王肖已，姚槐應(yīng)，李 杏

武漢工程大學(xué)環(huán)境生態(tài)與生物工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

在草地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物的活性直接影響土壤肥力，進(jìn)而控制土壤健康狀況和草地植物生長(zhǎng)發(fā)育。氮元素是限制植物生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能、限制群落初級(jí)和次級(jí)生產(chǎn)量的一個(gè)關(guān)鍵性元素［1］，對(duì)于草地生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，氮素是草地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力的限制因子及衡量草地生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)［2-3］。氮沉降是指大氣中氮元素以NHx（包括NH3、RNH2和NH4）和NOx的形式降落到陸地和水體的過(guò)程［4］。我國(guó)境內(nèi)已成為繼歐洲、北美之后的第三大氮素沉降區(qū)［5］。草原生態(tài)系統(tǒng)的氮沉降研究表明，盡管氮沉降可以提高草地土壤氮的利用率，提高草地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，但是氮沉降也導(dǎo)致了草原物種豐度大幅度降低［6］。目前對(duì)于青藏高原草甸草原［7］、內(nèi)蒙古典型草原［8］、荒漠草原［9］、半干旱沙地草地［10］的氮沉降的研究均支持這個(gè)結(jié)論。氮沉降不僅對(duì)生態(tài)系統(tǒng)物種豐度、土壤基本理化性質(zhì)影響，對(duì)土壤微生物群落的影響也更加顯著。有研究表明，氮沉降對(duì)微生物的生長(zhǎng)起到抑制效果，氮沉降可能會(huì)減少植物根際微生物的活性［11-12］。因此，深入理解草地土壤理化性質(zhì)、酶活性和微生物量及其群落結(jié)構(gòu)以及氮素循環(huán)關(guān)鍵過(guò)程功能基因豐度對(duì)氮沉降的響應(yīng)及其機(jī)理對(duì)于維持草地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能極其重要。本文綜述了國(guó)內(nèi)外已有研究成果，探討了目前研究中存在的主要問(wèn)題與不足，并對(duì)未來(lái)的重點(diǎn)研究方向進(jìn)行了展望，以期對(duì)未來(lái)的相關(guān)研究工作提供一定的參考與指導(dǎo)。

1 氮沉降對(duì)土壤酸化和養(yǎng)分的影響

氮沉降直接增加草地土壤有效氮含量［13］，而NO3-和NH4+的行為對(duì)H+的產(chǎn)生和消耗起重要作用。因此，氮沉降使草地土壤pH下降，出現(xiàn)酸化現(xiàn)象［14-15］。劉賀永等闡述了大氣氮沉降對(duì)土壤酸化的影響，指明NH4+和NO3-輸入與輸出的平衡狀態(tài)影響著土壤-土壤溶液系統(tǒng)的酸化速率。氮沉降將增加NH4+的硝化和NO3-的淋失，加速土壤的酸化［16］。氮沉降還提高土壤有機(jī)氮的礦化作用，進(jìn)一步的加劇土壤無(wú)機(jī)氮的積累以及進(jìn)一步的酸化［17］。鄒亞麗等以黃土高原典型草地為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)隨著施氮量的增加，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有效氮含量均呈上升趨勢(shì)，并且銨態(tài)氮和硝態(tài)氮表現(xiàn)出明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)［18］。朱天鴻等探究青藏高原高寒草甸土壤對(duì)模擬氮沉降的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)施氮初期總體上增加了土壤無(wú)機(jī)氮含量，銨態(tài)氮累積效應(yīng)更為明顯［19］。

土壤中的磷主要來(lái)自于土壤有機(jī)質(zhì)的分解，氮沉降也會(huì)間接地影響土壤有效磷含量［20］。氮沉降的增加刺激了微生物活性并增加了其對(duì)磷的需求，并能促使生物體產(chǎn)生更多的胞外磷酸酶，而且能增強(qiáng)微生物對(duì)凋落物的分解，并加快土壤中磷元素的轉(zhuǎn)換過(guò)程，從而提高了土壤中速效磷的累積［21］。葉彥輝等研究氮沉降對(duì)西藏高山灌叢草甸土壤理化性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)氮沉降確實(shí)增加了土壤中速效磷的含量［22］?？梢?jiàn)，氮沉降會(huì)促進(jìn)草地生態(tài)系統(tǒng)凋落物的分解，增加磷凈礦化率，提高土壤有效磷的含量。而隨著氮沉降量的增加，一方面促進(jìn)了植物對(duì)土壤磷的吸收能力而降低磷含量［23］，另一方面氮沉降引起的土壤酸化，引起土壤速效磷衰減［24］。如 Paul Horswill等研究發(fā)現(xiàn)，模擬氮沉降使草地土壤中的有效磷含量減少［25］。

氮沉降對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響依賴于有機(jī)碳輸入與分解礦化過(guò)程的動(dòng)態(tài)平衡［26］。土壤有機(jī)碳的主要輸入來(lái)源是凋落物、土壤腐殖質(zhì)、微生物、根系及其分泌物等［27］。適量的氮添加會(huì)加速凋落物的分解，增加土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量增加［28］?；蛘叩两翟黾恿说蚵湮锏姆纸馑俾?，從而抑制了土壤有機(jī)物質(zhì)的分解［29］。因此，氮添加會(huì)通過(guò)改變凋落物的數(shù)量和質(zhì)量，進(jìn)而影響土壤的微環(huán)境，改變土壤養(yǎng)分的有效性［30］。Janssens等用Meta分析發(fā)現(xiàn)氮沉降阻礙了有機(jī)物質(zhì)的降解，所以能促進(jìn)碳物質(zhì)的貯存［31］。而另一種觀點(diǎn)認(rèn)為氮沉降提高微生物活性，加速有機(jī)養(yǎng)分的分解或者加劇活性有機(jī)碳的溶出，進(jìn)而使得有機(jī)碳含量下降［32］。齊玉春等以內(nèi)蒙古溫帶典型草原為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)不同氮沉降處理使0～20 cm土壤有機(jī)碳含量均低于對(duì)照或與對(duì)照接近［33］。祁瑜等在內(nèi)蒙古太仆寺旗的克氏針茅草原上開(kāi)展模擬氮沉降控制實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低氮處理下土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳高于對(duì)照，而中高氮處理下低于對(duì)照，礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳均高于對(duì)照［34］?？梢?jiàn)，土壤有機(jī)碳庫(kù)對(duì)氮沉降增加的響應(yīng)尚沒(méi)有形成一致結(jié)論。

2 氮沉降對(duì)酶活性的影響

土壤酶是生態(tài)系統(tǒng)的生物催化劑，作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的組分之一，在土壤物質(zhì)循環(huán)以及能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中起重要作用，參與包括土壤生物化學(xué)過(guò)程在內(nèi)的自然界物質(zhì)循環(huán)，既是土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者，又是植物營(yíng)養(yǎng)元素的活性庫(kù)。土壤酶是植物根系分泌物、生物殘?bào)w腐解以及微生物生長(zhǎng)代謝活動(dòng)中所釋放的酶，不僅能夠快速反映出土壤中化學(xué)生物過(guò)程的方向和強(qiáng)度，而且可以反映土壤中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的狀態(tài)［35］。土壤酶活性對(duì)外界干擾極其敏感［36］。按照酶的催化反應(yīng)類型和功能，把已知的酶分為六大類，即氧化還原酶、水解酶、轉(zhuǎn)移酶、裂合酶、連接酶以及異構(gòu)酶［37］。土壤酶活性受到土壤理化性質(zhì)的影響。氮沉降的增加會(huì)直接和間接引起一系列土壤理化性質(zhì)的改變，從而也會(huì)引起土壤酶活性的改變。多數(shù)研究表明模擬氮沉降增加促進(jìn)了土壤中水解酶（蔗糖酶、纖維素酶、酸性磷酸酶和脲酶）活性，抑制了氧化酶（多酚氧化酶和過(guò)氧化物酶）活性。加利福尼亞草地的氮沉降實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氮添加會(huì)顯著提高脲酶、纖維二糖水解酶和磷酸酶的活性。這是由于添加氮素后產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)可能會(huì)提高微生物對(duì)于碳、氮和磷的利用，因此與這三種元素轉(zhuǎn)化過(guò)程相關(guān)的酶活性也隨之提高［38］。郭永盛等關(guān)于施氮肥對(duì)新疆石河子荒漠草原土壤酶活性的研究發(fā)現(xiàn)，施氮肥增加了土壤中脲酶、蛋白酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶的活性［39］。此外，不同水平和不同種類的氮沉降對(duì)土壤酶活性的影響不同，一般低氮比中、高氮處理更能促進(jìn)酶活性增加。施瑤等以內(nèi)蒙古溫帶典型草原為研究對(duì)象，進(jìn)行連續(xù)6年氮添加試驗(yàn)，研究6個(gè)氮添加水平對(duì)全土和微團(tuán)聚體中β-1，4-葡萄糖苷酶（β-D-glucosidase，βG）、β-1，4-N-乙酰氨基葡糖胺糖苷酶（β-1，4-N-acetylglucos?amine glycosidese，NAG）、L-亮 氨 酸 氨 基 肽 酶（L-leucine aminopeptidase，LAP）、酸性磷酸酶活性隨氮添加增加，土壤中的βG、NAG、LAP活性呈下降趨勢(shì)，然而各氮添加水平的AP活性無(wú)顯著變化［40］。張俊梅等以東北地區(qū)的松嫩鹽堿化草地為研究對(duì)象，研究了模擬氮沉降組分變化對(duì)土壤酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)在添加有機(jī)氮的處理下，α-葡糖苷酶、堿性磷酸酶、亮氨酸氨基肽酶和乙酰葡糖胺糖苷酶等酶活性顯著高于只添加無(wú)機(jī)氮的處理，而在30%無(wú)機(jī)氮和70%有機(jī)氮的添加比例下酶活性最大［41］。

3 氮沉降對(duì)土壤微生物的影響

3.1 土壤微生物量

微生物量碳（microbial biomass nitrogen，MBC）由于具有高敏感性，可反映出土壤環(huán)境的細(xì)微變化。微生物量氮（microbial biomass nitrogen，MBN）對(duì)氮沉降響應(yīng)與MBC具有相同趨勢(shì)［42］。氮添加對(duì)微生物數(shù)量具有促進(jìn)作用，增加微生物量碳氮含量［43］。而不同的氮沉降類型、施氮時(shí)長(zhǎng)和施氮量對(duì)土壤微生物量產(chǎn)生的影響不同。低氮處理后，土壤中有效氮含量增加，使土壤中的C/N比降低，有利于微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解與利用，從而使土壤中MBC含量升高。高氮處理后，大量NH+4會(huì)取代土壤中與有機(jī)質(zhì)結(jié)合的堿性陽(yáng)離子（如：K+、Ca2+、Na+），導(dǎo)致堿性陽(yáng)離子容易被淋洗出土壤，降低土壤的酸性緩沖能力，同時(shí)由于土壤酸化生物加劇，土壤中的多價(jià)水解性陽(yáng)離子（Fe3+、Al3+）的溶解性提高，從而對(duì)土壤微生物群落產(chǎn)生一定的抑制作用［42］。Geisseler等研究發(fā)現(xiàn)，氮添加使得在草地生態(tài)系統(tǒng)中微生物生物量降低了12%，從而減少了 MBC［44］。朱瑞芬等［45］以松嫩草原羊草草甸為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定4個(gè)不同施氮水平處理的土壤微生物生物量碳氮發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加土壤微生物生物量碳氮顯著增加。另外，短期施氮會(huì)引起土壤微生物量增加、降低和無(wú)明顯影響等不一致的趨勢(shì)，而長(zhǎng)期施氮?jiǎng)t會(huì)降低土壤微生物量。Dijkstra等［46］研究表明短期氮添加降低了美國(guó)高草草地的土壤微生物量。梁百艷等［47］對(duì)英國(guó)高山草地2年的施氮和中國(guó)內(nèi)蒙古溫帶草地1年的施氮研究發(fā)現(xiàn)，短期施氮對(duì)土壤微生物量沒(méi)有影響。Clegg等［48］對(duì)英國(guó)西南一草地連續(xù)15年的施氮實(shí)驗(yàn)表明，長(zhǎng)期施氮會(huì)降低土壤微生物量。

3.2 土壤微生物群落

土壤微生物對(duì)土壤環(huán)境脅迫非常敏感，最顯著的特點(diǎn)是其群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化［49］。大氣氮沉降能夠直接或者間接影響土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖和活動(dòng)能力，改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能，所以研究微生物群落結(jié)構(gòu)的變化對(duì)研究氮沉降所帶來(lái)的土壤生態(tài)系統(tǒng)的變化具有指向性［50］。氮沉降通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)而影響土壤微生物，氮輸入增加后，土壤硝態(tài)氮含量升高導(dǎo)致土壤pH降低［51］，酸化對(duì)細(xì)菌群落在生態(tài)選擇和土壤細(xì)菌群落在酸化環(huán)境壓力下的適應(yīng)性進(jìn)化兩方面改變著土壤細(xì)菌群落［52］。Zhang等［53］在內(nèi)蒙古一個(gè)典型草原生態(tài)系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)，氮沉降降低了與土壤pH值正相關(guān)的細(xì)菌豐度，降低了細(xì)菌多樣性。在氮沉降前期，土壤微生物主要受pH的影響，后期主要受營(yíng)養(yǎng)元素的影響。氮添加能夠改變土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有效性，即改變土壤C，N和P化學(xué)計(jì)量比，隨之改變微生物對(duì)底物（碳源和氮源）的利用模式，最終導(dǎo)致微生物群落組成發(fā)生變化。不同施肥量，施肥方式和施肥時(shí)間會(huì)對(duì)土壤微生物多樣性產(chǎn)生明顯的影響。適量氮肥有利于土壤微生物的生長(zhǎng)，增加了微生物群落的豐富度和均勻度。而高氮促進(jìn)了某些微生物種群同時(shí)抑制了其他種群，致使群落多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)均下降［54］。劉紅梅等［55］采用磷脂脂肪酸（phospholipid fatty acid，PLFA）技術(shù)發(fā)現(xiàn)連續(xù)6年施氮使土壤微生物總PLFAs、細(xì)菌PLFAs、革蘭氏陽(yáng)性菌PLFAs、革蘭氏陰性細(xì)菌PLFAs和放線菌PLFAs含量呈先升高后降低的趨勢(shì)。而周嘉聰?shù)龋?6］發(fā)現(xiàn)施氮對(duì)放線菌在中氮處理水平下表現(xiàn)為促進(jìn)作用，中氮水平以上則為抑制作用，對(duì)真菌數(shù)量始終為抑制作用。李宗明等［57］利用16SrRNA基因高通量測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)細(xì)菌分類操作單元（operational taxonom?ic unit，OTU）數(shù)量隨氮輸入量的增加呈現(xiàn)增加，高氮處理顯著高于低氮和對(duì)照處理；細(xì)菌α多樣性指數(shù)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。不同種類微生物對(duì)氮沉降增加響應(yīng)方式不同可能是因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)型的差異，例如營(yíng)養(yǎng)可利用性高的土壤有利于細(xì)菌群落，而貧瘠且營(yíng)養(yǎng)可利用性低的土壤有利于真菌群落［58］生長(zhǎng)。

氮循環(huán)是土壤養(yǎng)分的物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)，并對(duì)其他養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生影響。氮沉降的增加勢(shì)必會(huì)引起氮循環(huán)相關(guān)微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程的關(guān)鍵的編碼酶相關(guān)基因，如用于固氮的nifH基因、用于礦化作用的chiA基因、用于氨氧化作用的古菌（ammonia-oxidizing archaea，AOA）和細(xì)菌（ammonia-oxidizing bacterial，AOB）的amoA基因和反硝化作用的narG、nirS、nirK和nosZ基因豐度勢(shì)必隨著氮沉降的增加而改變。氮限制土壤中，氮素的增加為微生物基本代謝和生長(zhǎng)提供了營(yíng)養(yǎng)和能量而使得基因豐度增加［59-60］，而高劑量的氮肥施用最終會(huì)導(dǎo)致土壤酸化，氮循環(huán)基因豐度的降低［61］。此外，不同的氮循環(huán)基因?qū)Φ两淀憫?yīng)的敏感性不同。研究發(fā)現(xiàn)氨氧化細(xì)菌AOB-amoA和固氮菌nifH基因豐度對(duì)氮肥反應(yīng)最敏感，其次是nirS和nosZ基因，其他基因?qū)Φ两淀憫?yīng)并不顯著［60］。在內(nèi)蒙古草地生態(tài)研究站通過(guò)9年硝酸銨添加試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氮肥添加使AOA豐度降低，但 AOA 群落結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定［62］。陳永亮等［63］發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施加氮素添加顯著提高氨氧化細(xì)菌豐度，但是對(duì)AOA的豐度沒(méi)有顯著影響。Ning等［64］探究了中國(guó)北方溫帶草地與氮循環(huán)有關(guān)的基因豐度對(duì)氮沉降速率和頻率的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在高頻率施氮下的nifH、nirS和nosZ基因豐度遠(yuǎn)高于低頻率施氮；chiA基因豐度幾乎在任何施氮速率和頻率下都降低；在任何頻率下，AOB-amoA基因豐度都增加；narG基因豐度不受氮添加速率和頻率的影響，nirK基因豐度在高氮添加量時(shí)受到抑制。可見(jiàn)，微生物群落組成對(duì)施氮頻率和施氮量的響應(yīng)不同，應(yīng)采用小施氮量和頻繁施氮量來(lái)反映氮沉積對(duì)微生物功能群和氮的影響（見(jiàn)圖1）。

圖1 草地土壤理化性質(zhì)、酶活性和微生物群落對(duì)氮沉降的響應(yīng)Fig.1 Response of physical and chemical properties，enzyme activity and microbial community to nitrogen deposition in grassland

4 結(jié) 論

綜上所述，在低氮條件下，氮沉降有利于土壤無(wú)機(jī)氮庫(kù)、有效磷和有機(jī)碳庫(kù)的儲(chǔ)存，細(xì)菌數(shù)量和多樣型的增加。隨著氮沉降量持續(xù)增加，將加劇土壤酸化，硝態(tài)氮的淋失，降低有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量、降低微生物量和多樣性，引起草地生態(tài)功能退化。另外，草地土壤的營(yíng)養(yǎng)限制狀態(tài)、氮沉降量、施氮時(shí)間和頻率極大程度地決定著其對(duì)氮沉降的響應(yīng)。因此，在未來(lái)的研究中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于我國(guó)不同營(yíng)養(yǎng)水平草地的氮飽和閾值方面的研究，從而防止草地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能退化。此外，隨著分子生物技術(shù)發(fā)展，可以利用15N標(biāo)記的氮素作為氮源對(duì)草地土壤進(jìn)行添加，結(jié)合穩(wěn)定同位素核酸探針技術(shù)探討氮添加對(duì)微生物群落水平的分子機(jī)制。進(jìn)一步揭示直接參與氮循環(huán)的微生物群落變化和間接受到影響的微生物群落特征。