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  世界林业研究  2012, Vol. 25 Issue (2): 12-16  
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引用本文  

吴家兵, 井艳丽, 关德新, 等. 氮沉降对森林碳汇功能影响的研究进展[J]. 世界林业研究, 2012, 25(2): 12-16.
Wu Jiabing, Jing Yanli, Guan Dexin, et al. Research Advances in the Effect of Nitrogen Deposition on Forest Carbon Sequestration[J]. World Forestry Research, 2012, 25(2): 12-16.

基金项目

国家重点基础研究发展规划项目(2009CB421101);国家自然科学基金项目(30970516);辽宁省自然科学基金项目(20102233)

作者简介

吴家兵(1977-), 男, 博士, 副研究员, 硕士生导师, 主要从事全球变化生态学研究, E-mail:wujb@iae.ac.cn

文章历史

收稿日期:2011-09-26
氮沉降对森林碳汇功能影响的研究进展
吴家兵1 , 井艳丽1,2 , 关德新1 , 杨宏1 , 袁凤辉1 , 孙金伟1,2     
1. 森林与土壤生态国家重点实验室, 中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110164;
2. 中国科学院研究生院, 北京 100039
摘要:氮沉降增加对森林碳汇功能的大小和稳定性具有重要影响。文中介绍了森林碳汇对氮沉降增加响应的研究进展,概述了同位素技术在该研究领域的应用前景,指出在沉降增加条件下森林光合产物分配和土壤碳周转速率变化将是未来森林碳循环研究的热点。
关键词氮沉降    森林碳汇    森林生产力    
Research Advances in the Effect of Nitrogen Deposition on Forest Carbon Sequestration
Wu Jiabing1, Jing Yanli1,2, Guan Dexin1, Yang Hong1, Yuan Fenghui1, Sun Jinwei1,2     
1. State Key Laboratory of Forest and Soil Ecology, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;
2. Graduate School, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Nitrogen deposition imposes important impact on the function and the stability of forest carbon sequestration. This paper reviewed the research advances in the increasing response of forest carbon sequestration to nitrogen deposition, described the application prospects of stable carbon isotope technique in the research field. And finally this paper pointed out that, on the condition that nitrogen deposition rises, on the allocation of forest photosynthetic products and the change in soil carbon turnover rate are the two hotspots in the future carbon cycling research.
Key words: nitrogen deposition,    forest carbon sequestration,    forest production    

CO2浓度增加导致全球气候变暖目前已经成为不争的事实, 威胁着人类的生存和安全。因此, 在全球气候变化背景下, 陆地生态系统碳循环与收支研究一直是国内外学者关注的热点问题之一[1-3]。过去几十年, 科学家在全球范围内针对不同生态系统类型的碳循环开展了大量研究, 特别是通过不同尺度的区域联网观测, 产出了大量的研究成果[4-9], 对全球主要陆地生态系统的碳汇功能有了初步定量认识。我国也先后启动了包括973等(如中国陆地生态系统碳-氮-水通量的相互作用关系及其对环境变化的响应和适应机制研究以及天然森林和草地土壤固碳功能与固碳潜力研究)在内的多项重大科研计划和专项, 通过大量地面台站的建设实现了陆地生态系统碳循环观测和模拟实验联网平台的构建, 基本上探明了国内主要陆地生态系统碳源汇的格局及其环境驱动机制, 并有一大批研究成果报导[7-8, 10-13], 极大地推动了生态学、环境科学及地球表层系统科学研究的发展。可以说目前我们已进入一个减少碳循环研究不确定性的时期。这其中, 在未来全球变化背景下, 氮沉降的增加对陆地生态系统碳汇服务功能的影响受到了越来越多的关注。森林是陆地上面积最大的生态系统, 森林与大气间的CO2交换研究对评价陆地生态系统碳收支具有重要意义。因此, 森林碳汇功能对氮沉降增加的响应研究备受关注。

1 国内外研究概况

在氮沉降增加条件下陆地生态系统的植物生理生态特性、土壤化学性质以及土壤微生物学活性等都将发生变化, 因而成为全球变化背景下陆地生态研究领域的热点和难点。20世纪80年代初, 欧洲和北美的一些学者开始关注氮沉降对森林生态系统结构和功能的影响。80年代末欧洲科学家启动了有关氮沉降的2大联网实验项目, 即氮饱和试验(NITREX)和欧洲森林生态系统实验控制(EXMAN)研究项目, 布设模拟实验站点近20个, 希望通过相关研究揭示氮沉降增加对欧洲森林生态系统, 特别是针叶林生态系统的影响[14-15]。美国科学家也在20世纪80年代后期在著名的Harvard森林试验站进行了长期氮沉降试验, 至今实验仍在继续, 并产出一系列研究成果[16-17]

关于氮沉降增加能否增加森林生态系统的碳储存, 在科学界曾经展开了激烈的争论。早期的研究多集中在大气氮沉降对森林生态系统的负面效应方面, 包括酸化、诱导养分缺乏和土壤养分的淋溶等。具代表性的是Schulze等[18]撰文指出, 由于含N和S等化合物沉降的酸化效应, 导致了欧洲云杉林的退化现象。另外, Nadelhoffer等[19]研究指出, N沉降增加对温带森林的碳汇功能影响有限。这一研究结果后来在学术界引起很大争议[20-21], 个别学者对其研究技术方案提出了质疑[22]

近年来, 随着研究对象的增加和研究时序的积累, 关于氮沉降增加对森林生产力和碳汇功能影响的认识也逐渐深入。Matson等[23]对前期热带森林氮沉降影响研究成果进行了梳理, 指出人类活动导致的氮沉降增加不但不会增加森林的生产力和碳汇能力, 反而会导致土壤酸化效应进而影响植被生长; 同时氮沉降增加促进了土壤温室气体的排放, 可能会降低森林生产力和碳汇功能。目前, 针对温带森林的研究更多的证据倾向于支持由于温带森林生态系统生产力受氮限制, 氮输入的增加会增加森林土壤有效氮含量, 从而增加生态系统生产力和碳贮存量[24]。例如, de Vries等[25]综述了欧洲森林生态系统氮沉降的研究报道, 指出每千克氮的沉降通常会增加5 ~ 75 kg碳吸收能力, 并指出这其中数据的不确定性主要来源于对土壤碳汇能力大小的计量。最近的一篇评述[26]总结了近年来寒带林和温带林的最新研究成果, 以大量的研究实例证实氮沉降增加会促进森林碳的吸收。作者还指出, 需要加强对森林碳汇的碳库流向及氮沉降增加对土壤碳排放的影响研究。

国内关于氮沉降增加对森林生态系统影响的研究还处于起步阶段, 特别是氮沉降影响森林碳汇功能和分配的研究更是少有报道[27]。黄玉梓等在国内首次关注了氮沉降增加对亚热带杉木人工林的生长和地下碳库的影响, 经过多年研究发现, 不同氮沉降水平下杉木的地上和地下植被碳库均发生了明显的分异性, 表明氮沉降对森林的碳汇能力及碳汇分配都会产生显著的影响[30]。李德军等[28]模拟了氮沉降对南亚热带2种乔木幼苗生物量及其分配的影响, 指出氮沉降增加改变了幼苗的生物量分配, 地下生物量明显下降。方运霆等[29]通过模拟实验发现, 施氮处理抑制了大多数阔叶树种的生长, 造成地上碳库含量的降低。近年来, 更多的研究是关注氮沉降增加对某一森林碳循环子过程的影响, 如氮沉降增加对细根产量和周转的影响[31]、对凋落物分解的影响[32-33]、对土壤温室气体排放的影响[34]以及对植被光合生理特性的影响等[35]

2 氮沉降对森林碳汇功能的影响

森林是一个多相多界面的复杂系统, 氮沉降增加后其碳汇功能的变化涉及到植被光合吸收、凋落物分解、细根周转和土壤呼吸等众多相互关联、相互影响的生物、物理和化学过程。

2.1 对植被光合作用的影响

植物叶片中一半以上的氮分布在光合机构中, 因此叶片的最大光合能力与叶片氮含量密切相关。另一方面, 随着环境中可利用氮的增加, 植物叶片的氮含量也会相应增加。例如, Ericson等[36]对挪威云杉针叶林的研究发现, 从高氮沉降区采集的针叶氮含量明显高于低氮沉降区的。Magill等[37]在美国Harvard森林试验站的研究显示, 经过6年的施氮处理后, 阔叶树叶片氮含量平均增加了25%, 赤松针叶林叶氮含量增加了60%以上。氮沉降对植物光合作用的影响主要是通过改变叶片中与光合作用有关酶的浓度和活性。研究发现, 氮输入量对植物光合作用的影响存在"阈值效应" [28]。在一定范围内, 氮沉降增加可引起Rubisco(核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶/加氧酶)的浓度和活性及叶绿素含量的增加, 从而使光合速率增加。但是, 过量的氮沉降会引起植物体内的营养失衡, 营养失衡对光合作用不利, 这时光合作用反而会受到氮输入量的抑制。例如, Whyternare等[38]通过长期的野外调查发现, 在高氮沉降区云杉针叶中K, Mg和Ca元素会大量流失, 从而导致营养元素的缺乏, 引起叶片光合速率的降低, 甚至过早脱落, 出现林冠稀疏等现象, 这些都可能直接导致森林生态系统生产力和碳汇能力的降低。

2.2 对土壤碳输入的影响 2.2.1 对凋落物碳输入的影响

森林凋落物分解是森林吸收的碳进入土壤的一个重要途径, 这一过程与凋落物的种类、林地土壤理化性质以及微生物活动密切相关。氮沉降对凋落物碳输入的影响程度主要体现在凋落物量和凋落物分解速率上。对于氮缺乏的样地, 氮输入可以促进植物生长, 增加凋落物量; 而对于氮饱和地区的样地, 额外的氮输入可能会引起林地退化, 从而减少森林凋落物量。Eriksson等[39]对氮缺乏挪威云杉样地的研究表明, 长期氮沉降增加了输入地表的凋落物。樊后保等[40]对杉木人工林的研究也表明, 高氮沉降显著增加了杉木林的凋落物量。

大气氮沉降进入森林地表使土壤中氮的含量增加, 促进了植物吸收, 引起森林凋落物氮含量升高及其他化学元素含量的变化, 从而影响凋落物的分解速率。对此, 国内已经有大量的文献进行了探讨, 方华和莫江明做了较为详尽的综述[41]。总的来说, 由于不同植被凋落物的性质和分解环境等因素的差异, 氮沉降对凋落物分解影响的研究结果存在较大差异。一般来说, 凋落物和土壤氮含量丰富的, 氮沉降增加的影响就不显著; 凋落物和土壤氮含量贫乏的, 氮沉降增加将会对凋落物分解起促进作用。另外, 在凋落物分解前期, 氮沉降增加通常会起促进作用, 而在后期往往表现为抑制作用。因此, 长期而言, 氮沉降对凋落物分解的影响并不显著。对此, 很多研究也尝试通过分子生物学和生物化学的手段对其机理进行探寻, 但目前仍缺乏可以普遍接受的结论。可以说在氮沉降对凋落物影响的机理方面仍有待深入研究。

2.2.2 对细根碳输入的影响

细根周转是土壤碳库的重要来源之一, 通过细根周转进入温带森林土壤的有机碳约占土壤碳输入量的40% [42]。氮沉降通过改变细根年生长量和周转速率来影响土壤中细根碳的输入。但由于细根生物量测定技术和地下碳代谢过程原位观测技术的局限, 相关研究结果还存在较大的不确定性。有研究发现, 细根生物量随着氮输入量的升高而增加[43]; 然而利用同样的方法, 有的研究却得出了相反的结论[44]。Pregitzer等[45]利用生物量调查法的研究发现, 外源氮输入降低了细根的周转速度。涂利华等[46]对华西雨屏区苦竹林的模拟实验表明, 氮沉降使细根生物量和细根周转速率都显著增加。而贾淑霞等[47]对东北落叶松和水曲柳林的实验却表明, 施氮致使落叶松和水曲柳林分的活细根生物量和死细根生物量均明显降低。这些差异和不确定性决定了针对氮沉降增加对细根碳周转的影响还待深入研究。

2.3 对土壤碳排放的影响

氮沉降通过改变土壤微生物活性和土壤或凋落物的C /N比, 进而改变土壤碳排放速率。例如, 针对华西雨屏区苦竹林的研究表明[46], 氮沉降使细根生物量和代谢强度增加, 并通过增加微生物活性促进了土壤碳的排放。而对鹤山3种人工林的研究表明[48], 高氮沉降均对土壤呼吸表现为抑制作用, 只有低氮沉降对荷木和马占相思林2种人工林的土壤呼吸具有促进效应。其他相似的研究案例还有很多。对此, 张炜等[49]做了详尽的综述。总的来说, 氮沉降对森林土壤碳排放的影响主要表现为抑制、促进和不显著3种效果。在氮素缺乏的森林中, 氮沉降对土壤碳排放的影响不显著, 促进和抑制碳排放都有报道; 在氮饱和的森林中, 氮沉降多为减少土壤碳的排放。

另外, 一个值得关注的细节是, 氮沉降对土壤碳排放的影响和对树木光合产物积累以及土壤碳输入过程的影响是一个同步相关的过程。后面2个过程的改变在很大程度上决定了土壤呼吸排放的改变。因而短期的土壤施氮实验得出的结论往往忽略了氮沉降增加对光合产物分配的影响以及对土壤碳输入的影响, 这一交互作用过程往往需要数年甚至数十年才能达到平衡。因此, 尽管国内外关于氮沉降增加对土壤碳排放影响的研究报道已有很多, 但科学结论的得出仍需一个长期探索的过程。

3 研究展望

我国幅员辽阔, 有巨大的碳汇潜力[50], 也是继欧美之后世界上第3大氮沉降地区。基于微气象技术的地面CO2通量站长期联网观测研究表明, 我国热带、亚热带和温带主要的森林生态系统类型均表现为适度或较强的碳吸收汇[51-54]。但有关森林生态系统碳汇在植被和土壤之间的分配关系及氮沉降增加后这种分配模式的变化仍有待深入研究。近年来, 随着稳定碳同位素测定技术的改进和提高, 利用植被及其代谢体稳定碳同位素变化的差异来研究植被光合作用和物质代谢等生理活动特征及其与环境要素的关系已成为一个重要的指标和手段[55]。作为一种天然的示踪物, 稳定碳同位素(13C)较放射性同位素具有安全、无污染和易控制的优点。该技术自20世纪80年代开始应用于生态系统研究, 近年来更是在土壤-植物生态系统碳循环研究中得到广泛应用。通过检测森林植被及土壤系统中稳定碳同位素的自然丰度或采用稳定碳同位素标记有机材料, 能够真实地了解氮沉降增加后植物光合生理指标的变化, 以及光合产物在土壤-植物体系中的分配、运转及其在土壤中的分解和转化过程的变化等。相对于其他常规调查方法和生物测量方法, 稳定同位素技术在揭示氮沉降增加对树木光合产物即时分配效应的同时, 通过对土壤中新老碳的分配与周转速率的标记又可反映出土壤碳库的长期动态和稳定性, 因此在该研究领域将具有广阔的应用前景。

另外一方面, 森林生态系统碳、氮循环包含诸多复杂过程。它们不仅在土壤、植被和大气界面之间存在着错综复杂的相互作用关系, 而且碳、氮和水循环之间有相互制约的耦合关系。因此, 揭示氮沉降与碳水通量组分之间的生态化学计量平衡关系及其与植被碳吸收与代谢之间的关联, 阐明不同氮沉降水平下的森林生态系统增汇潜力, 降低森林碳平衡预测的不确定性是相关研究的热点与难点。这需要在森林植被-土壤-大气和水循环长期定位监测的基础上, 通过氮沉降模拟实验, 借助于红外气体分析仪技术和同位素示踪技术, 阐明森林吸收碳汇在不同碳库间的迁移、转化过程及其对氮沉降增加的响应。相关研究成果对评价未来全球变化背景下氮沉降增加对我国森林碳汇能力与潜力的影响具有重要意义, 同时也可为发展区域可持续性碳汇林业提供科学指导。

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