氮輸入對中國東北地區(qū)土壤碳蓄積的影響

顧峰雪，黃 玫，張遠東，李 潔，閆慧敏，郭 瑞，鐘秀麗

1 中國農(nóng)業(yè)科學院農(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，北京 100081 2 中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)觀測與模擬重點實驗室，北京 100101 3 中國林業(yè)科學研究院森林生態(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，北京 100091

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氮輸入對中國東北地區(qū)土壤碳蓄積的影響

顧峰雪1，黃 玫2，張遠東3,*，李 潔1，閆慧敏2，郭 瑞1，鐘秀麗1

1 中國農(nóng)業(yè)科學院農(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，北京 100081 2 中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)觀測與模擬重點實驗室，北京 100101 3 中國林業(yè)科學研究院森林生態(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，北京 100091

由于人類活動的干擾，通過沉降和施肥形式進入陸地生態(tài)系統(tǒng)的氮素持續(xù)增加，中國已經(jīng)成為繼歐洲和北美之后的第三大氮沉降區(qū)，同時也是最大的化肥消費國。氮輸入與陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學循環(huán)的一系列過程都相互聯(lián)系，碳循環(huán)及其格局也受到氮輸入的影響。土壤有機碳庫在全球碳循環(huán)中具有重要作用，氮輸入能否或在多大程度上對土壤碳庫產(chǎn)生影響已經(jīng)成為全球變化和氮沉降研究中不可回避的問題。東北地區(qū)是世界三大黑土帶之一，土壤碳的變化不僅對于土壤肥力維持具有重要意義，而且對區(qū)域碳收支具有重要影響。利用生態(tài)系統(tǒng)過程模型——CEVSA2模型，基于我國能源消費、施氮數(shù)據(jù)和降水數(shù)據(jù)生成了一套中國大氣氮沉降的時空網(wǎng)格數(shù)據(jù)，結(jié)合大氣CO2濃度、氣候、土地覆被、土壤類型和質(zhì)地的時空數(shù)據(jù)，模擬評估了1961—2010年氮輸入對中國東北地區(qū)土壤碳蓄積的影響。結(jié)果表明：(1)1961—2010年東北地區(qū)的平均氮沉降速率為1.00 gN m-2a-1，年增長率為0.047 gN m-2a-1。東北農(nóng)田總氮輸入速率達到5.78 gN m-2a-1，從20世紀80年代開始顯著增加。(2)氮輸入促進了東北地區(qū)土壤碳的蓄積，東北陸地生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳密度平均增加了135 gC/m2，50a氮輸入共增加土壤碳蓄積0.16 PgC。(3)氮輸入引起的東北地區(qū)土壤碳蓄積量的變化呈現(xiàn)出東高西低、南高北低的空間格局，遼河平原、松嫩平原和三江平原的土壤碳密度增加量超過了300 gC/m2。(4)不同植被類型下的土壤碳密度對氮輸入的響應(yīng)存在較大差異，農(nóng)田土壤碳密度平均增加了230 gC/m2，森林、灌叢和草地則分別增加了76、169 gC/m2和89 gC/m2。氮輸入的空間差異和不同植被類型對氮輸入響應(yīng)的差異共同決定了東北地區(qū)土壤碳增加量的空間格局。通過本研究闡明了氮輸入對東北農(nóng)田土壤碳蓄積的影響，從而為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳減排和農(nóng)田土壤碳氮管理提供了決策依據(jù)。

氮沉降；施肥；土壤碳蓄積；東北；CEVSA2模型

目前人類活動已經(jīng)極大地改變了氮循環(huán)過程[1-2]。1860年以來，全球活性氮生產(chǎn)量逐年增加。據(jù)估計，全球人為活動導致的活性氮生產(chǎn)量由1860年的15 TgN/a提高到2000年的165 TgN/a[1]，其后這一數(shù)值仍在持續(xù)上升[3-4]。農(nóng)業(yè)活動是重要的活性氮來源，工業(yè)固氮速率的增加使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中日益增加的氮需求得以維持，從1910開始，工業(yè)固氮產(chǎn)生的活性氮由零的數(shù)量開始增加，到2000年工業(yè)固氮產(chǎn)生的活性氮已經(jīng)超過的100 TgN/a，其中85%來自于化肥的生產(chǎn)[1,3]。我國作為世界上最大的發(fā)展中國家，每年消耗的肥料氮大于24 Tg，大約是全世界肥料氮施用量的30%左右[5]。這些活性氮通過沉降和施肥的方式進入陸地生態(tài)系統(tǒng)中，會引起土壤酸化，生物多樣性減少，改變生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，引起一系列的生態(tài)問題[6]。氮輸入的增加引起了科學家和公眾的廣泛關(guān)注[1,2,7]。

土壤有機碳庫在全球碳循環(huán)中具有重要作用。據(jù)估計，土壤有機碳庫大約是大氣碳庫的3倍多，是植物碳庫的2.5—3倍[8]。土壤碳庫的動態(tài)平衡影響著作物產(chǎn)量和土壤肥力的高低，是土壤肥力保持和提高的重要研究內(nèi)容[9]。氮輸入(氮沉降和施氮)是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸過程的重要因素[10-11]。氮沉降能否或在多大程度上對土壤碳庫產(chǎn)生影響已經(jīng)成為全球變化和氮沉降研究中不可回避的問題[12]。國內(nèi)外學者也開展了一些氮輸入與碳蓄積的模型研究,如，Wei等[13]基于FORECAST模型，研究了中國東南部杉木人工林碳蓄積對氮沉降的響應(yīng)，模擬結(jié)果表明，在現(xiàn)有氮沉降水平(5—10 kg hm-2a-1)下，中國東南地區(qū)杉木林蓄積碳7.4×106MgC/a，其中土壤碳4.9×106MgC/a，如果氮沉降水平增加到7.5—15 kg hm-2a-1，蓄積的碳量將達到16×106MgC/a，土壤碳蓄積將達到9.9×106MgC/a；呂超群[14]應(yīng)用動態(tài)陸地生態(tài)系統(tǒng)模型(DLEM)的研究表明，從1901—2005年，大氣氮沉降增加及其與其他環(huán)境變化的協(xié)同作用使得陸地碳庫增加6.43 PgC，其中植被、土壤和凋落物分別占48%，45%和7%，并且指出，長期持續(xù)的氮沉降增加必然會提高土壤碳庫在整個氮促碳庫中的重要性；Jain等[15]應(yīng)用ISAM-NC和ISAM-C模型的研究表明，20世紀90年代，氮輸入(62.2 TgN/a)增加引起全球陸地碳匯增加0.26 PgC/a。盡管在全球和區(qū)域尺度上，開展了許多氮輸入與土壤碳蓄積響應(yīng)的模擬研究，但關(guān)于氮輸入引起的土壤碳蓄積的估算仍存在很大的不確定性[16]，缺乏氮輸入對土壤碳蓄積影響的深入研究，因此，有必要對氮輸入對土壤碳蓄積的影響進行深入探討。

東北地區(qū)處于我國最高緯度地區(qū)，是中國最大的天然林區(qū)和重要的商品糧生產(chǎn)基地，也是世界三大黑土帶之一[17- 19]。農(nóng)田作為東北地區(qū)重要的土地利用方式，其土壤碳的變化不僅對區(qū)域碳收支具有重要影響，而且對于土壤肥力維持具有重要意義。許多學者對我國東北地區(qū)的土壤碳的時空格局及其變化特征進行了研究[20- 25]，而且，研究表明氮輸入對該區(qū)土壤碳蓄積具有重要作用，如對東北黑土的長期定位試驗研究表明，施用化肥有利于黑土有機質(zhì)的積累[26]，且土壤有機質(zhì)含量對施肥的響應(yīng)隨土層深度的加深呈下降趨勢[27]。但是氮輸入對東北地區(qū)土壤碳蓄積時空格局影響的研究較少。開展氮輸入對東北地區(qū)土壤碳蓄積的影響研究，尤其是農(nóng)田的土壤碳蓄積，對于準確評估該區(qū)域的碳收支狀況，估算該區(qū)域土壤碳蓄積量以及農(nóng)田土壤碳氮管理都具有重要意義。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域簡介

本研究中，東北地區(qū)(北緯 38°48′—53°33′N，東經(jīng) 115°31′—135°05′E)主要包括黑龍江、吉林、遼寧以及內(nèi)蒙古地區(qū)東北部，北部與俄羅斯接壤，東南部與朝鮮半島相接，南部濱臨中國渤海和黃海[28]。本研究中統(tǒng)計的總面積為11.73×105km2。東北地區(qū)屬寒溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冷期較長，1961—2010東北地區(qū)年平均溫度在2.49—6.02 ℃之間，隨著緯度升高，年均溫逐漸減低，年降水量在427—680 mm，從東南向西北，降水量逐漸減少。

東北地區(qū)包括“三山兩平原一高原”，即西部為大興安嶺和呼倫貝爾高原，北部為小興安嶺，東部有長白山，中部為松遼平原，東北部為三江平原。東北平原的海拔在200 m左右，分布著大量黑土，面積7萬多km2，是我國重要的商品糧基地，水稻、玉米、大豆等作物播種面積均占全國首位[29]。黑土的土壤結(jié)構(gòu)良好，土層疏松軟綿，呈中性或微酸性，有機質(zhì)含量高，腐殖質(zhì)較多，肥力較高，理化性能好，素有“土中之王”的美稱。東北陸地生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機碳庫儲量為26.43 PgC，在全球碳庫預(yù)算中起著舉足輕重的作用[30]。

化肥是東北地區(qū)農(nóng)業(yè)賴以發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，東北地區(qū)的化肥消費以氮肥為主，2010年全國單位面積施肥量為346.1 kg/hm2，其中東北地區(qū)的遼寧為343.9 kg/hm2，吉林為350.1 kg/hm2，黑龍江為176.3 kg/hm2，內(nèi)蒙古為253.1 kg/hm2，近年來東北地區(qū)化肥施用量呈緩慢提升的趨勢[31-32]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 氣候數(shù)據(jù)

模型中所使用的氣象數(shù)據(jù)來自于國家氣象信息中心，包括1961—2010年全國756個氣象臺站的每旬平均氣溫、降水量、云量和相對濕度。使用ANUSPLIN4.1插值軟件的樣條函數(shù)插值法對氣象數(shù)據(jù)進行內(nèi)插到10km×10km的空間網(wǎng)格上[33]，得到全國1961—2010年的0.1°氣象柵格數(shù)據(jù)。

1.2.2 CO2,土壤類型和土壤質(zhì)地,植被類型數(shù)據(jù)

大氣CO2濃度資料來源于美國夏威夷Mauna Loa觀測所(http://co2now.org/Current-CO2/CO2-Now/noaa-mauna-loa-co2-data.html)。土壤類型和質(zhì)地資料取自1∶14000000土壤類型圖和第二次土壤普查數(shù)據(jù)，對其進行數(shù)字化并重采樣到0.1°。植被數(shù)據(jù)來自于Global Land Cover 2000數(shù)據(jù)庫(European Commission, Joint Research Centre, 2003. http://bioval.jrc.ec.europa.eu/products/glc2000/glc2000.php)共有22種土地覆被類型，在ArcGIS中進行插值重采樣，匹配于氣象數(shù)據(jù)的分辨率。

1.2.3 氮輸入相關(guān)數(shù)據(jù)：施肥、能源消費和氮沉降

本研究中的氮輸入主要包括通過沉降和施肥兩種途徑進入生態(tài)系統(tǒng)的氮。施肥數(shù)據(jù)是由統(tǒng)計年鑒的數(shù)據(jù)計算得到，氮沉降數(shù)據(jù)基于CEVSA2模型，根據(jù)柵格化的施肥和能源消費等數(shù)據(jù)在模型中運行得到。

施肥數(shù)據(jù)一方面是模型的氮輸入數(shù)據(jù)，同時也是計算氮沉降數(shù)據(jù)的關(guān)鍵變量。施肥數(shù)據(jù)來源于中國和各省的統(tǒng)計年鑒(NBS, http://www.stats.gov.cn/)，包括1978—2008年全國和各省的施肥量、施氮量，以及全國2000多個縣1992、1995、1999年的施肥數(shù)據(jù)，根據(jù)模型輸入數(shù)據(jù)的要求，對施肥數(shù)據(jù)做以下處理：(1)按照不同時期各縣所在省施肥總量的比例以及所在省1978—2008年的變化趨勢，計算得到全國各縣級單元施氮總量1978—2008年的變化趨勢。(2)基于1978—2008年各縣級單元施氮總量的線性變化趨勢，計算得到各縣級單元1961—1977年和2009、2010年的施氮總量數(shù)據(jù)。(3)將縣級單元施氮數(shù)據(jù)屬性表與中國縣市界先掛接，形成屬性空間化。(4)利用通過行政區(qū)劃求取的2000年各縣市面積的和，然后基于縣市名稱與各縣市耕地面積掛接，實現(xiàn)耕地面積總量的空間化。(5)最后利用施肥量/各省市縣耕地面積和的柵格數(shù)據(jù)，實現(xiàn)施肥量單元柵格化(gN m-2a-1)。

能源消費數(shù)據(jù)來源于中國統(tǒng)計局 (NBS, http://www.stats.gov.cn/)，查找自1978—2008年全國和各省的能源總量(萬噸標準煤/年)，全國和各省1961—1977年以及2009、2010年的能源消費數(shù)據(jù)根據(jù)1978—2008年的線性變換趨勢計算得到。根據(jù)省界圖，統(tǒng)計各省的面積，將各省的能源消費總量平均到單位面積上，在ArcGIS中提取模型輸入所需的0.1°格點的能源消費量(g標準煤m-2a-1)。

利用柵格化后的施肥、能源消費和降水對氮沉降的時空變化進行模擬，

Ndepo=Ammdepo+Nitdepo

(1)

Ammdepo=PRE×P1×fert+P2×fert

(2)

Nitdepo=PRE×P3×ener+P4×ener

(3)

式中，Ndepo為大氣氮沉降速率(gN m-2a-1)，Ammdepo(gN m-2a-1)為以NHx形式沉降的氮，Nitdepo(g N m-2a-1)為以NOy形式沉降的氮，PRE為降水量(mm)，fert為施氮量(gN m-2a-1)，ener為能源消費量(g標準煤m-2a-1)，P1、P2、P3和P4為擬合參數(shù)。通過文獻收集了中國區(qū)域內(nèi)163個站點不同年份觀測的588個氮沉降數(shù)據(jù)(包含濕沉降、干沉降或干濕沉降均有的數(shù)據(jù))，利用這些觀測數(shù)據(jù)，對P1—P4參數(shù)進行了擬合。該方法不僅具有較好的理論基礎(chǔ)，輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)易于獲取，同時可以根據(jù)能源利用效率和氮肥利用率的變化來調(diào)整參數(shù)，從而實現(xiàn)對未來情景的預(yù)測。

1.2.4 CEVSA2模型簡介和運行

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所有過程的影響模擬，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。

本研究中，模型運行的時間分辨率為10d，空間分辨率為0.1°。首先應(yīng)用1961—2010年的平均氣候數(shù)據(jù)運行模型至生態(tài)系統(tǒng)平衡態(tài)，即各個狀態(tài)變量如植被、土壤碳貯量以及土壤含水量等年際變化量小于0.1%，且凈初級生產(chǎn)力(NPP)、凋落物產(chǎn)生量 (LT)與異養(yǎng)呼吸(HR)相等，然后用1961—2010年每旬資料進行動態(tài)模擬，并反復運行模型以消除假定的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變量的初始值(即平衡態(tài)假設(shè))對模擬結(jié)果的影響。從最終模擬結(jié)果中提取中國東北地區(qū)的數(shù)據(jù)進行分析。

2 模型驗證

本研究中，為了驗證CEVSA2模型在土壤碳儲量對氮輸入響應(yīng)方面的模擬效果，利用從文獻中收集的公主嶺[34]和海倫[35]兩個站點施肥的長期試驗數(shù)據(jù)對其進行驗證。利用CEVSA2模型，分別計算兩個站點在16.5 gN/m2和12.8 gN/m2(公主嶺和海倫長期試驗中的施氮量)氮輸入水平下土壤有機碳密度，其與無氮條件下土壤碳密度的差值作為氮輸入引起的土壤碳儲量變化的模擬值。模擬值與站點實測值的比較如圖1。氮輸入引起的公主嶺地區(qū)土壤碳儲量變化13a的試驗值為 0.177 kgC/m2,模擬值為0.204 kgC/m2，相對誤差為 15.39%。氮輸入引起的海倫地區(qū)土壤碳儲量變化的19a平均值為0.300 kgC/m2，模擬值為0.280 kgC/m2，相對誤差為6.84%，因此，可以看出CEVSA2模型可以很好地模擬東北地區(qū)農(nóng)田土壤碳對氮輸入的響應(yīng)。模型模擬值與試驗值之間的誤差主要是由于：(1)土壤的空間異質(zhì)性，土壤采樣點不一樣，會造成土壤實測值存在較大的變異性，通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，兩地的組內(nèi)方差 (公主嶺為0.017，海倫為0.010) 均大于組間方差(公主嶺為0.003，海倫為0.009);(2)模型模擬的誤差，試驗中，氮肥非純氮，氮與其他肥料元素之間存在著復雜的交互作用，而模型則只考慮了氮的作用。

圖1 氮輸入對土壤碳蓄積影響的模擬值與實測值的比較 Fig.1 Comparison between the estimated C storage induced by N input with CEVSA2 and that from field measurements in Gongzhuling and Hailun station

3 結(jié)果與討論

3.1 東北地區(qū)氮輸入的時空變化

圖2 1961—2010年中國東北地區(qū)氮沉降的年際變化 Fig.2 The inter-annual variation of N deposition in Northeast China during 1961—2010

研究時段內(nèi)，我國東北地區(qū)的大氣氮沉降速率平均為1.00 gN m-2a-1，高于全國的氮沉降速率0.81 gN m-2a-1，2010年，東北地區(qū)的氮沉降速率達到2.80 gN m-2a-1，是同時段全國平均氮沉降速率的1.64倍。東北地區(qū)氮沉降速率較高，與東北地區(qū)是我國的老工業(yè)基地和重要的農(nóng)業(yè)基地有關(guān)，工業(yè)生產(chǎn)和氮肥施用引起高氮沉降。東北地區(qū)的氮沉降速率的年增長率為0.047 gN m-2a-1，高于全國氮沉降速率的增速0.036 gN m-2a-1(圖2)，20世紀60年代和70年代氮沉降速率基本保持不變，80年代開始增加，90年代以后氮沉降速率增加更加顯著。

從空間上看，黑龍江、吉林和遼寧地區(qū)的氮沉降速率高于內(nèi)蒙古的東北部地區(qū)(圖3)。從1961至2010年，內(nèi)蒙古東北部地區(qū)的氮沉降速率基本不變，始終在0—0.25 gN m-2a-1的范圍，而在黑龍江的西南部、三江平原、吉林省的中西部和遼寧地區(qū)的氮沉降速率發(fā)生了顯著變化，從20世紀60年代的0.25—0.75 gN m-2a-1，增加到80年代的0.75—2.0 gN m-2a-1，再到21世紀初的2.0—4.5 gN m-2a-1。

圖4 1961—2010年中國和東北地區(qū)施氮量的年際變化 Fig.4 The inter-annual variation of N fertilizer in China and Northeast China during 1961—2010

1961—2010年中國和東北地區(qū)的施氮量均呈增加趨勢(圖4)。我國東北地區(qū)的施氮量低于全國平均水平，變化范圍在1.72—13.82 gN m-2a-1，平均施氮量為4.78 gN m-2a-1。就變化趨勢來看，1961—2010年，東北地區(qū)每年增加0.21 gN m-2a-1。東北地區(qū)的施氮量20世紀70年代至21世紀初分別比60年代增加了15%、89%、250%和456%，由此可見，施氮量的增加主要在20世紀80年代以后，80年代以前我國的施氮量水平很低而且增量較小。

為了說明東北地區(qū)的施氮量在空間上的差異及其變化，本研究對1978—2008年施氮量統(tǒng)計資料進行空間化處理，得到了近31年施氮量的空間分布，并分析了20世紀80年代、90年代和21世紀初東北施氮量的空間分布(圖5)。近31年三江平原地區(qū)的農(nóng)田施氮量普遍較低，在0—5 gN m-2a-1，松遼平原地區(qū)的施氮量普遍較高，在5.0 gN m-2a-1以上，部分地區(qū)的施氮量超過10 gN m-2a-1。近30年來，我國東北地區(qū)的農(nóng)田施氮量持續(xù)增加。申建波等[36]對黑龍江稻作區(qū)的施肥情況研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)氮肥施用量從3.5—35.36 gN m-2a-1不等，平均為15 gN m-2a-1，與本研究結(jié)果非常相近。我國東北農(nóng)田的施氮量低于全國平均水平，主要與東北地區(qū)農(nóng)田施氮量分布差異較大有關(guān)，而且東北地區(qū)存在大面積的高施氮區(qū)，因此，有必要對東北地區(qū)農(nóng)田施氮量的空間差異引起的生態(tài)效應(yīng)進行進一步研究。

圖5 1981—2008年東北農(nóng)田平均施氮量的空間分布和不同年代際的空間分布Fig.5 Spatial pattern of N fertilizer rate during 1981—2010, 1981—1990, 1991—2000 and 2001—2008

圖6 1961—2010年氮輸入引起的東北地區(qū)土壤碳密度的變化量 Fig.6 The inter-annual variation of soil C density induced by changes of N input during 1961—2010

氮肥施用量的增加，與氮肥工業(yè)的發(fā)展有直接關(guān)系。1965—1979年，碳酸氫銨的生產(chǎn)使中國氮肥產(chǎn)量迅速增加，是主要的氮肥消費形式。20世紀80年代以后，隨著無煙煤生產(chǎn)尿素技術(shù)的發(fā)展，氮肥產(chǎn)量迅速增加，1997年高濃度尿素超過碳酸氫銨成為中國第一大氮肥品種，氮肥消費迅速增長[37]。根據(jù)欒江等[31]的研究，化肥使用強度的增長是中國化肥施用總量增長的主因，但從2007年以后，使用強度的貢獻不斷下降，播種面積調(diào)整的貢獻有所提高。中國肥料的當季利用率低，氮肥利用率僅為30%—35%，氮肥的揮發(fā)、淋溶和徑流損失巨大，隨之引起土壤肥力下降，農(nóng)作物品質(zhì)降低和環(huán)境污染等[38]。從本研究的研究結(jié)果來看，我國農(nóng)田施氮量持續(xù)增加，不同區(qū)域農(nóng)田施氮量的差異很大，因此針對不同地區(qū)施氮量的差異，對我國農(nóng)田施氮量進行管理，對于提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)以及改善土壤肥力都將具有重要意義。

3.2 東北地區(qū)土壤碳儲量的時間變化對氮輸入的響應(yīng)

本研究中，利用有氮輸入和無氮輸入兩種模擬情景中土壤碳密度的差值作為氮輸入增加引起的土壤碳密度變化量，并將2010年土壤碳蓄積的變化量作為1961—2010年由于氮輸入增加(氮沉降和施肥)引起的土壤碳蓄積增加量。由圖6可知，氮輸入速率的增加使得東北地區(qū)的土壤碳密度的增加量逐年增大。20世紀60年代，東北地區(qū)氮輸入增加使得東北地區(qū)的土壤密度增大了16 gC/m2，而在隨后的70年代，氮輸入增加引起的土壤碳密度增加量減小為10 gC/m2，從80年代開始，氮輸入引起的土壤碳密度的增加量逐漸增加，這與東北地區(qū)氮輸入的增長趨勢相一致，80年代以后，人類活動的干擾以及氮肥工業(yè)的發(fā)展，東北地區(qū)的氮沉降和施肥水平都大幅增加(表1)。研究時段內(nèi)，東北地區(qū)的氮輸入量由1961年的0.97 gN m-2a-1增加到2010年的7.6 gN m-2a-1，使得東北陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳密度增加135 gC/m2，土壤碳匯增加0.16 PgC。

表1 1961—2010年氮輸入引起的東北地區(qū)土壤碳密度增加量的年代際變化

氮輸入增加引起的土壤碳密度增加量在1961—1970年等于1970年的氮輸入引起的土壤碳密度的變化量，1971—1980等于1980年的氮輸入引起的土壤碳密度的變化量與1970年的差值，1981—1990等于1990年的氮輸入引起的土壤碳密度的變化量與1980年的差值，依次類推土壤碳庫的增減趨勢取決于碳輸入與輸出之間的平衡關(guān)系，一方面氮輸入增加導致葉氮濃度的升高[39- 41]，由此促進光合作用從而增加植物生物量。但氮輸入對凋落物的影響程度取決于樹種和養(yǎng)分條件[12]，一些研究發(fā)現(xiàn)氮輸入顯著增加了凋落量[42- 44]，但另外一些研究表明氮輸入對凋落物量影響不顯著[41,45]。在本研究中，氮輸入增加了植物的凋落物量碳，凋落物量平均每年增加0.21 gC m-2a-1，尤其是從20世紀80年代以后，氮輸入使得東北地區(qū)的凋落物量急劇增加(圖7)，從而導致進入土壤的碳素增加。另外，目前關(guān)于氮輸入對土壤呼吸的影響還沒有一致的結(jié)論，可能存在促進作用[46-49]、抑制作用[48,50-51]或無明顯影響[52]，同樣取決于樹種、氮沉降濃度和養(yǎng)分條件。本研究中氮輸入增加了土壤的異養(yǎng)呼吸，平均每年增加0.13 gC m-2a-1。植物根系的周轉(zhuǎn)、凋落物和土壤有機質(zhì)的分解與土壤碳庫緊密相關(guān)，凋落物和土壤碳氮比與分解作用有著緊密聯(lián)系[53- 55]。總得來說，森林凋落物的分解速率因凋落物的種類和環(huán)境條件不同而不同，并且不同氣候條件和不同分解階段影響凋落物分解的各因子重要性可能存在差異。本研究結(jié)果表明氮輸入引起的植物凋落物碳輸入的增量大于土壤異養(yǎng)呼吸的增量，從而導致土壤碳儲量的上升。

圖7 1961—2010年氮輸入引起的東北地區(qū)土壤異養(yǎng)呼吸和凋落物量的變化Fig.7 Temporal variations of heterotrophical respiration and litter production change induced by N input

3.3 東北地區(qū)土壤碳蓄積的空間格局對氮輸入的響應(yīng)

氮輸入引起的東北地區(qū)土壤碳密度的變化量呈現(xiàn)出東高西低，南高北低的空間格局(圖8)。研究時段內(nèi)，氮輸入的增加使得土壤碳密度減少的面積僅占研究區(qū)域總面積的16%，主要分布在小興安嶺地區(qū)，大興安嶺和長白山的小部分地區(qū)。在絕大部分地區(qū)，氮輸入增加了東北地區(qū)的土壤碳密度。其中，土壤碳密度的增加量在0—100 gC/m2的地區(qū)占研究區(qū)域總面積的43%，主要分布在大興安嶺、呼倫貝爾高原、內(nèi)蒙古高原等地區(qū)；土壤碳密度的增加量大于100 gC/m2的地區(qū)占研究區(qū)域總面積的41%，其中土壤碳密度增加量大于300 gC/m2的面積占研究區(qū)域總面積的19%，主要分布在松遼平原和三江平原地區(qū)，以及黑龍江的西南部地區(qū)。總體來看，東北地區(qū)的氮輸入使得土壤碳密度減少或者增加量較小的地區(qū)主要是在東北森林和草地的分布區(qū)，土壤碳蓄積量增加較多的地區(qū)主要在農(nóng)田分布區(qū)。

圖8 1961—2010年氮輸入引起的東北地區(qū)土壤碳密度變化量的空間格局Fig.8 Spatial pattern of soil C density change induced by N input in Northeast China during 1961—2010

隨著氮輸入量的不斷增加，土壤碳蓄積的響應(yīng)幅度不是維持不變的，其年代際的空間格局對于了解生態(tài)系統(tǒng)行為具有重要意義。圖9通過對比整個研究時段內(nèi)不同年代的氮效應(yīng)差值來揭示氮輸入增加引起的土壤碳密度變化量的年代際差異。從空間分布上來看，20世紀60年代和70年代氮輸入引起的土壤碳密度的變化不大，從80年代開始，氮輸入使得遼河平原、吉林中部和黑龍江西南部、三江平原等的部分地區(qū)土壤碳密度的增加量達到75—200 gC/m2，90年代達到75—200 gC/m2的區(qū)域面積進一步擴大，部分地區(qū)開始超過200 gC/m2，2000年后75—200 gC/m2的范圍在這些地區(qū)逐漸向外擴展，土壤碳密度的增加量進一步增多。而在大、小興安嶺、長白山以及內(nèi)蒙古地區(qū)，氮輸入對這些地區(qū)的土壤碳密度的影響幾乎沒有變化，直到20世紀90年代，這些地區(qū)的土壤碳密度增加量才逐步達到10—50 gC/m2。

圖9 不同年代氮輸入引起的東北地區(qū)土壤碳密度變化量的空間格局Fig.9 Spatial pattern of soil C density change induced by N input in different decade in Northeast China

造成東北地區(qū)土壤碳密度量對氮輸入響應(yīng)的空間格局存在差異的原因主要有兩方面：(1)東北地區(qū)氮輸入存在空間差異。研究發(fā)現(xiàn)，氮輸入引起的東北地區(qū)土壤碳密度變化量的空間格局與東北地區(qū)氮輸入的空間格局具有很好的一致性，如松遼平原和三江平原地區(qū)的氮沉降速率不論是50a平均值，還是不同年代的平均值始終都是東北地區(qū)氮沉降速率最高的地區(qū)，而且這些地區(qū)主要是農(nóng)田分布區(qū)，有大量氮素以氮肥的形式施入生態(tài)系統(tǒng)中，進而影響植物生長，改變凋落量和土壤呼吸過程，因此這些地區(qū)由氮輸入引起的土壤碳密度增加量及其增速也同樣是最高的。而在氮沉降速率較小的大小興安嶺和內(nèi)蒙地區(qū)的土壤碳密度的變化量同樣很小(圖9)。(2)不同植被類型對氮輸入的響應(yīng)存在差異(表2)。從氮輸入對東北地區(qū)的土壤碳密度影響的空間格局及其不同年代土壤碳蓄積空間格局的影響來看，土壤碳密度變化較小的地區(qū)主要是在東北森林和草地的分布區(qū)，土壤碳密度增加較多的地區(qū)主要在農(nóng)田分布區(qū)，由此可以初步認為氮輸入對土壤碳密度的影響與植被類型有很大的關(guān)系，尤其是農(nóng)田的土壤碳密度受氮輸入影響很大。

表2 不同植被類型下的氮輸入使土壤有碳蓄積增加量

4 結(jié)論

(1)過去50a東北地區(qū)的氮輸入顯著增加，其中大氣氮沉降速率平均為1.00 gN m-2a-1， 2010年達到2.80 gN m-2a-1，年增長率為0.047 gN m-2a-1，高于全國的平均水平；而農(nóng)田的施氮量則由1961年的1.721 gN m-2a-1增加到2010年3.82 gN m-2a-1的。東北平原地區(qū)是氮沉降和農(nóng)田施氮量增加最為顯著的區(qū)域。

(2)氮輸入促進了東北地區(qū)土壤碳的吸收，東北陸地生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳密度平均增加了135 gC/m2，1961—2010年氮輸入共增加土壤碳蓄積0.16 PgC。

(3)不同植被類型下的土壤碳密度對氮輸入的響應(yīng)存在很大差異，氮輸入引起農(nóng)田、灌叢、草地、森林的土壤碳密度分別增加230、169、89 gC/m2和76 gC/m2。

(4)氮輸入的空間格局和不同植被對氮輸入的響應(yīng)差異決定了東北地區(qū)土壤碳蓄積變化的空間特征。氮輸入引起的東北地區(qū)土壤碳蓄積量的變化呈現(xiàn)出東高西低、南高北低的空間格局，東北平原和三江平原的土壤碳密度增加量超過了300 gC/m2。

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Modeling the effect of nitrogen input on soil carbon storage in Northeast China

GU Fengxue1, HUANG Mei2, ZHANG Yuandong3,*, LI Jie1, YAN Huimin2, GUO Rui1, ZHONG Xiuli1

1 Key Laboratory of Dryland Agriculture, Ministry of Agriculture, Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China 2KeyLaboratoryofEcosystemNetworkObservationandModeling,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China3KeyLaboratoryofForestEcologyandEnvironment,StateForestryAdministration,InstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China

Anthropogenic activities have altered the global nitrogen (N) cycle, leading to increased N input into the ecosystem through N deposition and N fertilizer. China consumes the highest amount of fertilizer globally, and it has become the third largest N deposition region in the world. N input is an important factor in the terrestrial carbon (C) sink, and N input is implicated in a series of biogeochemical cycles that then influence the C cycle and its spatial pattern. The soil C pool plays an important role in the global C cycle; therefore, the question of whether and to what extent N input affects the soil C pool must be addressed in relation to global change and N deposition. Northeast China has the third-largest black belt in the world and it is an important commodity grain base of China. Cropland is the most prominent manner of land use in the Northeast, and the change in its soil C pool is an essential factor in explaining the regional C budget and maintaining soil fertility. Using a process-based carbon-water-nitrogen coupling model, CEVSA2, we simulated the spatial patterns of N deposition in China between 1961 and 2010. With the N deposition and environment data collected, we also used CEVSA2 to explore the effect of enhanced N input on soil C storage in Northeast China in this period. The results show that the N deposition in Northeast China (1.00 gN m-2a-1) is higher than the average for the whole country, and increases annually by 0.047 gN m-2a-1. From the 1980, the N input began to increase significantly. The model simulations indicated that enhanced N deposition has resulted in a net increase of soil C density by 135 gC/m2in Northeast, and the total soil C storage increased by 0.16 PgC over the past 50 years. The soil C sequestration induced by N input decreased from east to west and from south to north. In the Songliao Plain and the Sanjiang Plain, the soil C sequestration induced by N input was >300 gC/m2. The change in soil C density induced by N input varies significantly among the major biome types in the Northeast. Model simulations indicated that the increase in soil C density in cropland was 230 gC/m2. However, those in the forest, shrubland, and grassland were 76 gC/m2, 169 gC/m2and 89 gC/m2, respectively, and the spatial heterogeneity of N input as well as the different responses of vegetation types to it determined the spatial pattern of the increase in soil C storage. Elucidation of the effect of N input on soil C storage will provide a scientific foundation for C fixation as well as C and N management in cropland.

nitrogen deposition; fertilization; soil carbon storage; Northeast; CEVSA2 model

國家自然科學基金項目(41271118, 31370463, 31070398)；中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程項目;國家留學基金資助(留金發(fā)[2013]3018號)

2015- 02- 26;

日期:2015- 12- 14

10.5846/stxb201502260389

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zyd@caf.ac.cn

顧峰雪，黃玫，張遠東，李潔，閆慧敏，郭瑞，鐘秀麗.氮輸入對中國東北地區(qū)土壤碳蓄積的影響.生態(tài)學報,2016,36(17):5379- 5390.

Gu F X, Huang M, Zhang Y D, Li J, Yan H M, Guo R, Zhong X L.Modeling the effect of nitrogen input on soil carbon storage in Northeast China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(17):5379- 5390.