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自由固氮(Free-living nitrogen fixation)是陆地自然生态系统重要的氮素来源之一。森林是固氮微生物分布最为广泛的生态系统，如在表层土壤、凋落物、腐殖质、腐木、植物叶片（包括叶表面和叶际）、附生植物苔藓和地衣等均可以发现固氮菌的存在。由于在自然界中，许多森林不存在共生固氮植物或者氮沉降速率较低，因此自由固氮被认为是缓解这些森林氮限制并提高森林生产力的一种重要途径。在一些富氮的热带森林中，自由固氮微生物仍处于活跃的状态，其固定的氮素不仅补偿了森林的氮流失，而且也是驱动许多热带森林持续积累和循环氮素的重要原因。近30年来，人类活动（包括工业发展、农业活动和化石燃料的多度使用）引起的大气氮沉降导致陆地生态系统固氮速率急剧降低。长期氮沉降还导致森林养分流失和土壤酸化，加剧土壤磷的限制，进一步对森林自由固氮产生影响。然而，当前我们关于养分（氮和磷）调控森林自由固氮的认识比较薄弱，并且潜在的机理还不清楚。开展森林自由固氮的相关研究将有利于我们更好地认识全球变化（尤其是氮沉降的加剧）如何影响森林的氮素循环。因此，本研究主要探索氮沉降和磷输入对南亚热带森林自由固氮的影响和机理。 我们在广东省肇庆市鼎湖山选取了三种不同类型的森林:季风常绿阔叶林（成熟林）、针叶阔叶混交林（次生林）和马尾松针林（人工林），开展长期的野外试验研究。(Ⅰ)为了探索长期氮沉降对森林自由固氮的影响和机理，我们在三个森林中建立了长期氮添加样地，分别设置:对照、低氮处理（50kg N ha-1yr-1）、中氮处理(100kg N ha-1yr-1)和高氮处理(150kg N ha-1yr-1)。其中，在人工林和次生林中分别设置对照、低氮和中氮三个处理，而在成熟林中设置对照、低氮、中氮和高氮四个处理。2003年7月中旬开始，每个月初进行氮添加处理一直延续至今;(Ⅱ)为了探索氮沉降背景下，磷元素对森林自由固氮的影响和机理，我们在三个森林中建立了氮磷添加样地，分别设置:对照、氮添加(150kg N ha-1yr-1)、磷添加(150kg P ha-1yr-1)和氮磷同时添加(150kg N ha-1yr-1+150kg P ha-1yr-1)处理。三个森林中均设置以上4个处理，并于2007年2月初开始，每两个月进行氮磷添加处理一直延续至今。2015年和2016年7月，分别在氮沉降样地和氮磷添加样地进行采样，收集不同基质（包括表层土壤、凋落物层、苔藓和冠层叶片），测定各基质的固氮酶活性、固氮速率和养分含量等指标。本研究的主要结果如下: 1.模拟氮沉降对成熟林自由固氮的影响和机理 (1)长期高氮沉降背景下(34-50kg N ha-1yr-1)，富氮成熟林仍然维持较高的总固氮速率（10.35-12.43kg N ha-1yr-1）。低氮添加对成熟林各基质固氮速率没有显著影响;中氮和高氮添加虽然降低了成熟林土壤和凋落物层的固氮速率，但增加了苔藓和叶片的固氮速率，因此成熟林仍然维持较高的总固氮速率(7.89-11.26kg N ha-1yr-1); (2)多元线性回归分析表明，基质化学计量比可以解释各基质固氮活性的变化。其中，基质N∶P和C∶N化学计量比可以解释土壤(30-52％)和凋落物层(32-52％)固氮活性的变化;基质C∶N化学计量比可以解释苔藓(13-43％)和叶片(15-49％)固氮活性的变化。 2.模拟氮沉降对次生林和人工林自由固氮的影响和机理 (1)次生林和人工林对照样方的总固氮速率没有显著差异（两个森林的总固氮速率分别为7.70-8.43kg N ha-1yr-1和6.83-8.17kg N ha-1yr-1）;氮添加抑制了人工林所有基质（土壤、凋落物层、苔藓和叶片）的固氮速率，但对次生林各基质的固氮速率没有显著影响; (2)氮添加抑制人工林各基质固氮速率的可能原因包括:NH4+抑制固氮酶合成（土壤），磷或碳可利用性降低（凋落物层），以及植物减少对自由固氮的依赖（苔藓和叶片）; 3.氮和磷添加对不同森林类型自由固氮的影响和机理 (1)氮添加抑制了多种基质（土壤、凋落物层和苔藓）的固氮活性，其中在成熟林和人工林中的作用比较明显;磷添加以及氮和磷同时添加对各基质的固氮速率没有显著影响或有促进作用，其中在成熟林中的作用比较明显; (2)由于磷元素是参与固氮反应的重要元素，磷添加增加森林自由固氮速率可能是直接增加了各基质（土壤、凋落物层和苔藓）的磷含量或者是增加了基质（苔藓）的库存量。 根据以上的研究结果，我们得出三个主要结论:(1)基质较高的C∶N化学计量比是驱动富氮成熟林持续进行固氮的重要因素;(2)在氮沉降背景下，森林演替（从人工林到次生林过程）可以增加自由固氮速率;(3)磷添加可以缓解氮沉降对自由固氮的抑制作用，尤其在磷限制的成熟林中的作用最明显。