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《复旦大学》 2009年
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氮输入对生态系统碳、氮循环的影响:整合分析

卢蒙  
【摘要】:氮,作为有机体的组成和生物地球化学系统的关键元素被视为影响生态系统碳、氮循环过程最重要的营养元素。本文利用整合分析(meta-analysis)性研究方法,通过设定相关标准从所搜集到的超过2000篇独立发表的研究施氮和模拟氮沉降实验对陆地生态系统碳、氮循环影响的论文中,选取了符合要求的论文266篇,并通过文献数据的获取建立了统一的研究数据库。数据库含有与碳、氮循环过程相关的27个变量,具体为叶碳库、植物地上部分碳库、植物地下部分碳库、凋落物碳库、微生物生物量碳(以下简称微生物碳)、土壤碳库、叶氮库、植物地上部分氮库、植物地下部分氮库、凋落物氮库、微生物生物量氮(以下简称微生物氮)、土壤氮库、叶碳氮比、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、氮矿化作用、硝化作用、反硝化作用、氮固持作用、土壤无机氮库、土壤pH值、根冠比和土壤容重。根据计算和整合以上变量在实验研究中施氮组与对照组比值的自然对数——响应比,来探讨氮输入对生态系统碳、氮循环过程的影响。 整体而言,研究结果表明氮输入对植物、土壤、微生物有着不同影响。氮输入通过显著提高土壤无机氮库(增幅为115.7%)改善土壤营养条件促进了植物的生长,但却抑制土壤微生物的生长,对土壤碳库,特别是农业生态系统和非农业生态系统土壤碳库截留的作用有着明显的差异。与对照组相比较,施氮组植物碳库和植物氮库都有显著的增加,从35.7%的植物地上部分碳库增量和44.2%氮库增量,到23.1%的植物地下部分碳库增量和53.2%氮库增量不等。植物碳、氮库的增加促进了凋落物的积累,施氮组凋落物碳库和氮库都有显著的上升,分别比对照组凋落物碳库和氮库增加了20.9%和23.9%。植物和凋落物碳、氮库的增加意味着生态系统有机碳、氮输入的增加。氮输入显著增加了土壤碳库和土壤氮库,增幅分别为2.2%和6.2%。其中对于土壤碳库而言,增量的贡献主要来自于农田生态系统(增幅为3.5%),而对于非农业生态系统,氮输入虽然显著地增加了土壤氮库(增幅为4.5%),但对土壤碳库并没有明显的改变(仅有0.26%的降幅)。氮输入对土壤微生物碳和微生物氮都为负效应,其降幅分别为6.4%和5.8%。可见,氮输入虽然促进了植物的生长但是却抑制了土壤微生物的生长。因氮输入对植物、凋落物、微生物和土壤碳、氮库影响的差别,即相关参数氮库的增幅都大于碳库的增幅(微生物氮的减幅小于微生物碳的减幅),导致了植物、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对凋落物和土壤有机质的分解产生显著的影响。另一方面,氮输入在改变生态系统碳、氮库,显著增加生态系统有机碳、氮输入的同时,也改变了生态系统碳、氮流,显著增加了碳、氮的外流通量。与对照组相比,土壤呼吸作用增加了5.3%,氮矿化、硝化和反硝化作用分别增加了22.9%、194.2%和112.2%。另外,氮输入还显著降低了植物根冠比改变了植物生物量分配,显著降低了土壤pH值导致土壤酸化,对土壤容重和氮固持作用没有显著的影响。 研究结果还表明不同生态系统类型、实验设计差异(如施氮率、实验持续时间、施氮总量的差异)、环境因子(如纬度、年平均气温、年平均降雨量)等因素能不同程度地影响生态系统碳、氮循环相关参数对氮输入的响应。其中施氮率是影响植物地上部分碳、氮库和凋落物碳库的主要因素;纬度变化和年平均气温变化与土壤微生物碳、氮的变化呈显著的相关性;生态系统类型是影响土壤碳、氮库截留的主要因素,如在农田生态系统中土壤碳、氮库增量较大,而在森林、草地生态系统土壤碳库却没有显著改变。施氮降低了农田生态系统土壤碳的周转速率、增加了碳周转时间,因此有利于土壤碳库的积累。非农业生态系统土壤碳周转速率的上升和碳周转时间的下降则表明,氮输入在增加生态系统碳输入的同时也促进了土壤有机质的分解,因此不利于土壤有机质的积累。另一方面,氮输入增加了农业和非农业生态系统土壤氮的周转速率,降低了氮的周转时间,因此土壤氮库的增量远低于植物和凋落物氮库的增量。植物地下部分碳库变化与土壤碳库变化具有显著的相关性,纬度变化、年平均气温变化、土壤深度、施氮率和施氮总量等因素都对土壤碳库的变化有一定的影响。施氮通过外源性氮输入加大了生态系统氮输入量,通过显著增加土壤无机氮促进植物的生长和植物、凋落物、土壤的碳、氮截留,并同时促进了土壤呼吸作用、氮矿化、硝化和反硝化作用,从而促进了生态系统碳、氮循环。另外,生态系统碳、氮过程有着密切的联系,氮输入导致的植物地上部分、凋落物、土壤微生物和土壤碳、氮库的变化呈极其显著的相关性,表明生态系统碳、氮过程是紧密地耦合在一起的。 总体而言,尽管氮输入并不显著改变非农业生态系统土壤碳库,但因施氮能显著促进农业生态系统土壤碳库的积累,促进植物的生长以及增加凋落物产量,因此,施氮或氮沉降能在促进陆地生态系统碳截留、缓冲大气CO2浓度上升、减缓全球变暖等方面做出贡献。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:Q14

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【引证文献】
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