大气CO2浓度升高对土壤供氮能力的影响研究

李佳燕

呼和浩特市气象局，内蒙古呼和浩特 010000

目前，已有许多研究探究了大气CO2浓度升高对土壤供氮能力的影响。但是，目前对于不同生态系统下，大气CO2浓度升高对土壤供氮能力影响的研究结果仍然存在着较大的不一致性。因此，有必要开展更深入的研究，以揭示大气CO2浓度升高对土壤供氮能力的影响机制，为制定科学的土壤生态系统管理策略提供理论基础[1-6]。

1 CO2浓度升高对土壤供氮能力的影响

1.1 CO2浓度升高对植物生长的影响

CO2是大气中的重要气体，其浓度随着人类活动的增加而逐渐升高。由于植物的光合作用需要CO2的参与，因此大气CO2浓度升高可能对植物的生长产生重要影响。已有研究表明，CO2浓度升高可以促进植物的生长和产量，但是针对不同植物和不同环境条件下，其影响可能存在差异。因此，深入研究CO2浓度升高对植物生长的影响，有助于更好地理解气候变化对生态系统的影响，并为农业生产提供科学依据。

1.2 CO2浓度升高对土壤微生物群落的影响

土壤微生物是土壤生态系统中不可或缺的组成部分，对土壤养分循环、有机物质分解、植物生长等具有重要作用。CO2浓度升高会对土壤微生物群落的组成和功能产生影响。

一方面，CO2浓度升高会促进植物生长，从而增加根系分泌物和凋落物的输入，进而改变土壤微生物群落的组成和数量。研究表明，CO2浓度升高会增加土壤细菌和放线菌数量，但会减少真菌数量。这是因为细菌和放线菌能够利用更多的根系分泌物和凋落物，而真菌对这些物质的利用能力较弱。

另一方面，CO2浓度升高会改变土壤微生物的功能。CO2浓度升高会增加土壤微生物对氮素和磷素的需求量，进而影响土壤中氮素和磷素的循环。CO2浓度升高还会影响土壤微生物对有机物质的分解速率和效率，从而影响土壤有机质的积累和分解速率[7-10]。

1.3 CO2浓度升高对土壤氮素转化过程的影响

大气中，CO2浓度的升高不仅会影响植物生长，还可能影响土壤氮素循环过程。氮是植物生长所必需的营养元素之一，而土壤中的氮素循环和转化是维持土壤肥力的关键过程之一。因此，探究CO2浓度升高对土壤氮素转化过程的影响具有重要的科学意义和实际应用价值。

一方面，CO2浓度升高可能促进土壤有机质的分解，提高氮素矿化速率，从而增加土壤中的无机氮含量。

另一方面，CO2浓度升高可能影响土壤微生物的代谢活动，从而影响硝化和反硝化作用的速率。具体而言，CO2浓度升高可能抑制硝化菌和反硝化菌的代谢活动，减缓硝化和反硝化过程，降低土壤中的硝态氮和亚硝态氮含量。CO2浓度升高还可能影响土壤中的固氮菌的代谢活动，从而影响固氮作用的速率。

2 CO2浓度升高对土壤氮循环的影响

2.1 CO2浓度升高对土壤氮素库的影响

CO2浓度升高可以促进植物光合作用和生长，增强植物对土壤中氮素的吸收和利用，进而降低土壤中的氮素含量。CO2浓度升高会改变土壤微生物的生态系统和群落结构，尤其是针对一些用氮素作为能源的微生物，其活动可能会受到影响，导致氮素循环过程发生改变。CO2的溶解会形成碳酸，导致土壤pH值下降。土壤酸化可能会抑制一些氮素转化的过程，如硝化和硝酸还原。CO2浓度升高可能会影响土壤中氮素的吸附和释放过程，从而影响氮素在土壤中的存储量和组成[11]。

2.2 CO2浓度升高对土壤氨氧化菌和硝化菌群落结构的影响

随着人类活动的增加，受森林砍伐等自然因素的影响，大气中CO2浓度持续升高，对土壤微生物群落的生态系统功能和结构造成了影响。其中，土壤氨氧化菌和硝化菌群落结构的变化，对土壤氮素转化过程和氮素的有效性产生重要影响。

一方面，CO2浓度升高可能会对土壤氨氧化菌和硝化菌群落的物种组成和数量产生影响。相关研究表明，CO2浓度升高可以导致土壤氨氧化菌的丰度上升，而硝化菌的丰度则有所下降，从而导致硝化作用受到抑制[12]。

另一方面，CO2浓度升高可能会对土壤微生物群落的物种多样性和功能多样性产生影响，从而影响氮素转化过程和土壤氮素库的变化。CO2浓度升高可能会加速土壤氮素转化过程和氮素积累。CO2浓度升高还可以加速土壤中的硝化作用，从而增加土壤中的硝酸盐含量，同时影响土壤氨化作用的速率和土壤中氨基酸的含量。CO2浓度升高还可能改变土壤中微生物的群落结构，从而影响土壤中有机氮和无机氮的相互转化过程，最终影响土壤氮素库的大小和氮素的有效性。

2.3 CO2浓度升高对土壤氮素矿化速率的影响

CO2浓度升高会增加植物的光合作用和碳输入量，促进土壤微生物的生长和活动，从而加快土壤有机质的分解速度。土壤有机质的分解是土壤氮素矿化的关键过程之一，因此，CO2浓度升高可以提高土壤氮素矿化速率。

2.1 临床疗效 改良组的总有效率（97.6%）高于传统组（85.7%），差异有统计学意义（P＜0.05）。见表1。

一方面，CO2浓度升高会导致土壤pH值下降，可能对土壤中氮素矿化的微生物代谢造成负面影响。例如：土壤硝化菌的活动需要一定的酸度，而CO2浓度升高可能会降低土壤pH值，抑制硝化菌的活动[13]。

另一方面，CO2浓度升高会提高土壤微生物代谢的速率，提高土壤氮素矿化速率。CO2浓度升高可能会导致土壤中某些微生物群落数量的增加，如厌氧氨氧化菌，从而促进氮素的矿化。CO2浓度升高会影响土壤微生物群落的组成和代谢，从而影响土壤氮素转化和矿化速率，尤其是在氮素供应充足的情况下。但是也有研究发现，CO2浓度升高会抑制土壤氮素矿化速率，尤其是在氮素限制的情况下。不同类型的土壤和不同的植被类型对CO2浓度升高的响应也可能不同。因此，需要进行更深入的研究，了解CO2浓度升高对土壤氮素矿化速率的影响机制，为应对全球气候变化提供科学依据[14]。

3 影响土壤氮素循环的其他因素

3.1 土壤温度

除了受CO2浓度的影响，土壤温度也是影响土壤氮素转化和微生物群落的重要因素之一。随着气候变暖，土壤温度的升高会对土壤中的微生物群落和氮素转化过程产生影响。研究表明，高温会减少土壤中硝化细菌群落数量，增加氨氧化细菌数量。这意味着在高温条件下，土壤中的氨氧化菌活性会增强，而硝化菌活性则会减弱，从而导致土壤中的氮素在短期内无法完全转化成硝态氮，从而降低土壤的供氮能力。

高温还可能导致土壤中微生物群落的种类和数量发生变化。研究表明，高温条件下，土壤中氮固氮菌、有机质分解菌等微生物的数量会减少，而抗旱菌、耐热菌等数量则会增加。这可能会影响土壤中的氮循环和植物的营养吸收，从而影响植物的生长和发育。

3.2 土壤湿度

土壤湿度是影响土壤氮素转化和微生物代谢的重要因素之一。CO2浓度升高会影响土壤湿度的变化，从而影响土壤氮素转化和微生物群落结构。CO2浓度升高会提高植物的水分利用效率，从而减弱水分的蒸散作用，增加土壤的水分含量[15]。

CO2浓度升高会影响土壤温度，降低土壤蒸发的速率，进一步增加土壤的水分含量。土壤湿度的增加会促进氮素的矿化和硝化作用。在较高的土壤湿度下，氧气分子在土壤孔隙中被大量替换为水分子，使得土壤微生物代谢活动受到限制，因此硝化作用速率较低。但是，硝化作用的速率会随着土壤湿度的升高而增加。

土壤湿度的增加会影响土壤中的微生物群落结构。土壤湿度的升高可以促进一些亲水性细菌的生长，从而增强土壤微生物群落的多样性和稳定性。

3.3 土壤pH值的影响

CO2在水中溶解后形成碳酸，进而与土壤中的碱性离子发生反应，降低土壤pH值。CO2浓度升高可以加快有机质的分解速率，释放更多的H+离子，从而降低土壤pH值。土壤中的硝化作用会产生H+离子，进而降低土壤pH值。而CO2浓度升高会促进植物的生长，增加植物的氮吸收和利用，减少土壤中的氮素，导致硝化作用减弱，从而减少H+离子的释放，降低土壤酸化程度[16]。

4 大气CO2浓度升高背景下土壤供氮能力的提升策略

4.1 增施有机肥

增施有机肥是提高土壤肥力和农作物产量的重要措施之一。有机肥包括畜禽粪便、堆肥、腐熟的植物秸秆、绿肥等，它们能够改善土壤结构、提高土壤肥力和水分保持能力。同时，可以促进土壤中微生物的生长和繁殖，提高土壤中的有机质含量。有机肥的施用可以增加土壤中的有机质含量，从而提高土壤养分水平，促进氮素的矿化和供应。

有机肥中含有大量的有机物质和营养元素，这些有机物质可以通过微生物的分解作用逐步释放出来，转化为可供植物吸收利用的无机盐形式，如氮、磷、钾等。与化肥相比，有机肥的养分释放速度较慢，作用时间较长，可以提供持续的养分供应，减轻化肥施用对环境的影响，同时可以降低生产成本。

有机肥的施用可以促进土壤中氮素的矿化和供应。土壤中的氮素主要以有机氮的形式存在，通过有机肥的施用，可以提高土壤中有机氮的含量，从而促进微生物对有机氮的分解和矿化，释放出更多的无机氮元素，供给植物生长需要。

有机肥还含有丰富的微生物群落，这些微生物可以参与氮素的循环和转化过程，增强土壤氮素供应的稳定性和可持续性。通过适当调节土壤pH值，使其处于适宜植物生长和微生物活动的范围内，有利于提高土壤氮素转化和供应能力。

4.2 调整农业种植结构

调整农业种植结构是适应气候变化、提高农业生产效益和环境保护的重要措施之一。选择对CO2响应较强的作物种植，可以利用CO2的刺激效应促进植物生长，同时增强作物吸收和利用氮素的能力，进而提高土壤氮素转化和供应能力。

CO2是植物进行光合作用的重要原料之一，植物在光合作用过程中将CO2和光能转化为有机物质和氧气。CO2的浓度升高，可以加快光合作用速率，提高效率，促进植物的生长和发育。小麦、水稻等作物对CO2的响应较强，CO2浓度升高对它们的生长和产量有显著的促进作用。

CO2浓度升高还可以增强作物吸收和利用氮素的能力。氮素是植物生长发育的重要营养元素，氮素的充足供应对提高作物产量和品质非常关键。通过提高作物对氮素的吸收和利用能力，可以增强土壤氮素转化和供应能力，从而提高农作物的产量和质量。因此，选择对CO2响应较强的作物种植，可以利用CO2的刺激效应促进植物生长，增强作物吸收和利用氮素的能力，提高土壤氮素转化和供应能力，从而适应气候变化，提高农业生产效益和环境保护水平。此外，还需要合理施肥、科学管理，保持土壤肥力、维护生态平衡。在中国南方地区的稻田中，水稻是一种对CO2响应较强的作物。研究表明，将CO2浓度从当前的400 mg/kg增至550 mg/kg，可以使水稻产量上升约13%。这是因为CO2的增加促进了水稻的光合作用和碳水化合物积累，同时增强了水稻吸收和利用氮素的能力，从而提高了水稻的养分利用效率和产量。

5 结束语

CO2是大气中的一种重要温室气体，其浓度随着工业和人类活动的增加而逐年升高。土壤是陆地生态系统的重要组成部分，对维持生态系统的健康和功能发挥起到关键作用。其中，土壤供氮能力是土壤养分循环过程中的一个重要环节，对维持土壤健康和植物生长至关重要。然而，大气中CO2浓度升高可能会对土壤供氮能力产生不利影响，严重影响土壤生态系统的健康和功能。因此，研究大气CO2浓度的升高对土壤供氮能力的影响，对深入了解大气CO2浓度升高对土壤生态系统的影响具有重要意义。