长期氮和生物炭添加对毛竹林土壤温室气体通量的影响

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大气CO2、CH4和N2O等温室气体浓度的增加是全球气候变化的主要驱动因素。森林是CO2、CH4和N2O重要的源或汇,森林土壤温室气体通量与气候变化之间的反馈是森林生态系统调节气候系统的关键环节。持续增加的大气氮沉降提高了土壤氮的有效性,导致了土壤酸化,通常会引起森林土壤温室气体排放的增加。生物炭自身具有强大的吸附性和碱性等特点,添加到土壤中能够降低土壤氮的有效性,缓解土壤酸化,减少土壤温室气体排放,被认为是减缓全球气候变化的一种有效策略。然而,生物炭添加能否有效的减缓大气氮沉降对森林土壤温室气体排放的促进作用及其调控机制尚不清楚。毛竹林是我国竹林的主体,也是亚热带地区最重要的人工林之一,与此同时,该地区也是我国氮沉降最严重的地区之一,而且有可能进一步增加的趋势。基于此,本研究基于长期(>5年)不同水平氮添加(对照Control:0 kg N ha-1 yr-1;低氮N30:30 kg N ha-1 yr-1;中氮N60:60 kg N ha-1 yr-1;高氮N90:90 kg N ha-1 yr-1)和生物炭添加(对照Control:0 t ha-1;低水平生物炭氮BC20:20 t ha-1;高水平生物炭BC40:40 t ha-1)野外固定试验样地,通过对土壤温室气体的长期定位监测,结合土壤理化性质和微生物等变化,分别探讨氮添加和生物炭添加及其联合作用对毛竹林土壤温室气体的影响及其调控机制。主要结果如下:(1)低氮和中氮添加显著增加了毛竹林土壤CO2和N2O年均排放量,分别增加了17.0%-25.4%和29.8%-31.2%,但降低了土壤CH4年均吸收量(12.4%-15.9%),导致全球增温潜势(GWP)增加了17.9%-25.9%。而高氮处理显著增加了土壤N2O年均排放量(20.4%),但显著降低了土壤CH4年均吸收量(16.8%),但对土壤CO2年均排放量和GWP无显著影响。氮添加对土壤CO2和N2O排放的促进作用随着氮添加时间的增加而减弱。与此同时,氮添加提高了土壤微生物量碳(MBC),有效氮(AN)和铵态氮(NH4+-N)含量,但降低了土壤pH值。土壤CO2和N2O通量与土壤MBC和AN存在显著正相关关系。土壤CH4通量与土壤MBC和pH值呈显著正相关关系,与土壤NH4+-N含量呈显著负相关关系。(2)生物炭添加(BC20和BC40)显著增加了土壤CO2年均排放量(18.4%-25.4%)和CH4年均吸收量(7.6%-15.8%),但显著降低了N2O年均排放量(17.6%-19.2%),导致GWP增加了16.4%-22.8%。与此同时,生物炭添加降低了土壤MBC、AN和NH4+-N含量,但增加了土壤pH值。土壤CO2通量与土壤MBC存在显著正相关关系。土壤N2O通量与土壤AN和NH4+-N含量呈显著正相关关系,与土壤pH值呈显著负相关关系。土壤CH4通量与土壤MBC和pH值呈显著正相关关系,与土壤NH4+-N含量呈显著负相关关系。(3)在氮添加的背景下,生物炭添加显著增强了氮添加对土壤CO2排放的促进作用(11.2%-34.4%),但是很大程度上抵消了氮添加对土壤N2O排放的促进作用(16.4%-35.9%)和对土壤CH4吸收的抑制作用(9.7%-23.5%),导致GWP增加了9.2%-30.3%。而且,生物炭的这些作用随着生物炭添加量的增加而增强。与单独氮添加处理相比,氮和生物炭添加组合处理降低了土壤MBC、AN和NH4+-N含量,但增加了土壤pH值。土壤CO2通量与土壤MBC、AN和pH存在显著正相关关系。土壤N2O通量与土壤MBC、AN和NH4+-N含量呈显著正相关关系,与土壤pH值呈显著负相关关系。土壤CH4通量与土壤MBC和pH值呈显著正相关关系,与土壤AN和NH4+-N含量呈显著负相关关系。综上所述,本研究以亚热带毛竹林为研究对象,系统阐明长期氮和生物炭添加对土壤温室气体排放的影响及机制。按照GWP的计算方法,研究发现长期(>5年)氮和生物炭添加均增加了毛竹林土壤温室气体的排放,且在大气氮沉降增加的背景下,生物炭添加并不能有效减缓氮添加引起的毛竹林土壤温室气体排放,反而进一步增加了毛竹林土壤GWP。这有利于我们全面认识亚热带毛竹林土壤生态系统的碳汇/源特征对氮沉降和生物炭添加响应,也可为人工林经营管理中制定应对氮沉降等全球变化的适应性对策以及实现可持续经营提供重要科学依据。
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