氮肥施用加速了早期分解过程，但抑制了后期分解过程：一项在达乌里落叶松人工林中进行的十年实验

《Geoderma》：Nitrogen fertilization accelerated early-stage decomposition but suppressed late-stage decomposition: a ten-year experiment in a Dahurian larch plantation

长期氮肥处理对落叶松凋落物分解的影响表明，氮肥加速早期分解（通过提高纤维素酶活性）但抑制后期分解（通过降低木质素酶活性），导致不可分解有机质积累。渐近模型最佳拟合分解轨迹，揭示氮输入对碳循环的阶段性作用机制。

　　理解植物落叶分解的过程对于预测全球变化背景下的碳循环至关重要。尽管氮沉降已被广泛研究，但大多数研究集中在短期效应上，对长期动态的理解仍然不足。本研究通过一项为期十年的实验，探讨了氮肥处理对落叶分解的影响。我们使用单指数、双指数和渐近模型对分解速率进行建模，以捕捉时间上的动态变化。同时，我们测量了胞外酶活性（如β-1,4-葡萄糖苷酶、纤维素酶、木质素酶等）以及初始落叶的化学特性（如氮、磷、钙、镁、锰、非结构性碳水化合物、半纤维素、纤维素和木质素含量），以识别潜在的机制。研究发现，氮肥处理在分解的早期阶段加速了分解过程，但抑制了后期木质素降解酶的活性，导致难分解有机质的积累。在所有模型中，渐近模型最能准确描述分解轨迹，突显了缓慢分解组分在长期碳储存中的重要性。这些结果表明，氮肥处理通过阶段依赖的微生物机制改变了分解轨迹，对森林生态系统中的碳周转具有重要意义。将氮和营养相互作用纳入分解模型中，可能有助于在变化的环境条件下更准确地预测碳循环。

研究的背景在于人类活动和化石燃料燃烧导致了氮沉降的增加，这对陆地生态系统中的碳循环产生了显著影响。氮沉降不仅影响植物生长，还对落叶分解和微生物群落组成产生作用，进而影响碳循环过程。森林落叶分解在土壤有机质形成、养分矿化和维持陆地生态系统碳平衡中发挥着关键作用。此外，氮输入对分解的不同阶段可能产生相反的影响，这表明有必要深入了解氮如何影响这些阶段，以全面评估其对生态系统碳和氮循环的影响。

为了更准确地描述分解过程的时间变化，研究者们提出了多种模型，包括单指数、双指数和渐近模型。这些模型考虑了不同的分解组分，每个组分具有不同的分解速率。渐近模型被认为是最适合长期分解过程的模型，因为它能够更好地捕捉分解速率随时间逐渐趋近于零的特征。此外，模型的拟合效果通过修正后的赤池信息准则（AICc）进行评估，结果显示渐近模型在控制组和氮肥处理组中均提供了最佳拟合效果。

本研究的实验地点位于东北林业大学的老爷岭实验站，该地区具有大陆性季风气候，年降水量为720毫米，主要集中在7月和8月。年蒸发量为1093.9毫米，平均年相对湿度为70%。年平均温度为2.7摄氏度，生长积温（≥10摄氏度）为25摄氏度·天，反映了生长季节中植物生长所需的累计热量。该地区接收的年均日照时间为2471.3小时，平均海拔为340米，土壤类型主要为淋溶土（Alfisol）。研究对象是1978年种植的落叶松（*Larix gmelinii*）林，树冠主要由西伯利亚落叶松组成，辅以少量的其他树种，如鹅耳枥、白桦、核桃楸和水曲柳。表层土壤（0–10厘米）的有机质、总氮和磷含量分别为13.5±0.83%、0.96±0.12%和0.15±0.01%。土壤pH值为6.28±0.09，容重为0.85±0.06克/立方厘米。

实验从2010年5月至10月每年进行一次，将所需的氮肥溶解在自来水后，使用背负式喷雾器均匀喷洒在林地表面。对照组则仅喷洒相同量的清水。在生长季节内，氮肥施用速率保持一致，每年施用六次。实验于2010年10月启动，并持续至2020年，共计10年。为了监测分解过程，使用了两种不同孔径的分解袋（0.2毫米和1毫米），每袋尺寸为20厘米×20厘米，装有约8克经烘箱干燥（65摄氏度）的落叶。在每次收获时，收集了12个落叶袋，并进行土壤和碎屑的清除、干燥和称重。

在数据收集和化学分析方面，初始落叶的化学组成通过六次样品分析确定，样品经过离心机研磨至均匀颗粒大小。碳和氮含量使用CN分析仪（Vario Micro Cube，德国）进行测定。磷含量通过硫酸-过氧化氢消化后，使用钼蓝反应和比色分析（在880纳米波长下使用吸收光谱仪测定）进行测定。钙、镁和锰含量则在1摩尔/升盐酸消化后，使用新型AA 350原子吸收光谱仪（德国）测定。半纤维素、纤维素和木质素的含量通过van Soest和Wine方法（1967）使用ANKOM纤维分析仪（美国）进行测定。非结构性碳水化合物（NSC）含量使用硫酸-葸酮法进行比色测定。

对于胞外酶活性的分析，我们分别在实验开始后的0.5年、1年和8年时对控制组和氮肥处理组的落叶样本进行了测定。所测酶包括降解纤维素的β-1,4-葡萄糖苷酶、纤维素酶（如纤维二糖水解酶和内切纤维素酶）以及降解木质素的过氧化物酶和酚氧化酶。实验过程中，将0.5克落叶样品与125毫升醋酸缓冲液（50毫摩尔，pH 5.0）混合约1分钟，随后使用相应的底物进行酶活性测定。例如，β-1,4-葡萄糖苷酶和纤维素酶的活性通过p-硝基苯基-β-D-葡萄糖苷和p-硝基苯基-β-D-纤维二糖作为底物进行测定，这些底物在反应后释放出p-硝基苯酚，其吸光度在410纳米波长下使用分光光度计测定。酚氧化酶和过氧化物酶的活性则分别通过L-3,4-二羟基苯丙氨酸（L-DOPA）和L-DOPA与过氧化氢作为底物进行测定，吸光度在460纳米波长下使用微孔板分光光度计记录。内切纤维素酶的活性则通过粘度法测定，使用羧甲基纤维素作为底物。粘度单位每克无灰落叶材料每小时表示内切纤维素酶的活性，而pNP和L-DOPA测定的酶活性则以每克无灰落叶材料每小时微摩尔底物转化为单位进行表达。

在统计分析方面，使用R语言（版本4.3.1；R Development Core Team, 2023）对数据进行了处理。分解模型（单指数、双指数和渐近模型）通过非线性最小二乘回归（使用minpack.lm包）对落叶质量数据进行拟合。模型的拟合效果通过修正后的赤池信息准则（AICc）进行评估，AICc值最低的模型被认为是最佳模型。对于未收敛的模型，进行了排除。通过t检验（p<0.05）评估了两个组之间参数（如A和Ka）的显著性差异。同时，使用R中的corrplot包计算了落叶特征之间的皮尔逊相关矩阵，以探索不同化学特性对分解过程的影响。

研究结果显示，氮肥处理显著加速了分解的早期阶段，但抑制了后期的分解速率。在早期阶段，氮肥处理显著提高了Ka值，表明其促进了落叶松落叶的分解。而在后期阶段，氮肥处理组的A值显著高于对照组，说明氮肥处理抑制了落叶松落叶的分解速率。此外，研究发现控制组中镁浓度与A值之间存在显著的负相关，这可能意味着较高的初始镁浓度会影响后期的A值，进而影响分解过程。镁的氧化物是真菌细胞壁的常见成分，它提供了一层疏水性涂层，防止菌丝的水分吸收，减少微生物的附着。这一现象可能解释了落叶中镁含量与分解速率之间的关系。其他研究也发现，落叶中的镁浓度与分解之间存在正相关，但也有研究指出镁含量与分解速率之间可能存在负相关，这表明镁在分解过程中的作用可能因生态系统而异。

在分解过程中，氮肥处理对纤维素降解酶和木质素降解酶的活性产生了显著影响。在早期阶段，氮肥处理显著提高了纤维素降解酶的活性，如纤维二糖水解酶和内切纤维素酶，从而促进了纤维素的分解。这一现象与之前的研究结果一致，即氮供应通常会增强纤维素酶的活性。由于纤维素酶由多种细菌和真菌产生，氮的增加可能为这些微生物提供了更有利的生长条件。然而，这种促进效应在长期分解过程中逐渐减弱，并在第八年后不再显著。相比之下，氮肥处理对木质素降解酶的活性产生了强烈的抑制作用，尤其是酚氧化酶的活性。这一发现与之前的研究一致，即氮肥处理通常与木质素降解酶活性降低相关，从而导致更多难以分解的有机质积累。酚氧化酶主要由担子菌门中的白腐真菌和子囊菌门中的小煤炱科真菌产生。氮肥处理可能通过抑制这些真菌的生长或减少其在其他真菌中的竞争优势，从而降低其活性。此外，大气氮沉降的增加可能进一步减少白腐真菌的丰度或改变其活性。这些发现表明，氮对胞外酶活性的影响可能是驱动落叶分解速率下降的关键机制。在早期阶段，氮促进了多糖降解酶的活性，加速了纤维素的分解；而在后期阶段，氮抑制了木质素降解酶的活性，从而减缓了木质素的分解。这种模式得到了多项研究的支持，可能需要在模拟模型中纳入，以更准确地预测氮沉降对森林生态系统碳循环的长期影响。

尽管本研究提供了有价值的见解，但仍存在一些局限性。例如，实验仅针对一种落叶类型，可能限制了研究结果在不同植物种类和生态系统中的适用性。此外，虽然测量了胞外酶活性，但对这些酶活性变化背后的微生物过程仍需更深入的研究。最后，镁在不同生态系统中的作用可能有所不同，这表明本研究的结果可能无法普遍适用，未来需要在更广泛的生态系统和环境条件下进行进一步研究。

综上所述，本研究支持了最初的假设，即氮肥处理在分解的早期阶段促进分解，而在后期阶段抑制分解。氮肥处理最初通过增强纤维素降解酶的活性加速分解，但后期通过抑制木质素降解酶的活性减缓分解过程，导致难分解有机质的积累。此外，研究结果表明，镁在分解过程中的作用可能因生态系统而异，可能影响微生物活性和落叶分解动态。这些发现强调了在预测氮沉降对长期碳循环的影响时，选择能够捕捉酶活性机制和营养相互作用的分解模型的重要性。从管理角度来看，这些结果为在全球变化背景下改善森林养分管理和分解建模提供了有价值的参考，从而有助于更准确地预测生态系统碳动态并支持可持续的森林管理。未来的研究应进一步探索分解过程中的微生物机制和生态系统特异性变化，以提高我们对分解过程在变化环境下的理解。