氮沉降和农业施氮增加正在深刻改变全球土壤碳循环过程。然而,氮输入究竟能否促进土壤有机碳(SOC)积累,以及这种影响是否受到气候条件调控,目前仍存在较大争议。尤其是在干旱地区和湿润地区,由于水分条件、植物生长和微生物过程存在显著差异,氮输入可能通过完全不同的机制影响土壤碳库。近日,发表于 Global Change Biology 的一项研究基于全球60项长期实验、881组配对观测数据,系统评估了氮输入对不同气候区土壤有机碳组分变化的影响,揭示了干旱与湿润生态系统中截然不同的固碳机制。
研究将土壤有机碳划分为活性较高、易受环境影响的轻组有机碳(light fraction organic carbon, LFOC)和稳定性更强的重组有机碳(heavy fraction organic carbon, HFOC),重点分析氮输入对不同碳库的影响。结果发现,在全球尺度上,氮输入总体提高了SOC、LFOC和HFOC含量,分别增加6.4%、14%和5.7%。但进一步区分气候区域后发现,干旱和湿润地区表现出完全不同的响应模式。
在干旱生态系统中,氮输入主要促进轻组有机碳积累,而不会显著改变总有机碳和稳定碳库。研究发现,氮输入使干旱地区LFOC增加约25%,其原因主要包括氮缓解植物氮限制和水分限制,提高植物生物量和碳输入;同时,干旱环境下微生物分解受到限制,使新增有机质更容易积累。因此,干旱地区的固碳提升主要表现为“植物输入增加和碳周转减缓”驱动的活性碳库积累。
相比之下,在湿润生态系统中,氮输入促进的是更加稳定的碳库形成。研究显示,湿润地区氮输入使SOC增加约9.5%,HFOC增加约10%,而LFOC没有明显变化。这表明湿润环境下氮输入并不是简单增加有机质输入,而是通过促进植物残体和微生物残体形成、增强微生物碳利用效率、促进轻组碳向稳定重组碳转化,以及加强矿物保护作用,实现长期碳固持。
研究进一步发现,氮输入效应受到施氮量、持续时间和土层深度的共同调控。在湿润地区,SOC和HFOC增加主要发生在持续施氮超过5年、施氮量为50–100 kg N ha⁻¹ yr⁻¹的条件下,并主要集中在30 cm以上表层土壤;而干旱地区LFOC增加则更多出现在中高氮输入水平和长期施氮条件下。
该研究揭示了一个重要认识:氮输入对土壤碳循环的影响并不存在统一规律,而是受到气候水分条件的强烈控制。干旱地区更容易形成轻组有机碳积累,而湿润地区则更有利于稳定重组有机碳形成。这意味着未来评估全球氮沉降和农业施氮对碳汇的影响时,必须考虑区域气候背景和土壤碳库组成差异,不能简单认为“增加氮输入一定促进土壤固碳”。