大氣CO2濃度升高對土壤供氮能力的影響研究

李佳燕

呼和浩特市氣象局，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000

目前，已有許多研究探究了大氣CO2濃度升高對土壤供氮能力的影響。但是，目前對于不同生態(tài)系統(tǒng)下，大氣CO2濃度升高對土壤供氮能力影響的研究結(jié)果仍然存在著較大的不一致性。因此，有必要開展更深入的研究，以揭示大氣CO2濃度升高對土壤供氮能力的影響機制，為制定科學的土壤生態(tài)系統(tǒng)管理策略提供理論基礎(chǔ)[1-6]。

1 CO2濃度升高對土壤供氮能力的影響

1.1 CO2濃度升高對植物生長的影響

CO2是大氣中的重要氣體，其濃度隨著人類活動的增加而逐漸升高。由于植物的光合作用需要CO2的參與，因此大氣CO2濃度升高可能對植物的生長產(chǎn)生重要影響。已有研究表明，CO2濃度升高可以促進植物的生長和產(chǎn)量，但是針對不同植物和不同環(huán)境條件下，其影響可能存在差異。因此，深入研究CO2濃度升高對植物生長的影響，有助于更好地理解氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1.2 CO2濃度升高對土壤微生物群落的影響

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，對土壤養(yǎng)分循環(huán)、有機物質(zhì)分解、植物生長等具有重要作用。CO2濃度升高會對土壤微生物群落的組成和功能產(chǎn)生影響。

一方面，CO2濃度升高會促進植物生長，從而增加根系分泌物和凋落物的輸入，進而改變土壤微生物群落的組成和數(shù)量。研究表明，CO2濃度升高會增加土壤細菌和放線菌數(shù)量，但會減少真菌數(shù)量。這是因為細菌和放線菌能夠利用更多的根系分泌物和凋落物，而真菌對這些物質(zhì)的利用能力較弱。

另一方面，CO2濃度升高會改變土壤微生物的功能。CO2濃度升高會增加土壤微生物對氮素和磷素的需求量，進而影響土壤中氮素和磷素的循環(huán)。CO2濃度升高還會影響土壤微生物對有機物質(zhì)的分解速率和效率，從而影響土壤有機質(zhì)的積累和分解速率[7-10]。

1.3 CO2濃度升高對土壤氮素轉(zhuǎn)化過程的影響

大氣中，CO2濃度的升高不僅會影響植物生長，還可能影響土壤氮素循環(huán)過程。氮是植物生長所必需的營養(yǎng)元素之一，而土壤中的氮素循環(huán)和轉(zhuǎn)化是維持土壤肥力的關(guān)鍵過程之一。因此，探究CO2濃度升高對土壤氮素轉(zhuǎn)化過程的影響具有重要的科學意義和實際應(yīng)用價值。

一方面，CO2濃度升高可能促進土壤有機質(zhì)的分解，提高氮素礦化速率，從而增加土壤中的無機氮含量。

另一方面，CO2濃度升高可能影響土壤微生物的代謝活動，從而影響硝化和反硝化作用的速率。具體而言，CO2濃度升高可能抑制硝化菌和反硝化菌的代謝活動，減緩硝化和反硝化過程，降低土壤中的硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮含量。CO2濃度升高還可能影響土壤中的固氮菌的代謝活動，從而影響固氮作用的速率。

2 CO2濃度升高對土壤氮循環(huán)的影響

2.1 CO2濃度升高對土壤氮素庫的影響

CO2濃度升高可以促進植物光合作用和生長，增強植物對土壤中氮素的吸收和利用，進而降低土壤中的氮素含量。CO2濃度升高會改變土壤微生物的生態(tài)系統(tǒng)和群落結(jié)構(gòu)，尤其是針對一些用氮素作為能源的微生物，其活動可能會受到影響，導致氮素循環(huán)過程發(fā)生改變。CO2的溶解會形成碳酸，導致土壤pH值下降。土壤酸化可能會抑制一些氮素轉(zhuǎn)化的過程，如硝化和硝酸還原。CO2濃度升高可能會影響土壤中氮素的吸附和釋放過程，從而影響氮素在土壤中的存儲量和組成[11]。

2.2 CO2濃度升高對土壤氨氧化菌和硝化菌群落結(jié)構(gòu)的影響

隨著人類活動的增加，受森林砍伐等自然因素的影響，大氣中CO2濃度持續(xù)升高，對土壤微生物群落的生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)造成了影響。其中，土壤氨氧化菌和硝化菌群落結(jié)構(gòu)的變化，對土壤氮素轉(zhuǎn)化過程和氮素的有效性產(chǎn)生重要影響。

一方面，CO2濃度升高可能會對土壤氨氧化菌和硝化菌群落的物種組成和數(shù)量產(chǎn)生影響。相關(guān)研究表明，CO2濃度升高可以導致土壤氨氧化菌的豐度上升，而硝化菌的豐度則有所下降，從而導致硝化作用受到抑制[12]。

另一方面，CO2濃度升高可能會對土壤微生物群落的物種多樣性和功能多樣性產(chǎn)生影響，從而影響氮素轉(zhuǎn)化過程和土壤氮素庫的變化。CO2濃度升高可能會加速土壤氮素轉(zhuǎn)化過程和氮素積累。CO2濃度升高還可以加速土壤中的硝化作用，從而增加土壤中的硝酸鹽含量，同時影響土壤氨化作用的速率和土壤中氨基酸的含量。CO2濃度升高還可能改變土壤中微生物的群落結(jié)構(gòu)，從而影響土壤中有機氮和無機氮的相互轉(zhuǎn)化過程，最終影響土壤氮素庫的大小和氮素的有效性。

2.3 CO2濃度升高對土壤氮素礦化速率的影響

CO2濃度升高會增加植物的光合作用和碳輸入量，促進土壤微生物的生長和活動，從而加快土壤有機質(zhì)的分解速度。土壤有機質(zhì)的分解是土壤氮素礦化的關(guān)鍵過程之一，因此，CO2濃度升高可以提高土壤氮素礦化速率。

2.1 臨床療效 改良組的總有效率（97.6%）高于傳統(tǒng)組（85.7%），差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。見表1。

一方面，CO2濃度升高會導致土壤pH值下降，可能對土壤中氮素礦化的微生物代謝造成負面影響。例如：土壤硝化菌的活動需要一定的酸度，而CO2濃度升高可能會降低土壤pH值，抑制硝化菌的活動[13]。

另一方面，CO2濃度升高會提高土壤微生物代謝的速率，提高土壤氮素礦化速率。CO2濃度升高可能會導致土壤中某些微生物群落數(shù)量的增加，如厭氧氨氧化菌，從而促進氮素的礦化。CO2濃度升高會影響土壤微生物群落的組成和代謝，從而影響土壤氮素轉(zhuǎn)化和礦化速率，尤其是在氮素供應(yīng)充足的情況下。但是也有研究發(fā)現(xiàn)，CO2濃度升高會抑制土壤氮素礦化速率，尤其是在氮素限制的情況下。不同類型的土壤和不同的植被類型對CO2濃度升高的響應(yīng)也可能不同。因此，需要進行更深入的研究，了解CO2濃度升高對土壤氮素礦化速率的影響機制，為應(yīng)對全球氣候變化提供科學依據(jù)[14]。

3 影響土壤氮素循環(huán)的其他因素

3.1 土壤溫度

除了受CO2濃度的影響，土壤溫度也是影響土壤氮素轉(zhuǎn)化和微生物群落的重要因素之一。隨著氣候變暖，土壤溫度的升高會對土壤中的微生物群落和氮素轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生影響。研究表明，高溫會減少土壤中硝化細菌群落數(shù)量，增加氨氧化細菌數(shù)量。這意味著在高溫條件下，土壤中的氨氧化菌活性會增強，而硝化菌活性則會減弱，從而導致土壤中的氮素在短期內(nèi)無法完全轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，從而降低土壤的供氮能力。

高溫還可能導致土壤中微生物群落的種類和數(shù)量發(fā)生變化。研究表明，高溫條件下，土壤中氮固氮菌、有機質(zhì)分解菌等微生物的數(shù)量會減少，而抗旱菌、耐熱菌等數(shù)量則會增加。這可能會影響土壤中的氮循環(huán)和植物的營養(yǎng)吸收，從而影響植物的生長和發(fā)育。

3.2 土壤濕度

土壤濕度是影響土壤氮素轉(zhuǎn)化和微生物代謝的重要因素之一。CO2濃度升高會影響土壤濕度的變化，從而影響土壤氮素轉(zhuǎn)化和微生物群落結(jié)構(gòu)。CO2濃度升高會提高植物的水分利用效率，從而減弱水分的蒸散作用，增加土壤的水分含量[15]。

CO2濃度升高會影響土壤溫度，降低土壤蒸發(fā)的速率，進一步增加土壤的水分含量。土壤濕度的增加會促進氮素的礦化和硝化作用。在較高的土壤濕度下，氧氣分子在土壤孔隙中被大量替換為水分子，使得土壤微生物代謝活動受到限制，因此硝化作用速率較低。但是，硝化作用的速率會隨著土壤濕度的升高而增加。

土壤濕度的增加會影響土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu)。土壤濕度的升高可以促進一些親水性細菌的生長，從而增強土壤微生物群落的多樣性和穩(wěn)定性。

3.3 土壤pH值的影響

CO2在水中溶解后形成碳酸，進而與土壤中的堿性離子發(fā)生反應(yīng)，降低土壤pH值。CO2濃度升高可以加快有機質(zhì)的分解速率，釋放更多的H+離子，從而降低土壤pH值。土壤中的硝化作用會產(chǎn)生H+離子，進而降低土壤pH值。而CO2濃度升高會促進植物的生長，增加植物的氮吸收和利用，減少土壤中的氮素，導致硝化作用減弱，從而減少H+離子的釋放，降低土壤酸化程度[16]。

4 大氣CO2濃度升高背景下土壤供氮能力的提升策略

4.1 增施有機肥

增施有機肥是提高土壤肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量的重要措施之一。有機肥包括畜禽糞便、堆肥、腐熟的植物秸稈、綠肥等，它們能夠改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力和水分保持能力。同時，可以促進土壤中微生物的生長和繁殖，提高土壤中的有機質(zhì)含量。有機肥的施用可以增加土壤中的有機質(zhì)含量，從而提高土壤養(yǎng)分水平，促進氮素的礦化和供應(yīng)。

有機肥中含有大量的有機物質(zhì)和營養(yǎng)元素，這些有機物質(zhì)可以通過微生物的分解作用逐步釋放出來，轉(zhuǎn)化為可供植物吸收利用的無機鹽形式，如氮、磷、鉀等。與化肥相比，有機肥的養(yǎng)分釋放速度較慢，作用時間較長，可以提供持續(xù)的養(yǎng)分供應(yīng)，減輕化肥施用對環(huán)境的影響，同時可以降低生產(chǎn)成本。

有機肥的施用可以促進土壤中氮素的礦化和供應(yīng)。土壤中的氮素主要以有機氮的形式存在，通過有機肥的施用，可以提高土壤中有機氮的含量，從而促進微生物對有機氮的分解和礦化，釋放出更多的無機氮元素，供給植物生長需要。

有機肥還含有豐富的微生物群落，這些微生物可以參與氮素的循環(huán)和轉(zhuǎn)化過程，增強土壤氮素供應(yīng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。通過適當調(diào)節(jié)土壤pH值，使其處于適宜植物生長和微生物活動的范圍內(nèi)，有利于提高土壤氮素轉(zhuǎn)化和供應(yīng)能力。

4.2 調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)

調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)是適應(yīng)氣候變化、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和環(huán)境保護的重要措施之一。選擇對CO2響應(yīng)較強的作物種植，可以利用CO2的刺激效應(yīng)促進植物生長，同時增強作物吸收和利用氮素的能力，進而提高土壤氮素轉(zhuǎn)化和供應(yīng)能力。

CO2是植物進行光合作用的重要原料之一，植物在光合作用過程中將CO2和光能轉(zhuǎn)化為有機物質(zhì)和氧氣。CO2的濃度升高，可以加快光合作用速率，提高效率，促進植物的生長和發(fā)育。小麥、水稻等作物對CO2的響應(yīng)較強，CO2濃度升高對它們的生長和產(chǎn)量有顯著的促進作用。

CO2濃度升高還可以增強作物吸收和利用氮素的能力。氮素是植物生長發(fā)育的重要營養(yǎng)元素，氮素的充足供應(yīng)對提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)非常關(guān)鍵。通過提高作物對氮素的吸收和利用能力，可以增強土壤氮素轉(zhuǎn)化和供應(yīng)能力，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，選擇對CO2響應(yīng)較強的作物種植，可以利用CO2的刺激效應(yīng)促進植物生長，增強作物吸收和利用氮素的能力，提高土壤氮素轉(zhuǎn)化和供應(yīng)能力，從而適應(yīng)氣候變化，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和環(huán)境保護水平。此外，還需要合理施肥、科學管理，保持土壤肥力、維護生態(tài)平衡。在中國南方地區(qū)的稻田中，水稻是一種對CO2響應(yīng)較強的作物。研究表明，將CO2濃度從當前的400 mg/kg增至550 mg/kg，可以使水稻產(chǎn)量上升約13%。這是因為CO2的增加促進了水稻的光合作用和碳水化合物積累，同時增強了水稻吸收和利用氮素的能力，從而提高了水稻的養(yǎng)分利用效率和產(chǎn)量。

5 結(jié)束語

CO2是大氣中的一種重要溫室氣體，其濃度隨著工業(yè)和人類活動的增加而逐年升高。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對維持生態(tài)系統(tǒng)的健康和功能發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。其中，土壤供氮能力是土壤養(yǎng)分循環(huán)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，對維持土壤健康和植物生長至關(guān)重要。然而，大氣中CO2濃度升高可能會對土壤供氮能力產(chǎn)生不利影響，嚴重影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康和功能。因此，研究大氣CO2濃度的升高對土壤供氮能力的影響，對深入了解大氣CO2濃度升高對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要意義。