我国亚热带地区氮饱和森林土壤对氮沉降降低的响应研究

Nitrogen oxides and ammonia emission are increasing fast in some regions of China. High nitrogen deposition may lead to nitrogen saturation, which may further induce a number of environmental issues such as soil acidification, water eutrophication, groundwater pollution, lose of forest biomass and biodiversity, and increase in greenhouse gas (N2O) emission. To investigate the mechanism and impact of nitrogen transformation in subtropical forest soil, especially the possible recovery of N-saturated forest ecosystem by N deposition reduction, a field manipulating experiment, together with a 15N tracing experiment, will been applied in Tieshanping, Chongqing in southwest China. The soil chemistry (including acidity, concentration of major anions and cations, aluminum speciation, and nitrogen and organic matter leaching in soil waters), and ecosystem function (including biomass, fine root distribution, and nutrients situation) will be monitored when nitrogen deposition decreases. As a pretreatment, more than 10 years fertilization has been done to create the N-saturated forest.

随着氮氧化物和氨排放量的快速增长，我国出现了一些氮沉降量很高的地区，过量的氮沉降有可能导致陆地生态系统的氮饱和，从而引发一系列诸如土壤酸化、水体富营养化、地下水污染、森林生产力下降、生物多样性减少及温室气体N2O排放增加等生态环境问题。为揭示亚热带森林土壤中的氮转化规律及其效应，特别是探索大气氮沉降量下降时土壤化学的响应机制及氮饱和森林生态系统恢复的可能性，本研究以重庆铁山坪亚热带地区典型的马尾松林为研究对象，利用野外控制实验结合氮同位素示踪的方法，观测模拟氮沉降（无机氮肥施加）量降低的条件下土壤化学（包括土壤溶液酸度、主要阴阳离子、铝活化以及氮和有机质淋溶等）和生态系统结构功能（包括植物生物量、根分布和营养状况等）的响应。课题组前期已经在重庆铁山坪开展了十年的添加氮肥模拟氮沉降的控制实验并创造出了氮饱和条件，为本研究的顺利开展创造了条件。

在我国西南部，近年来的高氮（N）沉降（40-60 kg ha-1 yr-1）可能造成了N饱和的极端情况，其中N饱和亚热带森林的N淋溶输出量几乎等于N输入量。在经过近四十年的快速增长后，我国的N沉降从2010年后开始下降。N沉降下降后N饱和亚热带森林的恢复过程观测是对N沉降影响认识的补充，并进一步丰富对N循环及其作用的理解。本研究旨在通过野外长期观测和现场减氮控制实验，定量描述N沉降下降后，N饱和亚热带森林的土壤水化学、氧化亚氮（N2O）排放以及N循环的响应。. 在中国西南地区重庆市附近的铁山坪的马尾松林中，使用硝酸铵（NH4NO3）或硝酸钠（NaNO3）肥料使N输入增加近一倍，导致N淋溶立即增加一倍。在施肥10年后停止施氮，导致土壤水中NO3-的浓度迅速降低至与之前未施用氮肥的对照样地相似的水平。NH4NO3样地中土壤水的NO3-淋溶甚至比NaNO3样地或对照样地中的低，这证实了先前施氮实验的结果，该实验发现与NO3-沉降相比，铵根（NH4+）沉降增加了N在森林生态系统中的保留。停止添加氮肥后，氮汇保持了至少两年。.N2O是主要的温室气体，之前的研究表明接受高N沉降的亚热带森林的N2O排放量较高。2012-2018年不同季节的铁山坪森林土壤N2O排放监测表明，N的添加显著增加了土壤N2O排放。N2O排放通量取决于土壤水中的NO3-浓度，表明反硝化在N2O产生中的重要作用，并且还受到土壤温度和湿度等环境因素的影响。停止模拟的N沉降后，之前接受N添加处理的样地排放的N2O较高，可能归因于土壤中历史保留的N。. 在2012年和2017年分别向铁山坪森林中添加了标记15N的15NH4NO3或Na15NO3，在分别在N沉降减少前后追踪进入生态系统的N的去向和分布。与高N输入时的结果相比，土壤和植物中15N的保留增加了，而淋溶和N2O排放导致的15N的损失减少了。此外，在15NH4+处理下森林土壤和植物中保留的15N高于15NO3-处理，而添加15NO3-样地中15N的淋溶回收率和N2O损失高于15NH4+样地，说明土壤微生物和阳离子交换库更容易固定和吸附NH4+，NO3-的高迁移率使其更易于淋溶或通过N2O排放。