1.2.3　土壤碳氮转化研究

在陆地生态系统中，土壤呼吸对土壤碳素损失具有一定的控制作用（Högberg et al.，2006）。据统计，在全球范围内每年由于土壤呼吸作用平均产生80.4Pg碳，其变化范围为79.3～81.8Pg碳（Raich et al.，2002），占全球陆地生态系统总呼吸的60%～90%（Schimel et al.，2001），为当前化石燃料燃烧产生CO₂的11倍多（Marland et al.，2000）。根据北半球区域的研究，发现在温度不断上升的过程中，土壤呼吸由于温度升高而使得秋季空气中的CO₂含量显著增加（Piao et al.，2008）。因此，陆地生态系统中碳循环速率的研究，对于了解对气候变暖的温室效应所产生的反馈是至关重要的（Kirschbaum，2006）。

当前，由于人类活动而带来的土地利用和管理方式的变化，被认为是全球碳循环改变的主要驱动因子（Raich et al.，1992；Houghton et al.，1999）。在开垦初期，农田土壤呼吸高于天然草地，通过研究发现草地开垦为农田后，土壤碳素损失达20%～30%（Buyanovsky et al.，1987）。同时大量的研究表明，由于草地向农田方式的转变，土壤呼吸速率逐渐降低（Tufekcioglu et al.，2001；Frank et al.，2006）。不同土地利用方式的土壤呼吸速率表现出一定的差异性，这主要是由于不同土壤的理化性质、温度和含水量等诸多因素对呼吸速率的共同作用不同（Wang et al.，2009）。其中某些因素对土壤呼吸的影响作用明显，如土壤容重、氮沉积、气候条件和人类干扰（Davidson et al.，2006；Mo et al.，2008）。有研究报道，土壤碳素损失的主要原因是全球变暖（Jones et al.，2003）。同时，土地利用变化对气温的影响也已经成为研究热点。美国国家研究理事会（NRC）报告（2005）强调，除了温室气体含量升高造成的大气成分改变以外，景观变化也可能对局地、区域气候产生重要影响，对全球气候变化存在潜在影响；某些情况下，气候变化对土地利用/覆被变化的响应甚至超过温室气体含量增高的贡献（Lawrence et al.，2010）。因此，土壤呼吸随着温度的上升而增加将成为全球变暖的正反馈（Cox et al.，2000），但是这种反馈具有很大的不确定性（Friedlingstein et al.，2006）。当前缺乏对土壤呼吸的温度敏感性研究是气候—CO₂耦合模型的不确定性原因之一（Fierer et al.，2009）。

氮元素作为生物体生存和发展必需的元素，对陆地生态系统的生产过程具有最强烈的影响（陈伏生等，2004），同时对生态系统的结构和功能起着关键的调节作用（洪瑜等，2006）。氮循环为生物的生长提供了必需的氮源（Hagopian et al.，1998），并促使物质能量循环的形成（白军红等，2005）。在土壤硝化过程中，铵态氮由微生物转化为硝态氮和亚硝态氮。硝化作用是氮素损失的主要途径（Vitousek et al.，1991）。同时，由于氮素的损失导致温室气体N₂O排放量增多。目前，氮循环已经成为全球变化研究的一个重要内容（彭少麟等，2002）。

当前，针对土壤硝化作用的影响因素展开了大量的研究（Zhang et al.，2008）。通过研究发现土壤硝化作用由于土壤类型的不同，其变异也较大。另外，土壤水分也是影响硝化作用的重要因素。通过大量研究发现，土壤含水量越高，对微生物的氧气来源限制作用越大，导致硝化速率降低（Breuer et al.，2002）。因此，在一定的土壤含水量范围内，含水量的增加可以促进硝化作用（施振香等，2009）。研究发现，土壤硝化作用的适宜温度范围在25～35℃之间（刘巧辉，2005）。由于土壤pH值可以影响硝化细菌的活性，因而土壤pH值也是影响硝化作用的重要因素。当土壤pH值增加到一定程度，硝化速率随之增加3～5倍（Dancer et al.，1973）。Hayatsu和Kosuge（1993）发现土壤pH值与硝化活性有很好的正相关关系。另外，铵态氮是硝化作用的基质，但不是土壤硝化作用的主要限制因子（Hadas et al.，1986），因为硝化作用的程度主要取决于土壤理化性质。