大气氮沉降对森林土壤碳库的影响

李云红 张 宇 刘延坤 陈 瑶 邵英男

(1.黑龙江省森林工程与环境研究所；2.黑龙江省林业监测规划院)



大气氮沉降对森林土壤碳库的影响

李云红1张 宇2刘延坤1陈 瑶1邵英男1

(1.黑龙江省森林工程与环境研究所；2.黑龙江省林业监测规划院)

土壤碳库在整个陆地生态系统碳库中占有十分重要的地位，大气氮沉降不断加剧影响着森林土壤碳库贮存过程。本文从土壤碳库的输入和输出两方面分析了大气氮沉降对土壤碳库的影响，为进一步开展相关研究提供参考。

氮沉降 森林土壤碳库

自工业革命尤其是近几十年来，随着化石燃料的燃烧、工农业以及畜牧业的发展，向大气中排放的含氮化合物迅速增加，从而引起氮沉降。研究表明，在未来的25年内，全球氮沉降水平将会加倍增长，因此，氮沉降问题已经成为国际生态和环境等学科研究的热点问题。土壤碳库在整个陆地生态系统碳库中占有十分重要的地位，其碳库容量是植被碳库的2-3倍，是大气碳库的2倍，在全球碳平衡的维持中发挥着巨大的作用。大气氮沉降通过影响森林凋落物分解和土壤呼吸，最终会对生态系统土壤碳贮存过程产生影响，从而使土壤碳源汇效应发生一定改变。本文从土壤碳库的输入和输出两方面分析了大气氮沉降对土壤碳库的影响，为进一步开展相关研究提供参考。

1 森林土壤碳库的作用

森林土壤碳库是植物凋落物及根系输入与土壤有机质分解输出的平衡产物，是生态系统自我调节的结果。土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，其碳周转速率较慢，能够长期维持生态系统的碳储量。同时，土壤是一个多项多界面的综合系统，包括气态-固态、气态-液态、液态-固态等，其间存在相互作用的内在联系并发生生物化学过程，从而维持土壤肥力，促进地上植被的生长。

2 森林土壤碳库的影响因素

森林土壤碳库由植被凋落物归还量和土壤有机碳的积累与释放所决定。其中凋落物归还量、细根输入量属于土壤碳库输入部分，这部分是由森林植被类型决定的，不同植被其凋落物、根系分泌物不同，为土壤微生物提供的碳源也不同，同时，不同植被类型其根系的分布格局也不同，综合以上因素直接影响到土壤碳库的输入数量和垂直分布。土壤碳库输出部分以土壤呼吸释放为主，土壤呼吸包括植被根系呼吸、土壤动物和微生物呼吸以及土壤有机物氧化而产生的二氧化碳排放。影响土壤碳库释放的因子包括土壤温度、湿度、有机质含量等非生物因子以及植被种类、凋落物质量等生物因子和施肥、土壤利用等人为活动因子。各种因子相互作用，形成土壤碳库的动态平衡。

3 大气氮沉降对土壤碳库输入的影响

3.1 对凋落物的影响

大气氮沉降至森林生态系统后，明显增加土壤氮含量，促进植物根系吸收，使植被凋落物氮含量升高以及引起凋落物内其它元素含量发生变化，从而影响凋落物的分解速率。研究表明，外加氮源能够加快针叶凋落物的分解速率，但仅限于低氮处理和中氮处理，这是因为原有的生态系统受氮素限制，不能满足微生物分解凋落物的需求，但高氮处理则在一定程度上超过了生态系统对氮素的需求，并不能加快凋落物的分解速率，相反，如果森林生态系统内部处于氮饱和状态，则氮沉降反而会抑制微生物和土壤动物对凋落物的分解。氮沉降对凋落物分解影响的机理可能为其改变了凋落物底物质量和参与分解的微生物、土壤酶的组成及活性。

3.2 对细根的影响

植物根系尤其是直径小于2 mm的细根在土壤碳库的存储和周转中发挥着重要作用。研究表明，温带森林土壤碳库中，土壤碳总输入量的14.0%-86.8%是通过细根周转输入完成的，大多数情况下其比例为40%左右。氮沉降对细根周转过程的影响主要是通过改变细根的年生长量、化学成分和周转速率来完成的。目前的研究中针对氮沉降对细根的影响得出的结论不尽相同，有的研究中氮沉降降低了细根生物量，也有得出相反结论的，这说明氮沉降和土壤碳库的相互作用是极其复杂的。同时，氮沉降也会改变植物光合产物在地上各器官和细根间的分配比以及根系的周转速率。

4 大气氮沉降对土壤碳库输出的影响

土壤碳库输出是指通过土壤呼吸向大气中释放二氧化碳和甲烷，森林土壤碳库中二氧化碳排放为5%-20%、甲烷为15%-30%。因此，土壤碳库输出的微小波动可能会对全球温室效应产生巨大影响。土壤呼吸受土壤温湿度、根系生物量、土壤微生物等诸多因素的影响。大气氮沉降可以改变土壤理化性质(如碳氮比)、土壤微生物活性，从而影响凋落物及土壤有机质的分解，进而改变土壤呼吸的碳排放速率。

现有研究表明，大气氮沉降对土壤呼吸可能有三种作用，分别为促进作用、抑制作用或无影响。促进作用大多数表现在氮沉降试验初期，森林处于氮限制状态，外加氮源能够改善土壤营养结构、增加微生物种类及数量，从而加快土壤有机质及凋落物的分解，增加土壤二氧化碳和甲烷的排放。但是，更多的研究结果倾向于大气氮沉降对土壤呼吸的抑制作用。这是因为，随着大气氮沉降，土壤中富集的氮素增多，使土壤碳氮比失衡，从而抑制土壤微生物和碳源活性，同时，大气氮沉降影响细根的生长量和周转速率，综合作用使得土壤呼吸作用被抑制。此外，一部分研究发现，在一段时间内的大气氮沉降对碳库排放的影响不明显，这可能是由于受气候、环境等因素影响，外源氮素没能真正进入森林生态系统的循环中，从而未对土壤呼吸产生显著影响。

5 结束语

大气氮沉降对森林土壤碳库的影响是一个漫长而又复杂的综合作用过程，现有的研究缺乏长期数据的累积，导致在氮沉降对森林土壤碳库的长期影响研究中存在诸多不确定性。同时，各个地区由于环境因素不同，土壤、植被、微生物、外源输入物质等及其之间相互作用也不同，因此，大气氮沉降对土壤碳库作用的结果也各有差异，这需要在今后的研究工作中加强大气氮沉降对土壤碳库影响的机理研究，从而为全面、准确评估我国森林生态系统土壤碳库变化提供基础支持。

[1]Kaiser J.The other global pollutant: nitrogen proves tough to curb[J].Science, 2001, 294(5545): 1268-1269.

[2]郭广芬, 张称意, 徐影.气候变化对陆地生态系统土壤有机碳储量变化的影响[J].生态学杂志, 2006, 25(4): 435-442

[3]常运华, 刘学军, 李凯辉等.大气氮沉降研究进展[J].干旱区研究, 2012, 29(6): 972-979.

责任编辑：王宇红

校 对：王大军

Effect of Atmospheric Nitrogen Deposition on Forest Soil Carbon Pool

LiYunhongZhangYuLiuYankunChenYaoShaoYingnan

(First-author's address:Forest engineering and Environment Research Institute of Heilongjiang Province,Harbin 150081,China)

The soil carbon pool plays an important role in the carbon pool in terrestrial ecosystem, increasing atmospheric nitrogen deposition affects forest soil carbon storage process, this paper analyzes the effects of atmospheric nitrogen deposition on soil carbon input and output, as to provide reference for further research.

Nitrogen deposition, Forest soil carbon pool

国家自然基金面上项目(41275154)。

李云红(1979-)，女，黑龙江七台河人，硕士，助理研究员，主要从事森林生态研究。

2017-01-10