氮沉降对森林凋落物分解过程中土壤酶和微生物影响的研究进展

路锦， 张筱， 黄樱， 曹光球，3*， 费裕翀

(1.福建农林大学 林学院，福建 福州 350002；2.福建农林大学 资源与环境学院，福建 福州 350002；3.国家林业和草原局 杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002)

森林凋落物是森林在生长发育过程中所产生的新陈代谢产物，由植物地上部分产生并归还到地面，作为降解者的物质和能量来源，从而维持森林生态系统功能持续稳定的所有有机质的总称[1].森林生态系统中凋落物包括落枝、倒木、枯立木、落叶、落皮、枯死草本、枯死树根、落地的营养和繁殖器官、动物残骸以及它们的异化代谢产物等[2].作为森林生态系统重要的养分储存库，它的分解和养分释放是森林生物地球化学循环中的重要一环，在维持土壤肥力、保障植物生长养分的可利用性、促进森林生态系统正常的物质循环和养分平衡等方面起着重要作用[3-4]，长期以来是森林经理学、森林生态学、水土保持与荒漠化治理等学科的重要研究内容之一，众多学者对其有着广泛深入的研究.

现有研究表明大尺度区域空间背景下，凋落物的分解主要是受分解气候的影响，而小尺度区域内凋落物的分解更多受底物质量的调控，其中基质碳的形态是调控凋落物分解的主要化学因素.此外氮作为分解者微生物细胞组成所必须的元素之一，微生物对碳源进行分解矿化时对氮元素具有一定的需求，研究普遍表明相比于两者的单独作用，凋落物分解过程中碳与氮的相互作用的影响更为重要.目前随着现代工业的发展，特别是工业固氮的发明以及化石能源的大量开采和使用，人类活动向大气中输送了大量含氮化合物，致使全球范围内大气氮沉降激增，自然生态系统中氮平衡遭到破坏.目前大气氮沉降所导致的生态系统氮输入量增加已成为一个日趋严重的全球变化现象，2050年将预计达到195 Tg/a[5]，远超生态系统天然固氮量.随着全球氮沉降的不断加剧，森林生态系统中氮的养分有效性将有所提升，大量的凋落物分解试验研究表明，氮作为影响森林凋落物分解的重要因素，与氮有关的各种指标，如凋落物自身的氮含量、C/N、木质素/N以及土壤环境中的氮含量、C/N等，与森林凋落物分解具有较强的相关关系，常被用于预测凋落物的分解速率[6-7].土壤酶和微生物作为森林凋落物分解的重要参与者，有关氮沉降驱动土壤微生物的生物量、群落组成以及酶活性的改变，并调控凋落物分解的核心机制仍较少有人关注，在外源氮添加的情况下，氮的有效性提高，微生物运用更少的能量获取氮，那么微生物是否可能进行资源的再分配转向提升与获得碳、磷相关的胞外酶活性，而这些酶的活性是否会作用于凋落物的分解速率均需要进一步深入探究.有鉴于此，本文收集了国内外关于氮沉降背景下凋落物分解文献，综述了氮沉降对森林凋落物分解过程中微生物与土壤酶的影响并归纳总结了其内在的微生物学机制，以期为深入研究森林生态系统与氮沉降之间的相互作用与反馈机制提供参考.

1 氮有效性对凋落物分解的影响研究进展

森林凋落物的分解过程既有物理过程，又有生物化学过程，其中包括淋溶作用、自然粉碎作用和代谢作用，淋溶作用即凋落物中的可溶性物质通过降水而被淋溶，自然粉碎作用主要是通过腐食动物的啃食完成的，非生物因子如土壤的干湿交替、冷冻和解冻等作用同样可使凋落物破碎，代谢作用则主要是由微生物对凋落物进行酶解，将复杂有机化合物转为简单无机化合物[8-10].目前有关凋落物分解的研究主要集中于2个方面，一是关注凋落物的外在分解环境，如光照条件、降水量、土壤的温湿度以及养分有效性[11-12]，二是关注凋落物自身的化学性质和养分含量，即凋落物质量[13-14].凋落物质量也被称为“底物质量”，指凋落物的相对可分解性，由于凋落物是由多种有机成分构成，如糖类、可溶性蛋白、纤维素、半纤维素、木质素和多酚类物质等，而不同有机成分具有不同的分解难度，因而具有不同的有机成分组成、养分含量和结构的凋落物具有不同的分解难度.

氮作为植物生长所必要的重要元素之一，同样也是构成凋落物质量的重要指标，凋落物以及所在环境中氮元素有效性的高低同样对凋落物的分解具有重要作用.相当多的研究表明具有不同底物质量的凋落物分解速率存在明显差异，路颖等[15]在对我国山东地区刺槐(Robiniapseucdoacacia)、麻栎(Quercusacutissima)、油松(Pinustabulaeformis)和赤松(Pinusdensiflora)4类凋落物进行分解研究时发现，凋落物的分解速率受底物质量的强烈限制，初始C/N和木质素/N比值较低的刺槐凋落物分解速率显著高于其他3个树种.此外环境中可利用的，主要是土壤中氮含量高低对于凋落物的分解同样显著.土壤作为凋落物的载体，凋落物和土壤中存在着养分流动现象，土壤中的养分含量越高，凋落物中的微生物养分的获取难度也随之降低.王进等[16]研究发现土壤中有机质、总氮和总钾等养分含量的高低是影响凋落物分解主要养分因子，其含量的高低与凋落物分解速率呈正相关，尤以对底物质量较差的凋落物分解速率的影响程度更为显著.

此外许多试验通过直接向凋落物进行外源氮添加改变凋落物分解底物的质量水平去探究氮对于凋落物分解的重要性，其结果同样表明外源性氮的输入能够促进了凋落物的分解.Vivanco等[17]通过对美国巴塔哥尼亚温带森林进行氮沉降模拟试验，结果表明氮沉降对该地区主要树种凋落物分解有较强的促进作用；项文化等[18]在我国湖南地区的研究表明，施入NaNO3和混合林下植被凋落物后的杉木凋落物养分含量，尤其是氮含量显著上升，其分解速率与对照相比显著加快，且凋落物初始氮含量与分解速率具有显著线性关系.可见适量的外源氮输入能够提升凋落物底物质量，从而加速凋落物的分解与养分释放.但同样也有研究表明外源氮的输入抑制了凋落物的分解，张健等[19]对我国四川地区亮叶桦(Betulaluminifera)人工林进行模拟氮沉降试验后发现，氮沉降显著抑制了凋落叶的分解，且输入浓度越高抑制作用越明显，氮沉降可使得凋落叶的周转周期增加近2年；蔡金桓[20]等对于我国广东地区的杉木凋落物进行氮沉降添加处理后，研究结果同样表明氮沉降处理下的杉木凋落物在整个试验期间分解速率均慢于对照.此外少量研究表明氮沉降对凋落物的分解不存在显著影响，莫江明[21]等等对我国广东地区以马尾松(Pinusmassoniana)和以锥栗(Castanopsischinensis)为主要树种的混交林进行野外模拟氮沉降试验时发现，氮沉降对于马尾松凋落物分解仅在初期促进作用，而对于锥栗凋落物则不有显著影响.可见由于凋落物的分解机制较为复杂，气候、土壤类型以及凋落物的自身化学性质和养分含量均可能导致不同试验结果之间存在差异，此外各试验的外源氮的输入量以及氮源种类也影响着凋落物分解特性对于氮沉降的响应，其结果可比性较差.因此有必要在对目前现有的氮添加试验的基础上进行总结，直接立足于凋落物的C/N比值进行有关试验，这将于推动凋落物的内在机理研究具有重要意义.

但总体而言，大量研究表明凋落物初始C/N比值与凋落物分解速率存在显著的线性关系[22-23].主流的研究认为凋落物的分解速率受到凋落物自身质量的影响，将凋落物中的氮含量，以及与氮含量有关的指标，如C/N比值、木质素/N比值作为预测凋落物分解的重要指标，其中将C/N比作为评判凋落物质量和预测其分解速率的重要指标最为普遍[24].不同的植物凋落物存在不同的C/N比值，如豆科植物凋落物C/N比值在(15～20)∶1，而马尾松、杉木等针叶树种凋落物的碳氮比普遍较高，可达(60～100)∶1，所以施用外源氮后降低其C/N比值能促进其分解.有学者认为凋落物的分解存在着某一C/N比临界，当凋落物自身C/N比值高于这一临界值时，凋落物需从环境中固定养分，分解速率较慢，而低于这一临界值，则能够较快分解释放养分[9].氮作为蛋白质的主要成分，构成生命有机体的重要元素之一，短期内的氮沉降在一定程度上缓解了生态系统中氮的限制作用.在氮沉降背景下，氮的有效性提高，微生物运用更少的能量获取氮，这势必改变凋落物的分解速率，从而作用于全球生态系统功能的正常运转.

2 氮沉降对凋落物分解过程酶活性的影响

凋落物的分解包括淋洗作用、机械破碎、土壤动物的消化、微生物对化合物的酶解等过程，但凋落物的彻底降解最终则是在土壤微生物酶解作用下完成的，土壤中酶活性的高低直接决定着凋落物的分解速率[8].根据凋落物底物营养成分的不同，凋落物分解酶可分为纤维素分解酶类、木质素分解酶类、蛋白水解酶类和磷酸酶类，由于凋落物中的主要成分为纤维素和木质素，因此主导凋落物分解的酶类主要为纤维素分解酶和木质素分解酶.相当多的研究表明氮沉降的增加有利于纤维素酶活性的提升，从而促进了凋落物中纤维素的降解.Frey等[25]和洪江华[26]分别对红懈栎(Querusrubra)和糖槭(Acersaccharum)以及马尾松(Pinusmassoniana)和木荷(Schimasuperba)等林分类型进行氮沉降模拟试验，均发现在高氮处理下纤维素酶活性提升最为显著.现有理论认为可根据凋落物分解过程中所主导分解的底物类型，将微生物类群分为3类：主导分解较易分解的可溶性物质的机会主义微生物类群，主导分解纤维素的专性微生物类群以及主导分解惰性碳化合物如木质素的淘金型微生物类群[27-29].外源氮的输入能够为专性微生物类群分解凋落物提供充足氮源去分泌纤维素酶，从而促进了凋落物的分解，尤其是对于养分含量较低，具有较高的碳含量和C/N比的针叶树种凋落物[30-31].但同样也有研究发现氮沉降对凋落物分解，尤以分解后期具有显著抑制作用[32-33].在凋落物分解后期，随着可溶性蛋白、糖类、淀粉等易降解化合物被快速分解，木质素、酚类、角质等抗分解的顽固化合物含量增加[34]，而主导木质素和芳香族化合物分解的酶类主要为过氧化物酶和多酚氧化酶，研究普遍认为过量的外源氮输入将导致过氧化物酶和多酚氧化酶活性的下降[34-35].可见由于凋落物分解所需的酶主要是由土壤微生物所产生的，随着凋落物的分解，其自身有机物组成不断发生变化，不同生态位的微生物类群对于其分解物质有着自身的选择，酶的催化底物的改变使得各类酶活性高低也处于不断变化.

Frey等[25]的研究便表明，氮沉降入导致森林土壤中真菌生物数量出现显著下降，这种微生物群落组成的变化同时还伴随着白腐真菌所分泌的多酚氧化酶活性的显著降低.可见在氮沉降背景下，若主导木质素分解的微生物类群所受到的抑制作用大于外源氮刺激下主导分解纤维素酶的微生物类群所受到的促进作用可能是导致氮沉降对凋落分解呈中性效应或负效应的原因之一.然而，也有少数研究表明氮沉降有利于木质素分解酶活性的提升，Waldrop等[36]和张艺等[37]分别对北温带地区的糖槭、红懈栎和辽东栎(Quercusliaotungensis)等林分类型进行氮沉降模拟试验后，均发现土壤多酚氧化酶和过氧化物酶活性有所提升，而陈倩妹等[38]对我国川西亚高山天然针叶林的研究也得出相似结论.可见氮沉降对木质素分解酶活性的影响尚未得到广泛适用的结论，其原因可能是不同森林生态系统的养分环境之间具有差异，主导凋落物分解的养分因子也有所不同，例如热带亚热带地区土壤风化严重，矿石来源的磷等必要养分处于耗竭状态，该生态系统受碳或磷限制的程度可能大于受氮限制的程度，为此在对氮沉降背景下的凋落物分解过程中土壤酶进行研究时，应加强对不同生境和施氮量的重视.此外不同森林生态系统中主导凋落物分解的微生物类群可能存在一定差异，从而导致土壤酶活性对于氮沉降的响应各异，在今后的研究中对需将凋落物分解过程中的微生物群落结构组成与酶活性的变化结合研究.

3 氮沉降对凋落物分解过程微生物的影响

土壤微生物作为森林土壤物质循环和能量流动的直接参与者，对土壤生态系统的变化较为敏感，氮沉降所导致的凋落物质量的变化不仅影响微生物自身对于酶的合成，同时影响细菌和真菌的比例及其群落结构的变化.因此氮沉降能够直接或间接影响土壤微生物结构与功能，进而影响森林凋落物的分解，通过对凋落物分解过程中主要微生物类群结构对凋落物性质和环境变量的响应进行测定，有利于获得有关凋落物分解机理更为清晰的认知.凋落物的微生物分解是基于细胞水平，细菌、真菌、放线菌、藻类及原生动物等分解者共同参与对凋落物中有机物质的酶解过程和矿化过程[39].真菌作为凋落物分解过程中非常重要的类群，不同的种群对于凋落物中碳源选择能力有所不同.在凋落物分解前期，主要的真菌种群为交链孢属(Alternaria)和短梗霉属(Aureobasidiumpullulans)等，具有分解糖类等易分解成分.而在凋落物分解中期，则主要为将木质素、纤维素作为主要碳源的真菌种群，如木霉属(Trichodermaspp)和镰刀菌属(Fusarium)等.而当不同生态功能的真菌种群相继完成自身使命而丰度下降后，剩余的有机物则主要是由细菌来完成.细菌在凋落物中数量最高，对于新鲜凋落叶的分解能力相比真菌较弱，但其在角质及其他芳香族化合物的分解中发挥有重要作用.Wright等[40]研究发现凋落物中只定殖有真菌或细菌时，凋落物的分解速率显著慢于真菌和细菌同时存在的凋落物的分解速率，表明真菌和细菌之间的协同作用加快了凋落物的分解.这种协同作用具体表现为真菌首先定着，并通过菌丝分泌胞外酶降解凋落物中的木质素等顽固物质、软化残体、改变凋落物的物理结构和化学组成以及促进细菌的定殖等，而在凋落物中的有机养分的矿化过程起主要作用的可能是细菌[41].同样，细菌以不同于真菌的作用方式改变着凋落物的物理结构和化学组成、促进真菌的定殖和土壤动物的摄食[42-43].由于真菌和细菌的生长对生境变化的适应性不同，在不同的养分供应的周围环境中会体现出不同的活性，但研究表明在多种森林生态系统中，均发现过量的外源氮输入对土壤真菌数量以及细菌数量具有显著的抑制作用[44-45].过量外源氮输入对土壤微生物产生抑制作用的原因除了体现在氮沉降所导致的土壤环境恶化外，氮沉降所导致的森林生态系统中微生物可利用资源的减少可能也是重要原因之一.一方面氮沉降致使植物对于菌根真菌获取氮的依赖性降低，从而减少了根系的生长和降低根系活性物质的分泌[46]，另一方面过量的外源氮输入使得木质素与酚类物质、纤维素等有机碳化合物产生聚合反应，形成结构稳定，难以被微生物所利用的有机物质[47].此外，氮沉降对土壤微生物的影响还体现在改变细菌与真菌的比值[10]，贫营养型微生物类群丰度减少以及富营养型微生物类群丰度的增加等.但一般而言，由于微生物快速的细胞分裂需要大量富氮的RNA，质量较差的凋落物在分解初期多数具有一个氮含量上升阶段，即微生物从环境中固定氮素以满足自身分解的需求，说明氮沉降在一定程度上增加了微生物可利用的氮素，这与向低质量凋落物中混合高质量凋落物有利于低质量凋落物分解是相同原因.因此研究普遍表明短期适量的氮沉降能够提升土壤底物有效性和凋落物质量，促进细菌或真菌等分解者的生长，从而加速了凋落物的分解.鉴于不同微生物类群对环境的耐受性和养分需求不一，不同研究结果中土壤微生物对氮沉降的响应有所差异，但可以肯定是由于各类微生物类群作用于凋落物的方式不同，多元化微生物群落结构更有利于加快凋落物的分解[48].综上，氮沉降入改变了凋落物中的营养平衡，对于微生物功能类群及其活性具有深刻影响，当土壤微生物的生命活动受益于氮沉降时将促进凋落物的分解，相反则会受到抑制，加强凋落物分解过程中的酶活性和微生物群落的研究，能够更充分地认识凋落物分解的内在微生物酶解机制.

4 总结和展望

由上述分析可见，由于外源氮输入量、沉降时间以及林分类型的差异，国内外学者对于森林凋落物分解过程中微生物群落组成和土壤酶活性对于氮沉降的研究结果尚有争论，其影响机制的深入探讨更显得尤为不足.因此未来进行氮沉降背景下凋落物分解研究时需要在以下几方面开展进一步的试验研究与深入探索：(1)氮沉降背景下凋落物分解试验中，对凋落物分解所在的外部环境重视不足，凋落物养分含量和土壤养分有效性常形成生态系统的正反馈环，难以区分二者之一，还是两者共同作用于凋落物分解，且数据分析时多采用相关分析，但这种间接的分析手段获得的结论有内在的缺陷.例如亚热带以及热带地区降雨较多，生物量较大，所添加的外源氮易被冲刷流失以及被植物根系吸收利用，导致外源氮的添加并未被微生物获取并作用于凋落物的分解，相反凋落物中易被淋溶物质的矿化作用则在区域凋落物的分解过程中起到了主导作用.因此在设计氮沉降背景下的凋落物分解试验时，应注重野外试验与室内控制试验的结合，将两者研究结果相互验证.(2)目前氮沉降背景下的凋落物分解试验时间普遍少于2 a，对于寒温带森林生态系统以及某些针叶树种凋落物而言可能尚处于分解的初期阶段，此外氮沉降对森林生态系统影响是一个长期的过程，而大部分试验研究的氮沉降模拟时间较短，因此应加强森林生态系统长期的氮沉降定位试验研究.(3)随着分子生物学技术的发展，高通量测序技术、功能基因组学技术以及微阵列等技术的出现，能够直接从凋落物样本中获取细菌和真菌基因组DNA，通过基因库的对比获取微生物群落结构信息，并对其中有机碳降解以及氮磷循环等功能基因的多样性和结构进行研究，未来试验中以上技术的采用可对氮沉降背景下不同生态系统凋落物微生物群落的作用机制进行准确刻画，从而取得突破.