氮沉降對森林凋落物分解過程中土壤酶和微生物影響的研究進展

路錦， 張筱， 黃櫻， 曹光球，3*， 費裕翀

(1.福建農(nóng)林大學 林學院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學 資源與環(huán)境學院，福建 福州 350002；3.國家林業(yè)和草原局 杉木工程技術研究中心，福建 福州 350002)

森林凋落物是森林在生長發(fā)育過程中所產(chǎn)生的新陳代謝產(chǎn)物，由植物地上部分產(chǎn)生并歸還到地面，作為降解者的物質(zhì)和能量來源，從而維持森林生態(tài)系統(tǒng)功能持續(xù)穩(wěn)定的所有有機質(zhì)的總稱[1].森林生態(tài)系統(tǒng)中凋落物包括落枝、倒木、枯立木、落葉、落皮、枯死草本、枯死樹根、落地的營養(yǎng)和繁殖器官、動物殘骸以及它們的異化代謝產(chǎn)物等[2].作為森林生態(tài)系統(tǒng)重要的養(yǎng)分儲存庫，它的分解和養(yǎng)分釋放是森林生物地球化學循環(huán)中的重要一環(huán)，在維持土壤肥力、保障植物生長養(yǎng)分的可利用性、促進森林生態(tài)系統(tǒng)正常的物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡等方面起著重要作用[3-4]，長期以來是森林經(jīng)理學、森林生態(tài)學、水土保持與荒漠化治理等學科的重要研究內(nèi)容之一，眾多學者對其有著廣泛深入的研究.

現(xiàn)有研究表明大尺度區(qū)域空間背景下，凋落物的分解主要是受分解氣候的影響，而小尺度區(qū)域內(nèi)凋落物的分解更多受底物質(zhì)量的調(diào)控，其中基質(zhì)碳的形態(tài)是調(diào)控凋落物分解的主要化學因素.此外氮作為分解者微生物細胞組成所必須的元素之一，微生物對碳源進行分解礦化時對氮元素具有一定的需求，研究普遍表明相比于兩者的單獨作用，凋落物分解過程中碳與氮的相互作用的影響更為重要.目前隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，特別是工業(yè)固氮的發(fā)明以及化石能源的大量開采和使用，人類活動向大氣中輸送了大量含氮化合物，致使全球范圍內(nèi)大氣氮沉降激增，自然生態(tài)系統(tǒng)中氮平衡遭到破壞.目前大氣氮沉降所導致的生態(tài)系統(tǒng)氮輸入量增加已成為一個日趨嚴重的全球變化現(xiàn)象，2050年將預計達到195 Tg/a[5]，遠超生態(tài)系統(tǒng)天然固氮量.隨著全球氮沉降的不斷加劇，森林生態(tài)系統(tǒng)中氮的養(yǎng)分有效性將有所提升，大量的凋落物分解試驗研究表明，氮作為影響森林凋落物分解的重要因素，與氮有關的各種指標，如凋落物自身的氮含量、C/N、木質(zhì)素/N以及土壤環(huán)境中的氮含量、C/N等，與森林凋落物分解具有較強的相關關系，常被用于預測凋落物的分解速率[6-7].土壤酶和微生物作為森林凋落物分解的重要參與者，有關氮沉降驅(qū)動土壤微生物的生物量、群落組成以及酶活性的改變，并調(diào)控凋落物分解的核心機制仍較少有人關注，在外源氮添加的情況下，氮的有效性提高，微生物運用更少的能量獲取氮，那么微生物是否可能進行資源的再分配轉(zhuǎn)向提升與獲得碳、磷相關的胞外酶活性，而這些酶的活性是否會作用于凋落物的分解速率均需要進一步深入探究.有鑒于此，本文收集了國內(nèi)外關于氮沉降背景下凋落物分解文獻，綜述了氮沉降對森林凋落物分解過程中微生物與土壤酶的影響并歸納總結(jié)了其內(nèi)在的微生物學機制，以期為深入研究森林生態(tài)系統(tǒng)與氮沉降之間的相互作用與反饋機制提供參考.

1 氮有效性對凋落物分解的影響研究進展

森林凋落物的分解過程既有物理過程，又有生物化學過程，其中包括淋溶作用、自然粉碎作用和代謝作用，淋溶作用即凋落物中的可溶性物質(zhì)通過降水而被淋溶，自然粉碎作用主要是通過腐食動物的啃食完成的，非生物因子如土壤的干濕交替、冷凍和解凍等作用同樣可使凋落物破碎，代謝作用則主要是由微生物對凋落物進行酶解，將復雜有機化合物轉(zhuǎn)為簡單無機化合物[8-10].目前有關凋落物分解的研究主要集中于2個方面，一是關注凋落物的外在分解環(huán)境，如光照條件、降水量、土壤的溫濕度以及養(yǎng)分有效性[11-12]，二是關注凋落物自身的化學性質(zhì)和養(yǎng)分含量，即凋落物質(zhì)量[13-14].凋落物質(zhì)量也被稱為“底物質(zhì)量”，指凋落物的相對可分解性，由于凋落物是由多種有機成分構(gòu)成，如糖類、可溶性蛋白、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和多酚類物質(zhì)等，而不同有機成分具有不同的分解難度，因而具有不同的有機成分組成、養(yǎng)分含量和結(jié)構(gòu)的凋落物具有不同的分解難度.

氮作為植物生長所必要的重要元素之一，同樣也是構(gòu)成凋落物質(zhì)量的重要指標，凋落物以及所在環(huán)境中氮元素有效性的高低同樣對凋落物的分解具有重要作用.相當多的研究表明具有不同底物質(zhì)量的凋落物分解速率存在明顯差異，路穎等[15]在對我國山東地區(qū)刺槐(Robiniapseucdoacacia)、麻櫟(Quercusacutissima)、油松(Pinustabulaeformis)和赤松(Pinusdensiflora)4類凋落物進行分解研究時發(fā)現(xiàn)，凋落物的分解速率受底物質(zhì)量的強烈限制，初始C/N和木質(zhì)素/N比值較低的刺槐凋落物分解速率顯著高于其他3個樹種.此外環(huán)境中可利用的，主要是土壤中氮含量高低對于凋落物的分解同樣顯著.土壤作為凋落物的載體，凋落物和土壤中存在著養(yǎng)分流動現(xiàn)象，土壤中的養(yǎng)分含量越高，凋落物中的微生物養(yǎng)分的獲取難度也隨之降低.王進等[16]研究發(fā)現(xiàn)土壤中有機質(zhì)、總氮和總鉀等養(yǎng)分含量的高低是影響凋落物分解主要養(yǎng)分因子，其含量的高低與凋落物分解速率呈正相關，尤以對底物質(zhì)量較差的凋落物分解速率的影響程度更為顯著.

此外許多試驗通過直接向凋落物進行外源氮添加改變凋落物分解底物的質(zhì)量水平去探究氮對于凋落物分解的重要性，其結(jié)果同樣表明外源性氮的輸入能夠促進了凋落物的分解.Vivanco等[17]通過對美國巴塔哥尼亞溫帶森林進行氮沉降模擬試驗，結(jié)果表明氮沉降對該地區(qū)主要樹種凋落物分解有較強的促進作用；項文化等[18]在我國湖南地區(qū)的研究表明，施入NaNO3和混合林下植被凋落物后的杉木凋落物養(yǎng)分含量，尤其是氮含量顯著上升，其分解速率與對照相比顯著加快，且凋落物初始氮含量與分解速率具有顯著線性關系.可見適量的外源氮輸入能夠提升凋落物底物質(zhì)量，從而加速凋落物的分解與養(yǎng)分釋放.但同樣也有研究表明外源氮的輸入抑制了凋落物的分解，張健等[19]對我國四川地區(qū)亮葉樺(Betulaluminifera)人工林進行模擬氮沉降試驗后發(fā)現(xiàn)，氮沉降顯著抑制了凋落葉的分解，且輸入濃度越高抑制作用越明顯，氮沉降可使得凋落葉的周轉(zhuǎn)周期增加近2年；蔡金桓[20]等對于我國廣東地區(qū)的杉木凋落物進行氮沉降添加處理后，研究結(jié)果同樣表明氮沉降處理下的杉木凋落物在整個試驗期間分解速率均慢于對照.此外少量研究表明氮沉降對凋落物的分解不存在顯著影響，莫江明[21]等等對我國廣東地區(qū)以馬尾松(Pinusmassoniana)和以錐栗(Castanopsischinensis)為主要樹種的混交林進行野外模擬氮沉降試驗時發(fā)現(xiàn)，氮沉降對于馬尾松凋落物分解僅在初期促進作用，而對于錐栗凋落物則不有顯著影響.可見由于凋落物的分解機制較為復雜，氣候、土壤類型以及凋落物的自身化學性質(zhì)和養(yǎng)分含量均可能導致不同試驗結(jié)果之間存在差異，此外各試驗的外源氮的輸入量以及氮源種類也影響著凋落物分解特性對于氮沉降的響應，其結(jié)果可比性較差.因此有必要在對目前現(xiàn)有的氮添加試驗的基礎上進行總結(jié)，直接立足于凋落物的C/N比值進行有關試驗，這將于推動凋落物的內(nèi)在機理研究具有重要意義.

但總體而言，大量研究表明凋落物初始C/N比值與凋落物分解速率存在顯著的線性關系[22-23].主流的研究認為凋落物的分解速率受到凋落物自身質(zhì)量的影響，將凋落物中的氮含量，以及與氮含量有關的指標，如C/N比值、木質(zhì)素/N比值作為預測凋落物分解的重要指標，其中將C/N比作為評判凋落物質(zhì)量和預測其分解速率的重要指標最為普遍[24].不同的植物凋落物存在不同的C/N比值，如豆科植物凋落物C/N比值在(15～20)∶1，而馬尾松、杉木等針葉樹種凋落物的碳氮比普遍較高，可達(60～100)∶1，所以施用外源氮后降低其C/N比值能促進其分解.有學者認為凋落物的分解存在著某一C/N比臨界，當?shù)蚵湮镒陨鞢/N比值高于這一臨界值時，凋落物需從環(huán)境中固定養(yǎng)分，分解速率較慢，而低于這一臨界值，則能夠較快分解釋放養(yǎng)分[9].氮作為蛋白質(zhì)的主要成分，構(gòu)成生命有機體的重要元素之一，短期內(nèi)的氮沉降在一定程度上緩解了生態(tài)系統(tǒng)中氮的限制作用.在氮沉降背景下，氮的有效性提高，微生物運用更少的能量獲取氮，這勢必改變凋落物的分解速率，從而作用于全球生態(tài)系統(tǒng)功能的正常運轉(zhuǎn).

2 氮沉降對凋落物分解過程酶活性的影響

凋落物的分解包括淋洗作用、機械破碎、土壤動物的消化、微生物對化合物的酶解等過程，但凋落物的徹底降解最終則是在土壤微生物酶解作用下完成的，土壤中酶活性的高低直接決定著凋落物的分解速率[8].根據(jù)凋落物底物營養(yǎng)成分的不同，凋落物分解酶可分為纖維素分解酶類、木質(zhì)素分解酶類、蛋白水解酶類和磷酸酶類，由于凋落物中的主要成分為纖維素和木質(zhì)素，因此主導凋落物分解的酶類主要為纖維素分解酶和木質(zhì)素分解酶.相當多的研究表明氮沉降的增加有利于纖維素酶活性的提升，從而促進了凋落物中纖維素的降解.Frey等[25]和洪江華[26]分別對紅懈櫟(Querusrubra)和糖槭(Acersaccharum)以及馬尾松(Pinusmassoniana)和木荷(Schimasuperba)等林分類型進行氮沉降模擬試驗，均發(fā)現(xiàn)在高氮處理下纖維素酶活性提升最為顯著.現(xiàn)有理論認為可根據(jù)凋落物分解過程中所主導分解的底物類型，將微生物類群分為3類：主導分解較易分解的可溶性物質(zhì)的機會主義微生物類群，主導分解纖維素的專性微生物類群以及主導分解惰性碳化合物如木質(zhì)素的淘金型微生物類群[27-29].外源氮的輸入能夠為專性微生物類群分解凋落物提供充足氮源去分泌纖維素酶，從而促進了凋落物的分解，尤其是對于養(yǎng)分含量較低，具有較高的碳含量和C/N比的針葉樹種凋落物[30-31].但同樣也有研究發(fā)現(xiàn)氮沉降對凋落物分解，尤以分解后期具有顯著抑制作用[32-33].在凋落物分解后期，隨著可溶性蛋白、糖類、淀粉等易降解化合物被快速分解，木質(zhì)素、酚類、角質(zhì)等抗分解的頑固化合物含量增加[34]，而主導木質(zhì)素和芳香族化合物分解的酶類主要為過氧化物酶和多酚氧化酶，研究普遍認為過量的外源氮輸入將導致過氧化物酶和多酚氧化酶活性的下降[34-35].可見由于凋落物分解所需的酶主要是由土壤微生物所產(chǎn)生的，隨著凋落物的分解，其自身有機物組成不斷發(fā)生變化，不同生態(tài)位的微生物類群對于其分解物質(zhì)有著自身的選擇，酶的催化底物的改變使得各類酶活性高低也處于不斷變化.

Frey等[25]的研究便表明，氮沉降入導致森林土壤中真菌生物數(shù)量出現(xiàn)顯著下降，這種微生物群落組成的變化同時還伴隨著白腐真菌所分泌的多酚氧化酶活性的顯著降低.可見在氮沉降背景下，若主導木質(zhì)素分解的微生物類群所受到的抑制作用大于外源氮刺激下主導分解纖維素酶的微生物類群所受到的促進作用可能是導致氮沉降對凋落分解呈中性效應或負效應的原因之一.然而，也有少數(shù)研究表明氮沉降有利于木質(zhì)素分解酶活性的提升，Waldrop等[36]和張藝等[37]分別對北溫帶地區(qū)的糖槭、紅懈櫟和遼東櫟(Quercusliaotungensis)等林分類型進行氮沉降模擬試驗后，均發(fā)現(xiàn)土壤多酚氧化酶和過氧化物酶活性有所提升，而陳倩妹等[38]對我國川西亞高山天然針葉林的研究也得出相似結(jié)論.可見氮沉降對木質(zhì)素分解酶活性的影響尚未得到廣泛適用的結(jié)論，其原因可能是不同森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分環(huán)境之間具有差異，主導凋落物分解的養(yǎng)分因子也有所不同，例如熱帶亞熱帶地區(qū)土壤風化嚴重，礦石來源的磷等必要養(yǎng)分處于耗竭狀態(tài)，該生態(tài)系統(tǒng)受碳或磷限制的程度可能大于受氮限制的程度，為此在對氮沉降背景下的凋落物分解過程中土壤酶進行研究時，應加強對不同生境和施氮量的重視.此外不同森林生態(tài)系統(tǒng)中主導凋落物分解的微生物類群可能存在一定差異，從而導致土壤酶活性對于氮沉降的響應各異，在今后的研究中對需將凋落物分解過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)組成與酶活性的變化結(jié)合研究.

3 氮沉降對凋落物分解過程微生物的影響

土壤微生物作為森林土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動的直接參與者，對土壤生態(tài)系統(tǒng)的變化較為敏感，氮沉降所導致的凋落物質(zhì)量的變化不僅影響微生物自身對于酶的合成，同時影響細菌和真菌的比例及其群落結(jié)構(gòu)的變化.因此氮沉降能夠直接或間接影響土壤微生物結(jié)構(gòu)與功能，進而影響森林凋落物的分解，通過對凋落物分解過程中主要微生物類群結(jié)構(gòu)對凋落物性質(zhì)和環(huán)境變量的響應進行測定，有利于獲得有關凋落物分解機理更為清晰的認知.凋落物的微生物分解是基于細胞水平，細菌、真菌、放線菌、藻類及原生動物等分解者共同參與對凋落物中有機物質(zhì)的酶解過程和礦化過程[39].真菌作為凋落物分解過程中非常重要的類群，不同的種群對于凋落物中碳源選擇能力有所不同.在凋落物分解前期，主要的真菌種群為交鏈孢屬(Alternaria)和短梗霉屬(Aureobasidiumpullulans)等，具有分解糖類等易分解成分.而在凋落物分解中期，則主要為將木質(zhì)素、纖維素作為主要碳源的真菌種群，如木霉屬(Trichodermaspp)和鐮刀菌屬(Fusarium)等.而當不同生態(tài)功能的真菌種群相繼完成自身使命而豐度下降后，剩余的有機物則主要是由細菌來完成.細菌在凋落物中數(shù)量最高，對于新鮮凋落葉的分解能力相比真菌較弱，但其在角質(zhì)及其他芳香族化合物的分解中發(fā)揮有重要作用.Wright等[40]研究發(fā)現(xiàn)凋落物中只定殖有真菌或細菌時，凋落物的分解速率顯著慢于真菌和細菌同時存在的凋落物的分解速率，表明真菌和細菌之間的協(xié)同作用加快了凋落物的分解.這種協(xié)同作用具體表現(xiàn)為真菌首先定著，并通過菌絲分泌胞外酶降解凋落物中的木質(zhì)素等頑固物質(zhì)、軟化殘體、改變凋落物的物理結(jié)構(gòu)和化學組成以及促進細菌的定殖等，而在凋落物中的有機養(yǎng)分的礦化過程起主要作用的可能是細菌[41].同樣，細菌以不同于真菌的作用方式改變著凋落物的物理結(jié)構(gòu)和化學組成、促進真菌的定殖和土壤動物的攝食[42-43].由于真菌和細菌的生長對生境變化的適應性不同，在不同的養(yǎng)分供應的周圍環(huán)境中會體現(xiàn)出不同的活性，但研究表明在多種森林生態(tài)系統(tǒng)中，均發(fā)現(xiàn)過量的外源氮輸入對土壤真菌數(shù)量以及細菌數(shù)量具有顯著的抑制作用[44-45].過量外源氮輸入對土壤微生物產(chǎn)生抑制作用的原因除了體現(xiàn)在氮沉降所導致的土壤環(huán)境惡化外，氮沉降所導致的森林生態(tài)系統(tǒng)中微生物可利用資源的減少可能也是重要原因之一.一方面氮沉降致使植物對于菌根真菌獲取氮的依賴性降低，從而減少了根系的生長和降低根系活性物質(zhì)的分泌[46]，另一方面過量的外源氮輸入使得木質(zhì)素與酚類物質(zhì)、纖維素等有機碳化合物產(chǎn)生聚合反應，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難以被微生物所利用的有機物質(zhì)[47].此外，氮沉降對土壤微生物的影響還體現(xiàn)在改變細菌與真菌的比值[10]，貧營養(yǎng)型微生物類群豐度減少以及富營養(yǎng)型微生物類群豐度的增加等.但一般而言，由于微生物快速的細胞分裂需要大量富氮的RNA，質(zhì)量較差的凋落物在分解初期多數(shù)具有一個氮含量上升階段，即微生物從環(huán)境中固定氮素以滿足自身分解的需求，說明氮沉降在一定程度上增加了微生物可利用的氮素，這與向低質(zhì)量凋落物中混合高質(zhì)量凋落物有利于低質(zhì)量凋落物分解是相同原因.因此研究普遍表明短期適量的氮沉降能夠提升土壤底物有效性和凋落物質(zhì)量，促進細菌或真菌等分解者的生長，從而加速了凋落物的分解.鑒于不同微生物類群對環(huán)境的耐受性和養(yǎng)分需求不一，不同研究結(jié)果中土壤微生物對氮沉降的響應有所差異，但可以肯定是由于各類微生物類群作用于凋落物的方式不同，多元化微生物群落結(jié)構(gòu)更有利于加快凋落物的分解[48].綜上，氮沉降入改變了凋落物中的營養(yǎng)平衡，對于微生物功能類群及其活性具有深刻影響，當土壤微生物的生命活動受益于氮沉降時將促進凋落物的分解，相反則會受到抑制，加強凋落物分解過程中的酶活性和微生物群落的研究，能夠更充分地認識凋落物分解的內(nèi)在微生物酶解機制.

4 總結(jié)和展望

由上述分析可見，由于外源氮輸入量、沉降時間以及林分類型的差異，國內(nèi)外學者對于森林凋落物分解過程中微生物群落組成和土壤酶活性對于氮沉降的研究結(jié)果尚有爭論，其影響機制的深入探討更顯得尤為不足.因此未來進行氮沉降背景下凋落物分解研究時需要在以下幾方面開展進一步的試驗研究與深入探索：(1)氮沉降背景下凋落物分解試驗中，對凋落物分解所在的外部環(huán)境重視不足，凋落物養(yǎng)分含量和土壤養(yǎng)分有效性常形成生態(tài)系統(tǒng)的正反饋環(huán)，難以區(qū)分二者之一，還是兩者共同作用于凋落物分解，且數(shù)據(jù)分析時多采用相關分析，但這種間接的分析手段獲得的結(jié)論有內(nèi)在的缺陷.例如亞熱帶以及熱帶地區(qū)降雨較多，生物量較大，所添加的外源氮易被沖刷流失以及被植物根系吸收利用，導致外源氮的添加并未被微生物獲取并作用于凋落物的分解，相反凋落物中易被淋溶物質(zhì)的礦化作用則在區(qū)域凋落物的分解過程中起到了主導作用.因此在設計氮沉降背景下的凋落物分解試驗時，應注重野外試驗與室內(nèi)控制試驗的結(jié)合，將兩者研究結(jié)果相互驗證.(2)目前氮沉降背景下的凋落物分解試驗時間普遍少于2 a，對于寒溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)以及某些針葉樹種凋落物而言可能尚處于分解的初期階段，此外氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)影響是一個長期的過程，而大部分試驗研究的氮沉降模擬時間較短，因此應加強森林生態(tài)系統(tǒng)長期的氮沉降定位試驗研究.(3)隨著分子生物學技術的發(fā)展，高通量測序技術、功能基因組學技術以及微陣列等技術的出現(xiàn)，能夠直接從凋落物樣本中獲取細菌和真菌基因組DNA，通過基因庫的對比獲取微生物群落結(jié)構(gòu)信息，并對其中有機碳降解以及氮磷循環(huán)等功能基因的多樣性和結(jié)構(gòu)進行研究，未來試驗中以上技術的采用可對氮沉降背景下不同生態(tài)系統(tǒng)凋落物微生物群落的作用機制進行準確刻畫，從而取得突破.