氮沉降对热带山地雨林固碳能力的影响研究

The continual increase of nitrogen (N) deposition from human-induced emissions of reactive N was well established as an issue of global significance. It changes the structure and function of ecosystem, however, little is known about how elevated reactive N input has affected the carbon (C) sequestration capability of tropical rainforest ecosystems in China. Tropical forests account for a large proportion of global terrestrial C storage and cycling and are thought to play a critical role in buffering the atmosphere against rising carbon dioxide (CO2), but the response of carbon sink in the tropical forests to the increase of N availability is also unclear. Our experiment is the first simulated N deposition experiment in tropical rainforest of China, and it build on national key field research station of tropical forest ecosystem in Hainan Island, China. We conduct a full factorial fertilization experiment (4 N treatments ×3 replicates in 20m × 20m plots) for 7 years. We focus on the response of C sequestration in tropical mountain primary rainforest to N deposition, to address the following items: (1) the influence of N deposition on aboveground C sequestration (biomass and fine litter) and belowground C sequestration (soil and fine root) in the tropical mountain rainforest; (2) N-induced C sequestration in the tropical mountain rainforest; (3) critical load of N-induced increases of net primary productivity (NPP) in the tropical mountain rainforest. This research can help us to understand the response of the C cycling in the tropical forest ecosystem to climate change, and it can provide an important scientific basis for evaluation of adaptation of tropical forest ecosystems to climate change. Our results highlight the importance to curb N emissions, improve forest management of tropical forest to avoid severe loss from elevated N availability by N deposition and climate warming.

人类活动所产生的氮排放引起大气氮沉降持续增加已经成为全球性的环境问题，引起国际社会和科学界的广泛关注，然而目前关于氮沉降对热带森林生态系统的影响研究还十分缺乏。热带森林生态系统作为全球陆地生态系统最重要的碳汇，其碳汇功能对可利用氮增加的响应过程尚不清楚。本项目利用国内首个热带雨林模拟氮沉降添加实验样地，以尖峰岭国家级森林生态站为基本研究平台，通过连续7年的氮添加实验，研究热带山地雨林原始林固碳能力对氮沉降的响应，旨在阐明：（1）氮沉降对热带山地雨林地上部分碳吸存（生物量和细凋落物）和地下部分碳吸存的影响特征；（2）氮沉降对热带山地雨林的碳吸存效应（C:N）；（3）热带山地雨林生态系统氮的临界负荷。本项目的实施，有助于了解热带森林生态系统碳循环对氮沉降的响应过程，而且为评估热带森林生态系统对全球变化的适应性提供理论基础，最终实现为国家制定合理的氮排放控制政策和森林碳汇管理政策提供科学依据。

人类活动所产生的氮排放引起大气氮沉降持续增加已经成为全球性的环境问题，引起国际社会和科学界的广泛关注，然而目前关于氮沉降对热带森林生态系统的影响研究还十分缺乏。热带森林生态系统作为全球陆地生态系统最重要的碳汇，其碳汇功能对可利用氮增加的响应过程尚不清楚。本项目利用国内首个热带雨林模拟氮沉降添加实验样地，以尖峰岭国家级森林生态站为基本研究平台，通过连续7年的氮添加实验，研究热带山地雨林原始林固碳能力对氮沉降的响应，旨在阐明：（1）氮沉降对热带山地雨林地上部分碳吸存ANPP（生物量和细凋落物）和地下部分碳吸存BNPP的影响特征（2）氮沉降对热带山地雨林的碳吸存效应（C:N）；（3）热带山地雨林生态系统氮的临界负荷。研究结果如下：尖峰岭热带山地雨林区年氮的湿沉降量为6.5 kg N ha-1 yr-1。地上部分碳循环分量分别为：原始林碳吸收为0.76 ~ 1.02 t C ha-1 yr-1，年凋落量为4.16 ~ 4.19 t C ha-1 yr-1，地上部分植被净初级生产力（ANPP）为4.91 ~ 5.21 t C ha-1 yr-1。次生林碳吸收为3.21 ~ 3.59 t C ha-1 yr-1，年凋落量为4.26 ~ 4.86 t C ha-1 yr-1，ANPP为7.86 ~ 7.98 t C ha-1 yr-1。氮添加不同程度低促进了树木的径向生长，雨季生长速率大于旱季。中氮和高氮促进了原始林的生长。中氮处理显著促进了原始林大乔木层（20 cm ≤ DBH < 30 cm）的生长。通过对土壤1m深的剖面取样并测定全碳和全氮结果表明，氮添加有增加土壤碳的趋势。氮添加促进了热带山地雨林原始林的ANPP，且ANPP随着氮沉降水平表现为先增加后降低的趋势，中氮处理达到最大生产力水平，比对照处理高23%，即为中氮处理水平（50 kg N ha-1 yr-1）为原始林生产力对氮沉降响应的临界负荷。热带山地雨林原始林生态系统地上部分对氮沉降的碳吸收效应C:N = 17-23。本研究结果一方面可为评价海南热带森林碳汇对未来氮沉降增加的响应提供理论基础，为制定更为合理的氮排放控制政策提供理论依据，同时也将为国家森林碳汇管理提出重要的建议；另一方面，对于揭示全球变化背景下森林生态系统碳收支的演变规律具有重要意义，并为科学评估热带森林生态系统对全球变化的适应性提供了基础。