黑龙江大学现代农业与生态环境学院，黑龙江 哈尔滨

收稿日期：2021年4月4日；录用日期：2021年5月6日；发布日期：2021年5月18日

摘要

氮素是生态系统中的限制因子，近年来，人类生产生活方式的改变导致大气氮沉降急剧增加，对生态系统的结构和功能产生一定的影响。因此研究大气氮沉降对生态系统的影响已经成为一个具有全球意义的话题。植物和土壤δ¹⁵N被认为是研究氮循环的理想工具，能够很好的反应氮循环对氮沉降的响应。本文从¹⁵N自然丰度法的原理、研究进展、影响因子等几方面进行了总结说明，旨在为以后的研究提供理论基础。

关键词

氮沉降，¹⁵N自然丰度，森林生态系统，氮循环

Application of Nitrogen Stable Isotope Natural Abundance Method to Nitrogen Cycle in Forest Ecosystem

Zhiwei Yin, Qinggui Wang^*

College of Modern Agriculture and Ecological Environment, Heilongjiang University, Harbin Heilongjiang

Received: Apr. 4^th, 2021; accepted: May 6^th, 2021; published: May 18^th, 2021

ABSTRACT

Nitrogen is a limiting factor in the ecosystem. In recent years, changes in human production and lifestyle have led to a sharp increase in atmospheric nitrogen deposition, which has a certain impact on the structure and function of the ecosystem. Therefore, studying the impact of atmospheric nitrogen deposition on ecosystems has become a topic of global significance. Plant and soil δ¹⁵N is considered to be an ideal tool for the study of nitrogen cycle, which can well reflect the response of nitrogen cycle to nitrogen deposition. Therefore, this article summarizes the principles, research progress, and influence factors of the ¹⁵N natural abundance method in order to provide a theoretical basis for future research.

Keywords:Nitrogen Deposition, ¹⁵N Natural Abundance, Impact Factor

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

氮(N)作为生态系统中的限制因子对树木生长有重要的影响 [1]，通过生物固氮和有机质的周转等，N可以缓慢的被植物利用 [2] [3]，维持生态系统的正常结构和功能。这一点在北方森林中尤为明显，已有研究证明N的增加显著增加了北方森林生态系统的初级生产力和碳的吸收 [4]。近年来，人为排放含N化合物导致的大气N沉降速率逐渐增加，对生态系统N循环产生影响，甚至影响到生态系统的结构和功能。因此研究大气N沉降对森林生态系统的影响已经成为一个具有全球意义的话题 [5]。

植物和土壤的¹⁵N自然丰度是许多生物地球化学过程的净结果 [6]，有可能揭示N循环的空间和时间模式以及N循环是如何被扰动改变的 [7]，可以提供N循环的综合信息 [8]，因此被认为是研究N动态的有力工具，被广泛的应用于生态系统氮循环的研究中 [9]。之前的一些研究已经证明了植物和土壤δ¹⁵N与大气N沉降、N保留能力、气态N损失、N的可利用性以及菌根类型之间的关系 [8] [10] [11] [12]

为此本文将重点介绍近年¹⁵N自然丰度法技术在研究N沉降对生态系统N循环影响的应用与研究进展。

2. ¹⁵N自然丰度法的原理

自然状态下，N存在¹⁴N和¹⁵N两种同位素，¹⁵N自然丰度(δ¹⁵N)技术法主要是利用N循环过程中的同位素分馏作用。在N循环的过程中(氮的固定、转化和输出) [13]，存在着不同程度的同位素分馏效应，导致反应产物和底物之间出现不同的同位素比值(¹⁴N/¹⁵N或δ¹⁵N)，例如在植物通过菌根吸收N的过程中，菌根会发生分馏效应，致使植物吸收较轻的¹⁴N，而较重的¹⁵N则储存在土壤的剩余N库中，导致土壤δ¹⁵N增加。N沉降的增加会改变或促进N循环过程，这些过程伴随着同位素分馏，一般情况下土壤矿化、硝化作用会使得底物δ¹⁵N升高(¹⁵N富集)。在土壤N淋失过程中，通常¹⁵N贫化的 ${\text{NO}}_3^{-}$ 淋失，而¹⁵N富集的 ${\text{NO}}_3^{-}$ 保留在生态系统中 [14]。N添加通过对氮循环的影响间接改变了植物和土壤δ¹⁵N的组成，因此植物和土壤δ¹⁵N作为表征生态系统N循环的理想工作，被越来越多应用到生态系统N循环的研究中 [15]。

3. ¹⁵N自然丰度研究进展

在一段时间内，国内N稳定同位素技术的应用只局限于农业生态系统中的N循环研究中，且更多地是应用同位素示踪技术。伴随着森林生态系统N沉降日渐严重，研究N沉降给森林生态系统带来的影响也是十分必要的。之前的研究方法中存在着各种局限性，例如之前应用较多的野外模拟N沉降法，其优点在于可以人为控制施N的时间和梯度，但是其缺点在于试验周期较长尤其是在N限制的生态系统中。N沉降梯度法虽然克服了施N时间长、不能很好的模拟自然变化的特点，但是由于生态系统受多种因素(土地利用历史、植物组成)的影响，限制了系统间的可比性，使得研究结果缺乏说服力 [16]，而¹⁵N自然丰度法被认为是自然且适用于大面积区域的对比研究且不受时间空间的限制，取样测样简单，因此被越来越多的应用到研究N沉降对森林生态系统N循环的影响研究中 [17]。

3.1. δ¹⁵N用于指示植物的氮源

研究证明，影响植物δ¹⁵N的主要因素包括N来源和土壤N的利用形式 [18]，生长在N沉降严重地区的植物δ¹⁵N要比其他地区低很多，例如主要使用¹⁵N富集土壤N的植物比使用大气沉积N的植物具有更高的δ¹⁵N，这可能是因为植物直接通过叶片、毛孔、细根吸收了沉降的N [9]，化石燃料燃烧排放的是¹⁵N贫化的 ${\text{NO}}_3^{-}$ -N，同时 ${\text{NH}}_4^{+}$ 挥发过程是一个高度分馏的过程并产生¹⁵N贫化的 ${\text{NH}}_4^{+}$ -N [19]，因此吸收沉降的N会降低植物δ¹⁵N [20]。Gunderson等为了评估N沉降下不同植物种间δ¹⁵N自然丰度的差异，作出以下假设：由于不同物种间N获取机制的差异，包括植物利用N的主要来源和形态，在环境和年代施N条件下，叶片δ¹⁵N在物种间存在显著差异。结果表明观察到的叶片δ¹⁵N的物种差异归因于N获取的差异，主要是因为不同植物物种间使用N的主要来源和形式不同造成的 [21]。例如在沿海地区的城乡地带，植物叶片δ¹⁵N是贫化的，因为在富N条件下， ${\text{NO}}_3^{-}$ -N是可供植物利用的有效N的主要形式，且作为硝化作用的产物， ${\text{NO}}_3^{-}$ -N相对于 ${\text{NH}}_4^{+}$ -N和DON贫化δ¹⁵N [7] [22]，如果植物使用DON和 ${\text{NH}}_4^{+}$ -N作为N源，那么植物可能更富集δ¹⁵N。

3.2. 植物和土壤δ¹⁵N的变化对生态系统中N状态变化的指示作用

N状态是一个相对性的概念，是指N供应与N需求之间的关系 [23]。当一个生态系统处于N限制状态时，植物几乎吸收了所有可利用的N，此时植物δ¹⁵N与土壤δ¹⁵N相似 [24]。当外源N输入超过生物的需求量时，土壤N淋失或气态N损失增加，导致植物和土壤δ¹⁵N增加 [25]，因此随着N有效性的增加，植物和土壤δ¹⁵N是增加的。同时，许多研究证实生态系统越接近N饱和，植物和土壤的δ¹⁵N值会越高 [10]， [26] 通过调查研究发现，植物叶片含N量和δ¹⁵N在N饱和地区显著高于N限制地区。植物和土壤的δ¹⁵N作为N循环过程综合作用的结果，可以用做生态系统N状态及其N饱和的有力指标 [27]。

3.3. δ¹⁵N对生态系统氮转化速率的指示作用

森林生态系统中的N循环主要包括生态系统内部的N循环以及与周围生态环境之间的相互作用两部分。N在土壤中的转化十分复杂，矿化、硝化、反硝化、淋失等过程受土壤养分状况的调控 [28]，外部N的输入对N转化过程产生影响，进而影响植物和土壤的δ¹⁵N。已有研究表明，植物或土壤的δ¹⁵N能够对森林生态系统N矿化和N硝化速率起到一定程度的指示作用，植物叶片δ¹⁵N与土壤净N矿化、硝化成正相关关系 [29]，Templer等(2007)等为了研究植物和土壤δ¹⁵N对矿化和硝化速率的指示潜力，分别研究了四种林分的植物叶片、细根、凋落物和有机土壤的δ¹⁵N，结果表明细根和土壤较高的δ¹⁵N与林分内较高的矿化和硝化速率呈显著正相关，这说明植物细根和土壤δ¹⁵N可以作为指示土壤N矿化和硝化速率的指标 [30]，Watmough等发现叶片δ¹⁵N随硝态N的淋失而增加 [31]。然而 [32] 等研究表明叶片δ¹⁵N与土壤净N矿化呈负相关，这是因为植物δ¹⁵N可能受土壤无机N来源以及土壤中 ${\text{NH}}_4^{+}/{\text{NO}}_3^{-}$ 的控制。

3.4. 环境因子对δ¹⁵N的影响

3.4.1. 温度

在全球范围内，生态系统中植物和土壤δ¹⁵N与土壤特性和气候之间存在显著的关系。生态系统N循环受温度影响，温度通过影响土壤微生物活性以及植物体内相关酶的活性影响N转化过程 [24]，进而通过N转化过程中的同位素分馏作用影响植物和土壤的δ¹⁵N。Martinelli等研究了多个国家内的热带森林和温带森林植物δ¹⁵N，通过对比发现热带森林的植物δ¹⁵N高于温带森林植物δ¹⁵N [33]。从全球来看，植物和土壤δ¹⁵N与年平均气温正相关，表明气候对N素循环有直接影响 [34]。

3.4.2. 降水

降水作为影响生物地球化学循环的重要因素，在土壤N库调控中发挥的作用较大 [35]，因此降水对植物和土壤的δ¹⁵N存在一定的影响。之前的学者已经对植物和土壤δ¹⁵N与降水的关系进行了大量的研究，结果表明植物和土壤δ¹⁵N与降水之间存在着显著的负相关，尽管降水与叶片δ¹⁵N之间没有明显的断点，但是平均而言，降水每增加一个数量级，δ¹⁵N就降低2.6‰， [29]，Austin等调查了澳大利亚地区植物δ¹⁵N与降水量的数据，发现植物δ¹⁵N随着降水量的增加而减少，二者存在显著的负相关关系(P < 0.0001, R = −0.64)，降雨量每增加1000 mm，植物δ¹⁵N便降低3.5‰ [36]。但是Yang等在调查研究青藏高原地区的高寒草原生态系统时却发现土壤δ¹⁵N与降雨量之间并不存在显著关系 [37]。

3.4.3. 海拔

海拔是生态系统N循环的影响因子之一，海拔对N循环的影响是温度、湿度、光照以及土壤环境等多因素共同作用的结果 [37]。目前，已有很多关于植物和土壤δ¹⁵N与海拔之间关系的研究，但是二者之间并不存在一定的规律性 [38] [39] [40]。Liu等发现中国西南部山区1200 m到4500 m之间的植物和土壤δ¹⁵N随海拔的增加逐渐偏负，并认为植物和土壤δ¹⁵N在高海拔地区偏负是因为高海拔地区寒冷湿润的环境导致N矿化和硝化速率较低造成的 [38]。Sah在调查了松针和土壤δ¹⁵N与海拔之间的关系后，同样发现随着海拔的增加，松针和土壤的δ¹⁵N呈现偏负的趋势 [41]。Liu等调查了北京东灵山地区植物叶片随海拔之间的关系发现：植物叶片δ¹⁵N随海拔变化之间的关系有正相关、负相关和不相关三种情况，在低海拔地区，降水是影响植物δ¹⁵N的关键因素，而在高海拔地区，温度是影响植物δ¹⁵N的关键因素 [39]。但也有学者通过对青藏高原地区的植物和土壤δ¹⁵N调查研究后发现二者之间也存在负相关关系，研究者认为除了降水和温度对植物和土壤δ¹⁵N的影响外，其他因子例如土壤特性、大气气体浓度、菌根类型等都可能起到了一定程度的影响，但需要在进一步的研究中证明 [40]。

3.4.4. 其他因素

在一些区域内，气候因子对土壤δ¹⁵N的影响是有限的，土壤特性是决定土壤δ¹⁵N的主要因子 [42]，在之前的研究中已经证明土壤δ¹⁵N实际上随着土壤深度的增加而增加，这是因为土壤有机质的组成和周转率发生了变化 [43]。土壤C/N对土壤δ¹⁵N的影响是存在的，较高的土壤C/N通常代表着较低的可利用N以及较高的N保留率，伴随着较少的N淋失(土壤δ¹⁵N高) [44]。土壤pH对 ${\text{NH}}_4^{+}$ 挥发过程有重要的影响，因此可能影响植物和土壤的δ¹⁵N [40]。土壤质地对植物和土壤δ¹⁵N产生影响，在青藏高原地区，植物δ¹⁵N与土壤粘粒含量和粉粒含量呈负相关，而土壤δ¹⁵N则呈现正相关趋势 [37]。

与此同时，不同菌根类型对土壤中¹⁵N的富集存在不同程度的影响，因为在吸收N过程中，菌根向寄主植物输送¹⁵N贫化的N [45]。在菌根群中，外生菌根植物中的叶片δ¹⁵N比丛枝菌根植物中的叶片δ¹⁵N更少，这是因为在真菌到植物的N转移过程中，外生菌根植物中的分馏更强 [29] [46]。菌根真菌的存在被证明是芬兰森林生态系统中沿样带从南到北叶片δ¹⁵N富集最重要的原因之一，与非菌根植物相比，受菌根真菌感染的植物叶片中δ¹⁵N减少了近6%~7% [29]。

叶片δ¹⁵N会因为树种的不同而存在很大差异，一些研究报告称：针叶树的δ¹⁵N往往低于阔叶树种δ¹⁵N [47]，同时生态系统N状态对叶片δ¹⁵N也才存在影响，在N限制的系统中叶片δ¹⁵N的变化范围比在富氮条件下大 [48]。植物器官(叶、枝、茎和根)之间往往存在差异，这是由于N同化模式和N的再分配导致了植物δ¹⁵N的变异 [49] [50]，时间尺度上，有研究证明随着森林年龄的增长，它们变得富含N，而生态系统应该随着N流失而富含¹⁵N [51]。

4. 展望

由于N循环的物理、生化过程中均伴随着不同程度的同位素分馏，导致生态系统中的不同N化合物具有不同的N同位素组成(δ¹⁵N)，因此N稳定同位素技术被认为是研究N循环的有效手段。尽管已经有大量的相关研究，但是许多不确定性还存在于前人研究的结果和结论中。所以在接下来的研究中，在全球变化的背景下，深入了解N循环各过程中发生的同位素分馏会加深我们对N循环的理解，同时对于评估N沉降对生态系统的影响也具有深远意义。

文章引用

尹志伟,王庆贵. 氮稳定同位素自然丰度法在森林生态系统氮循环中的应用
Application of Nitrogen Stable Isotope Natural Abundance Method to Nitrogen Cycle in Forest Ecosystem[J]. 可持续发展, 2021, 11(03): 332-338. https://doi.org/10.12677/SD.2021.113041

参考文献