人類活動（包括化石燃料燃燒、土地利用變化等）所引起的大氣二氧化碳濃度增加已成為當今重要的科學話題，并引起了廣泛的社會關注。
《巴黎協定》和IPCC報告均指出，有效扼制大氣二氧化碳增加是應對氣候變化的重要措施之一，同時也強調了我們需要深入了解和探索大氣的“碳”來自哪裡（碳源）以及将去何方（碳彙）。
土壤：陸地生态系統最大的碳庫
提到吸收二氧化碳，大家可能首先想到的是植物。植物葉片通過光合作用吸收二氧化碳，而其呼吸作用可以釋放二氧化碳。
沒錯。但除此之外，土壤也會影響大氣二氧化碳濃度。
土壤是陸地生态系統最大的碳庫，大約有一半的土壤有機碳儲存在森林中。熱帶（包括亞熱帶）森林在全球森林碳循環中扮演着重要的角色，它們主導了全球森林78%的碳排放和55%的碳吸收。
這意味着，森林土壤碳庫的微小變化也可能對大氣二氧化碳濃度産生顯著的影響。
那麼，土壤是通過什麼途徑影響大氣碳濃度的呢？
在森林中，不僅植物有呼吸作用，土壤同樣也有呼吸作用。土壤呼吸主要有兩個來源：一是來自微生物産生的異氧呼吸，二是來自植物根産生的自養呼吸。這兩部分呼吸是土壤碳排放的重要管道。
土壤呼吸
森林中的氮與碳一家親？
當今，人類活動不僅導緻大氣二氧化碳濃度增加，也導緻大氣氮沉降增加。
20世紀中葉以來，人類活動向大氣釋放的活性氮化合物迅速增加。這些含氮物質通過降塵的方式（幹沉降）或溶于雨水的形式（濕沉降）進入到陸地和水體，對土壤和水體環境、自然生态系統、生物多樣性等方面都會造成影響。
據全球氮沉降的模拟和評估，1984—2016年，大氣氮沉降速率平均增加了8%。
中國是全球氮沉降污染較為嚴重的三大地區之一（歐洲、北美和中國）。雖然通過管理政策和技術的改善，中國氮沉降速率已經穩定并開始下降，但部分地區氮沉降仍然達到30—40 kg N ha-1 yr-44 。
過去60年來人類活動産生的活性氮
長期的高氮沉降對森林生态系統或者土壤碳庫會産生什麼影響？換句話說，森林中的氮和碳這兩個不同元素之間有什麼關系？
氮是生命體内的一種重要營養元素，也是合成蛋白質的基礎物質。不像農田可以通過人為施肥獲得氮等營養物質，森林主要是通過大氣氮沉降或者生物固氮獲得氮。
當森林植物和微生物獲得足夠的氮時，它們就可以快速生長并積累生物量（碳），植物還可以通過落葉或者根系分泌物的形式把碳進一步輸送到土壤中，增加土壤的碳彙。
氮的多少還會影響森林生物體的呼吸，充足的氮有利于植物呼吸和微生物分解，進而釋放二氧化碳。可見，氮的多少在一定程度上決定了森林對碳的吸收和排放。
森林中的氮與碳通量
對于生物來講，氮的供應是不是越多越好？
其實不然，短期來講，氮的供應在一定程度上解決了“溫飽問題”，但長期源源不斷地供應氮會産生其他的“副作用”。
比如，過多的氮進入到森林中會導緻植物和土壤微生物的其他營養元素相對含量變低（營養失衡），促進微生物硝化反應（釋放氫離子）并加劇土壤酸化，增加含氮溫室氣體排放，降低生物多樣性，甚至影響土壤和地下水品質。
那麼，我們該如何判斷氮沉降對森林土壤碳排放産生了正面還是負面的影響呢？
大氣氮沉降、植物氮吸收、土壤氮轉化與酸化過程的關系
一方面，需要看森林氮的狀态，因為不同的森林，氮的狀态是有差别的。
對于本身就“貧氮”的森林而言，氮沉降對它無疑是“雪中送炭”，土壤微生物和地下植物根系的生長會加快（增加生物量和碳彙），但同時也會促進土壤呼吸（增加碳排放）。而對于已經“富氮”的森林來說，氮沉降的作用可能是“滄海一粟”，對土壤碳和呼吸的影響不大，搞不好還會适得其反，抑制土壤呼吸。
另一方面，需要評估氮沉降作用時間的長短，因為氮沉降進入森林有一個累積的過程。
短期來看，氮沉降對很多森林可能是有益的，會促進土壤生物呼吸。但是在長期氮沉降的作用下，氮會逐漸積累在植物體内和土壤中，當達到氮的臨界點後，也會産生負效應，最終土壤呼吸會減弱。
如此看來，少量和适度的氮沉降雖有益生物生長，但同時也促進了土壤呼吸産生的碳排放。相反，過量的氮沉降雖然抑制了生物生長，但同時也減緩了土壤碳排放。
用氮調控碳：一場長達13年的實驗
既然氮沉降的時間長短和氮的狀态都會影響森林碳排放，我們來看看極端情況下森林的響應（即長期氮沉降環境下，富氮森林的土壤碳排放情況）又是如何？
在廣東鼎湖山國家級野外森林定位站開展的一項長達13年的模拟氮沉降研究回答了這個問題。
模拟氮沉降的野外控制試驗平台
通過模拟長期氮沉降，富氮森林的土壤呼吸出現了“無變化—降低—無變化”三個階段的響應。
在第一階段，氮沉降進入土壤後，土壤的理化性質最先發生了改變。這主要展現在土壤無機氮濃度的增加，土壤氮的礦化和硝化速度加快，并出現了氮的淋溶和流失。
相比之下，植物群落結構（多樣性、豐富度、細根生物量等）和土壤微生物群落組成（細菌和真菌生物量等）沒有發生太大變化。是以，土壤微生物的異氧呼吸和植物根的自養呼吸也沒有明顯變化。
這說明了早期氮沉降對富氮森林的影響并不是很大。
氮沉降對土壤的影響
然而，物極必反。進入第二階段後，植物和微生物出現“不适”。
土壤氮的礦化和硝化速率開始減弱，說明土壤的氮供應可能已經超出了生态系統對氮的需求。氮沉降加劇了森林土壤酸化并産生了一系列“副作用”，包括：植物豐富度降低、多樣性減少、植物的光合生理功能受損、植物地下細根的生物量減少、根的呼吸減弱以及更多的根死亡。
與此同時，地下微生物也減少，降解碳的微生物功能減弱，微生物呼吸作用也受到抑制。
在此階段中，土壤的總呼吸速率和碳排放速率均明顯降低了。
森林退化
令人驚訝的是，這種氮沉降的“副作用”并非會一直持續下去，森林開始了“逆襲”。
進入第三階段，森林植物和微生物沒有繼續“坐以待斃”，它們在長期高氮和酸化的惡劣環境下，逐漸調整了自己的群落組成，出現一些新的藤本和微生物類群，适者生存，不适者被淘汰。
在這個階段，植物的細根生物量和土壤微生物量不再出現大面積減少，森林土壤呼吸和碳排放速率恢複穩定。
雖然植物和微生物在後期适應并恢複了呼吸速率，但整個實驗過程，土壤碳排放量減少了6.53-9.06 Mg CO2 ha-1 。看似土壤呼吸的減少“有利于”緩解氣候變化，但這是以犧牲生物的生長和減少生物多樣性為代價的。
實際上，大氣氮沉降和土壤酸化仍然在持續，我們并不清楚下一階段森林又會發生什麼變化，科研人員還在為這個答案繼續探索着。
模拟氮沉降對森林土壤呼吸的影響
這項長達13年的模拟氮沉降實驗，不僅展現了一部森林氮調控碳的故事，更是描述了植物和微生物在逆境中的生存之道。
“雙碳”戰略背景下，我們應然怎麼做？
目前，國家經濟社會的迅速發展不可避免地會對生态環境造成一定程度的影響。如何實作好經濟發展和環境保護的平衡，是未來需要重點考慮的問題之一。
“雙碳”戰略目标的提出是基于推動實作可持續發展的内在要求，也是建構人類命運共同體的責任擔當，目的是為實作在本世紀末将全球地表溫度相對于工業革命前上升的幅度控制在2攝氏度以内。
全球每年向大氣排放約510億噸的溫室氣體，要避免全球變暖導緻的極端天氣帶來的災難，人類需減少向大氣中排放溫室氣體，盡早實作淨零排放。
除了減少人為産生的碳排放之外，也需要合理控制人為活動産生的氮沉降污染。雖然在某些時間段内，氮沉降可能有助于減緩森林土壤碳排放，但我們不能忽視長期氮沉降帶來的副作用，尤其是導緻土壤酸化、植物生長減緩和生物多樣性降低，而這些變化最終會減弱森林的碳彙功能。
結語
不可否認的是，人類活動及其引起的全球環境變化（全球變暖、氮沉降增加、幹旱、極端氣候等）對自然生态系統造成了一系列影響，加劇了生态系統退化。
積極倡導基于自然的解決方案，依靠自然的力量和基于生态系統的方法，推進山水林田湖草沙一體化保護和修複，提升生态系統品質和穩定性，通過加強保護、管理、恢複自然的和被改變的生态系統的行動，是未來有效應對社會、經濟和環境挑戰的重要措施。
來源：科普中國