大氣氮沉降對森林土壤甲烷吸收和氧化亞氮排放的影響及其微生物學(xué)機(jī)制

方華軍，程淑蘭 ，于貴瑞，王永生，徐敏杰，黨旭升，李林森，王 磊

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所/生態(tài)系統(tǒng)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

大氣中溫室氣體濃度急劇增加是全球氣候變暖的主要原因［1］。甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是兩種重要的溫室氣體，百年尺度上其單位質(zhì)量的全球增溫潛勢(GWP)分別是CO2的25倍和298倍，對全球變暖的貢獻(xiàn)超過25%［1］。另一方面，CH4具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，能參與對流層中許多重要的大氣化學(xué)過程，而N2O不僅參與大氣中的光化學(xué)反應(yīng)，還會間接破壞平流層中的臭氧層［2］。近10年來，大氣中CH4和N2O濃度分別以每年0.9% 和0.25% 的速率持續(xù)增加，將直接和間接地對未來全球氣候變化產(chǎn)生巨大的影響［1］。目前大氣中CH4和N2O的源與匯收支并不平衡。據(jù)估計(jì)，全球大氣CH4和N2O的源分別為525 Tg CH4/a和55.6 Tg N2O/a，匯分別為 560Tg CH4/a 和 39.6 Tg N2O/a［3－4］。雖然水分非飽和的自然土壤(森林、草地)CH4吸收和N2O排放只占CH4總匯的9%(36Tg CH4/a)和N2O總源的4%(20.7Tg N2O/a)，卻是陸地土壤CH4和N2O源匯估算中最大不確定性之處［5－6］。

此外，全球碳循環(huán)研究中一個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問題是已知的碳匯與碳源不平衡，數(shù)量上存在2—4 Pg C/a的“漏失匯(missing sink)”，主要分布在中高緯度森林地區(qū)［7］。自工業(yè)革命以來，大氣中活性氮(Reactive N)增加了11.5倍，導(dǎo)致全球大氣氮沉降量增加了2.5倍［8－9］。長期緩慢的氮沉降輸入顯著增加受氮限制的陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量，是正確解釋“漏失匯”的重要途徑之一［10－11］。目前對碳、氮循環(huán)的相互作用機(jī)理還缺乏深入的認(rèn)識，有關(guān)氮沉降驅(qū)動的陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳率還存在很大分歧［12－13］。例如，Magnani等［10］報(bào)道氮沉降導(dǎo)致溫帶和北方森林生態(tài)系統(tǒng)固碳率高達(dá)726 kg C/kg N，平均為400 kg C/kg N;而De Vries等［12］從樹種個(gè)體尺度和林分尺度分析了400個(gè)歐洲森林樣地，發(fā)現(xiàn)每沉降1 kg N 可增加碳固定 30—70 kg C，與 H?gberg［14］的研究結(jié)果基本一致(40kg C/kg N)，因此 Magnani等［10］人可能高估了大氣氮沉降的增匯效應(yīng)。雖然大氣氮沉降增加能夠提高陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，但是會顯著抑制土壤 CH4吸收和促進(jìn) N2O 排放［15－16］，反過來又增加了溫室氣體總的GWP［17］。如果綜合考慮氮沉降對土壤CH4和N2O通量的影響，由氮沉降產(chǎn)生的固碳潛力將被抵消53%—76%［17］。由此可見，深入理解水分非飽和土壤CH4吸收和N2O排放過程及其對氮沉降增加的響應(yīng)特征，是準(zhǔn)確量化陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力的前提和基礎(chǔ)。

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在全球碳循環(huán)尤其在固定大氣 CO2方面具有舉足輕重的作用［18］。據(jù)估計(jì)，全球森林面積約41億hm2，包括北方森林、溫帶森林和熱帶森林3個(gè)森林群區(qū)(Biome)，面積分別為13.72億 hm2，10.38億 hm2和17.55億hm2［18］;植被和土壤碳儲量為1240 Pg C，其中2/3 儲存在土壤中［19］。其中北方森林土壤有機(jī)碳(SOC)密度平均為296 Mg C/hm2，顯著高于溫帶和熱帶森林群區(qū)(122 Mg C/hm2)［18］。此外，森林土壤 CH4吸收和N2O排放速率顯著高于草地土壤，分別是大氣CH4和N2O重要的匯與源。熱帶森林群區(qū)土壤每年排放N2O 1.34Tg N/a，吸收 CH46.2Tg C/a，成為繼農(nóng)田之后最大的 N2O 排放源［20］。Cai［21］研究也發(fā)現(xiàn)，中國區(qū)域森林平均每年吸收CH4的數(shù)量為4.94 kg C hm－2a－1，排放 N2O 的量為 2.41 kg N hm－2a－1，均顯著高于草原。此外，低溫導(dǎo)致北方森林土壤氮素周轉(zhuǎn)較慢，土壤有效氮素處于匱乏狀態(tài);而熱帶和亞熱帶森林土壤風(fēng)化作用較強(qiáng)，土壤氮素周轉(zhuǎn)快，土壤有效氮素呈富集狀態(tài)［22］。土壤碳儲量和有效氮數(shù)量的顯著差異導(dǎo)致貧氮的北方森林和富氮的熱帶亞熱帶森林土壤碳氮?dú)怏w交換通量對外源性氮素輸入的響應(yīng)截然不同［23］。

近年來，有關(guān)森林土壤CH4吸收和N2O排放及其對增氮的響應(yīng)開展了大量的研究，但仍然存在許多問題尚未解決。本文分別綜述了森林土壤CH4吸收和N2O排放通量之間的耦合作用，森林土壤CH4和N2O的產(chǎn)生與消耗過程、關(guān)鍵驅(qū)動因子以及對增氮響應(yīng)的生物化學(xué)和微生物學(xué)機(jī)制，分析各個(gè)研究領(lǐng)域中存在的問題和薄弱環(huán)節(jié)，提出未來的可能研究方向和擬解決的途徑，以期對該領(lǐng)域的研究起到推波助瀾的作用。

1 森林土壤CH4吸收和N2O排放之間的耦合作用

水分非飽和的森林土壤通常是大氣CH4的吸收匯和N2O的排放源。在好氧條件下，自養(yǎng)氨氧化菌將NH+4－N 氧化為 NO－2－N，異構(gòu)亞硝酸鹽還原酶利用NO－2作為電子受體產(chǎn)生N2O［24］;異養(yǎng)硝化細(xì)菌通過羥胺氧化酶(HAO)的催化作用，將氨氧化過程的中間產(chǎn)物羥胺轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和N2O［24］。與此同時(shí)，在好氧條件下，甲烷氧化菌利用土壤中的O2將土壤中產(chǎn)生的CH4和從大氣中擴(kuò)散進(jìn)入土壤的CH4氧化成CO2，然后釋放到大氣中［25］。雖然甲烷氧化菌和氨氧化菌都能氧化CH4和NH3，但兩者的專一性和氧化能力不同。在大氣CH4濃度下，甲烷單氧酶(MMO)傾向于選擇CH4而非NH3，土壤剖面中高濃度的CH4也可以顯著抑制土壤氨的氧化［26］。相反，在土壤無機(jī)氮含量增加的情景下，土壤中高濃度的NH3可以把CH4從結(jié)合點(diǎn)上驅(qū)趕下來，降低CH4的氧化量;由于甲烷氧化菌只能以CH4為唯一的碳源和能源，從而降低甚至抑制甲烷氧化菌的生長［25］?？梢姡寥溃髿饨缑鍯H4和N2O凈交換通量是土壤甲烷氧化菌和N2O產(chǎn)生菌耦合作用的結(jié)果，兩者之間存在協(xié)同［27］、消長［28］和隨機(jī)［29］的關(guān)系(圖 1)，很大程度上取決于環(huán)境條件、土壤類型和氮素有效性［30］。Steudler等［31］最早報(bào)道水分非飽和土壤 CH4吸收和N2O排放之間呈消長關(guān)系，發(fā)現(xiàn)森林砍伐后增加了土壤氮素的可利用性，導(dǎo)致土壤N2O排放增加了2倍，但卻顯著抑制了土壤CH4的吸收。類似的消長關(guān)系也常見于其它森林和草地生態(tài)系統(tǒng)［32－34］。Maljanen 等［27］研究發(fā)現(xiàn)，大氣氮沉降增加不但促進(jìn)了北方云杉林土壤N2O排放，而且也顯著促進(jìn)了土壤CH4的氧化和吸收，兩者之間呈明顯的協(xié)同關(guān)系。而Carter等［35］研究表明，多因子(溫度升高、夏季干旱延長和CO2濃度富集)聯(lián)合作用傾向于促進(jìn)歐石南荒原土壤CH4的吸收，但對土壤N2O排放無顯著影響，兩者之間表現(xiàn)為隨機(jī)關(guān)系。雖然我們對水分非飽和的森林土壤CH4吸收和N2O排放過程的耦合現(xiàn)象有了一定的了解，但是有關(guān)土壤CH4吸收和N2O排放的耦合作用在時(shí)間和空間上的變化特征及其主控因子尚不明確。

2 森林土壤CH4和N2 O通量對大氣氮沉降增加的響應(yīng)

2.1 森林土壤CH4吸收和N2 O排放對增氮的響應(yīng)特征

圖1 森林土壤碳氮?dú)怏w通量產(chǎn)生與消耗過程及其主要耦合關(guān)系類型Fig．1 The generation and consum ption of CO2，CH4 and N2O in forest soils aswell as the coup ling between three fluxes

施氮對水分非飽和的森林土壤CH4吸收和N2O排放的影響存在促進(jìn)、抑制和無顯著影響等3種結(jié)論，同步觀測數(shù)據(jù)表明施氮傾向于抑制土壤CH4吸收而促進(jìn)N2O排放［17］。就森林生態(tài)系統(tǒng)而言，施氮傾向于促進(jìn)土壤N2O排放，抑制或不影響土壤CH4吸收。Macdonald等［36］發(fā)現(xiàn)大氣氮沉降輸入降低云杉林土壤CH4氧化速率，土壤N2O高排放通量與高氮沉降相對應(yīng);土壤N2O通量、土壤溫度、土壤NH+4－N含量與土壤CH4吸收通量顯著相關(guān)。Butterbach－Bahl等［32］研究表明高氮沉降促進(jìn)歐洲赤松林土壤N2O排放，而低、中劑量氮沉降的影響不顯著;中氮處理的CH4吸收是高氮處理的2—5倍。Jassal等［34］研究表明冬季施氮顯著降低花旗松林土壤CH4吸收，土壤N2O由弱吸收轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著排放，施氮對CH4吸收的抑制作用要低于對N2O排放的促進(jìn)作用。Kim 等［28］研究發(fā)現(xiàn)施氮(50 kg N hm－2a－1)迅速增加日本北部落葉松人工林土壤NH+4和NO－3濃度，土壤CH4吸收下降48%，而土壤N2O排放增加69%;土壤CH4吸收通量和NH+4濃度負(fù)相關(guān)，而土壤N2O通量與土壤NO－3濃度正相關(guān)，據(jù)此認(rèn)為氮沉降引起土壤無機(jī)氮含量的增加，進(jìn)而影響寒溫帶森林土壤CH4吸收和N2O排放過程。類似的施氮效應(yīng)在草地生態(tài)系統(tǒng)也十分常見。例如，Mosier等［37］研究發(fā)現(xiàn)美國科羅拉多短草草原土壤CH4吸收峰與土壤N2O排放谷相對應(yīng)，施氮早期抑制CH4吸收而促進(jìn)N2O排放，而長期施氮對CH4無顯著影響但急劇增加土壤N2O排放。Rees等［33］研究表明短期內(nèi)施加NH4NO3能夠促進(jìn)歐洲草地土壤N2O排放和抑制土壤CH4吸收。也有研究表明施氮顯著促進(jìn)草地土壤N2O排放，但對土壤 CH4吸收無顯著影響，土壤N2O和CH4通量之間的關(guān)系表現(xiàn)為隨機(jī)性和對增氮響應(yīng)的非同步性［38－39］。綜上所述，水分非飽和土壤CH4和N2O凈交換通量對施氮劑量和持續(xù)時(shí)間的響應(yīng)并非一成不變。目前，我們并不清楚施氮如何影響土壤N2O和CH4的產(chǎn)生與消耗過程及其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以及氮素有效性增加如何調(diào)控土壤CH4和N2O通量之間的耦合關(guān)系，因此有必要開展多形態(tài)、低劑量的增氮控制實(shí)驗(yàn)來探討土壤CH4吸收和N2O排放對大氣氮沉降增加的響應(yīng)特征。

2.2 森林土壤CH4吸收和N2O排放對增氮的響應(yīng)機(jī)制

施氮對森林土壤CH4吸收的影響機(jī)制可以概括為4個(gè)方面:①競爭甲烷單氧酶(MMO);②滲透壓引起的微生物生理性缺水;③代謝產(chǎn)物的毒害作用和④氮周轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抑制作用。土壤甲烷氧化菌和氨氧化菌都具有單氧酶，氨氧化菌的單氧酶(AMO)和甲烷氧化菌的顆粒狀單氧酶(pMMO)具有較高的相似性［40］。施氮直接增加土壤 NH+4或 NO－3的含量，土壤CH4吸收速率通常與土壤 NH+4濃度負(fù)相關(guān)［22，41］。NH+4對土壤CH4氧化的抑制作用可歸因于甲烷單氧酶對底物NH3和CH4的競爭，但該理論一直備受質(zhì)疑［42－44］。NO－除了能夠直接抑制甲烷氧

3化菌活性外，與NO－3結(jié)合的陽離子對甲烷氧化菌活性的抑制作用更強(qiáng)［45］。最近，Bodelier［46］總結(jié)性地認(rèn)為，土壤NH+4－N 和 NO－3－N累積也可增加土壤CH4吸收，這與土壤氨氧化細(xì)菌增加有關(guān)，其內(nèi)在的機(jī)理尚不清楚。許多研究表明施氮過程中附加的鹽離子( 如 Cl－，SO24－，K+等)強(qiáng)烈抑制草地和森林土壤CH4吸收，歸因于鹽離子增加了土壤水的滲透壓，造成甲烷氧化菌生理性缺水，從而降低其活性［5，45］。施氮產(chǎn)生的毒性效應(yīng)包括土壤酸化［47－48］、Al3+濃度增加［49－50］、氮礦化的中間產(chǎn)物羥胺和 NO－2累積［51］以及乙烯、單萜類物質(zhì)的生成［2，52］等。另外，土壤氮周轉(zhuǎn)是氮素能夠長期抑制CH4吸收的關(guān)鍵，土壤CH4氧化速率通常與硝化速率以及N2O排放通量負(fù)相關(guān)［25，53］。施氮傾向于促進(jìn)土壤N2O排放，但是支配其產(chǎn)生的過程并不確定，取決于土壤水分、溫度和無機(jī)氮含量。在中度濕潤、溫暖和NH+4富集的土壤中，硝化作用是N2O排放的主要過程［54］。相反，在水分飽和、寒冷和NO－3富集的土壤條件下，反硝化是N2O主要的產(chǎn)生過程［55］。然而，過去有關(guān)土壤CH4吸收和N2O排放對增氮的響應(yīng)研究多是獨(dú)立進(jìn)行的，沒有同步分析增氮對土壤CH4氧化、硝化和反硝化過程的影響，難以準(zhǔn)確地揭示水分非飽和土壤CH4吸收和N2O排放之間的耦合作用及其對增氮的響應(yīng)特征，穩(wěn)定性碳氮同位素示蹤技術(shù)可為解決該問題提供新的契機(jī)。

從微生物學(xué)角度來看，水分非飽和土壤CH4吸收和N2O排放的耦合作用及其對增氮的響應(yīng)在一定程度上與甲烷氧化菌群落和N2O產(chǎn)生菌群落的活性和結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。甲烷氧化菌可分為低親和力的Ⅰ型甲烷氧化菌(MOBⅠ)和高親和力的Ⅱ型甲烷氧化菌(MOBⅡ)，施氮傾向于抑制MOBⅡ的活性，但對MOBⅠ的活性無影響甚至表現(xiàn)為促進(jìn)作用［56－57］。Menyailo等［58］發(fā)現(xiàn)由于不同類型甲烷單氧酶對NH3的親和力不同，抵制毒性物質(zhì)的能力也不同，導(dǎo)致了土壤 CH4氧化對增氮響應(yīng)的多樣性和復(fù)雜性。Nyerges和Stein［51］研究也發(fā)現(xiàn)，不同甲烷氧化菌群落對施氮的耐受力不同，森林土壤中MOBⅠ和MOBⅡ的相對豐富度可以用來指示微生物對NH+4和NO－2毒性效應(yīng)的耐受力。最近，Maxfield等［59］利用13CH4－PLFA－SIP技術(shù)研究草地和農(nóng)田土壤CH4吸收機(jī)制，發(fā)現(xiàn)施加有機(jī)肥導(dǎo)致土壤甲烷氧化菌群落向Ⅰ型甲烷氧化菌轉(zhuǎn)變，高劑量施氮反而增加土壤甲烷氧化菌生物量，說明非甲烷氧化菌(如硝化細(xì)菌)對其具有潛在的調(diào)節(jié)作用。水分非飽和土壤中氨氧化細(xì)菌(AOB)主要包括亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)、亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)和亞硝化螺菌屬(Nitrosopira)等，進(jìn)一步可分成9個(gè)不同的進(jìn)化簇［60］。通過對β變形菌綱氨氧化菌16S rRNA和氨單加氧酶(amoA)基因的克隆、測序和變形梯度凝膠電泳(DGGE)分析，Schmidt等［24］對比研究氮沉降對蘇格蘭氮限制和氮飽和兩種森林土壤氨氧化菌群落的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，氮沉降沒有顯著改變氮限制云杉林土壤氨氧化菌群落豐富度，包括亞硝化單胞菌和亞硝化螺菌屬;而氮飽和的云杉林土壤以非氨氧化菌群落為主，沒有檢測到amoA基因序列;這些結(jié)果表明即使在高氮沉降區(qū)氨氧化菌對土壤N2O產(chǎn)生的貢獻(xiàn)較小。Kandeler等［61］研究發(fā)現(xiàn)移除氮沉降不影響土壤總細(xì)菌、硝酸還原菌和反硝化細(xì)菌群落活性，N2O還原酶(nosZ)/16S rRNA基因和nosZ/nirK的比率隨著土壤深度增加，表明礦質(zhì)土壤中反硝化細(xì)菌的比例高于有機(jī)層。除了硝化細(xì)菌外，甲基營養(yǎng)菌對好氧環(huán)境下土壤硝化來源N2O的貢獻(xiàn)也比較顯著。Acton和Baggs［30］發(fā)現(xiàn)施氮抑制了土壤 CH4氧化，促進(jìn)了N2O排放，主要是甲基營養(yǎng)菌轉(zhuǎn)變其功能來氧化NH3所致。由于甲烷氧化菌和氨氧化菌在生理學(xué)和生物化學(xué)方面十分相似，任何抑制CH4氧化的過程均能促進(jìn)NH3的氧化，施氮潛在地改變了甲基營養(yǎng)菌氧化大氣CH4的功能。綜上所述，提出以下兩點(diǎn)假設(shè):(1)低劑量施氮或施氮初期，大部分外源性氮素被植物吸收和被土壤微生物固持，施氮可能不改變甚至促進(jìn)土壤甲烷氧化菌和N2O產(chǎn)生菌群落活性，不改變或輕微促進(jìn)貧氮森林土壤CH4吸收和N2O排放。(2)高氮輸入或長期施氮可能會顯著抑制富氮森林土壤高親和力的Ⅱ型甲烷氧化菌群落活性，提高一些N2O產(chǎn)生菌群落(尤其是甲基型營養(yǎng)菌和反硝化細(xì)菌)活性，進(jìn)而抑制CH4吸收和促進(jìn)N2O排放。然而，有關(guān)水分非飽和土壤甲烷氧化菌和氨氧化菌的競爭程度及其重要性知之甚少，甲基營養(yǎng)菌在土壤氨氧化或N2O產(chǎn)生過程中的作用尚不確定，分子生物學(xué)技術(shù)可以準(zhǔn)確評價(jià)施氮對甲烷氧化菌和氨氧化菌群落活性和多樣性的影響。

3 現(xiàn)有研究不足與未來研究展望

目前，圍繞森林土壤CH4吸收和N2O排放對大氣氮沉降的響應(yīng)這一前沿科學(xué)命題已做了大量的研究，但仍然存在很多研究不足和不確定性。例如，有關(guān)氮素對森林土壤CH4吸收的調(diào)控機(jī)制假說眾說紛紜，并且許多假說無法合理地解釋森林生態(tài)系統(tǒng)施氮初期和后期土壤CH4吸收的轉(zhuǎn)變，在解釋氮限制和磷限制森林土壤CH4吸收格局時(shí)也常常自相矛盾［62］。關(guān)于水分非飽和森林土壤N2O排放，存在以硝化作用和反硝化過程貢獻(xiàn)為主兩種結(jié)論，相應(yīng)地增氮對硝化和反硝化過程的促進(jìn)作用及其對N2O排放的相對貢獻(xiàn)難以準(zhǔn)確量化［55］。主要原因包括:(1)現(xiàn)有的增氮控制試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)多集中在大氣氮沉降較高的溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)，沒有區(qū)分氮素形態(tài)(氧化態(tài)NO－3、還原態(tài) NH+4和有機(jī)態(tài)DON)影響的差異，難以解釋北方森林、溫帶森林、熱帶/亞熱帶森林土壤碳氮通量對增氮的響應(yīng)機(jī)理［63］。(2)森林土壤CO2，CH4和N2O通量來源的研究多為獨(dú)立進(jìn)行的，忽視了不同通量組分對增氮響應(yīng)的差異，無法闡明土壤CO2，CH4和N2O通量之間的耦合關(guān)系及其對增氮的響應(yīng)機(jī)制［4］。(3)雖然微生物分子生態(tài)學(xué)方法日新月異，但是每種方法均存在一定的局限性，相關(guān)研究基本上停留在某類微生物功能群活性和群落組成的評價(jià)上，依然未能將微生物功能群落動態(tài)與土壤碳氮通量真正地聯(lián)系起來［64］。在未來幾年內(nèi)，關(guān)于土壤CH4和N2O通量耦合作用及其對增氮的響應(yīng)研究應(yīng)該在以下3個(gè)方面亟待加強(qiáng):(1)流域尺度森林土壤碳氮通量、氮流失與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力之間的耦合關(guān)系。在小流域尺度上，通過高頻率測定土壤－大氣界面碳氮?dú)怏w凈交換通量，同步測定土壤、滲漏液和地表徑流中有效碳氮含量和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，重點(diǎn)研究流域尺度森林土壤氣體通量時(shí)空分異特征、氮遷移對氣體交換的影響及其自然因素的驅(qū)動機(jī)制。(2)生態(tài)系統(tǒng)尺度土壤 CH4氧化和N2O產(chǎn)生的交互作用及其氮素調(diào)控作用。基于多形態(tài)、多水平的氮沉降模擬控制試驗(yàn)，集合野外監(jiān)測和13C和15N雙同位素示蹤技術(shù)，測定不同處理下森林土壤CH4氧化和N2O產(chǎn)生速率，區(qū)分土壤N2O的主要來源，探討CH4氧化過程和N2O產(chǎn)生過程之間的交互作用。(3)分子尺度上探討施氮對土壤甲烷氧化菌、氨氧化菌活性和群落組成的影響。采用常規(guī)培養(yǎng)法測定不同施氮處理土壤甲烷氧化菌和氨氧化菌數(shù)量，利用基于PCR的分子生態(tài)學(xué)方法(如TRFLP、基因芯片、克隆測序等)，對比分析不同處理表層和亞表層土壤甲烷氧化菌和氨氧化菌群落物種豐富度和多樣性指數(shù)的差異，闡明典型森林土壤甲烷氧化菌和氨氧化菌群落活性和群落組成對增氮的響應(yīng)。期望通過該項(xiàng)研究，能夠比較全面地理解典型森林土壤CH4吸收和N2O排放的耦合作用及其氮素調(diào)控機(jī)制。

4 結(jié)論

森林土壤CH4吸收和N2O排放對大氣氮沉降的響應(yīng)十分復(fù)雜，包括促進(jìn)、抑制和不變3種截然不同的結(jié)論;低氮傾向于促進(jìn)貧氮森林土壤CH4吸收，不改變土壤N2O排放，而高氮顯著抑制富氮森林土壤CH4吸收以及促進(jìn)N2O排放。相應(yīng)地，森林土壤CH4吸收和N2O排放通量之間也存在協(xié)同、消長和隨機(jī)等多種復(fù)雜的耦合形式。有關(guān)氮素對森林土壤CH4吸收的調(diào)控作用機(jī)制相對清晰，主要包括競爭抑制和毒性抑制兩個(gè)方面。但是，關(guān)于增氮對土壤N2O排放的促進(jìn)作用卻存在硝化作用和反硝化貢獻(xiàn)之爭，促進(jìn)機(jī)理至今不明晰，歸因于土壤N2O產(chǎn)生和消耗過程的復(fù)雜性。在微生物學(xué)機(jī)理探討方面，結(jié)合生物化學(xué)和微生物分子生態(tài)學(xué)諸多手段，近年來我們大量探討了甲烷氧化菌、氨氧化菌和反硝化細(xì)菌等功能群落在土壤CH4氧化和N2O排放過程中作用，但是依然未能將微生物功能群落演變與土壤碳氮通量動態(tài)真正地聯(lián)系起來。而且，過去關(guān)于森林土壤CH4吸收和N2O排放過程對增氮響應(yīng)多為獨(dú)立進(jìn)行的，對其不同耦合關(guān)系背后的微生物學(xué)機(jī)制研究尚未系統(tǒng)地開展。

［1］ IPCC. Climate Change 2007: Impacts， Adaptation and Vulnerability//Parry M L，CanzianiO F，Palutikof JP，van der Linden P J，Hanson C E.Contribution of Working GroupⅡ to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge:Cambridge University Press，2007.

［2］ Degelmann D M，Borken W，Kolb S.Methane oxidation kinetics differ in European beech and Norway spruce soils.European Journal of Soil Science，2009，60(4):499－506.

［3］ Dutaur L，Verchot L V.A global inventory of the soil CH4sink.Global Biogeochemical Cycles， 2007， 21(4)， doi: 10.1029/2006GB002734.

［4］ Cai Z C，Xu H，Ma J.Methane and Nitrous Oxide from Rice－Based Ecosystems.Hefei:University of Science and Technology of China Press，2009:1－375.

［5］ Borken W，Brumme R.Methane uptake by temperate forest soils//Functioning and Management of European Beech Ecosystems.Ecological Studies.Berlin Heidelberg:Springer，2009，208:369－385.

［6］ Wolf K，Veldkamp E，Homeier J，Martinson G O.Nitrogen availability links forest productivity，soil nitrous oxide and nitric oxide fluxes of a tropical montane forest in southern Ecuador.Global Biogeochemical Cycles， 2011， 25(4)， doi:10.1029/2010GB003876.

［7］ Myneni R B，Dong J，Tucker C J，Kaufmann R K，Kauppi P E，Liski J，Zhou L，Alexeyev V，Hughes M K.A large carbon sink in the woody biomass of northern forests.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2001，98(26):14784－14789.

［8］ Lamarque J F，Kiehl J T，Brasseur G P，Butler T，Cameron－Smith P，CollinsW D，CollinsW J，Granier C，Hauglustaine D，Hess P G，Holland E A，Horowitz L，Lawrence M G，McKenna D，Merilees P，Prather M J，Rasch P J，Rotman D，Shindell D，Thornton P.Assessing future nitrogen deposition and carbon cycle feedback using a multimodel approach:Analysis of nitrogen deposition.Journal of Geophysical Research: Atmospheres，2005，110(D19):doi:10.1029/2005JD005825.

［9］ Galloway JN，Townsend A R，Erisman JW，Bekunda M，Cai Z C，F(xiàn)reney J R，Martinelli L A，Seitzinger S P，Sutton M A.Transformation of the nitrogen cycle:recent trends，questions，and potential solutions.Science，2008，320(5878):889－892.

［10］ Magnani F，MencucciniM，BorghettiM，Berbigier P，Berninger F，Delzon S，Grelle A，Hari P，Jarvis P G，Kolari P，Kowalski A S，Lankreijer H，Law B E，Lindroth A，Loustau D，Manca G，Moncrieff JB，Rayment M，Tedeschi V，Valentini R，Grace J.The human footprint in the carbon cycle of temperate and boreal forests.Nature，2007，447(7146):848－851.

［11］ Luyssaert S，Schulze E D，B?rner A，Knohl A，Hessenm?ller D，Law B E，Ciais P，Grace J.Old－growth forests as global carbon sinks.Nature，2008，455(7210):213－215.

［12］ de Vries W，Solberg S，Dobbertin M，Sterba H，Laubhahn D，Reinds G J， Nabuurs G J， Gundersen P， Sutton M A．Ecologically implausible carbon response?Nature，2008，451(7180):E1－E3.

［13］ de Vries W，Solberg S，Dobbertin M，Sterba H，Laubhann D，van Oijen M，Evans C，Gundersen P，Kros J，Wamelink G W W，ReindsG J，Sutton M A．The impactof nitrogen deposition on carbon sequestration by European forests and heathlands.Forest Ecology and Management，2009，258(8):1814－1823.

［14］ H?gberg P.Environmental science:Nitrogen impacts on forest carbon.Nature，2007，447(7146):781－782.

［15］ Aronson E L，Helliker B R.Methane flux in non－wetland soils in response to nitrogen addition:ameta－analysis.Ecology，2010，91(11):3242－3251.

［16］ Lu M，Yang Y H，Luo Y Q，F(xiàn)ang CM，Zhou X H，Chen JK，Yang X，Li B.Responses of ecosystem nitrogen cycle to nitrogen addition:a meta－analysis.New Phytologist，2011，189(4):1040－1050.

［17］ Liu L L，Greaver T L.A review of nitrogen enrichment effects on three biogenic GHGs:the CO2sink may be largely offset by stimulated N2O and CH4emission.Ecology Letters，2009，12(10):1103－1117.

［18］ Lal R.Forest soils and carbon sequestration.Forest Ecology and Management，2005，220(1/3):242－258.

［19］ Dixon R K，Solomon A M，Brown S，Houghton R A，Trexier M C，Wisniewski J. Carbon pools and flux of global forest ecosystems.Science，1994，263(5144):185－190.

［20］ Davidson E A，Nepstad D C，Ishida F Y，Brando PM.Effects of an experimental drought and recovery on soil emissions of carbon dioxide，methane，nitrous oxide，and nitric oxide in a moist tropical forest. Global Change Biology， 2008， 14(11):2582－2590.

［21］ Cai Z C.Greenhouse gas budget for terrestrial ecosystems in China.Science China Earth Sciences，2012，55(2):173－182.

［22］ Fang H J，Yu G R，Cheng SL，Zhu T H，Wang Y S，Yan JH，Wang M，Cao M，Zhou M.Effects of multiple environmental factors on CO2emission and CH4uptake from old－growth forest soils.Biogeosciences，2010，7(1):395－407.

［23］ Powers JS，Schlesinger W H.Relationships among soil carbon distributions and biophysical factors atnested spatial scales in rain forests of northeastern Costa Rica.Geoderma，2002，109(3/4):165－190.

［24］ Schmidt C S，Hultman K A，Robinson D，Killham K，Prosser J I.PCR profiling of ammonia－oxidizer communities in acidic soils subjected to nitrogen and sulphur deposition.FEMSMicrobiology Ecology，2007，61(2):305－316.

［26］ Schnell S， King G M.Mechanistic analysis of ammonium inhibition of atmospheric methane consumption in forest soils.Applied and Environmental Microbiology， 1994， 60(10):3514－3521.

［27］ Maljanen M，Jokinen H，Saari A，Str?mmer R，Martikainen P J.Methane and nitrous oxide fluxes，and carbon dioxide production in boreal forest soil fertilized with wood ash and nitrogen.Soil Use and Management，2006，22(2):151－157.

［28］ Kim Y S，ImoriM，Watanabe M，Hatano R，Yi M J，Koike T.Simulated nitrogen inputs influence methane and nitrous oxide fluxes from a young larch plantation in northern Japan.Atmospheric Environment，2012，46:36－44.

［29］ Lam SK，Lin E，Norton R，Chen D L．The effect of increased atmospheric carbon dioxide concentration on emissions of nitrous oxide，carbon dioxide and methane from a wheat field in a semiarid environment in northern China.Soil Biology＆ Biochemistry，2011，43(2):458－461.

［30］ Acton SD，Baggs E M.Interactions between N application rate，CH4oxidation and N2O production in soil.Biogeochemistry，2011，103(1/3):15－26.

［31］ Steudler P A，Melillo JM，Bowden R D，Castro M S，Lugo A E.The effects of natural and human disturbances on soil nitrogen dynamics and trace gas fluxes in a Puerto Rican wet forest.Biotropica，1991，23(4):356－363.

［32］ Butterbach－Bahl K，Breuer L，Gasche R，Willibald G，Papen H．Exchange of trace gases between soils and the atmosphere in Scots pine forest ecosystems of the northeastern German lowlands:1.Fluxes of N2O，NO/NO2and CH4at forest siteswith different N－deposition.Forest Ecology and Management，2002，167(1/3):123－134.

［33］ Rees R，Jones S，Thorman R E，McTaggart，Ball B，Skiba U.The effect of organic and mineral nitrogen fertilisers on emissions of NO，N2O and CH4from cutgrassland//Hatch D J，Chadwick D R，Jarvis S C，Roker J A.Controlling Nitrogen Flows and Losses.UK:University of Exeter，2004:268－276.

［34］ Jassal R S，Black T A，Roy R，Ethier G．Effect of nitrogen fertilization on soil CH4and N2O fluxes，and soil and bole respiration.Geoderma，2011，162(1/2):182－186.

［35］ Carter M S，Ambus P，Albert K R，Larsen K S，Andersson M，PrieméA，van der Linden L，Beier C.Effects of elevated atmospheric CO2，prolonged summer drought and temperature increase on N2O and CH4fluxes in a temperate heathland.Soil Biology and Biochemistry，2011，43(8):1660－1670.

［36］ Macdonald JA，Skiba U，Sheppard L J，Ball B，Roberts JD，Smith K A，F(xiàn)owler D.The effect of nitrogen deposition and seasonal variability on methane oxidation and nitrous oxide emission rates in an upland spruce plantation and moorland.Atmospheric Environment，1997，31(22):3693－3706.

［37］ Mosier A R，Parton W J，Valentine DW，Ojima D S，Schimel D S，Delgado JA.CH4and N2O fluxes in the Colorado shortgrass steppe:1.Impact of landscape and nitrogen addition.Global Biogeochemical Cycles，1996，10(3):387－399.

［38］ Mori A，Hojito M，Kondo H，Matsunami H，Scholefield D.Effects of plant species on CH4and N2O fluxes from a volcanic grassland soil in Nasu，Japan.Soil Science and Plant Nutrition，2005，51(1):19－27.

［39］ Ambus P，Robertson G P.The effectof increased n deposition on nitrous oxide，methane and carbon dioxide fluxes from unmanaged forest and grassland communities in Michigan.Biogeochemistry，2006，79(3):315－337.

［40］ Ding W X，Cai ZC.Mechanismsof nitrogen fertilizer suppressing atmospheric methane oxidation by methanotrophs in soils.Rural Eco－Environment，2001，17(3):30－34.

［41］ Jang I，Lee S，Hong JH，Kang H J.Methane oxidation rates in forest soils and their controlling variables:a review and a case study in Korea.Ecological Research，2006，21(6):849－854.

［42］ Saari A，Rinnan R，Martikainen P J.Methane oxidation in boreal forest soils:kinetics and sensitivity to pH and ammonium.Soil Biology and Biochemistry，2004，36(7):1037－1046.

［43］ Chan A SK，Steudler P A.Carbon monoxide uptake kinetics in unamended and long－term nitrogen－amended temperate forest soils.FEMSMicrobiology Ecology，2006，57(3):343－354.

［44］ Tate K R，Ross D J，Saggar S，Hedley C B，Dando J，Singh B K，Lambie S M.Methane uptake in soils from Pinus radiata plantations，a reverting shrubland and adjacent pastures:Effects of land－use change，and soil texture，water and mineral nitrogen.Soil Biology and Biochemistry，2007，39(7):1437－1449.

［45］ Whalen SC，Reeburgh W S.Methane oxidation，production，and emission at contrasting sites in a boreal bog.Geomicrobiology Journal，2000，17(3):237－251.

［46］ Bodelier P L E.Interactions between nitrogenous fertilizers and methane cycling in wetland and upland soils.Current Opinion in Environmental Sustainability，2011，3(5):379－388.

［47］ Le Mer J， Roger P.Production， oxidation， emission and consumption ofmethane by soils:A review.European Journal of Soil Biology，2001，37(1):25－50.

［48］ Xu X， Inubushi K.Responses of ethylene and methane consumption to temperature and pH in temperate volcanic forest soils.European Journal of Soil Science，2009，60(4):489－498.

［49］ Nanba K， King G M.Response of atmospheric methane consumption by Maine forest soils to exogenous aluminum salts.Applied and Environmental Microbiology， 2000， 66(9):3674－3679.

［50］ Tamai N，Takenaka C，Ishizuka S.Water－soluble Al inhibits methane oxidation at atmospheric concentration levels in Japanese forest soil.Soil Biology and Biochemistry，2007，39(7):1730－1736.

［51］ Nyerges G，Stein L Y.Ammonia cometabolism and product inhibition vary considerably among species of methanotrophic bacteria.FEMSMicrobiology Letters，2009，297(1):131－136.

［52］ Xu X，Inubushi K.Production and consumption of ethylene in temperate volcanic forest surface soils.European Journal of Soil Science，2007，58(3):668－679.

［53］ Mosier A R.Exchange of gaseous nitrogen compounds between agricultural systems and the atmosphere.Plant and Soil，2001，228(1):17－27.

［54］ Morishita T，Aizawa S，Yoshinaga S，Kaneko S.Seasonal change in N2O flux from forest soils in a forest catchment in Japan.Journal of Forest Research，2011，16(5):386－393.

［55］ Zhang W，Mo JM，Zhou G Y，Gundersen P，F(xiàn)ang Y T，Lu X K，Zhang T，Dong S F.Methane uptake responses to nitrogen deposition in three tropical forests in southern China.Journal of Geophysical Research: Atmospheres， 2008， 113(D11):D11116，doi:10.1029/2007JD009195.

［56］ Bodelier P L E，Laanbroek H J.Nitrogen as a regulatory factor of methane oxidation in soils and sediments.FEMS Microbiology Ecology，2004，47(3):265－277.

［57］ Shrestha M，Shrestha P M，F(xiàn)renzel P，Conrad R．Effect of nitrogen fertilization on methane oxidation， abundance，community structure，and gene expression ofmethanotrophs in the rice rhizosphere.The ISME Journal，2010，4(12):1545－1556.

［58］ Menyailo O V，Hungate B A，Abraham W R，Conrad R.Changing land use reduces soil CH4uptake by altering biomass and activity but not composition of high－affinity methanotrophs.Global Change Biology，2008，14(10):2405－2419.

［59］ Maxfield P J，Brennand E L，Powlson D S，Evershed R P.Impact of land management practices on high－affinity methanotrophic bacterial populations:evidence from long－term sites at Rothamsted.European Journal of Soil Science，2011，62(1):56－68.

［60］ Lin X G.Principles and Methods of Soil Microbiology Research.Beijing:Higher Education Press，2010:1－430.

［61］ Kandeler E，Brune T，Enowashu E，D?rr N，Guggenberger G，Lamersdorf N， Philippot L. Response of total and nitratedissimilating bacteria to reduced N deposition in a spruce forest soil profile. FEMS Microbiology Ecology， 2009， 67(3):444－454.

［62］ Cheng SL，F(xiàn)ang H J，Yu G R，Xu M J，Zhang P L，Zheng JJ，GaoW L，Wang Y S.The primary factors controlling methane uptake from forest soils and their responses to increased atmospheric nitrogen deposition:a review.Acta Ecologica Sinica，2012，32(15):4914－4923.

［63］ Fang H J，Cheng SL，Yu GR，Cooch J，Wang Y S，Xu M J，Li L S， Dang X S， Li Y N.Low－level nitrogen deposition significantly inhibitsmethane uptake from an alpine meadow soil on the Qinghai－Tibetan Plateau. Geoderma， 2014， 213:444－452.

［64］ He J Z，Hu H W，Zhang L M.Current insights into the autotrophic thaumarchaeal ammonia oxidation in acidic soils.Soil Biology and Biochemistry，2012，55:146－154.

參考文獻(xiàn):

［4］ 蔡祖聰，徐華，馬靜.稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4和N2O排放.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009:1－375.

［40］ 丁維新，蔡祖聰.氮肥對土壤氧化大氣甲烷影響的機(jī)制.農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，2001，17(3):30－34.

［60］ 林先貴.土壤微生物研究原理與方法.北京:高等教育出版社，2010:1－430.

［62］ 程淑蘭，方華軍，于貴瑞，徐敏杰，張裴雷，鄭嬌嬌，高文龍，王永生.森林土壤甲烷吸收的主控因子及其對增氮的響應(yīng)研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，32(15):4914－4923.