氮沉降對熱帶亞熱帶森林土壤氮循環(huán)微生物過程的影響研究進展

陳 潔,駱土壽,周 璋,許 涵,陳德祥,李意德,*

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所, 廣州 510520

2 海南尖峰嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站, 廣州 510520

熱帶亞熱帶地區(qū)人口密度大,經(jīng)濟發(fā)展快速,頻繁的人類活動對其森林生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重干擾,其中人類活動導(dǎo)致大氣氮沉降量的急劇增加,持續(xù)向陸地輸入外源氮,對森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能產(chǎn)生了深刻影響。我國熱帶亞熱帶森林主要分布在華南地區(qū),其物種多樣性高,天然植被類型多為常綠闊葉林,在優(yōu)化生態(tài)景觀、保護生物多樣性、改善生態(tài)環(huán)境、確保城鄉(xiāng)人居環(huán)境的安全與健康等方面起著重要作用。然而,快速的工業(yè)化和城市化進程中,熱帶亞熱帶地區(qū)正逐步成為全國大氣氮沉降的熱點區(qū),其森林氮循環(huán)平衡遭到破壞,嚴重影響了生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能,同時也阻礙了華南地區(qū)的生態(tài)建設(shè)。熱帶亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)氣候濕熱、生產(chǎn)力旺盛、生物量巨大,是陸地生態(tài)系統(tǒng)氮庫的重要組成部分。土壤作為植被賴以生存的基質(zhì),是森林氮素養(yǎng)分的主要來源,森林土壤的氮素儲量超過了森林生態(tài)系統(tǒng)總氮量的85%[1]。熱帶亞熱帶森林的濕熱條件促進了土壤微生物對養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化作用,促使氮素在土壤、植被和大氣之間快速流動與交換,對熱帶地區(qū)乃至全球氮循環(huán)具有重要意義。因此,熱帶亞熱帶森林土壤氮循環(huán)的細微變化都將對全球陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤氮庫產(chǎn)生深刻影響。清晰地認識熱帶亞熱帶森林土壤氮轉(zhuǎn)化驅(qū)動機制及其對大氣氮沉降增加的響應(yīng),不僅能為我國華南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)規(guī)劃與管理提供科技支撐,而且有利于完善森林生態(tài)系統(tǒng)對全球變化響應(yīng)的數(shù)據(jù)庫,為準確評估土壤氮動態(tài)提供理論依據(jù)。

近年來,工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致全球平均大氣氮沉降從工業(yè)革命時期(1860年)的34 Tg N/a增加到1995年的100 Tg N/a[2]。Galloway等預(yù)測,到2050年全球大氣氮沉降將達到200 Tg N/a[2-3]。我國作為繼北美和歐洲之后的世界三大氮沉降熱點區(qū)之一[4],2010年氮沉降平均值達到21.1 kg N hm-2a-1,并有進一步上升趨勢,其中熱帶亞熱帶地區(qū)沉降量顯著高于全國平均水平[5]。20世紀80年代,歐洲便開始了模擬氮沉降對溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)的影響研究,隨后美國在Harvard森林開展了氮沉降模擬實驗[6]。近年來,隨著氮沉降熱點向低緯度地區(qū)的轉(zhuǎn)移,熱帶亞熱帶森林也逐步開展了氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響研究[7- 10]。然而,氮沉降增加對森林土壤氮循環(huán)的影響及其區(qū)域特征仍不明確。

熱帶亞熱帶森林土壤高度風(fēng)化,氮含量背景值較高,氮沉降增加進一步輸入大量活性氮,易導(dǎo)致土壤氮過剩,進而顯著影響土壤氮素循環(huán)[11- 13]。此外,驅(qū)動氮循環(huán)各環(huán)節(jié)的特定功能微生物對環(huán)境變化的響應(yīng)不一致,極易導(dǎo)致氮沉降增加條件下氮循環(huán)各環(huán)節(jié)之間的耦合性減弱,進而破環(huán)氮循環(huán)平衡[14]。因此,綜合分析氮沉降增加條件下,土壤氮循環(huán)不同過程(如固氮、硝化、反硝化、厭氧氨氧化等)及相關(guān)功能微生物的響應(yīng),對于深入理解氮素在熱帶亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化及其驅(qū)動機制極為重要。本文將對國內(nèi)外已有的研究成果和研究現(xiàn)狀進行闡述,探討其存在的主要問題和不足,并對未來的研究方向提出展望。

1 氮沉降對生物固氮作用及其功能微生物的影響

圖1 氮循環(huán)關(guān)鍵過程及相關(guān)功能基因Fig.1 The key processes of nitrogen cycling and associated functional genes Comammox, 單步硝化complete ammonia oxidation; Anammox, 厭氧氨氧化anaerobic ammonia oxidation; DNRA, 異化硝酸鹽還原成銨dissimilatory nitrate reduction to ammonium; amoA,氨單加氧酶的α亞基α-subunit of ammonia monooxygenase; hao, 羥胺氧化還原酶hydroxyamine oxidoreductase; narG, napA,硝酸還原酶亞基 subunits of nitrate reductase; nrfA, nirK, nirS, 亞硝酸還原酶亞基subunits of nitrite reductase; nor, 一氧化氮還原酶nitric oxide reductase; nosZ, 氧化亞氮還原酶亞基subunit of nitrous oxide reductase; nifH, 固氮酶亞基subunit of nitrogenase; hzsB, 肼合成酶亞基subunit of hydrazine synthase

1.1 微生物固氮作用對氮沉降增加的響應(yīng)及其主要影響因子

熱帶亞熱帶森林土壤氮含量較高,氮沉降增加導(dǎo)致大部分區(qū)域土壤呈現(xiàn)“氮飽和”狀態(tài)[19],而Cleveland等研究指出熱帶森林土壤生物固氮速率(15- 36 kg N hm-2a-1)高于氮限制的溫帶森林(7- 27 kg N hm-2a-1)[20],表明固氮微生物在氮含量較高的土壤中仍能保持較高的活性[21]。Zheng等在我國鼎湖山南亞熱帶常綠闊葉林進行原位氮添加模擬氮沉降的實驗,發(fā)現(xiàn)氮沉降對土壤固氮速率并沒有顯著影響,作者指出氮沉降背景下,土壤碳固持及碳氮比穩(wěn)定性的增強是維持森林生態(tài)系統(tǒng)生物固氮水平的關(guān)鍵因子[22-23]。通過分析夏威夷熱帶雨林土壤氮、磷有效性對外源氮、磷添加的響應(yīng),Treseder等發(fā)現(xiàn)氮添加可促進土壤酸性磷酸酶的合成：當生長受到磷限制時,植物會吸收過剩的氮用來合成磷酸酶或誘導(dǎo)微生物分泌磷酸酶,這是因為磷酸酶的氮含量為8%—32%,其合成需要足夠的氮元素,磷酸酶活性的增加使吸附在礦物質(zhì)和有機質(zhì)中的磷被大量釋放,進而增加土壤磷的有效性[24]。土壤磷有效性的增加可促進固氮菌對磷的吸收利用,緩解熱帶亞熱帶地區(qū)磷對固氮微生物的限制,是保證高氮沉降背景下土壤微生物固氮功能的重要因素[25]。另有研究發(fā)現(xiàn)氮沉降增加會抑制熱帶亞熱帶森林土壤固氮作用[26,27],主要是由于土壤可利用性磷含量較低,氮沉降導(dǎo)致土壤酸化和磷的進一步淋溶流失,進而加劇土壤磷限制,不利于固氮微生物的生長繁殖和生物固氮所需能量的合成[28]。土壤固氮菌群落豐度和多樣性以及固氮速率均與磷含量顯著正相關(guān)[17,29],進一步證實了磷對氮沉降增加背景下熱帶亞熱帶森林土壤固氮作用的調(diào)控。土壤pH和含水量也是影響生物固氮作用的重要因子,pH值可直接影響固氮酶的活性,也可通過改變土壤可利用性磷的含量而間接影響固氮微生物活性[30-31]。土壤含水量可通過調(diào)節(jié)土壤厭氧條件而間接影響固氮微生物活性[32]。熱帶亞熱帶地區(qū)以濕氮沉降為主,外源活性氮隨降水輸入土壤,土壤氮含量增加的同時含水量也隨之增加,含水量增加有利于形成厭氧環(huán)境,間接促進生物固氮作用,此時固氮菌對活性氮和含水量變化的敏感性是決定固氮作用變化趨勢的關(guān)鍵因子。

1.2 共生與非共生固氮菌對氮沉降增加的響應(yīng)差異

2 氮沉降對硝化作用及其功能微生物的影響

2.1 不同功能微生物驅(qū)動的硝化作用對氮沉降增加響應(yīng)的生態(tài)位分化

熱帶亞熱帶森林土壤普遍呈酸性,氮沉降增加進一步加劇了土壤的酸化,顯著影響了氨氧化功能微生物的活性和組成,進而影響硝化作用[47]。Cong等利用功能基因芯片技術(shù),發(fā)現(xiàn)氮沉降增加了熱帶森林土壤可利用氮含量和氨氧化功能微生物豐度,促進了硝化作用[50]。在巴拿馬山地雨林里,人工模擬氮沉降增加一年后,土壤硝化作用顯著增強,而低地雨林土壤硝化作用在模擬氮沉降增加9年后才明顯增加[51],推測可能是受濕熱條件的影響,低地雨林土壤微生物氮轉(zhuǎn)化速率普遍較快,短期的氮添加不足以對硝化作用產(chǎn)生顯著影響。然而,另有研究指出經(jīng)過11年原位氮添加后,熱帶森林土壤硝化作用沒有顯著變化[52]。長期氮沉降也可能降低土壤硝化作用,例如Chen等對我國鼎湖山南亞熱帶森林土壤進行了6年的氮添加處理,發(fā)現(xiàn)處理后土壤凈硝化速率顯著降低,并指出土壤微生物和酶活性的變化可能是影響硝化速率的關(guān)鍵因子[19]。盡管AOB和AOA在不同微環(huán)境下的功能差異、以及兩者對氮沉降響應(yīng)的生態(tài)位分化可能是導(dǎo)致以上研究結(jié)果出現(xiàn)分歧的重要原因,但氨氧化功能微生物的變化還不足以完全解釋熱帶亞熱帶森林土壤硝化作用的空間異質(zhì)性。

3 氮沉降對反硝化作用及其功能微生物的影響

3.1 反硝化作用對氮沉降增加的響應(yīng)及其主要調(diào)控因子

3.2 氮沉降增加對不同反硝化微生物類群的潛在影響

4 氮沉降對其他氮轉(zhuǎn)化過程及功能微生物的影響

4.1 厭氧氨氧化

4.2 異化硝酸鹽還原成銨

5 總結(jié)和展望

綜上所述,國內(nèi)外在氮沉降增加對熱帶亞熱帶森林土壤氮轉(zhuǎn)化及其功能微生物的影響研究中已取得了一定進展。熱帶亞熱帶森林環(huán)境濕熱,土壤微生物活性較高,氮沉降增加輸入大量活性氮,而同時也改變了土壤pH值和可利用性碳、磷含量,對氮轉(zhuǎn)化各環(huán)節(jié)及相關(guān)功能微生物產(chǎn)生了不一致的影響(圖2)。總體上,氮沉降增加對熱帶亞熱帶森林土壤共生固氮和非共生固氮均有一定的抑制作用,但兩類固氮微生物群落對氮沉降增加的響應(yīng)異同還不清晰;土壤的酸性特質(zhì)導(dǎo)致NH3濃度較低,因而與NH3親和度較高的氨氧化古菌(AOA)是驅(qū)動氨氧化作用的關(guān)鍵微生物類群,氮沉降增加可通過改變土壤AOA、AOB群落豐度和組成而影響硝化速率;反硝化作用對氮沉降增加的響應(yīng)與土壤氮含量背景值顯著相關(guān),熱帶亞熱帶森林土壤大多處于氮飽和狀態(tài),氮沉降會促進反硝化作用以排除土壤中過剩的氮素,但同時增加了溫室氣體N2O的排放;較高的微生物活性不利于有機碳的累積,氮沉降增加可能導(dǎo)致土壤碳氮比降低,難以滿足反硝化微生物的碳需求量,進而抑制反硝化功能微生物的活性及反硝化作用。

圖2 大氣氮沉降增加影響熱帶亞熱帶森林土壤微生物氮循環(huán)過程的概念框架圖Fig.2 The conceptual figure illustrating the effects of elevated atmosphere nitrogen deposition on soil microbial nitrogen cycling in tropical and subtropical forests

迄今為止,氮沉降增加對熱帶亞熱帶森林土壤氮循環(huán)的影響仍存在很大的不確定性,主要是以往的研究多為短時間內(nèi)土壤氮循環(huán)的響應(yīng)結(jié)果,且重點關(guān)注硝化和反硝化過程,缺乏對其他氮循環(huán)過程的綜合研究(表1)。與氮循環(huán)相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵環(huán)境因子也存在分歧,主要是現(xiàn)有的研究多針對單一的環(huán)境因子,多個環(huán)境因子的共同作用對氮循環(huán)關(guān)鍵過程的影響值得深入探索。此外,功能微生物對氮沉降的響應(yīng)研究十分有限,已有的報道多關(guān)注微生物群落豐度的變化,缺乏從群落活性、組成和關(guān)鍵種等方面綜合地分析功能微生物對氮沉降的響應(yīng),及其與氮循環(huán)變化的相關(guān)性(表1),因此氮沉降背景下,功能微生物對氮循環(huán)的調(diào)控作用仍不明確。針對目前研究的不足,今后的研究中需要注重以下幾個方面：(1)加強長期模擬氮沉降對氮循環(huán)關(guān)鍵過程的影響研究,同時加強氮沉降對單步硝化(comammox)、厭氧氨氧化(anammox)、異化硝酸鹽還原成銨(DNRA)等氮轉(zhuǎn)化過程的影響研究,為準確評價氮循環(huán)對氮沉降增加的響應(yīng)提供更全面的理論依據(jù);(2)加強氮沉降背景下,土壤碳、氮、磷化學(xué)計量關(guān)系與氮循環(huán)關(guān)鍵過程的相關(guān)性研究,進一步探索影響氮循環(huán)的主要環(huán)境因子;(3)注重分析功能微生物群落活性、組成和關(guān)鍵類群等特征對氮沉降增加的綜合響應(yīng),開展功能微生物群落特征與氮轉(zhuǎn)化過程的相關(guān)研究,深入探究氮沉降影響熱帶亞熱帶森林土壤氮循環(huán)的微生物學(xué)機制。

表1 氮沉降增加對熱帶亞熱帶森林土壤氮轉(zhuǎn)化及其功能微生物的影響Table 1 Effects of nitrogen deposition on soil nitrogen cycling and relating functional microorganisms in tropical and subtropical forests