大氣氮沉降對森林土壤碳庫的影響

李云紅 張 宇 劉延坤 陳 瑤 邵英男

(1.黑龍江省森林工程與環(huán)境研究所；2.黑龍江省林業(yè)監(jiān)測規(guī)劃院)

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大氣氮沉降對森林土壤碳庫的影響

李云紅1張 宇2劉延坤1陳 瑤1邵英男1

(1.黑龍江省森林工程與環(huán)境研究所；2.黑龍江省林業(yè)監(jiān)測規(guī)劃院)

土壤碳庫在整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中占有十分重要的地位，大氣氮沉降不斷加劇影響著森林土壤碳庫貯存過程。本文從土壤碳庫的輸入和輸出兩方面分析了大氣氮沉降對土壤碳庫的影響，為進(jìn)一步開展相關(guān)研究提供參考。

氮沉降 森林土壤碳庫

自工業(yè)革命尤其是近幾十年來，隨著化石燃料的燃燒、工農(nóng)業(yè)以及畜牧業(yè)的發(fā)展，向大氣中排放的含氮化合物迅速增加，從而引起氮沉降。研究表明，在未來的25年內(nèi)，全球氮沉降水平將會加倍增長，因此，氮沉降問題已經(jīng)成為國際生態(tài)和環(huán)境等學(xué)科研究的熱點(diǎn)問題。土壤碳庫在整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中占有十分重要的地位，其碳庫容量是植被碳庫的2-3倍，是大氣碳庫的2倍，在全球碳平衡的維持中發(fā)揮著巨大的作用。大氣氮沉降通過影響森林凋落物分解和土壤呼吸，最終會對生態(tài)系統(tǒng)土壤碳貯存過程產(chǎn)生影響，從而使土壤碳源匯效應(yīng)發(fā)生一定改變。本文從土壤碳庫的輸入和輸出兩方面分析了大氣氮沉降對土壤碳庫的影響，為進(jìn)一步開展相關(guān)研究提供參考。

1 森林土壤碳庫的作用

森林土壤碳庫是植物凋落物及根系輸入與土壤有機(jī)質(zhì)分解輸出的平衡產(chǎn)物，是生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)的結(jié)果。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其碳周轉(zhuǎn)速率較慢，能夠長期維持生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量。同時(shí)，土壤是一個(gè)多項(xiàng)多界面的綜合系統(tǒng)，包括氣態(tài)-固態(tài)、氣態(tài)-液態(tài)、液態(tài)-固態(tài)等，其間存在相互作用的內(nèi)在聯(lián)系并發(fā)生生物化學(xué)過程，從而維持土壤肥力，促進(jìn)地上植被的生長。

2 森林土壤碳庫的影響因素

森林土壤碳庫由植被凋落物歸還量和土壤有機(jī)碳的積累與釋放所決定。其中凋落物歸還量、細(xì)根輸入量屬于土壤碳庫輸入部分，這部分是由森林植被類型決定的，不同植被其凋落物、根系分泌物不同，為土壤微生物提供的碳源也不同，同時(shí)，不同植被類型其根系的分布格局也不同，綜合以上因素直接影響到土壤碳庫的輸入數(shù)量和垂直分布。土壤碳庫輸出部分以土壤呼吸釋放為主，土壤呼吸包括植被根系呼吸、土壤動物和微生物呼吸以及土壤有機(jī)物氧化而產(chǎn)生的二氧化碳排放。影響土壤碳庫釋放的因子包括土壤溫度、濕度、有機(jī)質(zhì)含量等非生物因子以及植被種類、凋落物質(zhì)量等生物因子和施肥、土壤利用等人為活動因子。各種因子相互作用，形成土壤碳庫的動態(tài)平衡。

3 大氣氮沉降對土壤碳庫輸入的影響

3.1 對凋落物的影響

大氣氮沉降至森林生態(tài)系統(tǒng)后，明顯增加土壤氮含量，促進(jìn)植物根系吸收，使植被凋落物氮含量升高以及引起凋落物內(nèi)其它元素含量發(fā)生變化，從而影響凋落物的分解速率。研究表明，外加氮源能夠加快針葉凋落物的分解速率，但僅限于低氮處理和中氮處理，這是因?yàn)樵械纳鷳B(tài)系統(tǒng)受氮素限制，不能滿足微生物分解凋落物的需求，但高氮處理則在一定程度上超過了生態(tài)系統(tǒng)對氮素的需求，并不能加快凋落物的分解速率，相反，如果森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部處于氮飽和狀態(tài)，則氮沉降反而會抑制微生物和土壤動物對凋落物的分解。氮沉降對凋落物分解影響的機(jī)理可能為其改變了凋落物底物質(zhì)量和參與分解的微生物、土壤酶的組成及活性。

3.2 對細(xì)根的影響

植物根系尤其是直徑小于2 mm的細(xì)根在土壤碳庫的存儲和周轉(zhuǎn)中發(fā)揮著重要作用。研究表明，溫帶森林土壤碳庫中，土壤碳總輸入量的14.0%-86.8%是通過細(xì)根周轉(zhuǎn)輸入完成的，大多數(shù)情況下其比例為40%左右。氮沉降對細(xì)根周轉(zhuǎn)過程的影響主要是通過改變細(xì)根的年生長量、化學(xué)成分和周轉(zhuǎn)速率來完成的。目前的研究中針對氮沉降對細(xì)根的影響得出的結(jié)論不盡相同，有的研究中氮沉降降低了細(xì)根生物量，也有得出相反結(jié)論的，這說明氮沉降和土壤碳庫的相互作用是極其復(fù)雜的。同時(shí)，氮沉降也會改變植物光合產(chǎn)物在地上各器官和細(xì)根間的分配比以及根系的周轉(zhuǎn)速率。

4 大氣氮沉降對土壤碳庫輸出的影響

土壤碳庫輸出是指通過土壤呼吸向大氣中釋放二氧化碳和甲烷，森林土壤碳庫中二氧化碳排放為5%-20%、甲烷為15%-30%。因此，土壤碳庫輸出的微小波動可能會對全球溫室效應(yīng)產(chǎn)生巨大影響。土壤呼吸受土壤溫濕度、根系生物量、土壤微生物等諸多因素的影響。大氣氮沉降可以改變土壤理化性質(zhì)(如碳氮比)、土壤微生物活性，從而影響凋落物及土壤有機(jī)質(zhì)的分解，進(jìn)而改變土壤呼吸的碳排放速率。

現(xiàn)有研究表明，大氣氮沉降對土壤呼吸可能有三種作用，分別為促進(jìn)作用、抑制作用或無影響。促進(jìn)作用大多數(shù)表現(xiàn)在氮沉降試驗(yàn)初期，森林處于氮限制狀態(tài)，外加氮源能夠改善土壤營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、增加微生物種類及數(shù)量，從而加快土壤有機(jī)質(zhì)及凋落物的分解，增加土壤二氧化碳和甲烷的排放。但是，更多的研究結(jié)果傾向于大氣氮沉降對土壤呼吸的抑制作用。這是因?yàn)?，隨著大氣氮沉降，土壤中富集的氮素增多，使土壤碳氮比失衡，從而抑制土壤微生物和碳源活性，同時(shí)，大氣氮沉降影響細(xì)根的生長量和周轉(zhuǎn)速率，綜合作用使得土壤呼吸作用被抑制。此外，一部分研究發(fā)現(xiàn)，在一段時(shí)間內(nèi)的大氣氮沉降對碳庫排放的影響不明顯，這可能是由于受氣候、環(huán)境等因素影響，外源氮素沒能真正進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)中，從而未對土壤呼吸產(chǎn)生顯著影響。

5 結(jié)束語

大氣氮沉降對森林土壤碳庫的影響是一個(gè)漫長而又復(fù)雜的綜合作用過程，現(xiàn)有的研究缺乏長期數(shù)據(jù)的累積，導(dǎo)致在氮沉降對森林土壤碳庫的長期影響研究中存在諸多不確定性。同時(shí)，各個(gè)地區(qū)由于環(huán)境因素不同，土壤、植被、微生物、外源輸入物質(zhì)等及其之間相互作用也不同，因此，大氣氮沉降對土壤碳庫作用的結(jié)果也各有差異，這需要在今后的研究工作中加強(qiáng)大氣氮沉降對土壤碳庫影響的機(jī)理研究，從而為全面、準(zhǔn)確評估我國森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫變化提供基礎(chǔ)支持。

[1]Kaiser J.The other global pollutant: nitrogen proves tough to curb[J].Science, 2001, 294(5545): 1268-1269.

[2]郭廣芬, 張稱意, 徐影.氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳儲量變化的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志, 2006, 25(4): 435-442

[3]常運(yùn)華, 劉學(xué)軍, 李凱輝等.大氣氮沉降研究進(jìn)展[J].干旱區(qū)研究, 2012, 29(6): 972-979.

責(zé)任編輯：王宇紅

校 對：王大軍

Effect of Atmospheric Nitrogen Deposition on Forest Soil Carbon Pool

LiYunhongZhangYuLiuYankunChenYaoShaoYingnan

(First-author's address:Forest engineering and Environment Research Institute of Heilongjiang Province,Harbin 150081,China)

The soil carbon pool plays an important role in the carbon pool in terrestrial ecosystem, increasing atmospheric nitrogen deposition affects forest soil carbon storage process, this paper analyzes the effects of atmospheric nitrogen deposition on soil carbon input and output, as to provide reference for further research.

Nitrogen deposition, Forest soil carbon pool

國家自然基金面上項(xiàng)目(41275154)。

李云紅(1979-)，女，黑龍江七臺河人，碩士，助理研究員，主要從事森林生態(tài)研究。

2017-01-10