【摘要】：由于人類活動影響,通過沉降和施肥方式進入生態(tài)系統(tǒng)的活性氮顯著增加,其對土壤有機碳庫產(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NUE時空規(guī)律的研究不僅可以評估目前氮輸入對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯增加的貢獻,同時也有助于預(yù)測未來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變化趨勢最不顯著;(3)三江平原和長白山地區(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)負值,說明在這些地區(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)果可為進一步分析不同區(qū)域氮促匯潛力和預(yù)測未來氮輸入情景下的區(qū)域碳平衡提供參考。
【圖文】：

譜柿?(NBS，http://www．stats．gov．cn/)，折合成單位面積施用的純氮量，結(jié)合2000年中國土地利用圖進行空間化得到過去50年施肥的0．1°時空網(wǎng)格數(shù)據(jù)［5］。氮沉降數(shù)據(jù)根據(jù)柵格化的降水、施肥和能源消費數(shù)據(jù)(NBS，http://www．stats．gov．cn/)在模型中運行得到［5］。東北地區(qū)1961至2010年，氮沉降由0．3gNm－2a－1增加到1．65gNm－2a－1。至2000年，，農(nóng)田區(qū)域氮沉降普遍達到2．0gNm－2a－1以上，在大小興安嶺和長白山等森林和草地分布區(qū)，氮沉降相對較小，普遍在0．75gNm－2a－1以下(圖1)。東北地區(qū)農(nóng)田的施肥以氮肥為主，過去50年，農(nóng)田的施氮量由1．72gNm－2a－1增加至13．82gNm－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5．0gNm－2a－1以上，部分地區(qū)的施氮量超過10gNm－2a－1;三江平原的農(nóng)田施氮量相對較低，在0—5gNm－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．1Spatialpatternsofnitrogendepositionduring2001—2010andfertilizationduring2001—2008inNortheast1．3CEVSA2模型簡介和驗證CEVSA2模型是一個基于生理生態(tài)過程模擬植物-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理發(fā)現(xiàn)，包含了氮對光合、呼吸、分配和土壤碳分解等碳循環(huán)關(guān)鍵過程的影響模擬，從而能夠很好地表達氮輸入變化對于碳循環(huán)過程的影響。在空間模擬過程中輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)易于獲取且空間分辨率較高。本研究構(gòu)建了一個基于降水、施肥和能源消費模擬無機氮沉降的簡單方法，該方法不僅能夠評價區(qū)域氮沉降的時空格局，且能夠?qū)崿F(xiàn)不同情景下氮沉降時空格局的預(yù)測［35］。2772生態(tài)?

獪浚嘀餑諭寥撈濟芏鵲謀浠狁撲扽NUE(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)果與討論圖21961—2010年東北地區(qū)氮輸入速率和SNUE的時間變化Fig．2TemporalvariationsofnitrogendepositionrateandSNUEduring1961—20102．1SNUE的時間變化1961—2010年，中國東北地區(qū)的氮輸入速率呈增加的趨勢，而SNUE則顯著下降(圖2)。1961—1980年，氮輸入水平較低且相對穩(wěn)定，但SNUE顯著下降，而在20世紀80年代后，氮輸入呈線性增長趨勢，而SNUE則相對穩(wěn)定，下降趨勢不顯著。研究時段內(nèi)，平均的SNUE為17．77gC/gN。DeVries等［41］的研究表明，2．8kgN/hm2的外源氮輸入引起的土壤蓄積量為42kgC/hm2，相當(dāng)于SNUE為15gC/gN。Nadelhoffer等［42］通過一系列的同位素示蹤試驗表明，只有小部分外源氮輸入儲存在土壤中，大部分(約70%)氮輸入固持在C/N比僅為10—30的土壤中，SNUE為21gC/gN。Wamelink等［43］的模擬研究表明，SNUE大多變化在1—20gC/gN，有時會超過30gC/gN。盧蒙［6］通過整合分析發(fā)現(xiàn)，氮輸入促進土壤碳平均增加了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在已有的觀測變化范圍之內(nèi)(氮添加下SNUE的范圍在0—30gC/gN［29，41，44-45］)。不同研究估算的生態(tài)
【作者單位】： 中國農(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)重點實驗室;中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)觀測與模擬重點實驗室;中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室;
【基金】：國家自然科學(xué)基金項目(31370463,41271118,31070398) 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項目
【分類號】：S153

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本文編號：2527788