模拟大气氮沉降对亚热带森林土壤温室气体排放的影响

摘要

大气氮沉降对森林土壤温室气体排放的影响与林地本身的养分状况以及氮素的输入量有关。本文采用15N稳定同位素成对标记并结合MCMC数值模型测定了戴云山国家级自然保护区内天然毛竹林(BF)和黄山松、杉木混合林(NF)土壤氮素初级转化速率，明确了研究区当地森林土壤的“氮状态”。采用降水降尘自动采样仪，持续观测当地大气氮素干、湿沉降，调查研究区大气氮沉降的种类和沉降量。基于当地土壤的“氮状态”和大气氮沉降量的背景值，以戴云山自然保护区内九仙山的毛竹林样地为原位监测点，设置对照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)四种施氮水平，以分析纯NH4NO3作为氮源，模拟大气氮沉降;采用静态箱-气相色谱法，研究大气氮沉降对亚热带森林土壤CH4、CO2、N2O以及NO气体排放通量的影响。主要研究结论如下:
　　(1)BF与NF两种亚热带森林土壤的氮转化过程均以铵态氮转化为主。BF土壤铵态氮的总产生速率(13.16μgN g-1soil day-1)是NF土壤的2倍(6.25μg N g-1soil day-1)，其中粘土矿物对铵态氮的解吸作用是BF产生铵态氮的主要过程(55％)，而NF主要以有机氮的矿化作用为主(56％)。BF土壤初级矿化速率（难分解有机氮库和易分解有机氮库的矿化作用之和）为5.56μgN g-1soil day-1，显著高于NF的3.40μg N g-1soil day-1，这主要是由于两种林地植被种类的差异以及不同植被下凋落物数量和质量的差异所引起的。
　　BF与NF土壤铵态氮总产生量的90％均被土壤微生物的同化作用以及粘土矿物的吸附作用所消耗。微生物将铵态氮固持于土壤有机氮库中以及粘土矿物对铵态氮的吸附作用，均能有效控制生态系统中铵态氮的可利用性。作为土壤氮素供应的有效缓冲作用，能够在生态系统铵态氮需求发生改变时迅速响应。
　　BF土壤硝态氮总产生速率(0.23μg N g-1soil day-1)与NF土壤(0.26μg N g-1soil day-1)相差不大，并且两种林地土壤中总硝态氮产生的90％均来自有机氮的异养硝化作用，自养硝化产生的硝态氮相对异养硝化作用可忽略不计。BF与NF土壤中硝态氮消耗量均超过了各自硝态氮的总产生速率，表明BF与NF土壤均能有效降低氮素的潜在淋失风险，其中BF土壤中硝态氮的消耗以微生物的同化作用为主(58％)，而NF土壤以DNRA过程为主(68％)。
　　(2)戴云山自然保护区大气氮素干、湿沉降总量为17.09kg N·hm-2，其中大气氮干、湿沉降通量分别为2.30kg N·hm-2和14.79kg N·hm-2。干沉降中可溶性有机氮的沉降通量为1.21kg N·hm-2，占总氮干沉降通量的53％;无机氮干沉降通量1.09kgN·hm-2，以硝态氮沉降为主(0.71kg N·hm-2)，铵态氮干沉降通量相对较低(0.37kg N·hm-2)。湿沉降中总无机氮和可溶性有机氮沉降通量分别为9.41kg N·hm-2和5.38kg N·hm-2，其中无机氮沉降以铵态氮沉降为主(6.07kg N·hm-2)。氮素湿沉降通量和当地降雨量显著正相关，降雨量越大，对应的湿沉降氮通量也越大。
　　(3)CO2排放通量具有典型的季节模式，呈现夏、秋季节排放较高，春、冬季节排放相对较低的特点。施氮处理不改变CO2季节排放模式。土壤CO2排放通量与土壤表层温度(T0)、土壤5cm温度(T5)以及土壤10cm温度(T10)均表现极显著相关性。由此推论，土壤温度是影响戴云山森林土壤CO2季节排放的主要环境因子，施氮并没有显著改变CO2排放对温度变化的响应值Q10。经过一年的施氮处理，不同施氮水平的样地CO2排放总量依次为N021129±2673kg·CO2·hm-2、N126770±4677kg·CO2·hm-2、N224466±3919kg·CO2·hm-2以及N317806±5071kg·CO2·hm-2。相对于对照N0，低氮N1、中氮N2施氮处理使土壤CO2累积排放分别增加了27％和18％，高氮N3处理使土壤CO2累积排放量降低了16％，但低氮、中氮、高氮处理与对照处理间土壤CO2累积排放总量的差异均未达到显著水平。
　　样地土壤对大气CH4的吸收通量没有随季节变化表现出明显的波动，不同施氮水平的样地土壤对大气CH4的吸收通量与不同土层温度(T0、T5、T10)以及土壤水分含量之间均不存在明显相关性。整个观测期，低氮N1处理的样地土壤对大气CH4的吸收总量与对照N0处理相当，分别为N02.01±0.23kg·CH4·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)处理分别比对照降低了27％和62％，但差异均未达到显著水平。
　　不同施氮处理的土壤N2O排放通量与土壤温度(T0、T5、T10)以及土壤水分含量等环境要素的相关性表现各异:对照N0处理土壤N2O排放通量与土壤温度T0、T5、T10表现极显著相关，中氮N2处理N2O排放通量与土壤温度T0、T5、T10显著相关，低氮N1和高氮N3处理N2O排放通量与土壤温度(T0、T5、T10)之间没有明显相关性。N2O排放通量与土壤水分含量均无明显相关性。整个观测期间，N2O累积排放总量分别为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。与对照N0相比，低氮N1、中氮N2处理的样地N2O累积排放量分别降低了10％和26％，高氮N3处理使土壤N2O累积排放量增加76％，但与对照N0处理间土壤N2O累积排放量的差异均未达到显著水平。
　　土壤温度(T0、T5、T10)是控制NO排放的主要因素:对照N0处理土壤的NO排放通量与土壤温度(T0、T5、T10)表现极显著相关，低氮N1、中氮N2、高氮N3处理的土壤NO排放通量与土壤温度(T0、T5、T10)均表现显著相关;NO排放与土壤水分含量之间均无明显相关性。经过一年的施氮处理，不同施氮水平的样地中土壤NO累积排放总量分别达到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处理的样地NO累积排放量与对照N0相比分别增加了67％、120％和155％，但差异均未达到显著水平。
　　经过一年的施氮处理，CO2、CH4和N2O转化为CO2当量的全球增温潜势(GWP)后，与对照相比，中、低水平的施氮使三种温室气体的总GWP增加26％和15％，而高氮处理降低了13％，但总GWP在施氮处理(N1、N2、N3)与对照(N0)之间的差异没达到显著水平。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景

1．2．1 大气氮沉降

1．2．2 大气氮沉降的“施肥作用”

1．2．3 大气氮沉降的“负面效应”

1．3 国内外的研究现状及趋势

1．3．1 大气氮沉降的研究进展

1．3．2 氮沉降对森林土壤CO2排放的影响

1．3．3 大气氮沉降对森林土壤吸收大气CH4的影响

1．3．4 大气氮沉降对森林土壤N2O／NO排放的影响

1．3．5 小结

1．4 实验方案

1．4．1 研究方法

1．4．2 模拟实验的施氮量

1．5 研究目标与研究内容

1．5．1 研究目标

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线图

第2章 戴云山森林土壤氮转化特点

2．1 研究区与供试土壤

2．2 土壤理化性质及氮转化速率测定

2．2．1 土壤理化性质测定

2．2．2 15N成对标记实验

2．2．3 MCMC数值模型

2．3 数据分析

2．4 实验结果

2．4．1 土壤理化性质

2．4．2 氮初级转化速率

2．5 讨论分析

2．5．1 铵态氮动态

2．5．2 硝态氮动态

2．6 小结

第3章 戴云山自然保护区大气氮沉降特点

3．1 观测地点

3．2 采样方法

3．3 样品分析

3．4 数据处理

3．5 结果分析

3．5．1 大气氮素湿沉降

3．5．2 大气氮素干沉降

3．6 小结

第4章 大气氮沉降模拟试验

4．1 原位氮沉降模拟实验

4．1．1 实验地点

4．1．2 实验处理

4．1．3 气体采集

4．1．4 土壤样品采集

4．1．5 室内分析处理

4．1．6 气体通量计算

4．2 不同水平氮输入对土壤CO2、CH4、N2O和NO通量的影响

4．2．1 大气氮沉降对土壤CO2排放的影响

4．2．2 大气氮沉降对土壤吸收大气CH4的影响

4．2．3 大气氮沉降对土壤N2O排放的影响

4．2．4 大气氮沉降对土壤NO排放的影响

4．2．5 全球增温潜势分析(Global Warming Potential，GWP)

4．3 小结

5．1 研究结论

5．2 创新之处

5．3 研究不足及展望

参考文献

附录

致谢