森林生态系统土壤碳库与碳吸存对氮沉降的响应

森林生态系统土壤碳库与碳吸存对氮沉降的响应1引言近几十年来石化燃料燃烧、化肥使用及畜牧业发展等向大气中排放的含氮化合物激增并引起大气N沉降成比例增加。并且全球N沉降水平预计在未来25a内会加倍，目前人类对全球N循环的干扰巳经远远超过对地球上其它主要生物地球化学循环的影响。从20世纪80年代起，欧洲和北美的生态学家就开始在温带森林开展了N沉降对森林结构和功能影响的研究。目前，N沉降研究巳成为国际上生态和环境研究的热点内容之一。土壤碳库是陆地生态系统碳库中最大的贮库，并且是其中非常活跃的部分［10］。全球约有1.4X1018-1.5X1018g碳是以有机质形态储存于地球土壤中，是陆地植被碳库(0.5X1018~0.6X1018g)的2~3倍，是大气碳库(0.7X1018g)的2倍［10］。土壤碳库在维持全球碳平衡中的巨大作用使土壤碳库对人类活动的响应巳成为国内外研究的热点［11］。由于土壤碳库巨大，它的波动对大气CO2浓度产生重要的影响。同时，增加土壤有机碳存储可有效促进陆地生态系统对大气CO2固定和延缓温室效应。土壤碳周转速率慢，受各种干扰影响小，能维持较长时期的碳储藏。影响森林生态系统土壤碳库的因素很多，如森林的采伐、开垦、火烧以及在全球变化背景下的全球变暖、UVB辐射增强、N沉降等，在这些方面巳相继展开了大量研究。目前国内外对土壤碳库的研究多是针对当前环境下某种生态系统的土壤碳含量、碳储量的估算，不能很好的预测全球环境变化对土壤碳库的影响。大气N沉降借助其对凋落物分解和土壤呼吸的直接或间接作用，极大地影响了生态系统土壤碳蓄积过程，并且大部分沉降到森林生态系统中的N都被固定在土壤中，直接与土壤碳库相互作用［17］。全球存在116PgC/yr的碳失汇，部分是由于大气中N沉降增加及其与碳循环相互作用的结果［18］。所以深入探讨大气N沉降对土壤碳库的影响具有重要的价值，巳经成为2006年IGBP计划第二期中陆地生态系统与大气过程相互作用的研究重点。虽然国内巳有了很多关于N沉降对凋落物分解和土壤呼吸、根系周转方面的论述，但全面反映N沉降对土壤碳库影响的研究尚未见报道。本文对国内外在土壤碳库如凋落物分解、土壤呼吸、根系周转等方面对N沉降响应的研究进展进行了综述，为进一步开展相关研究作参考。1.国内外研究现状分析在陆地生态系统中，土壤圈的碳、氮循环是全球生物地球化学循环的重要组成部分。土壤是陆地生态系统碳库的最大组成部分，全球范围内土壤以有机质和植物残体形式贮存的碳量1500Gt超过陆地植被碳库（500~600Gt）的2~3倍［1，2］，而全球森林土壤有机碳储量为402~787Gt【3］（1Gt=109t）,占全球陆地土壤中碳储量的25%~50%。森林土壤碳库在全球碳平衡研究中具有重要作用［4】。在影响森林土壤碳库变化的诸多要素中，氮元素逐渐引起广泛关注。氮元素是植物所必须的大量元素之一，是植物体内许多重要有机化合物的组成元素。与其他营养元素主要由母质风化提供不同，自然状态下土壤中的氮元素主要来源于植物大气固氮过程。温带森林中，生物对氮元素需求量往往大于土壤有机氮矿化速率，所以温带森林生态系统一般表现为氮缺乏型⑸。然而，在过去的几十年，由于人口的增加，化石燃料消费的增加，含氮化肥的生产和使用的日渐依赖以及农牧业的快速发展，人类活动向大气中排放的含氮化合物激增，通过大气干湿沉降进入陆地生态系统的含氮化合物也大量增加％导致氮化物在大气中累积并向陆地和水域生态系统沉降［刀。特别是进入20世纪70年代以来，酸沉降已成为欧美工业化国家的重要环境问题之一冏。据估计，全球氮沉降量在1990年达到103Tg-a-1，是1860年的3116Tg-a-1的3倍，到2050年预计将达到195Tg・a-1［9］。而在美国东部和西欧一些工业发达的地区，大气氮沉降量更是达到工业革命前的10倍以上［10］，由人为因素引起的氮输入已经成为生态系统中氮元素的重要来源。研究表明，大气沉降进入到森林生态系统中的外源氮只有小部分被植物利用，而绝大部分均被固定在土壤中口1】。20世纪80年代初，欧洲和北美的一些工业发达地区出现的由氮沉降引发的陆地生态系统退化和水体富营养化等生态系统“氮饱和”问题，给生态环境带来了严重过得冲击，促使一些科学家开始对氮沉降所引起生态系统退化问题开展研究，但研究点较分散。至80年代末和90年代初期，随着监测水平不断提高和监测范围的不断扩大，科学家逐渐认识到“氮饱和”并不仅仅是一个区域问题，而是一个全球性的环境问题。在这种情况下，一些长期的定位研究开始开展起来，并逐渐形成了研究网络，研究内容也不断拓宽。一些有组织的、大规模的跨国，跨区域的合作研究也开始逐渐兴起。例如，在欧洲共同体的资助下，20世纪80年代末至90年代中期，欧洲先后开展了2次氮沉降对森林生态系统影响的跨国研究项目，即：NITREX（NitrogenSaturationExperiments，氮饱和试验）和EXMAN（ExperimentalManipulationofForestEcosystemsinEurope，欧洲森林生态系统试验控制）。在同类研究中，实施时间最长（已逾30年）的SFONE（瑞典最适森林营养试验）项目，虽然规模较小，为揭示养分沉降，尤其是氮沉降增加对森林生态系统的长期影响提供了宝贵的资料［10］。美国于1988年在马萨诸塞州（Massachusetts）的哈佛森林（HarvardForest）建立的氮沉降长期模拟氮沉降（外加氮）试验地已有接近20年的历史⑫，覆盖美国全国的氮沉降监测网络已经建立，并逐渐完善。我国许多地区也存在高氮沉降现象，如珠江三角洲北缘的鼎湖山自然保护区1989-1990年度和1998-1999年度的降水氮沉降分别为35.57和38.4kgNhmZa-1【13,14］，黑龙江帽儿山森林定位站降水氮沉降为12.9kgNhm-2.a-i［26］。高氮沉降影响森林生态系统系统功能的正常发挥，但随着我国社会经济、工农业的进一步发展，氮沉降量还会继续升高［可。同时，由于气候和水分供应的极大差异会导致经济发展的不均衡，氮沉降的分布状况、增加的速度及其影响存在巨大的区域性差异。我国已成为全球三大氮沉降集中区之一（分别为欧洲、美国和中国），而且有不断发展的趋势，氮沉降的现状和未来已引起了国际社会的高度关注。我国氮沉降与森林关系方面的研究才刚刚起步，肖辉林、卓慕宁、万洪富等在我国较早开始介绍欧美地区进行的氮沉降研究，发表了一些综述性论文；中科院华南植物研究所的莫江明、方运霆、李德军等开始对鼎湖山自然保护区的南亚热带森林生态系统进行一系列研究。发表的研究结果有：氮沉降增加对森林生态系统的影响［任，16】，氮沉降对森林土壤的影响［”，啊，氮沉降对森林植物的影响㈣，氮沉降对鼎湖山自然保护区的南亚热带森林生态系统的影响［20］等。在国家自然科学基金（30370259）和福建省自然科学基金重点项目（B0320001）的共同资助下，由樊后保教授带领的研究组于2003年开始了模拟氮沉降增加对亚热带森林生态系统影响的研究。已于2003年底在福建省沙县官庄林场建立了监测样地，旨在研究大气氮沉降的增加对杉木人工林植被养分状态、土壤化学和生物活性、物种多样性以及系统养分循环过程的影响，揭示杉木人工林生态系统对氮沉降及氮饱和的影响特征和机制，以及酸化系统自我恢复的情况［25］。随着全球变化研究的深入，科学家开始在研究氮沉降的环境效应时考虑其对生态系统碳库的影响，作为生态系统碳库评估中不确定的土壤碳库，逐渐成为研究的重点。到目前为止，虽然未发现氮沉降对土壤碳库影响的专项研究，但在许多已执行的研究项目中，均涉及到氮沉降对土壤碳库影响的某些过程。如，Hagedorn等应用开顶箱技术模拟山毛榉（FagussylvaticaL.）和挪威云杉（PiceaabiesKarst）2种森林类型土壤碳库在不同氮沉降水平变化过程，现氮沉降降低了土壤中腐殖质的分解速度，从而增加土壤碳储量［21］。Makipaa等利用模型模拟芬兰南部的欧洲赤松（PinussyIvestris）林地在气候变化和氮沉降条件下碳库变化情况，发现在只考虑氮沉降的情况下，包括土壤碳库在内的生态系统碳库增加了11%四。Neff等利用同位素技术研究了科罗拉多（Colorado）高山苔原带土壤碳库，发现氮输入加快了土壤中轻组碳（周转周期在10年左右）分解，却抑制了重组碳（周转周期在几十年到1个世纪）分解过程，总的来说氮沉降对土壤碳库不影响四。而阿拉斯加苔原带一项为期20年的长期施氮研究表明，尽管施氮使得地表生物量增加了2倍，但如果考虑土壤碳库的变化情况，长期施氮造成苔原生态系统净损失2kgC-m-2［24］o总体来说，这些研究或者只考虑土壤碳的流失过程，或者只是比较静态土壤碳库，并未明确指出氮对土壤碳库影响的作用机理，其研究结果还有待于进一步确认。参考文献[1]陈庆强，沈承德，易惟熙.土壤碳循环研究进展[J].地球科学进展,1998,13(6):555-563.[2]金峰，杨浩，赵其国.土壤有机碳储量及影响因素研究进展[J].土壤,2000,1:11-18.WBGU.TheAccountingofBiologicalSinksandSourcesUndertheKyotoProtocol—aStepForwardsofBackordsforGlobalEnvironmentalProtection[R].Bremerhaven:WBGU,1998:46-50.李玉强，赵哈林，陈银萍.陆地生态系统碳源和碳汇及其影响机制研究进展[J].生态学杂志,2005,24(1):37-42.VitousekPM,HowarthRW.Nitrogenlimitationonlandandinthesea:HowcanitoccurBiogeochemistry,1991,13:87-115.GallowayJN,CowlingEB1Reactivenitrogenandtheworld:200yearsofchange[J]1Ambio,2002,31(2):64-711VITOUSEKPM,ABERJD,HOWARTHRW,etal.Humanalterationoftheglobalnitrogencycle:sourcesandconsequences[J].EcolAppl,1997,7⑶:737-750.[8]COWLINGEB.Acidprecipitationinhistoricalperspective[J].EnvironSciTechnol,1982,16(2):110-1237.GallowayJN,DentenerFJ,CaponeDG,etal.Nitrogencycles:Past,presentandfuture.Biogeochemistry,2004,70:153-226.GallowayJN,SchlesingerWH,LevyIIH,etal.Nitrogenfixation:Anthropogenicenhancementenvironmentalresponse.GlobalBiogeochemicalCycles,1995,9(2):235-252.NadelhofferKJ,EmmettBA,GundersenP,etal.Nitrogendepositionmakesaminorcontributiontocarbonsequestrationintemperateforests.Nature,1999,398:145-148.MagillAH,AberJD,BerntsonGM.Long-termnitrogenadditionsandnitrogensaturationintwotemperateforests.Ecosystems,2000,3:238-253.黄忠良，丁明懋，张祝平，等.鼎湖山季风常绿阔叶林的水文学过程及其氮素动态.植物生态学报，1994，18(2)：194-199.周国逸，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