姜良超, 宁秋实, 汪金松, 王晶苑, 张金鑫, 田大栓,6*

(1.中国科学院地理科学与资源研究所生态网络观测与模拟重点实验室, 北京 100101; 2.中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室, 北京 100093; 3.中国科学院大学, 北京 100049; 4.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085; 5.中国林业科学研究院生态保护与修复研究所, 北京 100091; 6.中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100049)

工业革命前，大气中氮素常通过豆科固氮植物、非共生固氮微生物和闪电活化形式被固定到土壤。随着工业革命后大量工业活动化石燃料燃烧和农业生产肥料使用，全球氮沉降量迅速增加。1960年的大气氮沉降仅约为31.6 Tg·a-1，至2005年全球大气氮沉降量已增加到187 Tg·a-1[1-2]。氮沉降在一定程度上缓解了陆地生态系统的氮限制[3]。如氮沉降在一定范围内促进植物叶片碳交换[4]。同时，氮沉降增加了全球生态系统生产力和土壤碳库[5-6]，进而促进了碳固定并减缓温室效应[2,7]。但是，高氮沉降的氮素持续在陆地生态系统中累积，一方面会导致生态系统氮饱和[8-9]，引发土壤酸化等负面效应[10]；另一方面可能加剧生态系统磷限制[11-12]。氮富集引发的直接和间接效应已经严重威胁着陆地生态系统结构和功能[6,13-15]。

氮沉降对陆地生态系统有着显著影响，过去几十年期间全球进行了数百个氮素添加控制实验，内容主要集中在氮沉降对生态系统碳氮循环过程的影响，包含对土壤碳库、土壤碳交换、微生物碳积累等碳循环影响；土壤氨化、硝化、土壤固氮等氮循环过程[6,16-17]。然而，对于单点上的模拟控制实验研究有其局限性，由于其处于单个生态系统的特殊性，无法将所得到的实验结果和规律上推到区域或全球尺度[16,18]。因此，近年来越来越多的整合分析研究(Meta-analysis)集成搜集和分析全球分散的氮添加控制实验，用来揭示全球尺度上生态系统对氮添加的响应普遍机理[15,19-20]。但是，由于不同氮添加实验之间设计和方法的差异(如氮添加量、氮素肥料类型以及布置实验年限等)给不同实验结果之间的比较和大尺度整合分析带来很大的不确定性[21-22]。因此，搜集全球氮添加控制实验并对其实验设计方法的现状进行定量分析可以为我们未来的氮添加控制实验设计提供科学依据和方法借鉴。

1 全球氮添加控制实验数据库建设

基于Web of Science、谷歌学术(scholar.google.com)和中国知网网站，搜索1900至2020年期间发表关于研究氮添加与生态系统碳氮循环各个过程之间关系的文献。英文检索关键词包括：nitrogen addition/nitrogen deposition/nitrogen enrichment/nitrogen fertilization；carbon cycle/carbon process/carbon pool/carbon flux/ecosystem carbon；nitrogen cycle/nitrogen process/nitrogen pool/nitrogen flux/ecosystem nitroen。中文检索关键词包括氮沉降/氮添加/氮富集/施氮；碳循环/碳过程/碳库/碳通量/土壤碳；氮循环/氮过程/氮库/氮通量/土壤氮。基于上述关键词，最初检索到1 590篇相关文献。基于以下标准，对上述文献进一步筛选，筛选标准如下：1)只包括陆地生态系统中的野外控制实验；2)对照和处理的实验条件相同，如气候、土壤等；3)碳氮循环过程相关指标明确地报道了均值和样本量；4)控制实验方法描述清楚，如氮添加量、肥料类型、每年添加频次、实验时间等；5)实验区域的背景环境描述明确，如生态系统类型和气候条件等。最终，经过以上标准筛选得到283篇文献，包括全球302个氮添加控制实验(图1)，建成数据库包括32个碳氮循环过程相关指标(表1)。其他基本信息包括文章作者、经纬度、气候条件(降雨和温度)、生态系统类型、实验方法(氮添加量、实验时间、肥料类型等)。生态系统类型主要包括农田、森林、草原、苔原、湿地和荒漠等。年均降雨量范围是120～5 578 mm，年均温度范围是-10.8℃～28.3℃。

图1 陆地生态系统氮添加控制实验的全球分布

表1 全球氮添加控制实验测定的碳氮循环过程相关指标

2 全球氮添加实验设计方法的现状分析和思考

2.1 不同生态系统中氮添加实验数量分布

不同生态系统之间的本底氮和氮需求有很大的差别，使得氮沉降对生态系统碳氮循环过程的影响存在差异[23]。整体来看，全球92%的氮添加实验分布在森林、草原和农田，而其他生态系统(如苔原、湿地、荒漠)进行的实验相对较少，仅占8%(图2)。有全球整合分析发现，苔原、湿地和荒漠生态系统受到氮限制的程度类似于森林、草原和农田[3]，而我们若缺乏对这些生态系统对氮富集响应机理的理解，将会影响到评估陆地生态系统对全球氮沉降的响应格局。从年均温来看，83.3%的氮添加实验分布在温度较高的区域(如大于5℃)，而在低温生态系统，特别是年均温小于0℃的区域氮添加实验还很少，仅占3.5%(图2)。前人研究普遍认为低温生态系统更容易受到氮限制[24]，因为低温环境不利于氮循环过程，如氮矿化等[25-26]。从降水分布来看，全球氮添加实验中有90.8%的实验集中在降水量较低和中等区域(小于1500 mm)，而降水量大于1 500 mm区域的氮添加实验仅占9.2%(图2)。虽然降水量大有利于氮矿化进而可以缓解土壤氮限制[17,27]，但是持续累积的氮沉降可能会导致该区域生态系统的氮饱和并加剧土壤磷限制[9,11]，进而引发土壤酸化产生负面影响[10]。因此，未来加强对苔原、湿地、荒漠、低温和高降水区域生态系统的氮添加实验研究有助于我们全面理解全球氮沉降对陆地生态系统的直接和间接影响机理。另外一个突出的问题是，目前荒漠面积大约占到陆地面积的25%，而分布于荒漠的氮添加实验只占到1.7%，因此在做全球整合分析时，荒漠实验数量的权重远小于其实际面积贡献的权重，这样就会导致氮沉降总体效应的计算偏差[28]。因此，不同生态系统类型以及气候区域氮添加实验的均衡分布将有利于上推到全球尺度的整合分析。

图2 不同生态系统和环境中氮添加实验的数量分布

2.2 不同氮添加量的实验数量分布

全球氮沉降的区域氮沉降量分布不均，各个生态系统的氮沉降速率也存在高氮沉降区和低氮沉降区的区域差异。全球2000—2010年期间大部分区域氮沉降量小于2 g·m-2·a-1[29]。在中国南方的高氮沉降区域，氮沉降量基本小于3 g·m-2·a-1[30]。内蒙古草原生态系统的一项氮添加实验发现，植物多样性对氮添加量的响应阈值低于1.75 g·m-2·a-1[13]。相关整合分析研究也表明，全球陆地生态系统净初级生产力的氮饱和阈值介于5～6 g·m-2·a-1[9]，当氮添加量大于5 g·m-2·a-1时，土壤开始发生显著酸化[10]，影响土壤微生物多样性和群落结构[31-32]。氮沉降量的高低也对生态系统碳氮过程造成不同影响，比如高氮(10 g·m-2·a-1)和低氮添加量(2 g·m-2·a-1)在北方森林对其土壤呼吸组分的影响相反[33]。低氮添加量促进植物根系和微生物呼吸，而高氮添加量显著降低微生物呼吸。上述研究共同表明生态系统对高氮添加的响应不同于低氮添加情况，甚至可能截然相反。但目前全球仅有4.4%的实验氮添加量小于2 g·m-2·a-1，大部分范围集中在5～20 g·m-2·a-1(图3)，说明目前实验的氮添加量远高于自然生态系统中真实的氮沉降量，当前全球氮添加控制实验缺乏对低剂量氮添加的关注，不能真实反映自然氮沉降对生态系统功能的影响。

图3 不同氮添加量对应的实验数量分布

2.3 不同氮素肥料类型的实验数量分布

图4 不同肥料类型对应的实验数量分布

2.4 不同氮添加频次的实验数量分布

大气氮沉降包括干沉降和湿沉降，自然情况下氮沉降是高频且少量的输入到生态系统中，并且氮沉降的频次存在区域和季节性差异[39-40]。目前氮添加实验大多数仅模拟植物生长季期间的氮添加或在每年生长季初期(5月)进行单次氮添加，其结果不能反映真实的氮沉降频率和季节性[41]。内蒙古草原的一项野外氮添加控制实验开展了不同氮添加频次的野外原位实验内容，考虑了氮添加量和添加频次这2个因素，发现低频次氮添加(每年2次)比高频次添加(每年12次)对植物多样性丢失的影响更大[42]。并且，低频次氮添加小区的新增物种数目也比高频次添加小区要少[43]。这些研究结果表明传统的低频次氮添加实验高估了氮富集对多样性丧失的影响。但目前全球实验的氮添加频次普遍比较低，79.7%的实验低于每年3次氮添加，仅有1.4%的实验超过每年6次氮添加(图5)。由于目前考虑氮添加频次的控制实验还非常少，因此氮添加频次对生态系统各个功能的影响还是个未知数。

图5 不同氮添加频次对应的实验数量分布

2.5 不同氮添加实验持续时间的实验数量分布

自然界氮沉降是一个连续长期的过程。随着氮富集时间的延长，生态系统可能存在以下机理过程导致其对长期和短期氮添加响应不同。1)植物群落组成发生变化引发的光限制，使得氮添加对内蒙古草原生态系统净碳交换的正效应随着时间的延长而消失[44]；2)长期的氮富集使得植物群落由地下资源竞争转向地上光竞争，导致内蒙古草原植物多样性对低氮添加(1.75 g·m-2·a-1)很敏感(降低16%)[45]；3)长期氮添加导致的土壤酸化和阳离子流失，抑制了氮添加对北方森林树木生长的正效应[46]；4)当氮添加超过5年以上，造成全球土壤酸化进而增加Mn2+和Al3+含量[10]，可能会对植物和微生物产生抑制和毒害作用[15,47-48]。但统计表明，全球氮添加实验的持续时间大部分小于5年，大于20年以上实验还比较少，仅占13.6%(图6)，因此，有必要实施长期氮添加实验来探讨其长期过程对生态系统影响的相对贡献或探索其他新的作用机理。

图6 不同实验持续时间对应的实验数量分布

2.6 不同氮添加水平数目的实验数量分布

自然氮沉降在生态系统中是一个持续积累的过程，可能会引发生态系统的非线性响应[8,49-51]。如最近的全球整合分析表明，陆地生态系统N2O排放与氮添加量存在指数函数关系，而非IPCC假设的线性关系[52]。内蒙古草原的一项6个氮添加水平实验发现，生态系统碳交换和水分利用效率对氮富集表现出非线性响应[49]，并且发现该生态系统植物多样性对长期氮添加的响应阈值和饱和阈值分别为0.85和17.5 g·m-2·a-1[45]。相关氮循环综述文章也提出，生物固氮、氮矿化、植物氮吸收和氮损失对土壤有效氮存在着非线性响应，定量化各个氮循环过程非线性响应之间的平衡点对解决当前全球复杂的环境问题具有重要的意义[8]。但是，我们的结果表明，全球84.9%的实验中氮添加水平数目集中在1或2个氮水平，4个及以上氮添加水平的实验仅占5.1%(图7)。基于当前全球氮添加实验较少梯度数目的现状，迫切需要设计和实施多梯度氮添加实验来揭示生态系统的非线性响应以及关键拐点，为模型准确评估氮沉降效应提供科学依据。

图7 不同实验的氮添加水平数目对应的实验数量分布

3 未来氮添加实验设计和方法的建议

基于全球302个氮添加控制实验，通过分析不同实验设计方法所对应的实验数量分布，我们定量分析了目前氮添加实验设计方法的现状，并结合前人研究进行讨论和思考，我们系统梳理了目前氮添加实验方法可能存在的问题，并针对这些问题具体提出如下建议。

1)不同陆地生态系统由于本底氮和自然氮沉降的差异，对未来氮沉降的响应以及生态系统氮需求存在差异。我们的统计结果发现全球氮添加控制实验中仅有8%的实验分布于苔原、湿地和荒漠，而对于低温或干旱等导致的氮限制强烈的地区，可能对氮沉降更加敏感。因此，为了更好地评估陆地生态系统对全球氮沉降的响应格局，未来需要增强对苔原、湿地、荒漠以及低温和高降水区域生态系统的氮添加实验研究，全面理解生态系统对氮沉降的直接和间接响应机理；并增强不同生态系统类型及区域的氮添加野外控制实验，更加精确归纳全球尺度氮沉降总体效应。

2)大部分研究表明，低氮有利于缓解生态系统氮限制，促进生态系统碳氮循环[8]。由于全球各生态系统对于高氮添加和低氮添加的响应差异[33]，例如高氮对土壤酸化、植物多样性以及磷限制等的负面效应[10]，加之我们的统计结果显示全球仅有4.4%的实验氮添加量小于2 g·m-2·a-1。当前全球各地生态系统中的氮添加控制实验的氮添加量远高于自然生态系统中真实的氮沉降量，实验大都缺乏对低氮剂量(2 g·m-2·a-1)的关注，今后的氮添加实验应更多关注设置低量(2 g·m-2·a-1)氮添加，才能够真实模拟自然氮沉降对生态系统的影响。

4)自然氮沉降大多以高频次且少量的方式输入到陆地生态系统中，同时各个生态系统因气候气温等自然差异，造成了全球各生态系统的氮需求差异[1]，但我们的统计结果表明79.7%的实验低于每年3次氮添加，仅有1.4%的实验超过每年6次氮添加。大多数氮添加实验中氮素添加为每年处理1～2次[13]，这种施肥实验不能准确反映大气氮沉降对生态系统碳氮过程的影响。在不同氮添加频次的草地氮添加控制实验中，物种组成[43]、根系生物量、地上/地下的碳分配，以及BNPP和地下生物量分配在不同氮添加频次下有显著差异[55]。为此，应考虑同时设置高频次(>2次·a-1)和低频次(≤2次·a-1)氮添加，评估传统频次和模拟自然氮沉降频次的氮添加实验是否高估或低估氮富集对生态系统的影响。

5)氮沉降是连续长期的过程，生态系统响应氮沉降的机制也不同，短期氮添加下植物群落可能由地下资源竞争限制，长期氮添加后会转变为地上光竞争[45]。但目前氮添加实验大多为2～4年，目前超过5年后的氮添加对土壤和地上植被碳氮循环过程的研究还不够深入[10]，超过20年的实验仅占13.6%。结合国外长期氮添加实验经验，进行国内长期氮添加实验布置和规划，实施更多的长期氮添加实验，才能比较生态系统对长期和短期氮添加响应机理的不同。

6)由于自然氮沉降对生态系统的影响是连续积累的效应，其对生态系统过程中的植物多样性、氮矿化、植物氮吸收和氮损失等碳氮过程造成非线性影响[8,49-51]。但我们的统计结果表明，84.9%的实验中氮添加水平数目集中在一或两个氮添加水平，缺乏多水平氮梯度实验。而氮添加相应阈值的检验至少需要5个水平以上梯度实验，才能全面检验生态系统不同过程的非线性响应以及关键性拐点，完善模型评估全球氮沉降效应以及对生态系统造成的影响。