森林土壤氧化亞氮排放對磷添加響應的研究進展*

鄭 翔 曹敏敏 紀小芳 方萬力 劉勝龍 姜 姜

(1.南方現代林業協同創新中心 南京林業大學江蘇省水土保持與生態修復重點實驗室 南京 210037；2.鳳陽山-百山祖國家級自然保護區鳳陽山管理處 龍泉 323700)

大氣溫室氣體濃度增加是導致全球變暖的主要原因，平均氣溫比工業革命前約升高1.0 ℃(0.8～ 1.2 ℃)。如果以目前的速度持續增長，2030—2052年全球增溫可能會達到1.5 ℃ (IPCC，2018)。氧化亞氮(N2O)是大氣中的主要溫室氣體之一，在百年尺度內，其全球增溫潛勢是二氧化碳(CO2)的265倍(IPCC，2014)，占全球總輻射強度的7%，同時其也是消耗平流層臭氧的主要物質之一(Ravishankaraetal.，2009)。2017年，大氣N2O濃度達到(329.9 ± 0.1)μg·L-1，相比工業革命前增加22%，且以每年(0.73 ± 0.03)μg·L-1的速度穩定增長 (Zhengetal.，2020)。在農業、林業和其他土地利用中，人類活動造成的N2O排放量為(8.3±2.5)Mt·a-1(IPCC，2019)。因此，如何減緩N2O氣體排放受到廣泛關注。

土壤既是溫室氣體的源，也是溫室氣體的匯，在調節大氣溫室氣體濃度中發揮著至關重要的作用。地球上森林面積約40億hm2，占陸地總面積的30.7% (UN，2018)，是重要的陸地生態系統。森林生態系統每年向大氣中排放的N2O為(3.62±0.16)TgN·a-1，約占N2O排放總量的15%～55% (Zhangetal.，2019a)。隨著經濟增長和人口劇增，過度開墾利用和不合理的經營管理使16%的林地出現生產力持續下降趨勢(UN，2018)。為提高森林生產力，集約施肥成為主要經營措施；但密集的施肥輸入會改變土壤的理化性質，從而對N2O排放產生巨大影響。

氮(N)和磷(P)是限制或共同限制植物生長、凈初級生產力和其他生態過程的2種重要元素(Elseretal.，2007)。N元素可以通過自然沉降、人工施肥和植物固N向陸地生態系統輸入，而P元素絕大部分通過人工施肥輸入 (Dawsonetal.，2011)。據估計，輸入陸地生態系統的N從1900年的32 TgN·a-1增加到2014年的200 TgN·a-1，而P輸入僅從不足1.7 Tg P·a-1增加到3 TgP·a-1(Wangetal.，2015)。由此可見，在過去的1個世紀(20世紀)里，N和P向陸地生態系統的輸入高度失衡，而這種養分失衡在高N沉降和低P輸入地區更加明顯 (Sunetal.，2017)。基于生態系統化學計量學理論，陸地生態系統可能會從N限制轉變為更廣泛的P限制或N、P共同限制 (Penuelasetal.，2013；傅潔等，2020)。因此，為了緩解植物的P限制以及N、P之間的不平衡，人們開始向土壤中施用更多P肥。

N和P之間的緊密耦合表明，P輸入可能會影響陸地生態系統的N轉化過程，如硝化和反硝化作用 (Kimetal.，2015)。然而，與土壤N2O排放對N添加的響應相比，人們對P添加如何影響森林土壤N2O排放的認識還十分有限。P添加可緩解植物和微生物的P限制，從而促進植物生長 (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對土壤P有效性變化的響應不同，P添加對森林土壤N2O排放的影響存在很大不確定性。目前，學者們通過野外和室內培養，研究了P添加如何影響森林土壤N2O排放，但因其主導機制不同，試驗結果也有很大差異(Homeieretal.，2012；Morietal.，2013a；Yuetal.，2017)，且單個P添加試驗都是在特定環境條件下解釋土壤N2O對其的響應，存在一定片面性，森林土壤N2O排放對P輸入的響應機制還缺乏系統研究。鑒于此本研究基于森林土壤N2O排放的主要來源——硝化作用和反硝化作用，圍繞植物和土壤微生物，詳細描述P添加影響森林土壤N2O排放的作用機制。

1 森林土壤N2O的產生過程

森林土壤N2O排放是由產生、轉化和傳輸3個過程共同決定的。土壤產生N2O的生物學過程包括硝化作用、硝化細菌反硝化作用、反硝化作用、硝態氮異化還原成銨作用以及化學反硝化作用等。通常認為微生物硝化和反硝化作用是森林土壤中N2O的主要來源。

2 P添加影響森林土壤N2O排放的作用機制

森林土壤 N2O 排放對P添加的響應存在促進 (Morietal.，2013a)、抑制 (孫正等，2019)和無影響 (Gaoetal.，2017)3種結果，促進作用以室內培養試驗結果為主，抑制作用以野外試驗結果為主。森林土壤N2O排放對P添加的響應差異取決于植物和土壤微生物(微生物量、群落組成和微生物活性)對P添加的響應，且與土壤初始N狀態、P狀態、氧氣濃度、pH和試驗持續時間等因素有關。

2.1 P添加抑制土壤N2O排放的作用機制

植物和土壤微生物都會影響森林土壤N2O排放對P添加的響應(圖1)。土壤NH4+-N和NO3--N既是植物可直接吸收利用的有效N，又分別是微生物硝化作用和反硝化作用的底物(Robertson，1989;Dengetal.,2020)，植物與硝化、反硝化微生物間存在氮競爭。P添加可緩解植物的P限制，促進植物的N吸收，減少硝化和反硝化底物，從而減少土壤N2O排放。研究表明，P添加可顯著增加馬占相思(Acaciamangium)的生物量，刺激土壤CO2排放，施P導致土壤N2O排放減少可能是由于P添加促進了根系對土壤N和水分的吸收 (Morietal.，2013b)。在我國亞熱帶N飽和森林中也發現P添加顯著降低土壤N2O排放和NO3--N淋溶，未觀察到森林生長量顯著增加，但是不排除P添加促進林下植被對N的吸收 (Yuetal.，2017)。Hall等(1999)研究發現，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，歸因于缺P限制了微生物固氮，多余的N被硝化和/或反硝化細菌利用，增加了N2O排放。如果按照此假設，P添加減少N2O排放可能是由于P輸入會緩解微生物固N過程的P限制，從而降低無機N庫。Sundareshwar等(2003)研究發現，在P添加下，濱海鹽沼沉積物中的N2O排放量減少，這是由于N固定增加和隨后反硝化作用減少所致。在黃土高原鹽堿草地中也發現施P降低了土壤無機N庫，增加了微生物N (Wangetal.，2014a)。P添加減輕了N沉降對富N森林N2O排放的刺激，增加了土壤微生物生物量(Zhengetal.,2016)，包括細菌和叢枝菌根真菌(AMF)生物量增加，而細菌和真菌生物量增加可能會增加總N的獲取 (Liuetal.，2012)。在同樣富N的熱帶森林中，Chen等(2015)研究表明，盡管土壤NO3-濃度降低，但經過6年的P添加，促進了凈N礦化和硝化作用；土壤NO3-在P添加下的減少可能反映了植物和/或土壤微生物對N的吸收。

為了區分P添加處理下微生物和植物根系活動對N2O排放的相對貢獻，Mori等(2013c)在熱帶馬占相思人工林中采用挖溝法排除了根系，結果發現：在根排除區，施P對土壤N2O排放量無影響；相比之下，在含根系的樣地中，施P顯著減少了N2O排放量；含根系樣地土壤全P和微生物P含量低于無根系樣地，施P土壤中無機N含量低于對照。這說明P添加可緩解馬占相思人工林的P限制，P添加減少土壤N2O排放主要通過植物根系對土壤無機N的吸收作用，而不是通過微生物固N和提高微生物活性實現的。

此外，Mori等(2016)在熱帶雨林的研究表明，P添加顯著減少N2O排放，但并沒有改變NH4+-N和NO3--N含量。可見，N2O排放量減少并不能由植物根系吸收N和微生物固N減少產生N2O的基質來解釋，而是P添加通過提高呼吸效率來控制N2O排放，但這一機制的普遍性和適用性需要更多的試驗驗證。

綜上所述，P添加抑制土壤N2O排放主要有2種機制(圖1)：首先，P添加可緩解植物的P限制，增加植物的N吸收；其次，P添加可減輕土壤微生物的P限制，增加微生物的N固定。這2種途徑均會減少可用于產生N2O的土壤N基質，從而降低土壤N2O排放。由于不同生態系統中植物和土壤微生物對無機N的競爭力不同，其在不同生態系統中的主導機制還需進一步研究。

2.2 P添加促進土壤N2O排放的作用機制

與上述結果相反，在室內培養試驗(不包括植物)中，Mori等(2010；2013a)研究得出P添加增加了馬占相思土壤N2O排放，這是由于P添加緩解硝化細菌和反硝化細菌的P限制，促進細菌活性，且P添加還可通過刺激異養微生物活性增加耗氧量，創造一個更為缺氧的環境，支持反硝化細菌，該結果與其在野外試驗發現P添加抑制土壤N2O排放相反 (Morietal.，2013b)，可能是因為室內試驗消除了植物對無機N的競爭作用，土壤微生物可最大限度地利用無機N，刺激了微生物活性。He等(2015)采用15N示蹤技術研究表明，P添加降低了微生物體內15N含量的80%，同時也降低了總15N的回收率，P添加會導致貧P土壤中氣態N的大量流失，最有可能是通過直接促進硝化和反硝化作用實現的。然而，Zhang等(2019b)發現，在黃河三角洲鹽漬土中隨著P含量增加，加速了有機質分解，增加了N礦化，但對土壤N2O排放無影響。部分野外試驗也表明，P添加刺激了硝化和反硝化細菌的活性。在我國南方熱帶次生林發現，通過刺激土壤微生物反硝化過程，在雨季高N輸入的土壤中P輸入增加了土壤N2O排放 (Wangetal.，2014b)。在美國的落葉混交林中也發現，P添加緩解了硝化細菌的P限制，并刺激了硝化細菌的活性，土壤硝化速率和土壤硝酸鹽濃度分別增加10倍和2倍 (DeForestetal.，2020)。White等(1999)發現，P輸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，促進了亞熱帶土壤中硝化和反硝化酶的合成。P添加還可加速N礦化 (Bauhusetal.，1994)、增加NH4+有效性間接刺激硝化菌。如Lage等(2010)發現，P添加增加了參與硝化作用關鍵步驟的AOB豐富度，并改變了AOB的群落結構。然而在青藏高原草地，P添加降低了AOB群落豐富度和Shannon-Winner多樣性指數，持續施P可能導致N礦化增加，從而引發更高的N有效性，并可能對AOB豐富度產生抑制作用 (Yangetal.，2020)。Wei等(2017)研究表明，P添加也可促進土壤中的反硝化基因豐度。由此可知，P添加對土壤N2O排放的促進作用可通過緩解硝化和反硝化細菌P限制、促進細菌活性以及提高N2O排放相關功能基因豐度等途徑實現(圖1)。

不同試驗方法對試驗結果有很大影響。室內試驗主要側重于土壤微生物N固定和活性對P添加的響應，從而影響土壤N2O排放，但是排除了植物根系吸收和淋溶作用的影響，具有一定局限性。野外試驗可最大限度地反映真實情況，但無法準確區分P對植物和土壤微生物的影響，土壤N2O排放對P添加的響應實際上是植物和土壤微生物共同作用的結果。在試驗過程中，現有技術手段很難剝離因植物和土壤微生物對P添加不同響應所引起土壤N2O排放的變化。

2.3 P添加對土壤N2O排放影響的其他作用機制

目前，關于P添加對森林土壤N2O排放影響主導機制的討論主要圍繞產生N2O的基質無機N以及硝化和反硝化細菌，但忽略了P添加通過其他途徑對土壤N2O排放的調控，如P添加通過影響AMF共生和/或凋落物分解，進而影響土壤N2O排放(圖1)，造成了現有研究的局限性，而這些途徑可能是P添加調控土壤N2O排放的重要作用機制。

圖1 磷添加對森林土壤N2O排放影響的機制Fig.1 Mechanisms of effect of phosphorus addition on forest soil N2O emissions

AMF可與80%的陸地植物根部共生(Smithetal.，2011)，從宿主植物中獲得C源(Hodgeetal.，2015)。由于菌絲表面積和總長度均大于根系，所以AMF比植物根系能夠更有效地從土壤中獲取營養元素(Parniske，2008)。據估計，AMF可以為植物提供高達90%的P和20%的N(Jayachandranetal.，1992)，可見，AMF具有降低森林土壤N2O排放的潛力。AMF通過增加植物對無機氮和水分的吸收 (Ernforsetal.，2010；Storeretal.，2018)、促進團聚體形成 (Okiobeetal.，2019)以及抑制和改變N2O排放相關功能基因群落 (Benderetal.，2014；Teutscherovaetal.，2019)，從而降低土壤N2O排放。從資源經濟的角度來看，P供應增加會降低共生的優勢，可能會加劇AMF類群之間對植物源C和土壤養分的競爭，以及宿主和AMF之間對無機N的競爭 (Johnsonetal.，2015)。Duenas等(2020)研究表明，P供應增加改變了AMF組分，N和P復合添加降低了AMF的豐富度。P添加可能通過影響AMF共生從而影響土壤N2O排放。Baral等(2013)以玉米(Zeamays)為研究對象開展盆栽試驗，處理方式包括施P、施N和接種AMF，研究發現：較高的植物N吸收降低了土壤中用于微生物硝化和反硝化作用的礦質N有效性，從而減少了N2O排放；施P顯著提高了AMF定殖率，在最高施N量下，同時施P和接種AMF的N2O通量最低。以上研究表明，P添加通過影響AMF進而調控土壤N2O排放的作用機制是存在的。由于AMF在自然界普遍存在，其對溫室氣體的減排潛力大，AMF在P添加下的微小變化可能會對土壤N2O排放產生不可估量的影響。

凋落物可通過為微生物提供易利用的C(糖、多糖或酚類)、N和其他營養成分 (Leffetal.，2012；Orwinetal.，2006)，以及改變土壤表面的微環境和微生物，進而引起土壤N2O排放變化 (Zhengetal.，2020)。P添加可能與凋落物分解相互作用，從而影響土壤C、N循環過程 (Fengetal.，2018)。P添加會通過改變凋落物質量(C/P)和微生物活性 (Zhengetal.，2017)影響凋落物分解速率，進而影響返回土壤的養分。但是，P添加對凋落物分解速率影響的結果并不一致。如Feng等(2018)報道，添加P會降低凋落物C/P，從而提高分解速率；Chen等(2013)研究表明，微生物易獲取P的增加，抑制微生物對凋落物的分解作用。因此，凋落物分解速率對P添加的不同響應可能導致P添加對土壤N2O排放的影響也不同。森林生態系統施P肥過程中主要是噴灑在凋落物層上，而不是在土壤表層上，但目前P添加通過影響凋落物分解速率和養分歸還，間接影響土壤N2O排放的研究還尚未見報道。

土壤酸度會限制無機P的生物有效性，因為活化鋁(Al)會與無機P發生地球化學復合，形成頑固性的閉塞磷(Al-P復合物)，其對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會通過其他途徑來補償P限制 (DeForestetal.，2010)。P添加可緩解土壤酸化，從而影響土壤N2O排放。Chen等(2017)研究發現，P添加及N和P復合添加樣地中的土壤pH高于僅添加N的樣地，這表明添加P可緩解因添加N而引起的土壤酸化，而土壤酸化的緩解為微生物和植物的生長提供了更有利的條件，從而增加了根系和微生物生物量以及脲酶活性。此外，P添加也能通過促進植物生長增加根系對水分的吸收，導致土壤水分減少，而較低的土壤含水量會抑制微生物反硝化，從而減少N2O排放，尤其是在以反硝化為主的熱帶森林中。DeForest等(2020)研究發現，在強酸性土壤中施P能促進硝化作用，但在用石灰改良后的中性土壤中施P卻抑制硝化作用。目前，由于研究的有限性以及土壤pH與P之間相互影響的復雜性，尚不清楚P輸入是如何通過改變土壤pH來調節土壤N2O排放的。

2.4 P添加對土壤N2O排放影響與土壤初始養分的關系

P添加對土壤N2O排放的影響可能取決于森林生態系統中的初始N狀態(N飽和或N限制)。在N限制森林中，P添加對土壤N2O排放的影響可能有限。在N有限的熱帶山地森林中，僅添加P對N2O排放沒有影響；但當P與N共同添加時，N2O排放量小于單獨添加N的處理 (Martinsonetal.，2013)。Chen等(2017)研究表明，施P只改變了N飽和森林土壤的N動態，加快了土壤N轉化速率，減少了土壤N2O排放和NO3--N淋溶，但對2個N限制森林的N動態無明顯影響。Zhang等(2014)也發現，在土壤N有效性高的固N樹種大葉相思(A.auriculiformis)人工林中，與單獨施N相比，N和P顯著降低了N2O排放，而在土壤N有效性較低的非固N樹種尾葉桉(Eucalyptusurophylla)人工林中，N添加及N和P復合添加則對N2O排放無影響。這表明在生態系統達到N飽和之前，N、P是生態系統的共同限制性因子，P添加對植物和微生物的作用有限。隨著N的持續輸入，生態系統逐漸從N限制過渡到N飽和，P取代N成為主要限制因子，所以在N飽和生態系統中，P的輸入會緩解植物和微生物的P限制，但因為植物和微生物之間的競爭作用，對P輸入在不同生態系統中的響應會有差異，從而影響土壤N2O排放。

此外，土壤P的有效性可能也會影響土壤N2O排放對P添加的響應。在P限制的3個落葉混交林中，9年的P添加試驗表明，在試驗前3年，P添加對硝化速率的影響不大，但在5年后，P添加顯著增加了硝化速率(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發現，施P對土壤N2O排放無影響。Mori等(2016)的試驗也表明，在土壤初始P狀態不同的2個熱帶雨林中，P添加對N2O排放的影響不同。

3 結論

森林土壤N2O排放對P添加響應的差異不僅取決于植物和土壤微生物(微生物量、群落組成和微生物活性)對P添加的響應，而且也受土壤初始養分(N、P)狀態調控。P添加可以有效緩解植物和土壤微生物P限制，一方面能夠促進植物根系對無機N的吸收并提高微生物固N，從而降低森林土壤 N2O 排放；另一方面也能刺激硝化和反硝化細菌活性，從而增加森林土壤 N2O 排放。目前，學者研究P添加對森林土壤N2O排放的影響主要集中在植物與微生物對N素的競爭利用，進而調控森林土壤N2O排放，而P添加也可能通過影響AMF共生和/或凋落物分解實現對土壤N2O排放的調控，這需要更多的研究去驗證。P添加對土壤N2O排放的抑制作用可以考慮作為溫室氣體減排的一種策略，尤其是在富N的熱帶地區。