摘 要

不断增强的氮沉积改变了氮和碳转化的模式，从而影响了温室气体排放。为了准确评估增加氮沉降条件下的碳和氮预算，有必要阐明氮沉降对温室气体排放的影响。在本研究中，从2016年开始进行了四个模拟氮沉积处理：对照(无氮添加)、低氮(20kg N ha⁻¹yr⁻¹)、中氮(40kg N ha⁻¹yr⁻¹)和高氮(80 kg N ha⁻¹yr⁻¹)。每半年监测一次CO₂和N₂O的含量，同时监测土壤变量，如温度、湿度和土壤溶液中总溶解氮（TDN）、NO₃⁻、NO₂⁻、NH₄ 和溶解有机氮（DON）的浓度。模拟的氮沉积导致土壤溶液中的总溶解氮（TDN）、NO₃⁻和溶解有机氮（DON）浓度显著增加。在高氮处理中，平均CO₂排放量从对照处理的222.6 mg CO₂m ^-2h ^-1到高氮处理的233.7 mg CO₂ m^-2h^-1。监测的三年间，大气氮沉降对土壤CO₂的排放整体没有显著影响，主要受土壤温度控制。模拟氮沉降对照处理土壤三年的平均N₂O排放率为0.02 mg N₂O m⁻²h⁻¹，而高氮处理土壤的排放速率则增加到0.05 mg N₂O m⁻²h⁻¹。N₂O排放速率与NH₄ 浓度呈正相关，与土壤水分呈负相关。这些结果表明，短期氮沉降对土CO₂排放没有影响，而N₂O对氮沉降较为敏感。

关键词:氮沉降；氮动力学；温室气体；土壤的变量

Effects of simulated nitrogen deposition on soil N₂O and CO₂ emissions from artificial Korean pine forests in the Xiaoxing'an Mountains

ABSTRACT

Continuously enhanced nitrogen (N) deposition alters the pattern of N and carbon (C) transformations, and thus influences greenhouse gas emissions. It is necessary to clarify the effect of N deposition on greenhouse gas emissions for an accurate assessment of C and N budgets under increasing N deposition. In this study, four simulated N deposition treatments (control [CK:no N addition],low-N [L:20 kg N ha⁻¹yr⁻¹], medium-N [M:40 kg N ha⁻¹ yr⁻¹], and high-N [H: 80 kg N ha⁻¹yr⁻¹]）were operated from 2016. CO₂ and N₂O fluxes were monitored semimonthly, as were soil variables such as temperature, moisture and the concentrations of total dissolved N (TDN), NO₃⁻, NO₂⁻, NH₄ , and dissolved organic N (DON) in soil solutions. The simulated N deposition resulted in a significant increase in TDN, NO₃⁻ and DON concentrations in soil solutions.The average CO₂ emission rate ranged from 222.6 mg CO₂ m⁻² h⁻¹ in CK to 233.7 mg CO₂ m⁻² h⁻¹ in the high-N treatment. Three years of simulated N deposition had no effect on soil CO₂ emission, which was mainly controlled by soil temperature. The mean N₂O emission rate during the whole 3 years was 0.02 mg N₂O m⁻² h⁻¹ for CK, which increased significantly to 0.05 mg N₂O m⁻² h⁻¹ in the high-N treatment. The N₂O emission rate positively correlated with NH₄ concentrations, and negatively correlated with soil moisture. These results indicate that shortterm N deposition did not affect soil CO₂ emissions, while N₂O emissions were sensitive to N deposition.

Keywords:Nitrogen deposition;Nitrogen dynamics;Greenhouse gas;Soil variables

目录

绪论1

1．材料和方法2

1.1.研究网站2

1.2.实验设计2

1.3.土壤温室气体通量测定2

1.4.土壤样本和实验室培养3

1.5.统计分析3

2.结果4

2.1.土壤物理化学变量4

2.2.温室气体的排放5

3.讨论8

3.1.模拟氮沉降对土壤化学变量的影响8

3.2.模拟氮沉降对温室气体排放的影响9

4.结论11

5.致谢12

6.参考文献13

绪论

随着人类活动的加剧，氮肥及化石燃料的使用不断攀升，大气氮沉降增加了全世界温带森林的氮输入，对森林生产力产生了重大影响。在我国的一些森林里发现氮沉降量较高，尤其是南方^[1]，我国已经成为全球三大氮沉降集中区之一^[2]。然而，氮沉降对我国关于森林生态系统结构和功能的影响及其机制的报道较为甚少^[3]。研究氮沉降对东北温带森林土壤温室气体排放的影响，为了解这些生态系统对氮沉降的响应提供重要信息。然而，着农业化肥和越来越多地使用化石燃料,生产环境中的活性氮率与一个世纪前相比上升了10倍，导致增强氮沉降^[4],威胁生态系统健康通过酸化、生物多样性的丧失,改变碳和氮循环过程,如温室气体排放等等。温室气体占全球变暖气体的87%，CO₂在大气中所占比例不到总体积的0.04％^[5]，N₂O对全球变暖的贡献大约只有6％－7％，但N₂O的辐射增温潜力是CO₂的290倍^[6]。N₂O排放量增加使得硝酸非常敏感，自养硝化作用和异养硝化作用也是重要的N₂O排放过程。上述过程主要与温度、湿度、pH和有效碳、氮等因素有关^[7]，N₂O和CO₂排放量随温度升高呈非线性增加^[8]，因此，硝化作用对氮沉降的影响决定于森林生态系统的氮状态和氮循环^[9]，温室气体排放对氮沉降的响应以及在特定陆地生态系统中也是影响氮沉降的因素。随着我国氮素沉降量的不断增加，在草地、湿地和热带森林中进行了多次氮添加试验^[10]然而，中国东北温带森林中缺乏观测。研究氮沉降对东北温带森林土壤温室气体排放的影响，将为了解这些生态系统对氮沉降的响应提供重要信息。

红松林是我国东北地区典型的温带森林类型，由于森林采伐，大面积的天然林已转变为人工林。受土壤缓冲能力的影响^[11]，土地利用历史导致了森林对氮沉积的不同反应，而土壤溶液化学特性对指示养分有效性和淋滤风险的各种干扰或胁迫都很敏感。针对氮输入，在一个氮饱和的亚热带森林里发现了高溶解有机氮(DON)和NO₃⁻浸出^[12]，据报道，在亚热带种植园里^[10]CO₂和N₂O排放是增加的。在东北红松人工林土壤温度相对较低，土壤碳(48.6 g/公斤)和N(6.2 g/公斤)含量和土壤pH值(5.4)都高于亚热带人工林，有机质转化率较低，硝化率较高^[13]。因此，红松人工林温室气体排放对氮沉降的响应可能不同于亚热带人工林和其他温带森林地区，由于土壤性质的巨大差异，氮是限制因素。

1. 材料和方法

1.1 研究地点