氮磷输入对湿地碳蓄积的作用

最近几十年，人类活动已经成为地球系统元素循环更重要的驱动力，引起许多环境问题，氮富集是工业革命前的两倍多，采矿导致磷进入环境是化学风化释放磷的四倍多。1950~1994年间，每年氮肥施用量从3.0×109kg增长到7.4×1010kg，磷肥施用量从2.4×109kg增长到1.3×1010kg，平均增长率分别为7%和4%[1]。全球氮沉降水平预计在未来20年内会加倍[2]。随着全球气候变暖，北半球苔原和冻土区融化也会促进氮磷营养物质释放，这都必将对生态系统碳循环产生重要影响[3]。湿地是一个非常重要的碳库，在全球碳循环中占重要地位，储藏在全球湿地泥炭中的碳总量为120~260Pg，储藏在不同类型湿地中的碳约占地球陆地碳总量的15%[4,5]。大量氮磷营养进入湿地生态系统必将对湿地生态系统各碳库产生不同的影响，进而影响碳蓄积。生态系统碳蓄积，依靠产生和分解输出之间的平衡[6]。本文从影响生态系统碳输入输出的关键过程出发，从土壤，植物，枯落物分解的角度探讨氮磷营养物质对生态系统碳蓄积的影响，并对当前湿地生态系统碳循环模型研究工作进行了综述，最后提出了当前研究中面临的问题和以后主要的发展趋势。

1土壤碳库对氮输入的响应

1.1氮输入对土壤总有机碳碳库的影响

土壤碳库是湿地生态系统碳库的重要组成部分，由于湿地特殊的水文环境，大量的碳储存在湿地土壤中。土壤有机质的分解和转化是土壤有机碳输出的基本途径，是反映土壤活性的重要特征，同时也是大气碳库和土壤碳库联系的基本过程[7]。有学者研究表明施氮短期（十年尺度）显著加速土壤轻组有机碳的分解，长期（百年尺度）将抑制重组有机碳的分解；施肥增加初级生产力，加速土壤轻组有机碳的分解，导致土壤总有机碳没有改变[2]。Mack等[6]对阿拉斯加苔原冻土带进行长期氮输入试验后发现，虽然增加营养可利用性使每年地上生物量成倍增长，但是深层土壤碳储量明显减少，在过去20年生态系统碳净损失为2000gm-2。Neff等[2]研究后认为氮输入加速了土壤中存留的与植物有关的复合物的分解，这种加速作用直接原因为施氮改变分解生物有机体的组成，间接原因可能为施氮增加土壤轻组有机碳的输入，或其它的导致植物或微生物群落组成发生变化进而影响分解速率。Mack等[6]认为营养输入加速分解有以下原因：首先，营养输入通过改变植物种类组成或组织质量而改变新鲜枯落物的可分解性，第二，改变物种组成，改变植物根枯落物的储存深度，使植物根生物量减少。营养可利用性刺激土壤原有有机碳的分解，通过矿化或淋失可溶性碳而损失。Nadelhoffer等[8]认为氮沉降对碳蓄积贡献率很小，因为大部分沉降氮被固定在土壤表层。Hagedom等[9]通过四年的森林氮输入实验发现，氮沉降刺激树木增长，增加地上枯落物来增加土壤碳输入，但是，增加氮沉降减少根生物量，使输入土壤碳减少。与之相比，许多研究表明，高氮输入通过抑制微生物酶活性和改变化学稳定性进而抑制土壤原有有机碳的分解[10,11]。BergandMatzner[12]研究认为氮输入刺激新鲜凋落物的分解，但是在稍后阶段抑制腐殖质分解。

1.2氮输入对土壤活性碳库的影响

水溶性有机碳和微生物量碳对环境变化的响应迅速，是土壤碳循环过程的敏感性评价指标。Yano等[13]研究表明溶解有机碳很容易生物降解，并很快被土壤微生物消耗，通过室内培养实验发现在氮为限制性因素的土壤中，加入无机氮会刺激易降解溶解有机碳的微生物矿化率。Abers等[14]认为DOC的变化和氮输入的增加趋势相反，增加氮肥会引起凋落物中氮的含量增加、微生物活动加强而导致DOC的减少，这主要是由于大量的活性碳要用来驱动氮的固定。宋长春等[15]通过对三江平原沼泽湿地的研究发现，氮素输入后根层土壤活性碳组分变化较大，且含量明显降低。刘德燕等[16]通过室内培养实验表明，非淹水条件下，低氮输入对土壤有机碳矿化速率影响不显著，高氮输入促进有机碳矿化，而淹水条件下，氮输入抑制土壤有机碳矿化。RochetteandGregorich[17]发现增加矿质氮后土壤呼吸没有明显变化，认为溶解有机碳没有被矿化，而是被微生物固定或作为微生物代谢物释放到土壤中，矿质氮肥可能有利于溶解有机碳和固态有机质的微生物降解，而后者能增加土壤溶解有机碳的含量，这可以解释输入无机氮对溶解有机碳没有影响或溶解有机碳含量增加的现象。关于氮输入对微生物量碳的影响，国外的研究较多,得出的结论也不尽相同。Lee[18]发现土壤微生物量碳和氮输入呈显著的负相关关系，随着氮输入量的增多微生物量反而减少，其它一些长期氮肥试验也有类似报道[19]，相反，短期的氮增加却表现出微生物量碳氮增加[20]。这些相互矛盾的结果可能与初始的微生物群体、土壤pH值、有机质以及土壤养分含量的不同有关[18]。另外，土壤微生物的分解过程还受到土壤C/N比的限制，Mack等[6]研究认为碳氮比降低将改变微生物群落从真菌向细菌为主的组成过度，导致更高的营养流动和更快的分解速率。根系也将在吸收养分和腐殖质分解中与土壤微生物发生冲突[7]。短期施氮后微生物量明显增加表明氮是土壤微生物量碳的一个限制性因子，但是长期施氮为什么会减少微生物量却没有明确的解释[19]。总的来说，长期氮输入能够改变地下土壤过程，但是具体的过程可能会因土壤条件和周围环境的改变而变化，具体的变化机理仍需进一步探讨。

1.3磷输入对土壤碳库的影响

Abers等[21]通过对苔草沼泽湿地研究发现，少量的磷输入对土壤CO2的排放没有影响。GaiserEE等[22]通过对佛罗里达湿地长达五年的研究发现土壤全磷浓度在磷输入后第二年明显增加，滞后于水生植物的磷浓度增长，表明土壤磷首先通过微生物活动被固持来满足水生植物生长，然后才开始在土壤中富集。刘德燕等[23]通过室内培养实验表明，不同土壤水分条件下土壤有机碳矿化速率和累积矿化量均随着外源磷输入量的增加而增大，外源磷输入沼泽湿地后，会通过提高土壤有机碳的矿化速率和土壤可溶性碳组分的淋失，加快土壤有机碳损失速率及土壤CO2排放，与DeBusk等[24]报道的土壤磷含量的增加使得土壤有机碳周转速率加快相一致。国内外磷输入对土壤碳库的影响研究相对较少，国外主要集中在北佛罗里达湿地WCA-2A地区[22,24]，国内在三江平原沼泽湿地进行过磷输入实验[23]，以后应加强磷输入对土壤碳库的影响研究。