外源碳氮添加对草地碳循环关键过程的影响

中国环境科学 2018,38(3)：1133~1141 China Environmental Science 外源碳氮添加对草地碳循环关键过程的影响

贺云龙1,2,齐玉春1,彭琴1,董云社1*,闫钟清1,2,李兆林1,2(1.中国科学院地理科学与资源研究所,中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室,北京 100101；2.中国科学院大学,北京 100049)

摘要：人类活动引起的大量的活性氮从大气沉降到生物圈.当前氮沉降对草地生态系统碳循环过程的影响机制仍然存在较大的不确定性.本文综述草地生态系统碳循环过程(植物光合作用、地上生物量、地下生物量、土壤呼吸、凋落物分解和土壤有机碳含量)对添加不同的氮源水平和不同施氮年限的响应,并分析这些过程变化的可能原因,同时,也阐述草地碳循环关键过程对外源碳输入的响应,并进一步分析了外源碳和氮输入对草地碳循环关键过程影响的微生物学作用机制.通过上述总结旨在强调说明碳源可利用性变化作为氮沉降背景下草地生态系统碳循环关键过程重要调控因素之一,开展相关研究对科学的管理我国草地资源配置和增加土壤碳汇方面理论的重要意义.

关键词：氮沉降；外源碳；碳循环；微生物；碳汇

中图分类号：X171.1, Q948.1 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2018)03-1133-09

Effects of exogenous carbon and nitrogen addition on the key process of carbon cycle in grassland ecosystem: a review. HE Yun-long1,2, QI Yu-chun1, PENG Qin1, DONG Yun-she1*, YAN Zhong-qing1,2, Li Zhao-lin1,2 (1.Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2018,38(3)：1133~1141

Abstract：Human activities result in a large amount of active nitrogen (N) depositing from atmosphere to biosphere. Then N deposition has inconsistently influenced in the key process of carbon (C) cycle in the grassland ecosystem. In this paper, we review the processes of C cycle (plant photosynthesis, aboveground and belowground biomass, soil respiration, litter decomposition and soil organic carbon content) responding to different N-addition levels and years in the grassland ecosystem, and analyze possible the causes of various in these processes. Simultaneously, we analysis that these processes respond to exogenous C addition. Furthermore, we analysis the mechanisms of microbes driving these processes under exogenous C and N addition. C availability is one of most controllers in the key processes of C cycle in grassland ecosystems. This paper throughout the above these works strongly emphasizes that conducting the related research will play important roles in scientific managing resources and increasing soil C sink in China.

Key words：nitrogen deposition；exogenous carbon；C cycle；soil microbes；soil C sink

从1860年到1995年,矿物燃料大量的应用和农业化肥过量的施用等人类活动向大气中排放的氮氧化物和氨从34Tg N/a迅速增加到了100Tg N/a,并且这部分活性氮素70%以上又以干湿沉降的方式随后回降到陆地生态系统[1].到2050年,全球人类活动向大气中排放的氮氧化物和氨预计将达到200Tg N/a[1].在一些氮限制的陆地生态系统中,有研究报道,施氮可以增加植物地上[2-3]和地下[4-5]净初级生产力,进而可能会扩大生态系统碳的输入[4,6].但也有研究发现,随着施氮量增加或者施氮年限的增加,虽然施氮提高了土壤氮的可利用性,但也会导致植物向根系运输光合产物减少[7-8]、植物细根生物量[4]和根系分泌物的降低[8],这些因素可能会减少地下部分碳源输入,也可能会抵消植物地上部分的碳固定[9-10].另外,大部分氮沉降模拟试验研究还发现,施氮肥对土壤呼吸影响效应也不一致,包括积极效应、消极效应或者无影响[8,11-13].所以,氮沉降对收稿日期：2017-08-25

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41330528,41673086, 41573131,41203054)

* 责任作者, 研究员, dongys@