森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫與碳吸存對(duì)氮沉降的響應(yīng)

森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫與碳吸存對(duì)氮沉降的響應(yīng)1引言近幾十年來石化燃料燃燒、化肥使用及畜牧業(yè)發(fā)展等向大氣中排放的含氮化合物激增并引起大氣N沉降成比例增加。并且全球N沉降水平預(yù)計(jì)在未來25a內(nèi)會(huì)加倍，目前人類對(duì)全球N循環(huán)的干擾巳經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對(duì)地球上其它主要生物地球化學(xué)循環(huán)的影響。從20世紀(jì)80年代起，歐洲和北美的生態(tài)學(xué)家就開始在溫帶森林開展了N沉降對(duì)森林結(jié)構(gòu)和功能影響的研究。目前，N沉降研究巳成為國(guó)際上生態(tài)和環(huán)境研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中最大的貯庫，并且是其中非常活躍的部分［10］。全球約有1.4X1018-1.5X1018g碳是以有機(jī)質(zhì)形態(tài)儲(chǔ)存于地球土壤中，是陸地植被碳庫(0.5X1018~0.6X1018g)的2~3倍，是大氣碳庫(0.7X1018g)的2倍［10］。土壤碳庫在維持全球碳平衡中的巨大作用使土壤碳庫對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng)巳成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［11］。由于土壤碳庫巨大，它的波動(dòng)對(duì)大氣CO2濃度產(chǎn)生重要的影響。同時(shí)，增加土壤有機(jī)碳存儲(chǔ)可有效促進(jìn)陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣CO2固定和延緩溫室效應(yīng)。土壤碳周轉(zhuǎn)速率慢，受各種干擾影響小，能維持較長(zhǎng)時(shí)期的碳儲(chǔ)藏。影響森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫的因素很多，如森林的采伐、開墾、火燒以及在全球變化背景下的全球變暖、UVB輻射增強(qiáng)、N沉降等，在這些方面巳相繼展開了大量研究。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤碳庫的研究多是針對(duì)當(dāng)前環(huán)境下某種生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳含量、碳儲(chǔ)量的估算，不能很好的預(yù)測(cè)全球環(huán)境變化對(duì)土壤碳庫的影響。大氣N沉降借助其對(duì)凋落物分解和土壤呼吸的直接或間接作用，極大地影響了生態(tài)系統(tǒng)土壤碳蓄積過程，并且大部分沉降到森林生態(tài)系統(tǒng)中的N都被固定在土壤中，直接與土壤碳庫相互作用［17］。全球存在116PgC/yr的碳失匯，部分是由于大氣中N沉降增加及其與碳循環(huán)相互作用的結(jié)果［18］。所以深入探討大氣N沉降對(duì)土壤碳庫的影響具有重要的價(jià)值，巳經(jīng)成為2006年IGBP計(jì)劃第二期中陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣過程相互作用的研究重點(diǎn)。雖然國(guó)內(nèi)巳有了很多關(guān)于N沉降對(duì)凋落物分解和土壤呼吸、根系周轉(zhuǎn)方面的論述，但全面反映N沉降對(duì)土壤碳庫影響的研究尚未見報(bào)道。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外在土壤碳庫如凋落物分解、土壤呼吸、根系周轉(zhuǎn)等方面對(duì)N沉降響應(yīng)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，為進(jìn)一步開展相關(guān)研究作參考。1.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤圈的碳、氮循環(huán)是全球生物地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的最大組成部分，全球范圍內(nèi)土壤以有機(jī)質(zhì)和植物殘?bào)w形式貯存的碳量1500Gt超過陸地植被碳庫（500~600Gt）的2~3倍［1，2］，而全球森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為402~787Gt【3］（1Gt=109t）,占全球陸地土壤中碳儲(chǔ)量的25%~50%。森林土壤碳庫在全球碳平衡研究中具有重要作用［4】。在影響森林土壤碳庫變化的諸多要素中，氮元素逐漸引起廣泛關(guān)注。氮元素是植物所必須的大量元素之一，是植物體內(nèi)許多重要有機(jī)化合物的組成元素。與其他營(yíng)養(yǎng)元素主要由母質(zhì)風(fēng)化提供不同，自然狀態(tài)下土壤中的氮元素主要來源于植物大氣固氮過程。溫帶森林中，生物對(duì)氮元素需求量往往大于土壤有機(jī)氮礦化速率，所以溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)一般表現(xiàn)為氮缺乏型⑸。然而，在過去的幾十年，由于人口的增加，化石燃料消費(fèi)的增加，含氮化肥的生產(chǎn)和使用的日漸依賴以及農(nóng)牧業(yè)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)向大氣中排放的含氮化合物激增，通過大氣干濕沉降進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)的含氮化合物也大量增加％導(dǎo)致氮化物在大氣中累積并向陸地和水域生態(tài)系統(tǒng)沉降［刀。特別是進(jìn)入20世紀(jì)70年代以來，酸沉降已成為歐美工業(yè)化國(guó)家的重要環(huán)境問題之一冏。據(jù)估計(jì)，全球氮沉降量在1990年達(dá)到103Tg-a-1，是1860年的3116Tg-a-1的3倍，到2050年預(yù)計(jì)將達(dá)到195Tg?a-1［9］。而在美國(guó)東部和西歐一些工業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)，大氣氮沉降量更是達(dá)到工業(yè)革命前的10倍以上［10］，由人為因素引起的氮輸入已經(jīng)成為生態(tài)系統(tǒng)中氮元素的重要來源。研究表明，大氣沉降進(jìn)入到森林生態(tài)系統(tǒng)中的外源氮只有小部分被植物利用，而絕大部分均被固定在土壤中口1】。20世紀(jì)80年代初，歐洲和北美的一些工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)出現(xiàn)的由氮沉降引發(fā)的陸地生態(tài)系統(tǒng)退化和水體富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)系統(tǒng)“氮飽和”問題，給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重過得沖擊，促使一些科學(xué)家開始對(duì)氮沉降所引起生態(tài)系統(tǒng)退化問題開展研究，但研究點(diǎn)較分散。至80年代末和90年代初期，隨著監(jiān)測(cè)水平不斷提高和監(jiān)測(cè)范圍的不斷擴(kuò)大，科學(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到“氮飽和”并不僅僅是一個(gè)區(qū)域問題，而是一個(gè)全球性的環(huán)境問題。在這種情況下，一些長(zhǎng)期的定位研究開始開展起來，并逐漸形成了研究網(wǎng)絡(luò)，研究?jī)?nèi)容也不斷拓寬。一些有組織的、大規(guī)模的跨國(guó)，跨區(qū)域的合作研究也開始逐漸興起。例如，在歐洲共同體的資助下，20世紀(jì)80年代末至90年代中期，歐洲先后開展了2次氮沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)影響的跨國(guó)研究項(xiàng)目，即：NITREX（NitrogenSaturationExperiments，氮飽和試驗(yàn)）和EXMAN（ExperimentalManipulationofForestEcosystemsinEurope，歐洲森林生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)控制）。在同類研究中，實(shí)施時(shí)間最長(zhǎng)（已逾30年）的SFONE（瑞典最適森林營(yíng)養(yǎng)試驗(yàn)）項(xiàng)目，雖然規(guī)模較小，為揭示養(yǎng)分沉降，尤其是氮沉降增加對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期影響提供了寶貴的資料［10］。美國(guó)于1988年在馬薩諸塞州（Massachusetts）的哈佛森林（HarvardForest）建立的氮沉降長(zhǎng)期模擬氮沉降（外加氮）試驗(yàn)地已有接近20年的歷史?，覆蓋美國(guó)全國(guó)的氮沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建立，并逐漸完善。我國(guó)許多地區(qū)也存在高氮沉降現(xiàn)象，如珠江三角洲北緣的鼎湖山自然保護(hù)區(qū)1989-1990年度和1998-1999年度的降水氮沉降分別為35.57和38.4kgNhmZa-1【13,14］，黑龍江帽兒山森林定位站降水氮沉降為12.9kgNhm-2.a-i［26］。高氮沉降影響森林生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮，但隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、工農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，氮沉降量還會(huì)繼續(xù)升高［可。同時(shí)，由于氣候和水分供應(yīng)的極大差異會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不均衡，氮沉降的分布狀況、增加的速度及其影響存在巨大的區(qū)域性差異。我國(guó)已成為全球三大氮沉降集中區(qū)之一（分別為歐洲、美國(guó)和中國(guó)），而且有不斷發(fā)展的趨勢(shì)，氮沉降的現(xiàn)狀和未來已引起了國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注。我國(guó)氮沉降與森林關(guān)系方面的研究才剛剛起步，肖輝林、卓慕寧、萬洪富等在我國(guó)較早開始介紹歐美地區(qū)進(jìn)行的氮沉降研究，發(fā)表了一些綜述性論文；中科院華南植物研究所的莫江明、方運(yùn)霆、李德軍等開始對(duì)鼎湖山自然保護(hù)區(qū)的南亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行一系列研究。發(fā)表的研究結(jié)果有：氮沉降增加對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響［任，16】，氮沉降對(duì)森林土壤的影響［”，啊，氮沉降對(duì)森林植物的影響㈣，氮沉降對(duì)鼎湖山自然保護(hù)區(qū)的南亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的影響［20］等。在國(guó)家自然科學(xué)基金（30370259）和福建省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（B0320001）的共同資助下，由樊后保教授帶領(lǐng)的研究組于2003年開始了模擬氮沉降增加對(duì)亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)影響的研究。已于2003年底在福建省沙縣官莊林場(chǎng)建立了監(jiān)測(cè)樣地，旨在研究大氣氮沉降的增加對(duì)杉木人工林植被養(yǎng)分狀態(tài)、土壤化學(xué)和生物活性、物種多樣性以及系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過程的影響，揭示杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氮沉降及氮飽和的影響特征和機(jī)制，以及酸化系統(tǒng)自我恢復(fù)的情況［25］。隨著全球變化研究的深入，科學(xué)家開始在研究氮沉降的環(huán)境效應(yīng)時(shí)考慮其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳庫的影響，作為生態(tài)系統(tǒng)碳庫評(píng)估中不確定的土壤碳庫，逐漸成為研究的重點(diǎn)。到目前為止，雖然未發(fā)現(xiàn)氮沉降對(duì)土壤碳庫影響的專項(xiàng)研究，但在許多已執(zhí)行的研究項(xiàng)目中，均涉及到氮沉降對(duì)土壤碳庫影響的某些過程。如，Hagedorn等應(yīng)用開頂箱技術(shù)模擬山毛櫸（FagussylvaticaL.）和挪威云杉（PiceaabiesKarst）2種森林類型土壤碳庫在不同氮沉降水平變化過程，現(xiàn)氮沉降降低了土壤中腐殖質(zhì)的分解速度，從而增加土壤碳儲(chǔ)量［21］。Makipaa等利用模型模擬芬蘭南部的歐洲赤松（PinussyIvestris）林地在氣候變化和氮沉降條件下碳庫變化情況，發(fā)現(xiàn)在只考慮氮沉降的情況下，包括土壤碳庫在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)碳庫增加了11%四。Neff等利用同位素技術(shù)研究了科羅拉多（Colorado）高山苔原帶土壤碳庫，發(fā)現(xiàn)氮輸入加快了土壤中輕組碳（周轉(zhuǎn)周期在10年左右）分解，卻抑制了重組碳（周轉(zhuǎn)周期在幾十年到1個(gè)世紀(jì)）分解過程，總的來說氮沉降對(duì)土壤碳庫不影響四。而阿拉斯加苔原帶一項(xiàng)為期20年的長(zhǎng)期施氮研究表明，盡管施氮使得地表生物量增加了2倍，但如果考慮土壤碳庫的變化情況，長(zhǎng)期施氮造成苔原生態(tài)系統(tǒng)凈損失2kgC-m-2［24］o總體來說，這些研究或者只考慮土壤碳的流失過程，或者只是比較靜態(tài)土壤碳庫，并未明確指出氮對(duì)土壤碳庫影響的作用機(jī)理，其研究結(jié)果還有待于進(jìn)一步確認(rèn)。參考文獻(xiàn)[1]陳慶強(qiáng)，沈承德，易惟熙.土壤碳循環(huán)研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,1998,13(6):555-563.[2]金峰，楊浩，趙其國(guó).土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及影響因素研究進(jìn)展[J].土壤,2000,1:11-18.WBGU.TheAccountingofBiologicalSinksandSourcesUndertheKyotoProtocol—aStepForwardsofBackordsforGlobalEnvironmentalProtection[R].Bremerhaven:WBGU,1998:46-50.李玉強(qiáng)，趙哈林，陳銀萍.陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源和碳匯及其影響機(jī)制研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)雜志,2005,24(1):37-42.VitousekPM,HowarthRW.Nitrogenlimitationonlandandinthesea:HowcanitoccurBiogeochemistry,1991,13:87-115.GallowayJN,CowlingEB1Reactivenitrogenandtheworld:200yearsofchange[J]1Ambio,2002,31(2):64-711VITOUSEKPM,ABERJD,HOWARTHRW,etal.Humanalterationoftheglobalnitrogencycle:sourcesandconsequences[J].EcolAppl,1997,7⑶:737-750.[8]COWLINGEB.Acidprecipitationinhistoricalperspective[J].EnvironSciTechnol,1982,16(2):110-1237.GallowayJN,DentenerFJ,CaponeDG,etal.Nitrogencycles:Past,presentandfuture.Biogeochemistry,2004,70:153-226.GallowayJN,SchlesingerWH,LevyIIH,etal.Nitrogenfixation:Anthropogenicenhancementenvironmentalresponse.GlobalBiogeochemicalCycles,1995,9(2):235-252.NadelhofferKJ,EmmettBA,GundersenP,etal.Nitrogendepositionmakesaminorcontributiontocarbonsequestrationintemperateforests.Nature,1999,398:145-148.MagillAH,AberJD,BerntsonGM.Long-termnitrogenadditionsandnitrogensaturationintwotemperateforests.Ecosystems,2000,3:238-253.黃忠良，丁明懋，張祝平，等.鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林的水文學(xué)過程及其氮素動(dòng)態(tài).植物生態(tài)學(xué)報(bào)，1994，18(2)：194-199.周國(guó)逸，閆俊華.鼎湖區(qū)域大氣降水特征和物質(zhì)元素輸入對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)存在和發(fā)育的影響生態(tài)學(xué)報(bào),2001，21(12)：2002-2012.[28]劉世榮.興安落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)元素生物地球化學(xué)循環(huán)特征生態(tài)學(xué)雜志，1992,11(5)：1-6.肖輝林.大氣氮沉降與森林生態(tài)系統(tǒng)的氮?jiǎng)討B(tài).生態(tài)學(xué)報(bào)，1996，16(1)：90-99.肖輝林，卓慕寧，萬洪富.大氣氮沉降的不斷增加對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1996,7(增)：110-116.[17]肖輝林.大氣氮沉降對(duì)土壤酸化的影響.林業(yè)科學(xué),2001,37（4）：111-116.方運(yùn)霆，莫江明，PerGundersen，周國(guó)逸，李德軍森林土壤氮素轉(zhuǎn)換及其對(duì)氮沉降的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào)，2004(7):1523-1531.李德軍，莫江明，方運(yùn)霆，蔡錫安，薛瑾花，徐國(guó)良.模擬氮沉降對(duì)三種亞熱帶樹苗生長(zhǎng)和光合作用的影響.生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，24(5)：876-882.莫江明，薛瑾花，方運(yùn)霆.鼎湖山主要森林凋落物分解及其對(duì)氮沉降的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào)，2004,24(7)：1413-1420.HagedornF,SpinnlerD,SiegwolfR.IncreasedNdepositionretardsmineralizationofoldsoilorganicmatter.SoilBiology&Biochemistry,2003,35:1683-1692.MakipaaR,KarjalainenT,