiàn)氮輸入對森林土壤微生物底物利用并非是負(fù)面影響，Johnson等[72]在歐石楠叢的氮輸入試驗中發(fā)現(xiàn)，氮添加使得土壤微生物對底物碳和氮的利用率提高了3倍.然而，F(xiàn)rey 等研究發(fā)現(xiàn)，氮添加對闊葉林、混交林土壤微生物對底物的利用率沒有明顯的影響[17].這些結(jié)果可能與試驗林型、試驗時間長短等有關(guān).

表5 氮沉降對森林土壤微生物底物利用的影響Tab.5 Response of microbial substrate utilization to nitrogen deposition in forest soil

5 森林土壤微生物功能基因?qū)Φ两档捻憫?yīng)

目前，部分學(xué)者開展了氮沉降對森林土壤微生物功能基因多樣和結(jié)構(gòu)的影響（表6），從相關(guān)的結(jié)論可以看出，氮輸入會改變土壤微生物生態(tài)過程一些有關(guān)基因的表達、豐度和多樣性.如Compton等[19]在松林和成熟林里的模擬氮沉降試驗顯示，高氮處理樣地里發(fā)現(xiàn)了與氨氧化作用有關(guān)的單加氧氨酶基因（amoA），氮輸入使得具有固氮作用的固氮基因（nifH）明顯減少，這暗示著氮添加已改變了土壤中的固氮微生物類群.Edwards 等[73]在模擬氮沉降試驗中發(fā)現(xiàn)，氮輸入使得真菌木質(zhì)素分解基因lcc的表達受到抑制.Eisenlord 等[74]發(fā)現(xiàn)，氮輸入導(dǎo)致與纖維素、半纖維素、木質(zhì)素解聚、淀粉相關(guān)酶的基因豐度和多樣性降低，雙核亞屬真菌和放線菌基因組分別改變了25%和18%.Freedman 等[75]研究發(fā)現(xiàn)，氮輸入降低了氮循環(huán)古菌和細(xì)菌編碼蛋白質(zhì)的關(guān)鍵基因的豐度和多樣性.Tian 等[76]在熱帶氮添加實驗中發(fā)現(xiàn)，隨著施氮水平的增加，gdh基因的豐度增加，兩個與硝化作用的 （amoA和hao）在中氮和高氮條件下下降，高氮增加了編碼mcrA基因的豐度，低氮處理下編碼mmox基因的豐度更高.有關(guān)模擬氮沉降對森林土壤微生物功能基因的影響研究還較少，亟待進一步研究.

6 展望

土壤微生物作為森林生態(tài)系統(tǒng)中較為活躍的組成部分之一，其對森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能具有重要意義.總的來看，大氣氮沉降對森林土壤微生物產(chǎn)生負(fù)面影響的報道較多.但由于不同研究區(qū)域植物、土壤、微生物的差異性，氮添加對森林土壤微生物的影響研究仍存在一些亟待解決的問題.

表6 森林土壤微生物功能基因?qū)Φ两档捻憫?yīng)Tab.6 Response of forest soil microbial functional genes to nitrogen deposition

（1）全球變化已經(jīng)是不可否認(rèn)的事實，以地球表面溫度升高、大氣CO2升高和大氣氮沉降持續(xù)增加為主要特征的全球變化正在改變地表各種生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過程.自然生態(tài)系統(tǒng)中，各種全球變化現(xiàn)象間的交互作用無處不在，環(huán)境因子很少單獨起作用，或是任意二者嵌套處理對森林土壤微生物的影響，均無法準(zhǔn)確全面評估森林土壤微生物對未來全球變化響應(yīng)的真實情況，需要將全球變化的多因子耦合作用進行系統(tǒng)集成研究對森林土壤微生物的影響，同時，加強我國高緯度高海拔地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)研究.

（2）當(dāng)前模擬氮沉降主要采用直接噴施到土壤中的方式，跟自然狀態(tài)下大氣氮沉降有些差異，且考慮到森林生態(tài)系統(tǒng)地上部分與地下部分的緊密聯(lián)系，應(yīng)采用冠層噴施較接近實際情況.另外大氣氮沉降是一個持續(xù)長久的過程，應(yīng)建立長期定位的氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響研究，形成長期定位研究網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而較全面而準(zhǔn)確地把握氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)影響的內(nèi)在規(guī)律.

（3）相關(guān)研究表明森林生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)元素受限狀況，如氮限制森林生態(tài)系統(tǒng)、磷限制森林生態(tài)系統(tǒng)等，是大氣氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響研究亟需進一步深入的問題.歐洲森林氮飽和的臨界負(fù)荷最小值是10 kg·hm-2·a-1，我國在森林氮沉降閾值方面的研究未見報道，確定我國各類型森林生態(tài)系統(tǒng)氮沉降閾值，這些問題的研究對探究我國氮沉降對各類森林生態(tài)的影響機制顯得尤為重要.

（4）以往大多數(shù)研究基本上是從氮沉降對森林土壤微生物分類學(xué)（細(xì)菌、真菌、放線菌等）的影響研究，隨著微生物研究技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)采用更為先進的分子生物學(xué)技術(shù)來量化氮沉降對森林土壤微生物的影響.