氮:又一个植物杀手

( 不少国家的科学家正致力于氮污染研究 )

越来越多的氮

今年2月，《自然》杂志刊登了一项针对美国明尼苏达州稀树草原长达23年的研究。研究表明，氮沉降曾使植物多样性降低，在停止添加氮的13年后，这些植物又逐渐恢复，过去沉积所产生的一些有害效应被沉积速度的降低逆转了。不过文章作者也表示，他们研究的只是一小片植物多样性丰富的区域，在实际情况中植物多样性不可能恢复得如此之快。

在肇庆鼎湖山国家自然保护区，生物学家莫江明正在试图找出这个问题在中国的答案。

2000年前后，在检测保护区内几十种植物时，莫江明发现叶片中的磷和镁含量出奇的低，铝和氮含量却高出正常值。之前，他看到有报道说，鼎湖山地区雨水中的氮元素含量超过正常值。莫江明将二者联系，展开了一个新的研究课题:氮沉降和植物多样性之间的关系。

“所谓氮沉降，就是氮的化合物从大气中转移到地表的过程。”莫江明说。鼎湖山距广州一个多小时车程，与同处北回归线的西双版纳热带雨林相比，氮沉降量是后者的4倍多，“已经超出了生态系统所需氮含量的临界值，是一个氮饱和的地区”。

( 农业、畜牧业的发达使得空气中的氮也随之增加 )

大气中含有很多氮的化合物，一部分可溶解的随着雨水降落下来，一部分气态的吸附在空气中的颗粒或者尘埃中沉降下来。植物通过土壤吸收铵盐和硝酸盐，转化为蛋白质，然后直接或间接地被动物吸收掉，用来合成生命所需的氨基酸和蛋白质。动植物死后被微生物分解，氮又进入了土壤、水流、大气中，开始新的循环。

正常情况下，地球上的氮循环是均衡稳定的，但是现在，与空气中越来越多的碳一样，氮循环也出现了异常。

问题都一样:大气中的氮太多了，最高已经达到工业革命前的7倍。

人类燃烧了越来越多的化学燃料，农业、畜牧业空前发达，不仅化肥用量过多，动物粪便中挥发的甲胺的数量也不可小觑。这些都使得空气中氮的总含量日益增加，降落到地表的氮也随之增加，通过多种途径进入到地球的氮循环中。除欧洲和美国外，我国已经成为全球三大氮沉降集中区之一。

氮增加的恶果之一就是产生大片绿油油、恶臭扑鼻的水华。“许多原来营养贫乏的河流、湖泊和近海水域已经变得中等营养或富营养化。”中国林业科学研究院研究员刘世荣说，“富氮对陆地生态系统的影响不如对水域明显，因为土壤具有一定的缓冲作用，而水能直接溶解含氮化合物且迅速传播，造成更快、更直接的影响。”

即便这样，全球的科学家们仍然从自然界的蛛丝马迹中找到了变化的证据。氮沉降在欧美等工业化国家发生的年头由来已久，西方国家从上世纪80年代就着手展开了这方面的研究。

一个例子反映了人们认识的变化。美国加州南部的灌木植物逐渐被一年生草地取代，过去几十年中大多数观点都认为这是放牧和火烧造成的，但是在检测、分析了当地的氮沉降后，越来越多的证据使得大多数科学家相信，大气氮沉降在其中起了重要作用，草地植物比灌木更喜欢氮，具有更大的竞争力。

科学家还发现:长期不断增长的氮沉降增加了北美瓶子草灭亡的风险;上世纪90年代荷兰草原上两种典型的植物山金车和草地蓟的急剧减少主要源于氮沉降;在西欧，过去为优势种的山金车、湿地纳茜菜、青龙胆和斑豆肿根正面临灭绝的危险，其原因是大气氮沉降使土壤氮素形态从硝变成铵，对这些喜硝植物大为不利……

深受影响的鼎湖山

在了解了国外的研究情况和方法后，莫江明开始了他在鼎湖山的研究工作。他选取了3种不同的林地:一种是位于核心保护区的天然森林，为典型的南亚热带阔叶林，主要树种有锥栗、荷木、黄果厚壳桂等;一种是建立保护区前就已被经营的人工林，均为经济作物马尾松;还有一种是位于核心区和人工林之间的缓冲地带，既有人工种植的马尾松，也有一些通过种子传播从天然林里移居过来的阔叶林，称为混交林。他在每种林地里选一块地，每块地划分成12个10米宽、20米长的小块，每两小块地之间留有10米宽度，以防相互干扰。

此后，每月的头3天，莫江明和他的学生以及工作组成员都会背着白色喷雾器，戴上白手套进入林子，将不同浓度的硝酸铵溶液喷洒到不同土地的植物上，人工模拟氮沉降。硝酸铵的浓度根据本地雨水中的含氮量按比例设定，浓度越高意味着氮沉降越高。十来个人喷完三大片林子，要起早贪黑忙3天。

“到目前为止，结果很明显。不管是哪种林子，喷洒较高浓度硝酸铵的地方林下植物都明显减少，包括小树、灌木、藤木等等，这种现象在天然森林里尤为明显，因为天然林中树下植物的层次、种类都比人工林要多。”莫江明说。

如今，当他在这片植被繁茂的阔叶林中行走时，再也不用担心衣服会被勾住。这片林子已有400多年的历史，生态系统发育相对完好，可能已经达到或者接近氮饱和的状态，土壤含氮量极为丰富，在较短时间内施用较低浓度的氮就会对生态系统产生较为明显的影响。过多的氮沉降会让土壤中的氮含量增加，喜氮的植物生长得更旺盛，不喜氮的植物面对逐渐改变的竞争机制往往无力抵抗，不出几年就败下阵来。“如果生态系统缺氮，沉降的有机氮可以增加土壤有机物质的积累，也会让植物长得更好，但是一旦达到氮饱和，外来的有机氮就会对一些植物的生长起负面作用。”莫江明说。

但是对那些成熟的高大树木而言，肉眼看不出什么区别。莫江明美国同行的研究显示，氮污染使得热带地区的森林生长增加了20%。这对林业来说似乎是件好事，“但从长期、整体看，却并非好事。以马尾松为例，它们吸收了更多的氮，排放到水中的硝态氮浓度增加，流入下游的水就会变酸。生态系统一环套一环，不能说对一个环节有益就值得高兴，要看它对整个生态系统的影响”。至于树木生长旺盛能够吸收更多的二氧化碳是否会缓解温室效应这一问题，因循环系统的复杂性也无法给出答案，但是多数研究人员和模型预测认为，此举对碳的吸收贡献不大。

事实上，成熟的树木体内也在发生着微妙变化。当氮沉降过量后，植物会在叶片中以游离氨基酸的形式积累氮，有些氨基酸是有毒性的，数量多了会给植物生长带来负面效应，比如鼎湖山森林中的厚壳桂叶就是这样一种“受害者”。毒性氨基酸也一样会危害动物，时间久了动物可能会改变摄食习惯，再也不去碰那些可怕的叶子。与此同时，有些植物叶片中的有害氨基酸呈下降趋势，比如鼎湖山的黄果厚壳桂叶，从而增加动物的取食率，这也意味着增加了遭受病虫害的风险。

难以恢复的土壤

循环系统一环扣一环，每一环都无法抽离，也无法不受其他影响。植物从土壤中吸收氮，发生一些变化，但实际上土壤才是最直接的受害者。

中科院植物所李凌浩研究员在内蒙古锡林郭勒草原开展了三四年的氮沉降研究，他说草原生态系统是比较容易恢复的，难恢复的是土壤。他们在研究中观测到植物总量并没有变化，只是比例发生了改变，有些优势禾本科植物比如针茅开始逐渐被蒿类、菊科等植物取代。如果恢复植被，可能需要三四年时间，但是已经被酸化的土壤在短时间内是无法恢复了，日后又会对植被产生何种影响目前难以估计。

中国农业大学资源与环境学院教授郭景恒说:“氮沉降会引起土壤酸化，对本身氮含量就较高、土壤呈酸性的中国南方地区来说，土壤对氮沉降的反应更加明显。北方很多地区土壤呈碱性，所以对氮沉降的反应要弱一些。”欧美国家的土壤与我国北方的土壤情况类似，但因为工业化进程较早，氮沉降已经比较严重，研究结果也较为明显。“如果北方的土壤再经历50年的氮沉降，也会发生很大变化。全球生态系统氮饱和的那一天非常可怕，土壤和植被容纳不了的氮将进入水域累积起来，后果是爆发式的。”郭景恒说。

或许这只是一种最坏的设想，或许这种结果永远也不会发生。不过，人们已经认识到它的危害，就像人们花了很长时间才意识到二氧化碳的增多会给地球带来无法逆转的恶果一样，知道了就无法视而不见。“我们现在的工作和当年研究碳是一样的，先弄明白其中的机制和影响，然后唤醒大家的注意，再找到合适的保护办法。”莫江明说。 杀手一个植物