氮输入对东北土壤碳蓄积氮素利用效率的影响
发布时间：2019-08-17 12:42
【摘要】：由于人类活动影响,通过沉降和施肥方式进入生态系统的活性氮显著增加,其对土壤有机碳库产生重要影响。氮素利用效率(NUE)作为深入理解陆地生态系统碳氮耦合关系的重要参数,对NUE时空规律的研究不仅可以评估目前氮输入对陆地生态系统碳汇增加的贡献,同时也有助于预测未来氮输入情况下陆地生态系统的碳平衡。利用生态系统过程模型——CEVSA2模型的模拟结果,分析了东北地区氮输入情况下,土壤碳的氮素利用效率(SNUE)的时空变化规律及其影响因素,结果表明:(1)1961—2010年,氮输入的显著增加促进了土壤碳的蓄积,但SNUE显著下降;(2)森林的平均SNUE最高,农田最低;灌丛的下降速率最大,森林的SNUE变化趋势最不显著;(3)三江平原和长白山地区以及大小兴安岭的部分地区SNUE最大,其次是辽河平原、松嫩平原地区;内蒙古高原、呼伦贝尔高原地区以及大、小兴安岭的部分地区SNUE出现负值,说明在这些地区,外援氮输入抑制了土壤碳的蓄积;(4)氮输入的空间分异和不同生态系统响应氮输入的差异共同决定了SNUE及其变化的空间格局。该研究结果可为进一步分析不同区域氮促汇潜力和预测未来氮输入情景下的区域碳平衡提供参考。
【图文】：
谱柿?(NBS，http://www．stats．gov．cn/)，折合成单位面积施用的纯氮量，结合2000年中国土地利用图进行空间化得到过去50年施肥的0．1°时空网格数据［5］。氮沉降数据根据栅格化的降水、施肥和能源消费数据(NBS，http://www．stats．gov．cn/)在模型中运行得到［5］。东北地区1961至2010年，氮沉降由0．3gNm－2a－1增加到1．65gNm－2a－1。至2000年，，农田区域氮沉降普遍达到2．0gNm－2a－1以上，在大小兴安岭和长白山等森林和草地分布区，氮沉降相对较小，普遍在0．75gNm－2a－1以下(图1)。东北地区农田的施肥以氮肥为主，过去50年，农田的施氮量由1．72gNm－2a－1增加至13．82gNm－2a－1，其中松嫩平原和辽河平原农田的施氮量普遍较高，在5．0gNm－2a－1以上，部分地区的施氮量超过10gNm－2a－1;三江平原的农田施氮量相对较低，在0—5gNm－2a－1(图1)［5］。图1东北地区2001—2010年氮沉降和2001—2008年施氮量的空间格局Fig．1Spatialpatternsofnitrogendepositionduring2001—2010andfertilizationduring2001—2008inNortheast1．3CEVSA2模型简介和验证CEVSA2模型是一个基于生理生态过程模拟植物-土壤-大气系统能量交换和水碳氮耦合循环的生物地球化学循环模型。CEVSA2模型基于目前已有的机理发现，包含了氮对光合、呼吸、分配和土壤碳分解等碳循环关键过程的影响模拟，从而能够很好地表达氮输入变化对于碳循环过程的影响。在空间模拟过程中输入数据和参数易于获取且空间分辨率较高。本研究构建了一个基于降水、施肥和能源消费模拟无机氮沉降的简单方法，该方法不仅能够评价区域氮沉降的时空格局，且能够实现不同情景下氮沉降时空格局的预测［35］。2772生态?
狯浚嘀饽谕寥捞济芏鹊谋浠狁扑扽NUE(gC/gN)，即土壤碳密度的变化量除以氮输入量，SNUE=soilCch/Ninput(4)式中，soilCch为氮输入引起的土壤碳密度的变化;Ninput为氮输入量。为分析氮输入的影响，设置了包含(1)和不包含氮输入(2)的两个模拟情景。利用情景(1)和情景(2)的土壤碳密度的差值作为氮输入引起土壤碳密度的变化量，不同年份的土壤碳密度的变化量(soilCch)为当年的氮输入引起的土壤碳密度量变化量减去前一年的土壤碳密度变化量。氮输入量(Ninput)为相应年份氮输入速率的变化量。2结果与讨论图21961—2010年东北地区氮输入速率和SNUE的时间变化Fig．2TemporalvariationsofnitrogendepositionrateandSNUEduring1961—20102．1SNUE的时间变化1961—2010年，中国东北地区的氮输入速率呈增加的趋势，而SNUE则显著下降(图2)。1961—1980年，氮输入水平较低且相对稳定，但SNUE显著下降，而在20世纪80年代后，氮输入呈线性增长趋势，而SNUE则相对稳定，下降趋势不显著。研究时段内，平均的SNUE为17．77gC/gN。DeVries等［41］的研究表明，2．8kgN/hm2的外源氮输入引起的土壤蓄积量为42kgC/hm2，相当于SNUE为15gC/gN。Nadelhoffer等［42］通过一系列的同位素示踪试验表明，只有小部分外源氮输入储存在土壤中，大部分(约70%)氮输入固持在C/N比仅为10—30的土壤中，SNUE为21gC/gN。Wamelink等［43］的模拟研究表明，SNUE大多变化在1—20gC/gN，有时会超过30gC/gN。卢蒙［6］通过整合分析发现，氮输入促进土壤碳平均增加了2．2%。本研究中氮输入使得东北地区土壤碳密度平均增加了1%。SNUE在已有的观测变化范围之内(氮添加下SNUE的范围在0—30gC/gN［29，41，44-45］)。不同研究估算的生态
【作者单位】： 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业部旱作节水农业重点实验室;中国科学院地理科学与资源研究所生态系统观测与模拟重点实验室;中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所国家林业局森林生态环境重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金项目(31370463,41271118,31070398) 中国农业科学院科技创新工程项目
【分类号】：S153
本文编号：2527788
【图文】：
谱柿?(NBS，http://www．stats．gov．cn/)，折合成单位面积施用的纯氮量，结合2000年中国土地利用图进行空间化得到过去50年施肥的0．1°时空网格数据［5］。氮沉降数据根据栅格化的降水、施肥和能源消费数据(NBS，http://www．stats．gov．cn/)在模型中运行得到［5］。东北地区1961至2010年，氮沉降由0．3gNm－2a－1增加到1．65gNm－2a－1。至2000年，，农田区域氮沉降普遍达到2．0gNm－2a－1以上，在大小兴安岭和长白山等森林和草地分布区，氮沉降相对较小，普遍在0．75gNm－2a－1以下(图1)。东北地区农田的施肥以氮肥为主，过去50年，农田的施氮量由1．72gNm－2a－1增加至13．82gNm－2a－1，其中松嫩平原和辽河平原农田的施氮量普遍较高，在5．0gNm－2a－1以上，部分地区的施氮量超过10gNm－2a－1;三江平原的农田施氮量相对较低，在0—5gNm－2a－1(图1)［5］。图1东北地区2001—2010年氮沉降和2001—2008年施氮量的空间格局Fig．1Spatialpatternsofnitrogendepositionduring2001—2010andfertilizationduring2001—2008inNortheast1．3CEVSA2模型简介和验证CEVSA2模型是一个基于生理生态过程模拟植物-土壤-大气系统能量交换和水碳氮耦合循环的生物地球化学循环模型。CEVSA2模型基于目前已有的机理发现，包含了氮对光合、呼吸、分配和土壤碳分解等碳循环关键过程的影响模拟，从而能够很好地表达氮输入变化对于碳循环过程的影响。在空间模拟过程中输入数据和参数易于获取且空间分辨率较高。本研究构建了一个基于降水、施肥和能源消费模拟无机氮沉降的简单方法，该方法不仅能够评价区域氮沉降的时空格局，且能够实现不同情景下氮沉降时空格局的预测［35］。2772生态?
狯浚嘀饽谕寥捞济芏鹊谋浠狁扑扽NUE(gC/gN)，即土壤碳密度的变化量除以氮输入量，SNUE=soilCch/Ninput(4)式中，soilCch为氮输入引起的土壤碳密度的变化;Ninput为氮输入量。为分析氮输入的影响，设置了包含(1)和不包含氮输入(2)的两个模拟情景。利用情景(1)和情景(2)的土壤碳密度的差值作为氮输入引起土壤碳密度的变化量，不同年份的土壤碳密度的变化量(soilCch)为当年的氮输入引起的土壤碳密度量变化量减去前一年的土壤碳密度变化量。氮输入量(Ninput)为相应年份氮输入速率的变化量。2结果与讨论图21961—2010年东北地区氮输入速率和SNUE的时间变化Fig．2TemporalvariationsofnitrogendepositionrateandSNUEduring1961—20102．1SNUE的时间变化1961—2010年，中国东北地区的氮输入速率呈增加的趋势，而SNUE则显著下降(图2)。1961—1980年，氮输入水平较低且相对稳定，但SNUE显著下降，而在20世纪80年代后，氮输入呈线性增长趋势，而SNUE则相对稳定，下降趋势不显著。研究时段内，平均的SNUE为17．77gC/gN。DeVries等［41］的研究表明，2．8kgN/hm2的外源氮输入引起的土壤蓄积量为42kgC/hm2，相当于SNUE为15gC/gN。Nadelhoffer等［42］通过一系列的同位素示踪试验表明，只有小部分外源氮输入储存在土壤中，大部分(约70%)氮输入固持在C/N比仅为10—30的土壤中，SNUE为21gC/gN。Wamelink等［43］的模拟研究表明，SNUE大多变化在1—20gC/gN，有时会超过30gC/gN。卢蒙［6］通过整合分析发现，氮输入促进土壤碳平均增加了2．2%。本研究中氮输入使得东北地区土壤碳密度平均增加了1%。SNUE在已有的观测变化范围之内(氮添加下SNUE的范围在0—30gC/gN［29，41，44-45］)。不同研究估算的生态
【作者单位】： 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业部旱作节水农业重点实验室;中国科学院地理科学与资源研究所生态系统观测与模拟重点实验室;中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所国家林业局森林生态环境重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金项目(31370463,41271118,31070398) 中国农业科学院科技创新工程项目
【分类号】：S153
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