酸沉降作用下韶山森林小流域活性氮的动态及温室气体排放特征研究

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随着社会经济的快速增长与石化能源消耗的大量增加,大气中活性氮(NH3和NOx)的迁移速度和沉降量都在飞速的增长,并产生了一系列的生态环境和气候效应,如环境酸化、温室效应、土壤性质改变等。我国南方地区承受着高水平的大气氮沉降,但作为陆地重要组成部分的森林生态系统中氮的去向及其环境效应并不清楚,尤其在我国中亚热带高温高湿环境下更值得关注。本论文选取我国中亚热带针阔叶混交林—韶山森林小流域作为研究对象,于2013年在该流域四个样方(坡顶(A)、坡底(B)、水流渗透区顶部(C)、水流渗透区底部(D))开展树冠穿透水和土壤水定期观测,结合林外湿沉降和地表径流水同步采样,研究酸沉降影响下韶山森林流域活性氮的流通量及其特征。结果表明:(1)林外降水pH值变化范围为3.20-5.32,平均为4.29,森林穿透水和地表径流水的pH变化范围分别为4.02~5.06和6.31-6.67,这些均较2001-2004年呈逐年降低的趋势,表明韶山地区降水在持续酸化,森林流域水化学的酸度也逐渐增加。(2)四个样方土壤水年均pH比较:D>C>B>A,且坡顶(A)NH4+-N和N03--N浓度最大,坡底(D)N03--N浓度最小,而NH4+-N水流渗透区顶部(C)最小,这可能与土壤含水率及反硝化过程强弱造成的产OH差异有关。(3)韶山森林流域活性氮总输入通量为2.469g·m-2·a-1,其中NO3-N和NH4+-N分别为1.384g·m-2.a-1和1.085g·m-2·a-1;NH4+-N输入占全年输入总活性氮的44%,较2001-2004年的>60%低,表明韶山森林流域活性氮输入由NH4+-N转为NO3--N主导。(4)估算活性氮年干沉降通量为0.563gm-2a-1,仅约占总氮输入的23%,且秋冬季明显高于春夏季,表明韶山森林活性氮输入主要由春夏季频繁且丰富降水输入为主.(5)韶山森林流域活性氮的输出通量为0.366g·m-2.a-1,主要以NO3--N(99.2%)的形式输出;活性氮的输出占总输入的14.8%,较十年前的8%~9%增加,但活性氮输出并不随输入的增加而增加,表明韶山森林流域系统还没有达到氮饱和状态。采用静态箱法对韶山森林流域土壤温室气体(CO2、N2OCH4)排放通量进行为期一年的定期观测分析。结果表明(1)土壤N20通量为02gNm-2a-1,呈坡底(50.8ug N m-2h-1)>水流渗透区顶部(40.3ug N m-2h-1)>坡顶(72ug N m2h-1)>水流渗透区底部(61ug N m-2h-1)的变化趋势,且坡顶(A)和水流渗透区底部(D)土壤N20的排放通量相对稳定波动不大,坡底(B)和水流渗透区顶部(C)排放速率高值均主要出现在4-6月且随降雨量变化而变化,这些都表明了韶山森林流域是N20的净排放源,且排放强度受地理环境影响,干湿交替环境有利于反硝化过程N20的产生和排放,长期水淹状态有利于反硝化过程将大部分的N03-直接还原为N2而释放。(2)韶山森林土壤C02通量为367.0g Cm-2a-1,呈坡底>坡顶>水流渗透区顶部>水流渗透区底部的变化趋势;甲烷的的排放通量为6.8g C m-2a-1,坡顶(A)和坡底(B)为大气甲烷的汇,水流渗透区顶部(C)和水流渗透区底部(D)为大气甲烷的源。(3)通过拟合观测期间排放通量与土壤温湿度关系发现,该流域土壤N20和CH4的排放与土壤温度呈显著负线性关系,而C02排放与土壤湿度呈显著负线性关系。
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