氮輸入對(duì)東北土壤碳蓄積氮素利用效率的影響

顧峰雪,黃 玫,張遠(yuǎn)東,李 潔,郭 瑞,嚴(yán)昌榮

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091

?

氮輸入對(duì)東北土壤碳蓄積氮素利用效率的影響

顧峰雪1,黃 玫2,張遠(yuǎn)東3,*,李 潔1,郭 瑞1,嚴(yán)昌榮1

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091

由于人類(lèi)活動(dòng)影響,通過(guò)沉降和施肥方式進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的活性氮顯著增加,其對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)產(chǎn)生重要影響。氮素利用效率(NUE)作為深入理解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮耦合關(guān)系的重要參數(shù),對(duì)NUE時(shí)空規(guī)律的研究不僅可以評(píng)估目前氮輸入對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯增加的貢獻(xiàn),同時(shí)也有助于預(yù)測(cè)未來(lái)氮輸入情況下陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡。利用生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程模型——CEVSA2模型的模擬結(jié)果,分析了東北地區(qū)氮輸入情況下,土壤碳的氮素利用效率(SNUE)的時(shí)空變化規(guī)律及其影響因素,結(jié)果表明：(1)1961—2010年,氮輸入的顯著增加促進(jìn)了土壤碳的蓄積,但SNUE顯著下降；(2)森林的平均SNUE最高,農(nóng)田最低；灌叢的下降速率最大,森林的SNUE變化趨勢(shì)最不顯著；(3)三江平原和長(zhǎng)白山地區(qū)以及大小興安嶺的部分地區(qū)SNUE最大,其次是遼河平原、松嫩平原地區(qū)；內(nèi)蒙古高原、呼倫貝爾高原地區(qū)以及大、小興安嶺的部分地區(qū)SNUE出現(xiàn)負(fù)值,說(shuō)明在這些地區(qū),外援氮輸入抑制了土壤碳的蓄積；(4)氮輸入的空間分異和不同生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)氮輸入的差異共同決定了SNUE及其變化的空間格局。該研究結(jié)果可為進(jìn)一步分析不同區(qū)域氮促匯潛力和預(yù)測(cè)未來(lái)氮輸入情景下的區(qū)域碳平衡提供參考。

氮沉降；施肥；氮素利用效率；土壤有機(jī)碳密度；CEVSA2模型；東北

由于化石燃料燃燒,施肥和畜牧業(yè)的發(fā)展,使得大氣氮沉降的速率呈線性趨勢(shì)增長(zhǎng)[1- 5],對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力、碳儲(chǔ)量和碳匯強(qiáng)度等產(chǎn)生了深刻影響[6-7]。土壤有機(jī)碳庫(kù)作為全球最大的碳庫(kù),其積累與穩(wěn)定性對(duì)氮輸入的響應(yīng)備受關(guān)注[8]。氮輸入對(duì)土壤碳庫(kù)影響的試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果包含了顯著增加[9-13]、降低[14-16]和影響不顯著[17-22]的所有情況,出現(xiàn)這種差異的原因主要是生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型、土壤深度、土壤碳測(cè)定方法,氮添加濃度、種類(lèi)和土壤碳組分等方面的差異[8,23- 25],是氮輸入影響下土壤碳輸入和輸出平衡的結(jié)果[8,26]。研究區(qū)域土壤有機(jī)碳庫(kù)對(duì)氮輸入的響應(yīng),對(duì)于分析區(qū)域的氮促匯潛力和評(píng)估未來(lái)氮輸入條件下的區(qū)域碳平衡具有重要意義。

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)是相互作用、緊密聯(lián)系的兩個(gè)過(guò)程,碳的積累與氮的供應(yīng)密切相關(guān)[8,27],碳氮耦合關(guān)系是相關(guān)學(xué)科的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。氮素利用效率(NUE)可以作為深入理解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮耦合關(guān)系的重要參數(shù),對(duì)NUE時(shí)空規(guī)律的研究不僅可以評(píng)估目前氮輸入對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯增加的貢獻(xiàn),同時(shí)也有助于預(yù)測(cè)未來(lái)氮輸入情況下陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡[28]。不同學(xué)科、角度和尺度,對(duì)NUE的定義和描述具有較大差異。在本研究中,定義土壤碳的氮素利用效率(SNUE)為單位氮輸入引起的土壤碳密度變化量。由于輸入氮的去向和生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的差異等,生態(tài)系統(tǒng)尺度上NUE存在較大的變異性[29]。目前對(duì)區(qū)域氮輸入增加條件下,SNUE的時(shí)間變化和空間分異特征及其影響因素還缺乏分析研究。

東北作為中國(guó)重要的商品糧基地和天然林區(qū),其土壤有機(jī)碳庫(kù)占中國(guó)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的15%左右[5,30],在區(qū)域碳平衡和氮促匯過(guò)程中具有重要作用?；贑EVSA2模型模擬分析了氮輸入對(duì)東北地區(qū)土壤碳蓄積時(shí)空格局的影響,結(jié)果表明1961—2010年氮輸入共增加土壤碳蓄積0.16 PgC[5]。本文基于CEVSA2已有的模擬結(jié)果,分析了氮輸入下SNUE的時(shí)空動(dòng)態(tài)及其變化,以及氮輸入和植被類(lèi)型等因素對(duì)SNUE時(shí)空變化的影響,為進(jìn)一步分析不同區(qū)域氮促匯的潛力和預(yù)測(cè)未來(lái)氮輸入情景下的區(qū)域碳平衡奠定基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域簡(jiǎn)介

本研究中,東北地區(qū)(38°48′—53°33′N(xiāo),115°31′—135°05′E)主要包括黑龍江、吉林、遼寧以及內(nèi)蒙古地區(qū)東北部,北部與俄羅斯接壤,東南部與朝鮮半島相接,南部濱臨中國(guó)渤海和黃海[31]。本研究中統(tǒng)計(jì)的總面積為11.73×105km2。東北是世界三大黑土帶之一[32]。分布著中國(guó)最大的天然林區(qū),全區(qū)森林面積占全國(guó)森林總面積的37%,占全國(guó)木材總蓄積量的三分之一[33]。東北也是我國(guó)重要的商品糧基地,玉米、大豆等作物播種面積均占全國(guó)首位[34]。東北陸地生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量為26.43 PgC,在全球碳庫(kù)預(yù)算中起著舉足輕重的作用[30]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 氣候、CO2、土壤類(lèi)型和土壤質(zhì)地、植被類(lèi)型數(shù)據(jù)

模型中所使用的氣象數(shù)據(jù)來(lái)自于國(guó)家氣象信息中心,包括1961—2010年全國(guó)756個(gè)氣象臺(tái)站的每旬平均氣溫、降水量、云量和相對(duì)濕度。大氣CO2濃度資料來(lái)源于美國(guó)夏威夷Mauna Loa觀測(cè)所(http://co2now.org/Current-CO2/CO2-Now/noaa-mauna-loa-co2-data.html)。土壤類(lèi)型和質(zhì)地資料取自1∶14000000土壤類(lèi)型圖和第二次土壤普查數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化并重采樣到0.1°。植被數(shù)據(jù)來(lái)自于Global Land Cover 2000數(shù)據(jù)庫(kù)(http://bioval.jrc.ec.europa.eu/products/glc2000/glc2000.php),共有22種土地覆被類(lèi)型。

1.2.2 氮輸入相關(guān)數(shù)據(jù)：施肥、能源消費(fèi)和氮沉降

本研究中,自然生態(tài)系統(tǒng)(森林、灌叢、草地)的氮輸入是指通過(guò)干、濕沉降途徑進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的無(wú)機(jī)氮,而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)還包含了通過(guò)施肥方式進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的無(wú)機(jī)氮。施肥數(shù)據(jù)來(lái)自于縣級(jí)單元的統(tǒng)計(jì)資料 (NBS, http://www.stats.gov.cn/),折合成單位面積施用的純氮量,結(jié)合2000年中國(guó)土地利用圖進(jìn)行空間化得到過(guò)去50年施肥的0.1°時(shí)空網(wǎng)格數(shù)據(jù)[5]。氮沉降數(shù)據(jù)根據(jù)柵格化的降水、施肥和能源消費(fèi)數(shù)據(jù)(NBS, http://www.stats.gov.cn/)在模型中運(yùn)行得到[5]。東北地區(qū)1961至2010年,氮沉降由0.3 gNm-2a-1增加到1.65 gNm-2a-1。至2000年,農(nóng)田區(qū)域氮沉降普遍達(dá)到2.0 gNm-2a-1以上,在大小興安嶺和長(zhǎng)白山等森林和草地分布區(qū),氮沉降相對(duì)較小,普遍在0.75 gNm-2a-1以下(圖1)。東北地區(qū)農(nóng)田的施肥以氮肥為主,過(guò)去50年,農(nóng)田的施氮量由1.72 gNm-2a-1增加至13.82 gNm-2a-1,其中松嫩平原和遼河平原農(nóng)田的施氮量普遍較高,在5.0 gNm-2a-1以上,部分地區(qū)的施氮量超過(guò)10 gNm-2a-1；三江平原的農(nóng)田施氮量相對(duì)較低,在0—5 gNm-2a-1(圖1)[5]。

圖1 東北地區(qū)2001—2010年氮沉降和2001—2008年施氮量的空間格局Fig.1 Spatial patterns of nitrogen deposition during 2001—2010 and fertilization during 2001—2008 in Northeast

1.3 CEVSA2模型簡(jiǎn)介和驗(yàn)證

CEVSA2模型是一個(gè)基于生理生態(tài)過(guò)程模擬植物-土壤-大氣系統(tǒng)能量交換和水碳氮耦合循環(huán)的生物地球化學(xué)循環(huán)模型。CEVSA2模型基于目前已有的機(jī)理發(fā)現(xiàn),包含了氮對(duì)光合、呼吸、分配和土壤碳分解等碳循環(huán)關(guān)鍵過(guò)程的影響模擬,從而能夠很好地表達(dá)氮輸入變化對(duì)于碳循環(huán)過(guò)程的影響。在空間模擬過(guò)程中輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)易于獲取且空間分辨率較高。本研究構(gòu)建了一個(gè)基于降水、施肥和能源消費(fèi)模擬無(wú)機(jī)氮沉降的簡(jiǎn)單方法,該方法不僅能夠評(píng)價(jià)區(qū)域氮沉降的時(shí)空格局,且能夠?qū)崿F(xiàn)不同情景下氮沉降時(shí)空格局的預(yù)測(cè)[35]。

以往的研究已經(jīng)利用多尺度多途徑的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型的模擬效果進(jìn)行了驗(yàn)證[36-38]。另外,通過(guò)在海倫和公主嶺兩個(gè)站點(diǎn)長(zhǎng)期施肥的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[39-40]對(duì)模型的驗(yàn)證結(jié)果表明[5],CEVSA2模型在上述兩個(gè)站點(diǎn)模擬的相對(duì)誤差分別在6.84%和15.39%,模擬與試驗(yàn)的組間方差均小于兩地試驗(yàn)的組內(nèi)方差,因此, CEVSA2模型可以很好地模擬東北地區(qū)農(nóng)田土壤碳對(duì)氮輸入的響應(yīng)[5]。

1.4 SNUE的計(jì)算方法

本研究定義SNUE為單位氮輸入引起的土壤碳密度變化量,基于土壤碳密度的變化計(jì)算SNUE(gC/gN),即土壤碳密度的變化量除以氮輸入量,

SNUE=soilCch/Ninput

(4)

式中,soilCch為氮輸入引起的土壤碳密度的變化；Ninput為氮輸入量。為分析氮輸入的影響,設(shè)置了包含(1)和不包含氮輸入(2)的兩個(gè)模擬情景。利用情景(1)和情景(2)的土壤碳密度的差值作為氮輸入引起土壤碳密度的變化量,不同年份的土壤碳密度的變化量(soilCch)為當(dāng)年的氮輸入引起的土壤碳密度量變化量減去前一年的土壤碳密度變化量。氮輸入量(Ninput)為相應(yīng)年份氮輸入速率的變化量。

2 結(jié)果與討論

2.1 SNUE的時(shí)間變化

圖2 1961—2010年?yáng)|北地區(qū)氮輸入速率和SNUE的時(shí)間變化 Fig.2 Temporal variations of nitrogen deposition rate and SNUE during 1961—2010

1961—2010年,中國(guó)東北地區(qū)的氮輸入速率呈增加的趨勢(shì),而SNUE則顯著下降(圖2)。1961—1980年,氮輸入水平較低且相對(duì)穩(wěn)定,但SNUE顯著下降,而在20世紀(jì)80年代后,氮輸入呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),而SNUE則相對(duì)穩(wěn)定,下降趨勢(shì)不顯著。研究時(shí)段內(nèi),平均的SNUE為17.77 gC/gN。De Vries等[41]的研究表明,2.8 kgN/hm2的外源氮輸入引起的土壤蓄積量為42 kgC/hm2,相當(dāng)于SNUE為15 gC/gN。Nadelhoffer等[42]通過(guò)一系列的同位素示蹤試驗(yàn)表明,只有小部分外源氮輸入儲(chǔ)存在土壤中,大部分(約70%)氮輸入固持在C/N比僅為10—30的土壤中, SNUE為21 gC/gN。Wamelink等[43]的模擬研究表明,SNUE大多變化在1—20 gC/gN,有時(shí)會(huì)超過(guò)30 gC/gN。盧蒙[6]通過(guò)整合分析發(fā)現(xiàn),氮輸入促進(jìn)土壤碳平均增加了2.2%。本研究中氮輸入使得東北地區(qū)土壤碳密度平均增加了1%。SNUE在已有的觀測(cè)變化范圍之內(nèi)(氮添加下SNUE的范圍在0—30 gC/gN[29，41,44-45])。不同研究估算的生態(tài)系統(tǒng)SNUE在方向和強(qiáng)度上存在顯著差異,一是因?yàn)椴煌芯繉?duì)NUE的定義和計(jì)算方法不同,更重要的是因?yàn)镹UE受到植被和多種環(huán)境因素的影響[28-29]。

2.2 不同植被類(lèi)型SNUE響應(yīng)氮輸入的差異

氮輸入使得農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳密度增加量最大,顯著高于灌叢、草地和森林[5],這與盧蒙[6]的整合分析結(jié)果一致。但農(nóng)田的SNUE最低,50年平均為12.93 gC/gN,森林的SNUE最高,達(dá)到41.70 gC/gN,灌叢和草地的SNUE值分別為39.30 gC/gN和36.12 gC/gN。展小云的研究[28]也發(fā)現(xiàn),森林的凈初級(jí)生產(chǎn)力NUE是農(nóng)田的2倍。有研究表明,高施氮率下土壤碳庫(kù)的增幅要大于中、低施氮率下的土壤碳增幅[23],長(zhǎng)期施氮下的土壤碳庫(kù)增幅也要大于中、短期土壤碳庫(kù)的增幅[6]。農(nóng)田在高的土壤碳庫(kù)增幅條件下,由于氮輸入量遠(yuǎn)高于森林和草地等自然生態(tài)系統(tǒng),造成SNUE率反而是最低的。另外,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和其他自然生態(tài)系統(tǒng)相比,在人為干擾頻率和強(qiáng)度、凋落物輸入量和周轉(zhuǎn),土壤微生物區(qū)系和組成、碳氮本底、氮素周轉(zhuǎn)速率等方面均存在巨大差異,這些差異均導(dǎo)致了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)與其他自然生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)相關(guān)參數(shù)對(duì)氮輸入的不同響應(yīng)[6]。在相同氮輸入條件下,不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)由于土壤性質(zhì)、有機(jī)質(zhì)輸入和環(huán)境特征等的差異,使得土壤碳的分解與積累對(duì)氮輸入的響應(yīng)存在差異[25]。

不同植被類(lèi)型的SNUE均隨時(shí)間推移而下降,但不同時(shí)期的變化存在顯著差異(圖3)。,灌叢、草地和農(nóng)田的SNUE在1961—1980年間下降顯著,1980年以后減幅變緩。森林SNUE在1961到20世紀(jì)80年代中期均為緩慢增加,之后開(kāi)始緩慢減小。分析結(jié)果表明,農(nóng)田土壤碳對(duì)兩種輸入方式下的氮素利用效率差別不大,但氮沉降的氮素利用效率(14.52 gC/gN)略高于施氮的氮素利用效率(12.72 gC/gN)。

圖3 不同植被類(lèi)型SNUE的時(shí)間變化Fig.3 Temporal variations of SNUE among major biomes

2.3 SNUE及其變化趨勢(shì)的空間格局

東北有部分地區(qū)的SNUE小于零(圖4),主要分布在內(nèi)蒙古高原、呼倫貝爾高原以及大、小興安嶺的部分地區(qū),說(shuō)明在這些地區(qū),外源氮輸入抑制了土壤碳的蓄積。盧蒙[6]的整合分析也發(fā)現(xiàn),相比地上碳庫(kù)的增加,土壤碳具有大量降低的情況。遼河平原、松嫩平原地區(qū)的SNUE在0—20 gC/gN之間,三江平原和長(zhǎng)白山地區(qū)以及大小興安嶺的部分地區(qū)SNUE達(dá)到了30 gC/gN,部分地區(qū)的SNUE超過(guò)了50 gC/gN。氮輸入對(duì)土壤碳的影響是非常復(fù)雜的生態(tài)學(xué)過(guò)程,不同區(qū)域和不同植被類(lèi)型下,植物光合、生長(zhǎng)、呼吸,凋落物產(chǎn)生量,微生物群落和數(shù)量等生態(tài)系統(tǒng)特征存在很大的差異,造成不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氮輸入的響應(yīng)及其SNUE存在較大差異[6]。

從SNUE 的變化趨勢(shì)來(lái)看(圖4),只有大小興安嶺、內(nèi)蒙古高原的部分地區(qū)的SNUE呈增加的變化趨勢(shì),這些區(qū)域本身也是氮沉降及其增長(zhǎng)速率較小的地區(qū),其余大部分地區(qū)的SNUE呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。在三江平原和長(zhǎng)白山區(qū),部分地區(qū)的SNUE每年減少超過(guò)2 gC/gN,有些地區(qū)的SNUE減少量甚至超過(guò)5 gC/gN。

圖4 東北地區(qū)SNUE的空間分布及其變化趨勢(shì)Fig.4 The spatial pattern and trend of SNUE in Northeast China during 1961—2010

2.4 不確定性分析

(1)不同植被類(lèi)型的響應(yīng)差異及其機(jī)制尚不明確

土壤碳庫(kù)對(duì)氮輸入響應(yīng)在空間分布與時(shí)間變化上的差異,一方面是由于不同區(qū)域的氮輸入速率存在較大差異,另一方面是因?yàn)橹脖槐旧韺?duì)外源氮輸入的響應(yīng)差異。目前關(guān)于不同植被下土壤有機(jī)碳庫(kù)及其組分對(duì)氮輸入的響應(yīng)已有大量研究,在不同植被下的觀測(cè)結(jié)果往往得出相互矛盾的結(jié)論,這可能與不同植被碳的固定、分配、土壤呼吸和根呼吸的不同過(guò)程,以及微生物活動(dòng)對(duì)氮的反應(yīng)不同有關(guān)[46-47]。影響NUE的因素還包括植物體內(nèi)次生代謝過(guò)程,低生產(chǎn)力物種每同化單位氮素所生產(chǎn)的生物量低于高生產(chǎn)力物種,因而導(dǎo)致其較低的NUE[6]。盡管不同研究發(fā)現(xiàn)了不同類(lèi)型植被地上和地下碳庫(kù)對(duì)氮輸入響應(yīng)的差異,目前卻無(wú)法解釋其響應(yīng)差異的機(jī)制,有待于進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)[48-49]。

(2)土壤復(fù)雜非線性的響應(yīng)造成利用短期試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)長(zhǎng)期的趨勢(shì)存在較大的不確定性

對(duì)于環(huán)境的長(zhǎng)期變化和干擾,生態(tài)系統(tǒng)除了直接反應(yīng),還有復(fù)雜的適應(yīng)性變化[50-51]。適應(yīng)性變化發(fā)生在生態(tài)系統(tǒng)的各個(gè)層次,且在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上才表現(xiàn)出來(lái)。目前已有的試驗(yàn)研究,大部分時(shí)間較短,重點(diǎn)在于觀測(cè)氮添加下土壤碳庫(kù)及其組分的短期響應(yīng)。盡管氮素作為限制因素,氮輸入的增加能夠顯著增加生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[6],但也有觀測(cè)發(fā)現(xiàn),當(dāng)葉片氮含量超過(guò)一定值后,光合速率不再增加,反而有下降趨勢(shì)[52- 54]。美國(guó)哈佛森林的氮添加長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果表明,在高氮添加試驗(yàn)樣地,氮添加顯著降低了生態(tài)系統(tǒng)的凈初級(jí)生產(chǎn)力,提高了植物的死亡率[55]。但許多模型模擬結(jié)果均表明,氮沉降具有顯著的氮促匯作用[29,56-60],與部分試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果差異顯著。目前已有的機(jī)理模型主要基于小尺度生理生態(tài)過(guò)程及其對(duì)環(huán)境變化短期反應(yīng)的觀測(cè)結(jié)果,對(duì)大尺度格局和過(guò)程對(duì)環(huán)境長(zhǎng)期變化的響應(yīng)和適應(yīng)缺乏模擬能力,因此預(yù)測(cè)長(zhǎng)期環(huán)境變化影響下的生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)存在較大的不確定性[61]。

綜上所述,可以看出,為準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)未來(lái)氮輸入和氣候變化情景下,陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯潛力和碳平衡格局,首先需要對(duì)不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)中碳氮循環(huán)短期響應(yīng)、長(zhǎng)期適應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)性長(zhǎng)期性的試驗(yàn)觀測(cè)研究,同時(shí)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié),構(gòu)建新的生態(tài)學(xué)理論框架,建立從微觀生理生態(tài)響應(yīng)到宏觀格局與結(jié)構(gòu)適應(yīng)性之間的聯(lián)系,改進(jìn)和驗(yàn)證目前已有的生態(tài)系統(tǒng)機(jī)理模型,從而為準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯格局奠定基礎(chǔ)[61]。

3 結(jié)論

(1)東北地區(qū)平均的SNUE為17.77 gC/gN；從1961年至2010年,氮素的輸入量顯著增加,而SNUE則顯著下降。

(2)相比森林、灌叢和草地等自然生態(tài)系統(tǒng),農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)SNUE最低,為12.93 gC/gN,森林的最高,達(dá)到41.70 gC/gN；森林的SNUE變化趨勢(shì)與其他生態(tài)系統(tǒng)不同,其SNUE相對(duì)穩(wěn)定,而灌叢對(duì)氮素輸入最為敏感,其SNUE下降最為顯著；

(3)氮輸入水平和生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的差異共同決定了SNUE的空間差異,三江平原和長(zhǎng)白山地區(qū)是SNUE最高的區(qū)域,而內(nèi)蒙古高原、呼倫貝爾高原和大小興安嶺的部分地區(qū),外源氮輸入抑制了土壤碳庫(kù)的增加,SNUE出現(xiàn)負(fù)值。

(4) 通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)探明不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氮素輸入響應(yīng)和適應(yīng)的機(jī)制,構(gòu)建新的生態(tài)學(xué)理論框架,改進(jìn)和發(fā)展現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)機(jī)理模型,是準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)氮促匯格局的必要手段。

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Effects of nitrogen input on nitrogen use efficiency of soil carbon storage in Northeast China

GU Fengxue1, HUANG Mei2, ZHANG Yuandong3,*, LI Jie1, GUO Rui1, YAN Changrong1

1KeyLaboratoryofDrylandAgriculture,MinistryofAgriculture,InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China2KeyLaboratoryofEcosystemNetworkObservationandModeling,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciencesBeijing100101,China3KeyLaboratoryofForestEcologyandEnvironment,StateForestryAdministration,InstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China

Anthropogenic activities have altered the global nitrogen (N) cycle, leading to increased N input into the ecosystem through N deposition and the use of N fertilizers. Nitrogen is considered to be the limiting factor of plant growth in many ecosystems; therefore, the increased N input into ecosystems has an important impact on the carbon cycle and carbon accumulation. N use efficiency (NUE) can be an important indicator for the coupling relationship between ecosystem carbon and nitrogen cycles. Studies on the temporal and spatial patterns of NUE will aid in assessing the contribution of N input to increases in the terrestrial ecosystem carbon sink, and to predict the carbon balance of terrestrial ecosystems under different N input increase scenarios. We use a newly developed process-based ecosystem model, CEVSA2, to study the spatial and temporal variation in N use efficiency of soil carbon storage (SNUE) in Northeast China during 1961—2010, and to examine the effects of N input and vegetation types on SNUE. Our model simulations show that: (1) enhanced N input induced more soil carbon storage in the Northeast, but it decreased SNUE greatly. (2) Different vegetation types led to different SNUEs; forest had the highest SNUE and cropland had the lowest SNUE. The SNUEs of all vegetation types decreased with an increase in N input; however, the forest had the most stable SNUE compared to other vegetation types. The SNUE of shrubland decreased significantly during the early period of the past 50 years. (3) SNUE was the highest in the Sanjiang Plain, the Changbai Mountains, and parts of the Daxinganling and Xiaoxinganling regions. SNUE was negative in the Inner Mongolia Plateau, Hunlun Buir Plateau, and parts of the Daxinganling and Xiaoxinganling regions. This indicates that exogenous N input decreased the storage of soil carbon. (4) The variations in N input and the different responses of different vegetation type to N input impacted the spatial pattern of SNUE. The effects of N input on soil carbon accumulation are also affected by complex ecological processes. The complex responses and adaptation of soil processes to N addition will result in uncertain predictions for long-term changes if the model is based on short term observation results. Further efforts are required on the mechanisms of responses of soil processes to all environmental changes in order to accurately predict the effects that continued N addition will have on soil carbon storage in the future.

nitrogen deposition; fertilization; nitrogen use efficiency; soil carbon density; CEVSA2 model; Northeast

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31370463, 41271118, 31070398)；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目

2015- 09- 25; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 10- 29

10.5846/stxb201509251968

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zyd@caf.ac.cn

顧峰雪,黃玫,張遠(yuǎn)東,李潔,郭瑞,嚴(yán)昌榮.氮輸入對(duì)東北土壤碳蓄積氮素利用效率的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(8):2770- 2778.

Gu F X, Huang M, Zhang Y D, Li J, Guo R, Yan C R.Effects of nitrogen input on nitrogen use efficiency of soil carbon storage in Northeast China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(8):2770- 2778.