模擬大氣氮沉降對(duì)亞熱帶森林土壤溫室氣體排放的影響.pdf

1、大氣氮沉降對(duì)森林土壤溫室氣體排放的影響與林地本身的養(yǎng)分狀況以及氮素的輸入量有關(guān)。本文采用15N穩(wěn)定同位素成對(duì)標(biāo)記并結(jié)合MCMC數(shù)值模型測(cè)定了戴云山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)天然毛竹林(BF)和黃山松、杉木混合林(NF)土壤氮素初級(jí)轉(zhuǎn)化速率，明確了研究區(qū)當(dāng)?shù)厣滞寥赖摹暗獱顟B(tài)”。采用降水降塵自動(dòng)采樣儀，持續(xù)觀測(cè)當(dāng)?shù)卮髿獾馗?、濕沉降，調(diào)查研究區(qū)大氣氮沉降的種類(lèi)和沉降量?；诋?dāng)?shù)赝寥赖摹暗獱顟B(tài)”和大氣氮沉降量的背景值，以戴云山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)九仙山的毛

2、竹林樣地為原位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)置對(duì)照N0(0kgN hm-2yr-1)、低氮N1(20kg N hm-2yr-1)、中氮N2(40kgN hm-2yr-1)、高氮N3(80kg N hm-2yr-1)四種施氮水平，以分析純NH4NO3作為氮源，模擬大氣氮沉降;采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，研究大氣氮沉降對(duì)亞熱帶森林土壤CH4、CO2、N2O以及NO氣體排放通量的影響。主要研究結(jié)論如下:
　　(1)BF與NF兩種亞熱帶森林土壤的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程均以銨

3、態(tài)氮轉(zhuǎn)化為主。BF土壤銨態(tài)氮的總產(chǎn)生速率(13.16μgN g-1soil day-1)是NF土壤的2倍(6.25μg N g-1soil day-1)，其中粘土礦物對(duì)銨態(tài)氮的解吸作用是BF產(chǎn)生銨態(tài)氮的主要過(guò)程(55％)，而NF主要以有機(jī)氮的礦化作用為主(56％)。BF土壤初級(jí)礦化速率（難分解有機(jī)氮庫(kù)和易分解有機(jī)氮庫(kù)的礦化作用之和）為5.56μgN g-1soil day-1，顯著高于NF的3.40μg N g-1soil day-1，

4、這主要是由于兩種林地植被種類(lèi)的差異以及不同植被下凋落物數(shù)量和質(zhì)量的差異所引起的。
　　BF與NF土壤銨態(tài)氮總產(chǎn)生量的90％均被土壤微生物的同化作用以及粘土礦物的吸附作用所消耗。微生物將銨態(tài)氮固持于土壤有機(jī)氮庫(kù)中以及粘土礦物對(duì)銨態(tài)氮的吸附作用，均能有效控制生態(tài)系統(tǒng)中銨態(tài)氮的可利用性。作為土壤氮素供應(yīng)的有效緩沖作用，能夠在生態(tài)系統(tǒng)銨態(tài)氮需求發(fā)生改變時(shí)迅速響應(yīng)。
　　BF土壤硝態(tài)氮總產(chǎn)生速率(0.23μg N g-1soil da

5、y-1)與NF土壤(0.26μg N g-1soil day-1)相差不大，并且兩種林地土壤中總硝態(tài)氮產(chǎn)生的90％均來(lái)自有機(jī)氮的異養(yǎng)硝化作用，自養(yǎng)硝化產(chǎn)生的硝態(tài)氮相對(duì)異養(yǎng)硝化作用可忽略不計(jì)。BF與NF土壤中硝態(tài)氮消耗量均超過(guò)了各自硝態(tài)氮的總產(chǎn)生速率，表明BF與NF土壤均能有效降低氮素的潛在淋失風(fēng)險(xiǎn)，其中BF土壤中硝態(tài)氮的消耗以微生物的同化作用為主(58％)，而NF土壤以DNRA過(guò)程為主(68％)。
　　(2)戴云山自然保護(hù)區(qū)大氣氮

6、素干、濕沉降總量為17.09kg N·hm-2，其中大氣氮干、濕沉降通量分別為2.30kg N·hm-2和14.79kg N·hm-2。干沉降中可溶性有機(jī)氮的沉降通量為1.21kg N·hm-2，占總氮干沉降通量的53％;無(wú)機(jī)氮干沉降通量1.09kgN·hm-2，以硝態(tài)氮沉降為主(0.71kg N·hm-2)，銨態(tài)氮干沉降通量相對(duì)較低(0.37kg N·hm-2)。濕沉降中總無(wú)機(jī)氮和可溶性有機(jī)氮沉降通量分別為9.41kg N·hm-2和

7、5.38kg N·hm-2，其中無(wú)機(jī)氮沉降以銨態(tài)氮沉降為主(6.07kg N·hm-2)。氮素濕沉降通量和當(dāng)?shù)亟涤炅匡@著正相關(guān)，降雨量越大，對(duì)應(yīng)的濕沉降氮通量也越大。
　　(3)CO2排放通量具有典型的季節(jié)模式，呈現(xiàn)夏、秋季節(jié)排放較高，春、冬季節(jié)排放相對(duì)較低的特點(diǎn)。施氮處理不改變CO2季節(jié)排放模式。土壤CO2排放通量與土壤表層溫度(T0)、土壤5cm溫度(T5)以及土壤10cm溫度(T10)均表現(xiàn)極顯著相關(guān)性。由此推論，土壤溫度是

8、影響戴云山森林土壤CO2季節(jié)排放的主要環(huán)境因子，施氮并沒(méi)有顯著改變CO2排放對(duì)溫度變化的響應(yīng)值Q10。經(jīng)過(guò)一年的施氮處理，不同施氮水平的樣地CO2排放總量依次為N021129±2673kg·CO2·hm-2、N126770±4677kg·CO2·hm-2、N224466±3919kg·CO2·hm-2以及N317806±5071kg·CO2·hm-2。相對(duì)于對(duì)照N0，低氮N1、中氮N2施氮處理使土壤CO2累積排放分別增加了27％和18％

9、，高氮N3處理使土壤CO2累積排放量降低了16％，但低氮、中氮、高氮處理與對(duì)照處理間土壤CO2累積排放總量的差異均未達(dá)到顯著水平。
　　樣地土壤對(duì)大氣CH4的吸收通量沒(méi)有隨季節(jié)變化表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)，不同施氮水平的樣地土壤對(duì)大氣CH4的吸收通量與不同土層溫度(T0、T5、T10)以及土壤水分含量之間均不存在明顯相關(guān)性。整個(gè)觀測(cè)期，低氮N1處理的樣地土壤對(duì)大氣CH4的吸收總量與對(duì)照N0處理相當(dāng)，分別為N02.01±0.23kg·CH4

10、·hm-2、N12.01±1.76kg·CH4·hm-2;中氮N2(1.48±0.55kg·CH4·hm-2)和高氮N3(0.77±1.80kg·CH4·hm-2)處理分別比對(duì)照降低了27％和62％，但差異均未達(dá)到顯著水平。
　　不同施氮處理的土壤N2O排放通量與土壤溫度(T0、T5、T10)以及土壤水分含量等環(huán)境要素的相關(guān)性表現(xiàn)各異:對(duì)照N0處理土壤N2O排放通量與土壤溫度T0、T5、T10表現(xiàn)極顯著相關(guān)，中氮N2處理N2O排放

11、通量與土壤溫度T0、T5、T10顯著相關(guān)，低氮N1和高氮N3處理N2O排放通量與土壤溫度(T0、T5、T10)之間沒(méi)有明顯相關(guān)性。N2O排放通量與土壤水分含量均無(wú)明顯相關(guān)性。整個(gè)觀測(cè)期間，N2O累積排放總量分別為N02.17±1.39kg·N2O·hm-2、N11.95±2.06kg·N2O·hm-2、N21.61±0.72kg·N2O·hm-2、N33.82±2.99kg·N2O·hm-2。與對(duì)照N0相比，低氮N1、中氮N2處理的樣地

12、N2O累積排放量分別降低了10％和26％，高氮N3處理使土壤N2O累積排放量增加76％，但與對(duì)照N0處理間土壤N2O累積排放量的差異均未達(dá)到顯著水平。
　　土壤溫度(T0、T5、T10)是控制NO排放的主要因素:對(duì)照N0處理土壤的NO排放通量與土壤溫度(T0、T5、T10)表現(xiàn)極顯著相關(guān)，低氮N1、中氮N2、高氮N3處理的土壤NO排放通量與土壤溫度(T0、T5、T10)均表現(xiàn)顯著相關(guān);NO排放與土壤水分含量之間均無(wú)明顯相關(guān)性。經(jīng)過(guò)

13、一年的施氮處理，不同施氮水平的樣地中土壤NO累積排放總量分別達(dá)到N00.32±0.08kg·NO·hm-2、N10.54±0.24kg·NO·hm-2、N20.71±0.33kg·NO·hm-2和N30.82±0.35kg·NO·hm-2。低氮N1、中氮N2以及高氮N3處理的樣地NO累積排放量與對(duì)照N0相比分別增加了67％、120％和155％，但差異均未達(dá)到顯著水平。
　　經(jīng)過(guò)一年的施氮處理，CO2、CH4和N2O轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量