氮添加對中國陸地生態系統植物-土壤碳動態的影響

郭潔蕓,王雅歆,李建龍

南京大學生命科學學院生態學系,南京 210023

自20世紀以來,由于工業的發展和農牧業的擴張,大氣氮排放量遠超過自然生物固氮量[1],導致大氣氮沉降水平迅速上升。過量的氮輸入深刻影響并改變了陸地生態系統的功能結構和元素循環[2]。為了探究大氣氮沉降增加對生態系統碳循環的影響,諸多田間實驗[3—5]和模型分析[6—8]從區域和全球尺度上報道了生態系統碳動態對大氣氮沉降的響應特征。然而,盡管目前的大多數研究認為氮富集明顯促進了陸地生態系統的碳固存,但關于氮富集背景下,植物和土壤碳存儲的潛在機制依然存在廣泛爭議。

氮添加通常會促進地上植物的生長。之前的研究表明,外源氮輸入通過增加植物葉片氮含量并提高其光合能力,進而增加植物的碳固定[9]。Li等[10]的研究結果表明氮添加顯著增加了植物的葉片生物量(+15.9%)和地上生物量(+31.8%)的碳分配。此外,在氮富集背景下,植物的凋落物質量也呈顯著增加的趨勢[11]。景朋慧等[12]的研究報道,氮添加會顯著降低植物的根冠比。目前,施氮對植物細根(直徑≤2 mm)生物量影響的結論并不一致,一些研究報道施氮會刺激植物細根的生長,增加細根生物量[13—14]。而更多的研究則支持細根對氮添加的響應是降低生物量這一理論[15—16]。

由于復雜的地下碳循環過程,在不同研究中土壤碳固存對氮添加的響應并不一致。根據已有研究結果,土壤有機碳含量可能呈現增加[17]、不變[18]甚至減少[19]的趨勢。通常來說,土壤碳儲量決定于植物碳輸入和地下碳輸出之間的平衡。土壤淋溶、土壤呼吸和微生物分解等都是地下碳輸出的主要途徑[20—21]。外源氮輸入的增加可能促進可溶性有機碳從相對穩定的土壤碳庫流向不穩定的海洋碳庫,從而增加土壤有機碳的損失[22]。此外,可利用氮的增加緩解了微生物的氮限制,促進微生物對易分解有機碳的利用,增加其異養呼吸,使原有土壤有機碳含量減少[19],即激發效應。但另一方面,氮添加誘導的土壤酸化抑制了胞外酶的活性,又會減少微生物對木質素等難分解有機質的利用,從而有助于土壤穩定有機碳的積累[23]。因此單一的研究很難有效得出氮添加對土壤碳庫的一般影響特征,需要對區域尺度內眾多樣地的實驗結果進行整合分析。

目前,大多數陸地生態系統碳動態模型認為,氮添加通過促進植物生長,增加對土壤的碳輸入[24—25],從而提高土壤有機碳的積累,土壤的碳儲量隨著有機質輸入量的提高線性增加[26]。然而,實際情況可能并非如此[27—28]。“激發效應”理論認為更多的高質量有機質輸入可能會刺激微生物生長[29],從而更快的消耗土壤有機碳,尤其是在植物生長受養分限制的生態系統中[30]。有研究表明在養分貧瘠的生境中,植物會分配更多的營養供給根部發育,而當養分充足時則優先增加地上生物量。功能平衡假說認為[31],植物會通過改變生物量分配策略來適應外界環境的變化[32],這可能也是氮富集背景下植物-土壤碳動態的影響因素。

目前,盡管中國大氣氮排放量已經受到控制,但由于過去幾十年來大氣氮沉降量的迅速增加,中國已經成為大氣氮沉降最為嚴重的地區之一[33]。越來越多的研究表明,大量的外源氮輸入對中國陸地生態系統碳循環產生了重要的影響。Tang等[34]的研究報道了在7.5—20 g N m-2a-1的氮添加速率范圍內,我國草地生態系統的地上部凈初級生產力顯著增加。Chen等[27]的研究表明,氮添加促進了我國陸地生態系統地上植物的碳固存,卻減少了地下植物碳庫,且土壤碳庫無明顯變化。該地上生物量的增加趨勢與全球尺度上的響應一致[35]。Deng等[11]發現,氮添加總體上促進了中國土壤有機碳庫的積累。然而,氮添加對植物-土壤碳動態的整體影響,及其背后的潛在機制尚不十分清晰。在此,本研究通過整合來自中國的172處野外施氮試驗數據,探究植物和土壤碳庫對氮添加的響應機制,以及二者之間的相關關系。

1 材料與方法

1.1 數據篩選與收集

本研究利用Web of Science和中國期刊全文數據庫(CNKI)等中英文數據庫進行文獻檢索,檢索時間年限為2000年1月至2020年12月。參考之前類似的整合分析研究方法[2, 6, 11]以及本研究,檢索的關鍵詞組合確定為氮沉降(Nitrogen deposition)、氮添加(Nitrogen addition)、氮富集(Nitrogen enrichment)、生物量(Biomass)、凋落物(Litter)、根系(Root)、土壤有機碳(Soil organic carbon)、土壤微生物(Soil microbes)和土壤性質(Soil properties)。

為了避免可能的發表偏倚,只選擇了同時滿足以下四個標準的文獻：(1)只包含野外樣地的氮添加實驗結果,而溫室實驗、開頂箱、模型模擬的結果并不納入本研究；(2)研究要設置對照組,且對照組和實驗組要處于相同的氣候條件、植被類型和土壤類型下,且實驗時間在3個月以上；(3)各變量的均值、方差或標準差、樣本量能從文章中直接獲取,或可通過軟件GetData Graph Digitizer(version 2.26,Moscow,Russia)從圖表中提取；(4)同一研究中,不同的氮添加速率被認為是獨立的觀察結果[36]。但如果同一研究包含不同采樣時間的多次測量結果,則只提取最近一次的測量數據。基于以上篩選標準,我們建立的數據集最終包含來自172篇已發表文獻的1639對測量值,覆蓋了中國主要的陸地生態系統類型,其中來自亞熱帶森林的樣地54個,溫帶森林的44個,草地的51個,農田的19個。

本數據集共包含14個數值型變量,可分為4類：(1)植物碳相關變量(地上生物量、地下生物量、凋落物質量、細根生物量、葉片碳氮比、凋落物碳氮比、細根碳氮比)；(2)土壤碳相關變量(土壤有機碳、可溶性有機碳、微生物生物量碳、土壤呼吸)；(3)土壤氮相關變量(可溶性有機氮、微生物生物量氮)；(4)土壤pH。同時,還詳細記錄了各實驗樣地的生態系統類型、氮添加速率和施氮時間,以及經緯度、年平均氣溫和年平均降水量等信息。本數據集的全部數據已經上傳至公共數據庫Figshare(https://figshare.com/s/53c50bbee4a62e89319f)。

1.2 數據統計與整合分析

本研究采用對照組和實驗組的響應比值(response rate,RR)的自然對數(LnRR)來評估各變量響應氮添加的效應值[37]。計算公式如下：

(1)

在整合分析中,大多通過對個體觀測值的加權去進行總體效應值的評估及結果推斷。考慮到本數據集中部分研究結果并未給出方差,且基于方差倒數加權的結果可能會受個別極端觀測值的影響,因此采用各個研究的樣本量來計算權重。計算公式如下：

Wr=(Nt×Nc)/(Nt+Nc)

(2)

式中,Wr為單個觀測結果的權重,Nt和Nc分別為實驗組和對照組的樣本量。

為了評估各變量的總體效應值是否顯著,以及是否受到氮添加速率(Rate)和施氮時間(Duration)的影響,參考之前的研究[38]建立以下混合效應模型去計算總體效應值,具體模型如下：

ln(RR)=β0+β1×R+β2×ln(D)+πstudy+ε

(3)

式中,R和D分別為氮添加速率和施氮時間。βi為模型中的固定系數。πstudy表示各“研究”中的隨機效應,用來解釋各研究中觀測值之間的自相關性。ε表示抽樣誤差。當R和ln(D)被作為連續性變量被標準化時(減去均值并除以一倍標準差),β0表示平均氮添加速率和施氮時間的總體平均效應值。該模型分析使用R軟件的“lme4”數據包,采用極大似然估計法,以Wr作為權重。為了使結果便于解釋,對總體效應值及其95%置信區間進行百分比換算。計算公式如下：

Effectsize(%)=(elnRR-1)×100%

(4)

若平均效應值的95%置信區間不與0相交,則代表氮添加對該變量具有顯著影響。

為了更好地說明不同生態系統類型和施氮措施對各變量的差異影響,參照以往探究氮添加對生態系統功能影響的整合分析研究[2]中常用的分類,將生態系統類型劃分為亞熱帶森林、溫帶森林、草地和農田4個亞分組；氮添加速率劃分為低氮≤ 50 kg N hm-2a-1、中氮51—100 kg N hm-2a-1和高氮> 100 kg N hm-2a-13個亞分組；施氮時間劃分為短期≤5年、中期6—10年和長期>10年3個亞分組。

此外,為了評估地理因素對碳相關變量的效應值是否有影響,以年平均氣溫和年平均降水量作為固定因子,建立標準隨機效應模型。該分析同樣采用極大似然估計法,以Wr作為權重。隨后,采用加權線性回歸模型分析植物生物量與土壤碳庫之間的相關關系。本研究的顯著水平設置為P<0.05。本研究的數據統計分析均使用R 4.0.2軟件完成。

2 結果與分析

2.1 氮添加對植物生物量和碳氮比的影響

總體上,氮添加顯著增加了植物的生物量,地上和地下生物量分別增加了33%和24%。凋落物質量也增加了22%,而細根生物量并無明顯變化。相反,氮添加顯著降低了葉片、凋落物和細根的碳氮比(圖1)。不同生態系統類型下,相比于植物地上或地下生物量,凋落物質量對氮添加的響應在各生態系統間存在顯著差異(表1)。草地凋落物質量顯著增加,且增長幅度遠超于溫帶森林,而亞熱帶森林的凋落物質量卻無明顯變化。此外,植物凋落物質量和細根生物量對氮添加的響應因施氮速率不同而存在顯著差異(表1)。凋落物質量對氮添加的響應隨施氮速率的上升而愈發強烈,在中氮和高氮處理下,凋落物質量分別顯著增加了22%和35%(圖1)。然而,施氮時間對植物生物量的影響并不顯著(表1)。

表1 氣候條件,生態系統類型和施肥條件對植物和土壤碳相關變量的影響Table 1 Effects of climatic conditions, ecosystem types, and fertilization conditions on plant and soil carbon-related variables

圖1 不同生態系統類型和施氮條件下植物生物量和碳氮比對氮添加的響應Fig.1 Responses of plant biomass and C:N ratio to N addition in different ecosystem types and nitrogen application conditionsAGB：地上生物量 Aboveground biomass；BGB：地下生物量 Belowground biomass；LB：凋落物質量 Litter biomass；FRB：細根生物量 Fine root biomass；Leaf CN：葉片碳氮比 Leaf C:N ratio；Litter CN：凋落物碳氮比 Litter C:N ratio；FR CN：細根碳氮比 Fine root C:N ratio；SF：亞熱帶森林 Subtropical forest；TF：溫帶森林 Temperate forest；G：草地 Grassland；C：農田 Cropland；LN：低氮 Low N-addition rate；MN：中氮 Medium N-addition rate；HN：高氮 High N-addition rate；ST：短期 Short-term；MT：中期 Medium-term；LT：長期 Long-term；圖中虛線表示平均效應值為0;線條表示95%置信區間;實心圓與空心圓分別表示顯著響應與不顯著響應;括號外的數字表示該變量的觀測值個數,括號內的數字表示該變量的文獻個數。沒有效應值的表明本整合分析中沒有納入該部分數據

2.2 氮添加對土壤碳庫和土壤性質的影響

氮添加顯著增加了土壤有機碳(9%)和可溶性有機氮(25%)含量,但同時顯著降低了土壤pH值(5%)。可溶性有機碳和微生物生物量碳以及土壤呼吸對氮添加均無明顯響應(圖2)。在不同生態系統類型中,土壤有機碳及其他變量對氮添加的響應呈現相似的趨勢且均無顯著差異。不同的氮添加速率顯著影響了可溶性有機碳含量和土壤呼吸的效應值(表1)。在低氮條件下,土壤呼吸顯著提高了19%(圖2),但隨著氮添加速率的上升,土壤呼吸則無明顯變化。除土壤呼吸外,不同施氮時間下土壤碳庫無明顯差異(表1)。土壤呼吸在中期的施氮試驗中顯著提高了44%,明顯高于短期和長期試驗中土壤呼吸的變化。

圖2 不同生態系統類型和施氮條件下土壤碳庫和土壤性質對氮添加的響應Fig.2 Responses of soil carbon pools and soil properties to nitrogen addition in different ecosystem types and nitrogen application conditionsSOC：土壤有機碳 Soil organic carbon；DOC：可溶性有機碳 Dissolved organic carbon；MBC：微生物生物量碳 Microbial biomass carbon；SR：土壤呼吸 Soil respiration；DON：可溶性有機氮 Dissolved organic nitrogen；MBN：微生物生物量氮 Microbial biomass nitrogen

2.3 不同氣候和施肥條件對植物及土壤碳變量的影響

在氮添加作用下,年平均氣溫和年平均降水量均顯著影響了土壤有機碳含量(表1),年平均氣溫還顯著影響了土壤pH值(P=0.027)。此外,不同的生態系統類型顯著影響了凋落物質量,而其他變量在不同生態系統類型下對氮添加的響應并無顯著差異。凋落物質量,細根生物量,葉片碳氮比,凋落物碳氮比,可溶性有機碳,土壤呼吸,微生物生物量氮和土壤pH對氮添加的響應隨施氮速率的上升而發生明顯變化。此外,土壤呼吸和pH值在短期、中期和長期施氮試驗下對氮添加的響應存在顯著差異。

2.4 植物生物量與土壤碳庫之間的相關關系

加權線性回歸結果表明,土壤有機碳的效應值與地上生物量的效應值呈顯著的負相關關系,而與地下生物量無明顯的相關性。在施氮條件下,土壤有機碳的效應值隨著微生物生物量碳效應值的上升而呈現顯著下降的趨勢(圖3)。

圖3 地上生物量、地下生物量和微生物生物量碳與土壤有機碳之間的相關關系Fig.3 Relationships between the effect size of aboveground biomass, belowground biomass, and microbial biomass carbon and soil organic carbon 線性回歸用黑色實線表示,灰色陰影區表示95%置信區間;藍色圓點表示單個研究的效應值,圓的大小表示權重

3 討論

本研究以中國陸地生態系統為對象,結果顯示氮添加顯著刺激了植物的生長,與前人在全球尺度下的研究結果相一致[2,6,11]。然而,植物對地上和地下部分的碳分配并不相同,地上生物量的增加量明顯高于地下生物量(圖1),且發現地下的細根生物量并無明顯變化。之前的研究也證實地上生物量對施氮的響應要大于地下生物量[39]。根據最優碳分配理論,當有更多營養物質(即氮肥)可利用時,植物在構建養分獲取結構(即根系)時投入的碳就會減少[38,40]。同時,外源氮輸入增加使得細根的呼吸作用增強,分配到根系的碳主要用于維持氮的吸收和同化,并非用于新根的生長[41]。有證據表明,氮添加顯著降低了全球尺度上的細根生物量,但增加了粗根和總根生物量[42]。

氮添加總體上顯著促進了土壤有機碳的積累。然而,在氮富集背景下,中國陸地生態系統的土壤呼吸并未發生明顯變化,這可能是氮添加對微生物異養呼吸的影響和對根系自養呼吸的影響之間相互平衡的結果[36]。有相關研究報道,氮添加顯著抑制了我國南亞熱帶成熟森林的土壤呼吸[43],但對該區域內混交林和馬尾松林的土壤呼吸速率卻沒有影響[44]。此外,氮添加總體上沒有改變土壤微生物生物量碳的含量,但土壤pH值卻顯著降低。長期處于酸性環境中的微生物,可以通過調節自身代謝過程,改變對碳和氮的吸收來維持生物量的碳氮比,從而進一步影響土壤的碳氮平衡[45]。

不同生態系統類型和施氮條件影響著各變量對氮添加的響應結果。本研究中氮添加對草地地上生物量的促進作用明顯高于森林,Xia等[46]的整合分析結果也表明氮輸入對草本生物量的促進作用要顯著大于木本。凋落物質量對氮添加的響應在不同生態系統中存在顯著差異,草地凋落物質量對氮添加的響應量級遠大于溫帶森林和亞熱帶森林(圖1)。這可以用氮飽和假說來解釋,一般而言,中國草地和溫帶森林處于氮限制狀態[33],相反,富氮的亞熱帶森林對氮添加的響應并不敏感。在氮富集背景下,相比于亞熱帶森林和草地,溫帶森林的土壤有機碳含量顯著增加,這可能與不同生態系統類型的不同氣候條件(年平均氣溫和年平均降水量)密切相關。農田作為人工生態系統,受人類干擾最大,且大多進行集約化管理,其耕作等措施可能會破壞植物根系,減少微生物種群,從而減少大團聚體的聚集[47]。因此氮添加下農田地上生物量和土壤有機碳含量均顯著增加。此外,凋落物質量隨著氮添加速率的上升而顯著增加,但并不隨著施氮時間的延長而增加。可能的原因是一旦陸地生態系統達到氮飽和,進一步的外源氮輸入將不會顯著促進植物的生長[48]。魯顯楷等[49]提出了植物適應性新假說：即“富氮”生態系統植物可以通過提升自身蒸騰能力適應高氮沉降來維持養分平衡。隨著施氮速率的上升,可溶性有機碳含量發生顯著變化。土壤中增加的銨態氮與胡敏酸和富里酸形成可溶性物質,提高了有機質的溶解性,進而促進土壤有機碳的流失[50]。氮添加條件顯著影響了土壤呼吸的響應程度,在適宜的氮添加速率和施氮周期下,外源氮輸入使土壤呼吸顯著增加。而較高濃度或長期的氮添加,反而會使土壤呼吸的響應不顯著甚至降低,這可能是由于過量氮添加導致的土壤酸化抑制了微生物的活性。

盡管氮添加使得植物輸入土壤的有機質顯著增加,但是線性回歸結果表明,地上生物量和土壤有機碳含量之間卻呈負相關關系(圖3)。Liu等的研究認為,氮富集背景下陸地生態系統地上地下碳動態是不耦合的[36],這與本研究得出的結果相一致,地上生物量的增加并不能完全反映土壤碳庫的動態變化。一種可信的解釋是氮添加強烈影響了土壤微生物對土壤有機質的分解。多種微生物相關假說已經被提出,用來闡明氮富集如何影響土壤微生物的碳利用。例如,激發效應導致土壤有機碳含量的減少。圖1顯示,氮添加顯著降低了凋落物和細根的碳氮比。由于高氮凋落物分解速率更快[51],因此微生物在初期會迅速分解土壤中的新鮮有機質,并可能進一步消耗土壤的原有有機碳以滿足自身生長需求[52]。

酸化假說卻認為氮誘導的土壤酸化會抑制微生物的生長,并阻礙其對土壤有機碳的分解[53]。隨著氮添加速率的升高和施氮時間的延長,土壤pH值顯著降低。土壤酸化會強烈地影響微生物的代謝及其碳利用,從而減少土壤有機碳的損失[54]。這與本研究的結果一致,微生物生物量碳在低濃度氮添加下輕微增加,在高濃度或長期氮添加下卻顯著降低(圖2)。此外,微生物生物量碳和土壤有機碳之間呈顯著的負相關關系(圖3)。長期高氮輸入會降低土壤有機質中的活性組分,導致難以降解的芳香碳積累[55],而微生物分解者很難獲取利用這類物質,由此可以抑制激發效應引起的碳損失,并促進土壤碳的長期固存。Terrer等[56]提出了一種植物的養分獲取策略來解釋植物碳庫與土壤碳庫之間的負相關關系。即植物通過促進根系生長,增加根系分泌物和共生細菌、真菌等地下碳投資來從土壤中獲取有限的資源。植物對土壤的碳輸入加速了土壤有機質的分解,進而促進植物對土壤養分的吸收。植物這種地下碳投資方式的回報是地上生物量的增加,土壤有機碳儲量反而減少。在此,根據對中國陸地生態系統氮添加下植物和土壤碳相關過程的整合分析,提出了一個概念模型來闡釋植物和土壤碳動態對氮添加的響應機制,以及二者之間的相關關系(圖4)。

圖4 植物-土壤碳動態對氮添加的響應特征及二者之間相關關系的概念模型Fig.4 The conceptual model describes the response of plant-soil carbon dynamics to N addition and the correlation between plant and soil藍色和紅色方框分別表示顯著增加或減少;*P<0.05

4 結論

氮添加顯著促進了中國陸地生態系統植物的生長。植物通過改變地上-地下生物量的碳分配策略來適應外源氮的輸入,地上生物量對施氮的響應大于地下生物量,從而導致植物根冠比下降。同時,植物的地上生物量與土壤有機碳之間呈顯著的負相關關系。雖然凋落物的分解增加了對土壤的碳輸入,但額外的氮輸入也會刺激土壤微生物的碳利用,這可能會增加土壤有機碳的損失。土壤碳庫對氮添加的響應取決于碳輸入和輸出之間的平衡。植物和土壤碳庫之間的這種負相關關系,有助于理解大氣氮沉降增加對陸地生態系統總體碳收支的影響。總之,氮添加改變了植物-土壤的碳動態,并總體上增加了中國陸地生態系統的碳固存。