顧峰雪，黃 玫，張遠(yuǎn)東，李 潔，閆慧敏，郭 瑞，鐘秀麗

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101 3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091

?

氮輸入對(duì)中國(guó)東北地區(qū)土壤碳蓄積的影響

顧峰雪1，黃 玫2，張遠(yuǎn)東3,*，李 潔1，閆慧敏2，郭 瑞1，鐘秀麗1

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101 3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091

由于人類(lèi)活動(dòng)的干擾，通過(guò)沉降和施肥形式進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)的氮素持續(xù)增加，中國(guó)已經(jīng)成為繼歐洲和北美之后的第三大氮沉降區(qū)，同時(shí)也是最大的化肥消費(fèi)國(guó)。氮輸入與陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)的一系列過(guò)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(jī)碳庫(kù)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(duì)土壤碳庫(kù)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(wèn)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(duì)于土壤肥力維持具有重要意義，而且對(duì)區(qū)域碳收支具有重要影響。利用生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程模型——CEVSA2模型，基于我國(guó)能源消費(fèi)、施氮數(shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù)生成了一套中國(guó)大氣氮沉降的時(shí)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(lèi)型和質(zhì)地的時(shí)空數(shù)據(jù)，模擬評(píng)估了1961—2010年氮輸入對(duì)中國(guó)東北地區(qū)土壤碳蓄積的影響。結(jié)果表明：(1)1961—2010年?yáng)|北地區(qū)的平均氮沉降速率為1.00 gN m-2a-1，年增長(zhǎng)率為0.047 gN m-2a-1。東北農(nóng)田總氮輸入速率達(dá)到5.78 gN m-2a-1，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始顯著增加。(2)氮輸入促進(jìn)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(guò)了300 gC/m2。(4)不同植被類(lèi)型下的土壤碳密度對(duì)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(lèi)型對(duì)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(guò)本研究闡明了氮輸入對(duì)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(lèi)活動(dòng)已經(jīng)極大地改變了氮循環(huán)過(guò)程[1-2]。1860年以來(lái)，全球活性氮生產(chǎn)量逐年增加。據(jù)估計(jì)，全球人為活動(dòng)導(dǎo)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(dòng)是重要的活性氮來(lái)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(kāi)始，工業(yè)固氮產(chǎn)生的活性氮由零的數(shù)量開(kāi)始增加，到2000年工業(yè)固氮產(chǎn)生的活性氮已經(jīng)超過(guò)的100 TgN/a，其中85%來(lái)自于化肥的生產(chǎn)[1,3]。我國(guó)作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)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(guò)沉降和施肥的方式進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)中，會(huì)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(wèn)題[6]。氮輸入的增加引起了科學(xué)家和公眾的廣泛關(guān)注[1,2,7]。

土壤有機(jī)碳庫(kù)在全球碳循環(huán)中具有重要作用。據(jù)估計(jì)，土壤有機(jī)碳庫(kù)大約是大氣碳庫(kù)的3倍多，是植物碳庫(kù)的2.5—3倍[8]。土壤碳庫(kù)的動(dòng)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?jī)?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(guò)程的重要因素[10-11]。氮沉降能否或在多大程度上對(duì)土壤碳庫(kù)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(wèn)題[12]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開(kāi)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(guó)東南部杉木人工林碳蓄積對(duì)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(guó)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(dá)到16×106MgC/a，土壤碳蓄積將達(dá)到9.9×106MgC/a；呂超群[14]應(yīng)用動(dòng)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(kù)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(zhǎng)期持續(xù)的氮沉降增加必然會(huì)提高土壤碳庫(kù)在整個(gè)氮促碳庫(kù)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(jì)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(kāi)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(duì)土壤碳蓄積影響的深入研究，因此，有必要對(duì)氮輸入對(duì)土壤碳蓄積的影響進(jìn)行深入探討。

東北地區(qū)處于我國(guó)最高緯度地區(qū)，是中國(guó)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(duì)區(qū)域碳收支具有重要影響，而且對(duì)于土壤肥力維持具有重要意義。許多學(xué)者對(duì)我國(guó)東北地區(qū)的土壤碳的時(shí)空格局及其變化特征進(jìn)行了研究[20- 25]，而且，研究表明氮輸入對(duì)該區(qū)土壤碳蓄積具有重要作用，如對(duì)東北黑土的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究表明，施用化肥有利于黑土有機(jī)質(zhì)的積累[26]，且土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)施肥的響應(yīng)隨土層深度的加深呈下降趨勢(shì)[27]。但是氮輸入對(duì)東北地區(qū)土壤碳蓄積時(shí)空格局影響的研究較少。開(kāi)展氮輸入對(duì)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(duì)于準(zhǔn)確評(píng)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(jiǎn)介

本研究中，東北地區(qū)(北緯 38°48′—53°33′N(xiāo)，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(guó)渤海和黃海[28]。本研究中統(tǒng)計(jì)的總面積為11.73×105km2。東北地區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冷期較長(zhǎng)，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(zhǎng)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(wàn)多km2，是我國(guó)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(guó)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(jī)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(chēng)。東北陸地生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量為26.43 PgC，在全球碳庫(kù)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(lài)以發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，東北地區(qū)的化肥消費(fèi)以氮肥為主，2010年全國(guó)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(lái)東北地區(qū)化肥施用量呈緩慢提升的趨勢(shì)[31-32]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 氣候數(shù)據(jù)

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

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

大氣CO2濃度資料來(lái)源于美國(guó)夏威夷Mauna Loa觀測(cè)所(http://co2now.org/Current-CO2/CO2-Now/noaa-mauna-loa-co2-data.html)。土壤類(lèi)型和質(zhì)地資料取自1∶14000000土壤類(lèi)型圖和第二次土壤普查數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化并重采樣到0.1°。植被數(shù)據(jù)來(lái)自于Global Land Cover 2000數(shù)據(jù)庫(kù)(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(lèi)型，在ArcGIS中進(jìn)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(fèi)和氮沉降

本研究中的氮輸入主要包括通過(guò)沉降和施肥兩種途徑進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的氮。施肥數(shù)據(jù)是由統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)計(jì)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(fèi)等數(shù)據(jù)在模型中運(yùn)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(shí)也是計(jì)算氮沉降數(shù)據(jù)的關(guān)鍵變量。施肥數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)和各省的統(tǒng)計(jì)年鑒(NBS, http://www.stats.gov.cn/)，包括1978—2008年全國(guó)和各省的施肥量、施氮量，以及全國(guó)2000多個(gè)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(duì)施肥數(shù)據(jù)做以下處理：(1)按照不同時(shí)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(shì)，計(jì)算得到全國(guó)各縣級(jí)單元施氮總量1978—2008年的變化趨勢(shì)。(2)基于1978—2008年各縣級(jí)單元施氮總量的線性變化趨勢(shì)，計(jì)算得到各縣級(jí)單元1961—1977年和2009、2010年的施氮總量數(shù)據(jù)。(3)將縣級(jí)單元施氮數(shù)據(jù)屬性表與中國(guó)縣市界先掛接，形成屬性空間化。(4)利用通過(guò)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(chēng)與各縣市耕地面積掛接，實(shí)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(shí)現(xiàn)施肥量單元柵格化(gN m-2a-1)。

能源消費(fèi)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)統(tǒng)計(jì)局 (NBS, http://www.stats.gov.cn/)，查找自1978—2008年全國(guó)和各省的能源總量(萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤/年)，全國(guó)和各省1961—1977年以及2009、2010年的能源消費(fèi)數(shù)據(jù)根據(jù)1978—2008年的線性變換趨勢(shì)計(jì)算得到。根據(jù)省界圖，統(tǒng)計(jì)各省的面積，將各省的能源消費(fèi)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(diǎn)的能源消費(fèi)量(g標(biāo)準(zhǔn)煤m-2a-1)。

利用柵格化后的施肥、能源消費(fèi)和降水對(duì)氮沉降的時(shí)空變化進(jìn)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(fèi)量(g標(biāo)準(zhǔn)煤m-2a-1)，P1、P2、P3和P4為擬合參數(shù)。通過(guò)文獻(xiàn)收集了中國(guó)區(qū)域內(nèi)163個(gè)站點(diǎn)不同年份觀測(cè)的588個(gè)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(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)P1—P4參數(shù)進(jìn)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(shí)可以根據(jù)能源利用效率和氮肥利用率的變化來(lái)調(diào)整參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)情景的預(yù)測(cè)。

1.2.4 CEVSA2模型簡(jiǎn)介和運(yùn)行

CEVSA2模型是一個(gè)基于生理生態(tài)過(guò)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(xué)循環(huán)模型。CEVSA2模型基于目前已有的機(jī)理發(fā)現(xiàn)，包含了氮對(duì)光合、呼吸、分配和土壤碳分解等所有過(guò)程的影響模擬，從而能夠很好地表達(dá)氮輸入變化對(duì)于碳循環(huán)過(guò)程的影響。在空間模擬過(guò)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(yùn)行的時(shí)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(yùn)行模型至生態(tài)系統(tǒng)平衡態(tài)，即各個(gè)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(jí)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(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，并反復(fù)運(yùn)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(duì)模擬結(jié)果的影響。從最終模擬結(jié)果中提取中國(guó)東北地區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 模型驗(yàn)證

本研究中，為了驗(yàn)證CEVSA2模型在土壤碳儲(chǔ)量對(duì)氮輸入響應(yīng)方面的模擬效果，利用從文獻(xiàn)中收集的公主嶺[34]和海倫[35]兩個(gè)站點(diǎn)施肥的長(zhǎng)期試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。利用CEVSA2模型，分別計(jì)算兩個(gè)站點(diǎn)在16.5 gN/m2和12.8 gN/m2(公主嶺和海倫長(zhǎng)期試驗(yàn)中的施氮量)氮輸入水平下土壤有機(jī)碳密度，其與無(wú)氮條件下土壤碳密度的差值作為氮輸入引起的土壤碳儲(chǔ)量變化的模擬值。模擬值與站點(diǎn)實(shí)測(cè)值的比較如圖1。氮輸入引起的公主嶺地區(qū)土壤碳儲(chǔ)量變化13a的試驗(yàn)值為 0.177 kgC/m2,模擬值為0.204 kgC/m2，相對(duì)誤差為 15.39%。氮輸入引起的海倫地區(qū)土壤碳儲(chǔ)量變化的19a平均值為0.300 kgC/m2，模擬值為0.280 kgC/m2，相對(duì)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(duì)氮輸入的響應(yīng)。模型模擬值與試驗(yàn)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(diǎn)不一樣，會(huì)造成土壤實(shí)測(cè)值存在較大的變異性，通過(guò)統(tǒng)計(jì)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(yàn)中，氮肥非純氮，氮與其他肥料元素之間存在著復(fù)雜的交互作用，而模型則只考慮了氮的作用。

圖1 氮輸入對(duì)土壤碳蓄積影響的模擬值與實(shí)測(cè)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(shí)空變化

圖2 1961—2010年中國(guó)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(shí)段內(nèi)，我國(guó)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(guó)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(dá)到2.80 gN m-2a-1，是同時(shí)段全國(guó)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(guó)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(zhǎng)率為0.047 gN m-2a-1，高于全國(guó)氮沉降速率的增速0.036 gN m-2a-1(圖2)，20世紀(jì)60年代和70年代氮沉降速率基本保持不變，80年代開(kāi)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(jì)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(jì)初的2.0—4.5 gN m-2a-1。

圖4 1961—2010年中國(guó)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(guó)和東北地區(qū)的施氮量均呈增加趨勢(shì)(圖4)。我國(guó)東北地區(qū)的施氮量低于全國(guó)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(shì)來(lái)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(jì)70年代至21世紀(jì)初分別比60年代增加了15%、89%、250%和456%，由此可見(jiàn)，施氮量的增加主要在20世紀(jì)80年代以后，80年代以前我國(guó)的施氮量水平很低而且增量較小。

為了說(shuō)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(duì)1978—2008年施氮量統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)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(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)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(guò)10 gN m-2a-1。近30年來(lái)，我國(guó)東北地區(qū)的農(nóng)田施氮量持續(xù)增加。申建波等[36]對(duì)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(guó)東北農(nóng)田的施氮量低于全國(guó)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(duì)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(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖5 1981—2008年?yáng)|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(guó)氮肥產(chǎn)量迅速增加，是主要的氮肥消費(fèi)形式。20世紀(jì)80年代以后，隨著無(wú)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(guò)碳酸氫銨成為中國(guó)第一大氮肥品種，氮肥消費(fèi)迅速增長(zhǎng)[37]。根據(jù)欒江等[31]的研究，化肥使用強(qiáng)度的增長(zhǎng)是中國(guó)化肥施用總量增長(zhǎng)的主因，但從2007年以后，使用強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不斷下降，播種面積調(diào)整的貢獻(xiàn)有所提高。中國(guó)肥料的當(dāng)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(lái)看，我國(guó)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(duì)不同地區(qū)施氮量的差異，對(duì)我國(guó)農(nóng)田施氮量進(jìn)行管理，對(duì)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(chǔ)量的時(shí)間變化對(duì)氮輸入的響應(yīng)

本研究中，利用有氮輸入和無(wú)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(jì)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(kāi)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(zhǎng)趨勢(shì)相一致，80年代以后，人類(lèi)活動(dòng)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(shí)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(lèi)推土壤碳庫(kù)的增減趨勢(shì)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(dǎo)致葉氮濃度的升高[39- 41]，由此促進(jìn)光合作用從而增加植物生物量。但氮輸入對(duì)凋落物的影響程度取決于樹(shù)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(duì)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(jì)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(dǎo)致進(jìn)入土壤的碳素增加。另外，目前關(guān)于氮輸入對(duì)土壤呼吸的影響還沒(méi)有一致的結(jié)論，可能存在促進(jìn)作用[46-49]、抑制作用[48,50-51]或無(wú)明顯影響[52]，同樣取決于樹(shù)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(jī)質(zhì)的分解與土壤碳庫(kù)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]?？偟脕?lái)說(shuō)，森林凋落物的分解速率因凋落物的種類(lèi)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(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)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(duì)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(shí)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(zhǎng)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(lái)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(duì)于了解生態(tài)系統(tǒng)行為具有重要意義。圖9通過(guò)對(duì)比整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)不同年代的氮效應(yīng)差值來(lái)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(lái)看，20世紀(jì)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(kāi)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(dá)到75—200 gC/m2，90年代達(dá)到75—200 gC/m2的區(qū)域面積進(jìn)一步擴(kuò)大，部分地區(qū)開(kāi)始超過(guò)200 gC/m2，2000年后75—200 gC/m2的范圍在這些地區(qū)逐漸向外擴(kuò)展，土壤碳密度的增加量進(jìn)一步增多。而在大、小興安嶺、長(zhǎng)白山以及內(nèi)蒙古地區(qū)，氮輸入對(duì)這些地區(qū)的土壤碳密度的影響幾乎沒(méi)有變化，直到20世紀(jì)90年代，這些地區(qū)的土壤碳密度增加量才逐步達(dá)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(duì)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(jìn)而影響植物生長(zhǎng)，改變凋落量和土壤呼吸過(guò)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(lèi)型對(duì)氮輸入的響應(yīng)存在差異(表2)。從氮輸入對(duì)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(lái)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(rèn)為氮輸入對(duì)土壤碳密度的影響與植被類(lèi)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(lèi)型下的氮輸入使土壤有碳蓄積增加量

4 結(jié)論

(1)過(guò)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(dá)到2.80 gN m-2a-1，年增長(zhǎng)率為0.047 gN m-2a-1，高于全國(guó)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(jìn)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(lèi)型下的土壤碳密度對(duì)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(duì)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(guò)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271118, 31370463, 31070398)；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目;國(guó)家留學(xué)基金資助(留金發(fā)[2013]3018號(hào))

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(yuǎn)東，李潔，閆慧敏，郭瑞，鐘秀麗.氮輸入對(duì)中國(guó)東北地區(qū)土壤碳蓄積的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),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.