氮沉降增加对土壤微生物的影响

生态环境2005,14(5):[e-mail]基金项目：国家自然科学基金项目（30270283）；广东省自然科学基金项目（021524）；中国科学院知识创新工程领域前沿项目（KSCX2-SW-133）；中国科学院华南植物研究所所长基金项目作者简介：薛璟花（1979－），女，助理研究员，研究方向为全球变化尤其是C、N循环对微生物的影响及其响应。*通讯作者：莫江明。E-mail:[e-mail]收稿日期：2005-06-02氮沉降增加对土壤微生物的影响薛璟花，莫江明*，李炯，王晖中国科学院华南植物园鼎湖山森林生态系统定位研究站，广东肇庆526070摘要：综述了国外氮沉降对土壤微生物的影响研究现状，主要从土壤微生物群落结构组成及功能等方面对氮沉降的响应进行了综述，并从微生物对底物的利用模式及碳分配状况，pH值的变化方面初步探讨了土壤微生物对过量氮沉降的响应机制。研究表明，过量氮沉降会给土壤微生物在以下几个方面带来负影响：首先，改变微生物群落结构组成，表现为土壤真菌细菌相关丰富度发生改变，真菌生物量的减少，真菌/细菌生物量比率的减少，土壤微生物量的减少，微生物群落结构发生改变；其次，改变微生物功能，表现为减少土壤呼吸率，土壤酶活性的降低，改变微生物对底物的利用模式等等。此外，文章还指出了未来该方面研究重点和方向。关键词：氮沉降；土壤微生物；影响；机制中图分类号：S154.2；X171.5文献标识码：A文章编号：1672-2175（2005）05-0777-06近几十年来，由于化肥使用增加和化石燃料燃烧造成氮沉降量迅速增加。欧洲NITREX（NitrogenSaturationExperiments）项目研究得出其森林每年氮饱和的临界负荷的最小值为N10kg·hm-21[1]，但目前中欧森林大气氮输入为每年N25～60kg·hm-2，大大超过了森林的年需要量[2]。在北美，某些森林地区大气氮沉降量每年也达到了N40kg·hm-2[3,4]。一项调查表明，我国降水NO3-离子浓度（0.32×10-6mol·L-1）和沉降量（0.20×10-6mol·L-1）与美国、日本接近，我国降水NH4+浓度则更高，其沉降量也更大，离子浓度高达3.77×10-6mol·L-1，分别是美国和日本的4倍和3.7倍，我国氮沉降通量分别是美国和日本的3倍和1.8倍[5]。大气氮沉降作为全球变化的重要现象之一，沉降量不断增加所带来的一系列生态问题日趋严重。近几十年来，因大气污染而不断增加大气氮沉降量，过剩的氮沉降将增加NH4的硝化和NO3的淋失，加速土壤的酸化，影响树木的生长以及生态系统的功能和生物多样性，对森林产生危害作用[6–15]。土壤微生物作为分解者，在森林生态系统物质循环中起着极其重要的作用，而且土壤微生物的多样性也是影响陆地生态系统功能的关键因素[16]。因此了解氮沉降对土壤微生物区系特征和动态变化的影响及其机理对于森林和环境管理等方面均具有重要的理论和实践意义。长期增加的氮沉降在许多森林类型里改变了生物地球化学循环已是事实，然而，有关氮沉降如何影响微生物群落的变化方面我们仍知之甚少。事实上，国外关于微生物对氮沉降的响应的研究亦是近几年才起步，这些研究的大部分的结果表明，长期氮沉降的增加能给微生物带来负影响：改变其群落结构和功能，表现为真菌生物量的减少，真菌和细菌生物量比率的减少，土壤真菌细菌相关丰富度发生改变，外生菌根真菌物种多样性的减少，减少土壤呼吸率，改变微生物对底物的利用模式，土壤酶活性的降低，等等[17–23]。本文通过综述近年来国外在氮沉降对土壤微生物影响方面的研究情况，为我国开展该方面的研究、森林管理、环境保护以及为生态系统可持续发展等方面提供参考。1过量氮沉降对土壤微生物的影响土壤微生物的生长与植物、pH值、土壤养分有着各种各样的关系[24–26]，因此氮沉降能间接或直接影响土壤微生物的生长繁殖和活动能力，土壤微生物的种类、数量、物种多样性、种群结构及其功能将会随之发生变化，进而对土壤中物质转化、土壤中营养物质有效性产生影响。1.1改变土壤微生物的群落结构组成土壤微生物是土壤的重要组成部分，且对土壤污染具有特别的敏感性，是降解污染物质和恢复土壤环境的先锋者。目前的研究表明，过量氮沉降使土壤微生物群落剖面发生改变，主要表现为减少土壤微生物量（碳），降低真菌/细菌生物量比率。如Frey等[20]在长期施氮的哈佛森林研究表明，阔叶林和松林施氮样地的真菌生物量分别比对照的低27%~61%和42%~69%，而细菌生物量对施氮增加的响应则不如真菌的大，因此施氮明显降低真菌/细菌778生态环境第14卷第5期（2005年9月）生物量比率。DeForest等[17]在密切根北部的一个成熟的北方阔叶林中的施氮（NO3-）样地亦发现了微生物生物量比对照减少了68%。Wallenstein等[27]在3个长期施氮样地（哈佛森林,MA,Mt.Ascutney,VT和BearBrookWatershed,ME,USA）中的2个样地发现施氮明显减少土壤微生物量，其中哈佛森林的松林样地的微生物量比未施氮样地减少了68%，阔叶林则减少了59%，而在Mt.Ascutney混交林样地的微生物量比未施氮样地减少47%，同时，这种减少也主要表现在真菌生物量，使真菌/细菌的生物量比率随氮输入的增加而减少。Wallenstein等[28]在维吉尼亚西部的2个氮饱和样地里亦发现类似现象，即微生物量和真菌/细菌比率随施氮水平增加而减少。在英国北部的一个大草场样地，同样发现在不施氮的样地真菌/细菌生物量比率显著高于施氮样地[29]。同时，亦有证据显示，在英国北部同样的大草场样地里，微生物碳在未施氮样地均高于施氮样地[29]。Tietema等[30]在欧洲氮沉降梯度研究中发现，在氮饱和样地的微生物量碳的效率和w(C)/w(N)比率会低于氮受限的样地，其中在高w(C)/w(N)比率的氮受限样地中，暗示了微生物群落以真菌占优势，因为真菌比细菌有更高的w(C)/w(N)比率，这也与样地计算的高碳利用率是一致的，因为样地中的纯培养研究亦得出真菌比细菌的效率更高。后来，Compton等[19]在长期施氮的哈佛森林的研究中也发现，松林和阔叶林里施氮增加均引起土壤微生物量碳的减少。然而并非所有的研究结果均表现一致，Johnson等[31]在一个长达7a的模拟氮沉降实验中发现，在氮受限的欧石南丛生的荒地生态系统中氮增加可以显著增加微生物量和微生物活性，而在磷受限的草地生态系统中则减少微生物量及其活性。Paul等[32]亦发现在高氮样地（N300kg·hm-2）明显比低氮样地（N100kg·hm-2）的土壤微生物量要高得多。然而，目前学术界还不清楚造成以上这些不同结果的原因，有待进一步的研究。此外，过量的氮沉降还会改变土壤微生物类群和多样性。在长期施氮的哈佛森林发现，松林的低氮处理样地的外生菌根真菌群落的多样性明显低于对照样地[20]。Compton等[19]则发现施氮使松林和阔叶林土壤微生物类群均发生改变，因为在样地里16srDNA这种喜氮菌的基因在所有样品中均有发现，单（加）氧氨酶基因（amoA）在高氮处理中有发现，在对照样地中则没有，而nifH这种用于N2固定的基因则在除了氮处理土壤中难以扩大外，其它土壤中均有发现，这暗示了氮增加已改变了固氮类群。然而，Deforest等[33]在其研究中没有发现慢性氮增加可改变微生物群落组成以及NO3-的增加可改变细菌、放线菌和真菌或PLFAs的相对丰度的证据。Boxman等[34]在NITREX项目的实验样地中亦发现，输入的氮几乎对真菌和细菌生物量没有任何影响。这也许是研究进行的时间不够长，或者是和样地实验前氮的状况相关，还有一个可能的原因是施用的氮量不够大，还不足以在短期内产生明显的作用。1.2过量氮沉降对土壤微生物功能的影响土壤微生物功能和结构基因对氮循环的进程的研究是非常重要的。土壤微生物群落功能的改变对土壤的形成和土壤的肥力状况会有直接和间接的影响。过量氮沉降将带来微生物功能的改变，如降低酶的活性，减少土壤呼吸速率，改变了微生物对底物的利用模式等等。而微生物对氮沉降的响应最终会对生态系统碳氮循环造成反作用。1.2.1降低土壤酶的活性土壤酶是土壤生物活性的一个重要指标，它们参与土壤有机物质的分解转化，土壤酶活性的高低可以反映土壤养分（尤其是氮、磷）的转化强弱。随着氮沉降研究的不断深入，近年来已有研究显示长期氮增加造成土壤酶活性的降低，特别是木质素溶解酶活性、纤维素降解酶活性的降低[17,18,20,35]。Carreiro等[35]首次报道了由于生态系统长期氮增加而造成了木质素细胞溶解酶的活性降低。Berg等[36]在凋落物分解研究中发现，氮增加明显降低凋落物尤其是后期的分解速率，这是由于木质素降解酶主要由白腐真菌产生，而白腐真菌通常仅在氮受限的条件下才能生产它。还有研究发现，氮增加通过抑制木质素细胞溶解酶的活性而阻止碳流向异养型土壤食物网，与此同时，却增加了香兰素的同化，从而降低了土壤有机碳的分解速率，导致土壤碳的累积[17,33]。以上现象被学者们用来解释氮沉降增加减缓植物凋落物分解原因的一个重要机制，也因此有人认为在温带北方阔叶林里氮沉降的增加有利于提高土壤碳的吸存力[17–20,35]。然而，酶活性对氮沉降的响应因生态系统不同而异，如Waldrop等[18]在3种北方温带森林（黑橡树/白橡树（BOWO），糖槭/红橡树（SMRO），糖槭/椴木（SMBW））施氮实验1a后发现，在BOWO生态系统，最高水平的氮沉降趋向于减少石炭酸氧化酶（是一种木质素细胞溶解酶）活性和过氧化酶活性，同时减少了13C-香草醛（一种由木质素解聚合作用的单酚产物）和苯磷二酚的降解，相反，在SMRO和SMBW生态系统，氮沉降则趋向于增加石炭酸氧化酶活性和过氧化酶活性，且能增加香草醛和苯磷二酚的降解，但在实验中未发现氮增加对13C-纤维二糖（一种由纤维素解聚合作用的二糖产薛璟花等：氮沉降增加对土壤微生物的影响779物）的降解有影响。Deforest等[17]亦发现了石炭酸氧化酶和过氧化酶的活性因氮沉降增加而减少，如在矿质土层中与对照相比，施氮使β-Glucosidase（是一种纤维素降解酶）的活性降低24%，在凋落物层中则抑制了石炭酸氧化酶活性达35%，而13C-纤维二糖在细菌或真菌的PLFAs中均未发现受氮沉降增加的影响，13C-香草醛则随氮沉降增加而增加。同时Deforest等[33]还观察到，在矿质土层中的β-Glucosidase和凋落物层的酚氧化酶受到明显的抑制，这暗示了长期氮沉降可以通过土壤微生物酶活性来减少木质素和纤维素的降解。Carreiro等[35]观察到，酶活性强弱随氮增加因凋落物种类不同而异，如对山茱萸凋落物的分解是促进作用，而对橡树凋落物的分解则是抑制作用，对糖槭凋落物的分解没有影响。Frey等[20]在哈佛森林研究的结果与Magill等[37]早期的研究结果即凋落物的低分解率与高的木质素含量是一致的，并且暗示了随着氮的增加木质素降解率的抑制作用要大于纤维素降解酶的累积作用。1.2.2降低土壤呼吸土壤呼吸是土壤微生物活性和土壤肥力的一个重要指标。已有研究表明，短期氮沉降对土壤呼吸速率无影响[38–40]，但长期的氮沉降增加则会降低土壤呼吸速率[29,41–43]。Bowden等[29]在哈佛森林长期的施氮研究样地里还详细研究了施氮时间与土壤呼吸的关系，他发现在阔叶林施氮第1年土壤呼吸率有所提高（对照：C482.0g·m-2·a-1；高氮：C596.5g·m-2·a-1），第2年施氮样地的呼吸率则与对照样地并无不同；在松林里施氮第1年土壤呼吸速率在低氮和高氮样地分别比对照(对照：C482.0g·m-2·a-1)降低21%和25%，第2年减少得更多第13年两样地则均降低了41%。Patricia等[44