氮添加对中国陆地生态系统植物-土壤碳动态的影响

郭洁芸,王雅歆,李建龙

南京大学生命科学学院生态学系,南京 210023

自20世纪以来,由于工业的发展和农牧业的扩张,大气氮排放量远超过自然生物固氮量[1],导致大气氮沉降水平迅速上升。过量的氮输入深刻影响并改变了陆地生态系统的功能结构和元素循环[2]。为了探究大气氮沉降增加对生态系统碳循环的影响,诸多田间实验[3—5]和模型分析[6—8]从区域和全球尺度上报道了生态系统碳动态对大气氮沉降的响应特征。然而,尽管目前的大多数研究认为氮富集明显促进了陆地生态系统的碳固存,但关于氮富集背景下,植物和土壤碳存储的潜在机制依然存在广泛争议。

氮添加通常会促进地上植物的生长。之前的研究表明,外源氮输入通过增加植物叶片氮含量并提高其光合能力,进而增加植物的碳固定[9]。Li等[10]的研究结果表明氮添加显著增加了植物的叶片生物量(+15.9%)和地上生物量(+31.8%)的碳分配。此外,在氮富集背景下,植物的凋落物质量也呈显著增加的趋势[11]。景朋慧等[12]的研究报道,氮添加会显著降低植物的根冠比。目前,施氮对植物细根(直径≤2 mm)生物量影响的结论并不一致,一些研究报道施氮会刺激植物细根的生长,增加细根生物量[13—14]。而更多的研究则支持细根对氮添加的响应是降低生物量这一理论[15—16]。

由于复杂的地下碳循环过程,在不同研究中土壤碳固存对氮添加的响应并不一致。根据已有研究结果,土壤有机碳含量可能呈现增加[17]、不变[18]甚至减少[19]的趋势。通常来说,土壤碳储量决定于植物碳输入和地下碳输出之间的平衡。土壤淋溶、土壤呼吸和微生物分解等都是地下碳输出的主要途径[20—21]。外源氮输入的增加可能促进可溶性有机碳从相对稳定的土壤碳库流向不稳定的海洋碳库,从而增加土壤有机碳的损失[22]。此外,可利用氮的增加缓解了微生物的氮限制,促进微生物对易分解有机碳的利用,增加其异养呼吸,使原有土壤有机碳含量减少[19],即激发效应。但另一方面,氮添加诱导的土壤酸化抑制了胞外酶的活性,又会减少微生物对木质素等难分解有机质的利用,从而有助于土壤稳定有机碳的积累[23]。因此单一的研究很难有效得出氮添加对土壤碳库的一般影响特征,需要对区域尺度内众多样地的实验结果进行整合分析。

目前,大多数陆地生态系统碳动态模型认为,氮添加通过促进植物生长,增加对土壤的碳输入[24—25],从而提高土壤有机碳的积累,土壤的碳储量随着有机质输入量的提高线性增加[26]。然而,实际情况可能并非如此[27—28]。“激发效应”理论认为更多的高质量有机质输入可能会刺激微生物生长[29],从而更快的消耗土壤有机碳,尤其是在植物生长受养分限制的生态系统中[30]。有研究表明在养分贫瘠的生境中,植物会分配更多的营养供给根部发育,而当养分充足时则优先增加地上生物量。功能平衡假说认为[31],植物会通过改变生物量分配策略来适应外界环境的变化[32],这可能也是氮富集背景下植物-土壤碳动态的影响因素。

目前,尽管中国大气氮排放量已经受到控制,但由于过去几十年来大气氮沉降量的迅速增加,中国已经成为大气氮沉降最为严重的地区之一[33]。越来越多的研究表明,大量的外源氮输入对中国陆地生态系统碳循环产生了重要的影响。Tang等[34]的研究报道了在7.5—20 g N m-2a-1的氮添加速率范围内,我国草地生态系统的地上部净初级生产力显著增加。Chen等[27]的研究表明,氮添加促进了我国陆地生态系统地上植物的碳固存,却减少了地下植物碳库,且土壤碳库无明显变化。该地上生物量的增加趋势与全球尺度上的响应一致[35]。Deng等[11]发现,氮添加总体上促进了中国土壤有机碳库的积累。然而,氮添加对植物-土壤碳动态的整体影响,及其背后的潜在机制尚不十分清晰。在此,本研究通过整合来自中国的172处野外施氮试验数据,探究植物和土壤碳库对氮添加的响应机制,以及二者之间的相关关系。

1 材料与方法

1.1 数据筛选与收集

本研究利用Web of Science和中国期刊全文数据库(CNKI)等中英文数据库进行文献检索,检索时间年限为2000年1月至2020年12月。参考之前类似的整合分析研究方法[2, 6, 11]以及本研究,检索的关键词组合确定为氮沉降(Nitrogen deposition)、氮添加(Nitrogen addition)、氮富集(Nitrogen enrichment)、生物量(Biomass)、凋落物(Litter)、根系(Root)、土壤有机碳(Soil organic carbon)、土壤微生物(Soil microbes)和土壤性质(Soil properties)。

为了避免可能的发表偏倚,只选择了同时满足以下四个标准的文献：(1)只包含野外样地的氮添加实验结果,而温室实验、开顶箱、模型模拟的结果并不纳入本研究；(2)研究要设置对照组,且对照组和实验组要处于相同的气候条件、植被类型和土壤类型下,且实验时间在3个月以上；(3)各变量的均值、方差或标准差、样本量能从文章中直接获取,或可通过软件GetData Graph Digitizer(version 2.26,Moscow,Russia)从图表中提取；(4)同一研究中,不同的氮添加速率被认为是独立的观察结果[36]。但如果同一研究包含不同采样时间的多次测量结果,则只提取最近一次的测量数据。基于以上筛选标准,我们建立的数据集最终包含来自172篇已发表文献的1639对测量值,覆盖了中国主要的陆地生态系统类型,其中来自亚热带森林的样地54个,温带森林的44个,草地的51个,农田的19个。

本数据集共包含14个数值型变量,可分为4类：(1)植物碳相关变量(地上生物量、地下生物量、凋落物质量、细根生物量、叶片碳氮比、凋落物碳氮比、细根碳氮比)；(2)土壤碳相关变量(土壤有机碳、可溶性有机碳、微生物生物量碳、土壤呼吸)；(3)土壤氮相关变量(可溶性有机氮、微生物生物量氮)；(4)土壤pH。同时,还详细记录了各实验样地的生态系统类型、氮添加速率和施氮时间,以及经纬度、年平均气温和年平均降水量等信息。本数据集的全部数据已经上传至公共数据库Figshare(https://figshare.com/s/53c50bbee4a62e89319f)。

1.2 数据统计与整合分析

本研究采用对照组和实验组的响应比值(response rate,RR)的自然对数(LnRR)来评估各变量响应氮添加的效应值[37]。计算公式如下：

(1)

在整合分析中,大多通过对个体观测值的加权去进行总体效应值的评估及结果推断。考虑到本数据集中部分研究结果并未给出方差,且基于方差倒数加权的结果可能会受个别极端观测值的影响,因此采用各个研究的样本量来计算权重。计算公式如下：

Wr=(Nt×Nc)/(Nt+Nc)

(2)

式中,Wr为单个观测结果的权重,Nt和Nc分别为实验组和对照组的样本量。

为了评估各变量的总体效应值是否显著,以及是否受到氮添加速率(Rate)和施氮时间(Duration)的影响,参考之前的研究[38]建立以下混合效应模型去计算总体效应值,具体模型如下：

ln(RR)=β0+β1×R+β2×ln(D)+πstudy+ε

(3)

式中,R和D分别为氮添加速率和施氮时间。βi为模型中的固定系数。πstudy表示各“研究”中的随机效应,用来解释各研究中观测值之间的自相关性。ε表示抽样误差。当R和ln(D)被作为连续性变量被标准化时(减去均值并除以一倍标准差),β0表示平均氮添加速率和施氮时间的总体平均效应值。该模型分析使用R软件的“lme4”数据包,采用极大似然估计法,以Wr作为权重。为了使结果便于解释,对总体效应值及其95%置信区间进行百分比换算。计算公式如下：

Effectsize(%)=(elnRR-1)×100%

(4)

若平均效应值的95%置信区间不与0相交,则代表氮添加对该变量具有显著影响。

为了更好地说明不同生态系统类型和施氮措施对各变量的差异影响,参照以往探究氮添加对生态系统功能影响的整合分析研究[2]中常用的分类,将生态系统类型划分为亚热带森林、温带森林、草地和农田4个亚分组；氮添加速率划分为低氮≤ 50 kg N hm-2a-1、中氮51—100 kg N hm-2a-1和高氮> 100 kg N hm-2a-13个亚分组；施氮时间划分为短期≤5年、中期6—10年和长期>10年3个亚分组。

此外,为了评估地理因素对碳相关变量的效应值是否有影响,以年平均气温和年平均降水量作为固定因子,建立标准随机效应模型。该分析同样采用极大似然估计法,以Wr作为权重。随后,采用加权线性回归模型分析植物生物量与土壤碳库之间的相关关系。本研究的显著水平设置为P<0.05。本研究的数据统计分析均使用R 4.0.2软件完成。

2 结果与分析

2.1 氮添加对植物生物量和碳氮比的影响

总体上,氮添加显著增加了植物的生物量,地上和地下生物量分别增加了33%和24%。凋落物质量也增加了22%,而细根生物量并无明显变化。相反,氮添加显著降低了叶片、凋落物和细根的碳氮比(图1)。不同生态系统类型下,相比于植物地上或地下生物量,凋落物质量对氮添加的响应在各生态系统间存在显著差异(表1)。草地凋落物质量显著增加,且增长幅度远超于温带森林,而亚热带森林的凋落物质量却无明显变化。此外,植物凋落物质量和细根生物量对氮添加的响应因施氮速率不同而存在显著差异(表1)。凋落物质量对氮添加的响应随施氮速率的上升而愈发强烈,在中氮和高氮处理下,凋落物质量分别显著增加了22%和35%(图1)。然而,施氮时间对植物生物量的影响并不显著(表1)。

表1 气候条件,生态系统类型和施肥条件对植物和土壤碳相关变量的影响Table 1 Effects of climatic conditions, ecosystem types, and fertilization conditions on plant and soil carbon-related variables

图1 不同生态系统类型和施氮条件下植物生物量和碳氮比对氮添加的响应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：凋落物质量 Litter biomass；FRB：细根生物量 Fine root biomass；Leaf CN：叶片碳氮比 Leaf C:N ratio；Litter CN：凋落物碳氮比 Litter C:N ratio；FR CN：细根碳氮比 Fine root C:N ratio；SF：亚热带森林 Subtropical forest；TF：温带森林 Temperate forest；G：草地 Grassland；C：农田 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：长期 Long-term；图中虚线表示平均效应值为0;线条表示95%置信区间;实心圆与空心圆分别表示显著响应与不显著响应;括号外的数字表示该变量的观测值个数,括号内的数字表示该变量的文献个数。没有效应值的表明本整合分析中没有纳入该部分数据

2.2 氮添加对土壤碳库和土壤性质的影响

氮添加显著增加了土壤有机碳(9%)和可溶性有机氮(25%)含量,但同时显著降低了土壤pH值(5%)。可溶性有机碳和微生物生物量碳以及土壤呼吸对氮添加均无明显响应(图2)。在不同生态系统类型中,土壤有机碳及其他变量对氮添加的响应呈现相似的趋势且均无显著差异。不同的氮添加速率显著影响了可溶性有机碳含量和土壤呼吸的效应值(表1)。在低氮条件下,土壤呼吸显著提高了19%(图2),但随着氮添加速率的上升,土壤呼吸则无明显变化。除土壤呼吸外,不同施氮时间下土壤碳库无明显差异(表1)。土壤呼吸在中期的施氮试验中显著提高了44%,明显高于短期和长期试验中土壤呼吸的变化。

图2 不同生态系统类型和施氮条件下土壤碳库和土壤性质对氮添加的响应Fig.2 Responses of soil carbon pools and soil properties to nitrogen addition in different ecosystem types and nitrogen application conditionsSOC：土壤有机碳 Soil organic carbon；DOC：可溶性有机碳 Dissolved organic carbon；MBC：微生物生物量碳 Microbial biomass carbon；SR：土壤呼吸 Soil respiration；DON：可溶性有机氮 Dissolved organic nitrogen；MBN：微生物生物量氮 Microbial biomass nitrogen

2.3 不同气候和施肥条件对植物及土壤碳变量的影响

在氮添加作用下,年平均气温和年平均降水量均显著影响了土壤有机碳含量(表1),年平均气温还显著影响了土壤pH值(P=0.027)。此外,不同的生态系统类型显著影响了凋落物质量,而其他变量在不同生态系统类型下对氮添加的响应并无显著差异。凋落物质量,细根生物量,叶片碳氮比,凋落物碳氮比,可溶性有机碳,土壤呼吸,微生物生物量氮和土壤pH对氮添加的响应随施氮速率的上升而发生明显变化。此外,土壤呼吸和pH值在短期、中期和长期施氮试验下对氮添加的响应存在显著差异。

2.4 植物生物量与土壤碳库之间的相关关系

加权线性回归结果表明,土壤有机碳的效应值与地上生物量的效应值呈显著的负相关关系,而与地下生物量无明显的相关性。在施氮条件下,土壤有机碳的效应值随着微生物生物量碳效应值的上升而呈现显著下降的趋势(图3)。

图3 地上生物量、地下生物量和微生物生物量碳与土壤有机碳之间的相关关系Fig.3 Relationships between the effect size of aboveground biomass, belowground biomass, and microbial biomass carbon and soil organic carbon 线性回归用黑色实线表示,灰色阴影区表示95%置信区间;蓝色圆点表示单个研究的效应值,圆的大小表示权重

3 讨论

本研究以中国陆地生态系统为对象,结果显示氮添加显著刺激了植物的生长,与前人在全球尺度下的研究结果相一致[2,6,11]。然而,植物对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显高于地下生物量(图1),且发现地下的细根生物量并无明显变化。之前的研究也证实地上生物量对施氮的响应要大于地下生物量[39]。根据最优碳分配理论,当有更多营养物质(即氮肥)可利用时,植物在构建养分获取结构(即根系)时投入的碳就会减少[38,40]。同时,外源氮输入增加使得细根的呼吸作用增强,分配到根系的碳主要用于维持氮的吸收和同化,并非用于新根的生长[41]。有证据表明,氮添加显著降低了全球尺度上的细根生物量,但增加了粗根和总根生物量[42]。

氮添加总体上显著促进了土壤有机碳的积累。然而,在氮富集背景下,中国陆地生态系统的土壤呼吸并未发生明显变化,这可能是氮添加对微生物异养呼吸的影响和对根系自养呼吸的影响之间相互平衡的结果[36]。有相关研究报道,氮添加显著抑制了我国南亚热带成熟森林的土壤呼吸[43],但对该区域内混交林和马尾松林的土壤呼吸速率却没有影响[44]。此外,氮添加总体上没有改变土壤微生物生物量碳的含量,但土壤pH值却显著降低。长期处于酸性环境中的微生物,可以通过调节自身代谢过程,改变对碳和氮的吸收来维持生物量的碳氮比,从而进一步影响土壤的碳氮平衡[45]。

不同生态系统类型和施氮条件影响着各变量对氮添加的响应结果。本研究中氮添加对草地地上生物量的促进作用明显高于森林,Xia等[46]的整合分析结果也表明氮输入对草本生物量的促进作用要显著大于木本。凋落物质量对氮添加的响应在不同生态系统中存在显著差异,草地凋落物质量对氮添加的响应量级远大于温带森林和亚热带森林(图1)。这可以用氮饱和假说来解释,一般而言,中国草地和温带森林处于氮限制状态[33],相反,富氮的亚热带森林对氮添加的响应并不敏感。在氮富集背景下,相比于亚热带森林和草地,温带森林的土壤有机碳含量显著增加,这可能与不同生态系统类型的不同气候条件(年平均气温和年平均降水量)密切相关。农田作为人工生态系统,受人类干扰最大,且大多进行集约化管理,其耕作等措施可能会破坏植物根系,减少微生物种群,从而减少大团聚体的聚集[47]。因此氮添加下农田地上生物量和土壤有机碳含量均显著增加。此外,凋落物质量随着氮添加速率的上升而显著增加,但并不随着施氮时间的延长而增加。可能的原因是一旦陆地生态系统达到氮饱和,进一步的外源氮输入将不会显著促进植物的生长[48]。鲁显楷等[49]提出了植物适应性新假说：即“富氮”生态系统植物可以通过提升自身蒸腾能力适应高氮沉降来维持养分平衡。随着施氮速率的上升,可溶性有机碳含量发生显著变化。土壤中增加的铵态氮与胡敏酸和富里酸形成可溶性物质,提高了有机质的溶解性,进而促进土壤有机碳的流失[50]。氮添加条件显著影响了土壤呼吸的响应程度,在适宜的氮添加速率和施氮周期下,外源氮输入使土壤呼吸显著增加。而较高浓度或长期的氮添加,反而会使土壤呼吸的响应不显著甚至降低,这可能是由于过量氮添加导致的土壤酸化抑制了微生物的活性。

尽管氮添加使得植物输入土壤的有机质显著增加,但是线性回归结果表明,地上生物量和土壤有机碳含量之间却呈负相关关系(图3)。Liu等的研究认为,氮富集背景下陆地生态系统地上地下碳动态是不耦合的[36],这与本研究得出的结果相一致,地上生物量的增加并不能完全反映土壤碳库的动态变化。一种可信的解释是氮添加强烈影响了土壤微生物对土壤有机质的分解。多种微生物相关假说已经被提出,用来阐明氮富集如何影响土壤微生物的碳利用。例如,激发效应导致土壤有机碳含量的减少。图1显示,氮添加显著降低了凋落物和细根的碳氮比。由于高氮凋落物分解速率更快[51],因此微生物在初期会迅速分解土壤中的新鲜有机质,并可能进一步消耗土壤的原有有机碳以满足自身生长需求[52]。

酸化假说却认为氮诱导的土壤酸化会抑制微生物的生长,并阻碍其对土壤有机碳的分解[53]。随着氮添加速率的升高和施氮时间的延长,土壤pH值显著降低。土壤酸化会强烈地影响微生物的代谢及其碳利用,从而减少土壤有机碳的损失[54]。这与本研究的结果一致,微生物生物量碳在低浓度氮添加下轻微增加,在高浓度或长期氮添加下却显著降低(图2)。此外,微生物生物量碳和土壤有机碳之间呈显著的负相关关系(图3)。长期高氮输入会降低土壤有机质中的活性组分,导致难以降解的芳香碳积累[55],而微生物分解者很难获取利用这类物质,由此可以抑制激发效应引起的碳损失,并促进土壤碳的长期固存。Terrer等[56]提出了一种植物的养分获取策略来解释植物碳库与土壤碳库之间的负相关关系。即植物通过促进根系生长,增加根系分泌物和共生细菌、真菌等地下碳投资来从土壤中获取有限的资源。植物对土壤的碳输入加速了土壤有机质的分解,进而促进植物对土壤养分的吸收。植物这种地下碳投资方式的回报是地上生物量的增加,土壤有机碳储量反而减少。在此,根据对中国陆地生态系统氮添加下植物和土壤碳相关过程的整合分析,提出了一个概念模型来阐释植物和土壤碳动态对氮添加的响应机制,以及二者之间的相关关系(图4)。

图4 植物-土壤碳动态对氮添加的响应特征及二者之间相关关系的概念模型Fig.4 The conceptual model describes the response of plant-soil carbon dynamics to N addition and the correlation between plant and soil蓝色和红色方框分别表示显著增加或减少;*P<0.05

4 结论

氮添加显著促进了中国陆地生态系统植物的生长。植物通过改变地上-地下生物量的碳分配策略来适应外源氮的输入,地上生物量对施氮的响应大于地下生物量,从而导致植物根冠比下降。同时,植物的地上生物量与土壤有机碳之间呈显著的负相关关系。虽然凋落物的分解增加了对土壤的碳输入,但额外的氮输入也会刺激土壤微生物的碳利用,这可能会增加土壤有机碳的损失。土壤碳库对氮添加的响应取决于碳输入和输出之间的平衡。植物和土壤碳库之间的这种负相关关系,有助于理解大气氮沉降增加对陆地生态系统总体碳收支的影响。总之,氮添加改变了植物-土壤的碳动态,并总体上增加了中国陆地生态系统的碳固存。