氮輸入對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)的影響-整合分析.pdf

1、氮，作為有機(jī)體的組成和生物地球化學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵元素被視為影響生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)過程最重要的營(yíng)養(yǎng)元素。本文利用整合分析(meta-analysis)的綜合性研究方法，通過設(shè)定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)從所搜集到的超過2000篇獨(dú)立發(fā)表的研究施氮和模擬氮沉降實(shí)驗(yàn)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)影響的論文中，選取了符合要求的論文266篇，并通過文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取建立了統(tǒng)一的研究數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)含有與碳、氮循環(huán)過程相關(guān)的27個(gè)變量，具體為葉碳庫(kù)、植物地上部分碳庫(kù)、植物地下部分碳

2、庫(kù)、凋落物碳庫(kù)、微生物生物量碳(以下簡(jiǎn)稱微生物碳)、土壤碳庫(kù)、葉氮庫(kù)、植物地上部分氮庫(kù)、植物地下部分氮庫(kù)、凋落物氮庫(kù)、微生物生物量氮(以下簡(jiǎn)稱微生物氮)、土壤氮庫(kù)、葉碳氮比、植物地上部分碳氮比、植物地下部分碳氮比、凋落物碳氮比、微生物碳氮比、土壤碳氮比、土壤呼吸作用、氮礦化作用、硝化作用、反硝化作用、氮固持作用、土壤無機(jī)氮庫(kù)、土壤pH值、根冠比和土壤容重。根據(jù)計(jì)算和整合以上變量在實(shí)驗(yàn)研究中施氮組與對(duì)照組比值的自然對(duì)數(shù)--響應(yīng)比，來探討氮

3、輸入對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)過程的影響。
　　整體而言，研究結(jié)果表明氮輸入對(duì)植物、土壤、微生物有著不同影響。氮輸入通過顯著提高土壤無機(jī)氮庫(kù)(增幅為115.7％)改善土壤營(yíng)養(yǎng)條件促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)，但卻抑制土壤微生物的生長(zhǎng)，對(duì)土壤碳庫(kù)，特別是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和非農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)截留的作用有著明顯的差異。與對(duì)照組相比較，施氮組植物碳庫(kù)和植物氮庫(kù)都有顯著的增加，從35.7％的植物地上部分碳庫(kù)增量和44.2％氮庫(kù)增量，到23.1％的植物地下部分

4、碳庫(kù)增量和53.2％氮庫(kù)增量不等。植物碳、氮庫(kù)的增加促進(jìn)了凋落物的積累，施氮組凋落物碳庫(kù)和氮庫(kù)都有顯著的上升，分別比對(duì)照組凋落物碳庫(kù)和氮庫(kù)增加了20.9％和23.9％。植物和凋落物碳、氮庫(kù)的增加意味著生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳、氮輸入的增加。氮輸入顯著增加了土壤碳庫(kù)和土壤氮庫(kù)，增幅分別為2.2％和6.2％。其中對(duì)于土壤碳庫(kù)而言，增量的貢獻(xiàn)主要來自于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(增幅為3.5％)，而對(duì)于非農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，氮輸入雖然顯著地增加了土壤氮庫(kù)(增幅為4.5％)

5、，但對(duì)土壤碳庫(kù)并沒有明顯的改變(僅有0.26％的降幅)。氮輸入對(duì)土壤微生物碳和微生物氮都為負(fù)效應(yīng)，其降幅分別為6.4％和5.8％?？梢?，氮輸入雖然促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)但是卻抑制了土壤微生物的生長(zhǎng)。因氮輸入對(duì)植物、凋落物、微生物和土壤碳、氮庫(kù)影響的差別，即相關(guān)參數(shù)氮庫(kù)的增幅都大于碳庫(kù)的增幅(微生物氮的減幅小于微生物碳的減幅)，導(dǎo)致了植物、凋落物、土壤微生物和土壤碳氮比都有不同程度的降低。凋落物碳氮比和土壤碳氮比的下降對(duì)凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)的分解

6、產(chǎn)生顯著的影響。另一方面，氮輸入在改變生態(tài)系統(tǒng)碳、氮庫(kù)，顯著增加生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳、氮輸入的同時(shí)，也改變了生態(tài)系統(tǒng)碳、氮流，顯著增加了碳、氮的外流通量。與對(duì)照組相比，土壤呼吸作用增加了5.3％，氮礦化、硝化和反硝化作用分別增加了22.9％、194.2％和112.2％。另外，氮輸入還顯著降低了植物根冠比改變了植物生物量分配，顯著降低了土壤pH值導(dǎo)致土壤酸化，對(duì)土壤容重和氮固持作用沒有顯著的影響。
　　研究結(jié)果還表明不同生態(tài)系統(tǒng)類型、實(shí)驗(yàn)

7、設(shè)計(jì)差異(如施氮率、實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間、施氮總量的差異)、環(huán)境因子(如緯度、年平均氣溫、年平均降雨量)等因素能不同程度地影響生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)相關(guān)參數(shù)對(duì)氮輸入的響應(yīng)。其中施氮率是影響植物地上部分碳、氮庫(kù)和凋落物碳庫(kù)的主要因素；緯度變化和年平均氣溫變化與土壤微生物碳、氮的變化呈顯著的相關(guān)性；生態(tài)系統(tǒng)類型是影響土壤碳、氮庫(kù)截留的主要因素，如在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳、氮庫(kù)增量較大，而在森林、草地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)卻沒有顯著改變。施氮降低了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土

8、壤碳的周轉(zhuǎn)速率、增加了碳周轉(zhuǎn)時(shí)間，因此有利于土壤碳庫(kù)的積累。非農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤碳周轉(zhuǎn)速率的上升和碳周轉(zhuǎn)時(shí)間的下降則表明，氮輸入在增加生態(tài)系統(tǒng)碳輸入的同時(shí)也促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，因此不利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累。另一方面，氮輸入增加了農(nóng)業(yè)和非農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤氮的周轉(zhuǎn)速率，降低了氮的周轉(zhuǎn)時(shí)間，因此土壤氮庫(kù)的增量遠(yuǎn)低于植物和凋落物氮庫(kù)的增量。植物地下部分碳庫(kù)變化與土壤碳庫(kù)變化具有顯著的相關(guān)性，緯度變化、年平均氣溫變化、土壤深度、施氮率和施氮總量等

9、因素都對(duì)土壤碳庫(kù)的變化有一定的影響。施氮通過外源性氮輸入加大了生態(tài)系統(tǒng)氮輸入量，通過顯著增加土壤無機(jī)氮促進(jìn)植物的生長(zhǎng)和植物、凋落物、土壤的碳、氮截留，并同時(shí)促進(jìn)了土壤呼吸作用、氮礦化、硝化和反硝化作用，從而促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)。另外，生態(tài)系統(tǒng)碳、氮過程有著密切的聯(lián)系，氮輸入導(dǎo)致的植物地上部分、凋落物、土壤微生物和土壤碳、氮庫(kù)的變化呈極其顯著的相關(guān)性，表明生態(tài)系統(tǒng)碳、氮過程是緊密地耦合在一起的。
　　總體而言，盡管氮輸入并不顯著