全球变化背景下科尔沁沙地生态系统C、N循环过程

工业革命以来，由于人口的快速增加和人类活动的强烈干扰（主要包括煤炭、石油等石化燃料的燃烧、化肥生产和使用）导致土地利用/覆被变化、大气CO2浓度升高、N沉降等一系列全球环境变化问题。有关陆地生态系统生物地球化学循环，尤其是陆地生态系统C、N循环及其耦合过程方面的研究成为全球变化科学研究领域的重要内容。 干旱/半干旱地区占地球陆地总面积的1/3。与湿润地区相比较，干旱/半干旱地区生态系统稳定性比较差，往往属于生态脆弱区。因此，全球变化对干旱/半干旱地区生态系统影响更加敏感。科尔沁沙地位于我国北方干旱/半干旱地区，是我国典型的农牧交错区和生态脆弱区。科尔沁沙地是世界上人口密度最高的干旱/半干旱地区之一，人类活动对其影响剧烈。然而，有关科尔沁沙地生态系统C、N元素生物地球化学循环过程对土地利用/覆被变化、N沉降等全球变化响应及其反馈机制的研究非常缺乏。因此，本文以科尔沁沙地退化沙质草地、农田、不同年龄樟子松和杨树人工林等生态系统为对象，开展了造林、模拟N沉降和凋落物管理对生态系统C、N元素循环过程影响的研究。 在科尔沁沙地东南缘，以退化沙质草地、樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）人工林（15、24和30年生）、杨树（Poplus xiaozhuanica）人工林（7、11和15年生）为对象，研究草地转变为林地对生态系统C、N储量影响；以退化草地、榆树疏林草地和32年生樟子松人工林为对象，比较草地造林对土壤C、N循环过程及其土壤微生物性状的影响；以农田和5、10、15年生杨树人工林为对象，研究退耕还林对生态系统C、N储量和循环过程影响；以35年生樟子松人工林为对象，模拟研究N沉降和凋落物管理对生态系统C、N循环过程影响。通过上述研究，得到以下主要结果： （1）草地生态系统总C储量为34.38 Mg ha-1，15、24和30年生樟子松人工林生态系统总C储量分别为43.56、60.45和66.59 Mg ha-1，7、11和15年生杨树人工林生态系统总C储量分别为34.54、48.26和78.77 Mg ha-1；与农田相比，退耕5年的杨树人工林生态系统总C库储量下降13%，而10年和15年杨树人工林分别增加了176%和5倍；随着人工林年龄的增加，地上植被生物量C库储量占生态系统总C库储量的比例逐渐增加，并主要分配在树干。草地生态系统总N库储量为2.54 Mg ha-1，15、24和30年生樟子松人工林生态系统总N库储量分别为1.96、2.10和2.19 Mg ha-1，7、11和15年生杨树人工林生态系统总N库储量分别为2.27、1.84和2.60 Mg ha-1；与农田相比，退耕5年的杨树人工林生态系统总N库储量下降32%，而10年和15年杨树人工林分别增加了47%和76%；农田和草地造林后生态系统N储量依然主要分配在土壤中。 （2）草地和农田造林后土壤C、N库储量的变化受多因子的影响，例如林龄、树种种类以及立地条件等。农田和草地造林初期，土壤C、N库储量表现出下降趋势，随着林龄的增加，土壤C、N储量逐渐恢复。草地营造樟子松人工林30年后，0–60 cm深度土壤C、N储量依然显著低于草地；与草地相比，15年生杨树人工林土壤C、N储量差异不显著。在立地条件较好的情况下，10年杨树人工林土壤C、N储量已显著高于农田；然而，在立地条件相对较差的情况下，15年杨树人工林土壤C、N储量仍然与农田相比差异不显著。 （3）土地利用变化能够强烈地改变土壤C、N循环过程。与草地或疏林草地相比，32年生樟子松人工林土壤C、N、P含量显著降低；土壤C、N矿化过程发生显著变化，并且受季节变化的影响；在不同季节，土壤微生物量碳含量、代谢熵（qCO2）、微生物熵（MBC/TOC）以及土壤酶活性等在不同土地利用条件下表现出规律不一致。同样，农田退耕杨树人工林能够显著影响土壤C、N矿化过程，土壤无机氮（铵态氮+硝态氮）含量，土壤微生物量碳含量以及土壤微生物活性。草地造林在一定程度上导致土壤质量下降。而农田造林有利于土壤质量改善，尤其在在立地条件较好情况下。 （4）N添加增加对沙地樟子松人工林地上和地下C、N元素含量影响不大；N添加1年后，仅林下植被C、N含量显著增加，高氮处理（N15）凋落物N含量显著增加。N添加抑制了沙地樟子松人工林凋落物的早期分解和N、P元素释放。5、6、8和9月份土壤无机N含量均随着N输入增加表现出一定程度的增加，然而，7月份N添加导致土壤无机N含量降低。N添加对土壤潜在N矿化速率影响不显著。7和8月份N添加影响土壤C矿化速率，而其它月份影响不显著。低氮处理（N5）有利于增加土壤微生物量碳含量，而高氮处理（N15）在一定程度上降低土壤微生物量碳含量。 （5）凋落物输入变化（凋落物添加和凋落物移出）在一定程度上改变了35年生沙地樟子松人工林生态系统C、N循环过程。凋落物移出（C0）增加了林下植被C含量，降低了树木叶片N含量。凋落物移出抑制了凋落物分解和P元素的释放，而增加了C元素的早期释放速率，对N元素释放过程影响不显著。凋落物输入变化对不同月份土壤无机N含量和土壤N矿化过程影响均不显著。仅在6月份凋落物移出显著抑制了土壤C矿化速率，其它月份差异均不显著。凋落物管理对土壤微生物量碳含量影响不显著。 以上研究结果表明，土地利用变化、N沉降和凋落物输入改变等能够影响半干旱地区沙地生态系统C、N储量和循环过程。尤其是土地利用变化强烈改变沙地生态系统C、N储量、分配格局和循环过程，并且受到多因子的影响。科尔沁沙地樟子松人工林生态系统C、N元素生物地球化学循环存在密切的耦合关系。今后有必要进一步结合3S技术、同位素技术、模型模拟以及分子生物学技术等，从微观-宏观不同尺度上，研究半干旱地区沙地生态系统C、N循环过程对全球变化的响应及其反馈机制。